Дзякуй за наведванне сайта Nature.com. Версія браўзера, якой вы карыстаецеся, мае абмежаваную падтрымку CSS. Для найлепшага карыстання рэкамендуем выкарыстоўваць абноўлены браўзер (або адключыць рэжым сумяшчальнасці ў Internet Explorer). Тым часам, каб забяспечыць бесперапынную падтрымку, мы будзем адлюстроўваць сайт без стыляў і JavaScript.
Карусель, якая паказвае тры слайды адначасова. Выкарыстоўвайце кнопкі «Папярэдні» і «Наступны», каб перамяшчацца паміж трыма слайдамі адначасова, або выкарыстоўвайце кнопкі-паўзункі ў канцы, каб перамяшчацца паміж трыма слайдамі адначасова.
Нядаўна была распрацавана антымікробная платформа без хімікатаў, заснаваная на нанатэхналогіях з выкарыстаннем штучных нанаструктур вады (ШВВ). ШВВ маюць высокі павярхоўны зарад і насычаны актыўнымі формамі кіслароду (АФК), якія могуць узаемадзейнічаць і інактываваць шэраг мікраарганізмаў, у тым ліку харчовыя патагены. Тут паказана, што іх уласцівасці падчас сінтэзу можна дакладна рэгуляваць і аптымізаваць для далейшага павышэння іх антыбактэрыйнага патэнцыялу. Лабараторная платформа ШВВ была распрацавана для дакладнай рэгулявання ўласцівасцей ШВВ шляхам змены параметраў сінтэзу. Характарыстыка ўласцівасцей ШВВ (зарад, памер і ўтрыманне АФК) з выкарыстаннем сучасных аналітычных метадаў. Акрамя таго, яны былі ацэнены на прадмет іх патэнцыялу мікробнай інактывацыі супраць харчовых мікраарганізмаў, такіх як Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocuous, Mycobacterium paraaccidentum і Saccharomyces cerevisiae. Вынікі, прадстаўленыя тут, дэманструюць, што ўласцівасці ШВВ можна дакладна рэгуляваць падчас сінтэзу, што прыводзіць да экспанентнага павелічэння эфектыўнасці інактывацыі. У прыватнасці, павярхоўны зарад павялічыўся ў чатыры разы, а колькасць актыўных формаў кіслароду павялічылася. Хуткасць выдалення мікробаў залежала ад мікробнай актыўнасці і вагалася ад 1,0 да 3,8 log пасля 45-хвіліннага ўздзеяння аэразольнай дозы 40 000 #/куб. см EWNS.
Мікробнае забруджванне з'яўляецца асноўнай прычынай харчовых захворванняў, выкліканых трапленнем у арганізм патагенаў або іх таксінаў. Толькі ў Злучаных Штатах харчовыя захворванні штогод выклікаюць каля 76 мільёнаў захворванняў, 325 000 шпіталізацый і 5000 смерцяў1. Акрамя таго, Міністэрства сельскай гаспадаркі ЗША (USDA) падлічыла, што павелічэнне спажывання свежых прадуктаў з'яўляецца прычынай 48% усіх зарэгістраваных харчовых захворванняў у Злучаных Штатах2. Выдаткі на хваробы і смерць, выкліканыя харчовымі патагенамі, у Злучаных Штатах вельмі высокія і, паводле ацэнак Цэнтраў па кантролі і прафілактыцы захворванняў (CDC), складаюць больш чым 15,6 мільярда долараў ЗША ў год3.
У цяперашні час хімічныя4, радыяцыйныя5 і тэрмічныя6 антымікробныя ўмяшанні для забеспячэння бяспекі харчовых прадуктаў у асноўным праводзяцца ў абмежаваных крытычных кантрольных кропках (ККТ) уздоўж вытворчага ланцужка (звычайна пасля збору ўраджаю і/або падчас упакоўкі), а не бесперапынна. Такім чынам, яны схільныя да перакрыжаванага забруджвання. 7. Для лепшага кантролю харчовых захворванняў і псуты прадуктаў харчавання патрабуюцца антымікробныя ўмяшанні, якія патэнцыйна можна ўжываць на ўсім шляху «ад фермы да стала», адначасова зніжаючы ўздзеянне на навакольнае асяроддзе і выдаткі.
Нядаўна была распрацавана антымікробная платформа на аснове нанатэхналогій, якая не ўтрымлівае хімічных рэчываў і можа інактываваць паверхневыя і паветраныя бактэрыі з дапамогай штучных водных нанаструктур (ШВН). ШВН былі сінтэзаваны з выкарыстаннем двух паралельных працэсаў: электрараспылення і іанізацыі вады (мал. 1a). Папярэднія даследаванні паказалі, што ШВН маюць унікальны набор фізічных і біялагічных уласцівасцей8,9,10. ШВН маюць у сярэднім 10 электронаў на структуру і сярэдні нанамаштабны памер 25 нм (мал. 1b,c)8,9,10. Акрамя таго, электронны спінавы рэзананс (ЭСР) паказаў, што ШВН утрымліваюць вялікую колькасць актыўных формаў кіслароду (АФК), галоўным чынам гідраксільных (OH•) і супераксідных (O2-) радыкалаў (мал. 1c)8. ШВН знаходзяцца ў паветры працяглы час і могуць сутыкацца з мікраарганізмамі, якія знаходзяцца ў паветры і прысутнічаюць на паверхні, дастаўляючы сваю карысную нагрузку АФК і выклікаючы інактывацыю мікраарганізмаў (мал. 1d). Гэтыя раннія даследаванні таксама паказалі, што EWNS могуць узаемадзейнічаць і інактываваць розныя грам-адмоўныя і грам-станоўчыя бактэрыі, у тым ліку мікабактэрыі, на паверхнях і ў паветры. Прасвечвальная электронная мікраскапія паказала, што інактывацыя была выклікана парушэннем клеткавай мембраны. Акрамя таго, даследаванні вострай інгаляцыі паказалі, што высокія дозы EWNS не выклікаюць пашкоджання лёгкіх або запалення8.
(a) Электрараспыленне адбываецца, калі высокае напружанне прыкладаецца паміж капілярнай трубкай, якая змяшчае вадкасць, і проціэлектродам. (b) Прыкладанне высокага ціску прыводзіць да двух розных з'яў: (i) электрараспылення вады і (ii) утварэння актыўных формаў кіслароду (іёнаў), якія захопліваюцца ў EWNS. (c) Унікальная структура EWNS. (d) Дзякуючы сваёй нанамаштабнай прыродзе EWNS вельмі мабільныя і могуць узаемадзейнічаць з патагенамі, якія перадаюцца па паветры.
Нядаўна была прадэманстравана здольнасць антымікробнай платформы EWNS інактываваць харчовыя мікраарганізмы на паверхні свежых прадуктаў. Таксама было паказана, што павярхоўны зарад EWNS у спалучэнні з электрычным полем можа быць выкарыстаны для дасягнення мэтанакіраванай дастаўкі. Больш за тое, папярэднія вынікі для арганічных памідораў пасля 90-хвіліннага ўздзеяння пры EWNS каля 50 000 #/см3 былі абнадзейлівымі, прычым назіраліся розныя харчовыя мікраарганізмы, такія як кішачная палачка і Listeria 11. Акрамя таго, папярэднія арганалептычныя выпрабаванні не паказалі сэнсарных эфектаў у параўнанні з кантрольнымі памідорамі. Нягледзячы на ​​тое, што гэтыя пачатковыя вынікі інактывацыі абнадзейваюць для прымянення ў галіне бяспекі харчовых прадуктаў нават пры вельмі нізкіх дозах EWNS 50 000 #/см³, відавочна, што больш высокі патэнцыял інактывацыі быў бы больш карысным для далейшага зніжэння рызыкі інфекцыі і псавання.
Тут мы засяродзім нашы даследаванні на распрацоўцы платформы генерацыі EWNS, якая дазволіць тонкую наладу параметраў сінтэзу і аптымізацыю фізіка-хімічных уласцівасцей EWNS для павышэння іх антыбактэрыйнага патэнцыялу. У прыватнасці, аптымізацыя была сканцэнтравана на павелічэнні іх паверхневага зарада (для паляпшэння мэтанакіраванай дастаўкі) і ўтрымання АФК (для павышэння эфектыўнасці інактывацыі). Ахарактарызаваць аптымізаваныя фізіка-хімічныя ўласцівасці (памер, зарад і ўтрыманне АФК) з выкарыстаннем сучасных аналітычных метадаў і выкарыстання распаўсюджаных харчовых мікраарганізмаў, такіх як E.
EVNS быў сінтэзаваны шляхам адначасовага электрараспылення і іанізацыі вады высокай чысціні (18 МОм см–1). Электрычны небулайзер 12 звычайна выкарыстоўваецца для распылення вадкасцей і сінтэзу палімерных і керамічных часціц 13 і валокнаў 14 кантраляванага памеру.
Як падрабязна апісана ў папярэдніх публікацыях 8, 9, 10, 11, у тыповым эксперыменце высокае напружанне прыкладалася паміж металічным капілярам і заземленым проціэлектродам. Падчас гэтага працэсу адбываюцца дзве розныя з'явы: i) электрараспыленне і ii) іанізацыя вады. Моцнае электрычнае поле паміж двума электродамі прыводзіць да назапашвання адмоўных зарадаў на паверхні кандэнсаванай вады, што прыводзіць да ўтварэння конусаў Тэйлара. У выніку ўтвараюцца высоказараджаныя кроплі вады, якія працягваюць распадацца на больш дробныя часціцы, як у тэорыі Рэлея16. У той жа час моцныя электрычныя палі прымушаюць некаторыя малекулы вады расшчапляцца і адрываць электроны (іянізаваць), што прыводзіць да ўтварэння вялікай колькасці актыўных формаў кіслароду (АФК)17. Адначасова згенераваная АФК18 была інкапсулявана ў EWNS (мал. 1c).
На мал. 2а паказана сістэма генерацыі EWNS, распрацаваная і выкарыстаная ў сінтэзе EWNS у гэтым даследаванні. Ачышчаная вада, якая захоўвалася ў закрытай бутэльцы, падавалася праз тэфлоновую трубку (унутраны дыяметр 2 мм) у іголку з нержавеючай сталі 30G (металічны капіляр). Паток вады кантралюецца ціскам паветра ўнутры бутэлькі, як паказана на мал. 2b. Іголка ўсталявана на тэфлонавай кансолі і можа быць уручную адрэгулявана на пэўную адлегласць ад супрацьэлектрода. Супрацьэлектрод уяўляе сабой паліраваны алюмініевы дыск з адтулінай у цэнтры для адбору проб. Пад супрацьэлектродам знаходзіцца алюмініевая варонка для адбору проб, якая злучана з астатняй часткай эксперыментальнай устаноўкі праз порт для адбору проб (мал. 2b). Каб пазбегнуць назапашвання зарада, які можа парушыць працу пробоадборніка, усе кампаненты пробоадборніка электрычна зазямлены.
(a) Інжынерная сістэма генерацыі нанаструктур вады (EWNS). (b) Папярочны разрэз пробоадборніка і электрараспылення з паказам найважнейшых параметраў. (c) Эксперыментальная ўстаноўка для інактывацыі бактэрый.
Вышэйапісаная сістэма генерацыі EWNS здольная змяняць ключавыя рабочыя параметры для палягчэння тонкай налады ўласцівасцей EWNS. Адрэгулюйце прыкладзенае напружанне (V), адлегласць паміж іголкай і супрацьэлектродам (L) і паток вады (φ) праз капіляр для тонкай налады характарыстык EWNS. Сімвал, які выкарыстоўваецца для абазначэння розных камбінацый: [V (кВ), L (см)]. Адрэгулюйце паток вады, каб атрымаць стабільны конус Тэйлара пэўнага набору [V, L]. Для мэт гэтага даследавання дыяметр адтуліны супрацьэлектрода (D) падтрымліваўся на ўзроўні 0,5 цалі (1,29 см).
З-за абмежаванай геаметрыі і асіметрыі напружанасць электрычнага поля немагчыма разлічыць з першых прынцыпаў. Замест гэтага для разліку электрычнага поля выкарыстоўвалася праграмнае забеспячэнне QuickField™ (Свендборг, Данія)19. Электрычнае поле неаднастайнае, таму значэнне электрычнага поля на кончыку капіляра выкарыстоўвалася ў якасці эталоннага значэння для розных канфігурацый.
Падчас даследавання былі ацэнены некалькі камбінацый напружання і адлегласці паміж іголкай і супрацьэлектродам з пункту гледжання ўтварэння конуса Тэйлара, стабільнасці конуса Тэйлара, стабільнасці вытворчасці EWNS і ўзнаўляльнасці. Розныя камбінацыі паказаны ў дадатковай табліцы S1.
Выхад сістэмы генерацыі EWNS быў падключаны непасрэдна да аналізатара памеру часціц Scanning Mobility Particle Size Analyzer (SMPS, мадэль 3936, TSI, Шорвью, Мінесота) для вымярэння канцэнтрацыі колькасці часціц, а таксама да аэразольнага электраметра Фарадэя (TSI, мадэль 3068B, Шорвью, Мінесота). Вымярэнне аэразольных токаў праводзілася, як апісана ў нашай папярэдняй публікацыі. Як SMPS, так і аэразольны электраметр адбіралі пробы з хуткасцю патоку 0,5 л/мін (агульны паток пробы 1 л/мін). Канцэнтрацыя колькасці часціц і паток аэразолю вымяраліся на працягу 120 секунд. Вымярэнне паўтараецца 30 разоў. На падставе вымярэнняў току разлічваецца агульны зарад аэразолю і ацэньваецца сярэдні зарад EWNS для зададзенай агульнай колькасці выбраных часціц EWNS. Сярэдні кошт EWNS можна разлічыць з дапамогай ураўнення (1):
дзе IEl — вымераны ток, NSMPS — лічбавая канцэнтрацыя, вымераная з дапамогай SMPS, а φEl — хуткасць патоку на электраметр.
Паколькі адносная вільготнасць (RH) уплывае на павярхоўны зарад, тэмпература і (RH) падтрымліваліся пастаяннымі падчас эксперыменту на ўзроўні 21°C і 45% адпаведна.
Для вымярэння памеру і часу жыцця EWNS выкарыстоўваліся атамна-сілавая мікраскапія (АСМ), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Санта-Барбара, Каліфорнія) і зонд AC260T (Olympus, Токіо, Японія). Частата сканавання АСМ складала 1 Гц, плошча сканавання — 5 мкм × 5 мкм, а колькасць радкоў сканавання — 256. Усе выявы былі падвергнуты выраўноўванню выяваў 1-га парадку з выкарыстаннем праграмнага забеспячэння Asylum (дыяпазон маскі 100 нм, парог 100 пм).
Выпрабавальную варонку выдалілі, а паверхню слюды размясцілі на адлегласці 2,0 см ад супрацьэлектрода на працягу сярэдняга часу 120 секунд, каб пазбегнуць агламерацыі часціц і ўтварэння няроўных кропель на паверхні слюды. Распыленне на паверхню свежаразрэзанай слюды (Тэд Пела, Рэдынг, Каліфорнія). Выява паверхні слюды адразу пасля распылення АСМ. Кут змочвання паверхні свежаразрэзанай немадыфікаванай слюды блізкі да 0°, таму распыленне на паверхні слюды размеркавана ў выглядзе купала. Дыяметр (a) і вышыня (h) дыфузійных кропель былі вымераны непасрэдна па тапаграфіі АСМ і выкарыстаны для разліку купалападобнага дыфузійнага аб'ёму АСМ з выкарыстаннем нашага раней праверанага метаду. Калі выказаць здагадку, што ўбудаваныя АСМ маюць аднолькавы аб'ём, эквівалентны дыяметр можна разлічыць з дапамогай ураўнення (2):
На падставе нашага раней распрацаванага метаду для выяўлення наяўнасці кароткажывучых радыкальных прамежкавых прадуктаў у EWNS была выкарыстана спінавая пастка электроннага спін-рэзанансу (ESR). Аэразолі прапускалі праз барботаж Midget з дыяметрам валакна 650 мкм (Ace Glass, Vineland, NJ), які змяшчаў 235 мМ раствор DEPMPO(5-(дыэтоксифасфарыл)-5-метыл-1-піралін-N-аксіду) (Oxis International Inc.). Портленд, Арэгон. Усе вымярэнні ESR праводзіліся з выкарыстаннем спектрометра Bruker EMX (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, ЗША) і плоскапанэльнай ячэйкі. Для збору і аналізу дадзеных выкарыстоўвалася праграмнае забеспячэнне Acquisit (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, ЗША). Вызначэнне характарыстык ROS праводзілася толькі для набору рабочых умоў [-6,5 кВ, 4,0 см]. Канцэнтрацыі EWNS вымяраліся з дапамогай SMPS пасля ўліку страт EWNS ва ўдарніку.
Узровень азону кантраляваўся з дапамогай двухпрамянёвага азонавага манітора 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Боўлдэр, Каларада)8,9,10.
Для ўсіх уласцівасцей EWNS сярэдняе значэнне выкарыстоўваецца ў якасці вымяранага значэння, а стандартнае адхіленне — у якасці памылкі вымярэння. Для параўнання значэнняў аптымізаваных атрыбутаў EWNS з адпаведнымі значэннямі базавага EWNS былі праведзены t-тэсты.
На малюнку 2c паказана раней распрацаваная і характарызаваная сістэма «прыцягнення» электрастатычнага асаджэння (EPES), якая можа быць выкарыстана для мэтанакіраванай дастаўкі EWNS на паверхню. EPES выкарыстоўвае зарады EVNS, якія могуць быць «накіраваны» непасрэдна на паверхню мішэні пад уздзеяннем моцнага электрычнага поля. Падрабязнасці сістэмы EPES прадстаўлены ў нядаўняй публікацыі Піргіётакіса і інш. 11. Такім чынам, EPES складаецца з надрукаванай на 3D-прынтары камеры з ПВХ з канічнымі канцамі і змяшчае дзве паралельныя металічныя пласціны з нержавеючай сталі (нержавеючая сталь 304 з люстраным пакрыццём) у цэнтры на адлегласці 15,24 см адна ад адной. Платы былі падключаны да знешняй крыніцы высокага напружання (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY), ніжняя пласціна заўсёды была падключана да станоўчага напружання, а верхняя пласціна заўсёды была падключана да зямлі (плаваючая зямля). Сценкі камеры пакрытыя алюмініевай фальгой, якая электрычна зазямлена для прадухілення страты часціц. Камера мае герметычныя пярэднія загрузачныя дзверы, якія дазваляюць размяшчаць выпрабавальныя паверхні на пластыкавых падстаўках, якія падымаюць іх над ніжняй металічнай пласцінай, каб пазбегнуць перашкод высокага напружання.
Эфектыўнасць нанясення EWNS у EPES была разлічана ў адпаведнасці з раней распрацаваным пратаколам, падрабязна апісаным у Дадатковым малюнку S111.
У якасці кантрольнай камеры да сістэмы EPES была паслядоўна падключана другая цыліндрычная праточная камера, у якой для выдалення EWNS выкарыстоўваўся прамежкавы HEPA-фільтр. Як паказана на малюнку 2c, аэразоль EWNS прапампоўваўся праз дзве ўбудаваныя камеры. Фільтр паміж кантрольнай пакоем і EPES выдаляе любыя рэшткі EWNS, што прыводзіць да аднолькавай тэмпературы (T), адноснай вільготнасці (RH) і ўзроўню азону.
Было выяўлена, што важныя харчовыя мікраарганізмы забруджваюць свежыя прадукты, такія як E. coli (ATCC #27325), фекальны індыкатар, Salmonella enterica (ATCC #53647), харчовы патаген, Listeria insanity (ATCC #33090), сурагат патагеннай Listeria monocytogenes, атрыманы з ATCC (Манасас, Вірджынія), Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098), заменнік дрожджаў, якія выклікаюць псаванне, і больш устойлівая інактываваная бактэрыя Mycobacterium paralucky (ATCC #19686).
Купіце выпадковыя скрынкі арганічных вінаградных памідораў на мясцовым рынку і захоўвайце ў халадзільніку пры тэмпературы 4°C да выкарыстання (да 3 дзён). Усе эксперыментальныя памідоры былі аднолькавага памеру, каля 1,5 см у дыяметры.
Пратаколы культывавання, інакуляцыі, экспазіцыі і падліку калоній падрабязна апісаны ў нашай папярэдняй публікацыі і ў дадатковых дадзеных. Эфектыўнасць EWNS ацэньвалася шляхам уздзеяння на інакуляваныя памідоры канцэнтрацыяй 40 000 #/см3 на працягу 45 хвілін. Карацей кажучы, тры памідоры былі выкарыстаны для ацэнкі выжылых мікраарганізмаў у момант часу t = 0 хвілін. Тры памідоры былі змешчаны ў EPES і падвергнуты ўздзеянню EWNS пры канцэнтрацыі 40 000 #/см³ (памідоры, якія падвяргаліся ўздзеянню EWNS), а астатнія тры былі змешчаны ў кантрольную камеру (кантрольныя памідоры). Дадатковая апрацоўка памідораў у абедзвюх групах не праводзілася. Памідоры, якія падвяргаліся ўздзеянню EWNS, і кантрольныя памідоры былі выдалены праз 45 хвілін для ацэнкі эфекту EWNS.
Кожны эксперымент быў праведзены ў трох паўторах. Аналіз дадзеных быў выкананы ў адпаведнасці з пратаколам, апісаным у дадатковых дадзеных.
Механізмы інактывацыі ацэньваліся шляхам седыментацыі ўздзеяння ўзораў EWNS (45 хвілін пры канцэнтрацыі аэразолю EWNS 40 000 #/см3) і неапрамененых узораў бясшкодных бактэрый E. coli, Salmonella enterica і Lactobacillus. Часціцы фіксавалі ў 2,5% глутаральдэгіде, 1,25% парафармальдэгіде і 0,03% пікрынавай кіслаце ў 0,1 М буферы какодылата натрыю (pH 7,4) на працягу 2 гадзін пры пакаёвай тэмпературы. Пасля прамывання праводзілі постфіксацыю 1% растворам тетрааксіду осмія (OsO4)/1,5% ферацыяніду калію (KFeCN6) на працягу 2 гадзін, тройчы прамывалі ў вадзе і інкубавалі ў 1% растворы ўранілацэтату на працягу 1 гадзіны, затым двойчы прамывалі ў вадзе, а потым дэгідратавалі на працягу 10 хвілін у 50%, 70%, 90%, 100% спірце. Затым узоры змяшчалі ў аксід прапілену на 1 гадзіну і прапітвалі сумессю аксіду прапілену і TAAP Epon у суадносінах 1:1 (Marivac Canada Inc. Сэнт-Ларан, Каліфорнія). Узоры залівалі ў TAAB Epon і палімерызавалі пры тэмпературы 60°C на працягу 48 гадзін. Зацвярдзелую грануляваную смалу разразалі і візуалізавалі з дапамогай ПЭМ з выкарыстаннем звычайнага прасвечвальнага электроннага мікраскопа JEOL 1200EX (JEOL, Токіо, Японія), абсталяванага CCD-камерай AMT 2k (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Уобурн, Масачусэтс, ЗША).
Усе эксперыменты праводзіліся ў трох паўторах. Для кожнага моманту часу бактэрыяльныя змыўкі высейвалі ў трох паўторах, у выніку чаго атрымлівалі ў агульнай складанасці дзевяць кропак дадзеных на кропку, сярэдняе значэнне якіх выкарыстоўвалася ў якасці бактэрыяльнай канцэнтрацыі для гэтага канкрэтнага мікраарганізма. Стандартнае адхіленне выкарыстоўвалася ў якасці памылкі вымярэння. Улічваюцца ўсе кропкі.
Лагарыфм зніжэння канцэнтрацыі бактэрый у параўнанні з t = 0 хвілін быў разлічаны па наступнай формуле:
дзе C0 — канцэнтрацыя бактэрый у кантрольным узоры ў момант часу 0 (г.зн. пасля высыхання паверхні, але да змяшчэння ў камеру), а Cn — канцэнтрацыя бактэрый на паверхні пасля n хвілін экспазіцыі.
Каб улічыць натуральную дэградацыю бактэрый падчас 45-хвіліннай экспазіцыі, логарифмическое зніжэнне ў параўнанні з кантролем праз 45 хвілін таксама было разлічана наступным чынам:
дзе Cn — канцэнтрацыя бактэрый у кантрольным узоры ў момант часу n, а Cn-Control — канцэнтрацыя кантрольных бактэрый у момант часу n. Дадзеныя прадстаўлены ў выглядзе лагарыфмічнага зніжэння ў параўнанні з кантролем (без уздзеяння EWNS).
Падчас даследавання некалькі камбінацый напружання і адлегласці паміж іголкай і проціэлектродам былі ацэнены з пункту гледжання ўтварэння конуса Тэйлара, стабільнасці конуса Тэйлара, стабільнасці вытворчасці EWNS і ўзнаўляльнасці. Розныя камбінацыі паказаны ў дадатковай табліцы S1. Для ўсебаковага даследавання былі адабраны два выпадкі, якія дэманструюць стабільныя і ўзнаўляльныя ўласцівасці (конус Тэйлара, генерацыя EWNS і стабільнасць з цягам часу). На мал. 3 паказаны вынікі для зараду, памеру і ўтрымання ROS у абодвух выпадках. Вынікі таксама паказаны ў табліцы 1. Для даведкі, як мал. 3, так і табліца 1 уключаюць уласцівасці раней сінтэзаваных неаптымізаваных EWNS8, 9, 10, 11 (базавы ўзровень-EWNS). Разлікі статыстычнай значнасці з выкарыстаннем двухбаковага t-крытэрыя пераапублікаваны ў дадатковай табліцы S2. Акрамя таго, дадатковыя дадзеныя ўключаюць даследаванні ўплыву дыяметра адтуліны для адбору проб пробы проціэлектрода (D) і адлегласці паміж зазямляльным электродам і наканечнікам (L) (дадатковыя малюнкі S2 і S3).
(ac) Размеркаванне памераў, вымеранае метадам АСМ. (df) Характарыстыка павярхоўнага зарада. (g) Характарыстыка ROS для ЭПР.
Важна таксама адзначыць, што для ўсіх вышэйпералічаных умоў вымераны ток іанізацыі складаў ад 2 да 6 мкА, а напружанне — ад -3,8 да -6,5 кВ, што прывяло да спажывання магутнасці менш за 50 мВт для гэтага адзінага кантактнага модуля генерацыі EWNS. Нягледзячы на ​​тое, што EWNS быў сінтэзаваны пад высокім ціскам, узровень азону быў вельмі нізкім і ніколі не перавышаў 60 ppb.
На дадатковым малюнку S4 паказаны мадэляваныя электрычныя палі для сцэнарыяў [-6,5 кВ, 4,0 см] і [-3,8 кВ, 0,5 см] адпаведна. Для сцэнарыяў [-6,5 кВ, 4,0 см] і [-3,8 кВ, 0,5 см] разлікі поля складаюць 2 × 10⁶ В/м і 4,7 × 10⁶ В/м адпаведна. Гэта чакалася, бо ў другім выпадку суадносіны напружання і адлегласці значна вышэйшае.
На мал. 3a,b паказаны дыяметр EWNS, вымераны з дапамогай AFM8. Разлічаныя сярэднія дыяметры EWNS склалі 27 нм і 19 нм для схем [-6,5 кВ, 4,0 см] і [-3,8 кВ, 0,5 см] адпаведна. Для сцэнарыяў [-6,5 кВ, 4,0 см] і [-3,8 кВ, 0,5 см] геаметрычныя стандартныя адхіленні размеркавання складаюць 1,41 і 1,45 адпаведна, што сведчыць пра вузкае размеркаванне памераў. Як сярэдні памер, так і геаметрычнае стандартнае адхіленне вельмі блізкія да базавага EWNS і складаюць 25 нм і 1,41 адпаведна. На мал. 3c паказана размеркаванне памераў базавага EWNS, вымеранае з выкарыстаннем таго ж метаду ў тых жа ўмовах.
На мал. 3d,e паказаны вынікі характарыстыкі зарада. Дадзеныя — гэта сярэднія вымярэнні 30 адначасовых вымярэнняў канцэнтрацыі (#/см3) і сілы току (I). Аналіз паказвае, што сярэдні зарад на EWNS складае 22 ± 6 e- і 44 ± 6 e- для [-6,5 кВ, 4,0 см] і [-3,8 кВ, 0,5 см] адпаведна. Яны маюць значна большыя паверхневыя зарады ў параўнанні з базавым EWNS (10 ± 2 e-), у два разы большыя, чым у сцэнарыі [-6,5 кВ, 4,0 см], і ў чатыры разы большыя, чым у сцэнарыі [-3,8 кВ, 0,5 см]. На мал. 3f паказаны дадзеныя зарада для базавага EWNS.
З карт канцэнтрацыі колькасці EWNS (дадатковыя малюнкі S5 і S6) відаць, што сцэнар [-6,5 кВ, 4,0 см] мае значна больш часціц, чым сцэнар [-3,8 кВ, 0,5 см]. Варта таксама адзначыць, што канцэнтрацыя колькасці EWNS кантралявалася да 4 гадзін (дадатковыя малюнкі S5 і S6), дзе стабільнасць генерацыі EWNS паказала аднолькавы ўзровень канцэнтрацыі колькасці часціц у абодвух выпадках.
На мал. 3g паказаны спектр ЭПР пасля аднімання аптымізаванага кантрольнага EWNS (фон) пры [-6,5 кВ, 4,0 см]. Спектры АФК таксама параўноўваліся са сцэнарыем Baseline-EWNS у раней апублікаванай працы. Колькасць EWNS, якія рэагуюць са спінавымі пасткамі, была разлічана як 7,5 × 10⁴ EWNS/с, што падобна на раней апублікаваны Baseline-EWNS8. Спектры ЭПР выразна паказалі наяўнасць двух тыпаў АФК, прычым O2- з'яўляецца пераважным відам, а OH• менш распаўсюджаны. Акрамя таго, прамое параўнанне інтэнсіўнасцей пікаў паказала, што аптымізаваны EWNS меў значна больш высокае ўтрыманне АФК у параўнанні з базавым сцэнарыем EWNS.
На мал. 4 паказана эфектыўнасць нанясення EWNS у EPES. Дадзеныя таксама зведзены ў табліцу I і параўнаны з зыходнымі дадзенымі EWNS. Для абодвух выпадкаў EUNS нанясенне блізкае да 100% нават пры нізкім напружанні 3,0 кВ. Як правіла, 3,0 кВ дастаткова для 100% нанясення, незалежна ад змены паверхневага зарада. Пры тых жа ўмовах эфектыўнасць нанясення Baseline-EWNS складала толькі 56% з-за іх меншага зарада (у сярэднім 10 электронаў на EWNS).
На мал. 5 і ў табліцы 2 падсумаваны паказчыкі інактывацыі мікраарганізмаў, інакуляваных на паверхні памідораў пасля ўздзеяння каля 40 000 #/см3 EWNS на працягу 45 хвілін у аптымальным рэжыме [-6,5 кВ, 4,0 см]. Інакуляваныя E. coli і Lactobacillus innocuous паказалі значнае зніжэнне на 3,8 логарифма на працягу 45 хвілін уздзеяння. Пры тых жа ўмовах S. enterica паказала зніжэнне на 2,2 логарифма, а S. cerevisiae і M. parafortutum — на 1,0 логарифма.
На электронных мікрафатаграфіях (малюнак 6) паказаны фізічныя змены, выкліканыя EWNS на бясшкодных клетках Escherichia coli, Streptococcus і Lactobacillus, што прывяло да іх інактывацыі. Кантрольныя бактэрыі мелі непашкоджаныя клеткавыя мембраны, у той час як бактэрыі, якія падвяргаліся ўздзеянню, мелі пашкоджаныя вонкавыя мембраны.
Электронна-мікраскапічнае даследаванне кантрольных і адкрытых бактэрый выявіла пашкоджанне мембран.
Дадзеныя аб фізіка-хімічных уласцівасцях аптымізаваных EWNS у сукупнасці паказваюць, што ўласцівасці (павярхоўны зарад і ўтрыманне ROS) EWNS былі значна палепшаны ў параўнанні з раней апублікаванымі базавымі дадзенымі EWNS8,9,10,11. З іншага боку, іх памер заставаўся ў нанаметровым дыяпазоне, што вельмі падобна на вынікі, апісаныя раней, што дазваляе ім заставацца ў паветры на працягу доўгага часу. Назіраную полідысперснасць можна растлумачыць зменамі павярхоўнага зараду, якія вызначаюць памер EWNS, выпадковасцю эфекту Рэлея і патэнцыйнай каалесцэнцыяй. Аднак, як падрабязна апісана Нільсенам і інш.22, высокі павярхоўны зарад памяншае выпарэнне, эфектыўна павялічваючы павярхоўную энергію/нацяжэнне кроплі вады. У нашай папярэдняй публікацыі8 гэтая тэорыя была эксперыментальна пацверджана для мікракропель22 і EWNS. Страта зарада з цягам часу таксама можа паўплываць на памер і спрыяць назіранаму размеркаванню памераў.