Grazzi talli żort Nature.com. Qed tuża verżjoni tal-browser b'appoġġ limitat għas-CSS. Għall-aħjar esperjenza, nirrakkomandaw li tuża browser aġġornat (jew tiddiżattiva l-Modalità ta' Kompatibilità fl-Internet Explorer). Barra minn hekk, biex niżguraw appoġġ kontinwu, nuru s-sit mingħajr stili u JavaScript.
Riċentement, ġiet żviluppata pjattaforma antimikrobjali ħielsa minn kimiċi bbażata fuq in-nanoteknoloġija li tuża nanostrutturi artifiċjali tal-ilma (EWNS). L-EWNS għandhom ċarġ tal-wiċċ għoli u huma rikki fi speċi ta' ossiġnu reattiv (ROS) li jistgħu jinteraġixxu ma' u jinattivaw numru ta' mikro-organiżmi, inklużi patoġeni li jinġarru mill-ikel. Hawnhekk jintwera li l-proprjetajiet tagħhom waqt is-sintesi jistgħu jiġu rfinati u ottimizzati biex itejbu aktar il-potenzjal antibatteriku tagħhom. Il-pjattaforma tal-laboratorju tal-EWNS ġiet iddisinjata biex tirfina l-proprjetajiet tal-EWNS billi tbiddel il-parametri tas-sintesi. Il-karatterizzazzjoni tal-proprjetajiet tal-EWNS (ċarġ, daqs, u kontenut ta' ROS) twettqet bl-użu ta' metodi analitiċi moderni. Barra minn hekk, mikro-organiżmi tal-ikel bħal Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocua, Mycobacterium para fortitum, u Saccharomyces cerevisiae ġew inokulati fuq il-wiċċ ta' tadam organiku tal-għeneb biex jiġi evalwat il-potenzjal ta' inattivazzjoni mikrobjali tagħhom. Ir-riżultati ppreżentati hawn juru li l-proprjetajiet tal-EWNS jistgħu jiġu rfinati waqt is-sintesi, li jirriżulta f'żieda esponenzjali fl-effiċjenza tal-inattivazzjoni. B'mod partikolari, il-ċarġ tal-wiċċ żdied b'fattur ta' erbgħa, u l-kontenut ta' ROS żdied. Ir-rata ta' tneħħija mikrobjali kienet dipendenti fuq il-mikrobji u varjat minn 1.0 sa 3.8 log wara 45 minuta ta' espożizzjoni għal doża ta' aerosol ta' 40,000 #/cm3 EWNS.
Il-kontaminazzjoni mikrobjali hija l-kawża ewlenija tal-mard li jinġarr mill-ikel ikkawżat mill-inġestjoni ta’ patoġeni jew it-tossini tagħhom. Il-mard li jinġarr mill-ikel jammonta għal madwar 76 miljun marda, 325,000 dħul fl-isptar, u 5,000 mewt kull sena fl-Istati Uniti biss1. Barra minn hekk, id-Dipartiment tal-Agrikoltura tal-Istati Uniti (USDA) jistma li ż-żieda fil-konsum ta’ prodotti friski hija responsabbli għal 48 fil-mija tal-mard kollu li jinġarr mill-ikel irrappurtat fl-Istati Uniti2. L-ispiża tal-mard u l-mewt minn patoġeni li jinġarru mill-ikel fl-Istati Uniti hija għolja ħafna, stmata miċ-Ċentri għall-Kontroll u l-Prevenzjoni tal-Mard (CDC) għal aktar minn US$15.6 biljun fis-sena3.
Bħalissa, interventi antimikrobiċi kimiċi4, radjattivi5 u termali6 biex tiġi żgurata s-sikurezza tal-ikel huma prinċipalment implimentati f'punti kritiċi ta' kontroll (CCPs) limitati fil-katina tal-produzzjoni (ġeneralment wara l-ħsad u/jew waqt l-ippakkjar) aktar milli implimentati kontinwament b'tali mod li l-prodotti friski jkunu soġġetti għal kontaminazzjoni inkroċjata7. Interventi antimikrobiċi huma meħtieġa biex jikkontrollaw aħjar il-mard li jinġarr mill-ikel u t-taħsir tal-ikel u għandhom il-potenzjal li jiġu applikati tul il-kontinwu mir-razzett sal-mejda. Inqas impatt u spiża.
Riċentement ġiet żviluppata pjattaforma antimikrobika ħielsa minn kimiċi bbażata fuq in-nanoteknoloġija biex tiddiżattiva l-batterji fuq l-uċuħ u fl-arja bl-użu ta' nanostrutturi tal-ilma artifiċjali (EWNS). Għas-sintesi tal-EVNS, intużaw żewġ proċessi paralleli: elettrosprej u jonizzazzjoni tal-ilma (Fig. 1a). L-EWNS intwerew qabel li għandhom sett uniku ta' proprjetajiet fiżiċi u bijoloġiċi8,9,10. L-EWNS għandu medja ta' 10 elettroni għal kull struttura u daqs medju tan-nanometru ta' 25 nm (Fig. 1b,c)8,9,10. Barra minn hekk, ir-reżonanza tal-ispin tal-elettroni (ESR) uriet li l-EWNS fihom ammont kbir ta' speċi ta' ossiġnu reattiv (ROS), prinċipalment radikali idrossiliċi (OH•) u superossidu (O2-) (Fig. 1c)8. L-EWNS baqgħu fl-arja għal żmien twil u setgħu jaħbtu ma' mikrobi sospiżi fl-arja u preżenti fuq l-uċuħ, u jwasslu t-tagħbija ROS tagħhom u jikkawżaw inattivazzjoni mikrobjali (Fig. 1d). Dawn l-istudji preċedenti wrew ukoll li l-EWNS jistgħu jinteraġixxu ma’ u jiddiżattivaw diversi batterji gram-negattivi u gram-pożittivi ta’ importanza għas-saħħa pubblika, inklużi l-mikobatterji, fuq l-uċuħ u fl-arja8,9. Il-mikroskopija elettronika ta’ trasmissjoni wriet li l-inattivazzjoni kienet ikkawżata minn tfixkil tal-membrana taċ-ċellula. Barra minn hekk, studji dwar inalazzjoni akuta wrew li dożi għoljin ta’ EWNS ma jikkawżawx ħsara jew infjammazzjoni fil-pulmun8.
(a) L-elettrosprej iseħħ meta jiġi applikat vultaġġ għoli bejn kapillari li fih likwidu u kontro-elettrodu. (b) L-applikazzjoni ta' vultaġġ għoli tirriżulta f'żewġ fenomeni differenti: (i) elettrosprejjar tal-ilma u (ii) ġenerazzjoni ta' speċi ta' ossiġnu reattiv (joni) maqbuda fl-EWNS. (ċ) L-istruttura unika tal-EWNS. (d) L-EWNS huma mobbli ħafna minħabba n-natura nanoskala tagħhom u jistgħu jinteraġixxu ma' patoġeni fl-arja.
Il-kapaċità tal-pjattaforma antimikrobika EWNS li tiddiżattiva mikro-organiżmi li jinġarru mill-ikel fuq il-wiċċ tal-ikel frisk ġiet ukoll murija reċentement. Intwera wkoll li l-ċarġ tal-wiċċ tal-EWNS jista' jintuża flimkien ma' kamp elettriku għal kunsinna mmirata. Aktar importanti minn hekk, ġie osservat riżultat inizjali promettenti ta' tnaqqis ta' madwar 1.4 log fl-attività organika tat-tadam kontra diversi mikro-organiżmi tal-ikel bħal E. coli u Listeria fi żmien 90 minuta ta' espożizzjoni għall-EWNS f'konċentrazzjoni ta' madwar 50,000#/cm311. Barra minn hekk, testijiet preliminari ta' evalwazzjoni organolettika ma wrew l-ebda effett organolettiku meta mqabbel mat-tadam ta' kontroll. Għalkemm dawn ir-riżultati inizjali ta' inattivazzjoni jwiegħdu s-sikurezza tal-ikel anke f'dożi baxxi ħafna ta' EWNS ta' 50,000#/cc. see, huwa ċar li potenzjal ta' inattivazzjoni ogħla jkun aktar ta' benefiċċju biex jitnaqqas aktar ir-riskju ta' infezzjoni u taħsir.
Hawnhekk, se niffokaw ir-riċerka tagħna fuq l-iżvilupp ta' pjattaforma ta' ġenerazzjoni tal-EWNS biex nirfinaw il-parametri tas-sintesi u nottimizzaw il-proprjetajiet fiżiko-kimiċi tal-EWNS biex intejbu l-potenzjal antibatteriku tagħhom. B'mod partikolari, l-ottimizzazzjoni ffokat fuq iż-żieda tal-ċarġ tal-wiċċ tagħhom (biex titjieb il-kunsinna mmirata) u l-kontenut ta' ROS (biex tittejjeb l-effiċjenza tal-inattivazzjoni). Karatterizzazzjoni ta' proprjetajiet fiżiko-kimiċi ottimizzati (daqs, ċarġ u kontenut ta' ROS) bl-użu ta' metodi analitiċi moderni u bl-użu ta' mikro-organiżmi tal-ikel komuni bħal E. coli, S. enterica, L. innocua, S. cerevisiae u M. parafortuitum.
L-EVNS ġie sintetizzat permezz ta' elettrosprejjar u jonizzazzjoni simultanja ta' ilma ta' purità għolja (18 MΩ cm–1). L-atomizzatur elettriku 12 tipikament jintuża biex jatomizza likwidi u polimeri sintetiċi u partiċelli taċ-ċeramika 13 u fibri 14 ta' daqs ikkontrollat.
Kif iddettaljat f'pubblikazzjonijiet preċedenti 8, 9, 10, 11, f'esperiment tipiku, jiġi applikat vultaġġ għoli bejn kapillari tal-metall u kontro-elettrodu ertjat. Matul dan il-proċess, iseħħu żewġ fenomeni differenti: 1) elettrosprej u 2) jonizzazzjoni tal-ilma. Kamp elettriku qawwi bejn iż-żewġ elettrodi jikkawża li jinbnew ċirkwiti negattivi fuq il-wiċċ tal-ilma kkondensat, li jirriżulta fil-formazzjoni ta' koni Taylor. Bħala riżultat, jiġu ffurmati qtar ta' ilma ċċarġjati ħafna, li jkomplu jitkissru f'partiċelli iżgħar, skont it-teorija ta' Rayleigh16. Fl-istess ħin, kamp elettriku qawwi jikkawża li xi wħud mill-molekuli tal-ilma jinqasmu u jneħħu l-elettroni (jonizzazzjoni), u b'hekk jiġġeneraw ammont kbir ta' speċi ta' ossiġnu reattiv (ROS)17. Pakketti ROS18 iġġenerati simultanjament ġew inkapsulati f'EWNS (Fig. 1c).
Il-figura 2a turi s-sistema ta' ġenerazzjoni tal-EWNS żviluppata u użata fis-sintesi tal-EWNS f'dan l-istudju. Ilma ppurifikat maħżun fi flixkun magħluq ingħata minn ġo tubu tat-Teflon (dijametru intern ta' 2 mm) għal labra tal-istainless steel 30G (kappalli tal-metall). Kif muri fil-Figura 2b, il-fluss tal-ilma huwa kkontrollat ​​mill-pressjoni tal-arja ġewwa l-flixkun. Il-labra hija mwaħħla ma' console tat-Teflon li tista' tiġi aġġustata manwalment għal ċerta distanza mill-kontro-elettrodu. Il-kontro-elettrodu huwa diska tal-aluminju illustrata b'toqba fin-nofs għall-kampjunar. Taħt il-kontro-elettrodu hemm lembut tal-kampjunar tal-aluminju, li huwa konness mal-bqija tas-setup sperimentali permezz ta' port tal-kampjunar (Fig. 2b). Il-komponenti kollha tal-kampjunar huma mqabbda mal-art bl-elettriku biex tiġi evitata l-akkumulazzjoni ta' ċarġ li tista' tiddegrada l-kampjunar tal-partiċelli.
(a) Sistema ta' Ġenerazzjoni ta' Nanostruttura tal-Ilma Inġinerizzata (EWNS). (b) Sezzjoni trasversali ta' kampjunatur u unità tal-elettrosprej li turi l-aktar parametri importanti. (ċ) Setup sperimentali għall-inattivazzjoni tal-batterji.
Is-sistema ta' ġenerazzjoni tal-EWNS deskritta hawn fuq hija kapaċi tbiddel il-parametri operattivi ewlenin biex tiffaċilita l-irfinar fin tal-proprjetajiet tal-EWNS. Aġġusta l-vultaġġ applikat (V), id-distanza bejn il-labra u l-kontro-elettrodu (L), u l-fluss tal-ilma (φ) mill-kapillari biex tirfina l-karatteristiċi tal-EWNS. Is-simboli [V (kV), L (cm)] jintużaw biex jindikaw kombinazzjonijiet differenti. Aġġusta l-fluss tal-ilma biex tikseb kon Taylor stabbli ta' ċertu sett [V, L]. Għall-finijiet ta' dan l-istudju, l-apertura tal-kontro-elettrodu (D) ġiet issettjata għal 0.5 pulzieri (1.29 cm).
Minħabba l-ġeometrija limitata u l-assimetrija, is-saħħa tal-kamp elettriku ma tistax tiġi kkalkulata mill-ewwel prinċipji. Minflok, is-softwer QuickField™ (Svendborg, id-Danimarka)19 intuża biex jiġi kkalkulat il-kamp elettriku. Il-kamp elettriku mhuwiex uniformi, għalhekk il-valur tal-kamp elettriku fil-ponta tal-kapillari ntuża bħala valur ta' referenza għal diversi konfigurazzjonijiet.
Matul l-istudju, ġew evalwati diversi kombinazzjonijiet ta' vultaġġ u distanza bejn il-labra u l-kontro-elettrodu f'termini ta' formazzjoni ta' kon Taylor, stabbiltà ta' kon Taylor, stabbiltà ta' produzzjoni ta' EWNS, u riproduċibbiltà. Diversi kombinazzjonijiet huma murija fit-Tabella Supplimentari S1.
L-output tas-sistema ta' ġenerazzjoni tal-EWNS kien imqabbad direttament ma' Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS, mudell 3936, TSI, Shoreview, Minnesota) biex ikejjel il-konċentrazzjoni tan-numru ta' partiċelli u ntuża ma' elettrometru tal-ajrusol Faraday (TSI, mudell 3068B, Shoreview, USA). MN) biex ikejjel il-flussi tal-ajrusol, kif deskritt fil-pubblikazzjoni preċedenti tagħna9. Kemm l-SMPS kif ukoll l-elettrometru tal-ajrusol ittieħdu kampjuni b'rata ta' fluss ta' 0.5 L/min (fluss totali tal-kampjun 1 L/min). Il-konċentrazzjonijiet tal-partiċelli u l-flussi tal-ajrusol tkejlu għal 120 s. Irrepeti l-kejl 30 darba. Il-ċarġ totali tal-ajrusol huwa kkalkulat mill-kejl attwali, u l-ċarġ medju tal-EWNS huwa stmat min-numru totali ta' partiċelli EWNS li ttieħdu kampjuni minnhom. L-ispiża medja tal-EWNS tista' tiġi kkalkulata bl-użu tal-ekwazzjoni (1):
Fejn IEl hija l-kurrent imkejjel, NSMPS hija l-konċentrazzjoni numerika mkejla bl-SMPS, u φEl hija r-rata tal-fluss lejn l-elettrometru.
Minħabba li l-umdità relattiva (RH) taffettwa l-iċċarġjar tal-wiċċ, it-temperatura u (RH) inżammu kostanti f'21°C u 45%, rispettivament, matul l-esperiment.
Mikroskopija tal-forza atomika (AFM), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Santa Barbara, CA) u sonda AC260T (Olympus, Tokyo, Ġappun) intużaw biex jitkejlu d-daqs u l-ħajja tal-EWNS. Ir-rata tal-iskannjar tal-AFM hija ta' 1 Hz u ż-żona tal-iskannjar hija ta' 5 µm × 5 µm b'256 linja tal-iskannjar. L-immaġini kollha ġew soġġetti għal allinjament tal-immaġini tal-ewwel ordni bl-użu tas-softwer Asylum (maskra b'firxa ta' 100 nm u limitu ta' 100 pm).
Neħħi l-lembut tal-kampjunar u poġġi l-wiċċ tal-majka f'distanza ta' 2.0 ċm mill-kontro-elettrodu għal ħin medju ta' 120 sekonda biex tevita l-koeżjoni tal-partiċelli u l-formazzjoni ta' qtar irregolari fuq il-wiċċ tal-majka. L-EWNS ġie applikat direttament fuq uċuħ tal-majka maqtugħin friski (Ted Pella, Redding, CA). Immedjatament wara l-isputtering, il-wiċċ tal-majka ġie viżwalizzat bl-użu tal-AFM. L-angolu ta' kuntatt tal-wiċċ tal-majka mhux modifikata maqtugħa friska huwa qrib iż-0°, għalhekk l-EWNS jippropaga fuq il-wiċċ tal-majka f'forma ta' koppla20. Id-dijametru (a) u l-għoli (h) tal-qtar li jxerrdu tkejlu direttament mit-topografija tal-AFM u ntużaw biex jiġi kkalkulat il-volum ta' diffużjoni f'forma ta' koppla EWNS bl-użu tal-metodu tagħna vvalidat qabel8. Jekk nassumu li l-EVNS abbord għandu l-istess volum, id-dijametru ekwivalenti jista' jiġi kkalkulat mill-ekwazzjoni (2):
Skont il-metodu żviluppat qabel tagħna, intużat nassa tal-ispin tar-reżonanza tal-ispin tal-elettroni (ESR) biex tiskopri l-preżenza ta' intermedji radikali ta' ħajja qasira fl-EWNS. L-aerosols għaddew minn soluzzjoni li fiha 235 mM DEPMPO (5-(dietossifosforil)-5-metil-1-pirrolina-N-ossidu) (Oxis International Inc., Portland, Oregon). Il-kejl kollu tal-EPR sar bl-użu ta' spettrometru Bruker EMX (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) u matriċi ta' ċelluli ċatti. Is-softwer Acquisit (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) intuża biex jiġbor u janalizza d-dejta. Il-karatterizzazzjoni tar-ROS twettqet biss għal sett ta' kundizzjonijiet operattivi [-6.5 kV, 4.0 cm]. Il-konċentrazzjonijiet tal-EWNS tkejlu bl-użu ta' SMPS wara li tqies it-telf tal-EWNS fl-impattur.
Il-livelli tal-ożonu ġew immonitorjati bl-użu ta' 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Boulder, Co)8,9,10.
Għall-proprjetajiet kollha tal-EWNS, il-valur tal-kejl huwa l-medja tal-kejl, u l-iżball tal-kejl huwa d-devjazzjoni standard. Sar test-t biex jitqabbel il-valur tal-attribut EWNS ottimizzat mal-valur korrispondenti tal-EWNS bażi.
Il-Figura 2c turi Sistema ta' Preċipitazzjoni Elettrostatika li Tgħaddi minnha (EPES) żviluppata u kkaratterizzata qabel li tista' tintuża biex timmira l-EWNS11 lejn l-uċuħ. L-EPES juża ċarġ tal-EWNS flimkien ma' kamp elettriku qawwi biex "jipponta" direttament lejn il-wiċċ tal-mira. Id-dettalji tas-sistema EPES huma ppreżentati f'pubblikazzjoni reċenti minn Pyrgiotakis et al.11. Għalhekk, l-EPES jikkonsisti minn kamra tal-PVC stampata bi 3D b'truf imżerżqa li fihom żewġ pjanċi tal-metall paralleli tal-istainless steel (azzar inossidabbli 304, illustrat bil-mera) fin-nofs 15.24 ċm 'il bogħod minn xulxin. Il-bordijiet kienu konnessi ma' sors estern ta' vultaġġ għoli (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY), il-bord tal-qiegħ kien dejjem pożittiv u l-bord ta' fuq kien dejjem ertjat (f'wiċċ l-ilma). Il-ħitan tal-kamra huma mgħottija b'fojl tal-aluminju, li huwa ertjat elettrikament biex jipprevjeni t-telf ta' partiċelli. Il-kamra għandha bieba ta' quddiem issiġillata li tippermetti li l-uċuħ tat-test jitqiegħdu fuq xtillieri tal-plastik, billi jitneħħew mill-pjanċa tal-metall tal-qiegħ biex tiġi evitata interferenza ta' vultaġġ għoli.
L-effiċjenza tad-depożizzjoni tal-EWNS fl-EPES ġiet ikkalkulata skont protokoll żviluppat qabel iddettaljat fil-Figura Supplimentari S111.
Bħala kamra tal-kontroll, it-tieni fluss mill-kamra ċilindrika huwa konness f'serje mas-sistema EPES bl-użu ta' filtru HEPA intermedju biex jitneħħew l-EWNS. Kif muri fil-figura 2c, l-aerosol EWNS ġie ppumpjat minn żewġ kmamar konnessi f'serje. Il-filtru bejn il-kamra tal-kontroll u l-EPES ineħħi kwalunkwe EWNS li jifdal, li jirriżulta fl-istess temperatura (T), umdità relattiva (RH) u livelli ta' ożonu.
Instabu mikro-organiżmi importanti li jinġarru mill-ikel li jikkontaminaw prodotti friski bħal Escherichia coli (ATCC #27325), indikatur fekali, Salmonella enterica (ATCC #53647), patoġenu li jinġarr mill-ikel, Listeria innocua (ATCC #33090), alternattiva għal-Listeria monocytogenes patoġenika. , Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098) bħala alternattiva għall-ħmira li tħassar, u Mycobacterium parafortuitous (ATCC #19686) bħala batterju ħaj aktar reżistenti nxtraw minn ATCC (Manassas, Virginia).
Ixtri kaxxi ta’ tadam organiku mis-suq lokali tiegħek b’mod każwali u poġġihom fil-friġġ f’4°C sakemm tużahom (sa 3 ijiem). Agħżel it-tadam biex tesperimenta b’daqs wieħed, madwar 1/2 pulzier fid-dijametru.
Il-protokolli għall-inkubazzjoni, l-inokulazzjoni, l-espożizzjoni u l-għadd tal-kolonji ġew iddettaljati fil-pubblikazzjonijiet preċedenti tagħna u spjegati fid-dettall fid-Data Supplimentari 11. Il-prestazzjoni tal-EWNS ġiet evalwata billi t-tadam inokulat ġie espost għal 40,000 #/cm3 għal 45 minuta. Fil-qosor, fil-ħin t = 0 min, tliet tadam intużaw biex jiġu evalwati l-mikro-organiżmi superstiti. Tliet tadam tqiegħdu fl-EPES u tqiegħdu għal EWNS f'40,000 #/cc (tadam espost għal EWNS) u tlieta oħra tqiegħdu fil-kamra tal-kontroll (tadam tal-kontroll). L-ebda wieħed mill-gruppi tat-tadam ma ġie soġġett għal ipproċessar addizzjonali. It-tadam u l-kontrolli esposti għal EWNS tneħħew wara 45 minuta biex jiġi evalwat l-effett tal-EWNS.
Kull esperiment twettaq fi tliet kopji. L-analiżi tad-dejta twettqet skont il-protokoll deskritt fid-Dejta Supplimentari.
Kampjuni batteriċi ta' E. coli, Enterobacter, u L. innocua esposti għal EWNS (45 minuta, konċentrazzjoni ta' aerosol EWNS 40,000 #/cm3) u mhux esposti ġew imfarrka biex jiġu vvalutati l-mekkaniżmi ta' inattivazzjoni. Il-preċipitat ġie ffissat għal sagħtejn f'temperatura tal-kamra f'soluzzjoni ta' 0.1 M sodium cacodylate (pH 7.4) b'fissattiv ta' 2.5% glutaraldehyde, 1.25% paraformaldehyde u 0.03% picric acid. Wara l-ħasil, ġew iffissati b'1% osmium tetroxide (OsO4)/1.5% potassium ferrocyanide (KFeCN6) għal sagħtejn, maħsula 3 darbiet bl-ilma u inkubati f'1% uranyl acetate għal siegħa, imbagħad maħsula darbtejn bl-ilma. Deidratazzjoni sussegwenti ta' 10 minuti kull waħda ta' 50%, 70%, 90%, 100% alkoħol. Il-kampjuni mbagħad tqiegħdu f'ossidu tal-propilene għal siegħa u ġew mimlija b'taħlita 1:1 ta' ossidu tal-propilene u TAAP Epon (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA). Il-kampjuni ġew inkorporati f'TAAB Epon u polimerizzati f'60°C għal 48 siegħa. Ir-reżina granulari vulkanizzata nqatgħet u ġiet viżwalizzata permezz ta' TEM bl-użu ta' JEOL 1200EX (JEOL, Tokyo, Ġappun), mikroskopju elettroniku ta' trasmissjoni konvenzjonali mgħammar b'kamera CCD AMT 2k (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, MA, USA).
L-esperimenti kollha twettqu fi tliet kopji. Għal kull punt ta' żmien, il-ħasliet batteriċi tqiegħdu fi tliet kopji, li rriżultaw f'total ta' disa' punti tad-dejta għal kull punt, li l-medja tagħhom intużat bħala l-konċentrazzjoni batterika għal dak l-organiżmu partikolari. Id-devjazzjoni standard intużat bħala l-iżball tal-kejl. Il-punti kollha jgħoddu.
Il-logaritmu tat-tnaqqis fil-konċentrazzjoni tal-batterji meta mqabbel ma' t = 0 min ġie kkalkulat bl-użu tal-formula li ġejja:
Fejn C0 hija l-konċentrazzjoni tal-batterji fil-kampjun ta' kontroll fil-ħin 0 (jiġifieri wara li l-wiċċ ikun nixef iżda qabel ma jitqiegħed fil-kompartiment) u Cn hija l-konċentrazzjoni tal-batterji fuq il-wiċċ wara n minuti ta' espożizzjoni.
Biex titqies id-degradazzjoni naturali tal-batterji matul il-perjodu ta' espożizzjoni ta' 45 minuta, it-Tnaqqis Logaritku ġie kkalkulat ukoll meta mqabbel mal-kontroll wara 45 minuta kif ġej:
Fejn Cn hija l-konċentrazzjoni tal-batterji fil-kampjun ta' kontroll fil-ħin n u Cn-Control hija l-konċentrazzjoni tal-batterji ta' kontroll fil-ħin n. Id-dejta hija ppreżentata bħala tnaqqis logaritmu meta mqabbel mal-kontroll (l-ebda espożizzjoni għall-EWNS).
Matul l-istudju, diversi kombinazzjonijiet ta' vultaġġ u distanza bejn il-labra u l-kontro-elettrodu ġew evalwati f'termini ta' formazzjoni ta' kon Taylor, stabbiltà ta' kon Taylor, stabbiltà ta' produzzjoni ta' EWNS, u riproduċibbiltà. Diversi kombinazzjonijiet huma murija fit-Tabella Supplimentari S1. Żewġ każijiet intgħażlu għal studju komplut li juri proprjetajiet stabbli u riproduċibbli (kon Taylor, produzzjoni ta' EWNS, u stabbiltà maż-żmien). Il-figura 3 turi r-riżultati dwar iċ-ċarġ, id-daqs u l-kontenut ta' ROS għal żewġ każijiet. Ir-riżultati huma wkoll miġbura fil-qosor fit-Tabella 1. Għal referenza, il-Figura 3 u t-Tabella 1 jinkludu l-proprjetajiet tal-EWNS8, 9, 10, 11 mhux ottimizzati sintetizzati qabel (EWNS bażi). Kalkoli ta' sinifikat statistiku bl-użu ta' test-t b'żewġ dnub huma ppubblikati mill-ġdid fit-Tabella Supplimentari S2. Barra minn hekk, dejta addizzjonali tinkludi studji dwar l-effett tad-dijametru tat-toqba tal-kampjunar tal-kontro-elettrodu (D) u d-distanza bejn l-elettrodu tal-art u l-ponta tal-labra (L) (Figuri Supplimentari S2 u S3).
(a–c) Distribuzzjoni tad-daqs tal-AFM. (d–f) Karatteristika tal-ċarġ tal-wiċċ. (g) Karatterizzazzjoni ta' ROS u ESR.
Ta' min jinnota wkoll li għall-kundizzjonijiet kollha ta' hawn fuq, il-kurrenti tal-jonizzazzjoni mkejla kienu fil-medda ta' 2-6 µA, u l-vultaġġi kienu fil-medda ta' -3.8 sa -6.5 kV, li rriżultaw f'konsum ta' enerġija għal dan l-EWNS b'terminal wieħed ta' inqas minn 50 mW. Għalkemm l-EWNS ġie sintetizzat taħt pressjoni għolja, il-livelli tal-ożonu kienu baxxi ħafna, u qatt ma qabżu s-60 ppb.
Il-Figura Supplimentari S4 turi l-kampi elettriċi simulati għax-xenarji ta' [-6.5 kV, 4.0 cm] u [-3.8 kV, 0.5 cm], rispettivament. Il-kampi skont ix-xenarji ta' [-6.5 kV, 4.0 cm] u [-3.8 kV, 0.5 cm] huma kkalkulati bħala 2 × 105 V/m u 4.7 × 105 V/m, rispettivament. Dan huwa mistenni, peress li l-proporzjon tal-vultaġġ għad-distanza huwa ħafna ogħla fit-tieni każ.
Fil-figura 3a,b jidher id-dijametru tal-EWNS imkejjel bl-AFM8. Id-dijametri medji tal-EWNS għax-xenarji [-6.5 kV, 4.0 cm] u [-3.8 kV, 0.5 cm] ġew ikkalkulati bħala 27 nm u 19 nm, rispettivament. Id-devjazzjonijiet standard ġeometriċi tad-distribuzzjonijiet għall-każijiet [-6.5 kV, 4.0 cm] u [-3.8 kV, 0.5 cm] huma 1.41 u 1.45, rispettivament, li jindikaw distribuzzjoni tad-daqs dejqa. Kemm id-daqs medju kif ukoll id-devjazzjoni standard ġeometrika huma qrib ħafna tal-linja bażi tal-EWNS, billi huma 25 nm u 1.41, rispettivament. Fil-figura 3c jidher id-distribuzzjoni tad-daqs tal-linja bażi tal-EWNS imkejjel bl-użu tal-istess metodu taħt l-istess kundizzjonijiet.
Fil-figura 3d,e jidhru r-riżultati tal-karatterizzazzjoni tal-iċċarġjar. Id-dejta hija kejl medju ta' 30 kejl simultanju tal-konċentrazzjoni (#/cm3) u l-kurrent (I). L-analiżi turi li l-iċċarġjar medju fuq l-EWNS huwa 22 ± 6 e- u 44 ± 6 e- għal [-6.5 kV, 4.0 cm] u [-3.8 kV, 0.5 cm], rispettivament. Meta mqabbel mal-Baseline-EWNS (10 ± 2 e-), l-iċċarġjar tal-wiċċ tagħhom huwa sinifikament ogħla, id-doppju ta' dak tax-xenarju [-6.5 kV, 4.0 cm] u erba' darbiet dak tax-xenarju [-3.8 kV, 0.5 cm]. 3f turi dejta bażika tal-ħlas tal-EWNS.
Mill-mapep tal-konċentrazzjoni tan-numru tal-EWNS (Figuri Supplimentari S5 u S6), jista' jidher li x-xena [-6.5 kV, 4.0 cm] għandha numru ta' partiċelli sinifikament ogħla mix-xena [-3.8 kV, 0.5 cm]. Ta' min jinnota wkoll li l-konċentrazzjonijiet tan-numru tal-EWNS ġew immonitorjati sa 4 sigħat (Figuri Supplimentari S5 u S6), fejn l-istabbiltà tal-ġenerazzjoni tal-EWNS uriet l-istess livelli ta' konċentrazzjonijiet tan-numru ta' partiċelli fiż-żewġ każijiet.
Il-Figura 3g turi l-ispettru tal-EPR wara t-tnaqqis tal-kontroll (sfond) għal EWNS ottimizzati f'[-6.5 kV, 4.0 cm]. L-ispettru tar-ROS huwa mqabbel ukoll mal-linja bażi tal-EWNS f'dokument ippubblikat qabel. In-numru kkalkulat ta' EWNS li jirreaġixxu man-nassa tal-ispin huwa 7.5 × 104 EWNS/s, li huwa simili għall-Baseline-EWNS8 ippubblikat qabel. L-ispettri tal-EPR indikaw b'mod ċar il-preżenza ta' żewġ tipi ta' ROS, fejn O2- kien predominanti, filwaqt li OH• kien preżenti f'ammont iżgħar. Barra minn hekk, tqabbil dirett tal-intensitajiet tal-quċċata wera li l-EWNS ottimizzati kellhom kontenut ta' ROS sinifikament ogħla meta mqabbla mal-EWNS bażi.
Fil-figura 4 tidher l-effiċjenza tad-depożizzjoni tal-EWNS fl-EPES. Id-dejta hija wkoll miġbura fil-qosor fit-Tabella I u mqabbla mad-dejta oriġinali tal-EWNS. Għaż-żewġ każijiet tal-EUNS, id-depożizzjoni kienet qrib il-100% anke f'vultaġġ baxx ta' 3.0 kV. Tipikament, 3.0 kV huwa biżżejjed biex tinkiseb depożizzjoni ta' 100% irrispettivament mill-bidla fil-ċarġ tal-wiċċ. Taħt l-istess kundizzjonijiet, l-effiċjenza tad-depożizzjoni tal-Baseline-EWNS kienet biss 56% minħabba l-ċarġ aktar baxx (medja ta' 10 elettroni għal kull EWNS).
Il-Figura 5 u t-Tabella 2 jiġbru fil-qosor il-grad ta' inattivazzjoni tal-mikroorganiżmi inokulati fuq il-wiċċ tat-tadam wara espożizzjoni għal madwar 40,000 #/cm3 EWNS għal 45 minuta taħt ix-xenarju ottimali [-6.5 kV, 4.0 cm]. E. coli u L. innocua inokulati wrew tnaqqis sinifikanti ta' 3.8 log wara 45 minuta ta' espożizzjoni. Taħt l-istess kundizzjonijiet, S. enterica wriet tnaqqis log aktar baxx ta' 2.2 log, filwaqt li S. cerevisiae u M. parafortuitum urew tnaqqis ta' 1.0 log.
Mikrografi elettroniċi (Figura 6) li juru l-bidliet fiżiċi kkaġunati minn EWNS fiċ-ċelloli ta' E. coli, Salmonella enterica, u L. innocua li wasslu għall-inattivazzjoni. Il-batterji ta' kontroll urew membrani taċ-ċelloli intatti, filwaqt li l-batterji esposti kellhom membrani ta' barra bil-ħsara.
Immaġini mikroskopika elettronika ta' batterji ta' kontroll u esposti żvelat ħsara fil-membrana.
Id-dejta dwar il-proprjetajiet fiżikokimiċi tal-EWNS ottimizzati kollettivament turi li l-proprjetajiet tal-EWNS (ċarġ tal-wiċċ u kontenut ta' ROS) tjiebu b'mod sinifikanti meta mqabbla mad-dejta bażi tal-EWNS ippubblikata qabel8,9,10,11. Min-naħa l-oħra, id-daqs tagħhom baqa' fil-medda tan-nanometru, li hija simili ħafna għar-riżultati ppubblikati qabel, li jippermettilhom jibqgħu fl-arja għal perjodu twil ta' żmien. Il-polidispersità osservata tista' tiġi spjegata minn bidliet fiċ-ċarġ tal-wiċċ, li jiddeterminaw il-kobor tal-effett Rayleigh, l-irregolarità, u l-potenzjal ta' għaqda tal-EWNS. Madankollu, kif iddettaljat minn Nielsen et al.22, ċarġ tal-wiċċ għoli jnaqqas l-evaporazzjoni billi jżid b'mod effettiv l-enerġija/tensjoni tal-wiċċ tal-qatra ilma. Din it-teorija ġiet ikkonfermata sperimentalment għal mikroqtar22 u EWNS fil-pubblikazzjoni preċedenti tagħna8. It-telf ta' żmien żejjed jista' wkoll jaffettwa d-daqs u jikkontribwixxi għad-distribuzzjoni tad-daqs osservata.
Barra minn hekk, iċ-ċarġ għal kull struttura huwa madwar 22–44 e-, skont iċ-ċirkostanzi, li huwa sinifikament ogħla meta mqabbel mal-EWNS bażiku, li għandu ċarġ medja ta' 10 ± 2 elettroni għal kull struttura. Madankollu, għandu jiġi nnutat li dan huwa ċ-ċarġ medju tal-EWNS. Seto et al. Intwera li ċ-ċarġ mhuwiex uniformi u jsegwi distribuzzjoni log-normali21. Meta mqabbel max-xogħol preċedenti tagħna, l-irduppjar taċ-ċarġ tal-wiċċ jirdoppja l-effiċjenza tad-depożizzjoni fis-sistema EPES għal kważi 100%11.