Nature.com'u ziyaret ettiğiniz için teşekkür ederiz.Kullanmakta olduğunuz tarayıcı sürümü sınırlı CSS desteğine sahiptir.En iyi deneyim için güncellenmiş bir tarayıcı kullanmanızı (veya Internet Explorer'da Uyumluluk Modunu devre dışı bırakmanızı) öneririz.Bu arada, sürekli destek sağlamak için siteyi stiller ve JavaScript olmadan yapacağız.
Aynı anda üç slayt gösteren bir döngü.Üç slaytta aynı anda ilerlemek için Önceki ve Sonraki düğmelerini kullanın veya aynı anda üç slaytta ilerlemek için sondaki kaydırma düğmelerini kullanın.
Son zamanlarda, yapay su nanoyapıları (EWNS) kullanan nanoteknolojiye dayalı, kimyasal içermeyen bir antimikrobiyal platform geliştirilmiştir.EWNS yüksek bir yüzey yüküne sahiptir ve gıda kaynaklı patojenler de dahil olmak üzere bir dizi mikroorganizma ile etkileşime girebilen ve onları etkisiz hale getirebilen reaktif oksijen türleri (ROS) ile doyurulur.Burada, sentez sırasındaki özelliklerinin antibakteriyel potansiyellerini daha da artırmak için ince ayar yapılabileceği ve optimize edilebileceği gösterilmiştir.EWNS laboratuvar platformu, sentez parametrelerini değiştirerek EWNS'nin özelliklerine ince ayar yapmak için tasarlanmıştır.Modern analitik yöntemler kullanılarak EWNS özelliklerinin (ROS'un yükü, boyutu ve içeriği) karakterizasyonu.Ayrıca Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocuous, Mycobacterium paraaccidentum ve Saccharomyces cerevisiae gibi gıda kaynaklı mikroorganizmalara karşı mikrobiyal inaktivasyon potansiyelleri değerlendirilmiştir.Burada sunulan sonuçlar, EWNS'nin özelliklerinin sentez sırasında ince ayarlanabileceğini ve bunun da etkisizleştirme verimliliğinde üstel bir artışla sonuçlanabileceğini göstermektedir.Özellikle, yüzey yükü dört kat arttı ve reaktif oksijen türleri arttı.Mikrobiyal uzaklaştırma oranı mikrobiyal olarak bağımlıydı ve 40.000 #/cc EWNS'lik bir aerosol dozuna 45 dakika maruz kaldıktan sonra 1.0 ila 3.8 log arasında değişiyordu.
Mikrobiyal kontaminasyon, patojenlerin veya toksinlerinin yutulmasından kaynaklanan gıda kaynaklı hastalıkların ana nedenidir.Yalnızca Amerika Birleşik Devletleri'nde, gıda kaynaklı hastalıklar her yıl yaklaşık 76 milyon hastalığa, 325.000 hastaneye yatışa ve 5.000 ölüme neden olmaktadır1.Ayrıca Amerika Birleşik Devletleri Tarım Bakanlığı (USDA), Amerika Birleşik Devletleri'nde rapor edilen tüm gıda kaynaklı hastalıkların %48'inden taze ürün tüketimindeki artışın sorumlu olduğunu tahmin etmektedir2.Amerika Birleşik Devletleri'nde gıda kaynaklı patojenlerin neden olduğu hastalık ve ölüm maliyeti çok yüksektir ve Hastalık Kontrol ve Önleme Merkezleri (CDC) tarafından yılda 15,6 milyar ABD dolarından fazla olarak tahmin edilmektedir3.
Şu anda, gıda güvenliğini sağlamaya yönelik kimyasal4, radyasyon5 ve termal6 antimikrobiyal müdahaleler, sürekli olarak değil, çoğunlukla üretim zinciri boyunca (genellikle hasattan sonra ve/veya paketleme sırasında) sınırlı kritik kontrol noktalarında (CCP'ler) gerçekleştirilmektedir.bu nedenle çapraz kontaminasyona eğilimlidirler.7. Gıda kaynaklı hastalıkların ve gıda bozulmalarının daha iyi kontrolü, potansiyel olarak çiftlikten sofraya süreçte uygulanabilen ve aynı zamanda çevresel etki ve maliyetleri azaltan antimikrobiyal müdahaleleri gerektirir.
Son zamanlarda, yapay su nanoyapıları (EWNS) kullanarak yüzey ve havadaki bakterileri etkisiz hale getirebilen, kimyasal içermeyen, nanoteknoloji tabanlı bir antimikrobiyal platform geliştirilmiştir.EWNS, elektrosprey ve su iyonizasyonu olmak üzere iki paralel işlem kullanılarak sentezlendi (Şekil 1a).Önceki çalışmalar, EWNS'nin benzersiz bir dizi fiziksel ve biyolojik özelliğe8,9,10 sahip olduğunu göstermiştir.EWNS, yapı başına ortalama 10 elektrona ve ortalama 25 nm'lik bir nano ölçekli boyuta sahiptir (Şekil 1b,c)8,9,10.Ek olarak, elektron spin rezonansı (ESR), EWNS'nin büyük miktarda reaktif oksijen türü (ROS), başlıca hidroksil (OH•) ve süperoksit (O2-) radikalleri içerdiğini göstermiştir (Şekil 1c)8.EVNS uzun süre havadadır ve havada asılı duran ve yüzeyde bulunan mikroorganizmalarla çarpışarak ROS yüklerini iletir ve mikroorganizmaların etkisizleşmesine neden olabilir (Şekil 1d).Bu erken çalışmalar ayrıca EWNS'nin yüzeylerde ve havada mikobakteriler dahil olmak üzere çeşitli gram-negatif ve gram-pozitif bakterilerle etkileşime girebileceğini ve onları etkisiz hale getirebileceğini gösterdi.Transmisyon elektron mikroskobu, inaktivasyonun hücre zarının bozulmasından kaynaklandığını gösterdi.Ek olarak, akut inhalasyon çalışmaları, yüksek dozlarda EWNS'nin akciğer hasarına veya iltihaplanmaya neden olmadığını göstermiştir 8 .
(a) Elektrosprey, sıvı içeren bir kılcal boru ile bir karşı elektrot arasına yüksek voltaj uygulandığında meydana gelir.(b) Yüksek basınç uygulaması iki farklı olayla sonuçlanır: (i) suyun elektrospreylenmesi ve (ii) EWNS'de tutulan reaktif oksijen türlerinin (iyonlarının) oluşumu.(c) EWNS'nin benzersiz yapısı.(d) Nano ölçekli yapıları nedeniyle, EWNS oldukça hareketlidir ve havadaki patojenlerle etkileşime girebilir.
EWNS antimikrobiyal platformunun taze gıda yüzeyindeki gıda kaynaklı mikroorganizmaları inaktive etme yeteneği de yakın zamanda gösterilmiştir.EWNS'nin yüzey yükünün bir elektrik alanıyla birlikte hedeflenen teslimatı elde etmek için kullanılabileceği de gösterilmiştir.Ayrıca, yaklaşık 50.000 #/cm3'lük bir EWNS'de 90 dakikalık bir maruziyetin ardından organik domatesler için ön sonuçlar cesaret vericiydi ve E. coli ve Listeria 11 gibi çeşitli gıda kaynaklı mikroorganizmalar gözlemlendi.Ek olarak, ön organoleptik testler, kontrol domateslerine kıyasla hiçbir duyusal etki göstermedi.Her ne kadar bu ilk inaktivasyon sonuçları, 50.000#/cc gibi çok düşük EWNS dozlarında bile gıda güvenliği uygulamaları için cesaret verici olsa da.Bakınız, enfeksiyon ve bozulma riskini daha da azaltmak için daha yüksek bir inaktivasyon potansiyelinin daha faydalı olacağı açıktır.
Burada araştırmamızı, antibakteriyel potansiyellerini artırmak için sentez parametrelerinin ince ayarını ve EWNS'nin fizikokimyasal özelliklerinin optimizasyonunu sağlamak için bir EWNS üretim platformunun geliştirilmesine odaklayacağız.Optimizasyon özellikle, yüzey yüklerini (hedeflenen teslimatı iyileştirmek için) ve ROS içeriğini (devre dışı bırakma verimliliğini artırmak için) artırmaya odaklanmıştır.Modern analitik yöntemleri kullanarak optimize edilmiş fiziko-kimyasal özellikleri (boyut, yük ve ROS içeriği) karakterize edin ve E. .
EVNS, yüksek saflıkta suyun (18 MΩ cm-1) eşzamanlı elektrospreyleme ve iyonizasyonuyla sentezlendi.Elektrikli nebülizör 12 tipik olarak sıvıların atomizasyonu ve polimer ve seramik parçacıkların 13 ve kontrollü büyüklükte liflerin 14 sentezi için kullanılır.
Önceki yayınlar 8, 9, 10, 11'de detaylandırıldığı gibi, tipik bir deneyde metal bir kılcal damar ile topraklanmış bir karşı elektrot arasına yüksek voltaj uygulandı.Bu işlem sırasında iki farklı olay meydana gelir: i) elektrosprey ve ii) su iyonlaşması.İki elektrot arasındaki güçlü bir elektrik alanı, yoğunlaştırılmış suyun yüzeyinde negatif yüklerin birikmesine neden olarak Taylor konilerinin oluşmasına neden olur.Sonuç olarak, Rayleigh teorisinde16 olduğu gibi daha küçük parçacıklara ayrılmaya devam eden yüksek yüklü su damlacıkları oluşur.Aynı zamanda, güçlü elektrik alanları bazı su moleküllerinin elektronları ayırmasına ve ayırmasına (iyonlaşmasına) neden olur, bu da büyük miktarda reaktif oksijen türlerinin (ROS)17 oluşumuna yol açar.Eşzamanlı olarak üretilen ROS18, EWNS'de kapsüllendi (Şekil 1c).
Şek.Şekil 2a, bu çalışmada EWNS sentezinde geliştirilen ve kullanılan EWNS üretim sistemini göstermektedir.Kapalı bir şişede saklanan arıtılmış su, bir Teflon tüpten (2 mm iç çap) 30G paslanmaz çelik iğneye (metal kılcal damar) beslendi.Suyun akışı, Şekil 2b'de gösterildiği gibi, şişenin içindeki hava basıncı tarafından kontrol edilir.İğne bir teflon konsol üzerine monte edilmiştir ve karşı elektrottan belirli bir mesafeye manuel olarak ayarlanabilir.Karşı elektrot, örnekleme için ortasında bir delik bulunan parlatılmış bir alüminyum disktir.Karşı elektrotun altında, bir örnekleme portu aracılığıyla deney düzeneğinin geri kalanına bağlanan bir alüminyum örnekleme hunisi bulunur (Şekil 2b).Örnekleyici çalışmasını kesintiye uğratabilecek şarj birikimini önlemek için tüm örnekleyici bileşenleri elektriksel olarak topraklanmıştır.
(a) Tasarlanmış Su Nanoyapı Üretim Sistemi (EWNS).(b) En önemli parametreleri gösteren örnekleyici ve elektrosprey kesiti.(c) Bakteri inaktivasyonu için deney düzeneği.
Yukarıda açıklanan EWNS üretim sistemi, EWNS özelliklerinin ince ayarını kolaylaştırmak için temel çalışma parametrelerini değiştirme yeteneğine sahiptir.EWNS özelliklerine ince ayar yapmak için uygulanan voltajı (V), iğne ile karşı elektrot (L) arasındaki mesafeyi ve kılcal damardan su akışını (φ) ayarlayın.Farklı kombinasyonları temsil etmek için kullanılan sembol: [V (kV), L (cm)].Belirli bir sette [V, L] kararlı bir Taylor konisi elde etmek için su akışını ayarlayın.Bu çalışmanın amaçları doğrultusunda, karşı elektrodun (D) açıklık çapı 0,5 inçte (1,29 cm) tutuldu.
Sınırlı geometri ve asimetri nedeniyle, elektrik alan kuvveti ilk prensiplerden hesaplanamaz.Bunun yerine, elektrik alanını hesaplamak için QuickField™ yazılımı (Svendborg, Danimarka)19 kullanıldı.Elektrik alan tekdüze değildir, bu nedenle kapilerin ucundaki elektrik alan değeri çeşitli konfigürasyonlar için referans değeri olarak kullanılmıştır.
Çalışma sırasında, iğne ile karşı elektrot arasındaki çeşitli voltaj ve mesafe kombinasyonları Taylor koni oluşumu, Taylor koni stabilitesi, EWNS üretim stabilitesi ve tekrar üretilebilirlik açısından değerlendirildi.Ek Tablo S1'de çeşitli kombinasyonlar gösterilmektedir.
EWNS üretim sisteminin çıktısı, parçacık sayısı konsantrasyonu ölçümü için doğrudan bir Tarama Hareketli Parçacık Boyutu Analiz Cihazına (SMPS, Model 3936, TSI, Shoreview, MN) ve ayrıca bir Aerosol Faraday Elektrometresine (TSI, Model 3068B, Shoreview, MN) bağlandı.) aerosol akımları için önceki yayınımızda açıklandığı gibi ölçülmüştür.Hem SMPS hem de aerosol elektrometre 0,5 L/dk (toplam örnek akışı 1 L/dk) akış hızında örneklendi.Parçacıkların sayı konsantrasyonu ve aerosol akışı 120 saniye boyunca ölçüldü.Ölçüm 30 kez tekrarlanır.Mevcut ölçümlere dayanarak, toplam aerosol yükü hesaplanır ve belirli bir seçilmiş EWNS partikülü sayısı için ortalama EWNS yükü tahmin edilir.EWNS'nin ortalama maliyeti Denklem (1) kullanılarak hesaplanabilir:
burada IEl ölçülen akımdır, NSMPS SMPS ile ölçülen dijital konsantrasyondur ve φEl elektrometre başına akış hızıdır.
Bağıl nem (RH) yüzey yükünü etkilediğinden, deney boyunca sıcaklık ve (RH) sırasıyla 21°C ve %45'te sabit tutuldu.
EWNS'nin boyutunu ve ömrünü ölçmek için atomik kuvvet mikroskopisi (AFM), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Santa Barbara, CA) ve AC260T probu (Olympus, Tokyo, Japonya) kullanıldı.AFM tarama frekansı 1 Hz, tarama alanı 5 μm x 5 μm ve 256 tarama satırıydı.Tüm görüntüler, Asylum yazılımı (maske aralığı 100 nm, eşik 100 pm) kullanılarak 1. dereceden görüntü hizalamasına tabi tutuldu.
Test hunisi çıkarıldı ve mika yüzeyi üzerinde partikül topaklanmasını ve düzensiz damlacıkların oluşumunu önlemek için mika yüzeyi, ortalama 120 s'lik bir ortalama süre boyunca karşı elektrottan 2,0 cm mesafeye yerleştirildi.EWNS, taze kesilmiş mika (Ted Pella, Redding, CA) yüzeyine doğrudan püskürtüldü.AFM püskürtme işleminden hemen sonra mika yüzeyinin görüntüsü.Yeni kesilmiş modifiye edilmemiş mika yüzeyinin temas açısı 0°'ye yakın olduğundan, EVNS bir kubbe şeklinde mika yüzeyine dağılmıştır.Yayılan damlacıkların çapı (a) ve yüksekliği (h) doğrudan AFM topografisinden ölçüldü ve daha önce doğrulanmış yöntemimiz kullanılarak EWNS kubbeli difüzyon hacmini hesaplamak için kullanıldı.Yerleşik EWNS'nin aynı hacme sahip olduğu varsayılarak, eşdeğer çap Denklem (2) kullanılarak hesaplanabilir:
Daha önce geliştirdiğimiz yöntemimize dayanarak, EWNS'de kısa ömürlü radikal ara maddelerin varlığını tespit etmek için bir elektron spin rezonans (ESR) spin tuzağı kullanıldı.Aerosoller, 235 mM DEPMPO(5-(dietoksifosforil)-5-metil-1-pirolin-N-oksit) (Oxis International Inc.) solüsyonu içeren 650 um'lik bir Midget püskürtücüden (Ace Glass, Vineland, NJ) köpürtüldü.Portland, Oregon).Tüm ESR ölçümleri, bir Bruker EMX spektrometre (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, ABD) ve bir düz panel hücre kullanılarak yapıldı.Verileri toplamak ve analiz etmek için Acquisit yazılımı (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, ABD) kullanıldı.ROS özelliklerinin belirlenmesi yalnızca bir dizi çalışma koşulu [-6.5 kV, 4.0 cm] için gerçekleştirilmiştir.EWNS konsantrasyonları, çarpma tertibatındaki EWNS kayıplarını hesaba kattıktan sonra SMPS kullanılarak ölçülmüştür.
Ozon seviyeleri, 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Boulder, Co)8,9,10 kullanılarak izlendi.
Tüm EWNS özellikleri için, ölçüm değeri olarak ortalama değer ve ölçüm hatası olarak standart sapma kullanılır.Optimize edilmiş EWNS özniteliklerinin değerlerini temel EWNS'nin karşılık gelen değerleri ile karşılaştırmak için t testleri yapıldı.
Şekil 2c, yüzeyde EWNS'nin hedeflenen iletimi için kullanılabilecek önceden geliştirilmiş ve karakterize edilmiş bir elektrostatik çökeltme (EPES) "çekme" sistemini göstermektedir.EPES, güçlü bir elektrik alanının etkisi altında doğrudan hedefin yüzeyine "yönlendirilebilen" EVNS yüklerini kullanır.EPES sisteminin detayları, Pyrgiotakis ve diğerleri tarafından yakın zamanda yayınlanan bir yayında sunulmuştur.11.Böylece EPES, uçları konik olan bir 3D baskılı PVC bölmeden oluşur ve merkezde 15,24 cm aralıklı iki paralel paslanmaz çelik (304 paslanmaz çelik, ayna kaplı) metal plaka içerir.Panolar, harici bir yüksek voltaj kaynağına (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY) bağlandı, alt levha her zaman pozitif gerilime ve üst levha her zaman toprağa (yüzen zemin) bağlandı.Hazne duvarları, partikül kaybını önlemek için elektriksel olarak topraklanmış alüminyum folyo ile kaplanmıştır.Bölme, yüksek voltaj girişimini önlemek için test yüzeylerinin alt metal plakanın üzerine yükselten plastik standlar üzerine yerleştirilmesine izin veren sızdırmaz bir ön yükleme kapısına sahiptir.
EWNS'nin EPES'te biriktirme verimliliği, Ek Şekil S111'de ayrıntıları verilen önceden geliştirilmiş bir protokole göre hesaplandı.
Bir kontrol odası olarak, EWNS'yi çıkarmak için bir ara HEPA filtresinin kullanıldığı EPES sistemine seri olarak ikinci bir silindirik akış odası bağlandı.Şekil 2c'de gösterildiği gibi, EWNS aerosolü iki dahili bölmeden pompalandı.Kontrol odası ile EPES arasındaki filtre, kalan EWNS'yi ortadan kaldırarak aynı sıcaklık (T), bağıl nem (RH) ve ozon seviyelerini sağlar.
Gıda kaynaklı önemli mikroorganizmaların, E. coli (ATCC #27325), fekal indikatör, Salmonella enterica (ATCC #53647), gıda kaynaklı patojen, Zararsız Listeria (ATCC #33090), ATCC'den (Manassas, VA) türetilen patojenik Listeria monocytogenes'in vekili, Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098) gibi taze gıdaları kontamine ettiği bulunmuştur; aktive edilmiş bakteri, Mycobacterium paralucky (ATCC #19686).
Yerel pazarınızdan rastgele kutularda organik üzüm domatesi satın alın ve kullanılana kadar (3 güne kadar) 4°C'de buzdolabında saklayın.Deneysel domateslerin hepsi aynı boyuttaydı, yaklaşık 1/2 inç çapındaydı.
Kültür, aşılama, maruz kalma ve koloni sayımı protokolleri önceki yayınımızda ayrıntılı ve Ek Verilerde ayrıntılı olarak açıklanmıştır.EWNS'nin etkinliği, aşılanmış domateslerin 45 dakika süreyle 40.000 #/cm3'e maruz bırakılmasıyla değerlendirildi.Kısaca, hayatta kalan mikroorganizmaları t = 0 dakikada değerlendirmek için üç domates kullanıldı.Üç domates EPES'e yerleştirildi ve 40,000 #/cc'de EWNS'ye maruz bırakıldı (EWNS'ye maruz bırakılan domatesler) ve geri kalan üçü kontrol odasına (kontrol domatesleri) yerleştirildi.Her iki grupta da domateslerin ek işlemesi yapılmadı.EWNS'ye maruz kalan domatesler ve kontrol domatesleri, EWNS'nin etkisini değerlendirmek için 45 dakika sonra çıkarıldı.
Her deney üç kopya halinde gerçekleştirildi.Veri analizi, Ek Verilerde açıklanan protokole göre yapıldı.
İnaktivasyon mekanizmaları, maruz kalan EWNS numunelerinin (40.000 #/cm3 EWNS aerosol konsantrasyonunda 45 dakika) ve ışınlanmamış zararsız bakteri E. coli, Salmonella enterica ve Lactobacillus numunelerinin çökeltilmesiyle değerlendirildi.Parçacıklar, oda sıcaklığında 2 saat boyunca 0.1 M sodyum kakodilat tamponunda (pH 7.4) %2.5 glutaraldehit, %1.25 paraformaldehit ve %0.03 pikrik asit içinde sabitlendi.Yıkadıktan sonra, %1 osmiyum tetroksit (OsO4)/%1,5 potasyum ferrosiyanür (KFeCN6) ile 2 saat post-fiksaj yapın, 3 kez suda yıkayın ve %1 uranil asetatta 1 saat inkübe edin, ardından iki kez suda yıkayın, sonra %50, %70, %90, %100 alkolde 10 dakika dehidrate edin.Numuneler daha sonra 1 saat propilen oksit içine yerleştirildi ve 1:1 propilen oksit ve TAAP Epon (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA) karışımı ile emprenye edildi.Numuneler TAAB Epon içine gömüldü ve 60°C'de 48 saat polimerize edildi.Sertleşen granüler reçine, bir AMT 2k CCD kamera (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, Massachusetts, ABD) ile donatılmış geleneksel bir transmisyon elektron mikroskobu JEOL 1200EX (JEOL, Tokyo, Japonya) kullanılarak TEM tarafından kesildi ve görselleştirildi.
Tüm deneyler üç kez gerçekleştirilmiştir.Her bir zaman noktası için, bakteriyel yıkamalar üç kopya halinde ekildi ve nokta başına toplam dokuz veri noktası elde edildi; bunların ortalaması, söz konusu belirli mikroorganizma için bakteri konsantrasyonu olarak kullanıldı.Ölçüm hatası olarak standart sapma kullanıldı.Tüm puanlar sayılır.
t = 0 dakikaya kıyasla bakteri konsantrasyonundaki düşüşün logaritması aşağıdaki formül kullanılarak hesaplandı:
burada C0, 0 zamanında (yani yüzey kuruduktan sonra, ancak hazneye yerleştirilmeden önce) kontrol numunesindeki bakteri konsantrasyonudur ve Cn, n dakika maruz kaldıktan sonra yüzeydeki bakteri konsantrasyonudur.
45 dakikalık maruz kalma sırasında bakterilerin doğal bozunmasını hesaba katmak için, 45 dakika sonra kontrol ile karşılaştırıldığında log azalması da şu şekilde hesaplandı:
burada Cn, n zamanında kontrol numunesindeki bakteri konsantrasyonudur ve Cn-Kontrol, n zamanında kontrol bakterilerinin konsantrasyonudur.Veriler, kontrole kıyasla bir günlük azaltma olarak sunulur (EWNS maruziyeti yok).
Çalışma sırasında, iğne ile karşı elektrot arasındaki çeşitli voltaj ve mesafe kombinasyonları Taylor koni oluşumu, Taylor koni stabilitesi, EWNS üretim stabilitesi ve tekrar üretilebilirlik açısından değerlendirildi.Ek Tablo S1'de çeşitli kombinasyonlar gösterilmektedir.Kapsamlı çalışma için kararlı ve tekrarlanabilir özellikler (Taylor konisi, EWNS üretimi ve zaman içinde kararlılık) gösteren iki vaka seçildi.Şek.Şekil 3, her iki durumda da ROS'un yükü, boyutu ve içeriği için sonuçları göstermektedir.Sonuçlar ayrıca Tablo 1'de gösterilmektedir. Referans olarak hem Şekil 3 hem de Tablo 1 önceden sentezlenmiş optimize edilmemiş EWNS8, 9, 10, 11'in (temel-EWNS) özelliklerini içerir.İki kuyruklu t testi kullanan istatistiksel anlamlılık hesaplamaları, Ek Tablo S2'de yeniden yayınlanmıştır.Ek olarak, ek veriler, karşı elektrot örnekleme deliği çapının (D) ve toprak elektrotu ile uç arasındaki mesafenin (L) etkisine ilişkin çalışmaları içerir (Ek Şekiller S2 ve S3).
(ac) AFM ile ölçülen boyut dağılımı.(df) Yüzey şarj karakteristiği.(g) EPR'nin ROS karakterizasyonu.
Yukarıdaki koşulların tümü için ölçülen iyonizasyon akımının 2 ile 6 μA arasında ve voltajın -3,8 ile -6,5 kV arasında olduğunu ve bunun da bu tek EWNS nesil kontak modülü için 50 mW'tan daha az güç tüketimine yol açtığını not etmek önemlidir.EWNS yüksek basınç altında sentezlenmesine rağmen, ozon seviyeleri çok düşüktü ve hiçbir zaman 60 ppb'yi geçmedi.
Ek Şekil S4, sırasıyla [-6,5 kV, 4,0 cm] ve [-3,8 kV, 0,5 cm] senaryoları için simüle edilmiş elektrik alanlarını göstermektedir.[-6,5 kV, 4,0 cm] ve [-3,8 kV, 0,5 cm] senaryoları için saha hesaplamaları sırasıyla 2 × 105 V/m ve 4,7 × 105 V/m'dir.İkinci durumda gerilim-mesafe oranı çok daha yüksek olduğu için bu beklenen bir durumdur.
Şek.Şekil 3a,b, AFM8 ile ölçülen EWNS çapını göstermektedir.Hesaplanan ortalama EWNS çapları sırasıyla [-6.5 kV, 4.0 cm] ve [-3.8 kV, 0.5 cm] şemaları için 27 nm ve 19 nm idi.[-6,5 kV, 4,0 cm] ve [-3,8 kV, 0,5 cm] senaryoları için, dağılımların geometrik standart sapmaları sırasıyla 1,41 ve 1,45 olup dar bir boyut dağılımına işaret etmektedir.Hem ortalama boyut hem de geometrik standart sapma, sırasıyla 25 nm ve 1,41'de temel EWNS'ye çok yakındır.Şek.Şekil 3c, aynı koşullar altında aynı yöntem kullanılarak ölçülen temel EWNS'nin boyut dağılımını göstermektedir.
Şek.3d,e yük karakterizasyonunun sonuçlarını gösterir.Veriler, 30 eş zamanlı konsantrasyon (#/cm3) ve akım (I) ölçümünün ortalama ölçümleridir.Analiz, EWNS'deki ortalama yükün [-6,5 kV, 4,0 cm] ve [-3,8 kV, 0,5 cm] için sırasıyla 22 ± 6 e- ve 44 ± 6 e- olduğunu göstermektedir.[-6,5 kV, 4,0 cm] senaryosundan iki kat ve [-3 ,8 kV, 0,5 cm] senaryosundan dört kat daha büyük olan temel EWNS'ye (10 ± 2 e-) kıyasla önemli ölçüde daha yüksek yüzey yüklerine sahiptirler.Şekil 3f yükü göstermektedir.Baseline-EWNS için veriler.
EWNS sayısının konsantrasyon haritalarından (Ek Şekiller S5 ve S6), [-6,5 kV, 4,0 cm] senaryosunun [-3,8 kV, 0,5 cm] senaryosuna göre önemli ölçüde daha fazla parçacığa sahip olduğu görülebilir.Ayrıca, EWNS sayı konsantrasyonunun 4 saate kadar izlendiğini (Ek Şekiller S5 ve S6), burada EWNS üretim stabilitesinin her iki durumda da aynı seviyelerde partikül sayısı konsantrasyonu gösterdiğini belirtmek gerekir.
Şek.Şekil 3g, [-6,5 kV, 4,0 cm]'de optimize edilmiş EWNS kontrolünün (arka plan) çıkarılmasından sonraki EPR spektrumunu gösterir.ROS spektrumları, daha önce yayınlanmış bir çalışmada Baseline-EWNS senaryosuyla da karşılaştırıldı.Döndürme tuzaklarıyla reaksiyona giren EWNS sayısı, daha önce yayınlanan Baseline-EWNS8'e benzer şekilde 7,5 × 104 EWNS/s olarak hesaplandı.EPR spektrumları, O2-'nin baskın tür olduğu ve OH•'nin daha az bol olduğu iki tip ROS'un varlığını açıkça gösterdi.Ek olarak, tepe yoğunluklarının doğrudan karşılaştırılması, optimize edilmiş EWNS'nin temel EWNS'ye kıyasla önemli ölçüde daha yüksek bir ROS içeriğine sahip olduğunu gösterdi.
Şek.Şekil 4, EWNS'nin EPES'te biriktirme etkinliğini göstermektedir.Veriler ayrıca Tablo I'de özetlenmiş ve orijinal EWNS verileriyle karşılaştırılmıştır.Her iki EUNS durumu için, 3.0 kV'luk düşük bir voltajda bile birikme %100'e yakındır.Tipik olarak 3.0 kV, yüzey yükü değişikliğinden bağımsız olarak %100 birikme için yeterlidir.Aynı koşullar altında, Baseline-EWNS'nin biriktirme verimliliği, daha düşük yükleri nedeniyle (EWNS başına ortalama 10 elektron) yalnızca %56 idi.
Şek.5 ve tabloda.Şekil 2, optimum modda [-6,5 kV, 4,0 cm] 45 dakika boyunca yaklaşık 40.000 #/cm3 EWNS'ye maruz bırakıldıktan sonra domates yüzeyinde inoküle edilen mikroorganizmaların inaktivasyon değerini özetlemektedir.Aşılanmış E. coli ve Lactobacillus innocuous, 45 dakikalık maruz kalma sırasında 3.8 log'luk önemli bir azalma gösterdi.Aynı koşullar altında, S. enterica 2,2 log düşüşe sahipken, S. cerevisiae ve M. parafortutum 1,0 log düşüşe sahipti.
Elektron mikrografları (Şekil 6), EWNS tarafından inaktivasyona yol açan zararsız Escherichia coli, Streptococcus ve Lactobacillus hücreleri üzerinde indüklenen fiziksel değişiklikleri göstermektedir.Kontrol bakterilerinin sağlam hücre zarları varken, maruz kalan bakterilerin dış zarları zarar görmüştür.
Kontrolün ve maruz kalan bakterilerin elektron mikroskobik görüntülemesi, zar hasarını ortaya çıkardı.
Optimize edilmiş EWNS'nin fizikokimyasal özelliklerine ilişkin veriler toplu olarak, EWNS'nin özelliklerinin (yüzey yükü ve ROS içeriği) daha önce yayınlanmış EWNS temel verilerine8,9,10,11 kıyasla önemli ölçüde iyileştirildiğini göstermektedir.Öte yandan boyutları, daha önce bildirilen sonuçlara çok benzer şekilde nanometre aralığında kaldı ve havada uzun süre kalmalarına izin verdi.Gözlenen çoklu dağılma, EWNS'nin boyutunu, Rayleigh etkisinin rastgeleliğini ve potansiyel birleşmeyi belirleyen yüzey yükü değişiklikleri ile açıklanabilir.Ancak, Nielsen ve diğerleri tarafından detaylandırıldığı gibi.22, yüksek yüzey yükü, su damlasının yüzey enerjisini/gerilimini etkili bir şekilde artırarak buharlaşmayı azaltır.Önceki yayınımızda8 bu teori mikro damlacıklar 22 ve EWNS için deneysel olarak doğrulanmıştır.Fazla mesai sırasında şarj kaybı da boyutu etkileyebilir ve gözlemlenen boyut dağılımına katkıda bulunabilir.