Nature.com сайтаар зочилсонд баярлалаа. Та хязгаарлагдмал CSS дэмжлэгтэй хөтчийн хувилбарыг ашиглаж байна. Хамгийн сайн ашиглахын тулд бид танд шинэчилсэн хөтөч ашиглахыг зөвлөж байна (эсвэл Internet Explorer-д нийцтэй байдлын горимыг идэвхгүй болгох). Нэмж дурдахад, байнгын дэмжлэгийг хангахын тулд бид сайтыг хэв маяг, JavaScript-гүй харуулж байна.
Сүүлийн үед хиймэл усны нано бүтэц (EWNS) ашиглан нано технологид суурилсан, химийн бодис агуулаагүй нянгийн эсрэг платформ бүтээжээ. EWNS нь гадаргуугийн өндөр цэнэгтэй бөгөөд хоол хүнсээр дамждаг эмгэг төрүүлэгчид зэрэг олон тооны бичил биетүүдтэй харилцан үйлчилж, идэвхгүй болгож чаддаг реактив хүчилтөрөгчийн төрлөөр (ROS) баялаг юм. Синтезийн явцад тэдгээрийн шинж чанарыг илүү нарийн тохируулж, бактерийн эсрэг чадавхийг сайжруулахын тулд оновчтой болгож болохыг энд харуулав. EWNS лабораторийн платформ нь синтезийн параметрүүдийг өөрчлөх замаар EWNS-ийн шинж чанарыг нарийн тохируулах зорилготой юм. EWNS шинж чанаруудын шинж чанарыг (цэнэг, хэмжээ, ROS агуулга) орчин үеийн аналитик аргуудыг ашиглан гүйцэтгэсэн. Мөн усан үзмийн органик улаан лоолийн гадаргуу дээр гэдэсний савханцар, Salmonella enterica, Listeria innocua, Mycobacterium para fortitum, Saccharomyces cerevisiae зэрэг хүнсний бичил биетүүдийг тарьж, бичил биетнийг идэвхгүйжүүлэх чадварыг үнэлэв. Энд үзүүлсэн үр дүн нь нийлэгжилтийн явцад EWNS-ийн шинж чанаруудыг нарийн тааруулж, идэвхгүйжүүлэх үр ашгийг экспоненциалаар нэмэгдүүлэх боломжтойг харуулж байна. Ялангуяа гадаргуугийн цэнэг дөрөв дахин нэмэгдэж, ROS-ийн агууламж нэмэгдэв. Микробыг устгах хурд нь микробоос хамааралтай байсан бөгөөд аэрозолийн 40,000 #/см3 EWNS тунгаар 45 минутын турш өртсөний дараа 1.0-3.8 лог байв.
Бичил биетний бохирдол нь эмгэг төрүүлэгч болон тэдгээрийн хорт бодисыг залгисанаас үүдэлтэй хоол хүнсээр дамжих өвчний гол шалтгаан болдог. Зөвхөн АНУ-д жил бүр хоол хүнсээр дамжих өвчлөл 76 сая орчим өвчлөл, 325,000 эмнэлэгт хэвтэн эмчлүүлж, 5,000 хүн нас барж байна1. Нэмж дурдахад, АНУ-ын Хөдөө аж ахуйн яам (USDA) шинэ бүтээгдэхүүний хэрэглээ нэмэгдсэн нь АНУ-д бүртгэгдэж буй нийт хоол хүнсээр дамжих өвчний 48 хувийг үүсгэдэг гэж тооцоолжээ2. АНУ-д хоол хүнсээр дамжих эмгэг төрүүлэгчдийн өвчлөл, нас баралтын өртөг маш өндөр бөгөөд Өвчнийг хянах, урьдчилан сэргийлэх төвөөс (CDC) жил бүр 15.6 тэрбум ам.доллараас илүү байна3.
Одоогийн байдлаар хүнсний аюулгүй байдлыг хангах химийн4, цацраг 5 болон дулааны6 нянгийн эсрэг арга хэмжээг шинэхэн бүтээгдэхүүн хөндлөн бохирдуулах байдлаар тасралтгүй хийхээс илүү үйлдвэрлэлийн гинжин хэлхээний хязгаарлагдмал чухал хяналтын цэгүүдэд (ИХБ) голчлон хэрэгжүүлж байна (ихэвчлэн ургац хураалтын дараа болон/эсвэл савлах явцад) фермээс ширээ хүртэлх үргэлжлэл. Үр нөлөө, зардал багатай.
Усны хиймэл нано бүтэц (EWNS) ашиглан гадаргуу болон агаарт байгаа бактерийг идэвхгүйжүүлэх зорилгоор нано технологид суурилсан химийн бодисгүй нянгийн эсрэг платформ саяхан бүтээгдсэн. EVNS-ийн синтезийн хувьд хоёр зэрэгцээ процессыг ашигласан: цахилгаан шүрших ба усны ионжуулалт (Зураг 1a). EWNS нь физик, биологийн өвөрмөц шинж чанартай болохыг өмнө нь харуулсан8,9,10. EWNS нь нэг бүтцэд дунджаар 10 электрон, дундаж нанометрийн хэмжээ 25 нм (Зураг 1b,c)8,9,10. Нэмж дурдахад электрон спин резонанс (ESR) нь EWNS нь их хэмжээний реактив хүчилтөрөгчийн төрөл (ROS), гол төлөв гидроксил (OH•) ба хэт исэл (O2-) радикалуудыг агуулдаг болохыг харуулсан (Зураг 1c) 8 . EWNS нь агаарт удаан хугацаагаар байсан бөгөөд агаарт түдгэлзсэн болон гадаргуу дээр байгаа микробуудтай мөргөлдөж, ROS-ийн ачааллыг хүргэж, бичил биетний идэвхгүйжилтийг үүсгэж болзошгүй (Зураг 1d). Эдгээр өмнөх судалгаанууд нь мөн EWNS нь гадаргуу болон агаарт байгаа микобактер зэрэг нийгмийн эрүүл мэндэд чухал ач холбогдолтой янз бүрийн грамм сөрөг ба грам эерэг бактериудтай харилцан үйлчилж, идэвхгүй болгож чаддаг болохыг харуулсан8,9. Дамжуулах электрон микроскопоор идэвхгүй болох нь эсийн мембраны эвдрэлээс үүдэлтэй болохыг харуулсан. Үүнээс гадна цочмог амьсгалын замын судалгаагаар EWNS-ийг өндөр тунгаар хэрэглэх нь уушгины гэмтэл, үрэвслийг үүсгэдэггүй8.
(a) Шингэн агуулсан хялгасан судас ба эсрэг электродын хооронд өндөр хүчдэл хэрэглэх үед цахилгаан шүрших үүсдэг. (б) Өндөр хүчдэлийн хэрэглээ нь (i) усыг цахилгаанаар цацах, (ii) EWNS-д баригдсан реактив хүчилтөрөгчийн төрөл (ион) үүсэх гэсэн хоёр өөр үзэгдлийг үүсгэдэг. (в) EWNS-ийн өвөрмөц бүтэц. (г) EWNS нь нано хэмжээст шинж чанараараа өндөр хөдөлгөөнтэй бөгөөд агаарт дамждаг эмгэг төрүүлэгчидтэй харьцаж чаддаг.
EWNS нянгийн эсрэг платформ нь шинэхэн хүнсний гадаргуу дээрх хоол хүнсээр дамждаг бичил биетнийг идэвхгүйжүүлэх чадварыг саяхан харуулсан. Мөн EWNS-ийн гадаргуугийн цэнэгийг зорилтот хүргэхийн тулд цахилгаан оронтой хослуулан ашиглаж болохыг харуулсан. Хамгийн гол нь E. coli болон Listeria зэрэг хүнсний янз бүрийн бичил биетний эсрэг улаан лоолийн органик идэвхжил ойролцоогоор 1.4 гуалингаар буурсан эерэг эхний үр дүн нь ойролцоогоор 50,000#/см311 концентрацитай EWNS-д өртсөнөөс хойш 90 минутын дотор ажиглагдсан. Нэмж дурдахад, органолептикийн урьдчилсан үнэлгээний шинжилгээгээр хяналтын улаан лоольтой харьцуулахад органолептик нөлөө үзүүлээгүй. Хэдийгээр эдгээр анхны идэвхгүйжүүлэлтийн үр дүн нь 50,000#/cc тун бага EWNS тунгаар ч гэсэн хүнсний аюулгүй байдлыг амлаж байна. Илүү өндөр идэвхгүйжүүлэх боломж нь халдвар авах, муудах эрсдлийг бууруулахад илүү ашигтай байх нь тодорхой байна.
Энд бид нийлэгжилтийн параметрүүдийг нарийн тааруулж, бактерийн эсрэг чадавхийг сайжруулахын тулд EWNS-ийн физик-химийн шинж чанарыг оновчтой болгохын тулд EWNS үүсгэх платформыг хөгжүүлэхэд судалгаа хийх болно. Ялангуяа оновчлол нь тэдгээрийн гадаргуугийн цэнэгийг нэмэгдүүлэх (зорилтот хүргэлтийг сайжруулах) болон ROS агуулгыг (идэвхгүй болгох үр ашгийг дээшлүүлэх) дээр төвлөрүүлсэн. Орчин үеийн аналитик аргуудыг ашиглан, E. coli, S. enterica, L. innocua, S. cerevisiae, M. parafortuitum зэрэг хүнсний нийтлэг бичил биетүүдийг ашиглан оновчтой физик-химийн шинж чанарыг тодорхойлох (хэмжээ, цэнэг, ROS агууламж).
EVNS нь өндөр цэвэршилттэй усыг (18 MΩ см–1) цахилгаанаар цацах, ионжуулах замаар нэгэн зэрэг нийлэгжүүлсэн. Цахилгаан атомжуулагч 12 нь ихэвчлэн хяналттай хэмжээтэй шингэн болон синтетик полимер, керамик хэсгүүд 13, утас 14-ийг атомжуулахад ашиглагддаг.
Өмнөх хэвлэлүүдийн 8, 9, 10, 11-д дэлгэрэнгүй дурдсанчлан ердийн туршилтаар металл хялгасан судас болон газардуулсан тоолуурын электродын хооронд өндөр хүчдэл хэрэглэдэг. Энэ процессын явцад хоёр өөр үзэгдэл тохиолддог: 1) цахилгаан шүрших, 2) усыг ионжуулах. Хоёр электродын хоорондох хүчтэй цахилгаан орон нь өтгөрүүлсэн усны гадаргуу дээр сөрөг цэнэг үүсгэж, улмаар Тейлорын боргоцой үүсдэг. Үүний үр дүнд өндөр цэнэгтэй усны дусал үүсч, Рэйлигийн онолын дагуу жижиг хэсгүүдэд хуваагдсаар байна16. Үүний зэрэгцээ хүчтэй цахилгаан орон нь усны зарим молекулуудыг задалж, электроныг нь салгахад хүргэдэг (иончлол), улмаар их хэмжээний реактив хүчилтөрөгч (ROS) үүсгэдэг17. Нэгэн зэрэг үүсгэсэн ROS18 пакетуудыг EWNS-д бүрхсэн (Зураг 1c).
Зураг дээр. 2а нь энэхүү судалгаанд EWNS синтезэд боловсруулж ашигласан EWNS үүсгэх системийг харуулж байна. Хаалттай саванд хадгалсан цэвэршүүлсэн усыг Teflon хоолойгоор (дотоод диаметр нь 2 мм) 30 г зэвэрдэггүй ган зүү (металл хялгасан судас) руу нийлүүлсэн. Зураг 2б-д үзүүлснээр усны урсгалыг савны доторх агаарын даралтаар удирддаг. Зүү нь эсрэг электродоос тодорхой зайд гараар тохируулах боломжтой Teflon консол дээр бэхлэгдсэн байна. Эсрэг электрод нь дээж авах голд нь нүхтэй өнгөлсөн хөнгөн цагаан диск юм. Эсрэг электродын доор хөнгөн цагаан дээж авах юүлүүр байдаг бөгөөд энэ нь дээж авах портоор дамжуулан туршилтын бусад хэсэгтэй холбогддог (Зураг 2b). Бүх дээж авах бүрэлдэхүүн хэсгүүд нь бөөмийн дээжийг доройтуулж болзошгүй цэнэг хуримтлагдахаас зайлсхийхийн тулд цахилгаанаар газардуулсан байна.
(a) Усны нано бүтэц үүсгэх инженерийн систем (EWNS). (б) Хамгийн чухал параметрүүдийг харуулсан дээж авагч ба цахилгаан шүршигч төхөөрөмжийн хөндлөн огтлол. (в) Бактерийг идэвхгүйжүүлэх туршилтын тохируулга.
Дээр дурдсан EWNS үүсгэх систем нь EWNS шинж чанарыг нарийн тааруулахын тулд үндсэн үйлдлийн параметрүүдийг өөрчлөх чадвартай. Хэрэглэсэн хүчдэл (V), зүү ба эсрэг электродын хоорондох зай (L), хялгасан судсаар дамжих усны урсгалыг (φ) тохируулж, EWNS-ийн шинж чанарыг нарийн тохируулна. [V (kV), L (см)] тэмдгийг янз бүрийн хослолыг тэмдэглэхэд ашигладаг. Тодорхой багцын тогтвортой Тейлор конусыг авахын тулд усны урсгалыг тохируулна [V, L]. Энэхүү судалгааны зорилгоор тоолуурын электродын (D) нүхийг 0.5 инч (1.29 см) гэж тохируулсан.
Хязгаарлагдмал геометр ба тэгш бус байдлаас шалтгаалан цахилгаан талбайн хүчийг эхний зарчмуудаас тооцоолох боломжгүй. Үүний оронд QuickField™ програм хангамжийг (Свендборг, Дани)19 цахилгаан талбайг тооцоолоход ашигласан. Цахилгаан орон нь жигд биш тул капиллярын үзүүр дэх цахилгаан талбайн утгыг янз бүрийн тохиргоонд жишиг утга болгон ашигласан.
Судалгааны явцад зүү болон тоолуурын электродын хоорондох хүчдэл ба зайны хэд хэдэн хослолыг Тейлорын конус үүсэх, Тейлорын конусын тогтвортой байдал, EWNS үйлдвэрлэлийн тогтвортой байдал, дахин үржих чадвар зэрэгт үнэлэв. Төрөл бүрийн хослолыг нэмэлт хүснэгт S1-д үзүүлэв.
EWNS үүсгэх системийн гаралт нь бөөмийн тооны концентрацийг хэмжихийн тулд Scanning Mobility Particle Size (SMPS, загвар 3936, TSI, Shoreview, Миннесота) шууд холбогдож, Фарадей аэрозолийн электрометрээр (TSI, загвар 3068B, Shoreview, АНУ) ашигласан. MN) бидний өмнөх хэвлэлд дурдсанчлан аэрозолийн урсгалыг хэмжих9. SMPS болон аэрозолийн электрометр хоёулаа 0.5 л/мин урсгалын хурдаар дээж авсан (нийт дээжийн урсгал 1 л/мин). Бөөмийн концентраци болон аэрозолийн урсгалыг 120 секундын турш хэмжсэн. Хэмжилтийг 30 удаа давтана. Аэрозолийн нийт цэнэгийг одоогийн хэмжилтээр, дундаж EWNS цэнэгийг дээж авсан EWNS тоосонцрын нийт тооноос тооцоолно. EWNS-ийн дундаж зардлыг (1) томъёогоор тооцоолж болно:
Энд IEl хэмжсэн гүйдэл, NSMPS нь SMPS-ээр хэмжсэн тооны концентраци, φEl нь цахилгаан хэмжигч рүү чиглэсэн урсгалын хурд юм.
Харьцангуй чийгшил (RH) нь гадаргуугийн цэнэгт нөлөөлдөг тул туршилтын явцад температур болон (RH) 21°C ба 45%-д тус тус тогтмол байсан.
Атомын хүчний микроскоп (AFM), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Santa Barbara, CA) болон AC260T датчикийг (Олимп, Токио, Япон) EWNS-ийн хэмжээ, ашиглалтын хугацааг хэмжихэд ашигласан. AFM скан хийх хурд нь 1 Гц, скан хийх талбай нь 5 μm × 5 μm, 256 скан хийх шугамтай. Бүх зургийг Asylum программ хангамжийг (100 нм-ийн хүрээтэй, 100 pm-ийн босготой маск) ашиглан эхний дарааллаар дүрсэлсэн.
Дээж авах юүлүүрийг аваад гялтгануурын гадаргууг эсрэг электродоос 2.0 см-ийн зайд дунджаар 120 секундын турш байрлуулж, гялтгануурын гадаргуу дээр бөөмс нэгдэж, жигд бус дусал үүсэхээс сэргийлнэ. EWNS-ийг шинэхэн зүсэгдсэн гялтгануур гадаргуу дээр шууд хэрэглэсэн (Тед Пелла, Реддинг, CA). Шүршсэн даруйд гялтгануурын гадаргууг AFM ашиглан дүрсэлсэн. Шинээр зүсэгдсэн өөрчлөгдөөгүй гялтгануурын гадаргуугийн контактын өнцөг нь 0°-д ойрхон байдаг тул EWNS нь гялтгануурын гадаргуу дээгүүр бөмбөгөр хэлбэртэй20 тархдаг. Сарнисан дуслын диаметр (a) ба өндрийг (h) AFM топографаас шууд хэмжиж, бидний өмнө баталгаажуулсан аргыг8 ашиглан бөмбөгөр тархалтын эзэлхүүний EWNS-ийг тооцоолоход ашигласан. Усан онгоцны EVNS нь ижил эзэлхүүнтэй гэж үзвэл (2) тэгшитгэлээс эквивалент диаметрийг тооцоолж болно:
Бидний өмнө нь боловсруулсан аргын дагуу EWNS-д богино хугацааны радикал завсрын бодис байгаа эсэхийг илрүүлэхийн тулд электрон спин резонансын (ESR) эргэлтийн трапыг ашигласан. Аэрозольыг 235 мМ DEPMPO (5-(диетоксифосфорил)-5-метил-1-пирролин-N-оксид) агуулсан уусмалаар дамжуулсан (Oxis International Inc., Портланд, Орегон). Бүх EPR хэмжилтийг Bruker EMX спектрометр (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) болон хавтгай эсийн массив ашиглан гүйцэтгэсэн. Мэдээлэл цуглуулж, дүн шинжилгээ хийхэд Acquisit программ хангамжийг (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) ашигласан. ROS-ийн шинж чанарыг зөвхөн үйл ажиллагааны багц нөхцлөөр хийсэн [-6.5 кВ, 4.0 см]. Цохилтод байгаа EWNS алдагдлыг харгалзан үзсэний дараа EWNS концентрацийг SMPS ашиглан хэмжсэн.
Озоны түвшинг 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Boulder, Co)8,9,10 ашиглан хянасан.
Бүх EWNS шинж чанаруудын хувьд хэмжилтийн утга нь хэмжилтийн дундаж утга бөгөөд хэмжилтийн алдаа нь стандарт хазайлт юм. Оновчлогдсон EWNS атрибутын утгыг үндсэн EWNS-ийн харгалзах утгатай харьцуулахын тулд t-тест хийсэн.
Зураг 2в-д EWNS11-ийг гадаргуу дээр чиглүүлэхэд ашиглаж болох өмнө нь боловсруулж, тодорхойлогдсон цахилгаан статик хур тунадас нэвтрүүлэх системийг (EPES) үзүүлэв. EPES нь EWNS цэнэгийг хүчтэй цахилгаан оронтой хослуулан зорилтот гадаргуу руу шууд "заах" зорилгоор ашигладаг. EPES системийн талаарх дэлгэрэнгүй мэдээллийг Пиргиотакис нар.11-ийн саяхан хэвлүүлсэн нийтлэлд толилуулж байна. Тиймээс EPES нь 15.24 см-ийн зайд дунд нь хоёр зэрэгцээ зэвэрдэггүй ган (304 зэвэрдэггүй ган, толин тусгал өнгөлсөн) металл хавтан агуулсан шовгор үзүүртэй 3D хэвлэсэн PVC тасалгаанаас бүрдэнэ. Самбарууд нь гадаад өндөр хүчдэлийн эх үүсвэрт холбогдсон (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY), доод самбар нь үргэлж эерэг, дээд самбар нь үргэлж газардуулсан (хөвөгч) байсан. Тасалгааны ханыг хөнгөн цагаан тугалган цаасаар хучсан бөгөөд энэ нь тоосонцор алдагдахаас сэргийлж цахилгаанаар газардуулсан байна. Танхим нь битүүмжилсэн урд ачааны хаалгатай бөгөөд туршилтын гадаргууг хуванцар тавиур дээр байрлуулж, өндөр хүчдэлийн хөндлөнгийн нөлөөллөөс зайлсхийхийн тулд доод металл хавтангаас дээш өргөх боломжийг олгодог.
EPES дахь EWNS-ийн хуримтлалын үр ашгийг нэмэлт зураг S111-д дэлгэрэнгүй тайлбарласан өмнө нь боловсруулсан протоколын дагуу тооцоолсон.
Хяналтын камерын хувьд цилиндр тасалгаагаар дамжин өнгөрөх хоёр дахь урсгал нь EWNS-ийг арилгахын тулд завсрын HEPA шүүлтүүр ашиглан EPES системтэй цувралаар холбогддог. Зурагт үзүүлсэн шиг. 2c, EWNS аэрозолыг цуваа холбосон хоёр танхимаар шахав. Удирдлагын өрөө болон EPES-ийн хоорондох шүүлтүүр нь ижил температур (T), харьцангуй чийгшил (RH) болон озоны түвшинг бий болгоход үлдсэн EWNS-ийг арилгадаг.
Хоол хүнсээр дамждаг чухал бичил биетүүд нь ялгадас гэдэсний савханцар (ATCC #27325), хоол хүнсээр дамждаг эмгэг төрүүлэгч Salmonella enterica (ATCC #53647), эмгэг төрүүлэгч Listeria monocytogen-ийн өөр нэг төрлийн Listeria innocua (ATCC #33090) зэрэг шинэхэн бүтээгдэхүүнийг бохирдуулдаг болохыг тогтоожээ. , Муздаг мөөгөнцрийн өөр хувилбар болох Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098), илүү тэсвэртэй амьд бактери болох Mycobacterium parafortuitous (ATCC #19686) ATCC (Манасас, Виржиниа)-аас худалдан авсан.
Орон нутгийн зах зээлээс хайрцагтай органик усан үзмийн улаан лоолийг санамсаргүйгээр худалдаж аваад, хэрэглэх хүртэл (3 хүртэл хоног) 4 хэмд хөргөгчинд хадгална. 1/2 инч диаметртэй нэг хэмжээтэй улаан лоолийг сонго.
Өсгөвөрлөх, тарих, өртөх, колони тоолох протоколуудыг манай өмнөх хэвлэлүүдэд дэлгэрэнгүй тайлбарласан бөгөөд Нэмэлт мэдээлэл 11-д дэлгэрэнгүй тайлбарласан болно. Тарьсан улаан лоолийг 45 минутын турш 40,000 #/см3-т байлгаснаар EWNS-ийн гүйцэтгэлийг үнэлэв. Товчхондоо, t = 0 минутын үед амьд үлдсэн бичил биетүүдийг үнэлэхэд гурван улаан лоолийг ашигласан. Гурван улаан лоолийг EPES-д хийж, EWNS-д 40,000 #/cc (EWNS-д өртсөн улаан лооль) өртсөн ба бусад гурван улаан лоолийг хяналтын камерт (хяналтын улаан лооль) байрлуулсан. Улаан лоолийн бүлгүүдийн аль нь ч нэмэлт боловсруулалтанд хамрагдаагүй. EWNS-д өртсөн улаан лооль болон хяналтыг EWNS-ийн үр нөлөөг үнэлэхийн тулд 45 минутын дараа устгасан.
Туршилт бүрийг 3 хувь хийсэн. Өгөгдлийн шинжилгээг Нэмэлт мэдээлэлд тодорхойлсон протоколын дагуу хийсэн.
E. coli, Enterobacter, L. innocua нянгийн дээжийг EWNS (45 мин, EWNS аэрозолийн концентраци 40,000 #/см3)-д өртөж, илрээгүй тохиолдолд идэвхгүйжүүлэх механизмыг үнэлэв. Тунадасыг тасалгааны температурт 2 цагийн турш 0.1 М натрийн какодилатын уусмалд (рН 7.4) 2.5% глутаральдегид, 1.25% параформальдегид, 0.03% пикрин хүчил агуулсан бэхлэгчээр тогтооно. Угаалгын дараа тэдгээрийг 1% osmium tetroxide (OsO4)/1.5% калийн ферроцианид (KFeCN6) -аар 2 цагийн турш бэхэлж, 3 удаа усаар угааж, 1% уранил ацетатад 1 цагийн турш өсгөвөрлөж, дараа нь усаар 2 удаа угаана. Дараа нь шингэн алдалтыг 50%, 70%, 90%, 100% архи тус бүр 10 минут хийнэ. Дараа нь дээжийг пропилен исэлд 1 цагийн турш байрлуулж, 1: 1 харьцаатай пропилен исэл ба TAAP Epon (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA) хольцоор шингээсэн. Дээжийг TAAB Epon-д суулгаж, 60°С-т 48 цагийн турш полимержуулсан. Эдгэрсэн мөхлөгт давирхайг TEM-д AMT 2k CCD камер (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, MA, АНУ) тоноглогдсон ердийн дамжуулагч электрон микроскоп JEOL 1200EX (JEOL, Токио, Япон) ашиглан зүсэж, дүрсэлсэн.
Бүх туршилтыг гурав дахин хийсэн. Хугацааны цэг бүрт бактерийн угаалгыг гурав дахин хуваасан бөгөөд нэг цэгт нийт есөн өгөгдлийн цэг болж, дундаж утгыг тухайн организмын бактерийн концентраци болгон ашигласан. Стандарт хазайлтыг хэмжилтийн алдаа болгон ашигласан. Бүх оноо тоолно.
t = 0 минуттай харьцуулахад бактерийн концентрацийн бууралтын логарифмыг дараах томъёогоор тооцоолсон.
Энд C0 нь хяналтын дээж дэх 0-ийн үеийн нянгийн агууламж (өөрөөр хэлбэл гадаргуу хатсаны дараа, гэхдээ камерт байрлуулахаас өмнө) ба Cn нь n минутын турш өртсөний дараа гадаргуу дээрх бактерийн концентраци юм.
45 минутын хугацаанд нянгийн байгалийн доройтлыг тооцохын тулд 45 минутын хяналттай харьцуулахад Бүртгэлийн бууралтыг дараах байдлаар тооцов.
Энд Cn нь хяналтын дээжин дэх n-ийн нянгийн концентраци, Cn-Control нь n-н үеийн хяналтын бактерийн концентраци юм. Мэдээллийг хяналттай харьцуулахад (EWNS өртөлт байхгүй) бүртгэлийн бууралт хэлбэрээр үзүүлэв.
Судалгааны явцад зүү болон тоолуурын электродын хоорондох хүчдэл ба зайны хэд хэдэн хослолыг Тейлорын конус үүсэх, Тейлорын конусын тогтвортой байдал, EWNS үйлдвэрлэлийн тогтвортой байдал, дахин үржих чадвар зэрэгт үнэлэв. Төрөл бүрийн хослолыг нэмэлт хүснэгт S1-д үзүүлэв. Тогтвортой, давтагдах шинж чанарыг харуулсан бүрэн судалгаанд зориулж хоёр тохиолдлыг сонгосон (Тэйлорын конус, EWNS үйлдвэрлэл, цаг хугацааны тогтвортой байдал). Зураг дээр. 3-т хоёр тохиолдолд ROS-ийн цэнэг, хэмжээ, агуулгын үр дүнг харуулав. Үр дүнг мөн Хүснэгт 1-д нэгтгэн харуулав. Лавлах зорилгоор Зураг 3 болон Хүснэгт 1-д өмнө нь нэгтгэсэн оновчтой бус EWNS8, 9, 10, 11 (суурь-EWNS)-ийн шинж чанаруудыг оруулсан болно. Хоёр сүүлт t-тест ашиглан статистикийн ач холбогдлын тооцоог нэмэлт хүснэгт S2-д дахин нийтлэв. Нэмэлт мэдээлэлд тоолуурын электродын дээж авах нүхний диаметр (D) ба газрын электрод ба зүүний үзүүр (L) хоорондын зайд үзүүлэх нөлөөг судлах судалгаа орно (Нэмэлт зураг S2 ба S3).
(a–c) AFM хэмжээний хуваарилалт. (d – f) Гадаргуугийн цэнэгийн шинж чанар. (g) ROS болон ESR-ийн шинж чанар.
Дээр дурдсан бүх нөхцөлд хэмжсэн иончлолын гүйдэл нь 2-6 мкА, хүчдэл нь -3.8-аас -6.5 кВ-ын хооронд байсан тул энэ нэг терминалын EWNS-ийн эрчим хүчний зарцуулалт 50 мВт-аас бага байсныг анхаарах нь чухал юм. . үүсгэх модуль. Хэдийгээр EWNS нь өндөр даралтын дор нийлэгжсэн боловч озоны түвшин маш бага байсан бөгөөд хэзээ ч 60 ppb-ээс хэтрээгүй.
Нэмэлт зураг S4 нь [-6.5 кВ, 4.0 см] ба [-3.8 кВ, 0.5 см] хувилбаруудын загварчилсан цахилгаан орныг харуулав. [-6.5 кВ, 4.0 см] ба [-3.8 кВ, 0.5 см] хувилбаруудын дагуу талбайнуудыг 2 × 105 В/м ба 4.7 × 105 В/м гэж тооцсон. Хоёр дахь тохиолдолд хүчдэл ба зайны харьцаа хамаагүй өндөр байдаг тул үүнийг хүлээх хэрэгтэй.
Зураг дээр. 3a,b нь AFM8-аар хэмжсэн EWNS диаметрийг харуулав. [-6.5 кВ, 4.0 см] ба [-3.8 кВ, 0.5 см] хувилбаруудын EWNS дундаж диаметрийг 27 нм ба 19 нм гэж тооцсон. [-6.5 кВ, 4.0 см] ба [-3.8 кВ, 0.5 см] тохиолдлын хувьд тархалтын геометрийн стандарт хазайлт нь 1.41 ба 1.45 байгаа нь нарийн хэмжээтэй тархалтыг харуулж байна. Дундаж хэмжээ болон геометрийн стандарт хазайлт хоёулаа суурь шугам-EWNS-тэй маш ойрхон буюу 25 нм ба 1.41 байна. Зураг дээр. 3c нь ижил нөхцөлд ижил аргаар хэмжсэн суурь EWNS-ийн хэмжээсийн тархалтыг харуулав.
Зураг дээр. 3d,e нь цэнэгийн шинж чанарын үр дүнг харуулж байна. Өгөгдөл нь концентраци (#/см3) ба гүйдэл (I) -ийн нэгэн зэрэг 30 хэмжилтийн дундаж хэмжилт юм. Шинжилгээгээр EWNS-ийн дундаж цэнэг нь [-6.5 кВ, 4.0 см] ба [-3.8 кВ, 0.5 см]-д 22 ± 6 e- ба 44 ± 6 e- байна. Суурь-EWNS (10 ± 2 e-) -тай харьцуулахад тэдгээрийн гадаргуугийн цэнэг нь [-6.5 кВ, 4.0 см] хувилбараас хоёр дахин, [-3 .8 кВ, 0.5 см] хувилбараас 4 дахин их, мэдэгдэхүйц өндөр байна. 3f нь EWNS төлбөрийн үндсэн өгөгдлийг харуулж байна.
EWNS дугаарын концентрацийн зураглалаас (нэмэлт зураг S5 ба S6) [-6.5 кВ, 4.0 см] үзэгдэл нь [-3.8 кВ, 0.5 см] дүр зурагтай харьцуулахад тоосонцрын тоо хамаагүй их байгааг харж болно. Мөн EWNS-ийн тоон концентрацийг 4 цаг хүртэл хянаж байсныг тэмдэглэх нь зүйтэй (Нэмэлт зураг S5 ба S6), EWNS үүсгэх тогтвортой байдал нь хоёр тохиолдолд бөөмийн тооны концентрацийн ижил түвшнийг харуулсан.
Зураг 3g нь [-6.5 кВ, 4.0 см] дээр оновчтой EWNS-ийн хяналтын (фон) хасалтын дараах EPR спектрийг харуулав. ROS спектрийг мөн өмнө нь хэвлэгдсэн нийтлэлд EWNS-ийн суурь үзүүлэлттэй харьцуулсан болно. Эргэлтийн урхинд хариу үйлдэл үзүүлж буй EWNS-ийн тооцоолсон тоо нь 7.5 × 104 EWNS/s бөгөөд энэ нь өмнө нь хэвлэгдсэн Baseline-EWNS8-тай төстэй юм. EPR спектрүүд нь хоёр төрлийн ROS байгааг тодорхой харуулсан бөгөөд үүнд O2- давамгайлж, харин OH• бага хэмжээгээр агуулагдаж байв. Нэмж дурдахад оргил эрчмүүдийн шууд харьцуулалт нь оновчтой EWNS нь үндсэн EWNS-тэй харьцуулахад харьцангуй өндөр ROS агууламжтай болохыг харуулсан.
Зураг дээр. 4 нь EPES дахь EWNS-ийн хуримтлалын үр ашгийг харуулж байна. Мэдээллийг мөн I хүснэгтэд нэгтгэн дүгнэж, анхны EWNS өгөгдөлтэй харьцуулсан болно. EUNS-ийн хоёр тохиолдлын хувьд 3.0 кВ-ын бага хүчдэлд ч гэсэн тунадасжилт 100% дөхөж байсан. Ихэвчлэн 3.0 кВ нь гадаргуугийн цэнэгийн өөрчлөлтөөс үл хамааран 100% тунадасжихад хангалттай. Үүнтэй ижил нөхцөлд бага цэнэгийн улмаас үндсэн шугам-EWNS-ийн хуримтлалын үр ашиг нь ердөө 56% байсан (EWNS-д дунджаар 10 электрон).
Зураг 5 ба Хүснэгт 2-т хамгийн оновчтой хувилбараар [-6.5 кВ, 4.0 см] 45 минутын турш ойролцоогоор 40,000 #/см3 EWNS-д өртсөний дараа улаан лоолийн гадаргуу дээр тарьсан бичил биетний идэвхгүй байдлын түвшинг нэгтгэн харуулав. Тариулсан E. coli болон L. innocua нь 45 минутын турш өртсөний дараа 3.8 логоор мэдэгдэхүйц буурсан байна. Ижил нөхцөлд S. enterica 2.2 гуалин багассан бол S. cerevisiae болон M. parafortuitum 1.0 гуалингаар буурсан байна.
E. coli, Salmonella enterica, L. innocua эсүүд дэх EWNS-ээр үүсгэгдсэн физик өөрчлөлтийг идэвхгүй болгоход хүргэдэг электрон микрографиуд (Зураг 6). Хяналтын бактери нь эсийн мембран бүрэн бүтэн байсан бол ил гарсан бактери нь гаднах мембраныг гэмтээсэн байв.
Хяналтын болон ил гарсан бактерийн электрон микроскопийн дүрслэл нь мембраны гэмтлийг илрүүлсэн.
Оновчлогдсон EWNS-ийн физик-химийн шинж чанаруудын талаархи мэдээлэл нь EWNS шинж чанарууд (гадаргуугийн цэнэг ба ROS агууламж) нь өмнө нь нийтлэгдсэн EWNS-ийн суурь өгөгдөлтэй харьцуулахад мэдэгдэхүйц сайжирсан болохыг харуулж байна8,9,10,11. Нөгөөтэйгүүр, тэдгээрийн хэмжээ нь нанометрийн хязгаарт хэвээр үлдсэн бөгөөд энэ нь өмнө нь нийтлэгдсэн үр дүнтэй маш төстэй бөгөөд агаарт удаан хугацаагаар байх боломжийг олгодог. Ажиглагдсан полидисперсийг гадаргуугийн цэнэгийн өөрчлөлтөөр тайлбарлаж болох бөгөөд энэ нь Рэйлийн эффектийн хэмжээ, санамсаргүй байдал, EWNS-ийн боломжит нэгтгэлийг тодорхойлдог. Гэсэн хэдий ч Nielsen et al.22 нарийвчилсан байдлаар гадаргуугийн өндөр цэнэг нь усны дуслын гадаргуугийн энерги/хүчдэлийг үр дүнтэй нэмэгдүүлэх замаар ууршилтыг бууруулдаг. Энэ онолыг бидний өмнөх хэвлэлд8 бичил дусал22 ба EWNS-д туршилтаар баталсан. Илүү цагийн алдагдал нь хэмжээд нөлөөлж, ажиглагдсан хэмжээний хуваарилалтад хувь нэмэр оруулдаг.
Нэмж хэлэхэд, нэг байгууламжийн цэнэг нь нөхцөл байдлаас шалтгаалан ойролцоогоор 22-44 e- байдаг бөгөөд энэ нь нэг бүтцэд дунджаар 10 ± 2 электрон цэнэглэгддэг үндсэн EWNS-тэй харьцуулахад мэдэгдэхүйц өндөр байна. Гэхдээ энэ нь EWNS-ийн дундаж төлбөр гэдгийг тэмдэглэх нь зүйтэй. Сето нар. Цэнэг нь жигд биш бөгөөд лог-нормаль тархалтыг дагаж мөрддөг21. Бидний өмнөх ажилтай харьцуулахад гадаргуугийн цэнэгийг хоёр дахин нэмэгдүүлснээр EPES систем дэх хуримтлалын үр ашгийг бараг 100%11 болгож хоёр дахин нэмэгдүүлнэ.