Շնորհակալություն Nature.com կայք այցելելու համար: Դուք օգտագործում եք սահմանափակ CSS աջակցությամբ դիտարկիչի տարբերակ: Լավագույն փորձի համար խորհուրդ ենք տալիս օգտագործել թարմացված դիտարկիչ (կամ անջատել համատեղելիության ռեժիմը Internet Explorer-ում): Բացի այդ, շարունակական աջակցությունն ապահովելու համար մենք կայքը ցուցադրում ենք առանց ոճերի և JavaScript-ի:
Վերջերս մշակվել է քիմիական նյութերից զերծ հակամանրէային հարթակ, որը հիմնված է նանոտեխնոլոգիայի վրա՝ օգտագործելով արհեստական ​​ջրային նանոկառուցվածքներ (EWNS): EWNS-ները ունեն բարձր մակերեսային լիցք և հարուստ են ռեակտիվ թթվածնային տեսակներով (ROS), որոնք կարող են փոխազդել և ապաակտիվացնել մի շարք միկրոօրգանիզմներ, այդ թվում՝ սննդային նանոկառուցվածքներ: Այստեղ ցույց է տրվում, որ սինթեզի ընթացքում դրանց հատկությունները կարող են ճշգրտվել և օպտիմալացվել՝ դրանց հակաբակտերիալ ներուժը հետագայում բարձրացնելու համար: EWNS լաբորատոր հարթակը նախագծվել է EWNS-ի հատկությունները ճշգրտելու համար՝ փոխելով սինթեզի պարամետրերը: EWNS հատկությունների բնութագրումը (լիցք, չափս և ROS պարունակություն) կատարվել է ժամանակակից վերլուծական մեթոդների միջոցով: Բացի այդ, սննդային միկրոօրգանիզմներ, ինչպիսիք են Escherichia coli-ն, Salmonella enterica-ն, Listeria innocua-ն, Mycobacterium para fortitum-ը և Saccharomyces cerevisiae-ն, ներարկվել են օրգանական խաղողի լոլիկի մակերեսին՝ դրանց մանրէային ապաակտիվացման ներուժը գնահատելու համար: Այստեղ ներկայացված արդյունքները ցույց են տալիս, որ EWNS-ի հատկությունները կարող են ճշգրտվել սինթեզի ընթացքում, ինչը հանգեցնում է ապաակտիվացման արդյունավետության էքսպոնենցիալ աճի: Մասնավորապես, մակերեսային լիցքը մեծացավ չորս անգամ, և ROS պարունակությունը մեծացավ: Մանրէների հեռացման արագությունը կախված էր մանրէից և տատանվում էր 1.0-ից մինչև 3.8 log՝ 40,000 #/սմ3 EWNS աէրոզոլի դեղաչափի 45 րոպե ազդեցությունից հետո:
Մանրէային աղտոտումը սննդային թունավորման հիմնական պատճառն է, որը առաջանում է հարուցիչների կամ դրանց տոքսինների կլանման հետևանքով: Սննդային թունավորումը միայն Միացյալ Նահանգներում տարեկան կազմում է մոտ 76 միլիոն հիվանդության, 325,000 հոսպիտալացման և 5,000 մահվան պատճառ1: Բացի այդ, Միացյալ Նահանգների Գյուղդեպարտամենտը (USDA) գնահատում է, որ թարմ մթերքների սպառման աճը պատասխանատու է Միացյալ Նահանգներում գրանցված բոլոր սննդային թունավորումների 48 տոկոսի համար2: Միացյալ Նահանգներում սննդային թունավորման հարուցիչներից հիվանդության և մահացության արժեքը շատ բարձր է, Հիվանդությունների վերահսկման և կանխարգելման կենտրոնների (CDC) կողմից գնահատվել է տարեկան ավելի քան 15.6 միլիարդ ԱՄՆ դոլար3:
Ներկայումս սննդի անվտանգությունն ապահովելու համար քիմիական4, ճառագայթային5 և ջերմային6 հակամանրէային միջամտությունները հիմնականում իրականացվում են արտադրական շղթայի սահմանափակ կրիտիկական վերահսկման կետերում (CCP) (սովորաբար բերքահավաքից հետո և/կամ փաթեթավորման ընթացքում), այլ ոչ թե անընդհատ իրականացվում են այնպես, որ թարմ մթերքը ենթարկվի խաչաձև աղտոտման7: Հակամանրէային միջամտությունները անհրաժեշտ են սննդային թունավորման և սննդի փչացման ավելի լավ վերահսկման համար և ունեն ներուժ կիրառելու ֆերմայից մինչև սեղան ամբողջ շարունակականությամբ: Ավելի քիչ ազդեցություն և ծախսեր:
Վերջերս մշակվել է նանոտեխնոլոգիայի վրա հիմնված քիմիական նյութերից զերծ հակամանրէային հարթակ՝ մակերեսների և օդի վրա առկա մանրէները անգործունակ դարձնելու համար՝ օգտագործելով արհեստական ​​ջրային նանոկառուցվածքներ (EWNS): EVNS-ի սինթեզի համար օգտագործվել են երկու զուգահեռ գործընթացներ՝ էլեկտրոցողում և ջրի իոնացում (Նկար 1ա): Նախկինում ցույց է տրվել, որ EWNS-ն ունի ֆիզիկական և կենսաբանական հատկությունների եզակի հավաքածու8,9,10: EWNS-ն ունի միջինում 10 էլեկտրոն մեկ կառուցվածքում և միջինում 25 նմ նանոմետր չափ (Նկար 1բ,գ)8,9,10: Բացի այդ, էլեկտրոնային սպինային ռեզոնանսը (ESR) ցույց տվեց, որ EWNS-ն պարունակում է մեծ քանակությամբ ռեակտիվ թթվածնային տեսակներ (ROS), հիմնականում հիդրօքսիլ (OH•) և սուպերօքսիդ (O2-) ռադիկալներ (Նկար 1գ)8: EWNS-ը երկար ժամանակ մնացել է օդում և կարող է բախվել օդում կախված և մակերեսների վրա առկա մանրէների հետ՝ մատակարարելով նրանց ROS օգտակար բեռը և առաջացնելով մանրէային անգործունակություն (Նկար 1դ): Այս նախորդ ուսումնասիրությունները նաև ցույց են տվել, որ EWNS-ը կարող է փոխազդել և ապաակտիվացնել հանրային առողջության համար կարևոր տարբեր գրամ-բացասական և գրամ-դրական մանրէներ, այդ թվում՝ միկոբակտերիաներ, մակերեսների վրա և օդում8,9: Տրանսմիսիոն էլեկտրոնային մանրադիտակը ցույց է տվել, որ ապաակտիվացումը պայմանավորված է բջջային թաղանթի խզմամբ: Բացի այդ, սուր ինհալացիոն ուսումնասիրությունները ցույց են տվել, որ EWNS-ի բարձր չափաբաժինները չեն առաջացնում թոքերի վնաս կամ բորբոքում8:
(ա) Էլեկտրական ցողումը տեղի է ունենում, երբ բարձր լարում է կիրառվում հեղուկ պարունակող մազանոթի և հակաէլեկտրոդի միջև։ (բ) Բարձր լարման կիրառումը հանգեցնում է երկու տարբեր երևույթների՝ (i) ջրի էլեկտրոցողում և (ii) ռեակտիվ թթվածնային տեսակների (իոնների) առաջացում, որոնք հայտնվում են EWNS-ում։ (գ) EWNS-ի եզակի կառուցվածքը։ (դ) EWNS-ները բարձր շարժունակություն ունեն իրենց նանոմասշտաբային բնույթի շնորհիվ և կարող են փոխազդել օդային պաթոգենների հետ։
Վերջերս նաև ցույց է տրվել EWNS հակամանրէային հարթակի՝ թարմ սննդի մակերեսին սննդային միկրոօրգանիզմները ապաակտիվացնելու ունակությունը: Նաև ցույց է տրվել, որ EWNS մակերեսային լիցքը կարող է օգտագործվել էլեկտրական դաշտի հետ համատեղ՝ նպատակային առաքման համար: Ավելի կարևոր է, որ մոտավորապես 50,000#/cm311 կոնցենտրացիայի դեպքում EWNS-ին ենթարկվելուց 90 րոպե անց դիտարկվել է օրգանական լոլիկի ակտիվության մոտավորապես 1.4 լոգարիթմական նվազման խոստումնալից նախնական արդյունք՝ տարբեր սննդային միկրոօրգանիզմների, ինչպիսիք են E. coli-ն և Listeria-ն, նկատմամբ: Բացի այդ, նախնական օրգանոլեպտիկ գնահատման թեստերը չեն ցույց տվել օրգանոլեպտիկ ազդեցություն՝ համեմատած վերահսկիչ լոլիկի հետ: Չնայած այս սկզբնական ապաակտիվացման արդյունքները խոստանում են սննդի անվտանգություն նույնիսկ EWNS-ի շատ ցածր՝ 50,000#/cc դեղաչափերի դեպքում, պարզ է, որ ավելի բարձր ապաակտիվացման ներուժն ավելի օգտակար կլինի վարակի և փչացման ռիսկը հետագայում նվազեցնելու համար:
Այստեղ մենք մեր հետազոտությունը կկենտրոնացնենք EWNS սերնդի հարթակի մշակման վրա՝ սինթեզի պարամետրերը կատարելագործելու և EWNS-ի ֆիզիկաքիմիական հատկությունները օպտիմալացնելու՝ դրանց հակաբակտերիալ ներուժը բարձրացնելու համար: Մասնավորապես, օպտիմալացումը կենտրոնացել է դրանց մակերեսային լիցքի ավելացման վրա (նպատակային մատակարարումը բարելավելու համար) և ROS պարունակության (ինակտիվացման արդյունավետությունը բարելավելու համար): Ֆիզիկաքիմիական հատկությունների (չափս, լիցք և ROS պարունակություն) օպտիմալացված բնութագրում՝ օգտագործելով ժամանակակից վերլուծական մեթոդներ և սննդային տարածված միկրոօրգանիզմներ, ինչպիսիք են E. coli-ն, S. enterica-ն, L. innocua-ն, S. cerevisiae-ն և M. parafortuitum-ը:
EVNS-ը սինթեզվել է բարձր մաքրության ջրի (18 ՄΩ սմ–1) միաժամանակյա էլեկտրոցողման և իոնացման միջոցով: Էլեկտրական ատոմիզատոր 12-ը սովորաբար օգտագործվում է հեղուկների, սինթետիկ պոլիմերների և կերամիկական մասնիկների 13 և վերահսկվող չափի մանրաթելերի 14 ատոմիզացման համար:
Ինչպես մանրամասն նկարագրված է նախորդ հրապարակումներում՝ 8, 9, 10, 11, տիպիկ փորձի ժամանակ մետաղական մազանոթի և հողանցված հակաէլեկտրոդի միջև կիրառվում է բարձր լարում: Այս գործընթացի ընթացքում տեղի են ունենում երկու տարբեր երևույթներ՝ 1) էլեկտրոցողում և 2) ջրի իոնացում: Երկու էլեկտրոդների միջև ուժեղ էլեկտրական դաշտը առաջացնում է բացասական լիցքերի կուտակում խտացրած ջրի մակերեսին, ինչը հանգեցնում է Թեյլորի կոների առաջացմանը: Արդյունքում առաջանում են բարձր լիցքավորված ջրի կաթիլներ, որոնք շարունակում են քայքայվել ավելի փոքր մասնիկների՝ համաձայն Ռելեյի տեսության16: Միաժամանակ ուժեղ էլեկտրական դաշտը ստիպում է ջրի որոշ մոլեկուլների բաժանվել և պոկել էլեկտրոնները (իոնացում), այդպիսով առաջացնելով մեծ քանակությամբ ռեակտիվ թթվածնային տեսակներ (ROS)17: Միաժամանակ ստեղծված ROS18 փաթեթները պարկուճավորվել են EWNS-ում (Նկար 1c):
Նկար 2ա-ում պատկերված է EWNS սինթեզում մշակված և այս ուսումնասիրության մեջ օգտագործված EWNS սինթեզի համար օգտագործված EWNS գեներացիայի համակարգը: Փակ շշի մեջ պահվող մաքրված ջուրը տեֆլոնե խողովակի (2 մմ ներքին տրամագծով) միջոցով մատակարարվել է 30G չժանգոտվող պողպատե ասեղի (մետաղական մազանոթ): Ինչպես ցույց է տրված նկար 2բ-ում, ջրի հոսքը կարգավորվում է շշի ներսում գտնվող օդի ճնշմամբ: Ասեղը ամրացված է տեֆլոնե կոնսոլին, որը կարող է ձեռքով կարգավորվել որոշակի հեռավորության վրա հակադարձ էլեկտրոդից: Հակառակ էլեկտրոդը հղկված ալյումինե սկավառակ է՝ մեջտեղում անցքով՝ նմուշառման համար: Հակառակ էլեկտրոդի տակ գտնվում է ալյումինե նմուշառման ձագար, որը միացված է փորձարարական համակարգի մնացած մասին նմուշառման անցքի միջոցով (Նկար 2բ): Նմուշառման բոլոր բաղադրիչները էլեկտրականորեն հողանցված են՝ լիցքի կուտակումից խուսափելու համար, որը կարող է խաթարել մասնիկների նմուշառումը:
(ա) Ջրի ինժիներական նանոկառուցվածքային ստեղծման համակարգ (EWNS): (բ) Նմուշառիչի և էլեկտրոցողման սարքի լայնական կտրվածքը ցույց է տալիս ամենակարևոր պարամետրերը: (գ) Բակտերիաների ինակտիվացման փորձարարական կարգավորում:
Վերը նկարագրված EWNS գեներացման համակարգը կարող է փոխել հիմնական աշխատանքային պարամետրերը՝ EWNS հատկությունների նուրբ կարգավորումը հեշտացնելու համար: Կարգավորեք կիրառվող լարումը (V), ասեղի և հակադարձ էլեկտրոդի միջև հեռավորությունը (L) և ջրի հոսքը (φ) մազանոթի միջով՝ EWNS բնութագրերը նուրբ կարգավորելու համար: Տարբեր համակցությունները նշելու համար օգտագործվում են [V (կՎ), L (սմ)] նշանները: Կարգավորեք ջրի հոսքը՝ որոշակի հավաքածուի [V, L] կայուն Թեյլորի կոն ստանալու համար: Այս ուսումնասիրության նպատակների համար հակադարձ էլեկտրոդի (D) բացվածքը սահմանվել է 0.5 դյույմ (1.29 սմ):
Սահմանափակ երկրաչափության և ասիմետրիայի պատճառով էլեկտրական դաշտի ուժգնությունը հնարավոր չէ հաշվարկել առաջին սկզբունքներից։ Դրա փոխարեն, էլեկտրական դաշտը հաշվարկելու համար օգտագործվել է QuickField™ ծրագիրը (Սվենդբորգ, Դանիա)19: Էլեկտրական դաշտը միատարր չէ, ուստի մազանոթի ծայրին գտնվող էլեկտրական դաշտի արժեքը օգտագործվել է որպես հղման արժեք տարբեր կոնֆիգուրացիաների համար։
Ուսումնասիրության ընթացքում գնահատվել են ասեղի և հակադարձ էլեկտրոդի միջև լարման և հեռավորության մի քանի համադրություններ՝ Թեյլորի կոնի ձևավորման, Թեյլորի կոնի կայունության, EWNS արտադրության կայունության և վերարտադրելիության տեսանկյունից: Տարբեր համադրություններ ներկայացված են լրացուցիչ աղյուսակ S1-ում:
EWNS գեներացման համակարգի ելքային ազդանշանը անմիջապես միացված էր սկանավորող շարժունակության մասնիկների չափիչին (SMPS, մոդել 3936, TSI, Shoreview, Minnesota)՝ մասնիկների քանակի կոնցենտրացիան չափելու համար, և օգտագործվել է Faraday aerosol electrometer-ի հետ (TSI, մոդել 3068B, Shoreview, USA, MN)՝ աէրոզոլի հոսքերը չափելու համար, ինչպես նկարագրված է մեր նախորդ հրապարակման մեջ9: SMPS-ը և աէրոզոլային էլեկտրոմետրը նմուշառվել են 0.5 լ/րոպե հոսքի արագությամբ (ընդհանուր նմուշի հոսք՝ 1 լ/րոպե): Մասնիկների կոնցենտրացիաները և աէրոզոլի հոսքերը չափվել են 120 վայրկյան: Կրկնել չափումը 30 անգամ: Աէրոզոլի ընդհանուր լիցքը հաշվարկվում է ընթացիկ չափումներից, իսկ EWNS միջին լիցքը գնահատվում է EWNS նմուշառված մասնիկների ընդհանուր քանակից: EWNS-ի միջին արժեքը կարող է հաշվարկվել (1) հավասարման միջոցով:
որտեղ IEl-ը չափված հոսանքն է, NSMPS-ը՝ SMPS-ով չափված թվային կոնցենտրացիան, իսկ φEl-ը՝ դեպի էլեկտրոմետր հոսքի արագությունը։
Քանի որ հարաբերական խոնավությունը (RH) ազդում է մակերևութային լիցքի վրա, փորձի ընթացքում ջերմաստիճանը և (RH)-ն պահպանվել են հաստատուն՝ համապատասխանաբար 21°C և 45% ջերմաստիճաններում։
Ատոմային ուժային մանրադիտակը (AFM), Asylum MFP-3D-ն (Asylum Research, Սանտա Բարբարա, Կալիֆոռնիա) և AC260T զոնդը (Olympus, Տոկիո, Ճապոնիա) օգտագործվել են EWNS-ի չափը և կյանքի տևողությունը չափելու համար: AFM սկանավորման հաճախականությունը 1 Հց է, իսկ սկանավորման մակերեսը՝ 5 µմ × 5 µմ՝ 256 սկանավորման գծերով: Բոլոր պատկերները ենթարկվել են առաջին կարգի պատկերի հավասարեցման՝ օգտագործելով Asylum ծրագրակազմը (դիմակ՝ 100 նմ տիրույթով և 100 պմ շեմով):
Հեռացրեք նմուշառման ձագարը և տեղադրեք փայլարի մակերեսը հակադարձ էլեկտրոդից 2.0 սմ հեռավորության վրա միջինում 120 վայրկյան ժամանակով՝ մասնիկների միաձուլումից և փայլարի մակերեսին անկանոն կաթիլների առաջացումից խուսափելու համար: EWNS-ը կիրառվել է անմիջապես թարմ կտրված փայլարի մակերեսների վրա (Թեդ Պելլա, Ռեդինգ, Կալիֆոռնիա): Ցողելուց անմիջապես հետո փայլարի մակերեսը տեսանելի է դարձել AFM-ի միջոցով: Թարմ կտրված չփոփոխված փայլարի մակերեսի շփման անկյունը մոտ է 0°-ի, ուստի EWNS-ը տարածվում է փայլարի մակերեսի վրայով գմբեթաձև20: Դիֆուզիոն կաթիլների տրամագիծը (a) և բարձրությունը (h) չափվել են անմիջապես AFM տեղագրությունից և օգտագործվել են EWNS գմբեթաձև դիֆուզիոն ծավալը հաշվարկելու համար՝ օգտագործելով մեր նախկինում վավերացված մեթոդը8: Ենթադրելով, որ ներկառուցված EVNS-ն ունի նույն ծավալը, համարժեք տրամագիծը կարող է հաշվարկվել (2) հավասարումից.
Մեր նախկինում մշակված մեթոդի համաձայն, EWNS-ում կարճատև ռադիկալ միջանկյալ նյութերի առկայությունը հայտնաբերելու համար օգտագործվել է էլեկտրոնային սպինային ռեզոնանսի (ESR) սպինային թակարդ։ Աէրոզոլները անցկացվել են 235 մՄ DEPMPO (5-(դիէթօքսիֆոսֆորիլ)-5-մեթիլ-1-պիրոլինի-N-օքսիդ) պարունակող լուծույթի միջով (Oxis International Inc., Պորտլենդ, Օրեգոն)։ Բոլոր EPR չափումները կատարվել են Bruker EMX սպեկտրոմետրի (Bruker Instruments Inc. Billerica, Մասաչուսեթս, ԱՄՆ) և հարթ բջջային զանգվածների միջոցով։ Տվյալները հավաքելու և վերլուծելու համար օգտագործվել է Acquisit ծրագիրը (Bruker Instruments Inc. Billerica, Մասաչուսեթս, ԱՄՆ)։ ROS բնութագրումը կատարվել է միայն աշխատանքային պայմանների մի շարքի համար [-6.5 կՎ, 4.0 սմ]։ EWNS կոնցենտրացիաները չափվել են SMPS-ի միջոցով՝ հաշվի առնելով EWNS-ի կորուստը հարվածային սարքում։
Օզոնի մակարդակը վերահսկվել է 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Boulder, Co)8,9,10 սարքի միջոցով։
Բոլոր EWNS հատկությունների համար չափման արժեքը չափումների միջինն է, իսկ չափման սխալը՝ ստանդարտ շեղումը: Կատարվել է t-թեստ՝ օպտիմիզացված EWNS ատրիբուտի արժեքը բազային EWNS-ի համապատասխան արժեքի հետ համեմատելու համար:
Նկար 2c-ն ցույց է տալիս նախկինում մշակված և բնութագրված էլեկտրաստատիկ տեղումների անցման համակարգ (EPES), որը կարող է օգտագործվել EWNS11-ը մակերեսներին ուղղորդելու համար: EPES-ը օգտագործում է EWNS լիցք՝ ուժեղ էլեկտրական դաշտի հետ համատեղ՝ թիրախի մակերեսին ուղղակիորեն «ուղղորդելու» համար: EPES համակարգի մանրամասները ներկայացված են Պիրգիոտակիսի և այլոց վերջերս հրապարակված հրատարակությունում: Այսպիսով, EPES-ը բաղկացած է 3D տպագրված PVC խցիկից՝ կոնաձև ծայրերով, որոնք պարունակում են երկու զուգահեռ չժանգոտվող պողպատե (304 չժանգոտվող պողպատ, հայելային փայլեցված) մետաղական թիթեղներ մեջտեղում՝ միմյանցից 15.24 սմ հեռավորության վրա: Տախտակները միացված էին արտաքին բարձր լարման աղբյուրի (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY), ներքևի տախտակը միշտ դրական էր, իսկ վերին տախտակը՝ միշտ հողանցված (լողացող): Խցիկի պատերը ծածկված են ալյումինե փայլաթիթեղով, որը էլեկտրականորեն հողանցված է՝ մասնիկների կորուստը կանխելու համար: Խցիկն ունի կնքված առջևի բեռնման դուռ, որը թույլ է տալիս փորձարկման մակերեսները տեղադրել պլաստիկե դարակների վրա՝ դրանք բարձրացնելով ներքևի մետաղական թիթեղից՝ բարձր լարման միջամտությունից խուսափելու համար:
EPES-ում EWNS-ի նստեցման արդյունավետությունը հաշվարկվել է նախկինում մշակված արձանագրության համաձայն, որը մանրամասն ներկայացված է լրացուցիչ նկար S111-ում։
Որպես կառավարման խցիկ, գլանաձև խցիկի միջով անցնող երկրորդ հոսքը միացված է EPES համակարգին միջանկյալ HEPA ֆիլտրի միջոցով՝ EWNS-ը հեռացնելու համար: Ինչպես ցույց է տրված նկար 2c-ում, EWNS աէրոզոլը մղվել է երկու հաջորդաբար միացված խցիկների միջով: Կառավարման սենյակի և EPES-ի միջև գտնվող ֆիլտրը հեռացնում է մնացած EWNS-ը, ինչի արդյունքում ստացվում են նույն ջերմաստիճանը (T), հարաբերական խոնավությունը (RH) և օզոնի մակարդակը:
Թարմ մթերքները աղտոտում են սննդային կարևոր միկրոօրգանիզմներ, ինչպիսիք են՝ Escherichia coli-ն (ATCC #27325), կղանքի ինդիկատոր, Salmonella enterica-ն (ATCC #53647), սննդային հարուցիչ, Listeria innocua-ն (ATCC #33090), որը պաթոգեն Listeria monocytogenes-ի այլընտրանք է։ ATCC-ից (Մանասաս, Վիրջինիա) գնվել են Saccharomyces cerevisiae-ն (ATCC #4098)՝ որպես փչացնող խմորիչի այլընտրանք, և Mycobacterium parafortuitous-ը (ATCC #19686)՝ որպես ավելի դիմացկուն կենդանի մանրէ։
Պատահականորեն գնեք օրգանական խաղողի լոլիկի տուփեր ձեր տեղական շուկայից և մինչև օգտագործելը (մինչև 3 օր) պահեք սառնարանում 4°C ջերմաստիճանում: Ընտրեք լոլիկներ՝ փորձարկելու համար մեկ չափսի, մոտ 1/2 դյույմ տրամագծով:
Ինկուբացիայի, պատվաստման, ազդեցության և գաղութների հաշվարկի արձանագրությունները մանրամասն նկարագրված են մեր նախորդ հրապարակումներում և մանրամասն բացատրված են Լրացուցիչ տվյալներ 11-ում: EWNS-ի աշխատանքը գնահատվել է՝ պատվաստված լոլիկները 45 րոպե 40,000 #/cm3 ենթարկելով: Հակիրճ ասած, t = 0 րոպե ժամանակում երեք լոլիկ օգտագործվել է գոյատևող միկրոօրգանիզմները գնահատելու համար: Երեք լոլիկ տեղադրվել է EPES-ում և ենթարկվել EWNS-ի 40,000 #/cc կշռով (EWNS-ին ենթարկված լոլիկներ), իսկ երեք այլ լոլիկներ տեղադրվել են վերահսկիչ խցիկում (վերահսկիչ լոլիկներ): Լոլիկի խմբերից ոչ մեկը լրացուցիչ մշակման չի ենթարկվել: EWNS-ին ենթարկված լոլիկները և վերահսկիչները հեռացվել են 45 րոպե անց՝ EWNS-ի ազդեցությունը գնահատելու համար:
Յուրաքանչյուր փորձ իրականացվել է եռակի։ Տվյալների վերլուծությունը կատարվել է լրացուցիչ տվյալներում նկարագրված արձանագրության համաձայն։
E. coli, Enterobacter և L. innocua բակտերիալ նմուշները, որոնք ենթարկվել են EWNS-ին (45 րոպե, EWNS աէրոզոլի կոնցենտրացիան՝ 40,000 #/cm3) և չեն ենթարկվել, հատիկավորվել են՝ ապաակտիվացման մեխանիզմները գնահատելու համար: Նստվածքը ֆիքսվել է 2 ժամ սենյակային ջերմաստիճանում 0.1 Մ նատրիումի կոկոդիլատի լուծույթում (pH 7.4)՝ 2.5% գլուտարալդեհիդի, 1.25% պարաֆորմալդեհիդի և 0.03% պիկրինաթթվի ֆիքսատորով: Լվանալուց հետո դրանք ֆիքսվել են 1% օսմիումի տետրօքսիդով (OsO4)/1.5% կալիումի ֆերոցիանիդով (KFeCN6) 2 ժամ, լվացվել են 3 անգամ ջրով և ինկուբացվել 1% ուրանիլացետատում 1 ժամ, ապա երկու անգամ լվացվել ջրով: Հետագա ջրազրկումը տևել է 10 րոպե՝ յուրաքանչյուրը 50%, 70%, 90%, 100% սպիրտով: Այնուհետև նմուշները 1 ժամով տեղադրվել են պրոպիլենօքսիդի մեջ և ներծծվել պրոպիլենօքսիդի և TAAP Epon-ի (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA) 1:1 խառնուրդով։ Նմուշները տեղադրվել են TAAB Epon-ի մեջ և պոլիմերացվել 60°C ջերմաստիճանում 48 ժամ։ Չորացրած հատիկավոր խեժը կտրվել և տեսողականացվել է TEM-ի միջոցով՝ օգտագործելով JEOL 1200EX (JEOL, Տոկիո, Ճապոնիա), որը AMT 2k CCD տեսախցիկով հագեցած ավանդական թափանցելի էլեկտրոնային մանրադիտակ է (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, MA, ԱՄՆ)։
Բոլոր փորձերը կատարվել են եռակի։ Յուրաքանչյուր ժամանակային կետի համար մանրէային լվացումները տեղադրվել են եռակի, որի արդյունքում յուրաքանչյուր կետում ստացվել է ընդհանուր առմամբ ինը տվյալ կետ, որոնց միջինը օգտագործվել է որպես տվյալ օրգանիզմի մանրէային կոնցենտրացիա։ Ստանդարտ շեղումը օգտագործվել է որպես չափման սխալ։ Բոլոր կետերը հաշվվում են։
Բակտերիաների կոնցենտրացիայի նվազման լոգարիթմը t = 0 րոպեի համեմատ հաշվարկվել է հետևյալ բանաձևով.
որտեղ C0-ն վերահսկիչ նմուշում մանրէների կոնցենտրացիան է 0 պահի դրությամբ (այսինքն՝ մակերեսի չորացումից հետո, բայց խցիկում տեղադրելուց առաջ), իսկ Cn-ը՝ մակերեսի վրա մանրէների կոնցենտրացիան n րոպե ազդեցությունից հետո։
45 րոպեանոց ազդեցության ժամանակահատվածում մանրէների բնական քայքայումը հաշվի առնելու համար, 45 րոպեում վերահսկիչ խմբի համեմատությամբ հաշվարկվել է նաև լոգարիթմական նվազեցումը հետևյալ կերպ.
Որտեղ Cn-ը վերահսկիչ նմուշում մանրէների կոնցենտրացիան է n ժամանակում, իսկ Cn-Control-ը՝ վերահսկիչ մանրէների կոնցենտրացիան n ժամանակում։ Տվյալները ներկայացված են որպես լոգարիթմական նվազում՝ համեմատած վերահսկիչ նմուշի հետ (առանց EWNS ազդեցության)։
Ուսումնասիրության ընթացքում գնահատվել են ասեղի և հակադարձ էլեկտրոդի միջև լարման և հեռավորության մի քանի համադրություններ՝ Թեյլորի կոնի ձևավորման, Թեյլորի կոնի կայունության, EWNS արտադրության կայունության և վերարտադրելիության տեսանկյունից: Տարբեր համադրություններ ներկայացված են լրացուցիչ S1 աղյուսակում: Ամբողջական ուսումնասիրության համար ընտրվել են երկու դեպք, որոնք ցույց են տալիս կայուն և վերարտադրելի հատկություններ (Թեյլորի կոն, EWNS արտադրություն և կայունություն ժամանակի ընթացքում): Նկար 3-ում ներկայացված են ROS-ի լիցքի, չափի և պարունակության վերաբերյալ արդյունքները երկու դեպքերի համար: Արդյունքները նաև ամփոփված են աղյուսակ 1-ում: Հղման համար, Նկար 3-ը և Աղյուսակ 1-ը ներառում են նախկինում սինթեզված ոչ օպտիմալացված EWNS8, 9, 10, 11 (բազային EWNS) հատկությունները: Երկկողմանի t-փորձարկման միջոցով վիճակագրական նշանակալիության հաշվարկները վերահրատարակվել են լրացուցիչ S2 աղյուսակում: Բացի այդ, լրացուցիչ տվյալները ներառում են հակադարձ էլեկտրոդի նմուշառման անցքի տրամագծի (D) և հողանցման էլեկտրոդի ու ասեղի ծայրի (L) միջև հեռավորության ազդեցության վերաբերյալ ուսումնասիրություններ (Լրացուցիչ Նկարներ S2 և S3):
(a–c) AFM չափերի բաշխում։ (d – f) Մակերևութային լիցքի բնութագիր։ (g) ROS-ի և ESR-ի բնութագրում։
Կարևոր է նաև նշել, որ վերը նշված բոլոր պայմաններում չափված իոնացման հոսանքները եղել են 2-6 µA միջակայքում, իսկ լարումները՝ -3.8-ից մինչև -6.5 կՎ միջակայքում, ինչի արդյունքում այս միաեզր EWNS-ի էներգիայի սպառումը կազմել է 50 մՎտ-ից պակաս։ Չնայած EWNS-ը սինթեզվել է բարձր ճնշման տակ, օզոնի մակարդակը շատ ցածր է եղել՝ երբեք չգերազանցելով 60 ppb-ը։
Լրացուցիչ նկար S4-ը ցույց է տալիս համապատասխանաբար [-6.5 կՎ, 4.0 սմ] և [-3.8 կՎ, 0.5 սմ] սցենարների համար մոդելավորված էլեկտրական դաշտերը: [-6.5 կՎ, 4.0 սմ] և [-3.8 կՎ, 0.5 սմ] սցենարների համաձայն դաշտերը հաշվարկվել են համապատասխանաբար 2 × 105 Վ/մ և 4.7 × 105 Վ/մ: Սա սպասելի է, քանի որ երկրորդ դեպքում լարման և հեռավորության հարաբերակցությունը շատ ավելի բարձր է:
Նկար 3ա,բ-ում ցույց է տրված AFM8-ով չափված EWNS տրամագիծը: [-6.5 կՎ, 4.0 սմ] և [-3.8 կՎ, 0.5 սմ] սցենարների միջին EWNS տրամագծերը հաշվարկվել են համապատասխանաբար 27 նմ և 19 նմ: [-6.5 կՎ, 4.0 սմ] և [-3.8 կՎ, 0.5 սմ] դեպքերի բաշխումների երկրաչափական ստանդարտ շեղումները համապատասխանաբար 1.41 և 1.45 են, ինչը ցույց է տալիս նեղ չափերի բաշխում: Միջին չափը և երկրաչափական ստանդարտ շեղումը շատ մոտ են բազային EWNS-ին՝ համապատասխանաբար 25 նմ և 1.41: Նկար 3գ-ում ցույց է տրված բազային EWNS-ի չափերի բաշխումը, որը չափվել է նույն մեթոդով նույն պայմաններում:
Նկար 3d,e-ում ցույց են տրված լիցքի բնութագրման արդյունքները: Տվյալները կոնցենտրացիայի (#/cm3) և հոսանքի (I) 30 միաժամանակյա չափումների միջին չափումներ են: Վերլուծությունը ցույց է տալիս, որ EWNS-ի միջին լիցքը համապատասխանաբար 22 ± 6 e- և 44 ± 6 e- է [-6.5 կՎ, 4.0 սմ] և [-3.8 կՎ, 0.5 սմ] համար: Համեմատած բազային EWNS-ի հետ (10 ± 2 e-), դրանց մակերեսային լիցքը զգալիորեն ավելի բարձր է, կրկնակի ավելի, քան [-6.5 կՎ, 4.0 սմ] սցենարում և չորս անգամ ավելի, քան [-3.8 կՎ, 0.5 սմ] սցենարում: 3f-ը ցույց է տալիս EWNS վճարման հիմնական տվյալները:
EWNS թվային կոնցենտրացիաների քարտեզներից (Լրացուցիչ նկարներ S5 և S6) կարելի է տեսնել, որ [-6.5 կՎ, 4.0 սմ] տեսարանում մասնիկների քանակը զգալիորեն ավելի մեծ է, քան [-3.8 կՎ, 0.5 սմ] տեսարանում։ Պետք է նաև նշել, որ EWNS թվային կոնցենտրացիաները վերահսկվել են մինչև 4 ժամ (Լրացուցիչ նկարներ S5 և S6), որտեղ EWNS սերնդի կայունությունը երկու դեպքում էլ ցույց է տվել մասնիկների թվային կոնցենտրացիաների նույն մակարդակները։
Նկար 3g-ն ցույց է տալիս EPR սպեկտրը [-6.5 կՎ, 4.0 սմ]-ում օպտիմիզացված EWNS-ի համար վերահսկողության (ֆոնային) հանումից հետո: ROS սպեկտրը նաև համեմատվում է նախկինում հրապարակված հոդվածում EWNS բազային գծի հետ: Սպինային թակարդի հետ արձագանքող EWNS-ների հաշվարկված քանակը կազմում է 7.5 × 104 EWNS/վ, որը նման է նախկինում հրապարակված Baseline-EWNS8-ին: EPR սպեկտրները հստակ ցույց են տվել ROS-ի երկու տեսակի առկայությունը, որտեղ գերակշռում էր O2-ը, մինչդեռ OH•-ը առկա էր ավելի փոքր քանակությամբ: Բացի այդ, գագաթնակետային ինտենսիվությունների ուղղակի համեմատությունը ցույց է տվել, որ օպտիմիզացված EWNS-ն ուներ զգալիորեն ավելի բարձր ROS պարունակություն՝ համեմատած բազային EWNS-ի հետ:
Նկար 4-ում ցույց է տրված EWNS-ի նստեցման արդյունավետությունը EPES-ում: Տվյալները նաև ամփոփված են աղյուսակ 1-ում և համեմատված են EWNS-ի սկզբնական տվյալների հետ: Երկու EUNS դեպքերում էլ նստեցումը մոտ էր 100%-ի նույնիսկ 3.0 կՎ ցածր լարման դեպքում: Սովորաբար, 3.0 կՎ-ն բավարար է 100% նստեցման հասնելու համար՝ անկախ մակերեսային լիցքի փոփոխությունից: Նույն պայմաններում, Baseline-EWNS-ի նստեցման արդյունավետությունը կազմում էր ընդամենը 56%՝ ցածր լիցքի պատճառով (միջինում 10 էլեկտրոն մեկ EWNS-ի համար):
Նկար 5-ը և աղյուսակ 2-ը ամփոփում են լոլիկի մակերեսին պատվաստված միկրոօրգանիզմների ինակտիվացման աստիճանը մոտավորապես 40,000 #/սմ3 EWNS-ին 45 րոպե ենթարկվելուց հետո՝ օպտիմալ սցենարի դեպքում [-6.5 կՎ, 4.0 սմ]: Պատվաստված E. coli-ն և L. innocua-ն ցույց տվեցին 3.8 լոգարիթմական զգալի նվազում 45 րոպե ազդեցությունից հետո: Նույն պայմաններում S. enterica-ն ցույց տվեց ավելի ցածր՝ 2.2 լոգարիթմական նվազում, մինչդեռ S. cerevisiae-ն և M. parafortuitum-ը՝ 1.0 լոգարիթմական նվազում:
Էլեկտրոնային միկրոֆոտոներ (Նկար 6), որոնք պատկերում են E. coli, Salmonella enterica և L. innocua բջիջներում EWNS-ի կողմից առաջացած ֆիզիկական փոփոխությունները, որոնք հանգեցրել են ինակտիվացման: Վերահսկիչ մանրէները ցույց էին տալիս ամբողջական բջջային թաղանթներ, մինչդեռ ենթարկված մանրէներն ունեին վնասված արտաքին թաղանթներ:
Վերահսկիչ և ենթարկված բակտերիաների էլեկտրոնային մանրադիտակային պատկերումը բացահայտեց թաղանթի վնասվածք։
Օպտիմիզացված EWNS-ի ֆիզիկաքիմիական հատկությունների վերաբերյալ տվյալները միասին ցույց են տալիս, որ EWNS հատկությունները (մակերեսային լիցքը և ROS պարունակությունը) զգալիորեն բարելավվել են նախկինում հրապարակված EWNS բազային տվյալների համեմատ8,9,10,11: Մյուս կողմից, դրանց չափը մնացել է նանոմետրերի սահմաններում, ինչը շատ նման է նախկինում հրապարակված արդյունքներին, թույլ տալով դրանց մնալ օդում երկար ժամանակ: Դիտարկված պոլիդիսպերսիան կարելի է բացատրել մակերեսային լիցքի փոփոխություններով, որոնք որոշում են Ռելեյի էֆեկտի մեծությունը, պատահականությունը և EWNS-ի պոտենցիալ միաձուլումը: Այնուամենայնիվ, ինչպես մանրամասն նկարագրել են Նիլսենը և այլք22, բարձր մակերեսային լիցքը նվազեցնում է գոլորշիացումը՝ արդյունավետորեն մեծացնելով ջրի կաթիլի մակերեսային էներգիան/լարվածությունը: Այս տեսությունը փորձարարականորեն հաստատվել է միկրոկաթիլների22 և EWNS-ի համար մեր նախորդ հրապարակման մեջ8: Ժամանակի ընթացքում կորուստը նույնպես կարող է ազդել չափի վրա և նպաստել դիտարկվող չափերի բաշխմանը:
Բացի այդ, կառուցվածքի լիցքը կազմում է մոտ 22–44 e-՝ կախված հանգամանքներից, ինչը զգալիորեն ավելի բարձր է հիմնական EWNS-ի համեմատ, որն ունի միջինը 10 ± 2 էլեկտրոն մեկ կառուցվածքի համար։ Այնուամենայնիվ, պետք է նշել, որ սա EWNS-ի միջին լիցքն է։ Սետո և այլք։ Ապացուցված է, որ լիցքը միատարր չէ և հետևում է լոգարիթմական նորմալ բաշխմանը21։ Մեր նախորդ աշխատանքի համեմատ, մակերևութային լիցքի կրկնապատկումը կրկնապատկում է EPES համակարգում նստեցման արդյունավետությունը՝ հասցնելով այն գրեթե 100%-ի11։