Faleminderit që vizituat Nature.com. Versioni i shfletuesit që po përdorni ka mbështetje të kufizuar CSS. Për përvojën më të mirë, ne ju rekomandojmë të përdorni një shfletues të përditësuar (ose të çaktivizoni Modalitetin e Përputhshmërisë në Internet Explorer). Ndërkohë, për të siguruar mbështetje të vazhdueshme, ne do ta paraqesim faqen pa stile dhe JavaScript.
Kohët e fundit, është zhvilluar një platformë antimikrobike pa kimikate e bazuar në nanoteknologji duke përdorur nanostruktura artificiale të ujit (EWNS). EWNS-të kanë një ngarkesë të lartë sipërfaqësore dhe janë të ngopura me specie reaktive të oksigjenit (ROS) që mund të bashkëveprojnë dhe të çaktivizojnë një numër mikroorganizmash, duke përfshirë patogjenët e ushqimit. Këtu tregohet se vetitë e tyre gjatë sintezës mund të rregullohen dhe optimizohen për të rritur më tej potencialin e tyre antibakterial. Platforma laboratorike EWNS është projektuar për të rregulluar mirë vetitë e EWNS duke ndryshuar parametrat e sintezës. Karakterizimi i vetive të EWNS (ngarkesa, madhësia dhe përmbajtja e ROS) duke përdorur metoda moderne analitike. Përveç kësaj, ato u vlerësuan për potencialin e tyre të inaktivizimit mikrobik kundër mikroorganizmave të ushqimit si Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocuous, Mycobacterium paraaccidentum dhe Saccharomyces cerevisiae. Rezultatet e paraqitura këtu tregojnë se vetitë e EWNS mund të rregullohen mirë gjatë sintezës, duke rezultuar në një rritje eksponenciale të efikasitetit të inaktivizimit. Në veçanti, ngarkesa sipërfaqësore u rrit me një faktor katër dhe speciet reaktive të oksigjenit u rritën. Shkalla e heqjes së mikrobeve varej nga mikrobi dhe varionte nga 1.0 në 3.8 log pas një ekspozimi 45-minutësh ndaj një doze aerosoli prej 40,000 #/cc EWNS.
Kontaminimi mikrobial është shkaku kryesor i sëmundjeve të transmetuara nga ushqimi të shkaktuara nga gëlltitja e patogjenëve ose toksinave të tyre. Vetëm në Shtetet e Bashkuara, sëmundjet e transmetuara nga ushqimi shkaktojnë rreth 76 milionë sëmundje, 325,000 shtrime në spital dhe 5,000 vdekje çdo vit1. Përveç kësaj, Departamenti i Bujqësisë i Shteteve të Bashkuara (USDA) vlerëson se rritja e konsumit të produkteve të freskëta është përgjegjëse për 48% të të gjitha sëmundjeve të raportuara të transmetuara nga ushqimi në Shtetet e Bashkuara2. Kostoja e sëmundjeve dhe vdekjeve të shkaktuara nga patogjenët e transmetuar nga ushqimi në Shtetet e Bashkuara është shumë e lartë, e vlerësuar nga Qendrat për Kontrollin dhe Parandalimin e Sëmundjeve (CDC) në më shumë se 15.6 miliardë dollarë amerikanë në vit3.
Aktualisht, ndërhyrjet antimikrobike kimike4, rrezatuese5 dhe termike6 për të siguruar sigurinë ushqimore kryhen kryesisht në pika të kufizuara kritike kontrolli (PKK) përgjatë zinxhirit të prodhimit (zakonisht pas korrjes dhe/ose gjatë paketimit) dhe jo vazhdimisht. Kështu, ato janë të prirura ndaj kontaminimit të kryqëzuar. 7. Një kontroll më i mirë i sëmundjeve të transmetuara nga ushqimi dhe prishjes së ushqimit kërkon ndërhyrje antimikrobike që potencialisht mund të aplikohen në të gjithë vazhdimësinë nga ferma në tryezë, duke zvogëluar ndikimin dhe kostot mjedisore.
Kohët e fundit, është zhvilluar një platformë antimikrobike pa kimikate, e bazuar në nanoteknologji, e cila mund të inaktivizojë bakteret sipërfaqësore dhe ajrore duke përdorur nanostruktura artificiale të ujit (EWNS). EWNS u sintetizua duke përdorur dy procese paralele, elektrospërkatje dhe jonizim të ujit (Fig. 1a). Studimet e mëparshme kanë treguar se EWNS kanë një grup unik vetish fizike dhe biologjike8,9,10. EWNS kanë një mesatare prej 10 elektronesh për strukturë dhe një madhësi mesatare nanoshkalë prej 25 nm (Fig. 1b,c)8,9,10. Përveç kësaj, rezonanca e spinit të elektroneve (ESR) tregoi se EWNS përmban një sasi të madhe të specieve reaktive të oksigjenit (ROS), kryesisht radikale hidroksil (OH•) dhe superoksid (O2-) (Fig. 1c)8. EVNS është në ajër për një kohë të gjatë dhe mund të përplaset me mikroorganizmat e pezulluar në ajër dhe të pranishëm në sipërfaqe, duke shpërndarë ngarkesën e tyre ROS dhe duke shkaktuar inaktivizimin e mikroorganizmave (Fig. 1d). Këto studime të hershme treguan gjithashtu se EWNS mund të bashkëveprojë dhe të çaktivizojë baktere të ndryshme gram-negative dhe gram-pozitive, duke përfshirë mikobakteret, në sipërfaqe dhe në ajër. Mikroskopia elektronike e transmetimit tregoi se çaktivizimi u shkaktua nga prishja e membranës qelizore. Përveç kësaj, studimet akute të inhalimit kanë treguar se doza të larta të EWNS nuk shkaktojnë dëmtime ose inflamacion të mushkërive.
(a) Elektrospërkatja ndodh kur aplikohet një tension i lartë midis një tubi kapilar që përmban lëng dhe një kundër-elektrodë. (b) Aplikimi i presionit të lartë rezulton në dy fenomene të ndryshme: (i) elektrospërkatjen e ujit dhe (ii) formimin e specieve reaktive të oksigjenit (joneve) të bllokuara në EWNS. (c) Struktura unike e EWNS. (d) Për shkak të natyrës së tyre në shkallë nano, EWNS janë shumë të lëvizshme dhe mund të bashkëveprojnë me patogjenë të ajrit.
Aftësia e platformës antimikrobike EWNS për të çaktivizuar mikroorganizmat e transmetuar nga ushqimi në sipërfaqen e ushqimit të freskët është demonstruar gjithashtu kohët e fundit. Është treguar gjithashtu se ngarkesa sipërfaqësore e EWNS në kombinim me një fushë elektrike mund të përdoret për të arritur shpërndarjen e synuar. Për më tepër, rezultatet paraprake për domatet organike pas një ekspozimi 90-minutësh në një EWNS prej rreth 50,000 #/cm3 ishin inkurajuese, me mikroorganizma të ndryshëm të transmetuar nga ushqimi si E. coli dhe Listeria 11 të vëzhguar. Përveç kësaj, testet paraprake organoleptike nuk treguan efekte shqisore krahasuar me domatet kontroll. Edhe pse këto rezultate fillestare të çaktivizimit janë inkurajuese për aplikimet e sigurisë ushqimore edhe në doza shumë të ulëta të EWNS prej 50,000#/cc, është e qartë se një potencial më i lartë çaktivizimi do të ishte më i dobishëm për të zvogëluar më tej rrezikun e infeksionit dhe prishjes.
Këtu, ne do ta përqendrojmë kërkimin tonë në zhvillimin e një platforme gjenerimi të EWNS për të mundësuar rregullimin e imët të parametrave të sintezës dhe optimizimin e vetive fiziko-kimike të EWNS për të rritur potencialin e tyre antibakterial. Në veçanti, optimizimi është përqendruar në rritjen e ngarkesës së tyre sipërfaqësore (për të përmirësuar shpërndarjen e synuar) dhe përmbajtjen e ROS (për të përmirësuar efikasitetin e inaktivizimit). Karakterizimi i vetive fiziko-kimike të optimizuara (madhësia, ngarkesa dhe përmbajtja e ROS) duke përdorur metoda moderne analitike dhe përdorimi i mikroorganizmave të zakonshëm ushqimorë si E.
EVNS u sintetizua me anë të elektrospërkatjes dhe jonizimit të njëkohshëm të ujit me pastërti të lartë (18 MΩ cm–1). Nebulizatori elektrik 12 përdoret zakonisht për atomizimin e lëngjeve dhe sintezën e grimcave polimerike dhe qeramike 13 dhe fibrave 14 me madhësi të kontrolluar.
Siç është detajuar në botimet e mëparshme 8, 9, 10, 11, në një eksperiment tipik, një tension i lartë u aplikua midis një kapilari metalik dhe një kundër-elektrode të tokëzuar. Gjatë këtij procesi, ndodhin dy fenomene të ndryshme: i) elektrospërkatja dhe ii) jonizimi i ujit. Një fushë e fortë elektrike midis dy elektrodave shkakton grumbullimin e ngarkesave negative në sipërfaqen e ujit të kondensuar, duke rezultuar në formimin e koneve të Taylorit. Si rezultat, formohen pika uji me ngarkesë të lartë, të cilat vazhdojnë të ndahen në grimca më të vogla, si në teorinë Rayleigh16. Në të njëjtën kohë, fushat e forta elektrike shkaktojnë që disa molekula uji të ndahen dhe të shkëputen nga elektronet (të jonizohen), gjë që çon në formimin e një sasie të madhe të specieve reaktive të oksigjenit (ROS)17. ROS18 i gjeneruar njëkohësisht u kapsulua në EWNS (Fig. 1c).
Në fig. 2a tregohet sistemi i gjenerimit të EWNS i zhvilluar dhe i përdorur në sintezën e EWNS në këtë studim. Uji i pastruar i ruajtur në një shishe të mbyllur u ushqye përmes një tubi Tefloni (diametër i brendshëm 2 mm) në një gjilpërë çeliku inox 30G (kapilar metalik). Rrjedha e ujit kontrollohet nga presioni i ajrit brenda shishes, siç tregohet në Figurën 2b. Gjilpëra është montuar në një konsol Tefloni dhe mund të rregullohet manualisht në një distancë të caktuar nga elektroda kundër. Elektroda kundër është një disk alumini i lëmuar me një vrimë në qendër për marrjen e mostrave. Poshtë elektrodës kundër është një gyp alumini për marrjen e mostrave, i cili është i lidhur me pjesën tjetër të konfigurimit eksperimental përmes një porte marrjeje mostrash (Fig. 2b). Për të shmangur grumbullimin e ngarkesës që mund të prishë funksionimin e mostrës, të gjithë komponentët e mostrës janë të tokëzuar elektrikisht.
(a) Sistemi i Gjenerimit të Nanostrukturës së Ujit të Inxhinierizuar (EWNS). (b) Prerja tërthore e mostrës dhe elektrospërkatjes, që tregon parametrat më të rëndësishëm. (c) Paraqitja eksperimentale për inaktivizimin e baktereve.
Sistemi i gjenerimit të EWNS i përshkruar më sipër është i aftë të ndryshojë parametrat kryesorë të funksionimit për të lehtësuar rregullimin e imët të vetive të EWNS. Rregulloni tensionin e aplikuar (V), distancën midis gjilpërës dhe kundër-elektrodës (L) dhe rrjedhën e ujit (φ) përmes kapilarit për të rregulluar imët karakteristikat e EWNS. Simboli i përdorur për të përfaqësuar kombinime të ndryshme: [V (kV), L (cm)]. Rregulloni rrjedhën e ujit për të marrë një kon të qëndrueshëm Taylor të një grupi të caktuar [V, L]. Për qëllimet e këtij studimi, diametri i hapjes së kundër-elektrodës (D) u mbajt në 0.5 inç (1.29 cm).
Për shkak të gjeometrisë dhe asimetrisë së kufizuar, intensiteti i fushës elektrike nuk mund të llogaritet nga parimet e para. Në vend të kësaj, për të llogaritur fushën elektrike u përdor softueri QuickField™ (Svendborg, Danimarkë)19. Fusha elektrike nuk është uniforme, kështu që vlera e fushës elektrike në majë të kapilarit u përdor si vlerë referimi për konfigurime të ndryshme.
Gjatë studimit, u vlerësuan disa kombinime të tensionit dhe distancës midis gjilpërës dhe kundërelektrodës në terma të formimit të konit Taylor, stabilitetit të konit Taylor, stabilitetit të prodhimit EWNS dhe riprodhueshmërisë. Kombinime të ndryshme tregohen në Tabelën Plotësuese S1.
Dalja e sistemit të gjenerimit të EWNS u lidh direkt me një Analizues të Madhësisë së Grimcave të Lëvizshmërisë Skanuese (SMPS, Modeli 3936, TSI, Shoreview, MN) për matjen e përqendrimit të numrit të grimcave, si dhe me një Elektrometër Faraday të Aerosolit (TSI, Modeli 3068B, Shoreview, MN). ) për rrymat e aerosolit u mat siç përshkruhet në botimin tonë të mëparshëm. Si SMPS ashtu edhe elektrometri i aerosolit u morën mostra me një shpejtësi rrjedhjeje prej 0.5 L/min (rrjedha totale e mostrës 1 L/min). Përqendrimi i numrit të grimcave dhe rrjedha e aerosolit u matën për 120 sekonda. Matja përsëritet 30 herë. Bazuar në matjet e rrymës, llogaritet ngarkesa totale e aerosolit dhe vlerësohet ngarkesa mesatare e EWNS për një numër të caktuar total të grimcave të zgjedhura të EWNS. Kostoja mesatare e EWNS mund të llogaritet duke përdorur Ekuacionin (1):
ku IEl është rryma e matur, NSMPS është përqendrimi dixhital i matur me SMPS, dhe φEl është shpejtësia e rrjedhjes për elektrometër.
Meqenëse lagështia relative (RH) ndikon në ngarkesën sipërfaqësore, temperatura dhe (RH) u mbajtën konstante gjatë eksperimentit në 21°C dhe 45%, përkatësisht.
Mikroskopia e forcës atomike (AFM), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Santa Barbara, CA) dhe sonda AC260T (Olympus, Tokio, Japoni) u përdorën për të matur madhësinë dhe jetëgjatësinë e EWNS. Frekuenca e skanimit AFM ishte 1 Hz, zona e skanimit ishte 5 μm × 5 μm dhe 256 vija skanimi. Të gjitha imazhet iu nënshtruan rreshtimit të imazhit të rendit të parë duke përdorur softuerin Asylum (diapazoni i maskës 100 nm, pragu 100 pm).
Hinka e testimit u hoq dhe sipërfaqja e mikës u vendos në një distancë prej 2.0 cm nga elektroda kundër për një kohë mesatare prej 120 s për të shmangur grumbullimin e grimcave dhe formimin e pikave të parregullta në sipërfaqen e mikës. EWNS u spërkat direkt mbi sipërfaqen e mikës së sapo prerë (Ted Pella, Redding, CA). Imazh i sipërfaqes së mikës menjëherë pas spërkatjes me AFM. Këndi i kontaktit të sipërfaqes së mikës së sapo prerë të pamodifikuar është afër 0°, kështu që EVNS shpërndahet në sipërfaqen e mikës në formën e një kupole. Diametri (a) dhe lartësia (h) e pikave difuzuese u matën direkt nga topografia AFM dhe u përdorën për të llogaritur vëllimin e difuzionit të kupolës së EWNS duke përdorur metodën tonë të validuar më parë. Duke supozuar se EWNS në bord kanë të njëjtin vëllim, diametri ekuivalent mund të llogaritet duke përdorur Ekuacionin (2):
Bazuar në metodën tonë të zhvilluar më parë, një kurth spini me rezonancë spini elektroni (ESR) u përdor për të zbuluar praninë e ndërmjetësve radikalë jetëshkurtër në EWNS. Aerosolet u shpërndanë përmes një spërkatësi Midget 650 μm (Ace Glass, Vineland, NJ) që përmbante një tretësirë ​​235 mM të DEPMPO(5-(dietoksifosforil)-5-metil-1-pirolin-N-oksid) (Oxis International Inc.). Portland, Oregon). Të gjitha matjet e ESR u kryen duke përdorur një spektrometër Bruker EMX (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, SHBA) dhe një qelizë të sheshtë. Programi Acquisit (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, SHBA) u përdor për të mbledhur dhe analizuar të dhënat. Përcaktimi i karakteristikave të ROS u krye vetëm për një sërë kushtesh operimi [-6.5 kV, 4.0 cm]. Përqendrimet e EWNS u matën duke përdorur SMPS pasi u llogaritën humbjet e EWNS në impaktor.
Nivelet e ozonit u monitoruan duke përdorur një monitorues ozoni me rreze të dyfishtë 205™ (2B Technologies, Boulder, Co)8,9,10.
Për të gjitha vetitë e EWNS, vlera mesatare përdoret si vlerë matjeje dhe devijimi standard përdoret si gabim matjeje. Testet T u kryen për të krahasuar vlerat e atributeve të optimizuara të EWNS me vlerat përkatëse të EWNS bazë.
Figura 2c tregon një sistem "tërheqjeje" të reshjeve elektrostatike (EPES) të zhvilluar dhe karakterizuar më parë që mund të përdoret për shpërndarjen e synuar të EWNS në sipërfaqe. EPES përdor ngarkesa EVNS që mund të "udhëzohen" direkt në sipërfaqen e objektivit nën ndikimin e një fushe të fortë elektrike. Detajet e sistemit EPES janë paraqitur në një botim të kohëve të fundit nga Pyrgiotakis et al. 11. Kështu, EPES përbëhet nga një dhomë PVC e printuar 3D me skaje të ngushta dhe përmban dy pllaka metalike paralele çeliku inox (çelik inox 304, i veshur me pasqyrë) në qendër, 15.24 cm larg njëra-tjetrës. Pllakat ishin të lidhura me një burim të jashtëm të tensionit të lartë (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY), pllaka e poshtme ishte gjithmonë e lidhur me tension pozitiv, dhe pllaka e sipërme ishte gjithmonë e lidhur me tokën (tokë lundruese). Muret e dhomës janë të mbuluara me fletë alumini, e cila është e tokëzuar elektrikisht për të parandaluar humbjen e grimcave. Dhoma ka një derë ngarkimi të mbyllur përpara që lejon që sipërfaqet e testimit të vendosen në stenda plastike që i ngrenë ato mbi pllakën metalike të poshtme për të shmangur ndërhyrjen e tensionit të lartë.
Efikasiteti i depozitimit të EWNS në EPES u llogarit sipas një protokolli të zhvilluar më parë të detajuar në Figurën Plotësuese S111.
Si dhomë kontrolli, një dhomë e dytë cilindrike rrjedhjeje u lidh në seri me sistemin EPES, në të cilin u përdor një filtër i ndërmjetëm HEPA për të hequr EWNS. Siç tregohet në Figurën 2c, aerosoli EWNS u pompua përmes dy dhomave të integruara. Filtri midis dhomës së kontrollit dhe EPES largon çdo EWNS të mbetur duke rezultuar në të njëjtën temperaturë (T), lagështi relative (RH) dhe nivele ozoni.
Mikroorganizma të rëndësishëm që transmetohen nga ushqimi janë gjetur të kontaminojnë ushqime të freskëta, të tilla si E. coli (ATCC #27325), tregues fekal, Salmonella enterica (ATCC #53647), patogjen i transmetuar nga ushqimi, Listeria pa dëmshëm (ATCC #33090), zëvendësues për Listeria monocytogenes patogjene, i nxjerrë nga ATCC (Manassas, VA) Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098), një zëvendësues për majanë e prishjes, dhe një bakter më rezistent i inaktivizuar, Mycobacterium paralucky (ATCC #19686).
Blini kuti të rastësishme me domate organike rrushi nga tregu juaj lokal dhe vendosini në frigorifer në 4°C deri në përdorim (deri në 3 ditë). Domatet eksperimentale ishin të gjitha të së njëjtës madhësi, rreth 1/2 inç në diametër.
Protokollet e kulturës, inokulimit, ekspozimit dhe numërimit të kolonive janë detajuar në botimin tonë të mëparshëm dhe të detajuara në të Dhënat Plotësuese. Efektiviteti i EWNS u vlerësua duke i ekspozuar domatet e inokuluara në 40,000 #/cm3 për 45 minuta. Shkurtimisht, tre domate u përdorën për të vlerësuar mikroorganizmat mbijetues në kohën t = 0 min. Tre domate u vendosën në EPES dhe u ekspozuan ndaj EWNS në 40,000 #/cc (domate të ekspozuara ndaj EWNS) dhe tre të tjerat u vendosën në dhomën e kontrollit (domate kontrolli). Përpunimi shtesë i domateve në të dy grupet nuk u krye. Domatet e ekspozuara ndaj EWNS dhe domatet e kontrollit u hoqën pas 45 minutash për të vlerësuar efektin e EWNS.
Çdo eksperiment u krye në tre kopje. Analiza e të dhënave u krye sipas protokollit të përshkruar në të Dhënat Plotësuese.
Mekanizmat e inaktivizimit u vlerësuan me anë të sedimentimit të mostrave të ekspozuara të EWNS (45 minuta në përqendrim aerosol EWNS 40,000 #/cm3) dhe mostrave të parrezatuara të baktereve të padëmshme E. coli, Salmonella enterica dhe Lactobacillus. Grimcat u fiksuan në 2.5% glutaraldehidë, 1.25% paraformaldehidë dhe 0.03% acid pikrik në tampon 0.1 M kakodilat natriumi (pH 7.4) për 2 orë në temperaturë ambienti. Pas larjes, fiksojini me 1% tetoksid osmiumi (OsO4)/1.5% ferocianid kaliumi (KFeCN6) për 2 orë, lajini 3 herë me ujë dhe inkubojini në 1% acetat uranili për 1 orë, pastaj lajini dy herë me ujë, pastaj dehidratojini për 10 minuta në alkool 50%, 70%, 90%, 100%. Mostrat u vendosën më pas në oksid propileni për 1 orë dhe u impregnuan me një përzierje 1:1 të oksidit të propilenit dhe TAAP Epon (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA). Mostrat u futën në TAAB Epon dhe u polimerizuan në 60°C për 48 orë. Rrëshira granulare e kuruar u pre dhe u vizualizua nga TEM duke përdorur një mikroskop elektronik transmetues konvencional JEOL 1200EX (JEOL, Tokio, Japoni) të pajisur me një kamerë AMT 2k CCD (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, Massachusetts, SHBA).
Të gjitha eksperimentet u kryen në trefish. Për secilën pikë kohore, larjet bakteriale u shpërndanë në trefish, duke rezultuar në një total prej nëntë pikash të dhënash për pikë, mesatarja e të cilave u përdor si përqendrim bakterial për atë mikroorganizëm të veçantë. Devijimi standard u përdor si gabim matjeje. Të gjitha pikat llogariten.
Logaritmi i uljes së përqendrimit të baktereve krahasuar me t = 0 min u llogarit duke përdorur formulën e mëposhtme:
ku C0 është përqendrimi i baktereve në mostrën e kontrollit në kohën 0 (domethënë pasi sipërfaqja të jetë tharë, por para se të vendoset në dhomë) dhe Cn është përqendrimi i baktereve në sipërfaqe pas n minutash ekspozimi.
Për të marrë në konsideratë degradimin natyror të baktereve gjatë ekspozimit 45-minutësh, reduktimi logaritmik krahasuar me kontrollin pas 45 minutash u llogarit gjithashtu si më poshtë:
ku Cn është përqendrimi i baktereve në mostrën e kontrollit në kohën n dhe Cn-Kontrolli është përqendrimi i baktereve të kontrollit në kohën n. Të dhënat paraqiten si një reduktim logaritmik krahasuar me kontrollin (pa ekspozim ndaj EWNS).
Gjatë studimit, u vlerësuan disa kombinime të tensionit dhe distancës midis gjilpërës dhe elektrodës kundër-elektrodë për sa i përket formimit të konit Taylor, stabilitetit të konit Taylor, stabilitetit të prodhimit të EWNS dhe riprodhueshmërisë. Kombinime të ndryshme tregohen në Tabelën Plotësuese S1. Dy raste që tregojnë veti të qëndrueshme dhe të riprodhueshme (koni Taylor, gjenerimi i EWNS dhe stabiliteti me kalimin e kohës) u përzgjodhën për studim gjithëpërfshirës. Në fig. Figura 3 tregon rezultatet për ngarkesën, madhësinë dhe përmbajtjen e ROS në të dyja rastet. Rezultatet janë përmbledhur gjithashtu në Tabelën 1. Për referencë, si Figura 3 ashtu edhe Tabela 1 përfshijnë vetitë e EWNS8, 9, 10, 11 të sintetizuar më parë jo të optimizuar (EWNS bazë). Llogaritjet e rëndësisë statistikore duke përdorur një test t me dy bishta janë ribotuar në Tabelën Plotësuese S2. Përveç kësaj, të dhënat shtesë përfshijnë studime mbi efektin e diametrit të vrimës së marrjes së mostrave të elektrodës kundër-elektrodë dhe distancës midis elektrodës së tokëzimit dhe majës (L) (Figurat Plotësuese S2 dhe S3).
(ac) Shpërndarja e madhësisë e matur nga AFM. (df) Karakteristika e ngarkesës sipërfaqësore. (g) Karakterizimi ROS i EPR.
Është gjithashtu e rëndësishme të theksohet se për të gjitha kushtet e mësipërme, rryma e jonizimit e matur ishte midis 2 dhe 6 μA dhe tensioni midis -3.8 dhe -6.5 kV, duke rezultuar në një konsum energjie më të vogël se 50 mW për këtë modul kontakti të gjenerimit të vetëm të EWNS. Edhe pse EWNS u sintetizua nën presion të lartë, nivelet e ozonit ishin shumë të ulëta, duke mos tejkaluar kurrë 60 ppb.
Figura plotësuese S4 tregon fushat elektrike të simuluara për skenarët [-6.5 kV, 4.0 cm] dhe [-3.8 kV, 0.5 cm], përkatësisht. Për skenarët [-6.5 kV, 4.0 cm] dhe [-3.8 kV, 0.5 cm], llogaritjet e fushës janë përkatësisht 2 × 105 V/m dhe 4.7 × 105 V/m. Kjo është e pritshme, pasi në rastin e dytë raporti tension-distancë është shumë më i lartë.
Në fig. 3a,b tregohet diametri i EWNS të matur me AFM8. Diametrat mesatarë të llogaritur të EWNS ishin 27 nm dhe 19 nm për skemat [-6.5 kV, 4.0 cm] dhe [-3.8 kV, 0.5 cm], përkatësisht. Për skenarët [-6.5 kV, 4.0 cm] dhe [-3.8 kV, 0.5 cm], devijimet standarde gjeometrike të shpërndarjeve janë përkatësisht 1.41 dhe 1.45, duke treguar një shpërndarje të ngushtë të madhësisë. Si madhësia mesatare ashtu edhe devijimi standard gjeometrik janë shumë afër EWNS bazë, në 25 nm dhe 1.41, përkatësisht. Në fig. 3c tregohet shpërndarja e madhësisë së EWNS bazë të matur duke përdorur të njëjtën metodë në të njëjtat kushte.
Në fig. 3d, e tregon rezultatet e karakterizimit të ngarkesës. Të dhënat janë matje mesatare të 30 matjeve të njëkohshme të përqendrimit (#/cm3) dhe rrymës (I). Analiza tregon se ngarkesa mesatare në EWNS është 22 ± 6 e- dhe 44 ± 6 e- për [-6.5 kV, 4.0 cm] dhe [-3.8 kV, 0.5 cm], përkatësisht. Ato kanë ngarkesa sipërfaqësore dukshëm më të larta krahasuar me EWNS bazë (10 ± 2 e-), dy herë më të mëdha se skenari [-6.5 kV, 4.0 cm] dhe katër herë më të mëdha se skenari [-3.8 kV, 0.5 cm]. Figura 3f tregon të dhënat e ngarkesës për EWNS bazë.
Nga hartat e përqendrimit të numrit të EWNS (Figurat plotësuese S5 dhe S6), mund të shihet se skenari [-6.5 kV, 4.0 cm] ka ndjeshëm më shumë grimca sesa skenari [-3.8 kV, 0.5 cm]. Vlen gjithashtu të përmendet se përqendrimi i numrit të EWNS u monitorua deri në 4 orë (Figurat plotësuese S5 dhe S6), ku stabiliteti i gjenerimit të EWNS tregoi të njëjtat nivele të përqendrimit të numrit të grimcave në të dyja rastet.
Në fig. 3g tregohet spektri EPR pas zbritjes së kontrollit të optimizuar EWNS (sfond) në [-6.5 kV, 4.0 cm]. Spektrat ROS u krahasuan gjithashtu me skenarin Bazë-EWNS në një punim të botuar më parë. Numri i EWNS që reagonin me kurthe spin u llogarit të ishte 7.5 × 104 EWNS/s, i cili është i ngjashëm me Bazën-EWNS8 të botuar më parë. Spektrat EPR treguan qartë praninë e dy llojeve të ROS, me O2- që është specia mbizotëruese dhe OH• që është më pak e bollshme. Përveç kësaj, një krahasim i drejtpërdrejtë i intensiteteve maksimale tregoi se EWNS e optimizuar kishte një përmbajtje ROS dukshëm më të lartë krahasuar me EWNS bazë.
Në fig. 4 tregohet efikasiteti i depozitimit të EWNS në EPES. Të dhënat janë përmbledhur gjithashtu në Tabelën I dhe krahasohen me të dhënat origjinale të EWNS. Për të dy rastet e EUNS, depozitimi është afër 100% edhe në një tension të ulët prej 3.0 kV. Në mënyrë tipike, 3.0 kV është i mjaftueshëm për depozitim 100%, pavarësisht nga ndryshimi i ngarkesës sipërfaqësore. Nën të njëjtat kushte, efikasiteti i depozitimit të EWNS Bazë ishte vetëm 56% për shkak të ngarkesës së tyre më të ulët (mesatarisht 10 elektrone për EWNS).
Në fig. 5 dhe në tabelën 2 përmbledh vlerën e inaktivizimit të mikroorganizmave të inokuluar në sipërfaqen e domateve pas ekspozimit ndaj rreth 40,000 #/cm3 EWNS për 45 minuta në modalitetin optimal [-6.5 kV, 4.0 cm]. E. coli dhe Lactobacillus innocuous të inokuluar treguan një ulje të ndjeshme prej 3.8 log gjatë ekspozimit 45-minutësh. Nën të njëjtat kushte, S. enterica pati një ulje prej 2.2-log, ndërsa S. cerevisiae dhe M. parafortutum patën një ulje prej 1.0-log.
Mikrografitë elektronike (Figura 6) përshkruajnë ndryshimet fizike të shkaktuara nga EWNS në qelizat e padëmshme Escherichia coli, Streptococcus dhe Lactobacillus duke çuar në inaktivizimin e tyre. Bakteret e kontrollit kishin membrana qelizore të paprekura, ndërsa bakteret e ekspozuara kishin membrana të jashtme të dëmtuara.
Imazhet mikroskopike elektronike të baktereve të kontrollit dhe të ekspozuara zbuluan dëmtim të membranës.
Të dhënat mbi vetitë fiziko-kimike të EWNS-së së optimizuar tregojnë së bashku se vetitë (ngarkesa sipërfaqësore dhe përmbajtja e ROS) e EWNS-së u përmirësuan ndjeshëm krahasuar me të dhënat bazë të EWNS-së të publikuara më parë8,9,10,11. Nga ana tjetër, madhësia e tyre mbeti në diapazonin e nanometrave, shumë e ngjashme me rezultatet e raportuara më parë, duke i lejuar ato të qëndrojnë në ajër për periudha të gjata kohore. Polidispersiteti i vëzhguar mund të shpjegohet nga ndryshimet e ngarkesës sipërfaqësore që përcaktojnë madhësinë e EWNS-së, rastësinë e efektit Rayleigh dhe bashkimin e mundshëm. Megjithatë, siç detajohet nga Nielsen et al. 22, ngarkesa e lartë sipërfaqësore zvogëlon avullimin duke rritur në mënyrë efektive energjinë/tensionin sipërfaqësor të pikës së ujit. Në botimin tonë të mëparshëm8 kjo teori u konfirmua eksperimentalisht për mikropikat 22 dhe EWNS-në. Humbja e ngarkesës gjatë kohës shtesë mund të ndikojë gjithashtu në madhësi dhe të kontribuojë në shpërndarjen e vëzhguar të madhësisë.
Përveç kësaj, ngarkesa për strukturë është rreth 22-44 e-, varësisht nga situata, e cila është dukshëm më e lartë krahasuar me EWNS bazë, e cila ka një ngarkesë mesatare prej 10 ± 2 elektronesh për strukturë. Megjithatë, duhet theksuar se kjo është ngarkesa mesatare e EWNS. Seto et al. Është treguar se ngarkesa është jo-homogjene dhe ndjek një shpërndarje normale logaritmike21. Krahasuar me punën tonë të mëparshme, dyfishimi i ngarkesës sipërfaqësore dyfishon efikasitetin e depozitimit në sistemin EPES në pothuajse 100%11.