Nature.com'u ziyaret ettiğiniz için teşekkür ederiz. Sınırlı CSS desteği olan bir tarayıcı sürümü kullanıyorsunuz. En iyi deneyim için güncellenmiş bir tarayıcı kullanmanızı (veya Internet Explorer'da Uyumluluk Modunu devre dışı bırakmanızı) öneririz. Ayrıca, sürekli desteği sağlamak için siteyi stiller ve JavaScript olmadan gösteriyoruz.
Son zamanlarda, yapay su nanoyapıları (EWNS) kullanan nanoteknolojiye dayalı kimyasal içermeyen bir antimikrobiyal platform geliştirildi. EWNS'ler yüksek bir yüzey yüküne sahiptir ve gıda kaynaklı patojenler de dahil olmak üzere bir dizi mikroorganizma ile etkileşime girebilen ve onları etkisiz hale getirebilen reaktif oksijen türleri (ROS) açısından zengindir. Burada, sentez sırasında özelliklerinin antibakteriyel potansiyellerini daha da artırmak için ince ayarlanabileceği ve optimize edilebileceği gösterilmiştir. EWNS laboratuvar platformu, sentez parametrelerini değiştirerek EWNS'nin özelliklerini ince ayarlamak üzere tasarlanmıştır. EWNS özelliklerinin (yük, boyut ve ROS içeriği) karakterizasyonu, modern analitik yöntemler kullanılarak gerçekleştirildi. Ayrıca, Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocua, Mycobacterium para fortitum ve Saccharomyces cerevisiae gibi gıda mikroorganizmaları, mikrobiyal inaktivasyon potansiyellerini değerlendirmek için organik üzüm domateslerinin yüzeyine aşılandı. Burada sunulan sonuçlar, EWNS'nin özelliklerinin sentez sırasında ince ayarlanabileceğini ve bunun sonucunda inaktivasyon verimliliğinde üstel bir artışa yol açabileceğini göstermektedir. Özellikle, yüzey yükü dört katına çıktı ve ROS içeriği arttı. Mikrobiyal giderim oranı mikrobiyal olarak bağımlıydı ve 40.000 #/cm3 EWNS'lik bir aerosol dozuna 45 dakika maruz kaldıktan sonra 1,0 ila 3,8 log arasında değişti.
Mikrobiyal kontaminasyon, patojenlerin veya toksinlerinin yutulması sonucu oluşan gıda kaynaklı hastalıkların başlıca nedenidir. Gıda kaynaklı hastalıklar, yalnızca Amerika Birleşik Devletleri'nde her yıl yaklaşık 76 milyon hastalığa, 325.000 hastaneye yatışa ve 5.000 ölüme neden olmaktadır1. Ayrıca, Amerika Birleşik Devletleri Tarım Bakanlığı (USDA), taze ürün tüketiminin artmasının Amerika Birleşik Devletleri'nde bildirilen tüm gıda kaynaklı hastalıkların yüzde 48'inden sorumlu olduğunu tahmin etmektedir2. Amerika Birleşik Devletleri'nde gıda kaynaklı patojenlerden kaynaklanan hastalık ve ölümlerin maliyeti çok yüksektir ve Hastalık Kontrol ve Önleme Merkezleri (CDC) tarafından yılda 15,6 milyar ABD dolarından fazla olarak tahmin edilmektedir3.
Şu anda, gıda güvenliğini sağlamak için kimyasal4, radyasyon5 ve termal6 antimikrobiyal müdahaleler, taze ürünün çapraz kontaminasyona maruz kalacağı şekilde sürekli olarak uygulanmak yerine, çoğunlukla üretim zincirindeki sınırlı kritik kontrol noktalarında (CCP'ler) uygulanmaktadır (genellikle hasattan sonra ve/veya paketleme sırasında). Antimikrobiyal müdahaleler, gıda kaynaklı hastalıkları ve gıda bozulmasını daha iyi kontrol etmek için gereklidir ve çiftlikten sofraya süreklilik boyunca uygulanma potansiyeline sahiptir. Daha az etki ve maliyet.
Son zamanlarda, yapay su nanoyapıları (EWNS) kullanılarak yüzeylerdeki ve havadaki bakterileri etkisiz hale getirmek için nanoteknoloji tabanlı kimyasal içermeyen bir antimikrobiyal platform geliştirildi. EVNS sentezi için iki paralel işlem kullanıldı: elektrosprey ve su iyonizasyonu (Şekil 1a). EWNS'nin daha önce benzersiz bir fiziksel ve biyolojik özellik kümesine sahip olduğu gösterilmişti8,9,10. EWNS, yapı başına ortalama 10 elektrona ve 25 nm ortalama nanometre boyutuna sahiptir (Şekil 1b,c)8,9,10. Ek olarak, elektron spin rezonansı (ESR), EWNS'nin büyük miktarda reaktif oksijen türü (ROS), esas olarak hidroksil (OH•) ve süperoksit (O2-) radikalleri içerdiğini gösterdi (Şekil 1c) 8 . EWNS havada uzun süre kalır ve havada asılı duran ve yüzeylerde bulunan mikroplarla çarpışabilir, ROS yüklerini dağıtabilir ve mikrobiyal inaktivasyona neden olabilir (Şekil 1d). Bu önceki çalışmalar ayrıca EWNS'nin yüzeylerde ve havada mikobakteriler de dahil olmak üzere halk sağlığı açısından önemli çeşitli gram negatif ve gram pozitif bakterilerle etkileşime girebileceğini ve onları inaktive edebileceğini göstermiştir8,9. Transmisyon elektron mikroskobu inaktivasyonun hücre zarının bozulmasından kaynaklandığını göstermiştir. Ek olarak, akut inhalasyon çalışmaları yüksek dozda EWNS'nin akciğer hasarına veya inflamasyona neden olmadığını göstermiştir8.
(a) Elektrosprey, sıvı içeren bir kılcal ile karşıt elektrot arasında yüksek voltaj uygulandığında meydana gelir. (b) Yüksek voltajın uygulanması iki farklı olguyla sonuçlanır: (i) suyun elektrospreylenmesi ve (ii) EWNS'de tutulan reaktif oksijen türlerinin (iyonlarının) üretimi. (c) EWNS'nin benzersiz yapısı. (d) EWNS'ler nanometre ölçeğindeki yapıları nedeniyle oldukça hareketlidir ve havadaki patojenlerle etkileşime girebilir.
EWNS antimikrobiyal platformunun taze gıdanın yüzeyindeki gıda kaynaklı mikroorganizmaları etkisiz hale getirme yeteneği de yakın zamanda gösterilmiştir. Ayrıca, EWNS yüzey yükünün hedeflenen iletim için bir elektrik alanıyla birlikte kullanılabileceği de gösterilmiştir. Daha da önemlisi, E. coli ve Listeria gibi çeşitli gıda mikroorganizmalarına karşı organik domates aktivitesinde yaklaşık 1,4 log'luk umut verici bir ilk sonuç, yaklaşık 50.000#/cm311 konsantrasyonunda EWNS'ye maruziyetten sonraki 90 dakika içinde gözlemlenmiştir. Ek olarak, ön organoleptik değerlendirme testleri, kontrol domatesine kıyasla hiçbir organoleptik etki göstermemiştir. Bu ilk inaktivasyon sonuçları, 50.000#/cc'lik çok düşük EWNS dozlarında bile gıda güvenliği vaat etse de, daha yüksek bir inaktivasyon potansiyelinin enfeksiyon ve bozulma riskini daha da azaltmak için daha faydalı olacağı açıktır.
Burada, EWNS'nin sentez parametrelerini ince ayarlamak ve antibakteriyel potansiyellerini artırmak için EWNS'nin fizikokimyasal özelliklerini optimize etmek üzere bir EWNS üretim platformunun geliştirilmesine odaklanacağız. Özellikle, optimizasyon yüzey yüklerini (hedeflenen iletimi iyileştirmek için) ve ROS içeriğini (inaktivasyon verimliliğini iyileştirmek için) artırmaya odaklanmıştır. Modern analitik yöntemler ve E. coli, S. enterica, L. innocua, S. cerevisiae ve M. parafortuitum gibi yaygın gıda mikroorganizmalarını kullanarak optimize edilmiş fizikokimyasal özelliklerin (boyut, yük ve ROS içeriği) karakterizasyonu.
EVNS, yüksek saflıktaki suyun (18 MΩ cm–1) eş zamanlı elektrospreylenmesi ve iyonizasyonu ile sentezlendi. Elektrikli atomizer 12, tipik olarak sıvıları ve sentetik polimer ve seramik parçacıklarını 13 ve kontrollü boyuttaki lifleri 14 atomize etmek için kullanılır.
Önceki yayınlarda 8, 9, 10, 11 ayrıntılı olarak açıklandığı gibi, tipik bir deneyde, bir metal kılcal ve topraklanmış bir karşı elektrot arasına yüksek bir voltaj uygulanır. Bu işlem sırasında iki farklı olgu meydana gelir: 1) elektrosprey ve 2) suyun iyonlaşması. İki elektrot arasındaki güçlü bir elektrik alanı, yoğunlaşmış suyun yüzeyinde negatif yüklerin birikmesine neden olur ve bu da Taylor konilerinin oluşumuyla sonuçlanır. Sonuç olarak, Rayleigh teorisine16 göre daha küçük parçacıklara ayrılmaya devam eden yüksek yüklü su damlacıkları oluşur. Aynı zamanda, güçlü bir elektrik alanı su moleküllerinden bazılarının bölünmesine ve elektronları soymasına (iyonlaşma) neden olur ve böylece büyük miktarda reaktif oksijen türü (ROS)17 üretilir. Eş zamanlı olarak üretilen ROS18 paketleri EWNS'de kapsüllendi (Şekil 1c).
Şekil 2a'da bu çalışmada EWNS sentezinde geliştirilen ve kullanılan EWNS üretim sistemi gösterilmektedir. Kapalı bir şişede saklanan saflaştırılmış su, bir Teflon tüp (2 mm iç çap) aracılığıyla 30G paslanmaz çelik iğneye (metal kılcal) beslendi. Şekil 2b'de gösterildiği gibi, su akışı şişenin içindeki hava basıncıyla kontrol edilir. İğne, karşı elektrottan belirli bir mesafeye manuel olarak ayarlanabilen bir Teflon konsola tutturulmuştur. Karşı elektrot, örnekleme için ortasında bir delik bulunan cilalı bir alüminyum disktir. Karşı elektrotun altında, örnekleme portu aracılığıyla deney düzeneğinin geri kalanına bağlanan bir alüminyum örnekleme hunisi vardır (Şekil 2b). Tüm örnekleme bileşenleri, parçacık örneklemesini bozabilecek yük birikmesini önlemek için elektriksel olarak topraklanmıştır.
(a) Mühendislik Su Nanoyapı Üretim Sistemi (EWNS). (b) En önemli parametreleri gösteren örnekleyici ve elektrosprey ünitesinin kesiti. (c) Bakteri inaktivasyonu için deneysel kurulum.
Yukarıda açıklanan EWNS üretim sistemi, EWNS özelliklerinin ince ayarını kolaylaştırmak için temel çalışma parametrelerini değiştirme yeteneğine sahiptir. EWNS özelliklerini ince ayarlamak için uygulanan voltajı (V), iğne ile karşı elektrot arasındaki mesafeyi (L) ve kılcal damardan geçen su akışını (φ) ayarlayın. Farklı kombinasyonları belirtmek için [V (kV), L (cm)] sembolleri kullanılır. Belirli bir set [V, L] değerinde kararlı bir Taylor konisi elde etmek için su akışını ayarlayın. Bu çalışmanın amaçları doğrultusunda karşı elektrotun (D) açıklığı 0,5 inç (1,29 cm) olarak ayarlandı.
Sınırlı geometri ve asimetri nedeniyle, elektrik alan şiddeti ilk prensiplerden hesaplanamaz. Bunun yerine, elektrik alanını hesaplamak için QuickField™ yazılımı (Svendborg, Danimarka)19 kullanıldı. Elektrik alanı tekdüze değildir, bu nedenle kılcal damarın ucundaki elektrik alanının değeri çeşitli yapılandırmalar için referans değeri olarak kullanıldı.
Çalışma sırasında iğne ile karşı elektrot arasındaki voltaj ve mesafenin çeşitli kombinasyonları Taylor koni oluşumu, Taylor koni kararlılığı, EWNS üretim kararlılığı ve tekrarlanabilirlik açısından değerlendirildi. Çeşitli kombinasyonlar Ek Tablo S1'de gösterilmiştir.
EWNS üretim sisteminin çıktısı, parçacık sayısı konsantrasyonunu ölçmek için doğrudan bir Tarama Hareketliliği Parçacık Boyutlandırıcıya (SMPS, model 3936, TSI, Shoreview, Minnesota) bağlandı ve bir Faraday aerosol elektrometresi (TSI, model 3068B, Shoreview, ABD) ile kullanıldı. MN) önceki yayınımızda açıklandığı gibi aerosol akışlarını ölçmek için kullanıldı9. Hem SMPS hem de aerosol elektrometresi 0,5 L/dak akış hızında (toplam örnek akışı 1 L/dak) örneklendi. Parçacık konsantrasyonları ve aerosol akıları 120 saniye boyunca ölçüldü. Ölçümü 30 kez tekrarlayın. Toplam aerosol yükü mevcut ölçümlerden hesaplanır ve ortalama EWNS yükü örneklenen toplam EWNS parçacık sayısından tahmin edilir. EWNS'nin ortalama maliyeti Denklem (1) kullanılarak hesaplanabilir:
Burada IEl ölçülen akım, NSMPS SMPS ile ölçülen konsantrasyon sayısı ve φEl elektrometreye giden akış hızıdır.
Bağıl nem (RH) yüzey yükünü etkilediğinden, deney boyunca sıcaklık ve bağıl nem (RH) sırasıyla %21°C ve %45'te sabit tutuldu.
Atomik kuvvet mikroskobu (AFM), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Santa Barbara, CA) ve AC260T probu (Olympus, Tokyo, Japonya) EWNS'nin boyutunu ve ömrünü ölçmek için kullanıldı. AFM tarama hızı 1 Hz'dir ve tarama alanı 256 tarama çizgisiyle 5 µm×5 µm'dir. Tüm görüntüler Asylum yazılımı kullanılarak birinci dereceden görüntü hizalamasına tabi tutuldu (100 nm aralıklı ve 100 pm eşikli maske).
Örnekleme hunisini çıkarın ve parçacıkların birleşmesini ve mika yüzeyinde düzensiz damlacıklar oluşmasını önlemek için mika yüzeyini karşı elektrottan ortalama 120 saniye boyunca 2,0 cm uzaklığa yerleştirin. EWNS, doğrudan yeni kesilmiş mika yüzeylerine uygulandı (Ted Pella, Redding, CA). Püskürtme işleminden hemen sonra mika yüzeyi AFM kullanılarak görüntülendi. Yeni kesilmiş, değiştirilmemiş mikanın yüzey temas açısı 0°'ye yakındır, bu nedenle EWNS, mika yüzeyi üzerinde kubbeli bir şekilde yayılır20. Yayılan damlacıkların çapı (a) ve yüksekliği (h) doğrudan AFM topografyasından ölçüldü ve daha önce doğrulanmış yöntemimizi8 kullanarak kubbeli difüzyon hacmi EWNS'yi hesaplamak için kullanıldı. Yerleşik EVNS'nin aynı hacme sahip olduğunu varsayarak, eşdeğer çap denklem (2) kullanılarak hesaplanabilir:
Daha önce geliştirdiğimiz yönteme uygun olarak, EWNS'de kısa ömürlü radikal ara maddelerin varlığını tespit etmek için bir elektron spin rezonansı (ESR) spin tuzağı kullanıldı. Aerosoller, 235 mM DEPMPO (5-(dietoksifosforil)-5-metil-1-pirolin-N-oksit) (Oxis International Inc., Portland, Oregon) içeren bir çözeltiden geçirildi. Tüm EPR ölçümleri bir Bruker EMX spektrometresi (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, ABD) ve düz hücre dizileri kullanılarak gerçekleştirildi. Verileri toplamak ve analiz etmek için Acquisit yazılımı (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, ABD) kullanıldı. ROS karakterizasyonu yalnızca bir dizi çalışma koşulu için gerçekleştirildi [-6,5 kV, 4,0 cm]. EWNS konsantrasyonları, darbe cihazındaki EWNS kaybı hesaba katıldıktan sonra SMPS kullanılarak ölçüldü.
Ozon seviyeleri 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Boulder, Co) kullanılarak izlendi8,9,10.
Tüm EWNS özellikleri için ölçüm değeri ölçümlerin ortalamasıdır ve ölçüm hatası standart sapmadır. Optimize edilmiş EWNS niteliğinin değerini temel EWNS'nin karşılık gelen değeriyle karşılaştırmak için bir t-testi gerçekleştirildi.
Şekil 2c, EWNS11'i yüzeylere hedeflemek için kullanılabilen, önceden geliştirilmiş ve karakterize edilmiş bir Elektrostatik Çökelti Geçiş Sistemini (EPES) göstermektedir. EPES, hedefin yüzeyine doğrudan "işaret etmek" için güçlü bir elektrik alanıyla birlikte bir EWNS yükü kullanır. EPES sisteminin ayrıntıları Pyrgiotakis ve ark. tarafından yakın zamanda yayınlanan bir yayında sunulmuştur.11 Bu nedenle EPES, ortada 15,24 cm arayla iki paralel paslanmaz çelik (304 paslanmaz çelik, ayna cilalı) metal plaka içeren konik uçlu 3 boyutlu yazdırılmış bir PVC haznesinden oluşur. Plakalar harici bir yüksek voltaj kaynağına (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY) bağlanmıştır, alt plaka her zaman pozitiftir ve üst plaka her zaman topraklanmıştır (yüzer). Hazne duvarları, parçacık kaybını önlemek için elektriksel olarak topraklanmış alüminyum folyo ile kaplıdır. Hazne, test yüzeylerinin plastik raflara yerleştirilmesine ve yüksek voltaj girişimini önlemek için alt metal plakadan kaldırılmasına olanak tanıyan kapalı bir ön yükleme kapısına sahiptir.
EWNS'nin EPES'teki biriktirme verimliliği, Ek Şekil S111'de ayrıntılı olarak açıklanan daha önce geliştirilmiş bir protokole göre hesaplandı.
Bir kontrol odası olarak, silindirik odadan geçen ikinci akış, EWNS'yi gidermek için bir ara HEPA filtresi kullanılarak EPES sistemiyle seri olarak bağlanır. Şekil 2c'de gösterildiği gibi, EWNS aerosolü seri olarak bağlanmış iki odadan pompalandı. Kontrol odası ve EPES arasındaki filtre, aynı sıcaklık (T), bağıl nem (RH) ve ozon seviyeleriyle sonuçlanan kalan EWNS'yi giderir.
Taze ürünlerde Escherichia coli (ATCC #27325) gibi önemli gıda kaynaklı mikroorganizmaların kirlettiği bulunmuştur. Bunlar arasında dışkı indikatörü olan Salmonella enterica (ATCC #53647), gıda kaynaklı patojen olan Listeria innocua (ATCC #33090) ve patojenik Listeria monocytogenes'e alternatif bir bakteridir. Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098) bozulma mayasına alternatif olarak ve Mycobacterium parafortuitous (ATCC #19686) daha dirençli canlı bakteri olarak ATCC'den (Manassas, Virginia) satın alındı.
Yerel pazarınızdan rastgele kutularca organik üzüm domatesi satın alın ve kullanana kadar (en fazla 3 gün) 4°C'de buzdolabında saklayın. Deneyebileceğiniz domatesleri, çapı yaklaşık 1/2 inç olacak şekilde seçin.
Kuluçka, aşılama, maruz bırakma ve koloni sayımı protokolleri önceki yayınlarımızda ayrıntılı olarak açıklanmış ve Ek Veri 11'de ayrıntılı olarak açıklanmıştır. EWNS performansı, aşılanmış domateslerin 45 dakika boyunca 40.000 #/cm3'e maruz bırakılmasıyla değerlendirilmiştir. Kısaca, t = 0 dakika zamanında, hayatta kalan mikroorganizmaları değerlendirmek için üç domates kullanılmıştır. Üç domates EPES'e yerleştirilmiş ve 40.000 #/cc'de EWNS'ye maruz bırakılmıştır (EWNS'ye maruz bırakılmış domatesler) ve diğer üçü kontrol odasına yerleştirilmiştir (kontrol domatesleri). Domates gruplarının hiçbiri ek işleme tabi tutulmamıştır. EWNS'ye maruz bırakılmış domatesler ve kontroller, EWNS'nin etkisini değerlendirmek için 45 dakika sonra çıkarılmıştır.
Her deney üç kez gerçekleştirildi. Veri analizi Ek Verilerde açıklanan protokole göre gerçekleştirildi.
EWNS'ye maruz bırakılan (45 dk, EWNS aerosol konsantrasyonu 40.000 #/cm3) ve maruz bırakılmayan E. coli, Enterobacter ve L. innocua bakteri örnekleri inaktivasyon mekanizmalarını değerlendirmek için peletlendi. Çökelti, %2,5 glutaraldehit, %1,25 paraformaldehit ve %0,03 pikrik asit fiksatifi ile 0,1 M sodyum kakodilat çözeltisinde (pH 7,4) oda sıcaklığında 2 saat boyunca fiksasyona tabi tutuldu. Yıkamadan sonra, %1 osmiyum tetroksit (OsO4)/%1,5 potasyum ferrosiyanür (KFeCN6) ile 2 saat boyunca fiksasyona tabi tutuldu, 3 kez suyla yıkandı ve %1 uranil asetatta 1 saat inkübe edildi, ardından iki kez suyla yıkandı. Ardından %50, %70, %90, %100 alkolün her biri için 10 dakika dehidratasyon yapıldı. Örnekler daha sonra 1 saat boyunca propilen oksit içine yerleştirildi ve 1:1 propilen oksit ve TAAP Epon karışımıyla emprenye edildi (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA). Örnekler TAAB Epon içine gömüldü ve 60°C'de 48 saat boyunca polimerize edildi. Sertleştirilmiş granüler reçine kesildi ve bir AMT 2k CCD kamerayla donatılmış geleneksel bir transmisyon elektron mikroskobu olan JEOL 1200EX (JEOL, Tokyo, Japonya) kullanılarak TEM ile görüntülendi (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, MA, ABD).
Tüm deneyler üçer kez gerçekleştirildi. Her zaman noktası için, bakteri yıkamaları üçer kez plakalandı ve bu da nokta başına toplam dokuz veri noktasıyla sonuçlandı, bunların ortalaması o belirli organizma için bakteri konsantrasyonu olarak kullanıldı. Standart sapma ölçüm hatası olarak kullanıldı. Tüm noktalar sayılır.
Bakteri konsantrasyonundaki azalmanın t=0 dk'ya göre logaritması aşağıdaki formül kullanılarak hesaplandı:
Burada C0, kontrol numunesindeki bakteri konsantrasyonunun 0 anındaki (yani yüzey kuruduktan sonra ancak hazneye yerleştirilmeden önceki) değeri ve Cn, n dakikalık maruziyetten sonra yüzeydeki bakteri konsantrasyonudur.
45 dakikalık maruz kalma süresi boyunca bakterilerin doğal bozunmasını hesaba katmak için, Log-Redüksiyon da 45 dakikadaki kontrolle karşılaştırıldığında aşağıdaki gibi hesaplandı:
Burada Cn, n zamanında kontrol örneğindeki bakteri konsantrasyonudur ve Cn-Kontrol, n zamanında kontrol bakteri konsantrasyonudur. Veriler, kontrole kıyasla logaritmik azalma olarak sunulur (EWNS maruziyeti yok).
Çalışma sırasında, iğne ile karşı elektrot arasındaki voltaj ve mesafenin çeşitli kombinasyonları Taylor koni oluşumu, Taylor koni kararlılığı, EWNS üretim kararlılığı ve tekrarlanabilirlik açısından değerlendirildi. Çeşitli kombinasyonlar Ek Tablo S1'de gösterilmiştir. Kararlı ve tekrarlanabilir özellikler (Taylor koni, EWNS üretimi ve zaman içinde kararlılık) gösteren tam bir çalışma için iki vaka seçildi. Şekil 3'te iki vaka için ROS'un yükü, boyutu ve içeriğiyle ilgili sonuçlar gösterilmektedir. Sonuçlar ayrıca Tablo 1'de özetlenmiştir. Referans olması açısından, Şekil 3 ve Tablo 1 daha önce sentezlenen optimize edilmemiş EWNS8, 9, 10, 11'in (başlangıç-EWNS) özelliklerini içermektedir. İki kuyruklu t-testi kullanılarak yapılan istatistiksel anlamlılık hesaplamaları Ek Tablo S2'de yeniden yayınlanmıştır. Ek olarak, ek veriler karşı elektrot örnekleme deliği çapının (D) ve toprak elektrot ile iğne ucu arasındaki mesafenin (L) etkisine ilişkin çalışmaları içerir (Ek Şekiller S2 ve S3).
(a–c) AFM boyut dağılımı. (d – f) Yüzey yük karakteristiği. (g) ROS ve ESR karakterizasyonu.
Yukarıdaki tüm koşullar için ölçülen iyonizasyon akımlarının 2-6 µA aralığında ve voltajların -3,8 ila -6,5 kV aralığında olduğunu ve bunun da bu tek terminalli EWNS için 50 mW'den daha az bir güç tüketimine yol açtığını belirtmek de önemlidir. . nesil modülü. EWNS yüksek basınç altında sentezlenmiş olmasına rağmen, ozon seviyeleri çok düşüktü ve hiçbir zaman 60 ppb'yi geçmedi.
Ek Şekil S4, sırasıyla [-6,5 kV, 4,0 cm] ve [-3,8 kV, 0,5 cm] senaryoları için simüle edilmiş elektrik alanlarını göstermektedir. [-6,5 kV, 4,0 cm] ve [-3,8 kV, 0,5 cm] senaryolarına göre alanlar sırasıyla 2 × 105 V/m ve 4,7 × 105 V/m olarak hesaplanmıştır. Bu beklenen bir durumdur çünkü ikinci durumda voltaj/mesafe oranı çok daha yüksektir.
Şekil 3a,b'de AFM8 ile ölçülen EWNS çapı gösterilmektedir. [-6,5 kV, 4,0 cm] ve [-3,8 kV, 0,5 cm] senaryoları için ortalama EWNS çapları sırasıyla 27 nm ve 19 nm olarak hesaplanmıştır. [-6,5 kV, 4,0 cm] ve [-3,8 kV, 0,5 cm] durumları için dağılımların geometrik standart sapmaları sırasıyla 1,41 ve 1,45'tir ve dar bir boyut dağılımını göstermektedir. Hem ortalama boyut hem de geometrik standart sapma, sırasıyla 25 nm ve 1,41 olarak başlangıç ​​EWNS'ye çok yakındır. Şekil 3c'de aynı koşullar altında aynı yöntem kullanılarak ölçülen başlangıç ​​EWNS'nin boyut dağılımı gösterilmektedir.
Şekil 3d,e'de yük karakterizasyonunun sonuçları gösterilmektedir. Veriler, konsantrasyon (#/cm3) ve akımın (I) 30 eş zamanlı ölçümünün ortalama ölçümleridir. Analiz, EWNS'deki ortalama yükün [-6,5 kV, 4,0 cm] ve [-3,8 kV, 0,5 cm] için sırasıyla 22 ± 6 e- ve 44 ± 6 e- olduğunu göstermektedir. Baseline-EWNS (10 ± 2 e-) ile karşılaştırıldığında, yüzey yükleri önemli ölçüde daha yüksektir, [-6,5 kV, 4,0 cm] senaryosunun iki katı ve [-3,8 kV, 0,5 cm] senaryosunun dört katıdır. 3f, temel EWNS ödeme verilerini göstermektedir.
EWNS sayı konsantrasyon haritalarından (Ek Şekiller S5 ve S6), [-6,5 kV, 4,0 cm] sahnesinin [-3,8 kV, 0,5 cm] sahnesinden önemli ölçüde daha fazla sayıda parçacığa sahip olduğu görülebilir. Ayrıca, EWNS sayı konsantrasyonlarının 4 saate kadar izlendiği (Ek Şekiller S5 ve S6) ve EWNS üretim kararlılığının her iki durumda da aynı düzeyde parçacık sayısı konsantrasyonları gösterdiği belirtilmelidir.
Şekil 3g, [-6,5 kV, 4,0 cm]'de optimize edilmiş EWNS için kontrol (arka plan) çıkarımından sonra EPR spektrumunu göstermektedir. ROS spektrumu ayrıca daha önce yayınlanmış bir makalede EWNS baz çizgisiyle karşılaştırılmıştır. Spin tuzağıyla reaksiyona giren EWNS'nin hesaplanan sayısı 7,5 × 104 EWNS/s'dir ve bu daha önce yayınlanmış Baz Çizgisi-EWNS8'e benzerdir. EPR spektrumları, O2-'nin baskın olduğu, OH•'nin ise daha az miktarda bulunduğu iki tür ROS'un varlığını açıkça göstermiştir. Ek olarak, tepe yoğunluklarının doğrudan karşılaştırılması, optimize edilmiş EWNS'nin baz çizgisi EWNS'ye kıyasla önemli ölçüde daha yüksek bir ROS içeriğine sahip olduğunu göstermiştir.
Şekil 4'te EPES'te EWNS'nin biriktirme verimliliği gösterilmektedir. Veriler ayrıca Tablo I'de özetlenmiş ve orijinal EWNS verileriyle karşılaştırılmıştır. Her iki EUNS vakası için biriktirme, 3,0 kV'luk düşük bir voltajda bile %100'e yakındı. Tipik olarak, 3,0 kV, yüzey yükü değişiminden bağımsız olarak %100 biriktirmeye ulaşmak için yeterlidir. Aynı koşullar altında, Baseline-EWNS'nin biriktirme verimliliği, daha düşük yük (EWNS başına ortalama 10 elektron) nedeniyle yalnızca %56 idi.
Şekil 5 ve Tablo 2, optimum senaryo [-6,5 kV, 4,0 cm] altında yaklaşık 40.000 #/cm3 EWNS'ye 45 dakika maruz bırakıldıktan sonra domateslerin yüzeyine aşılanan mikroorganizmaların inaktivasyon derecesini özetlemektedir. Aşılanan E. coli ve L. innocua, 45 dakikalık maruziyetten sonra 3,8 log'luk önemli bir azalma gösterdi. Aynı koşullar altında, S. enterica 2,2 log'luk daha düşük bir log azalma gösterirken, S. cerevisiae ve M. parafortuitum 1,0 log azalma gösterdi.
E. coli, Salmonella enterica ve L. innocua hücrelerinde EWNS'nin indüklediği fiziksel değişiklikleri ve inaktivasyonu gösteren elektron mikroskobu görüntüleri (Şekil 6). Kontrol bakterileri sağlam hücre zarları gösterirken, maruz kalan bakterilerin dış zarları hasarlıydı.
Kontrol ve maruz kalan bakterilerin elektron mikroskobik görüntülemesinde membran hasarı ortaya çıktı.
Optimize edilmiş EWNS'nin fizikokimyasal özelliklerine ilişkin veriler toplu olarak EWNS özelliklerinin (yüzey yükü ve ROS içeriği) daha önce yayınlanmış EWNS temel verilerine8,9,10,11 kıyasla önemli ölçüde iyileştirildiğini göstermektedir. Öte yandan, boyutları daha önce yayınlanmış sonuçlara çok benzeyen nanometre aralığında kalmış ve bu da havada uzun süre kalmalarına olanak sağlamıştır. Gözlemlenen polidispersite, Rayleigh etkisinin büyüklüğünü, rastgeleliği ve EWNS'nin potansiyel birleşmesini belirleyen yüzey yükündeki değişikliklerle açıklanabilir. Ancak, Nielsen ve ark. tarafından22 ayrıntılı olarak açıklandığı gibi, yüksek yüzey yükü su damlasının yüzey enerjisini/gerilimini etkili bir şekilde artırarak buharlaşmayı azaltır. Bu teori, önceki yayınımızda8 mikro damlacıklar22 ve EWNS için deneysel olarak doğrulanmıştır. Fazla mesai kaybı da boyutu etkileyebilir ve gözlemlenen boyut dağılımına katkıda bulunabilir.
Ek olarak, yapı başına yük, koşullara bağlı olarak yaklaşık 22–44 e-'dir ve bu, yapı başına ortalama 10 ± 2 elektron yüküne sahip temel EWNS'ye kıyasla önemli ölçüde daha yüksektir. Ancak, bunun EWNS'nin ortalama yükü olduğu unutulmamalıdır. Seto ve ark. Yükün tekdüze olmadığı ve log-normal bir dağılım izlediği gösterilmiştir21. Önceki çalışmalarımızla karşılaştırıldığında, yüzey yükünün iki katına çıkarılması EPES sistemindeki biriktirme verimliliğini neredeyse %100'e çıkarır11.