Nature.com saytiga tashrif buyurganingiz uchun tashakkur. Siz cheklangan CSS qo'llab-quvvatlashiga ega brauzer versiyasidan foydalanmoqdasiz. Eng yaxshi tajriba uchun sizga yangilangan brauzerdan foydalanishingizni tavsiya qilamiz (yoki Internet Explorer-da moslik rejimini o'chirib qo'ying). Bundan tashqari, doimiy qo'llab-quvvatlashni ta'minlash uchun biz saytni uslublarsiz va JavaScriptsiz ko'rsatamiz.
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 inaktivatsiya qilishi mumkin bo'lgan reaktiv kislorod turlariga (ROS) boy. Bu yerda ularning sintez paytidagi xususiyatlarini antibakterial salohiyatini yanada oshirish uchun sozlash va optimallashtirish mumkinligi ko'rsatilgan. EWNS laboratoriya platformasi sintez parametrlarini o'zgartirish orqali EWNS xususiyatlarini aniq sozlash uchun mo'ljallangan. EWNS xususiyatlarining tavsifi (zaryad, o'lcham va ROS miqdori) zamonaviy analitik usullar yordamida amalga oshirildi. Bundan tashqari, Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocua, Mycobacterium para fortium va Saccharomyces cerevisiae kabi oziq-ovqat mikroorganizmlari ularning mikrobial inaktivatsiya salohiyatini baholash uchun organik uzum pomidorlari yuzasiga emlandi. 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 ROS miqdori oshdi. Mikroblarni yo'q qilish darajasi mikrobialga bog'liq bo'lib, 40 000 #/sm3 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. Oziq-ovqat orqali yuqadigan kasalliklar faqat Qo'shma Shtatlarda har yili taxminan 76 million kasallik, 325 000 ta kasalxonaga yotqizish va 5000 ta o'limga sabab bo'ladi1. Bundan tashqari, Amerika Qo'shma Shtatlari Qishloq xo'jaligi vazirligi (USDA) Qo'shma Shtatlarda qayd etilgan barcha oziq-ovqat orqali yuqadigan kasalliklarning 48 foizi uchun yangi mahsulotlarni ko'p iste'mol qilish sabab bo'lganini taxmin qilmoqda2. Qo'shma Shtatlarda oziq-ovqat orqali yuqadigan patogenlardan kelib chiqadigan 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 zanjiridagi cheklangan muhim nazorat nuqtalarida (KNN) (odatda yig'im-terimdan keyin va/yoki qadoqlash paytida) amalga oshiriladi, yangi mahsulotlar o'zaro ifloslanishga duchor bo'ladigan tarzda doimiy ravishda amalga oshirilmaydi7. Oziq-ovqat orqali yuqadigan kasalliklar va oziq-ovqat mahsulotlarining buzilishini yaxshiroq nazorat qilish uchun mikroblarga qarshi aralashuvlar zarur va ular fermadan dasturxongacha bo'lgan doimiylik bo'ylab qo'llanilishi mumkin. Kamroq ta'sir va xarajatlar.
Yaqinda sun'iy suv nanostrukturalari (EWNS) yordamida sirtlarda va havoda bakteriyalarni inaktivatsiya qilish uchun nanotexnologiyaga asoslangan kimyoviy moddalarsiz antimikrob platforma ishlab chiqildi. EVNS sintezi uchun ikkita parallel jarayon qo'llanildi: elektrosprey va suv ionizatsiyasi (1a-rasm). EWNS ilgari noyob fizik va biologik xususiyatlar to'plamiga ega ekanligi ko'rsatilgan edi8,9,10. EWNS har bir struktura uchun o'rtacha 10 ta elektronga va o'rtacha nanometr o'lchami 25 nm ga teng (1b,c-rasm)8,9,10. Bundan tashqari, elektron spin rezonansi (ESR) EWNS tarkibida asosan gidroksil (OH•) va superoksid (O2-) radikallari bo'lgan ko'p miqdordagi reaktiv kislorod turlari (ROS) mavjudligini ko'rsatdi (1c-rasm)8. EWNS havoda uzoq vaqt qoldi va havoda to'xtatilgan va sirtlarda mavjud bo'lgan mikroblar bilan to'qnashishi, ularning ROS yukini yetkazib berishi va mikrobial inaktivatsiyaga olib kelishi mumkin (1d-rasm). Ushbu avvalgi tadqiqotlar shuni ko'rsatdiki, EWNS sirtlarda va havoda mikobakteriyalar kabi jamoat salomatligi uchun muhim bo'lgan turli gramm-manfiy va gramm-musbat bakteriyalar bilan o'zaro ta'sir qilishi va ularni faolsizlantirishi mumkin8,9. 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 kelmaydi8.
(a) Elektropropreykatsiya kapillyar suyuqlik va qarshi elektrod o'rtasida yuqori kuchlanish qo'llanilganda sodir bo'ladi. (b) Yuqori kuchlanish qo'llanilishi 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) EWNS nanoskalali tabiati tufayli 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 maqsadli yetkazib berish uchun elektr maydoni bilan birgalikda ishlatish mumkinligi ko'rsatildi. Eng muhimi, taxminan 50,000#/cm311 konsentratsiyasida EWNS ta'sirida 90 daqiqa ichida E. coli va Listeria kabi turli xil oziq-ovqat mikroorganizmlariga qarshi organik pomidor faolligining taxminan 1,4 log kamayishining istiqbolli dastlabki natijasi kuzatildi. Bundan tashqari, dastlabki organoleptik baholash testlari nazorat pomidoriga nisbatan organoleptik ta'sir ko'rsatmadi. Garchi bu dastlabki inaktivatsiya natijalari juda past 50,000#/cm EWNS dozalarida ham oziq-ovqat xavfsizligini va'da qilsa-da, 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, ularning antibakterial salohiyatini oshirish uchun 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 va E. coli, S. enterica, L. innocua, S. cerevisiae va M. parafortuitum kabi keng tarqalgan oziq-ovqat mikroorganizmlaridan foydalangan holda optimallashtirilgan fizik-kimyoviy xususiyatlarni (hajmi, zaryadi va ROS miqdori) tavsiflash.
EVNS yuqori tozalikdagi suvni (18 MΩ sm–1) bir vaqtning o'zida elektropurkash va ionlash orqali sintez qilindi. Elektr atomizatori 12 odatda suyuqliklarni, sintetik polimer va keramik zarrachalarni 13 va nazorat qilinadigan o'lchamdagi tolalarni 14 atomizatsiya qilish 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'llaniladi. Bu jarayon davomida ikki xil hodisa sodir bo'ladi: 1) elektroprujina va 2) suvning ionlanishi. Ikki elektrod orasidagi kuchli elektr maydoni kondensatsiyalangan suv yuzasida manfiy zaryadlarning to'planishiga olib keladi, natijada Teylor konuslari hosil bo'ladi. Natijada, Reyli nazariyasiga ko'ra, kichikroq zarrachalarga parchalanishda davom etadigan yuqori zaryadlangan suv tomchilari hosil bo'ladi16. Shu bilan birga, kuchli elektr maydoni ba'zi suv molekulalarining bo'linishiga va elektronlarni ajratib olishiga (ionlanish) olib keladi va shu bilan ko'p miqdorda reaktiv kislorod turlarini (ROS) hosil qiladi17. Bir vaqtning o'zida hosil bo'lgan ROS18 paketlari 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 naycha (ichki diametri 2 mm) orqali 30G zanglamaydigan po'latdan yasalgan ignaga (metall kapillyar) uzatildi. 2b-rasmda ko'rsatilganidek, suv oqimi shisha ichidagi havo bosimi tomonidan boshqariladi. Igna qarshi elektroddan ma'lum masofaga qo'lda sozlanishi mumkin bo'lgan Teflon konsoliga biriktirilgan. Qarshi elektrod - bu namunalar olish uchun o'rtasida teshikka ega bo'lgan sayqallangan alyuminiy disk. Qarshi elektrodning ostida namunalar olish porti orqali eksperimental qurilmaning qolgan qismiga ulangan alyuminiy namunalar olish voronkasi joylashgan (2b-rasm). Zarrachalar namunalarini olishni yomonlashtirishi mumkin bo'lgan zaryad to'planishining oldini olish uchun barcha namunalar komponentlari elektr bilan yerga ulangan.
(a) Muhandislik asosida ishlab chiqilgan suv nanotuzilmalarini yaratish tizimi (EWNS). (b) Eng muhim parametrlarni ko'rsatuvchi namuna oluvchi va elektropurkagich qurilmasining 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. [V (kV), L (sm)] belgilari turli kombinatsiyalarni belgilash uchun ishlatiladi. Muayyan to'plamdagi [V, L] barqaror Teylor konusini olish uchun suv oqimini sozlang. Ushbu tadqiqot maqsadlari uchun qarshi elektrodning (D) teshigi 0,5 dyuym (1,29 sm) ga o'rnatildi.
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 Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS, model 3936, TSI, Shoreview, Minnesota) ga ulangan va avvalgi nashrimizda tasvirlanganidek, aerozol oqimlarini o'lchash uchun Faraday aerozol elektrometri (TSI, model 3068B, Shoreview, AQSh). MN) bilan ishlatilgan. SMPS ham, aerozol elektrometri ham 0,5 L/min oqim tezligida namunalar oldi (umumiy namuna oqimi 1 L/min). Zarrachalar konsentratsiyasi va aerozol oqimlari 120 soniya davomida o'lchandi. O'lchovni 30 marta takrorlang. Umumiy aerozol zaryadi oqim o'lchovlaridan hisoblanadi va o'rtacha EWNS zaryadi namunalar olingan EWNS zarrachalarining umumiy sonidan hisoblanadi. EWNS ning o'rtacha narxini (1) tenglama yordamida hisoblash mumkin:
bu yerda IEl o'lchangan tok, NSMPS SMPS bilan o'lchangan sonli konsentratsiya va φEl elektrometrga 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 tezligi 1 Gts va skanerlash maydoni 256 ta skanerlash chiziqlari bilan 5 µm×5 µm. Barcha tasvirlar Asylum dasturi (100 nm diapazon va 100 pm chegarasi bo'lgan niqob) yordamida birinchi tartibli tasvirlarni tekislashdan o'tkazildi.
Namuna olish voronkasini olib tashlang va slyuda yuzasini qarshi elektroddan 2,0 sm masofada o'rtacha 120 soniya davomida joylashtiring, bu zarrachalarning birlashishi va slyuda yuzasida notekis tomchilar hosil bo'lishining oldini oladi. EWNS to'g'ridan-to'g'ri yangi kesilgan slyuda yuzalariga (Ted Pella, Redding, CA) qo'llanildi. Purkagandan so'ng darhol slyuda yuzasi AFM yordamida vizualizatsiya qilindi. Yangi kesilgan, o'zgartirilmagan slyuda yuzasining aloqa burchagi 0° ga yaqin, shuning uchun EWNS slyuda yuzasi bo'ylab gumbazsimon shaklda tarqaladi20. Tarqaladigan tomchilarning diametri (a) va balandligi (h) to'g'ridan-to'g'ri AFM topografiyasidan o'lchandi va ilgari tasdiqlangan usulimiz8 yordamida gumbazsimon diffuziya hajmini EWNS ni hisoblash uchun ishlatilgan. Bortdagi EVNS bir xil hajmga ega deb faraz qilsak, ekvivalent diametrni (2) tenglamadan hisoblash mumkin:
Avval ishlab chiqilgan usulimizga muvofiq, 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., Portlend, Oregon) ni o'z ichiga olgan eritmadan o'tkazildi. Barcha EPR o'lchovlari Bruker EMX spektrometri (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, AQSh) va yassi katakchalar massivlari yordamida amalga oshirildi. Ma'lumotlarni to'plash va tahlil qilish uchun Acquisit dasturi (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, AQSh) ishlatilgan. ROS tavsifi faqat bir qator ish sharoitlari uchun [-6,5 kV, 4,0 sm] amalga oshirildi. EWNS konsentratsiyalari zarba beruvchida EWNS yo'qolishi hisobga olinganidan 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'lchov qiymati o'lchovlarning o'rtacha qiymati, o'lchov xatosi esa standart og'ishdir. Optimallashtirilgan EWNS atributining qiymatini asosiy EWNSning mos keladigan qiymati bilan taqqoslash uchun t-test o'tkazildi.
2c-rasmda EWNS11 ni sirtlarga yo'naltirish uchun ishlatilishi mumkin bo'lgan ilgari ishlab chiqilgan va tavsiflangan Elektrostatik Yog'ingarchilik O'tish Tizimi (EPES) ko'rsatilgan. EPES nishon yuzasiga to'g'ridan-to'g'ri "yo'naltirish" uchun kuchli elektr maydoni bilan birgalikda EWNS zaryadidan foydalanadi. EPES tizimining tafsilotlari Pyrgiotakis va boshqalar tomonidan yaqinda nashr etilgan.11. Shunday qilib, EPES o'rtasida 15,24 sm masofada ikkita parallel zanglamaydigan po'latdan (304 zanglamaydigan po'lat, oyna bilan jilolangan) metall plitalardan iborat konussimon uchlari bo'lgan 3D bosilgan PVX kameradan iborat. Plitalar tashqi yuqori kuchlanish manbasiga (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY) ulangan, pastki taxta har doim musbat va yuqori taxta har doim yerga ulangan (suzuvchi). Kamera devorlari zarrachalar yo'qolishining oldini olish uchun elektr bilan yerga ulangan alyuminiy folga bilan qoplangan. Kamerada sinov sirtlarini plastik tokchalarga qo'yish, yuqori kuchlanishli shovqinlardan qochish uchun ularni pastki metall plastinkadan ko'tarish 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 silindrsimon kameradan o'tuvchi ikkinchi oqim EWNSni olib tashlash uchun oraliq HEPA filtri yordamida EPES tizimiga ketma-ket ulanadi. 2c-rasmda ko'rsatilganidek, EWNS aerozoli ketma-ket ulangan ikkita kamera orqali pompalandi. Boshqaruv xonasi va EPES o'rtasidagi filtr qolgan EWNSni olib tashlaydi, natijada harorat (T), nisbiy namlik (RH) va ozon darajasi bir xil bo'ladi.
Muhim oziq-ovqat orqali yuqadigan mikroorganizmlar najas indikatori bo'lgan Escherichia coli (ATCC #27325), oziq-ovqat orqali yuqadigan patogen Salmonella enterica (ATCC #53647), patogen Listeria monocytogenes ga alternativa bo'lgan Listeria innocua (ATCC #33090) kabi yangi mahsulotlarni ifloslantirishi aniqlandi. Buzilgan xamirturushga alternativa sifatida Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098) va chidamliroq tirik bakteriyalar sifatida Mycobacterium parafortuitous (ATCC #19686) ATCC dan (Manassas, Virjiniya) sotib olindi.
Mahalliy bozoringizdan tasodifiy ravishda organik uzum pomidorlari qutilarini sotib oling va ishlatilgunga qadar (3 kungacha) 4°C haroratda muzlatgichda saqlang. Tajriba qilish uchun bir o'lchamdagi, diametri taxminan 1/2 dyuymli pomidorlarni tanlang.
Inkubatsiya, emlash, ta'sir qilish va koloniyalarni sanash protokollari avvalgi nashrlarimizda batafsil bayon etilgan va Qo'shimcha ma'lumotlar 11 da batafsil tushuntirilgan. EWNS samaradorligi emlangan pomidorlarni 40 000 #/cm3 ga 45 daqiqa davomida ta'sir qilish orqali baholandi. Qisqacha aytganda, t = 0 daqiqada, omon qolgan mikroorganizmlarni baholash uchun uchta pomidor ishlatilgan. Uchta pomidor EPESga joylashtirildi va EWNSga 40 000 #/cm (EWNS ta'sirlangan pomidorlar) da ta'sir qildi va yana uchtasi nazorat kamerasiga (nazorat pomidorlari) joylashtirildi. Pomidor guruhlarining hech biri qo'shimcha ishlov berishga duchor qilinmadi. EWNS ta'sirini baholash uchun EWNS ta'sirlangan pomidorlar va nazorat guruhi 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.
E. coli, Enterobacter va L. innocua bakteriyalarining EWNS ta'siriga uchragan (45 daqiqa, EWNS aerozol konsentratsiyasi 40 000 #/sm3) va ta'sirlanmagan namunalari inaktivatsiya mexanizmlarini baholash uchun granulalarga solindi. Cho'kma xona haroratida 0,1 M natriy kakodilat eritmasida (pH 7,4) 2,5% glutaraldegid, 1,25% paraformaldegid va 0,03% pikrik kislota fiksatori bilan 2 soat davomida fiksatsiya qilindi. Yuvilgandan so'ng, ular 1% osmiy tetroksid (OsO4)/1,5% kaliy ferrotsianid (KFeCN6) bilan 2 soat davomida fiksatsiya qilindi, 3 marta suv bilan yuvildi va 1% uranil asetatda 1 soat davomida inkubatsiya qilindi, so'ngra ikki marta suv bilan yuvildi. Keyingi suvsizlantirish 10 daqiqa davomida har biri 50%, 70%, 90%, 100% spirtdan iborat. 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 TEM yordamida AMT 2k CCD kamerasi (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, MA, AQSh) bilan jihozlangan an'anaviy transmissiya elektron mikroskopi bo'lgan JEOL 1200EX (JEOL, Tokio, Yaponiya) yordamida vizualizatsiya qilindi.
Barcha tajribalar uch nusxada o'tkazildi. Har bir vaqt nuqtasi uchun bakterial yuvish uch nusxada qo'shildi, natijada har bir nuqtada jami to'qqizta ma'lumot nuqtasi hosil bo'ldi, ularning o'rtacha qiymati ushbu organizm uchun bakterial konsentratsiya sifatida ishlatilgan. Standart og'ish o'lchov xatosi sifatida ishlatilgan. Barcha ballar 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 davrida bakteriyalarning tabiiy parchalanishini hisobga olish uchun, 45 daqiqalik nazorat guruhi bilan solishtirganda, Log-Reduction 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. Barqaror va takrorlanuvchan xususiyatlarni (Teylor konusi, EWNS ishlab chiqarish va vaqt o'tishi bilan barqarorlik) ko'rsatadigan to'liq tadqiqot uchun ikkita holat tanlandi. 3-rasmda ikkita holat uchun 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 diametrining (D) va yer elektrodi bilan igna uchi orasidagi masofaning (L) ta'siri bo'yicha tadqiqotlar kiradi (S2 va S3 qo'shimcha rasmlar).
(a–c) AFM o'lchamlarining taqsimoti. (d–f) Sirt zaryadining xarakteristikasi. (g) ROS va ESR ning tavsifi.
Shuni ham ta'kidlash kerakki, yuqoridagi barcha sharoitlar uchun o'lchangan ionlanish toklari 2-6 µA oralig'ida va kuchlanishlar -3,8 dan -6,5 kV gacha bo'lgan, natijada ushbu bitta terminalli EWNS uchun energiya sarfi 50 mVt dan kam bo'lgan. 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] stsenariylariga muvofiq maydonlar mos ravishda 2 × 105 V/m va 4,7 × 105 V/m sifatida hisoblanadi. Bu kutilgan, chunki ikkinchi holatda kuchlanishning masofaga nisbati ancha yuqori.
3a,b-rasmda AFM8 bilan o'lchangan EWNS diametri ko'rsatilgan. [-6,5 kV, 4,0 sm] va [-3,8 kV, 0,5 sm] stsenariylari uchun o'rtacha EWNS diametrlari mos ravishda 27 nm va 19 nm sifatida hisoblangan. [-6,5 kV, 4,0 sm] va [-3,8 kV, 0,5 sm] holatlari 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 boshlang'ich EWNSga juda yaqin bo'lib, mos ravishda 25 nm va 1,41 ni tashkil qiladi. 3c-rasmda xuddi shu sharoitlarda bir xil usul yordamida o'lchangan boshlang'ich EWNSning o'lcham taqsimoti ko'rsatilgan.
3d,e-rasmda zaryad tavsifining 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. Baseline-EWNS (10 ± 2 e-) bilan taqqoslaganda, ularning sirt zaryadi sezilarli darajada yuqori, [-6,5 kV, 4,0 sm] stsenariysidan ikki baravar va [-3 .8 kV, 0,5 sm] stsenariysidan to'rt baravar ko'p. 3f asosiy EWNS to'lov ma'lumotlarini ko'rsatadi.
EWNS sonlari konsentratsiyasi xaritalaridan (S5 va S6 qo'shimcha rasmlar) ko'rinib turibdiki, [-6,5 kV, 4,0 sm] sahnasida [-3,8 kV, 0,5 sm] sahnasiga qaraganda ancha yuqori zarrachalar soni mavjud. Shuni ham ta'kidlash kerakki, EWNS sonlari konsentratsiyasi 4 soatgacha kuzatilgan (S5 va S6 qo'shimcha rasmlar), bu yerda EWNS generatsiyasi barqarorligi ikkala holatda ham zarrachalar soni konsentratsiyasining bir xil darajasini ko'rsatdi.
3g-rasmda [-6,5 kV, 4,0 sm] da optimallashtirilgan EWNS uchun nazorat (fon) ayirishdan keyingi EPR spektri ko'rsatilgan. ROS spektri avval nashr etilgan maqolada EWNS bazaviy chizig'i bilan ham taqqoslanadi. Spin tuzog'i bilan reaksiyaga kirishadigan EWNS ning hisoblangan soni 7,5 × 104 EWNS/s ni tashkil etadi, bu avval nashr etilgan Baseline-EWNS8 ga o'xshash. EPR spektrlari ikki turdagi ROS mavjudligini aniq ko'rsatdi, bu yerda O2- ustunlik qildi, OH• esa kamroq miqdorda mavjud edi. 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. Ikkala EUNS holati uchun ham cho'ktirish 3,0 kV past kuchlanishda ham 100% ga yaqin edi. Odatda, sirt zaryadining o'zgarishidan qat'i nazar, 100% cho'ktirishga erishish uchun 3,0 kV yetarli. Xuddi shu sharoitlarda, past zaryad tufayli (har bir EWNS uchun o'rtacha 10 ta elektron) Baseline-EWNS ning cho'ktirish samaradorligi atigi 56% ni tashkil etdi.
5-rasm va 2-jadvalda optimal stsenariy [-6,5 kV, 4,0 sm] ostida taxminan 40 000 #/sm3 EWNS ta'sirida 45 daqiqa davomida pomidor yuzasiga emlangan mikroorganizmlarning inaktivatsiya darajasi umumlashtirilgan. E. coli va L. innocua emlanganida 45 daqiqa ta'sir qilishdan keyin 3,8 log sezilarli darajada kamaydi. Xuddi shu sharoitda, S. enterica 2,2 logga kamroq log kamayishini ko'rsatdi, S. cerevisiae va M. parafortuitum esa 1,0 log kamayishini ko'rsatdi.
Elektron mikrograflar (6-rasm) E. coli, Salmonella enterica va L. innocua hujayralarida EWNS tomonidan qo'zg'atilgan fizik o'zgarishlarni inaktivatsiyaga olib kelgan holda tasvirlaydi. Nazorat bakteriyalari butun hujayra membranalarini ko'rsatdi, ochiq bakteriyalar esa tashqi membranalarga zarar yetkazdi.
Nazorat ostidagi va ta'sirlangan bakteriyalarning elektron mikroskopik tasviri membrana shikastlanishini aniqladi.
Optimallashtirilgan EWNS ning fizik-kimyoviy xususiyatlari haqidagi ma'lumotlar birgalikda EWNS 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 nashr etilgan natijalarga juda o'xshash bo'lib, ularga uzoq vaqt havoda qolish imkonini beradi. Kuzatilgan polidisperslikni sirt zaryadidagi o'zgarishlar bilan izohlash mumkin, bu esa Reyli effektining kattaligini, tasodifiyligini va EWNS ning potentsial birlashishini belgilaydi. Biroq, Nielsen va boshqalar tomonidan batafsil bayon qilinganidek22, yuqori sirt zaryadi suv tomchisining sirt energiyasini/kuchlanishini samarali ravishda oshirish orqali bug'lanishni kamaytiradi. Bu nazariya avvalgi nashrimizda8 mikrotomchilar22 va EWNS uchun eksperimental ravishda tasdiqlangan. Qo'shimcha vaqtni yo'qotish ham o'lchamga ta'sir qilishi va kuzatilgan o'lcham taqsimotiga hissa qo'shishi mumkin.
Bundan tashqari, har bir struktura uchun zaryad sharoitga 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 zaryadining ikki baravar ko'payishi EPES tizimidagi cho'ktirish samaradorligini deyarli 100% gacha ikki baravar oshiradi11.