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हाल ही में, कृत्रिम जल नैनोस्ट्रक्चर (EWNS) का उपयोग करके नैनो तकनीक पर आधारित एक रसायन-मुक्त रोगाणुरोधी प्लेटफ़ॉर्म विकसित किया गया है। EWNS में उच्च सतही आवेश होता है और यह प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन प्रजातियों (ROS) से समृद्ध होता है जो खाद्य जनित रोगजनकों सहित कई सूक्ष्मजीवों के साथ बातचीत कर सकता है और उन्हें निष्क्रिय कर सकता है। यहाँ यह दिखाया गया है कि संश्लेषण के दौरान उनके गुणों को ठीक किया जा सकता है और उनकी जीवाणुरोधी क्षमता को और बढ़ाने के लिए अनुकूलित किया जा सकता है। EWNS प्रयोगशाला प्लेटफ़ॉर्म को संश्लेषण मापदंडों को बदलकर EWNS के गुणों को ठीक करने के लिए डिज़ाइन किया गया था। EWNS गुणों (आवेश, आकार और ROS सामग्री) का लक्षण वर्णन आधुनिक विश्लेषणात्मक विधियों का उपयोग करके किया गया था। इसके अलावा, एस्चेरिचिया कोली, साल्मोनेला एंटरिका, लिस्टेरिया इनोकुआ, माइकोबैक्टीरियम पैरा फोर्टिटम और सैक्रोमाइसिस सेरेविसिया जैसे खाद्य सूक्ष्मजीवों को उनकी सूक्ष्मजीव निष्क्रियता क्षमता का मूल्यांकन करने के लिए जैविक अंगूर टमाटर की सतह पर टीका लगाया गया था। यहाँ प्रस्तुत परिणाम दर्शाते हैं कि संश्लेषण के दौरान EWNS के गुणों को ठीक किया जा सकता है, जिसके परिणामस्वरूप निष्क्रियता दक्षता में घातीय वृद्धि होती है। विशेष रूप से, सतही आवेश चार गुना बढ़ गया, और ROS सामग्री बढ़ गई। माइक्रोबियल निष्कासन दर माइक्रोबियल रूप से निर्भर थी और 40,000 #/cm3 EWNS की एरोसोल खुराक के संपर्क में आने के 45 मिनट बाद 1.0 से 3.8 लॉग तक थी।
सूक्ष्मजीव संदूषण रोगजनकों या उनके विषाक्त पदार्थों के अंतर्ग्रहण के कारण होने वाली खाद्य जनित बीमारी का मुख्य कारण है। खाद्य जनित बीमारियों के कारण अकेले संयुक्त राज्य अमेरिका में हर साल लगभग 76 मिलियन बीमारियाँ, 325,000 अस्पताल में भर्ती होने की स्थिति और 5,000 मौतें होती हैं1। इसके अलावा, संयुक्त राज्य अमेरिका के कृषि विभाग (USDA) का अनुमान है कि संयुक्त राज्य अमेरिका में रिपोर्ट की गई सभी खाद्य जनित बीमारियों में से 48 प्रतिशत के लिए ताजा उपज की बढ़ी हुई खपत जिम्मेदार है2। संयुक्त राज्य अमेरिका में खाद्य जनित रोगजनकों से होने वाली बीमारी और मृत्यु की लागत बहुत अधिक है, जिसका अनुमान रोग नियंत्रण और रोकथाम केंद्र (CDC) द्वारा प्रति वर्ष US$15.6 बिलियन से अधिक लगाया गया है3।
वर्तमान में, खाद्य सुरक्षा सुनिश्चित करने के लिए रासायनिक4, विकिरण5 और तापीय6 रोगाणुरोधी हस्तक्षेप मुख्य रूप से उत्पादन श्रृंखला में सीमित महत्वपूर्ण नियंत्रण बिंदुओं (सीसीपी) पर लागू किए जाते हैं (आमतौर पर फसल कटाई के बाद और/या पैकेजिंग के दौरान) बजाय इस तरह से लगातार लागू किए जाने के कि ताजा उपज क्रॉस-संदूषण के अधीन हो। 7. खाद्य जनित बीमारी और खाद्य खराब होने को बेहतर ढंग से नियंत्रित करने के लिए रोगाणुरोधी हस्तक्षेप की आवश्यकता है और खेत से लेकर मेज तक की निरंतरता में लागू होने की क्षमता है। कम प्रभाव और लागत।
सतहों पर और हवा में कृत्रिम जल नैनोस्ट्रक्चर (EWNS) का उपयोग करके बैक्टीरिया को निष्क्रिय करने के लिए हाल ही में एक नैनोटेक्नोलॉजी आधारित रसायन मुक्त रोगाणुरोधी प्लेटफ़ॉर्म विकसित किया गया है। EVNS के संश्लेषण के लिए, दो समानांतर प्रक्रियाओं का उपयोग किया गया था: इलेक्ट्रोस्प्रे और जल आयनीकरण (चित्र 1 ए)। EWNS को पहले भौतिक और जैविक गुणों का एक अनूठा सेट दिखाया गया है8,9,10। EWNS में प्रति संरचना औसतन 10 इलेक्ट्रॉन और औसत नैनोमीटर का आकार 25 एनएम (चित्र 1 बी, सी) 8,9,10 है। इसके अलावा, इलेक्ट्रॉन स्पिन प्रतिध्वनि (ESR) से पता चला कि EWNS में बड़ी मात्रा में प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन प्रजातियां (ROS), मुख्य रूप से हाइड्रॉक्सिल (OH•) और सुपरऑक्साइड (O2-) रेडिकल्स (चित्र 1c) 8 शामिल हैं। EWNS लंबे समय तक हवा में रहा और हवा में निलंबित और सतहों पर मौजूद रोगाणुओं से टकरा सकता है, अपने ROS पेलोड को पहुंचा सकता है और सूक्ष्मजीवों को निष्क्रिय कर सकता है (चित्र 1d)। इन पहले के अध्ययनों से यह भी पता चला है कि EWNS सार्वजनिक स्वास्थ्य के महत्व के विभिन्न ग्राम-नेगेटिव और ग्राम-पॉजिटिव बैक्टीरिया के साथ बातचीत कर सकता है और उन्हें निष्क्रिय कर सकता है, जिसमें माइकोबैक्टीरिया भी शामिल है, सतहों और हवा में8,9। ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी ने दिखाया कि निष्क्रियता कोशिका झिल्ली के विघटन के कारण हुई थी। इसके अलावा, तीव्र साँस लेना अध्ययनों से पता चला है कि EWNS की उच्च खुराक फेफड़ों को नुकसान या सूजन का कारण नहीं बनती है8।
(क) इलेक्ट्रोस्प्रे तब होता है जब एक उच्च वोल्टेज को तरल युक्त केशिका और एक काउंटर इलेक्ट्रोड के बीच लगाया जाता है। (ख) उच्च वोल्टेज के आवेदन के परिणामस्वरूप दो अलग-अलग घटनाएँ होती हैं: (i) पानी का इलेक्ट्रोस्प्रेइंग और (ii) ईडब्ल्यूएनएस में फंसे प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन प्रजातियों (आयनों) की उत्पत्ति। (ग) ईडब्ल्यूएनएस की अनूठी संरचना। (घ) ईडब्ल्यूएनएस अपने नैनोस्केल प्रकृति के कारण अत्यधिक गतिशील होते हैं और हवा में मौजूद रोगाणुओं के साथ परस्पर क्रिया कर सकते हैं।
ताजे भोजन की सतह पर खाद्य जनित सूक्ष्मजीवों को निष्क्रिय करने के लिए EWNS रोगाणुरोधी प्लेटफ़ॉर्म की क्षमता का भी हाल ही में प्रदर्शन किया गया है। यह भी दिखाया गया है कि EWNS सतह चार्ज का उपयोग लक्षित वितरण के लिए विद्युत क्षेत्र के संयोजन में किया जा सकता है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि ई. कोली और लिस्टेरिया जैसे विभिन्न खाद्य सूक्ष्मजीवों के खिलाफ कार्बनिक टमाटर की गतिविधि में लगभग 1.4 लॉग कमी का एक आशाजनक प्रारंभिक परिणाम लगभग 50,000#/cm311 की सांद्रता पर EWNS के संपर्क में आने के 90 मिनट के भीतर देखा गया था। इसके अलावा, प्रारंभिक ऑर्गेनोलेप्टिक मूल्यांकन परीक्षणों ने नियंत्रण टमाटर की तुलना में कोई ऑर्गेनोलेप्टिक प्रभाव नहीं दिखाया। हालांकि ये प्रारंभिक निष्क्रियता परिणाम 50,000#/cc की बहुत कम EWNS खुराक पर भी खाद्य सुरक्षा का वादा करते हैं। देखें,
यहाँ, हम संश्लेषण मापदंडों को ठीक करने और EWNS के भौतिक-रासायनिक गुणों को अनुकूलित करने के लिए EWNS पीढ़ी प्लेटफ़ॉर्म के विकास पर अपने शोध पर ध्यान केंद्रित करेंगे ताकि उनकी जीवाणुरोधी क्षमता को बढ़ाया जा सके। विशेष रूप से, अनुकूलन ने उनके सतही आवेश (लक्षित वितरण में सुधार करने के लिए) और ROS सामग्री (निष्क्रियता दक्षता में सुधार करने के लिए) को बढ़ाने पर ध्यान केंद्रित किया है। आधुनिक विश्लेषणात्मक विधियों और ई. कोलाई, एस. एंटरिका, एल. इनोकुआ, एस. सेरेविसिया और एम. पैराफोर्टिटम जैसे सामान्य खाद्य सूक्ष्मजीवों का उपयोग करके अनुकूलित भौतिक-रासायनिक गुणों (आकार, आवेश और ROS सामग्री) की विशेषता।
EVNS को उच्च शुद्धता वाले पानी (18 MΩ cm–1) के एक साथ इलेक्ट्रोस्प्रेइंग और आयनीकरण द्वारा संश्लेषित किया गया था। इलेक्ट्रिक एटमाइज़र 12 का उपयोग आम तौर पर नियंत्रित आकार के तरल पदार्थ और सिंथेटिक पॉलिमर और सिरेमिक कणों 13 और फाइबर 14 को एटमाइज़ करने के लिए किया जाता है।
जैसा कि पिछले प्रकाशनों 8, 9, 10, 11 में विस्तार से बताया गया है, एक सामान्य प्रयोग में, एक धातु केशिका और एक ग्राउंडेड काउंटर इलेक्ट्रोड के बीच एक उच्च वोल्टेज लगाया जाता है। इस प्रक्रिया के दौरान, दो अलग-अलग घटनाएँ होती हैं: 1) इलेक्ट्रोस्प्रे और 2) पानी का आयनीकरण। दो इलेक्ट्रोड के बीच एक मजबूत विद्युत क्षेत्र संघनित पानी की सतह पर नकारात्मक आवेशों का निर्माण करता है, जिसके परिणामस्वरूप टेलर शंकु का निर्माण होता है। परिणामस्वरूप, अत्यधिक आवेशित पानी की बूंदें बनती हैं, जो रेले सिद्धांत16 के अनुसार छोटे कणों में टूटती रहती हैं। उसी समय, एक मजबूत विद्युत क्षेत्र पानी के कुछ अणुओं को विभाजित करने और इलेक्ट्रॉनों को अलग करने (आयनीकरण) का कारण बनता है, जिससे बड़ी मात्रा में प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन प्रजातियाँ (ROS)17 उत्पन्न होती हैं। एक साथ उत्पन्न ROS18 पैकेट EWNS (चित्र 1c) में समाहित किए गए थे।
चित्र 2a में इस अध्ययन में EWNS संश्लेषण में विकसित और उपयोग की गई EWNS पीढ़ी प्रणाली को दिखाया गया है। एक बंद बोतल में संग्रहीत शुद्ध पानी को एक टेफ्लॉन ट्यूब (2 मिमी आंतरिक व्यास) के माध्यम से 30G स्टेनलेस स्टील की सुई (धातु केशिका) में डाला गया था। जैसा कि चित्र 2b में दिखाया गया है, बोतल के अंदर हवा के दबाव से पानी का प्रवाह नियंत्रित होता है। सुई एक टेफ्लॉन कंसोल से जुड़ी होती है जिसे काउंटर इलेक्ट्रोड से एक निश्चित दूरी पर मैन्युअल रूप से समायोजित किया जा सकता है। काउंटर इलेक्ट्रोड एक पॉलिश एल्यूमीनियम डिस्क है जिसमें नमूना लेने के लिए बीच में एक छेद होता है। काउंटर इलेक्ट्रोड के नीचे एक एल्यूमीनियम सैंपलिंग कीप होती है, जो एक सैंपलिंग पोर्ट (चित्र 2b) के माध्यम से प्रयोगात्मक सेटअप के बाकी हिस्सों से जुड़ी होती है
(क) इंजीनियर्ड वाटर नैनोस्ट्रक्चर जेनरेशन सिस्टम (ई.डब्लू.एन.एस.)। (ख) सैंपलर और इलेक्ट्रोस्प्रे यूनिट का क्रॉस सेक्शन जो सबसे महत्वपूर्ण पैरामीटर दर्शाता है। (ग) बैक्टीरिया निष्क्रियण के लिए प्रायोगिक सेटअप।
ऊपर वर्णित EWNS जनरेशन सिस्टम EWNS गुणों की बारीक ट्यूनिंग की सुविधा के लिए प्रमुख ऑपरेटिंग मापदंडों को बदलने में सक्षम है। EWNS विशेषताओं को ठीक करने के लिए लागू वोल्टेज (V), सुई और काउंटर इलेक्ट्रोड (L) के बीच की दूरी और केशिका के माध्यम से पानी के प्रवाह (φ) को समायोजित करें। प्रतीकों [V (kV), L (cm)] का उपयोग विभिन्न संयोजनों को दर्शाने के लिए किया जाता है। एक निश्चित सेट [V, L] का एक स्थिर टेलर शंकु प्राप्त करने के लिए पानी के प्रवाह को समायोजित करें। इस अध्ययन के प्रयोजनों के लिए, काउंटर इलेक्ट्रोड (D) का एपर्चर 0.5 इंच (1.29 सेमी) पर सेट किया गया था।
सीमित ज्यामिति और विषमता के कारण, विद्युत क्षेत्र की ताकत की गणना पहले सिद्धांतों से नहीं की जा सकती। इसके बजाय, विद्युत क्षेत्र की गणना करने के लिए क्विकफील्ड™ सॉफ्टवेयर (स्वेन्डबोर्ग, डेनमार्क)19 का उपयोग किया गया। विद्युत क्षेत्र एकसमान नहीं है, इसलिए केशिका की नोक पर विद्युत क्षेत्र के मूल्य को विभिन्न विन्यासों के लिए संदर्भ मान के रूप में उपयोग किया गया था।
अध्ययन के दौरान, टेलर कोन गठन, टेलर कोन स्थिरता, ईडब्ल्यूएनएस उत्पादन स्थिरता और पुनरुत्पादनशीलता के संदर्भ में सुई और काउंटर इलेक्ट्रोड के बीच वोल्टेज और दूरी के कई संयोजनों का मूल्यांकन किया गया। विभिन्न संयोजन पूरक तालिका S1 में दिखाए गए हैं।
ईडब्ल्यूएनएस उत्पादन प्रणाली का आउटपुट सीधे स्कैनिंग मोबिलिटी पार्टिकल साइज़र (एसएमपीएस, मॉडल 3936, टीएसआई, शोरव्यू, मिनेसोटा) से जुड़ा था ताकि कण संख्या सांद्रता को मापा जा सके और इसका उपयोग फैराडे एरोसोल इलेक्ट्रोमीटर (टीएसआई, मॉडल 3068बी, शोरव्यू, यूएसए) के साथ एरोसोल प्रवाह को मापने के लिए किया गया था, जैसा कि हमारे पिछले प्रकाशन9 में वर्णित है। एसएमपीएस और एरोसोल इलेक्ट्रोमीटर दोनों ने 0.5 एल/मिनट (कुल नमूना प्रवाह 1 एल/मिनट) की प्रवाह दर पर नमूना लिया। कण सांद्रता और एरोसोल प्रवाह को 120 सेकंड के लिए मापा गया। माप को 30 बार दोहराएं। कुल एरोसोल चार्ज की गणना वर्तमान माप से की जाती है
जहाँ IEl मापी गई धारा है, NSMPS SMPS के साथ मापी गई संख्या सांद्रता है, और φEl इलेक्ट्रोमीटर के लिए प्रवाह दर है।
क्योंकि सापेक्ष आर्द्रता (RH) सतह के आवेश को प्रभावित करती है, इसलिए प्रयोग के दौरान तापमान और (RH) को क्रमशः 21°C और 45% पर स्थिर रखा गया।
ईडब्ल्यूएनएस के आकार और जीवनकाल को मापने के लिए परमाणु बल माइक्रोस्कोपी (एएफएम), एसाइलम एमएफपी-3डी (एसाइलम रिसर्च, सांता बारबरा, सीए) और एसी260टी जांच (ओलंपस, टोक्यो, जापान) का उपयोग किया गया था। एएफएम स्कैन दर 1 हर्ट्ज है और स्कैन क्षेत्र 256 स्कैन लाइनों के साथ 5 µm×5 µm है। सभी छवियों को एसाइलम सॉफ़्टवेयर (100 एनएम की सीमा और 100 पीएम की सीमा के साथ मास्क) का उपयोग करके पहले क्रम की छवि संरेखण के अधीन किया गया था।
सैंपलिंग फ़नल को हटाएँ और अभ्रक की सतह को काउंटर इलेक्ट्रोड से 2.0 सेमी की दूरी पर औसतन 120 सेकंड के लिए रखें ताकि कणों का एकत्रीकरण और अभ्रक की सतह पर अनियमित बूंदों का निर्माण न हो। EWNS को सीधे ताज़ा कटे हुए अभ्रक की सतहों पर लगाया गया (टेड पेला, रेडिंग, CA)। स्पटरिंग के तुरंत बाद, AFM का उपयोग करके अभ्रक की सतह को देखा गया। ताज़ा कटे हुए असंशोधित अभ्रक का सतही संपर्क कोण 0° के करीब है, इसलिए EWNS गुंबददार आकार में अभ्रक की सतह पर फैलता है20। फैलने वाली बूंदों का व्यास (a) और ऊँचाई (h) सीधे AFM स्थलाकृति से मापा गया और हमारे पहले से मान्य विधि8 का उपयोग करके गुंबददार प्रसार मात्रा EWNS की गणना करने के लिए उपयोग किया गया।
हमारे पहले से विकसित विधि के अनुसार, EWNS में अल्पकालिक रेडिकल मध्यवर्ती की उपस्थिति का पता लगाने के लिए एक इलेक्ट्रॉन स्पिन अनुनाद (ESR) स्पिन ट्रैप का उपयोग किया गया था। एरोसोल को 235 mM DEPMPO (5-(डाइएथोक्सीफॉस्फोरिल)-5-मिथाइल-1-पाइरोलाइन-एन-ऑक्साइड) (ऑक्सीस इंटरनेशनल इंक., पोर्टलैंड, ओरेगन) युक्त घोल से गुजारा गया। सभी EPR माप ब्रूकर EMX स्पेक्ट्रोमीटर (ब्रूकर इंस्ट्रूमेंट्स इंक. बिलरिका, MA, USA) और फ्लैट सेल एरे का उपयोग करके किए गए थे। डेटा एकत्र करने और उसका विश्लेषण करने के लिए एक्विजिट सॉफ्टवेयर (ब्रूकर इंस्ट्रूमेंट्स इंक. बिलरिका, MA, USA) का उपयोग किया गया था। ROS लक्षण वर्णन केवल ऑपरेटिंग स्थितियों के एक सेट [-6.5 kV, 4.0 cm] के लिए किया गया था। EWNS सांद्रता को इम्पैक्टर में EWNS के नुकसान को ध्यान में रखते हुए SMPS का उपयोग करके मापा गया था।
ओजोन के स्तर की निगरानी 205 डुअल बीम ओजोन मॉनिटर™ (2बी टेक्नोलॉजीज, बोल्डर, को.)8,9,10 का उपयोग करके की गई।
सभी EWNS गुणों के लिए, माप मान माप का माध्य है, और माप त्रुटि मानक विचलन है। अनुकूलित EWNS विशेषता के मान की तुलना आधार EWNS के संगत मान से करने के लिए एक t-परीक्षण किया गया था।
चित्र 2c एक पहले से विकसित और विशेषतायुक्त इलेक्ट्रोस्टेटिक प्रीसिपिटेशन पास थ्रू सिस्टम (EPES) दिखाता है जिसका उपयोग सतहों पर EWNS11 को लक्षित करने के लिए किया जा सकता है। EPES लक्ष्य की सतह पर सीधे "बिंदु" बनाने के लिए एक मजबूत विद्युत क्षेत्र के संयोजन में EWNS चार्ज का उपयोग करता है। EPES प्रणाली का विवरण Pyrgiotakis et al.11 के एक हाल के प्रकाशन में प्रस्तुत किया गया है। इस प्रकार, EPES में एक 3D मुद्रित PVC कक्ष होता है जिसमें पतले सिरे होते हैं जिनमें बीच में 15.24 cm की दूरी पर दो समानांतर स्टेनलेस स्टील (304 स्टेनलेस स्टील, मिरर पॉलिश) धातु की प्लेटें होती हैं। बोर्ड एक बाहरी उच्च वोल्टेज स्रोत (बर्ट्रान 205B-10R, स्पेलमैन, हाउपॉज, NY) से जुड़े थे कक्ष में एक सीलबंद फ्रंट लोडिंग दरवाजा है जो परीक्षण सतहों को प्लास्टिक रैक पर रखने की अनुमति देता है, जिससे उच्च वोल्टेज हस्तक्षेप से बचने के लिए उन्हें नीचे की धातु की प्लेट से ऊपर उठाया जा सकता है।
ईपीईएस में ईडब्ल्यूएनएस की जमाव दक्षता की गणना पहले से विकसित प्रोटोकॉल के अनुसार की गई थी, जिसका विवरण पूरक चित्र एस111 में दिया गया है।
नियंत्रण कक्ष के रूप में, बेलनाकार कक्ष के माध्यम से दूसरा प्रवाह EWNS को हटाने के लिए एक मध्यवर्ती HEPA फ़िल्टर का उपयोग करके EPES प्रणाली के साथ श्रृंखला में जुड़ा हुआ है। जैसा कि चित्र 2c में दिखाया गया है, EWNS एरोसोल को श्रृंखला में जुड़े दो कक्षों के माध्यम से पंप किया गया था। नियंत्रण कक्ष और EPES के बीच फ़िल्टर किसी भी शेष EWNS को हटा देता है जिसके परिणामस्वरूप समान तापमान (T), सापेक्ष आर्द्रता (RH) और ओजोन स्तर होते हैं।
महत्वपूर्ण खाद्यजनित सूक्ष्मजीवों को ताजा उपज को संदूषित करने के लिए पाया गया है जैसे कि एस्चेरिचिया कोली (एटीसीसी #27325), एक मल सूचक, साल्मोनेला एंटरिका (एटीसीसी #53647), एक खाद्यजनित रोगाणु, लिस्टेरिया इनोकुआ (एटीसीसी #33090), रोगजनक लिस्टेरिया मोनोसाइटोजेन्स का एक विकल्प, सैक्रोमाइसिस सेरेविसिया (एटीसीसी #4098) स्पॉइलेज यीस्ट के विकल्प के रूप में, और माइकोबैक्टीरियम पैराफोर्ट्यूटियस (एटीसीसी #19686) एक अधिक प्रतिरोधी जीवित बैक्टीरिया के रूप में एटीसीसी (मैनासस, वर्जीनिया) से खरीदे गए थे।
अपने स्थानीय बाजार से ऑर्गेनिक अंगूर टमाटर के डिब्बे खरीदें और उपयोग होने तक (3 दिन तक) 4°C पर रेफ़्रिजरेटर में रखें। प्रयोग के लिए एक आकार के टमाटर चुनें, जिनका व्यास लगभग 1/2 इंच हो।
ऊष्मायन, टीकाकरण, एक्सपोजर और कॉलोनी काउंटिंग के प्रोटोकॉल हमारे पिछले प्रकाशनों में विस्तृत रूप से बताए गए हैं और पूरक डेटा 11 में विस्तार से समझाया गया है। EWNS प्रदर्शन का मूल्यांकन टीका लगाए गए टमाटरों को 45 मिनट के लिए 40,000 #/सेमी3 के संपर्क में रखकर किया गया। संक्षेप में, समय t = 0 मिनट पर, जीवित सूक्ष्मजीवों का मूल्यांकन करने के लिए तीन टमाटरों का उपयोग किया गया। तीन टमाटरों को EPES में रखा गया और 40,000 #/cc (EWNS एक्सपोज़्ड टमाटर) पर EWNS के संपर्क में लाया गया और तीन अन्य को नियंत्रण कक्ष (नियंत्रण टमाटर) में रखा गया। टमाटर के किसी भी समूह को अतिरिक्त प्रसंस्करण के अधीन नहीं किया गया। EWNS के प्रभाव का मूल्यांकन करने के लिए EWNS-एक्सपोज़्ड टमाटर और नियंत्रण को 45 मिनट के बाद हटा दिया गया।
प्रत्येक प्रयोग तीन प्रतियों में किया गया। डेटा विश्लेषण अनुपूरक डेटा में वर्णित प्रोटोकॉल के अनुसार किया गया।
ई. कोली, एंटरोबैक्टर, और एल. इनोकुआ बैक्टीरिया के नमूनों को ई.डब्ल्यू.एन.एस. (45 मिनट, ई.डब्ल्यू.एन.एस. एरोसोल सांद्रता 40,000 #/सेमी3) के संपर्क में लाया गया और संपर्क में नहीं लाया गया, निष्क्रियता तंत्र का आकलन करने के लिए उन्हें पेलेट किया गया। अवक्षेप को 2.5% ग्लूटाराल्डिहाइड, 1.25% पैराफॉर्मलडिहाइड और 0.03% पिक्रिक एसिड के फिक्सेटिव के साथ 0.1 एम सोडियम कैकोडाइलेट घोल (पीएच 7.4) में कमरे के तापमान पर 2 घंटे के लिए स्थिर किया गया था। धोने के बाद, उन्हें 2 घंटे के लिए 1% ऑस्मियम टेट्रोक्साइड (OsO4)/1.5% पोटेशियम फेरोसाइनाइड (KFeCN6) के साथ स्थिर किया गया, पानी से 3 बार धोया गया और 1 घंटे के लिए 1% यूरेनिल एसीटेट में इनक्यूबेट किया गया, फिर पानी से दो बार धोया गया। इसके बाद 50%, 70%, 90%, 100% अल्कोहल में से प्रत्येक में 10 मिनट का निर्जलीकरण किया गया। फिर नमूनों को 1 घंटे के लिए प्रोपलीन ऑक्साइड में रखा गया और प्रोपलीन ऑक्साइड और TAAP एपोन (मैरीवैक कनाडा इंक. सेंट लॉरेंट, CA) के 1:1 मिश्रण से संसेचित किया गया। नमूनों को TAAB एपोन में एम्बेड किया गया और 48 घंटों के लिए 60°C पर पॉलीमराइज़ किया गया। ठीक किए गए दानेदार राल को काटा गया और JEOL 1200EX (JEOL, टोक्यो, जापान) का उपयोग करके TEM द्वारा देखा गया, जो एक पारंपरिक ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप है जो AMT 2k CCD कैमरा (एडवांस्ड माइक्रोस्कोपी टेक्निक्स, कॉर्प., वोबर्न, MA, USA) से सुसज्जित है।
सभी प्रयोग तीन प्रतियों में किए गए। प्रत्येक समय बिंदु के लिए, जीवाणु धुलाई तीन प्रतियों में की गई, जिसके परिणामस्वरूप प्रति बिंदु कुल नौ डेटा बिंदु प्राप्त हुए, जिनमें से औसत का उपयोग उस विशेष जीव के लिए जीवाणु सांद्रता के रूप में किया गया। मानक विचलन का उपयोग माप त्रुटि के रूप में किया गया। सभी बिंदुओं की गणना की जाती है।
t = 0 मिनट की तुलना में बैक्टीरिया की सांद्रता में कमी का लघुगणक निम्नलिखित सूत्र का उपयोग करके गणना किया गया:
जहां C0 समय 0 पर नियंत्रण नमूने में बैक्टीरिया की सांद्रता है (अर्थात सतह के सूखने के बाद लेकिन कक्ष में रखे जाने से पहले) और Cn एक्सपोजर के n मिनट के बाद सतह पर बैक्टीरिया की सांद्रता है।
45 मिनट की एक्सपोजर अवधि के दौरान बैक्टीरिया के प्राकृतिक क्षरण को ध्यान में रखते हुए, 45 मिनट पर नियंत्रण की तुलना में लॉग-रिडक्शन की गणना भी निम्नानुसार की गई:
जहाँ Cn समय n पर नियंत्रण नमूने में बैक्टीरिया की सांद्रता है और Cn-नियंत्रण समय n पर नियंत्रण बैक्टीरिया की सांद्रता है। डेटा को नियंत्रण (कोई EWNS जोखिम नहीं) की तुलना में लॉग कमी के रूप में प्रस्तुत किया जाता है।
अध्ययन के दौरान, टेलर कोन निर्माण, टेलर कोन स्थिरता, EWNS उत्पादन स्थिरता और पुनरुत्पादनशीलता के संदर्भ में सुई और काउंटर इलेक्ट्रोड के बीच वोल्टेज और दूरी के कई संयोजनों का मूल्यांकन किया गया। पूरक तालिका S1 में विभिन्न संयोजन दिखाए गए हैं। स्थिर और पुनरुत्पादनीय गुणों (टेलर कोन, EWNS उत्पादन और समय के साथ स्थिरता) को दर्शाने वाले एक पूर्ण अध्ययन के लिए दो मामलों का चयन किया गया। चित्र 3 में दो मामलों के लिए ROS के चार्ज, आकार और सामग्री पर परिणाम दिखाए गए हैं। परिणामों को तालिका 1 में भी संक्षेपित किया गया है। संदर्भ के लिए, चित्र 3 और तालिका 1 में पहले से संश्लेषित गैर-अनुकूलित EWNS8, 9, 10, 11 (बेसलाइन-EWNS) के गुण शामिल हैं। दो-पूंछ वाले टी-परीक्षण का उपयोग करके सांख्यिकीय महत्व की गणना पूरक तालिका S2 में पुनः प्रकाशित की गई है। इसके अलावा, अतिरिक्त डेटा में काउंटर इलेक्ट्रोड सैंपलिंग होल व्यास (D) के प्रभाव और ग्राउंड इलेक्ट्रोड और सुई की नोक (L) (पूरक चित्र S2 और S3) के बीच की दूरी पर अध्ययन शामिल हैं।
(a-c) AFM आकार वितरण। (d-f) सतही आवेश विशेषता। (g) ROS और ESR का लक्षण वर्णन।
यह भी ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि उपरोक्त सभी स्थितियों के लिए, मापी गई आयनीकरण धाराएँ 2-6 µA की सीमा में थीं, और वोल्टेज -3.8 से -6.5 kV की सीमा में थे, जिसके परिणामस्वरूप इस एकल-टर्मिनल EWNS के लिए बिजली की खपत 50 mW से कम थी। . जनरेशन मॉड्यूल। हालाँकि EWNS को उच्च दबाव में संश्लेषित किया गया था, लेकिन ओजोन का स्तर बहुत कम था, कभी भी 60 पीपीबी से अधिक नहीं था।
पूरक चित्र S4 में क्रमशः [-6.5 kV, 4.0 cm] और [-3.8 kV, 0.5 cm] परिदृश्यों के लिए सिम्युलेटेड विद्युत क्षेत्र दिखाए गए हैं। परिदृश्यों [-6.5 kV, 4.0 cm] और [-3.8 kV, 0.5 cm] के अनुसार क्षेत्रों की गणना क्रमशः 2 × 105 V/m और 4.7 × 105 V/m के रूप में की जाती है। यह अपेक्षित है, क्योंकि दूसरे मामले में वोल्टेज से दूरी का अनुपात बहुत अधिक है।
चित्र 3a,b में AFM8 से मापे गए EWNS व्यास को दिखाया गया है। [-6.5 kV, 4.0 cm] और [-3.8 kV, 0.5 cm] परिदृश्यों के लिए औसत EWNS व्यास की गणना क्रमशः 27 nm और 19 nm के रूप में की गई थी। [-6.5 kV, 4.0 cm] और [-3.8 kV, 0.5 cm] मामलों के लिए वितरण के ज्यामितीय मानक विचलन क्रमशः 1.41 और 1.45 हैं, जो एक संकीर्ण आकार वितरण को दर्शाता है। औसत आकार और ज्यामितीय मानक विचलन दोनों बेसलाइन-EWNS के बहुत करीब हैं, जो क्रमशः 25 nm और 1.41 हैं। चित्र 3c में समान परिस्थितियों में समान विधि का उपयोग करके मापी गई बेसलाइन EWNS का आकार वितरण दिखाया गया है।
चित्र 3d,e में आवेश अभिलक्षण के परिणाम दिखाए गए हैं। डेटा सांद्रता (#/cm3) और धारा (I) के 30 एक साथ मापों के औसत माप हैं। विश्लेषण से पता चलता है कि EWNS पर औसत चार्ज क्रमशः [-6.5 kV, 4.0 cm] और [-3.8 kV, 0.5 cm] के लिए 22 ± 6 e- और 44 ± 6 e- है। बेसलाइन-EWNS (10 ± 2 e-) की तुलना में, उनका सरफ़ेस चार्ज काफी ज़्यादा है, जो [-6.5 kV, 4.0 cm] परिदृश्य से दोगुना और [-3 .8 kV, 0.5 cm] से चार गुना ज़्यादा है। 3f बुनियादी EWNS भुगतान डेटा दिखाता है।
EWNS संख्या सांद्रता मानचित्रों (पूरक चित्र S5 और S6) से, यह देखा जा सकता है कि [-6.5 kV, 4.0 cm] दृश्य में [-3.8 kV, 0.5 cm] दृश्य की तुलना में कणों की संख्या काफी अधिक है। यह भी ध्यान दिया जाना चाहिए कि EWNS संख्या सांद्रता की निगरानी 4 घंटे तक की गई (पूरक चित्र S5 और S6), जहाँ EWNS पीढ़ी स्थिरता ने दोनों मामलों में कण संख्या सांद्रता के समान स्तर दिखाए।
चित्र 3g में [-6.5 kV, 4.0 cm] पर अनुकूलित EWNS के लिए नियंत्रण (पृष्ठभूमि) घटाव के बाद EPR स्पेक्ट्रम दिखाया गया है। ROS स्पेक्ट्रम की तुलना पहले प्रकाशित शोधपत्र में EWNS बेसलाइन से भी की गई है। स्पिन ट्रैप के साथ प्रतिक्रिया करने वाले EWNS की गणना की गई संख्या 7.5 × 104 EWNS/s है, जो पहले प्रकाशित बेसलाइन-EWNS8 के समान है। EPR स्पेक्ट्रा ने दो प्रकार के ROS की उपस्थिति को स्पष्ट रूप से इंगित किया, जहाँ O2- प्रमुख था, जबकि OH• कम मात्रा में मौजूद था। इसके अलावा, शिखर तीव्रता की सीधी तुलना से पता चला कि अनुकूलित EWNS में बेसलाइन EWNS की तुलना में ROS की मात्रा काफी अधिक थी।
चित्र 4 में EPES में EWNS की जमाव दक्षता दिखाई गई है। डेटा को तालिका I में भी सारांशित किया गया है और मूल EWNS डेटा के साथ तुलना की गई है। दोनों EUNS मामलों के लिए, 3.0 kV के कम वोल्टेज पर भी जमाव 100% के करीब था। आम तौर पर, सतह के आवेश परिवर्तन की परवाह किए बिना 100% जमाव प्राप्त करने के लिए 3.0 kV पर्याप्त है। समान परिस्थितियों में, बेसलाइन-EWNS की जमाव दक्षता कम आवेश (प्रति EWNS औसत 10 इलेक्ट्रॉन) के कारण केवल 56% थी।
चित्र 5 और तालिका 2 इष्टतम परिदृश्य [-6.5 kV, 4.0 cm] के तहत 45 मिनट के लिए लगभग 40,000 #/cm3 EWNS के संपर्क में आने के बाद टमाटर की सतह पर टीका लगाए गए सूक्ष्मजीवों की निष्क्रियता की डिग्री को सारांशित करते हैं। टीका लगाए गए ई. कोली और एल. इनोकुआ ने 45 मिनट के संपर्क के बाद 3.8 लॉग की महत्वपूर्ण कमी दिखाई। समान परिस्थितियों में, एस. एंटेरिका ने 2.2 लॉग की कम लॉग कमी दिखाई, जबकि एस. सेरेविसिया और एम. पैराफोर्टिटम ने 1.0 लॉग की कमी दिखाई।
इलेक्ट्रॉन माइक्रोग्राफ (चित्र 6) ई. कोलाई, साल्मोनेला एंटरिका और एल. इनोकुआ कोशिकाओं में ईडब्ल्यूएनएस द्वारा प्रेरित भौतिक परिवर्तनों को दर्शाता है, जिससे निष्क्रियता होती है। नियंत्रण बैक्टीरिया में बरकरार कोशिका झिल्ली दिखाई दी, जबकि उजागर बैक्टीरिया में बाहरी झिल्ली क्षतिग्रस्त हो गई थी।
नियंत्रित और उजागर बैक्टीरिया की इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपिक इमेजिंग से झिल्ली क्षति का पता चला।
अनुकूलित EWNS के भौतिक-रासायनिक गुणों पर डेटा सामूहिक रूप से दर्शाता है कि EWNS गुण (सतह आवेश और ROS सामग्री) पहले प्रकाशित EWNS बेसलाइन डेटा8,9,10,11 की तुलना में काफी बेहतर थे। दूसरी ओर, उनका आकार नैनोमीटर रेंज में रहा, जो पहले प्रकाशित परिणामों के समान ही है, जिससे वे लंबे समय तक हवा में रह सकते हैं। देखी गई पॉलीडिस्पर्सिटी को सतह के आवेश में परिवर्तन द्वारा समझाया जा सकता है, जो रेले प्रभाव, यादृच्छिकता और EWNS के संभावित विलय की मात्रा निर्धारित करता है। हालांकि, जैसा कि नीलसन एट अल.22 द्वारा विस्तृत किया गया है, उच्च सतही आवेश पानी की बूंद की सतही ऊर्जा/तनाव को प्रभावी रूप से बढ़ाकर वाष्पीकरण को कम करता है। हमारे पिछले प्रकाशन8 में माइक्रोड्रॉपलेट्स22 और EWNS के लिए इस सिद्धांत की प्रयोगात्मक रूप से पुष्टि की गई थी। ओवरटाइम का नुकसान भी आकार को प्रभावित कर सकता है और देखे गए आकार वितरण में योगदान कर सकता है।
इसके अलावा, परिस्थितियों के आधार पर प्रति संरचना चार्ज लगभग 22-44 ई- है, जो कि मूल ईडब्ल्यूएनएस की तुलना में काफी अधिक है, जिसमें प्रति संरचना 10 ± 2 इलेक्ट्रॉन का औसत चार्ज है। हालांकि, यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि यह ईडब्ल्यूएनएस का औसत चार्ज है। सेटो एट अल। यह दिखाया गया है कि चार्ज एक समान नहीं है और लॉग-नॉर्मल वितरण21 का पालन करता है। हमारे पिछले काम की तुलना में, सतह चार्ज को दोगुना करने से ईपीईएस प्रणाली में जमाव दक्षता लगभग 100%11 हो जाती है।