Faleminderit që vizituat Nature.com. Po përdorni një version të shfletuesit me mbështetje të kufizuar CSS. Për përvojën më të mirë, ju rekomandojmë të përdorni një shfletues të përditësuar (ose të çaktivizoni Modalitetin e Përputhshmërisë në Internet Explorer). Përveç kësaj, për të siguruar mbështetje të vazhdueshme, ne e shfaqim 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 kanë një ngarkesë të lartë sipërfaqësore dhe janë të pasura me specie reaktive të oksigjenit (ROS) që mund të bashkëveprojnë me 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 vetitë e EWNS duke ndryshuar parametrat e sintezës. Karakterizimi i vetive të EWNS (ngarkesa, madhësia dhe përmbajtja e ROS) është kryer duke përdorur metoda moderne analitike. Përveç kësaj, mikroorganizmat ushqimorë si Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocua, Mycobacterium para fortitum dhe Saccharomyces cerevisiae u inokuluan në sipërfaqen e domateve organike të rrushit për të vlerësuar potencialin e tyre të çaktivizimit mikrobik. Rezultatet e paraqitura këtu tregojnë se vetitë e EWNS mund të rregullohen gjatë sintezës, duke rezultuar në një rritje eksponenciale të efikasitetit të çaktivizimit. Në veçanti, ngarkesa sipërfaqësore u rrit me një faktor katër, dhe përmbajtja e ROS u rrit. Shkalla e heqjes së mikrobeve varej nga mikrobi dhe varionte nga 1.0 në 3.8 log pas 45 minutash ekspozimi ndaj një doze aerosoli prej 40,000 #/cm3 EWNS.
Kontaminimi mikrobial është shkaku kryesor i sëmundjeve të transmetuara nga ushqimi të shkaktuara nga gëlltitja e patogjenëve ose toksinave të tyre. Sëmundjet e transmetuara nga ushqimi përbëjnë rreth 76 milionë sëmundje, 325,000 shtrime në spital dhe 5,000 vdekje çdo vit vetëm në Shtetet e Bashkuara1. Përveç kësaj, Departamenti i Bujqësisë i Shteteve të Bashkuara (USDA) vlerëson se rritja e konsumit të produkteve të freskëta është përgjegjëse për 48 përqind të të gjitha sëmundjeve të transmetuara nga ushqimi të raportuara në Shtetet e Bashkuara2. Kostoja e sëmundjeve dhe vdekjeve 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 zbatohen kryesisht në pika të kufizuara kritike të kontrollit (PKK) në zinxhirin e prodhimit (zakonisht pas korrjes dhe/ose gjatë paketimit) në vend që të zbatohen vazhdimisht në një mënyrë të tillë që produktet e freskëta t'i nënshtrohen kontaminimit të kryqëzuar7. Ndërhyrjet antimikrobike janë të nevojshme për të kontrolluar më mirë sëmundjet e transmetuara nga ushqimi dhe prishjen e ushqimit dhe kanë potencialin të zbatohen në të gjithë vazhdimësinë nga ferma në tryezë. Më pak ndikim dhe kosto.
Një platformë antimikrobike pa kimikate e bazuar në nanoteknologji është zhvilluar së fundmi për të inaktivizuar bakteret në sipërfaqe dhe në ajër duke përdorur nanostruktura artificiale të ujit (EWNS). Për sintezën e EVNS, u përdorën dy procese paralele: elektrospërkatja dhe jonizimi i ujit (Fig. 1a). EWNS-të më parë kanë treguar se kanë një grup unik të vetive fizike dhe biologjike8,9,10. EWNS ka një mesatare prej 10 elektronesh për strukturë dhe një madhësi mesatare nanometri prej 25 nm (Fig. 1b,c)8,9,10. Përveç kësaj, rezonanca e spinit të elektroneve (ESR) tregoi se EWNS përmbajnë një sasi të madhe të specieve reaktive të oksigjenit (ROS), kryesisht radikale hidroksil (OH•) dhe superoksid (O2-) (Fig. 1c)8. EWNS mbeti në ajër për një kohë të gjatë dhe mund të përplasej me mikrobet e pezulluara në ajër dhe të pranishme në sipërfaqe, duke shpërndarë ngarkesën e tyre ROS dhe duke shkaktuar inaktivizim mikrobik (Fig. 1d). Këto studime të mëparshme treguan gjithashtu se EWNS mund të bashkëveprojë dhe të çaktivizojë baktere të ndryshme gram-negative dhe gram-pozitive me rëndësi për shëndetin publik, duke përfshirë mikobakteret, në sipërfaqe dhe në ajër8,9. Mikroskopia elektronike transmetuese 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 mushkërive8.
(a) Elektrospërkatja ndodh kur aplikohet një tension i lartë midis një kapilari që përmban lëng dhe një kundërelektrode. (b) Aplikimi i tensionit të lartë rezulton në dy fenomene të ndryshme: (i) elektrospërkatjen e ujit dhe (ii) gjenerimin e specieve reaktive të oksigjenit (joneve) të bllokuara në EWNS. (c) Struktura unike e EWNS. (d) EWNS janë shumë të lëvizshme për shkak të natyrës së tyre në nanoshkalë dhe mund të bashkëveprojnë me patogjenë të ajrit.
Aftësia e platformës antimikrobike EWNS për të çaktivizuar mikroorganizmat e ushqimit në sipërfaqen e ushqimit të freskët është demonstruar gjithashtu kohët e fundit. Është treguar gjithashtu se ngarkesa sipërfaqësore EWNS mund të përdoret në kombinim me një fushë elektrike për shpërndarje të synuar. Më e rëndësishmja, një rezultat premtues fillestar prej afërsisht 1.4 log reduktimi në aktivitetin organik të domates kundër mikroorganizmave të ndryshëm ushqimorë si E. coli dhe Listeria u vu re brenda 90 minutave të ekspozimit ndaj EWNS në një përqendrim prej afërsisht 50,000#/cm311. Përveç kësaj, testet paraprake të vlerësimit organoleptik nuk treguan efekt organoleptik krahasuar me domaten e kontrollit. Megjithëse këto rezultate fillestare të çaktivizimit premtojnë siguri ushqimore edhe në doza shumë të ulëta EWNS prej 50,000#/cc. shih, 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 përmirësuar parametrat e sintezës dhe për të optimizuar vetitë 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 duke përdorur mikroorganizma të zakonshëm ushqimorë si E. coli, S. enterica, L. innocua, S. cerevisiae dhe M. parafortuitum.
EVNS u sintetizua me anë të elektrospërkatjes dhe jonizimit të njëkohshëm të ujit me pastërti të lartë (18 MΩ cm–1). Atomizuesi elektrik 12 përdoret zakonisht për të atomizuar lëngjet dhe polimerët sintetikë dhe grimcat qeramike 13 dhe fibrat 14 me madhësi të kontrolluar.
Siç është detajuar në botimet e mëparshme 8, 9, 10, 11, në një eksperiment tipik, një tension i lartë aplikohet midis një kapilari metalik dhe një kundër-elektrode të tokëzuar. Gjatë këtij procesi, ndodhin dy fenomene të ndryshme: 1) elektrospërkatja dhe 2) 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, sipas teorisë Rayleigh16. Në të njëjtën kohë, një fushë e fortë elektrike bën që disa nga molekulat e ujit të ndahen dhe të shkëputin elektronet (jonizim), duke gjeneruar kështu një sasi të madhe të specieve reaktive të oksigjenit (ROS)17. Paketat ROS18 të gjeneruara njëkohësisht u kapsuluan 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). Siç tregohet në Figurën 2b, rrjedha e ujit kontrollohet nga presioni i ajrit brenda shishes. Gjilpëra është e bashkangjitur në një konsol Tefloni që mund të rregullohet manualisht në një distancë të caktuar nga elektroda kundër. Elektroda kundër është një disk alumini i lëmuar me një vrimë në mes 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). Të gjithë komponentët e mostrës janë të tokëzuar elektrikisht për të shmangur grumbullimin e ngarkesës që mund të degradojë marrjen e mostrave të grimcave.
(a) Sistemi i Gjenerimit të Nanostrukturës së Ujit të Inxhinierizuar (EWNS). (b) Prerja tërthore e mostrës dhe njësisë së elektrospërkatjes që tregon parametrat më të rëndësishëm. (c) Konfigurimi eksperimental 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 elektrodës kundër (L) dhe rrjedhën e ujit (φ) përmes kapilarit për të rregulluar imët karakteristikat e EWNS. Simbolet [V (kV), L (cm)] përdoren për të treguar kombinime të ndryshme. Rregulloni rrjedhën e ujit për të marrë një kon të qëndrueshëm Taylor të një grupi të caktuar [V, L]. Për qëllimet e këtij studimi, hapja e elektrodës kundër (D) u vendos 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 drejtpërdrejt me një Matës të Grimcave të Lëvizshmërisë Skanuese (SMPS, modeli 3936, TSI, Shoreview, Minnesota) për të matur përqendrimin e numrit të grimcave dhe u përdor me një elektrometër aerosol Faraday (TSI, modeli 3068B, Shoreview, SHBA). MN) për të matur rrjedhat e aerosolit, siç përshkruhet në botimin tonë të mëparshëm9. 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). Përqendrimet e grimcave dhe flukset e aerosolit u matën për 120 s. Përsëriteni matjen 30 herë. Ngarkesa totale e aerosolit llogaritet nga matjet aktuale, dhe ngarkesa mesatare e EWNS vlerësohet nga numri total i grimcave EWNS të marra në mostrë. Kostoja mesatare e EWNS mund të llogaritet duke përdorur Ekuacionin (1):
ku IEl është rryma e matur, NSMPS është përqendrimi numerik i matur me SMPS, dhe φEl është shpejtësia e rrjedhjes drejt elektrometrit.
Meqenëse lagështia relative (RH) ndikon në ngarkesën sipërfaqësore, temperatura dhe (RH) u mbajtën konstante në 21°C dhe 45%, përkatësisht, gjatë eksperimentit.
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. Shpejtësia e skanimit AFM është 1 Hz dhe zona e skanimit është 5 µm × 5 µm me 256 vija skanimi. Të gjitha imazhet iu nënshtruan rreshtimit të imazhit të rendit të parë duke përdorur softuerin Asylum (maskë me një diapazon prej 100 nm dhe një prag prej 100 pm).
Hiqeni gypin e marrjes së mostrave dhe vendoseni sipërfaqen e mikës në një distancë prej 2.0 cm nga elektroda kundër për një kohë mesatare prej 120 s për të shmangur bashkimin e grimcave dhe formimin e pikave të çrregullta në sipërfaqen e mikës. EWNS u aplikua direkt në sipërfaqet e mikës së sapoprerë (Ted Pella, Redding, CA). Menjëherë pas spërkatjes, sipërfaqja e mikës u vizualizua duke përdorur AFM. Këndi i kontaktit sipërfaqësor të mikës së sapoprerë të pamodifikuar është afër 0°, kështu që EWNS përhapet mbi sipërfaqen e mikës në një formë kupole20. Diametri (a) dhe lartësia (h) e pikave difuzive u matën direkt nga topografia AFM dhe u përdorën për të llogaritur vëllimin e difuzionit kupole EWNS duke përdorur metodën tonë të validuar më parë8. Duke supozuar se EVNS në bord ka të njëjtin vëllim, diametri ekuivalent mund të llogaritet nga ekuacioni (2):
Në përputhje me 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 kaluan përmes një tretësire që përmbante 235 mM DEPMPO (5-(dietoksifosforil)-5-metil-1-pirolin-N-oksid) (Oxis International Inc., Portland, Oregon). Të gjitha matjet EPR u kryen duke përdorur një spektrometër Bruker EMX (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, SHBA) dhe vargje qelizash të sheshta. Programi Acquisit (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, SHBA) u përdor për të mbledhur dhe analizuar të dhënat. Karakterizimi i 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 mor parasysh humbja 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 EWNS, vlera e matjes është mesatarja e matjeve dhe gabimi i matjes është devijimi standard. Një test t u krye për të krahasuar vlerën e atributit të optimizuar EWNS me vlerën përkatëse të EWNS bazë.
Figura 2c tregon një Sistem Kalimi Elektrostatik të Reshjeve (EPES) të zhvilluar dhe karakterizuar më parë që mund të përdoret për të synuar EWNS11 në sipërfaqe. EPES përdor një ngarkesë EWNS në kombinim me një fushë të fortë elektrike për të "drejtuar" direkt në sipërfaqen e objektivit. 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 konike që përmbajnë dy pllaka metalike paralele çeliku inox (çelik inox 304, i lëmuar si pasqyrë) në mes, 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 pozitive dhe pllaka e sipërme ishte gjithmonë e tokëzuar (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 përparme të mbyllur që lejon që sipërfaqet e testimit të vendosen në rafte plastike, duke i hequr ato nga pllaka metalike e 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, rrjedha e dytë përmes dhomës cilindrike është e lidhur në seri me sistemin EPES duke përdorur një filtër HEPA të ndërmjetëm për të hequr EWNS. Siç tregohet në fig. 2c, aerosoli EWNS u pompua përmes dy dhomave të lidhura në seri. 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 produktet e freskëta, të tilla si Escherichia coli (ATCC #27325), një tregues fekal, Salmonella enterica (ATCC #53647), një patogjen që transmetohet nga ushqimi, Listeria innocua (ATCC #33090), një alternativë ndaj Listeria monocytogenes patogjene. , Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098) si një alternativë ndaj majasë së prishjes, dhe Mycobacterium parafortuitous (ATCC #19686) si një bakter i gjallë më rezistent u blenë nga ATCC (Manassas, Virginia).
Bleni rastësisht kuti me domate organike rrushi nga tregu juaj lokal dhe vendosini në frigorifer në 4°C deri në përdorim (deri në 3 ditë). Zgjidhni domate për të eksperimentuar me një madhësi, me diametër rreth 1/2 inç.
Protokollet për inkubacionin, inokulimin, ekspozimin dhe numërimin e kolonive janë detajuar në botimet tona të mëparshme dhe janë shpjeguar në detaje në të Dhënat Plotësuese 11. Performanca e EWNS u vlerësua duke i ekspozuar domatet e inokuluara në 40,000 #/cm3 për 45 minuta. Shkurtimisht, në kohën t = 0 min, tre domate u përdorën për të vlerësuar mikroorganizmat mbijetues. Tre domate u vendosën në EPES dhe u ekspozuan ndaj EWNS në 40,000 #/cc (domate të ekspozuara ndaj EWNS) dhe tre të tjera u vendosën në dhomën e kontrollit (domate kontrolli). Asnjë nga grupet e domateve nuk iu nënshtrua përpunimit shtesë. Domatet dhe kontrollet e ekspozuara ndaj EWNS 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.
Mostrat bakteriale të E. coli, Enterobacter dhe L. innocua të ekspozuara ndaj EWNS (45 minuta, përqendrimi i aerosolit EWNS 40,000 #/cm3) dhe të paekspozuara u peletuan për të vlerësuar mekanizmat e inaktivizimit. Precipitati u fiksua për 2 orë në temperaturë ambienti në tretësirë ​​0.1 M kakodilat natriumi (pH 7.4) me një fiksues prej 2.5% glutaraldehide, 1.25% paraformaldehide dhe 0.03% acid pikrik. Pas larjes, ato u fiksuan me 1% tetoksid osmiumi (OsO4)/1.5% ferocianid kaliumi (KFeCN6) për 2 orë, u lanë 3 herë me ujë dhe u inkubuan në 1% acetat uranili për 1 orë, pastaj u lanë dy herë me ujë. Dehidratimi pasues 10 minuta secili me 50%, 70%, 90%, 100% alkool. 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 JEOL 1200EX (JEOL, Tokio, Japoni), një mikroskop elektronik transmetues konvencional i pajisur me një kamerë AMT 2k CCD (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, MA, SHBA).
Të gjitha eksperimentet u kryen në trefish. Për secilën pikë kohore, larjet bakteriale u vendosën 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 organizëm 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 periudhës së ekspozimit prej 45 minutash, u llogarit edhe Reduktimi Log në krahasim me kontrollin në 45 minuta 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. U zgjodhën dy raste për një studim të plotë që tregon veti të qëndrueshme dhe të riprodhueshme (koni Taylor, prodhimi i EWNS dhe stabiliteti me kalimin e kohës). Në fig. 3 tregohen rezultatet mbi ngarkesën, madhësinë dhe përmbajtjen e ROS për dy raste. Rezultatet janë përmbledhur gjithashtu në Tabelën 1. Për referencë, Figura 3 dhe Tabela 1 përfshijnë vetitë e EWNS8, 9, 10, 11 të sintetizuara më parë jo të optimizuara (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 së gjilpërës (L) (Figurat Plotësuese S2 dhe S3).
(a–c) Shpërndarja e madhësisë së AFM-së. (d–f) Karakteristika e ngarkesës sipërfaqësore. (g) Karakterizimi i ROS dhe ESR.
Është gjithashtu e rëndësishme të theksohet se për të gjitha kushtet e mësipërme, rrymat e matura të jonizimit ishin në diapazonin 2-6 µA, dhe tensionet ishin në diapazonin -3.8 deri në -6.5 kV, duke rezultuar në një konsum energjie për këtë modul gjenerimi EWNS me një terminal prej më pak se 50 mW. 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. Fushat sipas skenarëve [-6.5 kV, 4.0 cm] dhe [-3.8 kV, 0.5 cm] llogariten si 2 × 105 V/m dhe 4.7 × 105 V/m, përkatësisht. Kjo është e pritshme, pasi raporti i tensionit me distancën është shumë më i lartë në rastin e dytë.
Në fig. 3a,b tregohet diametri i EWNS i matur me AFM8. Diametrat mesatarë të EWNS për skenarët [-6.5 kV, 4.0 cm] dhe [-3.8 kV, 0.5 cm] u llogaritën përkatësisht si 27 nm dhe 19 nm. Devijimet standarde gjeometrike të shpërndarjeve për rastet [-6.5 kV, 4.0 cm] dhe [-3.8 kV, 0.5 cm] 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, duke qenë përkatësisht 25 nm dhe 1.41. 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. Krahasuar me EWNS Bazë (10 ± 2 e-), ngarkesa e tyre sipërfaqësore është dukshëm më e lartë, dyfishi i skenarit [-6.5 kV, 4.0 cm] dhe katër herë më i lartë se skenari [-3.8 kV, 0.5 cm]. 3f tregon të dhënat bazë të pagesës së EWNS.
Nga hartat e përqendrimit të numrit të grimcave EWNS (Figurat plotësuese S5 dhe S6), mund të shihet se skena [-6.5 kV, 4.0 cm] ka një numër grimcash dukshëm më të lartë sesa skena [-3.8 kV, 0.5 cm]. Duhet gjithashtu të theksohet se përqendrimet e numrit të EWNS u monitoruan deri në 4 orë (Figurat plotësuese S5 dhe S6), ku stabiliteti i gjenerimit të EWNS tregoi të njëjtat nivele të përqendrimeve të numrit të grimcave në të dyja rastet.
Figura 3g tregon spektrin EPR pas zbritjes së kontrollit (sfondit) për EWNS të optimizuar në [-6.5 kV, 4.0 cm]. Spektri ROS krahasohet gjithashtu me vijën bazë të EWNS në një punim të botuar më parë. Numri i llogaritur i EWNS që reagojnë me kurthin e spinit është 7.5 × 104 EWNS/s, i cili është i ngjashëm me EWNS8 Bazë të botuar më parë. Spektrat EPR treguan qartë praninë e dy llojeve të ROS, ku O2- mbizotëronte, ndërsa OH• ishte i pranishëm në një sasi më të vogël. Përveç kësaj, një krahasim i drejtpërdrejtë i intensiteteve të kulmeve 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 ishte afër 100% edhe në një tension të ulët prej 3.0 kV. Në mënyrë tipike, 3.0 kV është i mjaftueshëm për të arritur 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 më të ulët (mesatarisht 10 elektrone për EWNS).
Figura 5 dhe Tabela 2 përmbledhin shkallën e inaktivizimit të mikroorganizmave të inokuluar në sipërfaqen e domateve pas ekspozimit ndaj afërsisht 40,000 #/cm3 EWNS për 45 minuta në skenarin optimal [-6.5 kV, 4.0 cm]. E. coli dhe L. innocua të inokuluara treguan një ulje të konsiderueshme prej 3.8 log pas 45 minutash ekspozimi. Nën të njëjtat kushte, S. enterica tregoi një ulje më të ulët log prej 2.2 log, ndërsa S. cerevisiae dhe M. parafortuitum treguan një ulje prej 1.0 log.
Mikrografi elektronike (Figura 6) që përshkruajnë ndryshimet fizike të shkaktuara nga EWNS në qelizat E. coli, Salmonella enterica dhe L. innocua që çojnë në inaktivizim. Bakteret kontrolluese treguan 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 e EWNS-së (ngarkesa sipërfaqësore dhe përmbajtja e ROS) 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, gjë që është shumë e ngjashme me rezultatet e publikuara më parë, duke i lejuar ato të qëndrojnë në ajër për një periudhë të gjatë kohore. Polidispersiteti i vëzhguar mund të shpjegohet me ndryshimet në ngarkesën sipërfaqësore, të cilat përcaktojnë madhësinë e efektit Rayleigh, rastësinë dhe bashkimin e mundshëm të EWNS-së. 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. Kjo teori u konfirmua eksperimentalisht për mikropikat22 dhe EWNS në botimin tonë të mëparshëm8. Humbja e kohës së tepërt 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 rrethanat, që 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 nuk është uniforme 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.