Nature.com сайтына кіргеніңіз үшін рахмет. Сіз шектеулі CSS қолдауы бар шолғыш нұсқасын пайдаланып жатырсыз. Ең жақсы тәжірибе үшін жаңартылған шолғышты пайдалануды ұсынамыз (немесе Internet Explorer шолғышында үйлесімділік режимін өшіріңіз). Оған қоса, тұрақты қолдауды қамтамасыз ету үшін біз сайтты стильсіз және JavaScriptсіз көрсетеміз.
Жақында жасанды су наноқұрылымдарын (EWNS) пайдалана отырып, нанотехнологияға негізделген химиялық қоспасыз микробқа қарсы платформа әзірленді. EWNS жоғары беттік зарядқа ие және бірқатар микроорганизмдермен, соның ішінде тағамдық қоздырғыштармен әрекеттесе алатын және белсендірмейтін реактивті оттегі түрлеріне (ROS) бай. Мұнда олардың синтез кезіндегі қасиеттерінің бактерияға қарсы әлеуетін одан әрі арттыру үшін дәл баптауға және оңтайландыруға болатыны көрсетілген. EWNS зертханалық платформасы синтез параметрлерін өзгерту арқылы EWNS қасиеттерін дәл реттеуге арналған. EWNS қасиеттерін (заряд, өлшем және ROS мазмұны) сипаттау заманауи аналитикалық әдістерді қолдану арқылы орындалды. Сонымен қатар, микробтық инактивация әлеуетін бағалау үшін органикалық жүзім қызанақтарының бетіне Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocua, Mycobacterium para fortitum және Saccharomyces cerevisiae сияқты тағамдық микроорганизмдер егілді. Мұнда ұсынылған нәтижелер EWNS қасиеттерін синтез кезінде дәл баптауға болатынын көрсетеді, нәтижесінде инактивация тиімділігінің экспоненциалды жоғарылауы болады. Атап айтқанда, беттік заряд төрт есеге артып, ROS мазмұны өсті. Микробты жою жылдамдығы микробқа тәуелді болды және 40 000 #/см3 EWNS аэрозоль дозасына 45 минут әсер еткеннен кейін 1,0-ден 3,8 журналға дейін ауытқиды.
Микробтардың ластануы - патогенді немесе олардың токсиндерін жұтудан туындаған тағамдық аурулардың негізгі себебі. Тек Америка Құрама Штаттарында жыл сайын шамамен 76 миллион ауруды, 325 000 ауруханаға жатқызуды және 5 000 өлімді азық-түлікпен байланысты аурулар құрайды1. Бұған қоса, Америка Құрама Штаттарының Ауыл шаруашылығы департаменті (USDA) жаңа піскен өнімдерді тұтынудың артуы Америка Құрама Штаттарында хабарланған барлық тағамдық аурулардың 48 пайызына жауапты екенін есептейді2. Америка Құрама Штаттарында тағамдық патогендерден болатын ауру мен өлімнің құны өте жоғары, оны Ауруларды бақылау және алдын алу орталықтары (CDC) жылына 15,6 миллиард АҚШ долларынан астам деп бағалады3.
Қазіргі уақытта азық-түлік қауіпсіздігін қамтамасыз ету үшін химиялық4, радиациялық5 және термиялық6 микробқа қарсы шаралар жаңа піскен өнім айқаспалы ластануға ұшырайтындай үздіксіз жүзеге асырылмай, негізінен өндіріс тізбегіндегі шектеулі сыни бақылау нүктелерінде (КҚҚ) жүзеге асырылады (әдетте егін жинаудан кейін және/немесе орау кезінде) 7. Азық-түлік өнімдері мен туа біткен ауруларды жақсырақ бақылау үшін микробқа қарсы араласулар қажет. фермадан үстелге дейінгі континуум. Аз әсер және шығын.
Жақында судың жасанды наноқұрылымдарын (EWNS) пайдалана отырып, беттердегі және ауадағы бактерияларды инактивациялау үшін нанотехнологияға негізделген химиялық қоспасыз микробқа қарсы платформа әзірленді. EVNS синтезі үшін екі параллельді процесс қолданылды: электроспрей және суды иондау (1а-сурет). EWNS бұрын физикалық және биологиялық қасиеттердің бірегей жиынтығына ие екендігі көрсетілген8,9,10. EWNS бір құрылымға орта есеппен 10 электрон және орташа нанометрлік өлшемі 25 нм (1б,в-сурет)8,9,10. Сонымен қатар, электронды спин резонанс (ESR) EWNS реактивті оттегі түрлерінің (ROS), негізінен гидроксил (OH•) және супероксид (O2-) радикалдарының көп мөлшерін қамтитынын көрсетті (1c сурет) 8 . EWNS ұзақ уақыт бойы ауада қалды және ауада ілулі тұрған және беттерде кездесетін микробтармен соқтығысып, олардың ROS пайдалы жүктемесін жеткізіп, микробтардың инактивациясын тудыруы мүмкін (сурет 1d). Бұл бұрынғы зерттеулер сонымен қатар EWNS беттерінде және ауада микобактерияларды қоса алғанда, денсаулық сақтау үшін маңызды әртүрлі грам-теріс және грам-позитивті бактериялармен өзара әрекеттесуі және инактивациялануы мүмкін екенін көрсетті8,9. Трансмиссиялық электронды микроскопия инактивация жасуша мембранасының бұзылуынан туындағанын көрсетті. Сонымен қатар, жедел ингаляциялық зерттеулер EWNS жоғары дозалары өкпенің зақымдануын немесе қабынуын тудырмайтынын көрсетті8.
(а) Электр шашыратқышы сұйықтығы бар капилляр мен қарсы электрод арасында жоғары кернеу болған кезде пайда болады. (b) Жоғары кернеуді қолдану екі түрлі құбылысқа әкеледі: (i) суды электрмен шашырату және (ii) EWNS-де ұсталған реактивті оттегі түрлерінің (иондарының) генерациясы. (c) EWNS бірегей құрылымы. (d) EWNS наноөлшемді табиғатына байланысты жоғары мобильді және ауадағы патогендермен әрекеттесе алады.
EWNS микробқа қарсы платформасының жаңа піскен тағамның бетіндегі тағамдық микроорганизмдерді инактивациялау қабілеті де жақында көрсетілді. Сондай-ақ, EWNS беттік зарядын мақсатты жеткізу үшін электр өрісімен бірге пайдалануға болатыны көрсетілді. Одан да маңыздысы, E. coli және Listeria сияқты әртүрлі тағамдық микроорганизмдерге қарсы органикалық қызанақ белсенділігінің шамамен 1,4 логтық төмендеуінің перспективалы бастапқы нәтижесі шамамен 50,000#/см311 концентрациясында EWNS әсерінен кейін 90 минут ішінде байқалды. Сонымен қатар, алдын ала органолептикалық бағалау сынақтары бақылау қызанақпен салыстырғанда органолептикалық әсер көрсетпеген. Бұл бастапқы инактивация нәтижелері тіпті 50 000#/cc өте төмен EWNS дозаларында тамақ қауіпсіздігін уәде етеді. Қараңыз, инактивацияның жоғары әлеуеті инфекция мен бұзылу қаупін одан әрі азайту үшін тиімдірек болатыны анық.
Бұл жерде біз синтез параметрлерін дәл баптау және бактерияға қарсы әлеуетін арттыру үшін EWNS физикалық-химиялық қасиеттерін оңтайландыру үшін EWNS генерациялау платформасын әзірлеуге зерттеулерімізді бағыттаймыз. Атап айтқанда, оңтайландыру олардың беттік зарядын (мақсатты жеткізуді жақсарту үшін) және ROS мазмұнын (инактивация тиімділігін арттыру үшін) арттыруға бағытталған. Қазіргі заманғы аналитикалық әдістерді қолдана отырып және E. coli, S. enterica, L. innocua, S. cerevisiae және M. parafortuitum сияқты қарапайым тағамдық микроорганизмдерді қолдану арқылы оңтайландырылған физика-химиялық қасиеттерді (мөлшері, заряды және ROS мазмұны) сипаттау.
EVNS жоғары тазалықтағы суды (18 МΩ см–1) бір уақытта электроспрейлеу және иондау арқылы синтезделді. Электр тозаңдатқыш 12 әдетте сұйықтықтарды және синтетикалық полимер мен керамикалық бөлшектерді 13 және бақыланатын өлшемдегі талшықтарды 14 тозаңдату үшін пайдаланылады.
Алдыңғы жарияланымдар 8, 9, 10, 11 егжей-тегжейлі сипатталғандай, әдеттегі тәжірибеде металл капилляр мен жерге тұйықталған қарсы электрод арасында жоғары кернеу қолданылады. Бұл процесс кезінде екі түрлі құбылыс жүреді: 1) электроспрей және 2) судың иондануы. Екі электрод арасындағы күшті электр өрісі конденсацияланған судың бетінде теріс зарядтардың пайда болуына әкеледі, нәтижесінде Тейлор конустары пайда болады. Нәтижесінде жоғары зарядталған су тамшылары пайда болады, олар Рэйлей теориясына сәйкес кішірек бөлшектерге ыдырай береді16. Сонымен бірге күшті электр өрісі су молекулаларының бір бөлігін электрондарды бөліп, ажыратуға (иондануға) әкеледі, осылайша реактивті оттегінің көп түрін (ROS) тудырады17. Бір уақытта жасалған ROS18 пакеттері EWNS ішіне инкапсулирленген (Cурет 1c).
Суретте. 2а осы зерттеуде EWNS синтезінде жасалған және пайдаланылған EWNS генерациялау жүйесін көрсетеді. Жабық бөтелкеде сақталған тазартылған су тефлон түтік (ішкі диаметрі 2 мм) арқылы 30G тот баспайтын болаттан жасалған инеге (металл капиллярға) берілді. 2b-суретте көрсетілгендей, су ағыны бөтелке ішіндегі ауа қысымымен басқарылады. Ине қарсы электродтан белгілі бір қашықтыққа қолмен реттеуге болатын тефлон консольіне бекітілген. Есептегіш электрод сынама алу үшін ортасында тесігі бар жылтыратылған алюминий дискі болып табылады. Есептегіш электродтың астында сынама алу порты арқылы эксперименттік қондырғының қалған бөлігіне қосылған алюминий сынама алу шұңқыры орналасқан (2б-сурет). Сынама алудың барлық құрамдас бөліктері бөлшектер сынамасын нашарлататын зарядтың жиналуын болдырмау үшін электрлік жерге тұйықталған.
(a) Судың наноқұрылымдарын құру жүйесі (EWNS). (b) Ең маңызды параметрлерді көрсететін сынама алғыш пен электроспрей қондырғысының көлденең қимасы. (c) Бактерияларды инактивациялауға арналған эксперименттік қондырғы.
Жоғарыда сипатталған EWNS генерациялау жүйесі EWNS сипаттарын дәл реттеуді жеңілдету үшін негізгі жұмыс параметрлерін өзгертуге қабілетті. EWNS сипаттамаларын дәл реттеу үшін қолданылатын кернеуді (V), ине мен қарсы электрод арасындағы қашықтықты (L) және капилляр арқылы өтетін су ағынын (φ) реттеңіз. [V (кВ), L (см)] таңбалары әртүрлі комбинацияларды белгілеу үшін қолданылады. Белгілі бір жиынның тұрақты Тейлор конусын алу үшін су ағынын реттеңіз [V, L]. Осы зерттеудің мақсаттары үшін қарсы электродтың (D) саңылауы 0,5 дюймге (1,29 см) орнатылды.
Шектелген геометрия мен асимметрияға байланысты электр өрісінің кернеулігін бірінші принциптер бойынша есептеу мүмкін емес. Оның орнына электр өрісін есептеу үшін QuickField™ бағдарламалық құралы (Svendborg, Дания)19 пайдаланылды. Электр өрісі біркелкі емес, сондықтан әртүрлі конфигурациялар үшін анықтамалық шама ретінде капиллярдың ұшындағы электр өрісінің мәні пайдаланылды.
Зерттеу барысында ине мен қарсы электрод арасындағы кернеу мен қашықтықтың бірнеше комбинациясы Тейлор конусының қалыптасуы, Тейлор конусының тұрақтылығы, EWNS өндірісінің тұрақтылығы және қайталану мүмкіндігі тұрғысынан бағаланды. Әртүрлі комбинациялар S1 қосымша кестесінде көрсетілген.
EWNS генерациялау жүйесінің шығысы бөлшектер санының концентрациясын өлшеу үшін Scanning Mobility Particle Sizeer (SMPS, 3936 үлгісі, TSI, Shoreview, Миннесота) тікелей қосылды және Фарадей аэрозоль электрометрімен (TSI, 3068B үлгісі, Shoreview, АҚШ) пайдаланылды. MN) алдыңғы жарияланымда сипатталғандай, аэрозоль ағындарын өлшеу үшін9. SMPS және аэрозоль электрометрі 0,5 л/мин (жалпы үлгі шығыны 1 л/мин) ағын жылдамдығымен сынама алды. Бөлшектердің концентрациясы мен аэрозоль ағындары 120 с ішінде өлшенді. Өлшеуді 30 рет қайталаңыз. Жалпы аэрозоль заряды ағымдағы өлшемдер бойынша есептеледі, ал орташа EWNS заряды сынама алынған EWNS бөлшектерінің жалпы санынан есептеледі. EWNS орташа құнын (1) теңдеу арқылы есептеуге болады:
мұндағы IEl – өлшенетін ток, NSMPS – SMPS көмегімен өлшенген сан концентрациясы, ал φEl – электрометрге ағынның жылдамдығы.
Салыстырмалы ылғалдылық (RH) беттік зарядқа әсер ететіндіктен, тәжірибе кезінде температура және (RH) сәйкесінше 21°C және 45% тұрақты сақталды.
EWNS өлшемін және қызмет ету мерзімін өлшеу үшін атомдық күш микроскопиясы (AFM), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Санта-Барбара, Калифорния) және AC260T зонды (Олимп, Токио, Жапония) пайдаланылды. AFM сканерлеу жылдамдығы 1 Гц және сканерлеу аумағы 256 сканерлеу сызығымен 5 мкм×5 мкм. Барлық кескіндер Asylum бағдарламалық құралын (100 нм ауқымы және 100 pm табалдырығы бар маска) арқылы бірінші реттік кескін туралауына ұшырады.
Сынама алу шұңқырын алып тастаңыз және слюда бетінде бөлшектердің бірігуін және дұрыс емес тамшылардың пайда болуын болдырмау үшін орташа есеппен 120 с уақыт ішінде слюда бетін қарсы электродтан 2,0 см қашықтықта орналастырыңыз. EWNS тікелей жаңа кесілген слюда беттеріне қолданылды (Тед Пелла, Реддинг, CA). Шашыратудан кейін бірден слюда беті AFM көмегімен бейнеленді. Жаңа кесілген модификацияланбаған слюда бетінің жанасу бұрышы 0°-қа жақын, сондықтан EWNS слюда бетінде күмбезді пішінде таралады20. Диффузиялық тамшылардың диаметрі (a) және биіктігі (h) тікелей AFM топографиясынан өлшенді және біздің бұрын расталған әдіс8 арқылы күмбезді диффузия көлемін EWNS есептеу үшін пайдаланылды. Борттық EVNS бірдей көлемге ие болса, эквивалентті диаметрді (2) теңдеуден есептеуге болады:
Біздің бұрын әзірленген әдісімізге сәйкес, EWNS-де қысқа мерзімді радикалды аралық заттардың болуын анықтау үшін электронды спин-резонанстық (ESR) спиндік тұзақ қолданылды. Аэрозольдер құрамында 235 мМ DEPMPO (5-(диетоксифосфорил)-5-метил-1-пирролин-N-оксиді) бар ерітінді арқылы өтті (Oxis International Inc., Портленд, Орегон). Барлық EPR өлшемдері Bruker EMX спектрометрі (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, АҚШ) және жалпақ ұяшық массивтері арқылы орындалды. Деректерді жинау және талдау үшін Acquisit бағдарламалық құралы (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, АҚШ) пайдаланылды. ROS сипаттамасы тек жұмыс жағдайларының жиынтығы үшін орындалды [-6,5 кВ, 4,0 см]. EWNS концентрациясы импульстордағы EWNS жоғалуын ескере отырып, SMPS көмегімен өлшенді.
Озон деңгейлері 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Boulder, Co)8,9,10 көмегімен бақыланды.
Барлық EWNS қасиеттері үшін өлшеу мәні өлшемдердің орташа мәні, ал өлшеу қателігі стандартты ауытқу болып табылады. Оңтайландырылған EWNS атрибутының мәнін базалық EWNS сәйкес мәнімен салыстыру үшін t-тесті орындалды.
2c суретінде EWNS11-ді беттерге бағыттау үшін пайдалануға болатын бұрын әзірленген және сипатталған электростатикалық жауын-шашынның өту жүйесі (EPES) көрсетілген. EPES нысанның бетіне тікелей «нұсқау» үшін күшті электр өрісімен бірге EWNS зарядын пайдаланады. EPES жүйесінің егжей-тегжейлері Pyrgiotakis және т.б.11 шығарған жақында жарияланған. Осылайша, EPES ортасында 15,24 см қашықтықта екі параллель тот баспайтын болаттан (304 баспайтын болат, айна жылтыратылған) металл пластиналары бар конустық ұштары бар 3D басып шығарылған ПВХ камерасынан тұрады. Тақталар сыртқы жоғары кернеу көзіне қосылды (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY), төменгі тақта әрқашан оң болды және үстіңгі тақта әрқашан жерге тұйықталған (қалқымалы). Камера қабырғалары бөлшектердің жоғалуын болдырмау үшін электрлік жерге тұйықталған алюминий фольгамен жабылған. Камерада жоғары вольтты кедергілерді болдырмау үшін сынақ беттерін пластик сөрелерге орналастыруға, оларды төменгі металл пластинадан көтеруге мүмкіндік беретін тығыздалған алдыңғы жүктеу есігі бар.
EPES ішіндегі EWNS тұндыру тиімділігі қосымша S111 суретте егжей-тегжейлі сипатталған бұрын әзірленген хаттамаға сәйкес есептелді.
Басқару камерасы ретінде цилиндрлік камера арқылы өтетін екінші ағын EWNS жою үшін аралық HEPA сүзгісі арқылы EPES жүйесімен тізбектей қосылады. Суретте көрсетілгендей. 2c, EWNS аэрозольі тізбектей қосылған екі камера арқылы айдалды. Басқару бөлмесі мен EPES арасындағы сүзгі бірдей температура (T), салыстырмалы ылғалдылық (RH) және озон деңгейлеріне әкелетін қалған EWNS-ді жояды.
Тағам арқылы тасымалданатын маңызды микроорганизмдер ішек таяқшасы (ATCC №27325), нәжіс көрсеткіші, Salmonella enterica (ATCC №53647), тағамдық қоздырғыш, Listeria innocua (ATCC №33090), патогендік Listeria моноцитіне балама сияқты жаңа өнімдерді ластайтыны анықталды. , Бұзылатын ашытқыларға балама ретінде Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098) және төзімдірек тірі бактерия ретінде Mycobacterium parafortuitous (ATCC #19686) ATCC (Манасас, Вирджиния) компаниясынан сатып алынды.
Жергілікті нарықтан органикалық жүзім қызанақтарының қораптарын кездейсоқ сатып алыңыз және пайдаланғанша (3 күнге дейін) 4 ° C температурада тоңазытқышта сақтаңыз. Бір өлшемді, диаметрі шамамен 1/2 дюйммен тәжірибе жасау үшін қызанақты таңдаңыз.
Инкубациялау, егу, экспозиция және колонияларды санау хаттамалары алдыңғы жарияланымдарымызда егжей-тегжейлі сипатталған және 11-қосымша деректерде егжей-тегжейлі түсіндірілді. EWNS өнімділігі егілген қызанақтарды 40 000 #/см3 45 минут бойы экспозициялау арқылы бағаланды. Қысқаша айтқанда, t = 0 мин уақытында аман қалған микроорганизмдерді бағалау үшін үш қызанақ пайдаланылды. Үш қызанақ EPES-ке орналастырылды және 40,000 #/cc (EWNS ашық қызанақтар) EWNS әсеріне ұшырады және тағы үшеуі бақылау камерасына (бақылау қызанақтары) орналастырылды. Томат топтарының ешқайсысы қосымша өңдеуге ұшыраған жоқ. EWNS әсеріне ұшыраған қызанақтар мен бақылау элементтері EWNS әсерін бағалау үшін 45 минуттан кейін жойылды.
Әрбір эксперимент үш данада жүргізілді. Деректерді талдау Қосымша деректерде сипатталған хаттамаға сәйкес орындалды.
E. coli, Enterobacter және L. innocua EWNS әсеріне ұшыраған (45 мин, EWNS аэрозоль концентрациясы 40,000 #/см3) және экспозицияланбаған бактерия үлгілері инактивация механизмдерін бағалау үшін түйіршіктелген. Тұнба бөлме температурасында 0,1 М натрий какодилаты ерітіндісінде (рН 7,4) 2,5% глутаральдегид, 1,25% параформальдегид және 0,03% пикрин қышқылының фиксаторымен 2 сағат бойы бекітілді. Жуғаннан кейін олар 1% осмий тетроксидімен (OsO4)/1,5% калий ферроцианидімен (KFeCN6) 2 сағат бойы бекітілді, 3 рет сумен жуылды және 1% уранилацетатта 1 сағат бойы инкубацияланды, содан кейін екі рет сумен жуылады. Кейінгі сусыздандыру 50%, 70%, 90%, 100% спирттің әрқайсысында 10 минут. Содан кейін үлгілер пропилен оксидіне 1 сағатқа орналастырылды және пропилен оксиді мен TAAP Epon (Marivac Canada Inc. Сент Лоран, CA) 1:1 қоспасымен сіңдірілген. Үлгілер TAAB Epon ішіне ендірілген және 60°C температурада 48 сағат бойы полимерленген. Кептірілген түйіршікті шайыр TEM арқылы AMT 2k CCD камерасымен жабдықталған (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, MA, АҚШ) кәдімгі трансмиссиялық электронды микроскоп JEOL 1200EX (JEOL, Токио, Жапония) арқылы кесілді және визуалды.
Барлық эксперименттер үш данада орындалды. Әрбір уақыт нүктесі үшін бактериялық жуулар үш данада қапталды, нәтижесінде бір нүктеге барлығы тоғыз деректер нүктесі пайда болды, олардың орташа мәні нақты ағза үшін бактерия концентрациясы ретінде пайдаланылды. Өлшеу қатесі ретінде стандартты ауытқу қолданылды. Барлық ұпайлар есептеледі.
t = 0 мин салыстырғанда бактериялар концентрациясының төмендеуінің логарифмі келесі формула бойынша есептелді:
мұндағы C0 - 0 уақытындағы бақылау үлгісіндегі бактериялардың концентрациясы (яғни бет кептіргеннен кейін, бірақ камераға салынғанға дейін) және Cn - n минут әсер еткеннен кейін беттегі бактериялардың концентрациясы.
45 минуттық әсер ету кезеңі ішінде бактериялардың табиғи ыдырауын есепке алу үшін 45 минуттағы бақылаумен салыстырғанда Log-Reduction да төмендегідей есептелді:
Мұндағы Cn – n уақытындағы бақылау үлгісіндегі бактериялардың концентрациясы және Cn-Control – n уақытындағы бақылау бактерияларының концентрациясы. Деректер бақылаумен салыстырғанда журналды азайту ретінде ұсынылады (EWNS экспозициясы жоқ).
Зерттеу барысында ине мен қарсы электрод арасындағы кернеу мен қашықтықтың бірнеше комбинациясы Тейлор конусының қалыптасуы, Тейлор конусының тұрақтылығы, EWNS өндірісінің тұрақтылығы және қайталану мүмкіндігі тұрғысынан бағаланды. Әртүрлі комбинациялар S1 қосымша кестесінде көрсетілген. Тұрақты және қайталанатын қасиеттерді көрсететін толық зерттеу үшін екі жағдай таңдалды (Тейлор конусы, EWNS өндірісі және уақыт бойынша тұрақтылық). Суретте. 3 екі жағдай үшін ROS заряды, өлшемі және мазмұны бойынша нәтижелерді көрсетеді. Нәтижелер де 1-кестеде жинақталған. Анықтама үшін 3-сурет пен 1-кестеде бұрын синтезделген оңтайландырылмаған EWNS8, 9, 10, 11 (базалық-EWNS) қасиеттері қамтылған. Екі жақты t-тестінің көмегімен статистикалық маңыздылық есептеулері S2 қосымша кестесінде қайта жарияланды. Бұдан басқа, қосымша деректерге қарсы электродты іріктеу саңылауының диаметрінің (D) және жердегі электрод пен иненің ұшы (L) арасындағы қашықтықтың әсері туралы зерттеулер кіреді (Қосымша S2 және S3 суреттері).
(a–c) AFM өлшемінің таралуы. (d – f) Жер үсті зарядының сипаттамасы. (g) ROS және ESR сипаттамасы.
Сондай-ақ, жоғарыда аталған барлық жағдайлар үшін өлшенген иондану токтары 2-6 мкА диапазонында, ал кернеулер -3,8-ден -6,5 кВ диапазонында болғанын, нәтижесінде осы бір терминалды EWNS үшін 50 мВт-тан аз қуат тұтынуды ескерген жөн. . генерациялау модулі. EWNS жоғары қысымда синтезделгенімен, озон деңгейлері өте төмен болды, ешқашан 60 ppb аспады.
Қосымша S4 суретте сәйкесінше [-6,5 кВ, 4,0 см] және [-3,8 кВ, 0,5 см] сценарийлері үшін модельденген электр өрістері көрсетілген. [-6,5 кВ, 4,0 см] және [-3,8 кВ, 0,5 см] сценарийлері бойынша өрістер сәйкесінше 2 × 105 В/м және 4,7 × 105 В/м ретінде есептеледі. Бұл күтуге болады, өйткені кернеудің қашықтыққа қатынасы екінші жағдайда әлдеқайда жоғары.
Суретте. 3a,b AFM8 көмегімен өлшенген EWNS диаметрін көрсетеді. [-6,5 кВ, 4,0 см] және [-3,8 кВ, 0,5 см] сценарийлері үшін орташа EWNS диаметрлері сәйкесінше 27 нм және 19 нм болып есептелді. [-6,5 кВ, 4,0 см] және [-3,8 кВ, 0,5 см] корпустары үшін таралулардың геометриялық стандартты ауытқулары сәйкесінше 1,41 және 1,45 құрайды, бұл тар өлшемді бөлуді көрсетеді. Орташа өлшем де, геометриялық стандартты ауытқу да бастапқы EWNS мәніне өте жақын, сәйкесінше 25 нм және 1,41. Суретте. 3c бірдей жағдайларда бірдей әдісті пайдаланып өлшенген базалық EWNS өлшемінің таралуын көрсетеді.
Суретте. 3d,e зарядты сипаттау нәтижелерін көрсетеді. Деректер концентрацияның (#/см3) және токтың (I) бір уақыттағы 30 өлшемінің орташа өлшемдері болып табылады. Талдау көрсеткендей, EWNS орташа заряды [-6,5 кВ, 4,0 см] және [-3,8 кВ, 0,5 см] үшін сәйкесінше 22 ± 6 e- және 44 ± 6 e- құрайды. Baseline-EWNS (10 ± 2 e-) салыстырғанда олардың беттік заряды [-6,5 кВ, 4,0 см] сценарийден екі есе және [-3 ,8 кВ, 0,5 см] нұсқасынан төрт есе жоғары. 3f негізгі EWNS төлем деректерін көрсетеді.
EWNS санының шоғырлану карталарынан (S5 және S6 қосымша суреттері) [-6,5 кВ, 4,0 см] көріністе [-3,8 кВ, 0,5 см] көрініске қарағанда бөлшектердің саны айтарлықтай жоғары екенін көруге болады. Сондай-ақ, EWNS санының концентрациясы 4 сағатқа дейін бақыланатынын атап өткен жөн (Қосымша S5 және S6 суреттері), мұнда EWNS генерациясының тұрақтылығы екі жағдайда да бөлшектер саны концентрацияларының бірдей деңгейлерін көрсетті.
3g суретте оңтайландырылған EWNS үшін бақылау (фондық) шегерімінен кейінгі EPR спектрі [-6,5 кВ, 4,0 см] көрсетілген. ROS спектрі сондай-ақ бұрын жарияланған қағаздағы EWNS негізгі сызығымен салыстырылады. Айналдыру қақпағымен әрекеттесетін EWNS есептелген саны 7,5 × 104 EWNS/s құрайды, бұл бұрын жарияланған Baseline-EWNS8-ге ұқсас. EPR спектрлері ROS екі түрінің болуын анық көрсетті, мұнда O2- басым, ал OH• аз мөлшерде болды. Сонымен қатар, ең жоғары қарқындылықтарды тікелей салыстыру оңтайландырылған EWNS негізгі EWNS салыстырғанда айтарлықтай жоғары ROS мазмұнына ие екенін көрсетті.
Суретте. 4 EPES-те EWNS тұндыру тиімділігін көрсетеді. Деректер сонымен қатар I кестеде жинақталған және бастапқы EWNS деректерімен салыстырылған. EUNS екі жағдайда да тұндыру 3,0 кВ төмен кернеуде де 100%-ға жуық болды. Әдетте, 3,0 кВ беттік зарядтың өзгеруіне қарамастан 100% тұндыруға жету үшін жеткілікті. Дәл осындай жағдайларда Baseline-EWNS тұндыру тиімділігі төмен зарядқа байланысты небәрі 56% құрады (әр EWNS үшін орташа 10 электрон).
5-сурет және 2-кесте оңтайлы сценарий бойынша 45 минут бойы шамамен 40 000 #/см3 EWNS әсерінен кейін қызанақ бетіне егілген микроорганизмдердің инактивация дәрежесін қорытындылайды [-6,5 кВ, 4,0 см]. Екілген E. coli және L. innocua 45 минуттық әсерден кейін 3,8 журналға айтарлықтай төмендегенін көрсетті. Дәл осындай жағдайларда S. enterica 2,2 бөренеге азырақ бөренелік қысқаруды көрсетті, ал S. cerevisiae және M. parafortuitum 1,0 журналға қысқарды.
E. coli, Salmonella enterica және L. innocua жасушаларында инактивацияға әкелетін EWNS индукциялаған физикалық өзгерістерді бейнелейтін электронды микросуреттер (6-сурет). Бақылау бактериялары зақымдалған жасуша мембраналарын көрсетті, ал ашық бактериялар сыртқы мембраналарды зақымдады.
Бақылау және ашық бактериялардың электронды микроскопиялық кескіні мембрананың зақымдалуын анықтады.
Оңтайландырылған EWNS физикалық-химиялық қасиеттері туралы деректер ұжымдық түрде EWNS қасиеттерінің (беттік заряд және ROS мазмұны) бұрын жарияланған EWNS бастапқы деректерімен салыстырғанда айтарлықтай жақсарғанын көрсетеді8,9,10,11. Екінші жағынан, олардың мөлшері нанометрлік диапазонда қалды, бұл бұрын жарияланған нәтижелерге өте ұқсас, бұл оларға ауада ұзақ уақыт тұруға мүмкіндік береді. Байқалатын полидисперстілік Рэйлей эффектінің шамасын, кездейсоқтықты және EWNS потенциалды біріктіруін анықтайтын беттік зарядтың өзгеруімен түсіндіруге болады. Дегенмен, Nielsen et al.22 егжей-тегжейлі сипаттағандай, жоғары беттік заряд су тамшысының беттік энергиясын/кернеуін тиімді арттыру арқылы булануды азайтады. Бұл теория біздің алдыңғы жарияланымда8 microdroplets22 және EWNS үшін эксперименталды түрде расталды. Үстеме жұмыс уақытын жоғалту өлшемге де әсер етуі және байқалатын өлшемнің таралуына ықпал етуі мүмкін.
Сонымен қатар, бір құрылымдағы заряд шамамен 22–44 e-, мән-жайларға байланысты, бұл құрылымға орташа заряды 10 ± 2 электрон болатын негізгі EWNS-мен салыстырғанда айтарлықтай жоғары. Дегенмен, бұл EWNS орташа төлемі екенін атап өткен жөн. Сето және т.б. Заряд біркелкі емес және лог-қалыпты таралу21 бойынша жүретіні көрсетілді. Біздің алдыңғы жұмысымызбен салыстырғанда, беттік зарядты екі есе арттыру EPES жүйесіндегі тұндыру тиімділігін 100% дерлік екі есе арттырады11.