Nature.com saytiga tashrif buyurganingiz uchun tashakkur. Siz foydalanayotgan brauzer versiyasida CSS qo'llab-quvvatlashi cheklangan. Eng yaxshi tajriba uchun sizga yangilangan brauzerdan foydalanishingizni tavsiya qilamiz (yoki Internet Explorer-da moslik rejimini o'chirib qo'ying). Shu bilan birga, uzluksiz qo'llab-quvvatlashni ta'minlash uchun biz saytni uslublar va JavaScriptsiz renderlaymiz.
Yaqinda sun'iy suv nanostrukturalari (EWNS) yordamida nanotexnologiyaga asoslangan kimyoviy moddalarsiz antimikrob platforma ishlab chiqildi. EWNS yuqori sirt zaryadiga ega va oziq-ovqat orqali yuqadigan patogenlar kabi bir qator mikroorganizmlar bilan o'zaro ta'sir qilishi va ularni inaktiv qilishi mumkin bo'lgan reaktiv kislorod turlari (ROS) bilan to'yingan. Bu yerda ularning sintez paytidagi xususiyatlarini antibakterial potentsialini yanada oshirish uchun sozlash va optimallashtirish mumkinligi ko'rsatilgan. EWNS laboratoriya platformasi sintez parametrlarini o'zgartirish orqali EWNS xususiyatlarini aniq sozlash uchun mo'ljallangan. Zamonaviy analitik usullar yordamida EWNS xususiyatlarini (zaryad, ROS hajmi va tarkibi) tavsiflash. Bundan tashqari, ular Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocuous, Mycobacterium paraaccidentum va Saccharomyces cerevisiae kabi oziq-ovqat orqali yuqadigan mikroorganizmlarga qarshi mikrobial inaktivatsiya potentsiali bo'yicha baholandi. Bu yerda keltirilgan natijalar shuni ko'rsatadiki, EWNS xususiyatlarini sintez paytida aniq sozlash mumkin, bu esa inaktivatsiya samaradorligining eksponensial oshishiga olib keladi. Xususan, sirt zaryadi to'rt baravar oshdi va reaktiv kislorod turlari ko'paydi. Mikroblarni yo'q qilish darajasi mikrobial jihatdan bog'liq bo'lib, 40 000 #/cc EWNS aerozol dozasiga 45 daqiqa ta'sir qilgandan so'ng 1,0 dan 3,8 log gacha bo'lgan.
Mikrobial ifloslanish patogenlar yoki ularning toksinlarini iste'mol qilish natijasida kelib chiqadigan oziq-ovqat orqali yuqadigan kasalliklarning asosiy sababidir. Faqat Qo'shma Shtatlarda oziq-ovqat orqali yuqadigan kasalliklar har yili taxminan 76 million kasallikka, 325 000 kasalxonaga yotqizilishga va 5000 o'limga sabab bo'ladi1. Bundan tashqari, Amerika Qo'shma Shtatlari Qishloq xo'jaligi vazirligi (USDA) Qo'shma Shtatlarda yangi mahsulotlarni ko'p iste'mol qilish Qo'shma Shtatlarda qayd etilgan barcha oziq-ovqat orqali yuqadigan kasalliklarning 48 foiziga sabab bo'lishini taxmin qilmoqda2. Qo'shma Shtatlarda oziq-ovqat orqali yuqadigan patogenlar keltirib chiqaradigan kasallik va o'limning narxi juda yuqori bo'lib, Kasalliklarni nazorat qilish va oldini olish markazlari (CDC) tomonidan yiliga 15,6 milliard AQSh dollaridan ortiq deb baholanmoqda3.
Hozirgi vaqtda oziq-ovqat xavfsizligini ta'minlash uchun kimyoviy4, radiatsiya5 va termal6 mikroblarga qarshi aralashuvlar asosan ishlab chiqarish zanjiri bo'ylab (odatda yig'im-terimdan keyin va/yoki qadoqlash paytida) doimiy ravishda emas, balki cheklangan muhim nazorat nuqtalarida (KNP) amalga oshiriladi. Shunday qilib, ular o'zaro ifloslanishga moyil. 7. Oziq-ovqat orqali yuqadigan kasalliklar va oziq-ovqat mahsulotlarining buzilishini yaxshiroq nazorat qilish uchun atrof-muhitga ta'sir va xarajatlarni kamaytirish bilan birga, potentsial ravishda fermadan dasturxongacha bo'lgan kontinuum bo'ylab qo'llanilishi mumkin bo'lgan mikroblarga qarshi aralashuvlar talab etiladi.
Yaqinda kimyoviy moddalarsiz, nanotexnologiyaga asoslangan antimikrob platforma ishlab chiqildi, u sun'iy suv nanostrukturalari (EWNS) yordamida sirt va havodagi bakteriyalarni inaktivatsiya qila oladi. EWNS ikkita parallel jarayon, elektrosprey va suv ionizatsiyasi yordamida sintez qilindi (1a-rasm). Avvalgi tadqiqotlar shuni ko'rsatdiki, EWNS noyob fizik va biologik xususiyatlar to'plamiga ega8,9,10. EWNS har bir struktura uchun o'rtacha 10 ta elektronga va o'rtacha nanoskal o'lchami 25 nm ga ega (1b,c-rasm)8,9,10. Bundan tashqari, elektron spin rezonansi (ESR) shuni ko'rsatdiki, EWNS tarkibida ko'p miqdorda reaktiv kislorod turlari (ROS), asosan gidroksil (OH•) va superoksid (O2-) radikallari mavjud (1c-rasm)8. EVNS havoda uzoq vaqt bo'ladi va havoda to'xtatilgan va sirtda mavjud bo'lgan mikroorganizmlar bilan to'qnashishi, ularning ROS yukini yetkazib berishi va mikroorganizmlarning inaktivatsiyasiga olib kelishi mumkin (1d-rasm). Ushbu dastlabki tadqiqotlar shuni ko'rsatdiki, EWNS sirtlarda va havoda turli grammusbat va grammusbat bakteriyalar, jumladan, mikobakteriyalar bilan o'zaro ta'sir qilishi va ularni faolsizlantirishi mumkin. Transmissiya elektron mikroskopiyasi shuni ko'rsatdiki, inaktivatsiya hujayra membranasining buzilishi natijasida yuzaga kelgan. Bundan tashqari, o'tkir inhalatsiya tadqiqotlari shuni ko'rsatdiki, EWNS ning yuqori dozalari o'pkaga zarar yetkazmaydi yoki yallig'lanishga olib kelmaydi 8.
(a) Elektropropreyk suyuqlik solingan kapillyar naycha va qarshi elektrod o'rtasida yuqori kuchlanish qo'llanilganda yuzaga keladi. (b) Yuqori bosimni qo'llash ikki xil hodisaga olib keladi: (i) suvning elektropropreykatsiyasi va (ii) EWNSda qolib ketgan reaktiv kislorod turlarining (ionlarining) hosil bo'lishi. (c) EWNS ning noyob tuzilishi. (d) Nanoskalaviy tabiati tufayli EWNS juda harakatchan va havodagi patogenlar bilan o'zaro ta'sir qilishi mumkin.
Yaqinda EWNS antimikrobial platformasining yangi oziq-ovqat yuzasida oziq-ovqat orqali yuqadigan mikroorganizmlarni inaktivatsiya qilish qobiliyati ham namoyish etildi. Shuningdek, EWNS sirt zaryadini elektr maydoni bilan birgalikda maqsadli yetkazib berishga erishish uchun ishlatish mumkinligi ko'rsatildi. Bundan tashqari, taxminan 50 000 #/sm3 EWNS da 90 daqiqalik ta'sir qilishdan keyin organik pomidorlar uchun dastlabki natijalar dalda beruvchi bo'lib, E. coli va Listeria 11 kabi turli xil oziq-ovqat orqali yuqadigan mikroorganizmlar kuzatildi. Bundan tashqari, dastlabki organoleptik testlar nazorat pomidorlariga nisbatan hech qanday sensor ta'sir ko'rsatmadi. Garchi bu dastlabki inaktivatsiya natijalari oziq-ovqat xavfsizligi dasturlari uchun juda past 50 000 #/sm3 dozalarda ham dalda beruvchi bo'lsa-da, qarang, yuqori inaktivatsiya potentsiali infektsiya va buzilish xavfini yanada kamaytirish uchun foydaliroq bo'lishi aniq.
Bu yerda biz tadqiqotimizni sintez parametrlarini aniq sozlash va EWNS ning fizik-kimyoviy xususiyatlarini optimallashtirish orqali ularning antibakterial salohiyatini oshirish imkonini beruvchi EWNS generatsiya platformasini ishlab chiqishga qaratamiz. Xususan, optimallashtirish ularning sirt zaryadini (maqsadli yetkazib berishni yaxshilash uchun) va ROS miqdorini (inaktivatsiya samaradorligini oshirish uchun) oshirishga qaratilgan. Zamonaviy analitik usullardan foydalangan holda optimallashtirilgan fizik-kimyoviy xususiyatlarni (hajmi, zaryadi va ROS miqdori) tavsiflang va E. kabi keng tarqalgan oziq-ovqat mikroorganizmlaridan foydalaning.
EVNS bir vaqtning o'zida yuqori tozalikdagi suvni (18 MΩ sm–1) elektropurkash va ionlash orqali sintez qilindi. Elektr nebulizer 12 odatda suyuqliklarni atomizatsiya qilish va nazorat qilinadigan o'lchamdagi polimer va keramik zarrachalar 13 hamda tolalar 14 sintezi uchun ishlatiladi.
Avvalgi 8, 9, 10, 11 nashrlarida batafsil bayon etilganidek, odatiy tajribada metall kapillyar va yerga ulangan qarshi elektrod o'rtasida yuqori kuchlanish qo'llanildi. Bu jarayon davomida ikki xil hodisa ro'y beradi: i) elektroprujina va ii) suv ionlanishi. Ikki elektrod orasidagi kuchli elektr maydoni kondensatsiyalangan suv yuzasida manfiy zaryadlarning to'planishiga olib keladi, natijada Teylor konuslari hosil bo'ladi. Natijada, yuqori zaryadlangan suv tomchilari hosil bo'ladi, ular Reyli nazariyasida bo'lgani kabi kichikroq zarrachalarga parchalanishda davom etadi16. Shu bilan birga, kuchli elektr maydonlari ba'zi suv molekulalarining bo'linishiga va elektronlarni ajratib olishiga (ionlanishiga) olib keladi, bu esa ko'p miqdorda reaktiv kislorod turlarining (ROS) hosil bo'lishiga olib keladi17. Bir vaqtning o'zida hosil bo'lgan ROS18 EWNSga joylashtirildi (1c-rasm).
2a-rasmda ushbu tadqiqotda EWNS sintezida ishlab chiqilgan va qo'llanilgan EWNS generatsiya tizimi ko'rsatilgan. Yopiq shishada saqlangan tozalangan suv Teflon naychasi (ichki diametri 2 mm) orqali 30G zanglamaydigan po'latdan yasalgan ignaga (metall kapillyar) yuborildi. Suv oqimi shisha ichidagi havo bosimi bilan boshqariladi, 2b-rasmda ko'rsatilganidek. Igna Teflon konsoliga o'rnatilgan va qarshi elektroddan ma'lum masofaga qo'lda sozlanishi mumkin. Qarshi elektrod - bu namunalar olish uchun markazida teshikka ega bo'lgan sayqallangan alyuminiy disk. Qarshi elektrod ostida namunalar olish porti orqali eksperimental qurilmaning qolgan qismiga ulangan alyuminiy namunalar olish voronkasi joylashgan (2b-rasm). Namuna oluvchining ishlashiga xalaqit berishi mumkin bo'lgan zaryad to'planishining oldini olish uchun barcha namuna oluvchi komponentlari elektr bilan yerga ulangan.
(a) Muhandislik asosida ishlab chiqilgan suv nanotuzilmalarini yaratish tizimi (EWNS). (b) Eng muhim parametrlarni ko'rsatuvchi namuna oluvchi va elektrospreyning kesimi. (c) Bakteriyalarni inaktivatsiya qilish uchun eksperimental sozlash.
Yuqorida tavsiflangan EWNS generatsiya tizimi EWNS xususiyatlarini aniq sozlashni osonlashtirish uchun asosiy ish parametrlarini o'zgartirishga qodir. EWNS xususiyatlarini aniq sozlash uchun qo'llaniladigan kuchlanishni (V), igna va qarshi elektrod orasidagi masofani (L) va kapillyar orqali suv oqimini (φ) sozlang. Turli kombinatsiyalarni ifodalash uchun ishlatiladigan belgi: [V (kV), L (sm)]. Muayyan to'plamdagi barqaror Teylor konusini olish uchun suv oqimini sozlang [V, L]. Ushbu tadqiqot maqsadlari uchun qarshi elektrodning (D) diafragma diametri 0,5 dyuym (1,29 sm) da saqlandi.
Cheklangan geometriya va assimetriya tufayli elektr maydon kuchini birinchi tamoyillardan hisoblab bo'lmaydi. Buning o'rniga, elektr maydonini hisoblash uchun QuickField™ dasturi (Svendborg, Daniya)19 ishlatilgan. Elektr maydoni bir xil emas, shuning uchun kapillyar uchidagi elektr maydonining qiymati turli konfiguratsiyalar uchun mos yozuvlar qiymati sifatida ishlatilgan.
Tadqiqot davomida igna va qarshi elektrod orasidagi kuchlanish va masofaning bir nechta kombinatsiyalari Teylor konusining shakllanishi, Teylor konusining barqarorligi, EWNS ishlab chiqarish barqarorligi va takrorlanuvchanlik nuqtai nazaridan baholandi. Turli kombinatsiyalar S1 qo'shimcha jadvalida keltirilgan.
EWNS generatsiya tizimining chiqishi zarrachalar soni konsentratsiyasini o'lchash uchun to'g'ridan-to'g'ri Skanerlash Mobility Particle Size Analyzer (SMPS, Model 3936, TSI, Shoreview, MN) ga, shuningdek, aerozol oqimlari uchun Aerosol Faraday Elektrometriga (TSI, Model 3068B, Shoreview, MN) ulangan. SMPS ham, 0,5 L/min oqim tezligida namunalar olingan aerozol elektrometri ham (umumiy namuna oqimi 1 L/min) o'lchandi. Zarrachalar soni konsentratsiyasi va aerozol oqimi 120 soniya davomida o'lchandi. O'lchov 30 marta takrorlanadi. Oqim o'lchovlari asosida umumiy aerozol zaryadi hisoblanadi va tanlangan EWNS zarrachalarining berilgan umumiy soni uchun o'rtacha EWNS zaryadi baholanadi. EWNS ning o'rtacha narxini (1) tenglama yordamida hisoblash mumkin:
bu yerda IEl o'lchangan tok, NSMPS SMPS bilan o'lchangan raqamli konsentratsiya va φEl har bir elektrometr uchun oqim tezligi.
Nisbiy namlik (NN) sirt zaryadiga ta'sir qilganligi sababli, tajriba davomida harorat va (NN) mos ravishda 21°C va 45% da doimiy ravishda saqlanib qoldi.
EWNS o'lchamini va ishlash muddatini o'lchash uchun atom kuch mikroskopiyasi (AFM), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Santa Barbara, CA) va AC260T zondi (Olympus, Tokio, Yaponiya) ishlatilgan. AFM skanerlash chastotasi 1 Gts, skanerlash maydoni 5 mkm × 5 mkm va 256 skanerlash chiziqlari edi. Barcha tasvirlar Asylum dasturi yordamida 1-tartibli tasvirni tekislashdan o'tkazildi (niqob diapazoni 100 nm, chegara 100 pm).
Sinov voronkasi olib tashlandi va slyuda yuzasi zarrachalar aglomeratsiyasi va slyuda yuzasida notekis tomchilar hosil bo'lishining oldini olish uchun qarshi elektroddan 2,0 sm masofada 120 soniya o'rtacha vaqt davomida joylashtirildi. EWNS to'g'ridan-to'g'ri yangi kesilgan slyuda yuzasiga purkaldi (Ted Pella, Redding, CA). AFM purkagandan so'ng darhol slyuda yuzasining tasviri. Yangi kesilgan, o'zgartirilmagan slyuda yuzasining aloqa burchagi 0° ga yaqin, shuning uchun EVNS slyuda yuzasida gumbaz shaklida taqsimlangan. Tarqaladigan tomchilarning diametri (a) va balandligi (h) to'g'ridan-to'g'ri AFM topografiyasidan o'lchandi va ilgari tasdiqlangan usulimiz yordamida EWNS gumbazli diffuziya hajmini hisoblash uchun ishlatilgan. Bortdagi EWNS bir xil hajmga ega deb faraz qilsak, ekvivalent diametrni (2) tenglama yordamida hisoblash mumkin:
Avval ishlab chiqilgan usulimizga asoslanib, EWNSda qisqa muddatli radikal oraliq moddalarning mavjudligini aniqlash uchun elektron spin-rezonans (ESR) spin tuzog'i ishlatilgan. Aerozollar 235 mM DEPMPO(5-(dietoksifosforil)-5-metil-1-pirrolin-N-oksid) (Oxis International Inc.) eritmasini o'z ichiga olgan 650 mkm Midget sparger (Ace Glass, Vineland, NJ) orqali pufakchalangan. Barcha ESR o'lchovlari Bruker EMX spektrometri (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, AQSh) va yassi panelli katakcha yordamida amalga oshirildi. Ma'lumotlarni to'plash va tahlil qilish uchun Acquisit dasturi (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, AQSh) ishlatilgan. ROS xususiyatlarini aniqlash faqat bir qator ish sharoitlari uchun amalga oshirildi [-6,5 kV, 4,0 sm]. EWNS konsentratsiyalari zarba beruvchidagi EWNS yo'qotishlarini hisobga olgandan so'ng SMPS yordamida o'lchandi.
Ozon darajasi 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Boulder, Co)8,9,10 yordamida kuzatildi.
Barcha EWNS xususiyatlari uchun o'rtacha qiymat o'lchov qiymati sifatida, standart og'ish esa o'lchov xatosi sifatida ishlatiladi. Optimallashtirilgan EWNS atributlarining qiymatlarini asosiy EWNSning mos keladigan qiymatlari bilan taqqoslash uchun T-testlari o'tkazildi.
2c-rasmda ilgari ishlab chiqilgan va tavsiflangan elektrostatik cho'ktirish (EPES) "tortish" tizimi ko'rsatilgan bo'lib, u EWNS ni sirtga maqsadli yetkazib berish uchun ishlatilishi mumkin. EPES kuchli elektr maydoni ta'sirida to'g'ridan-to'g'ri nishon yuzasiga "yo'naltirilishi" mumkin bo'lgan EVNS zaryadlaridan foydalanadi. EPES tizimining tafsilotlari Pyrgiotakis va boshqalar tomonidan yaqinda nashr etilgan 11-nashrda keltirilgan. Shunday qilib, EPES uchlari konussimon bo'lgan 3D bosilgan PVX kameradan iborat bo'lib, markazida 15,24 sm masofada joylashgan ikkita parallel zanglamaydigan po'latdan (304 zanglamaydigan po'lat, oyna bilan qoplangan) metall plitalardan iborat. Plitalar tashqi yuqori kuchlanish manbasiga (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY) ulangan, pastki plastinka har doim musbat kuchlanishga ulangan va yuqori plastinka har doim yerga (suzuvchi yerga) ulangan. Kamera devorlari zarrachalar yo'qolishining oldini olish uchun elektr bilan yerga ulangan alyuminiy folga bilan qoplangan. Kamerada yuqori kuchlanishli shovqinlarni oldini olish uchun sinov yuzalarini pastki metall plastinkadan yuqoriga ko'taradigan plastik stendlarga joylashtirish imkonini beruvchi muhrlangan old yuklash eshigi mavjud.
EPESdagi EWNS ning cho'ktirish samaradorligi S111 qo'shimcha rasmda batafsil bayon etilgan ilgari ishlab chiqilgan protokolga muvofiq hisoblab chiqilgan.
Boshqaruv kamerasi sifatida ikkinchi silindrsimon oqim kamerasi EPES tizimiga ketma-ket ulangan bo'lib, unda EWNSni olib tashlash uchun oraliq HEPA filtri ishlatilgan. 2c-rasmda ko'rsatilganidek, EWNS aerozoli ikkita o'rnatilgan kamera orqali pompalangan. Boshqaruv xonasi va EPES orasidagi filtr qolgan EWNSni olib tashlaydi, natijada harorat (T), nisbiy namlik (RH) va ozon darajasi bir xil bo'ladi.
Muhim oziq-ovqat orqali yuqadigan mikroorganizmlar E. coli (ATCC #27325), najas indikatori, Salmonella enterica (ATCC #53647), oziq-ovqat orqali yuqadigan patogen, Listeria zararsiz (ATCC #33090), patogen Listeria monocytogenes uchun surrogat, ATCC (Manassas, VA) dan olingan, buzilish xamirturushining o'rnini bosuvchi Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098) va yanada chidamli inaktivatsiyalangan bakteriya Mycobacterium paralucky (ATCC #19686) kabi yangi oziq-ovqatlarni ifloslantirishi aniqlandi.
Mahalliy bozoringizdan tasodifiy organik uzum pomidorlari qutilarini sotib oling va ishlatilgunga qadar (3 kungacha) 4°C haroratda muzlatgichda saqlang. Tajriba pomidorlarining barchasi bir xil o'lchamda, diametri taxminan 1/2 dyuym edi.
Kultivatsiya, emlash, ta'sir qilish va koloniyalarni hisoblash protokollari avvalgi nashrimizda va Qo'shimcha ma'lumotlarda batafsil bayon etilgan. EWNS samaradorligi emlangan pomidorlarni 40 000 #/cm3 ga 45 daqiqa davomida ta'sir qilish orqali baholandi. Qisqacha aytganda, omon qolgan mikroorganizmlarni t = 0 daqiqada baholash uchun uchta pomidor ishlatilgan. Uchta pomidor EPESga joylashtirildi va EWNSga 40 000 #/cm tezlikda (EWNS ta'sirlangan pomidorlar) ta'sir qildi va qolgan uchtasi nazorat kamerasiga (nazorat pomidorlari) joylashtirildi. Ikkala guruhda ham pomidorlarni qo'shimcha qayta ishlash amalga oshirilmadi. EWNS ta'sirini baholash uchun EWNS ta'sirlangan pomidorlar va nazorat pomidorlari 45 daqiqadan so'ng olib tashlandi.
Har bir tajriba uch nusxada o'tkazildi. Ma'lumotlar tahlili Qo'shimcha ma'lumotlarda tasvirlangan protokolga muvofiq amalga oshirildi.
Inaktivatsiya mexanizmlari ochiq EWNS namunalarini (40 000 #/sm3 EWNS aerozol konsentratsiyasida 45 daqiqa) va nurlanmagan zararsiz E. coli, Salmonella enterica va Lactobacillus bakteriyalarining namunalarini cho'ktirish orqali baholandi. Zarrachalar xona haroratida 2 soat davomida 0,1 M natriy kakodilat buferida (pH 7,4) 2,5% glutaraldegid, 1,25% paraformaldegid va 0,03% pikrik kislotada fiksatsiya qilindi. Yuvgandan so'ng, 2 soat davomida 1% osmiy tetroksid (OsO4)/1,5% kaliy ferrotsianid (KFeCN6) bilan fiksatsiya qiling, 3 marta suvda yuving va 1% uranil asetatda 1 soat davomida inkubatsiya qiling, so'ngra ikki marta suvda yuving, so'ngra 10 daqiqa davomida 50%, 70%, 90%, 100% spirtda suvsizlantiring. Keyin namunalar 1 soat davomida propilen oksidiga joylashtirildi va 1:1 nisbatda propilen oksidi va TAAP Epon (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA) aralashmasi bilan singdirildi. Namunalar TAAB Eponga joylashtirildi va 60°C da 48 soat davomida polimerizatsiya qilindi. Qattiqlashtirilgan donador qatron kesildi va AMT 2k CCD kamerasi (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, Massachusets, AQSh) bilan jihozlangan an'anaviy JEOL 1200EX (JEOL, Tokio, Yaponiya) transmissiya elektron mikroskopi yordamida TEM yordamida vizualizatsiya qilindi.
Barcha tajribalar uch nusxada o'tkazildi. Har bir vaqt nuqtasi uchun bakterial yuvish uch nusxada amalga oshirildi, natijada har bir nuqtada jami to'qqizta ma'lumot nuqtasi hosil bo'ldi, ularning o'rtacha qiymati ushbu mikroorganizm uchun bakterial konsentratsiya sifatida ishlatilgan. Standart og'ish o'lchov xatosi sifatida ishlatilgan. Barcha nuqtalar hisobga olinadi.
Bakteriyalar konsentratsiyasining t = 0 daqiqaga nisbatan pasayishining logarifmi quyidagi formula yordamida hisoblab chiqildi:
bu yerda C0 - 0 vaqtda (ya'ni sirt quriganidan keyin, lekin kameraga joylashtirilgunga qadar) nazorat namunasidagi bakteriyalar konsentratsiyasi va Cn - n daqiqa ta'sir qilishdan keyin sirtdagi bakteriyalar konsentratsiyasi.
45 daqiqalik ta'sir qilish paytida bakteriyalarning tabiiy parchalanishini hisobga olish uchun 45 daqiqadan so'ng nazorat guruhiga nisbatan log kamayishi ham quyidagicha hisoblab chiqildi:
bu yerda Cn - n vaqtidagi nazorat namunasidagi bakteriyalar konsentratsiyasi va Cn-Nazorat - n vaqtidagi nazorat bakteriyalarining konsentratsiyasi. Ma'lumotlar nazorat namunasi bilan solishtirganda log kamayishi sifatida taqdim etiladi (EWNS ta'siri yo'q).
Tadqiqot davomida igna va qarshi elektrod orasidagi kuchlanish va masofaning bir nechta kombinatsiyalari Teylor konusining shakllanishi, Teylor konusining barqarorligi, EWNS ishlab chiqarish barqarorligi va takrorlanuvchanlik nuqtai nazaridan baholandi. Turli kombinatsiyalar S1 qo'shimcha jadvalida keltirilgan. Har tomonlama tadqiqot uchun barqaror va takrorlanuvchan xususiyatlarni ko'rsatadigan ikkita holat (Teylor konusi, EWNS hosil bo'lishi va vaqt o'tishi bilan barqarorlik) tanlab olindi. 3-rasmda ikkala holatda ham ROS zaryadi, hajmi va tarkibi bo'yicha natijalar ko'rsatilgan. Natijalar 1-jadvalda ham umumlashtirilgan. Ma'lumot uchun, 3-rasm va 1-jadvalda ilgari sintez qilingan optimallashtirilmagan EWNS8, 9, 10, 11 (asosiy EWNS) xususiyatlari keltirilgan. Ikki dumli t-test yordamida statistik ahamiyatlilik hisob-kitoblari S2 qo'shimcha jadvalida qayta nashr etilgan. Bundan tashqari, qo'shimcha ma'lumotlarga qarshi elektrod namunaviy teshik diametri (D) va yer elektrodi va uchi orasidagi masofa (L) ta'sirini o'rganish kiradi (S2 va S3 qo'shimcha rasmlar).
(ac) AFM bilan o'lchangan o'lcham taqsimoti. (df) Sirt zaryadining xarakteristikasi. (g) EPRning ROS tavsifi.
Shuni ham ta'kidlash kerakki, yuqoridagi barcha shartlar uchun o'lchangan ionlanish oqimi 2 dan 6 μA gacha va kuchlanish -3,8 dan -6,5 kV gacha bo'lgan, bu esa ushbu bitta EWNS generatsiya kontakt moduli uchun 50 mVt dan kam quvvat sarfini keltirib chiqargan. EWNS yuqori bosim ostida sintez qilingan bo'lsa-da, ozon darajasi juda past bo'lib, hech qachon 60 ppb dan oshmagan.
Qo'shimcha S4-rasmda mos ravishda [-6,5 kV, 4,0 sm] va [-3,8 kV, 0,5 sm] stsenariylari uchun simulyatsiya qilingan elektr maydonlari ko'rsatilgan. [-6,5 kV, 4,0 sm] va [-3,8 kV, 0,5 sm] stsenariylari uchun maydon hisob-kitoblari mos ravishda 2 × 105 V/m va 4,7 × 105 V/m ni tashkil qiladi. Bu kutilmoqda, chunki ikkinchi holatda kuchlanish-masofa nisbati ancha yuqori.
3a,b-rasmda AFM8 bilan o'lchangan EWNS diametri ko'rsatilgan. Hisoblangan o'rtacha EWNS diametrlari mos ravishda [-6,5 kV, 4,0 sm] va [-3,8 kV, 0,5 sm] sxemalari uchun 27 nm va 19 nm ni tashkil etdi. [-6,5 kV, 4,0 sm] va [-3,8 kV, 0,5 sm] stsenariylari uchun taqsimotlarning geometrik standart og'ishlari mos ravishda 1,41 va 1,45 ni tashkil etadi, bu tor o'lcham taqsimotini ko'rsatadi. O'rtacha o'lcham ham, geometrik standart og'ish ham bazaviy EWNSga juda yaqin, mos ravishda 25 nm va 1,41 da. 3c-rasmda xuddi shu sharoitlarda bir xil usul yordamida o'lchangan asosiy EWNSning o'lcham taqsimoti ko'rsatilgan.
3d,e-rasmda zaryad tavsifi natijalari ko'rsatilgan. Ma'lumotlar konsentratsiya (#/sm3) va tok (I) ning bir vaqtning o'zida 30 ta o'lchovining o'rtacha o'lchovlaridir. Tahlil shuni ko'rsatadiki, EWNSdagi o'rtacha zaryad mos ravishda [-6,5 kV, 4,0 sm] va [-3,8 kV, 0,5 sm] uchun 22 ± 6 e- va 44 ± 6 e- ni tashkil qiladi. Ular bazaviy EWNS (10 ± 2 e-) ga nisbatan ancha yuqori sirt zaryadlariga ega, bu [-6,5 kV, 4,0 sm] stsenariysidan ikki baravar va [-3 .8 kV, 0,5 sm] dan to'rt baravar katta. 3f-rasmda bazaviy EWNS uchun zaryad ma'lumotlari ko'rsatilgan.
EWNS sonining konsentratsiya xaritalaridan (S5 va S6 qo'shimcha rasmlar) ko'rinib turibdiki, [-6,5 kV, 4,0 sm] stsenariysida [-3,8 kV, 0,5 sm] stsenariysiga qaraganda ancha ko'p zarrachalar mavjud. Shuni ham ta'kidlash joizki, EWNS sonining konsentratsiyasi 4 soatgacha kuzatilgan (S5 va S6 qo'shimcha rasmlar), bu yerda EWNS generatsiyasining barqarorligi ikkala holatda ham zarrachalar sonining konsentratsiyasining bir xil darajasini ko'rsatdi.
3g-rasmda [-6,5 kV, 4,0 sm] da optimallashtirilgan EWNS boshqaruvini (fon) ayirgandan keyingi EPR spektri ko'rsatilgan. ROS spektrlari avval nashr etilgan ishda Baseline-EWNS stsenariysi bilan ham taqqoslandi. Spin tuzoqlari bilan reaksiyaga kirishadigan EWNS soni 7,5 × 104 EWNS/s ga teng deb hisoblandi, bu avval nashr etilgan Baseline-EWNS8 ga o'xshash. EPR spektrlari ikki turdagi ROS mavjudligini aniq ko'rsatdi, bunda O2- asosiy tur va OH• kamroq miqdorda bo'ldi. Bundan tashqari, cho'qqi intensivliklarini to'g'ridan-to'g'ri taqqoslash shuni ko'rsatdiki, optimallashtirilgan EWNS bazaviy EWNS ga nisbatan ancha yuqori ROS tarkibiga ega edi.
4-rasmda EPESdagi EWNS ning cho'ktirish samaradorligi ko'rsatilgan. Ma'lumotlar I-jadvalda ham umumlashtirilgan va asl EWNS ma'lumotlari bilan taqqoslangan. EUNS ning ikkala holati uchun ham cho'ktirish 3,0 kV past kuchlanishda ham 100% ga yaqin. Odatda, sirt zaryadining o'zgarishidan qat'i nazar, 3,0 kV 100% cho'ktirish uchun etarli. Xuddi shu sharoitlarda, Baseline-EWNS ning cho'ktirish samaradorligi ularning past zaryadi tufayli atigi 56% ni tashkil etdi (har bir EWNS uchun o'rtacha 10 ta elektron).
5-rasm va 2-jadvalda optimal rejimda [-6,5 kV, 4,0 sm] 45 daqiqa davomida taxminan 40 000 #/sm3 EWNS ta'sirida pomidor yuzasiga emlangan mikroorganizmlarning inaktivatsiya qiymati umumlashtirilgan. E. coli va Lactobacillus innocuous emlangan bakteriyalar 45 daqiqalik ta'sir qilish davomida 3,8 logga sezilarli darajada kamaygan. Xuddi shu sharoitlarda S. enterica 2,2 logga kamaygan, S. cerevisiae va M. parafortutum esa 1,0 logga kamaygan.
Elektron mikrograflar (6-rasm) EWNS tomonidan zararsiz Escherichia coli, Streptococcus va Lactobacillus hujayralarida keltirib chiqarilgan fizik o'zgarishlarni tasvirlaydi, bu esa ularning inaktivatsiyasiga olib keladi. Nazorat bakteriyalarining hujayra membranalari butun, ta'sirlangan bakteriyalar esa tashqi membranalarga zarar yetkazgan.
Nazorat ostidagi va ta'sirlangan bakteriyalarning elektron mikroskopik tasviri membrana shikastlanishini aniqladi.
Optimallashtirilgan EWNS ning fizik-kimyoviy xususiyatlari haqidagi ma'lumotlar birgalikda EWNS ning xususiyatlari (sirt zaryadi va ROS miqdori) avval nashr etilgan EWNS boshlang'ich ma'lumotlariga nisbatan sezilarli darajada yaxshilanganligini ko'rsatadi8,9,10,11. Boshqa tomondan, ularning o'lchami nanometr oralig'ida qoldi, bu avval xabar qilingan natijalarga juda o'xshash bo'lib, ularga uzoq vaqt davomida havoda qolish imkonini berdi. Kuzatilgan polidisperslikni EWNS o'lchamini, Reyli effektining tasodifiyligini va potentsial birlashuvni belgilaydigan sirt zaryadining o'zgarishi bilan izohlash mumkin. Biroq, Nielsen va boshqalar tomonidan batafsil bayon qilinganidek, yuqori sirt zaryadi suv tomchisining sirt energiyasini/kuchlanishini samarali ravishda oshirish orqali bug'lanishni kamaytiradi. Oldingi nashrimizda8 bu nazariya mikrotomchilar 22 va EWNS uchun eksperimental ravishda tasdiqlangan edi. Qo'shimcha ish vaqtida zaryadning yo'qolishi ham o'lchamga ta'sir qilishi va kuzatilgan o'lcham taqsimotiga hissa qo'shishi mumkin.
Bundan tashqari, har bir struktura uchun zaryad vaziyatga qarab taxminan 22-44 e- ni tashkil qiladi, bu har bir struktura uchun o'rtacha 10 ± 2 elektron zaryadiga ega bo'lgan asosiy EWNSga nisbatan ancha yuqori. Biroq, shuni ta'kidlash kerakki, bu EWNS ning o'rtacha zaryadi. Seto va boshqalar. Zaryad bir xil emasligi va log-normal taqsimotga amal qilishi ko'rsatilgan21. Oldingi ishimiz bilan taqqoslaganda, sirt zaryadini ikki baravar oshirish EPES tizimidagi cho'ktirish samaradorligini deyarli 100% gacha ikki baravar oshiradi11.