شكرًا لزيارتكم موقع Nature.com. أنتم تستخدمون إصدار متصفح يدعم CSS بشكل محدود. للحصول على أفضل تجربة، نوصي باستخدام متصفح مُحدّث (أو تعطيل وضع التوافق في إنترنت إكسبلورر). ولضمان استمرارية الدعم، نعرض الموقع بدون أنماط أو جافا سكريبت.
تم مؤخرًا تطوير منصة مضادة للميكروبات خالية من المواد الكيميائية تعتمد على تقنية النانو باستخدام هياكل نانوية مائية اصطناعية (EWNS). تتميز EWNS بشحنة سطحية عالية وهي غنية بأنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) التي يمكنها التفاعل مع عدد من الكائنات الحية الدقيقة وتعطيلها، بما في ذلك مسببات الأمراض المنقولة بالغذاء. هنا يتضح أنه يمكن ضبط خصائصها أثناء التركيب وتحسينها لزيادة قدرتها المضادة للبكتيريا. تم تصميم منصة مختبر EWNS لضبط خصائص EWNS عن طريق تغيير معايير التركيب. تم إجراء توصيف خصائص EWNS (الشحنة والحجم ومحتوى ROS) باستخدام طرق تحليلية حديثة. بالإضافة إلى ذلك، تم تطعيم الكائنات الحية الدقيقة الغذائية مثل الإشريكية القولونية والسالمونيلا المعوية والليستيريا الإينويكو والمتفطرة القوية وخميرة الخباز على سطح طماطم العنب العضوية لتقييم قدرتها على تعطيل الميكروبات. تُظهر النتائج المعروضة هنا إمكانية ضبط خصائص EWNS بدقة أثناء عملية التخليق، مما يؤدي إلى زيادة هائلة في كفاءة التعطيل. وتحديدًا، ازدادت الشحنة السطحية بمقدار أربعة أضعاف، وزاد محتوى أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS). كان معدل الإزالة الميكروبية معتمدًا على الميكروبات، وتراوح بين 1.0 و3.8 لوغاريتم بعد 45 دقيقة من التعرض لجرعة رذاذ مقدارها 40,000 #/cm3 من EWNS.
يُعدّ التلوث الميكروبي السبب الرئيسي للأمراض المنقولة بالغذاء الناتجة عن تناول مسببات الأمراض أو سمومها. وتُسبب الأمراض المنقولة بالغذاء حوالي 76 مليون حالة مرض، و325 ألف حالة دخول إلى المستشفى، و5 آلاف حالة وفاة سنويًا في الولايات المتحدة وحدها. وتُقدّر وزارة الزراعة الأمريكية (USDA) أن زيادة استهلاك المنتجات الطازجة مسؤولة عن 48% من جميع الأمراض المنقولة بالغذاء المُبلّغ عنها في الولايات المتحدة. وتُعدّ تكلفة المرض والوفاة بسبب مسببات الأمراض المنقولة بالغذاء في الولايات المتحدة مرتفعة للغاية، حيث تُقدّرها مراكز السيطرة على الأمراض والوقاية منها (CDC) بأكثر من 15.6 مليار دولار أمريكي سنويًا.
حاليًا، تُنفَّذ التدخلات الكيميائية4 والإشعاعية5 والحرارية6 المضادة للميكروبات لضمان سلامة الأغذية بشكل رئيسي في نقاط تحكم حرجة محدودة ضمن سلسلة الإنتاج (عادةً بعد الحصاد و/أو أثناء التعبئة)، بدلاً من تنفيذها بشكل مستمر بحيث تكون المنتجات الطازجة عرضة للتلوث المتبادل7. وتُعدّ التدخلات المضادة للميكروبات ضرورية لتحسين السيطرة على الأمراض المنقولة بالغذاء وتلف الأغذية، ويمكن تطبيقها على نطاق واسع من المزرعة إلى المائدة. كما أنها أقل تأثيرًا وتكلفة.
تم تطوير منصة مضادة للميكروبات خالية من المواد الكيميائية تعتمد على تقنية النانو مؤخرًا لتعطيل البكتيريا على الأسطح وفي الهواء باستخدام هياكل نانوية مائية اصطناعية (EWNS). لتخليق EWNS، تم استخدام عمليتين متوازيتين: الرش الكهربائي وتأين الماء (الشكل 1أ). وقد ثبت سابقًا أن EWNS لها مجموعة فريدة من الخصائص الفيزيائية والبيولوجية8،9،10. يحتوي EWNS على متوسط ​​10 إلكترونات لكل بنية ومتوسط ​​حجم نانومتر 25 نانومتر (الشكل 1ب، ج)8،9،10. بالإضافة إلى ذلك، أظهر الرنين المغزلي للإلكترون (ESR) أن EWNS تحتوي على كمية كبيرة من أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS)، وخاصة جذور الهيدروكسيل (OH•) والأكسيد الفائق (O2-) (الشكل 1ج)8. بقيت EWNS في الهواء لفترة طويلة ويمكن أن تصطدم بالميكروبات المعلقة في الهواء والموجودة على الأسطح، مما أدى إلى توصيل حمولتها من ROS والتسبب في تعطيل الميكروبات (الشكل 1د). أظهرت هذه الدراسات السابقة أيضًا أن EWNS يمكنه التفاعل مع أنواع مختلفة من البكتيريا سالبة الجرام وموجبة الجرام ذات الأهمية للصحة العامة، بما في ذلك المتفطرات، وتعطيلها على الأسطح وفي الهواء8،9. أظهر المجهر الإلكتروني النافذ أن تعطيلها ناتج عن تمزق غشاء الخلية. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت دراسات الاستنشاق الحاد أن الجرعات العالية من EWNS لا تسبب تلفًا أو التهابًا في الرئة8.
(أ) يحدث الرش الكهربائي عندما يتم تطبيق جهد عالي بين سائل يحتوي على شعري وقطب كهربائي مضاد. (ب) يؤدي تطبيق الجهد العالي إلى ظاهرتين مختلفتين: (أ) الرش الكهربائي للماء و (ب) تكوين أنواع الأكسجين التفاعلية (الأيونات) المحاصرة في EWNS. (ج) البنية الفريدة لـ EWNS. (د) EWNS قابلة للحركة للغاية بسبب طبيعتها النانوية ويمكنها التفاعل مع مسببات الأمراض المحمولة جواً.
تم مؤخرًا إثبات قدرة منصة EWNS المضادة للميكروبات على تعطيل الكائنات الحية الدقيقة المنقولة بالغذاء على سطح الطعام الطازج. كما ثبت أنه يمكن استخدام شحنة سطح EWNS مع مجال كهربائي لتوصيل مُستهدف. والأهم من ذلك، لوحظت نتيجة أولية واعدة لانخفاض قدره 1.4 لوغاريتم تقريبًا في نشاط الطماطم العضوية ضد مختلف الكائنات الحية الدقيقة الغذائية مثل الإشريكية القولونية والليستيريا في غضون 90 دقيقة من التعرض لـ EWNS بتركيز يقارب 50,000 #/سم311. بالإضافة إلى ذلك، لم تُظهر اختبارات التقييم الحسي الأولية أي تأثير حسي مقارنةً بالطماطم الضابطة. على الرغم من أن نتائج التعطيل الأولية هذه تبشر بسلامة الغذاء حتى عند جرعات EWNS منخفضة جدًا تبلغ 50,000 #/سم3، فمن الواضح أن إمكانية تعطيل أعلى ستكون أكثر فائدة لتقليل خطر العدوى والتلف بشكل أكبر.
سنركز في بحثنا هذا على تطوير منصة توليد EWNS لضبط معايير التركيب وتحسين خصائصها الفيزيائية والكيميائية لتعزيز قدرتها المضادة للبكتيريا. وركز التحسين تحديدًا على زيادة شحنتها السطحية (لتحسين التوصيل المستهدف) ومحتوى أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) لتحسين كفاءة التعطيل. كما تم توصيف الخصائص الفيزيائية والكيميائية المُحسّنة (الحجم والشحنة ومحتوى أنواع الأكسجين التفاعلية) باستخدام أساليب تحليلية حديثة، بالإضافة إلى استخدام الكائنات الدقيقة الغذائية الشائعة مثل الإشريكية القولونية، والسالمونيلا المعوية، واللامانية الإينوكوا، والسالمونيلا الخبازية، والماعز البارافورتيتوم.
تم تصنيع EVNS عن طريق الرش الكهربائي والتأين المتزامن لماء عالي النقاء (18 MΩ/cm⁻). يُستخدم المُبخِّر الكهربائي 12 عادةً لتبخير السوائل والبوليمرات الاصطناعية والجسيمات الخزفية 13 والألياف 14 ذات الحجم المُتحكم فيه.
كما هو موضح بالتفصيل في المنشورات السابقة 8، 9، 10، 11، في تجربة نموذجية، يُطبق جهد عالي بين أنبوب شعري معدني وقطب كهربائي مضاد مؤرض. خلال هذه العملية، تحدث ظاهرتان مختلفتان: 1) الرش الكهربائي و2) تأين الماء. يتسبب المجال الكهربائي القوي بين القطبين في تراكم الشحنات السالبة على سطح الماء المكثف، مما يؤدي إلى تكوين مخاريط تايلور. ونتيجة لذلك، تتشكل قطرات ماء مشحونة بشدة، والتي تستمر في التفكك إلى جزيئات أصغر، وفقًا لنظرية رايلي16. في الوقت نفسه، يتسبب المجال الكهربائي القوي في انقسام بعض جزيئات الماء وتجريدها من الإلكترونات (التأين)، مما يؤدي إلى توليد كمية كبيرة من أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS)17. تم تغليف حزم ROS18 المولدة في وقت واحد في EWNS (الشكل 1ج).
يوضح الشكل 2أ نظام توليد EWNS المُطور والمُستخدم في تخليق EWNS في هذه الدراسة. تم تغذية الماء المُنقى المُخزن في زجاجة مُغلقة عبر أنبوب تفلون (قطره الداخلي 2 مم) إلى إبرة من الفولاذ المقاوم للصدأ 30G (أنبوب شعري معدني). كما هو موضح في الشكل 2ب، يتم التحكم في تدفق الماء بواسطة ضغط الهواء داخل الزجاجة. الإبرة مُثبتة على وحدة تحكم تفلون يُمكن ضبطها يدويًا على مسافة مُعينة من القطب المُضاد. القطب المُضاد عبارة عن قرص من الألومنيوم المُصقول به ثقب في المنتصف لأخذ العينات. أسفل القطب المُضاد يوجد قمع أخذ عينات من الألومنيوم، وهو مُتصل ببقية الجهاز التجريبي عبر منفذ أخذ عينات (الشكل 2ب). جميع مُكونات جهاز أخذ العينات مُؤرضة كهربائيًا لتجنب تراكم الشحنات التي قد تُؤدي إلى تدهور أخذ عينات الجسيمات.
(أ) نظام توليد البنية النانوية للمياه (EWNS). (ب) مقطع عرضي لوحدة أخذ العينات والرش الكهربائي يوضح أهم المعلمات. (ج) الإعداد التجريبي لتعطيل البكتيريا.
نظام توليد EWNS الموصوف أعلاه قادر على تغيير معلمات التشغيل الرئيسية لتسهيل الضبط الدقيق لخصائص EWNS. اضبط الجهد المطبق (فولت)، والمسافة بين الإبرة والقطب المضاد (لتر)، وتدفق الماء (φ) عبر الأنبوب الشعري لضبط خصائص EWNS بدقة. تُستخدم الرموز [فولت (كيلوفولت)، لتر (سم)] للدلالة على توليفات مختلفة. اضبط تدفق الماء للحصول على مخروط تايلور مستقر لمجموعة معينة [فولت، لتر]. لأغراض هذه الدراسة، تم ضبط فتحة القطب المضاد (D) على 0.5 بوصة (1.29 سم).
بسبب محدودية الهندسة وعدم التماثل، لا يمكن حساب شدة المجال الكهربائي من المبادئ الأولية. بدلاً من ذلك، استُخدم برنامج QuickField™ (سفينبورغ، الدنمارك)19 لحساب المجال الكهربائي. وبما أن المجال الكهربائي غير منتظم، فقد استُخدمت قيمة المجال الكهربائي عند طرف الأنبوب الشعري كقيمة مرجعية لمختلف التكوينات.
خلال الدراسة، تم تقييم عدة توليفات للجهد والمسافة بين الإبرة والقطب المضاد من حيث تكوين مخروط تايلور، واستقراره، واستقرار إنتاج EWNS، وإمكانية إعادة الإنتاج. وتوضح الجدول التكميلي S1 توليفات مختلفة.
تم توصيل مخرج نظام توليد EWNS مباشرةً بجهاز قياس الجسيمات بالمسح والحركة (SMPS، طراز 3936، TSI، شوريفيو، مينيسوتا) لقياس تركيز عدد الجسيمات، واستُخدم مع مقياس كهربائي للهباء الجوي فاراداي (TSI، طراز 3068B، شوريفيو، الولايات المتحدة الأمريكية). MN) لقياس تدفقات الهباء الجوي، كما هو موضح في منشورنا السابق. تم أخذ عينات من كلٍّ من SMPS ومقياس كهربائي للهباء الجوي بمعدل تدفق 0.5 لتر/دقيقة (إجمالي تدفق العينة 1 لتر/دقيقة). تم قياس تركيزات الجسيمات وتدفقات الهباء الجوي لمدة 120 ثانية. كرر القياس 30 مرة. يتم حساب إجمالي شحنة الهباء الجوي من قياسات التيار، ويتم تقدير متوسط ​​شحنة EWNS من إجمالي عدد جسيمات EWNS المأخوذة من العينات. يمكن حساب متوسط ​​تكلفة EWNS باستخدام المعادلة (1):
حيث IEl هو التيار المقاس، وNSMPS هو تركيز العدد المقاس باستخدام SMPS، وφEl هو معدل التدفق إلى مقياس الكهرباء.
نظرًا لأن الرطوبة النسبية تؤثر على الشحنة السطحية، فقد تم الحفاظ على درجة الحرارة والرطوبة النسبية ثابتة عند 21 درجة مئوية و45٪ على التوالي أثناء التجربة.
استُخدمت مجهر القوة الذرية (AFM)، وجهاز Asylum MFP-3D (مركز Asylum للأبحاث، سانتا باربرا، كاليفورنيا)، ومسبار AC260T (أوليمبوس، طوكيو، اليابان) لقياس حجم وعمر EWNS. يبلغ معدل مسح AFM 1 هرتز، وتبلغ مساحة المسح 5 ميكرومتر × 5 ميكرومتر، مع 256 خط مسح. أُجريت محاذاة الصور من الدرجة الأولى باستخدام برنامج Asylum (قناع بمدى 100 نانومتر وعتبة 100 بيكومتر).
أزل قمع أخذ العينات وضع سطح الميكا على مسافة 2.0 سم من القطب المقابل لمدة متوسطة قدرها 120 ثانية لتجنب اندماج الجسيمات وتكوين قطرات غير منتظمة على سطح الميكا. وُضعت مادة EWNS مباشرةً على أسطح الميكا المقطوعة حديثًا (تيد بيلا، ريدينغ، كاليفورنيا). بعد الرش مباشرةً، تم تصوير سطح الميكا باستخدام مجهر القوة الذرية (AFM). زاوية تلامس سطح الميكا المقطوعة حديثًا وغير المعدلة قريبة من 0 درجة، لذا ينتشر EWNS على سطح الميكا بشكل مقبب20. قُيس قطر القطر (أ) وارتفاع القطر (ح) للقطرات المنتشرة مباشرةً من تضاريس مجهر القوة الذرية (AFM)، واستُخدما لحساب حجم الانتشار المقبب لـ EWNS باستخدام طريقتنا المُعتمدة سابقًا8. بافتراض أن حجم EVNS المدمج متساوٍ، يُمكن حساب القطر المكافئ من المعادلة (2):
وفقًا لطريقتنا المُطوّرة سابقًا، استُخدمت مصيدة رنين إلكتروني مغزلي (ESR) للكشف عن وجود وسطاء جذريين قصيري العمر في EWNS. مُرّرت الهباء الجوي عبر محلول يحتوي على 235 ملي مولار من DEPMPO (5-(ثنائي إيثوكسي فوسفوريل)-5-ميثيل-1-بيرولين-N-أكسيد) (شركة Oxis International Inc.، بورتلاند، أوريغون). أُجريت جميع قياسات EPR باستخدام مطياف Bruker EMX (شركة Bruker Instruments Inc.، بيليريكا، ماساتشوستس، الولايات المتحدة الأمريكية) ومصفوفات الخلايا المسطحة. استُخدم برنامج Acquisit (شركة Bruker Instruments Inc.، بيليريكا، ماساتشوستس، الولايات المتحدة الأمريكية) لجمع البيانات وتحليلها. أُجري توصيف أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) فقط لمجموعة من ظروف التشغيل [-6.5 كيلو فولت، 4.0 سم]. قُيست تركيزات EWNS باستخدام SMPS بعد مراعاة فقدان EWNS في الجسم المُصطدم.
تم مراقبة مستويات الأوزون باستخدام جهاز مراقبة الأوزون ثنائي الشعاع 205™ (2B Technologies، بولدر، كولورادو)8,9,10.
لجميع خصائص EWNS، قيمة القياس هي متوسط ​​القياسات، وخطأ القياس هو الانحراف المعياري. أُجري اختبار t لمقارنة قيمة سمة EWNS المُحسّنة بالقيمة المقابلة لها في EWNS الأساسية.
يوضح الشكل 2 ج نظام مرور الترسيب الكهروستاتيكي (EPES) الذي تم تطويره وتوصيفه مسبقًا والذي يمكن استخدامه لاستهداف EWNS11 على الأسطح. يستخدم EPES شحنة EWNS مع مجال كهربائي قوي "للتوجيه" مباشرة إلى سطح الهدف. تم تقديم تفاصيل نظام EPES في منشور حديث لـ Pyrgiotakis et al.11. وبالتالي، يتكون EPES من غرفة PVC مطبوعة ثلاثية الأبعاد ذات أطراف مدببة تحتوي على لوحين معدنيين متوازيين من الفولاذ المقاوم للصدأ (الفولاذ المقاوم للصدأ 304، مصقول بالمرآة) في المنتصف بمسافة 15.24 سم. تم توصيل الألواح بمصدر جهد عالي خارجي (Bertran 205B-10R، Spellman، Hauppauge، NY)، وكان اللوح السفلي موجبًا دائمًا واللوح العلوي مؤرضًا دائمًا (عائمًا). جدران الغرفة مغطاة بورق ألومنيوم مؤرض كهربائيًا لمنع فقدان الجسيمات. تحتوي الغرفة على باب تحميل أمامي مغلق يسمح بوضع أسطح الاختبار على رفوف بلاستيكية، ورفعها عن اللوحة المعدنية السفلية لتجنب تداخل الجهد العالي.
تم حساب كفاءة ترسيب EWNS في EPES وفقًا لبروتوكول تم تطويره مسبقًا ومفصل في الشكل التكميلي S111.
كغرفة تحكم، يتصل التدفق الثاني عبر الغرفة الأسطوانية على التوالي بنظام EPES باستخدام مرشح HEPA وسيط لإزالة جزيئات الغبار المتطايرة. كما هو موضح في الشكل 2ج، تم ضخ رذاذ EWNS عبر غرفتين متصلتين على التوالي. يزيل المرشح الموجود بين غرفة التحكم ونظام EPES أي جزيئات غبار متطايرة متبقية، مما يؤدي إلى نفس درجة الحرارة (T) والرطوبة النسبية (RH) ومستويات الأوزون.
تم العثور على كائنات دقيقة مهمة منقولة بالغذاء تلوث المنتجات الطازجة مثل Escherichia coli (ATCC #27325)، وهو مؤشر برازي، وSalmonella enterica (ATCC #53647)، وهو ممرض منقول بالغذاء، وListeria innocua (ATCC #33090)، وهو بديل لبكتيريا Listeria monocytogenes المسببة للأمراض. وSaccharomyces cerevisiae (ATCC #4098) كبديل لخميرة التلف، وMycobacterium parafortuitous (ATCC #19686) كبكتيريا حية أكثر مقاومة تم شراؤها من ATCC (ماناساس، فيرجينيا).
اشترِ صناديق طماطم عنب عضوية عشوائيًا من السوق المحلي، وضعها في الثلاجة على درجة حرارة ٤ درجات مئوية حتى الاستخدام (لمدة تصل إلى ٣ أيام). اختر طماطمًا للتجربة بحجم واحد، قطره حوالي نصف بوصة.
تم تفصيل بروتوكولات الحضانة والتلقيح والتعرض وعدّ المستعمرات في منشوراتنا السابقة، وشُرحت بالتفصيل في البيانات التكميلية 11. تم تقييم أداء نظام EWNS بتعريض الطماطم الملقحة لـ 40,000 #/سم3 لمدة 45 دقيقة. باختصار، عند الدقيقة t = 0، استُخدمت ثلاث طماطم لتقييم الكائنات الحية الدقيقة الباقية. وُضعت ثلاث طماطم في EPES وعُرّضت لـ EWNS بتركيز 40,000 #/سم3 (طماطم مُعرّضة لـ EWNS)، ووُضعت ثلاث طماطم أخرى في حجرة التحكم (طماطم مُراقبة). لم تخضع أي من مجموعات الطماطم لأي معالجة إضافية. أُزيلت الطماطم المُعرّضة لـ EWNS ومجموعات التحكم بعد 45 دقيقة لتقييم تأثير EWNS.
أُجريت كل تجربة على ثلاث نسخ. حُلّلت البيانات وفقًا للبروتوكول الموضح في البيانات التكميلية.
تم ترسيب عينات بكتيريا الإشريكية القولونية، والإنتروباكتر، واللامانية الإينوكوا، المعرضة لـ EWNS (45 دقيقة، تركيز رذاذ EWNS 40,000 #/سم3) وغير المعرضة، لتقييم آليات التعطيل. ثُبّت الراسب لمدة ساعتين في درجة حرارة الغرفة في محلول كاكوديلات الصوديوم 0.1 مولار (درجة حموضة 7.4) مع مثبت مكون من 2.5% غلوتارالدهيد، و1.25% بارافورمالدهيد، و0.03% حمض البيكريك. بعد الغسل، ثُبّتت بـ 1% رباعي أكسيد الأوزميوم (OsO4)/1.5% فيروسيانيد البوتاسيوم (KFeCN6) لمدة ساعتين، ثم غُسلت ثلاث مرات بالماء، وحُضّنت في 1% أسيتات اليورانيل لمدة ساعة، ثم غُسلت مرتين بالماء. بعد ذلك، جُفِّفت العينات لمدة عشر دقائق باستخدام كحول بتركيزات 50%، 70%، 90%، و100%. ثم وُضِعت العينات في أكسيد البروبيلين لمدة ساعة، وشُرِّبت بمزيج واحد:1 من أكسيد البروبيلين وإيبون TAAP (شركة ماريفاك كندا، سانت لوران، كاليفورنيا). ثُبِّتَت العينات في إبون TAAB، وبلمرت عند درجة حرارة 60 درجة مئوية لمدة 48 ساعة. قُطِّع الراتنج الحبيبي المُعالَج، وحُدِّدَت صورته بواسطة المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) باستخدام مجهر JEOL 1200EX (شركة JEOL، طوكيو، اليابان)، وهو مجهر إلكتروني تقليدي ناقل مُزوَّد بكاميرا AMT 2k CCD (شركة تقنيات المجهر المتقدمة، ووبرن، ماساتشوستس، الولايات المتحدة الأمريكية).
أُجريت جميع التجارب ثلاث مرات. لكل نقطة زمنية، وُضعت غسالات بكتيرية ثلاث مرات، مما أسفر عن تسع نقاط بيانات لكل نقطة، استُخدم متوسطها لتركيز البكتيريا في ذلك الكائن الحي. واستُخدم الانحراف المعياري كخطأ القياس. جميع النقاط تُحتسب.
تم حساب لوغاريتم الانخفاض في تركيز البكتيريا مقارنة بـ t = 0 دقيقة باستخدام الصيغة التالية:
حيث أن C0 هو تركيز البكتيريا في العينة الضابطة في الوقت 0 (أي بعد أن يجف السطح ولكن قبل وضعها في الحجرة) و Cn هو تركيز البكتيريا على السطح بعد n دقيقة من التعرض.
ولمعالجة التحلل الطبيعي للبكتيريا خلال فترة التعرض التي تبلغ 45 دقيقة، تم حساب معدل الاختزال اللوغاريتمي أيضًا مقارنةً بالمجموعة الضابطة عند 45 دقيقة على النحو التالي:
حيث Cn هو تركيز البكتيريا في عينة الضبط عند الوقت n، وCn-Control هو تركيز بكتيريا الضبط عند الوقت n. تُعرض البيانات كاختزال لوغاريتمي مقارنةً بعينة الضبط (بدون التعرض لـ EWNS).
خلال الدراسة، تم تقييم عدة تركيبات للجهد والمسافة بين الإبرة والقطب المضاد من حيث تكوين مخروط تايلور، واستقرار مخروط تايلور، واستقرار إنتاج EWNS، وقابلية التكرار. تظهر التركيبات المختلفة في الجدول التكميلي S1. تم اختيار حالتين لدراسة كاملة تُظهر خصائص مستقرة وقابلة للتكرار (مخروط تايلور، وإنتاج EWNS، والاستقرار بمرور الوقت). يوضح الشكل 3 النتائج المتعلقة بشحنة وحجم ومحتوى ROS لحالتين. كما تم تلخيص النتائج في الجدول 1. كمرجع، يتضمن الشكل 3 والجدول 1 خصائص EWNS غير المُحسّنة التي تم تصنيعها سابقًا8، 9، 10، 11 (خط الأساس-EWNS). أعيد نشر حسابات الدلالة الإحصائية باستخدام اختبار t ثنائي الذيل في الجدول التكميلي S2. بالإضافة إلى ذلك، تتضمن البيانات الإضافية دراسات حول تأثير قطر ثقب أخذ العينات من القطب المضاد (D) والمسافة بين القطب الأرضي وطرف الإبرة (L) (الأشكال التكميلية S2 وS3).
(أ-ج) توزيع حجم AFM. (د-و) خصائص الشحنة السطحية. (ز) توصيف ROS وESR.
من المهم أيضًا ملاحظة أنه في جميع الظروف المذكورة أعلاه، تراوحت تيارات التأين المقاسة بين 2 و6 ميكرو أمبير، وتراوحت الفولتية بين -3.8 و-6.5 كيلو فولت، مما أدى إلى استهلاك طاقة أقل من 50 مللي واط لوحدة توليد الطاقة أحادية الطرف هذه. على الرغم من تصنيع EWNS تحت ضغط عالٍ، إلا أن مستويات الأوزون كانت منخفضة جدًا، ولم تتجاوز 60 جزءًا في المليار.
يوضح الشكل التكميلي S4 المجالات الكهربائية المُحاكية لسيناريوهي [-6.5 كيلو فولت، 4.0 سم] و[-3.8 كيلو فولت، 0.5 سم] على التوالي. حُسبت المجالات وفقًا للسيناريوهين [-6.5 كيلو فولت، 4.0 سم] و[-3.8 كيلو فولت، 0.5 سم] على أنها 2 × 105 فولت/متر و4.7 × 105 فولت/متر على التوالي. وهذا أمر متوقع، لأن نسبة الجهد إلى المسافة أعلى بكثير في الحالة الثانية.
يوضح الشكلان 3أ، ب قطر شبكة الألياف البصرية المعززة (EWNS) المُقاس باستخدام مجهر القوة الذرية (AFM8). حُسب متوسط ​​أقطار شبكة الألياف البصرية المعززة (EWNS) في حالتي [-6.5 كيلو فولت، 4.0 سم] و[-3.8 كيلو فولت، 0.5 سم] على أنه 27 نانومتر و19 نانومتر على التوالي. تبلغ الانحرافات المعيارية الهندسية لتوزيعات الحالات [-6.5 كيلو فولت، 4.0 سم] و[-3.8 كيلو فولت، 0.5 سم] 1.41 و1.45 على التوالي، مما يشير إلى توزيع ضيق للحجم. ويقترب كل من متوسط ​​الحجم والانحراف المعياري الهندسي من قيمة شبكة الألياف البصرية المعززة الأساسية، وهما 25 نانومتر و1.41 على التوالي. يوضح الشكل 3ج توزيع حجم شبكة الألياف البصرية المعززة الأساسية المُقاسة باستخدام نفس الطريقة وفي نفس الظروف.
يوضح الشكل 3د، هـ نتائج توصيف الشحنة. البيانات عبارة عن متوسط ​​قياسات لـ 30 قياسًا متزامنًا للتركيز (عدد/سم3) والتيار (I). يُظهر التحليل أن متوسط ​​الشحنة على EWNS هو 22 ± 6 e- و44 ± 6 e- عند [-6.5 كيلو فولت، 4.0 سم] و[-3.8 كيلو فولت، 0.5 سم] على التوالي. بالمقارنة مع Baseline-EWNS (10 ± 2 e-)، فإن شحنتها السطحية أعلى بكثير، أي ضعف شحنة سيناريو [-6.5 كيلو فولت، 4.0 سم] وأربعة أضعاف شحنة سيناريو [-3.8 كيلو فولت، 0.5 سم]. يوضح الشكل 3و بيانات دفع EWNS الأساسية.
من خرائط تركيز عدد الجسيمات في نظام EWNS (الشكلان التكميليان S5 وS6)، يتضح أن المشهد [-6.5 كيلو فولت، 4.0 سم] يحتوي على عدد جسيمات أعلى بكثير من المشهد [-3.8 كيلو فولت، 0.5 سم]. تجدر الإشارة أيضًا إلى أن تركيزات عدد الجسيمات في نظام EWNS رُصدت لمدة تصل إلى 4 ساعات (الشكلان التكميليان S5 وS6)، حيث أظهر استقرار توليد نظام EWNS نفس مستويات تركيز عدد الجسيمات في كلتا الحالتين.
يوضح الشكل 3ز طيف EPR بعد طرح التحكم (الخلفية) لـ EWNS المُحسّن عند [-6.5 كيلو فولت، 4.0 سم]. كما قورن طيف ROS بخط الأساس لـ EWNS في ورقة بحثية منشورة سابقًا. العدد المحسوب لـ EWNS المتفاعلة مع مصيدة الدوران هو 7.5 × 104 EWNS/s، وهو مشابه لخط الأساس المنشور سابقًا-EWNS8. أشارت أطياف EPR بوضوح إلى وجود نوعين من ROS، حيث غلب O2-، بينما كان OH• موجودًا بكمية أقل. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت المقارنة المباشرة لشدات الذروة أن EWNS المُحسّن يحتوي على محتوى ROS أعلى بكثير مقارنةً بخط الأساس لـ EWNS.
يوضح الشكل 4 كفاءة ترسيب EWNS في EPES. كما تم تلخيص البيانات في الجدول 1 ومقارنتها ببيانات EWNS الأصلية. في كلتا حالتي EUNS، كانت نسبة الترسيب قريبة من 100% حتى عند جهد منخفض قدره 3.0 كيلو فولت. عادةً، تكفي 3.0 كيلو فولت لتحقيق ترسيب 100% بغض النظر عن تغير الشحنة السطحية. في نفس الظروف، بلغت كفاءة ترسيب Baseline-EWNS 56% فقط بسبب انخفاض الشحنة (بمتوسط ​​10 إلكترونات لكل EWNS).
يُلخص الشكل 5 والجدول 2 درجة تعطيل الكائنات الدقيقة المُلقحة على سطح الطماطم بعد تعرضها لحوالي 40,000 #/سم3 من EWNS لمدة 45 دقيقة في السيناريو الأمثل [-6.5 كيلو فولت، 4.0 سم]. أظهرت الإشريكية القولونية واللامانية الإينوكوا المُلقحتان انخفاضًا ملحوظًا بلغ 3.8 لوغاريتم بعد 45 دقيقة من التعرض. وفي ظل الظروف نفسها، أظهرت S. enterica انخفاضًا أقل بلغ 2.2 لوغاريتم، بينما أظهرت S. cerevisiae وM. parafortuitum انخفاضًا بلغ 1.0 لوغاريتم.
صور مجهرية إلكترونية (الشكل 6) تُظهر التغيرات الفيزيائية التي يُحدثها EWNS في خلايا الإشريكية القولونية والسالمونيلا المعوية واللامانية الإينوكوا، مما يؤدي إلى تعطيلها. أظهرت البكتيريا الضابطة أغشية خلوية سليمة، بينما أظهرت البكتيريا المعرضة أغشية خارجية تالفة.
أظهر التصوير المجهري الإلكتروني للبكتيريا المعرضة للخطر والضبابية تلفًا في الغشاء.
تُظهر البيانات المتعلقة بالخصائص الفيزيائية والكيميائية لـ EWNS المُحسّنة، مجتمعةً، أن خصائص EWNS (الشحنة السطحية ومحتوى ROS) قد تحسّنت بشكل ملحوظ مقارنةً ببيانات EWNS الأساسية المنشورة سابقًا8،9،10،11. من ناحية أخرى، ظل حجمها في نطاق النانومتر، وهو ما يُشبه إلى حد كبير النتائج المنشورة سابقًا، مما يسمح لها بالبقاء في الهواء لفترة طويلة. يمكن تفسير تعدد التشتت المُلاحظ بالتغيرات في الشحنة السطحية، والتي تُحدد حجم تأثير رايلي، والعشوائية، واندماج EWNS المُحتمل. ومع ذلك، وكما أوضح نيلسن وآخرون22، فإن الشحنة السطحية العالية تُقلل من التبخر عن طريق زيادة طاقة/توتر سطح قطرة الماء بشكل فعال. وقد تم تأكيد هذه النظرية تجريبيًا للقطرات الدقيقة22 وEWNS في منشورنا السابق8. يُمكن أن يؤثر فقدان الوقت الإضافي أيضًا على الحجم ويُساهم في توزيع الحجم المُلاحظ.
بالإضافة إلى ذلك، تتراوح شحنة كل بنية بين 22 و44 إلكترون-، حسب الظروف، وهي أعلى بكثير مقارنةً بـ EWNS الأساسي، الذي يبلغ متوسط ​​شحنته 10 ± 2 إلكترون لكل بنية. مع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن هذه هي متوسط ​​شحنة EWNS. سيتو وآخرون. وقد تبين أن الشحنة غير منتظمة وتتبع توزيعًا لوغاريتميًا طبيعيًا21. وبالمقارنة مع عملنا السابق، فإن مضاعفة شحنة السطح تُضاعف كفاءة الترسيب في نظام EPES إلى ما يقرب من 100%11.