Dankie dat u Nature.com besoek het. Die blaaierweergawe wat u gebruik, het beperkte CSS-ondersteuning. Vir die beste ervaring beveel ons aan dat u 'n opgedateerde blaaier gebruik (of Verenigbaarheidsmodus in Internet Explorer deaktiveer). Intussen, om voortgesette ondersteuning te verseker, sal ons die webwerf sonder style en JavaScript weergee.
Onlangs is 'n chemiesvrye antimikrobiese platform gebaseer op nanotegnologie met behulp van kunsmatige water-nanostrukture (EWNS) ontwikkel. EWNS het 'n hoë oppervlaklading en is versadig met reaktiewe suurstofspesies (ROS) wat met 'n aantal mikroörganismes, insluitend voedselgedraagde patogene, kan interaksie hê en dit kan inaktiveer. Hier word getoon dat hul eienskappe tydens sintese verfyn en geoptimaliseer kan word om hul antibakteriese potensiaal verder te verbeter. Die EWNS-laboratoriumplatform is ontwerp om die eienskappe van EWNS verfyn te verfyn deur die sinteseparameters te verander. Karakterisering van EWNS-eienskappe (lading, grootte en inhoud van ROS) met behulp van moderne analitiese metodes. Daarbenewens is hulle geëvalueer vir hul mikrobiese inaktiveringspotensiaal teen voedselgedraagde mikroörganismes soos Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocuous, Mycobacterium paraaccidentum en Saccharomyces cerevisiae. Die resultate wat hier aangebied word, toon dat die eienskappe van EWNS tydens sintese verfyn kan word, wat lei tot 'n eksponensiële toename in inaktiveringsdoeltreffendheid. In die besonder het die oppervlaklading met 'n faktor van vier toegeneem en die reaktiewe suurstofspesies het toegeneem. Die mikrobiese verwyderingstempo was mikrobies afhanklik en het gewissel van 1.0 tot 3.8 log na 'n 45 minute blootstelling aan 'n aërosol dosis van 40 000 #/cc EWNS.
Mikrobiese kontaminasie is die hoofrede vir voedselgedraagde siektes wat veroorsaak word deur die inname van patogene of hul gifstowwe. In die Verenigde State alleen veroorsaak voedselgedraagde siektes ongeveer 76 miljoen siektes, 325 000 hospitaalopnames en 5 000 sterftes elke jaar1. Daarbenewens skat die Amerikaanse Departement van Landbou (USDA) dat verhoogde verbruik van vars produkte verantwoordelik is vir 48% van alle aangemelde voedselgedraagde siektes in die Verenigde State2. Die koste van siektes en sterftes wat deur voedselgedraagde patogene in die Verenigde State veroorsaak word, is baie hoog en word deur die Centers for Disease Control and Prevention (CDC) op meer as VS$15,6 miljard per jaar3 geraam.
Tans word chemiese4, bestraling5 en termiese6 antimikrobiese intervensies om voedselveiligheid te verseker meestal by beperkte kritieke beheerpunte (KKP's) langs die produksieketting (gewoonlik na oes en/of tydens verpakking) uitgevoer eerder as aaneenlopend. Dus is hulle geneig tot kruiskontaminasie. 7. Beter beheer van voedselgedraagde siektes en voedselbederf vereis antimikrobiese intervensies wat moontlik oor die plaas-tot-tafel-kontinuum toegepas kan word terwyl die omgewingsimpak en -koste verminder word.
Onlangs is 'n chemiese-vrye, nanotegnologie-gebaseerde antimikrobiese platform ontwikkel wat oppervlak- en lugbakterieë kan inaktiveer deur kunsmatige water-nanostrukture (EWNS) te gebruik. EWNS is gesintetiseer deur twee parallelle prosesse, elektrosproei en waterionisasie (Fig. 1a). Vorige studies het getoon dat EWNS 'n unieke stel fisiese en biologiese eienskappe het8,9,10. EWNS het gemiddeld 10 elektrone per struktuur en 'n gemiddelde nanoskaalgrootte van 25 nm (Fig. 1b,c)8,9,10. Daarbenewens het elektronspinresonansie (ESR) getoon dat EWNS 'n groot hoeveelheid reaktiewe suurstofspesies (ROS) bevat, hoofsaaklik hidroksiel (OH•) en superoksied (O2-) radikale (Fig. 1c)8. EVNS is lank in die lug en kan bots met mikroörganismes wat in die lug hang en op die oppervlak teenwoordig is, wat hul ROS-vrag lewer en inaktivering van mikroörganismes veroorsaak (Fig. 1d). Hierdie vroeë studies het ook getoon dat EWNS met verskeie gram-negatiewe en gram-positiewe bakterieë, insluitend mikobakterieë, op oppervlaktes en in die lug kan interaksie hê en dit kan inaktiveer. Transmissie-elektronmikroskopie het getoon dat die inaktivering veroorsaak is deur ontwrigting van die selmembraan. Daarbenewens het akute inasemingstudies getoon dat hoë dosisse EWNS nie longskade of inflammasie veroorsaak nie 8.
(a) Elektrobespuiting vind plaas wanneer 'n hoë spanning toegepas word tussen 'n kapillêre buis wat vloeistof bevat en 'n teenelektrode. (b) Die toepassing van hoë druk lei tot twee verskillende verskynsels: (i) elektrobespuiting van water en (ii) vorming van reaktiewe suurstofspesies (ione) wat in die EWNS vasgevang is. (c) Die unieke struktuur van EWNS. (d) As gevolg van hul nanoskaal-aard, is EWNS hoogs mobiel en kan hulle met luggedraagde patogene interaksie hê.
Die vermoë van die EWNS-antimikrobiese platform om voedselgedraagde mikroörganismes op die oppervlak van vars voedsel te inaktiveer, is ook onlangs gedemonstreer. Daar is ook getoon dat die oppervlaklading van EWNS in kombinasie met 'n elektriese veld gebruik kan word om geteikende aflewering te bereik. Boonop was voorlopige resultate vir organiese tamaties na 'n 90-minuut blootstelling by 'n EWNS van ongeveer 50 000 #/cm3 bemoedigend, met verskeie voedselgedraagde mikroörganismes soos E. coli en Listeria 11 wat waargeneem is. Daarbenewens het voorlopige organoleptiese toetse geen sensoriese effekte getoon in vergelyking met kontroletamaties nie. Alhoewel hierdie aanvanklike inaktiveringsresultate bemoedigend is vir voedselveiligheidstoepassings, selfs teen baie lae EWNS-dosisse van 50 000 #/cc. sien, is dit duidelik dat 'n hoër inaktiveringspotensiaal meer voordelig sou wees om die risiko van infeksie en bederf verder te verminder.
Hier sal ons ons navorsing fokus op die ontwikkeling van 'n EWNS-genereringsplatform om fyn afstemming van sinteseparameters en optimalisering van die fisies-chemiese eienskappe van EWNS moontlik te maak om hul antibakteriese potensiaal te verbeter. In die besonder het optimalisering gefokus op die verhoging van hul oppervlaklading (om geteikende aflewering te verbeter) en ROS-inhoud (om inaktiveringsdoeltreffendheid te verbeter). Karakteriseer geoptimaliseerde fisies-chemiese eienskappe (grootte, lading en ROS-inhoud) deur gebruik te maak van moderne analitiese metodes en gebruik algemene voedselmikroörganismes soos E. .
EVNS is gesintetiseer deur gelyktydige elektrobespuiting en ionisasie van hoë suiwerheid water (18 MΩ cm–1). Die elektriese vernevelaar 12 word tipies gebruik vir die verneveling van vloeistowwe en die sintese van polimeer- en keramiekdeeltjies 13 en vesels 14 van beheerde grootte.
Soos uiteengesit in vorige publikasies 8, 9, 10, 11, is in 'n tipiese eksperiment 'n hoë spanning tussen 'n metaalkapillêr en 'n geaarde teenelektrode toegepas. Tydens hierdie proses vind twee verskillende verskynsels plaas: i) elektrosproei en ii) waterionisasie. 'n Sterk elektriese veld tussen die twee elektrodes veroorsaak dat negatiewe ladings op die oppervlak van die gekondenseerde water opbou, wat lei tot die vorming van Taylor-keëls. Gevolglik word hoogs gelaaide waterdruppels gevorm, wat aanhou om in kleiner deeltjies op te breek, soos in die Rayleigh-teorie16. Terselfdertyd veroorsaak sterk elektriese velde dat sommige watermolekules splits en elektrone afstroop (ioniseer), wat lei tot die vorming van 'n groot hoeveelheid reaktiewe suurstofspesies (ROS)17. Gelyktydig gegenereerde ROS18 is in EWNS ingekapsuleer (Fig. 1c).
Fig. 2a toon die EWNS-genereringstelsel wat ontwikkel en gebruik is in die EWNS-sintese in hierdie studie. Gesuiwerde water wat in 'n geslote bottel gestoor is, is deur 'n Teflon-buis (2 mm binnediameter) in 'n 30G vlekvrye staalnaald (metaalkapillêr) gevoer. Die vloei van water word beheer deur die lugdruk binne die bottel, soos getoon in Figuur 2b. Die naald is op 'n Teflon-konsole gemonteer en kan met die hand tot 'n sekere afstand van die teenelektrode verstel word. Die teenelektrode is 'n gepoleerde aluminiumskyf met 'n gat in die middel vir monsterneming. Onder die teenelektrode is 'n aluminium-monsternemingstrechter, wat via 'n monsternemingspoort aan die res van die eksperimentele opstelling gekoppel is (Fig. 2b). Om ladingopbou te vermy wat die werking van die monsternemer kan ontwrig, is alle monsternemerkomponente elektries geaard.
(a) Geïntegreerde Water Nanostruktuur Generasie Stelsel (EWNS). (b) Dwarssnit van die monsternemer en elektrosproei, wat die belangrikste parameters toon. (c) Eksperimentele opstelling vir bakterie-inaktivering.
Die EWNS-genereringstelsel wat hierbo beskryf word, is in staat om sleutelbedryfsparameters te verander om fyn afstemming van die EWNS-eienskappe te vergemaklik. Pas die toegepaste spanning (V), die afstand tussen die naald en die teenelektrode (L), en die watervloei (φ) deur die kapillêr aan om die EWNS-eienskappe fyn af te stem. Simbool wat gebruik word om verskillende kombinasies voor te stel: [V (kV), L (cm)]. Pas die watervloei aan om 'n stabiele Taylor-keël van 'n sekere stel [V, L] te kry. Vir die doeleindes van hierdie studie is die openingdiameter van die teenelektrode (D) op 0,5 duim (1,29 cm) gehou.
As gevolg van die beperkte geometrie en asimmetrie, kan die elektriese veldsterkte nie vanaf eerste beginsels bereken word nie. In plaas daarvan is die QuickField™ sagteware (Svendborg, Denemarke)19 gebruik om die elektriese veld te bereken. Die elektriese veld is nie uniform nie, daarom is die waarde van die elektriese veld aan die punt van die kapillêr as 'n verwysingswaarde vir verskeie konfigurasies gebruik.
Tydens die studie is verskeie kombinasies van spanning en afstand tussen die naald en die teenelektrode geëvalueer in terme van Taylor-keëlvorming, Taylor-keëlstabiliteit, EWNS-produksiestabiliteit en reproduceerbaarheid. Verskeie kombinasies word in Aanvullende Tabel S1 getoon.
Die uitset van die EWNS-genereringstelsel is direk gekoppel aan 'n Scanning Mobility Particle Size Analyzer (SMPS, Model 3936, TSI, Shoreview, MN) vir die meting van die deeltjiegetalkonsentrasie, sowel as aan 'n Aerosol Faraday Elektrometer (TSI, Model 3068B, Shoreview, MN). ) vir aërosolstrome is gemeet soos beskryf in ons vorige publikasie. Beide die SMPS en die aërosolelektrometer het teen 'n vloeitempo van 0.5 L/min (totale monstervloei 1 L/min) gemonster. Die aantalkonsentrasie van deeltjies en die aërosolvloei is vir 120 sekondes gemeet. Die meting word 30 keer herhaal. Gebaseer op stroommetings word die totale aërosollading bereken en die gemiddelde EWNS-lading word geskat vir 'n gegewe totale aantal geselekteerde EWNS-deeltjies. Die gemiddelde koste van EWNS kan bereken word met behulp van Vergelyking (1):
waar IEl die gemete stroom is, NSMPS die digitale konsentrasie is wat met die SMPS gemeet word, en φEl die vloeitempo per elektrometer is.
Omdat relatiewe humiditeit (RH) die oppervlaklading beïnvloed, is temperatuur en (RH) konstant gehou tydens die eksperiment teen onderskeidelik 21°C en 45%.
Atoomkragmikroskopie (AFM), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Santa Barbara, CA) en AC260T-sonde (Olympus, Tokio, Japan) is gebruik om die grootte en lewensduur van die EWNS te meet. Die AFM-skandeerfrekwensie was 1 Hz, die skandeerarea was 5 μm × 5 μm, en 256 skandeerlyne. Alle beelde is onderwerp aan 1ste-orde beeldbelyning met behulp van Asylum-sagteware (maskerbereik 100 nm, drempel 100 pm).
Die toetstrechter is verwyder en die mika-oppervlak is op 'n afstand van 2.0 cm van die teenelektrode geplaas vir 'n gemiddelde tyd van 120 s om deeltjie-agglomerasie en die vorming van onreëlmatige druppels op die mika-oppervlak te vermy. EWNS is direk op die oppervlak van varsgesnyde mika gespuit (Ted Pella, Redding, CA). Beeld van die mika-oppervlak onmiddellik na AFM-sputtering. Die kontakhoek van die oppervlak van varsgesnyde ongemodifiseerde mika is naby 0°, dus word EVNS op die mika-oppervlak versprei in die vorm van 'n koepel. Die deursnee (a) en hoogte (h) van die diffuse druppels is direk vanaf die AFM-topografie gemeet en gebruik om die EWNS-koepelvormige diffusievolume te bereken met behulp van ons voorheen gevalideerde metode. As ons aanvaar dat die aanboord-EWNS dieselfde volume het, kan die ekwivalente deursnee bereken word met behulp van Vergelyking (2):
Gebaseer op ons voorheen ontwikkelde metode, is 'n elektronspinresonansie (ESR) spinval gebruik om die teenwoordigheid van kortstondige radikale tussenprodukte in EWNS op te spoor. Aërosols is deur 'n 650 μm Midget-sparger (Ace Glass, Vineland, NJ) geborrel wat 'n 235 mM oplossing van DEPMPO(5-(dietoksifosforiel)-5-metiel-1-pirrolien-N-oksied) (Oxis International Inc.) bevat. Portland, Oregon. Alle ESR-metings is uitgevoer met behulp van 'n Bruker EMX-spektrometer (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, VSA) en 'n platpaneelsel. Die Acquisit-sagteware (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, VSA) is gebruik om die data in te samel en te analiseer. Bepaling van die eienskappe van die ROS is slegs uitgevoer vir 'n stel bedryfstoestande [-6.5 kV, 4.0 cm]. EWNS-konsentrasies is gemeet met behulp van die SMPS na inagneming van EWNS-verliese in die impaktor.
Osoonvlakke is gemonitor met behulp van 'n 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Boulder, Co)8,9,10.
Vir alle EWNS-eienskappe word die gemiddelde waarde as die meetwaarde gebruik, en die standaardafwyking as die meetfout. T-toetse is uitgevoer om die waardes van die geoptimaliseerde EWNS-attribute te vergelyk met die ooreenstemmende waardes van die basis-EWNS.
Figuur 2c toon 'n voorheen ontwikkelde en gekarakteriseerde elektrostatiese presipitasie (EPES) "trek"-stelsel wat gebruik kan word vir geteikende aflewering van EWNS na die oppervlak. EPES gebruik EVNS-ladings wat direk na die oppervlak van die teiken "gelei" kan word onder die invloed van 'n sterk elektriese veld. Besonderhede van die EPES-stelsel word aangebied in 'n onlangse publikasie deur Pyrgiotakis et al. 11. Dus bestaan ​​EPES uit 'n 3D-gedrukte PVC-kamer met taps toelopende punte en bevat twee parallelle vlekvrye staal (304 vlekvrye staal, spieëlbedek) metaalplate in die middel 15.24 cm uitmekaar. Die borde was gekoppel aan 'n eksterne hoëspanningsbron (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY), die onderplaat was altyd gekoppel aan positiewe spanning, en die boonste plaat was altyd gekoppel aan grond (drywende grond). Die kamermure is bedek met aluminiumfoelie, wat elektries geaard is om deeltjieverlies te voorkom. Die kamer het 'n verseëlde voorste laaideur wat dit moontlik maak om toetsoppervlaktes op plastiekstaanders te plaas wat hulle bo die onderste metaalplaat lig om hoëspanningsinterferensie te vermy.
Die afsettingsdoeltreffendheid van EWNS in EPES is bereken volgens 'n voorheen ontwikkelde protokol wat in Aanvullende Figuur S111 uiteengesit word.
As 'n beheerkamer is 'n tweede silindriese vloeikamer in serie aan die EPES-stelsel gekoppel, waarin 'n tussentydse HEPA-filter gebruik is om EWNS te verwyder. Soos getoon in Figuur 2c, is die EWNS-aërosol deur twee ingeboude kamers gepomp. Die filter tussen die beheerkamer en EPES verwyder enige oorblywende EWNS, wat dieselfde temperatuur (T), relatiewe humiditeit (RH) en osoonvlakke tot gevolg het.
Belangrike voedselgedraagde mikroörganismes is gevind om vars voedsel te besoedel soos E. coli (ATCC #27325), fekale indikator, Salmonella enterica (ATCC #53647), voedselgedraagde patogeen, Listeria harmless (ATCC #33090), plaasvervanger vir patogene Listeria monocytogenes, afgelei van ATCC (Manassas, VA) Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098), 'n plaasvervanger vir bederfgis, en 'n meer weerstandige geïnaktiveerde bakterie, Mycobacterium paralucky (ATCC #19686).
Koop ewekansige bokse organiese druiwetamaties by jou plaaslike mark en verkoel dit teen 4°C tot gebruik (tot 3 dae). Die eksperimentele tamaties was almal dieselfde grootte, ongeveer 1/2 duim in deursnee.
Die kultuur-, inentings-, blootstellings- en kolonietellingprotokolle word in ons vorige publikasie en in die Aanvullende Data uiteengesit. Die doeltreffendheid van EWNS is geëvalueer deur geïnokuleerde tamaties vir 45 minute aan 40 000 #/cm3 bloot te stel. Kortliks, drie tamaties is gebruik om die oorlewende mikroörganismes op tyd t = 0 min te evalueer. Drie tamaties is in EPES geplaas en aan EWNS teen 40 000 #/cc blootgestel (EWNS-blootgestelde tamaties) en die oorblywende drie is in die kontrolekamer (kontroletamaties) geplaas. Bykomende verwerking van tamaties in beide groepe is nie uitgevoer nie. EWNS-blootgestelde tamaties en kontroletamaties is na 45 minute verwyder om die effek van EWNS te evalueer.
Elke eksperiment is in drievoud uitgevoer. Data-analise is uitgevoer volgens die protokol wat in Aanvullende Data beskryf word.
Inaktiveringsmeganismes is geassesseer deur sedimentasie van blootgestelde EWNS-monsters (45 min teen 40 000 #/cm3 EWNS-aërosolkonsentrasie) en nie-bestraalde monsters van onskadelike bakterieë E. coli, Salmonella enterica en Lactobacillus. Die deeltjies is vir 2 uur by kamertemperatuur in 2,5% glutaraldehied, 1,25% paraformaldehied en 0,03% pikriensuur in 0,1 M natriumkakodilaatbuffer (pH 7,4) gefikseer. Na was, fikseer met 1% osmiumtetroksied (OsO4)/1,5% kaliumferrosianied (KFeCN6) vir 2 uur, was 3 keer in water en inkubeer in 1% uranielasetaat vir 1 uur, was dan twee keer in water, dehidreer dan vir 10 minute in 50%, 70%, 90%, 100% alkohol. Die monsters is toe vir 1 uur in propileenoksied geplaas en geïmpregneer met 'n 1:1 mengsel van propileenoksied en TAAP Epon (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA). Die monsters is in TAAB Epon ingebed en vir 48 uur by 60°C gepolimeriseer. Die uitgeharde korrelhars is gesny en gevisualiseer deur TEM met behulp van 'n konvensionele transmissie-elektronmikroskoop JEOL 1200EX (JEOL, Tokio, Japan) toegerus met 'n AMT 2k CCD-kamera (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, Massachusetts, VSA).
Alle eksperimente is in drievoud uitgevoer. Vir elke tydspunt is bakteriese wasse in drievoud gesaai, wat 'n totaal van nege datapunte per punt tot gevolg gehad het, waarvan die gemiddelde as die bakteriese konsentrasie vir daardie spesifieke mikro-organisme gebruik is. Die standaardafwyking is as die meetfout gebruik. Alle punte tel.
Die logaritme van die afname in die konsentrasie van bakterieë in vergelyking met t = 0 min is bereken met behulp van die volgende formule:
waar C0 die konsentrasie bakterieë in die kontrolemonster op tyd 0 is (d.w.s. nadat die oppervlak droog is, maar voordat dit in die kamer geplaas word) en Cn die konsentrasie bakterieë op die oppervlak na n minute se blootstelling is.
Om rekening te hou met die natuurlike afbraak van bakterieë gedurende die 45-minuut blootstelling, is die log-reduksie in vergelyking met die kontrole na 45 minute ook soos volg bereken:
waar Cn die konsentrasie van bakterieë in die kontrolemonster op tyd n is en Cn-Beheer die konsentrasie van kontrolebakterieë op tyd n is. Data word aangebied as 'n logaritmiese reduksie in vergelyking met die kontrole (geen EWNS-blootstelling nie).
Tydens die studie is verskeie kombinasies van spanning en afstand tussen die naald en die teenelektrode geëvalueer in terme van Taylor-keëlvorming, Taylor-keëlstabiliteit, EWNS-produksiestabiliteit en reproduceerbaarheid. Verskeie kombinasies word in Aanvullende Tabel S1 getoon. Twee gevalle wat stabiele en reproduceerbare eienskappe toon (Taylor-keël, EWNS-generering en stabiliteit oor tyd) is gekies vir omvattende studie. Op fig. Figuur 3 toon die resultate vir die lading, grootte en inhoud van ROS in beide gevalle. Die resultate word ook in Tabel 1 opgesom. Ter verwysing sluit beide Figuur 3 en Tabel 1 die eienskappe van die voorheen gesintetiseerde nie-geoptimaliseerde EWNS8, 9, 10, 11 (basislyn-EWNS) in. Statistiese betekenisberekeninge met behulp van 'n tweesydige t-toets word herpubliseer in Aanvullende Tabel S2. Daarbenewens sluit bykomende data studies in van die effek van die teenelektrode-monstergatdiameter (D) en die afstand tussen die grondelektrode en punt (L) (Aanvullende Figure S2 en S3).
(ac) Grootteverspreiding gemeet deur AFM. (df) Oppervlakladingseienskap. (g) ROS-karakterisering van die EPR.
Dit is ook belangrik om daarop te let dat vir al die bogenoemde toestande die gemete ionisasiestroom tussen 2 en 6 μA en die spanning tussen -3.8 en -6.5 kV was, wat 'n kragverbruik van minder as 50 mW vir hierdie enkele EWNS-generasie-kontakmodule tot gevolg gehad het. Alhoewel EWNS onder hoë druk gesintetiseer is, was osoonvlakke baie laag en nooit meer as 60 ppb nie.
Aanvullende Figuur S4 toon die gesimuleerde elektriese velde vir die [-6.5 kV, 4.0 cm] en [-3.8 kV, 0.5 cm] scenario's, onderskeidelik. Vir die [-6.5 kV, 4.0 cm] en [-3.8 kV, 0.5 cm] scenario's, is die veldberekeninge onderskeidelik 2 × 105 V/m en 4.7 × 105 V/m. Dit word verwag, aangesien die spanning-afstandverhouding in die tweede geval baie hoër is.
Fig. 3a, b toon die EWNS-deursnee gemeet met die AFM8. Die berekende gemiddelde EWNS-deursnee was onderskeidelik 27 nm en 19 nm vir die [-6.5 kV, 4.0 cm] en [-3.8 kV, 0.5 cm] skemas. Vir die [-6.5 kV, 4.0 cm] en [-3.8 kV, 0.5 cm] scenario's is die geometriese standaardafwykings van die verspreidings onderskeidelik 1.41 en 1.45, wat 'n nou grootteverspreiding aandui. Beide die gemiddelde grootte en die geometriese standaardafwyking is baie naby aan die basislyn-EWNS, onderskeidelik 25 nm en 1.41. Fig. 3c toon die grootteverspreiding van die basis-EWNS gemeet met dieselfde metode onder dieselfde toestande.
Op fig. 3d, e toon die resultate van ladingkarakterisering. Data is gemiddelde metings van 30 gelyktydige metings van konsentrasie (#/cm3) en stroom (I). Die analise toon dat die gemiddelde lading op die EWNS 22 ± 6 e- en 44 ± 6 e- is vir [-6.5 kV, 4.0 cm] en [-3.8 kV, 0.5 cm] onderskeidelik. Hulle het aansienlik hoër oppervlakladings in vergelyking met basislyn-EWNS (10 ± 2 e-), twee keer groter as die [-6.5 kV, 4.0 cm] scenario en vier keer groter as die [-3.8 kV, 0.5 cm]. Figuur 3f toon die ladingdata vir Basislyn-EWNS.
Uit die konsentrasiekaarte van die EWNS-getal (Aanvullende Figure S5 en S6) kan gesien word dat die [-6.5 kV, 4.0 cm] scenario aansienlik meer deeltjies het as die [-3.8 kV, 0.5 cm] scenario. Dit is ook die moeite werd om daarop te let dat die EWNS-getalkonsentrasie tot 4 uur gemonitor is (Aanvullende Figure S5 en S6), waar die EWNS-genereringsstabiliteit dieselfde vlakke van deeltjiegetalkonsentrasie in beide gevalle getoon het.
Fig. 3g toon die EPR-spektrum na aftrekking van die geoptimaliseerde EWNS-kontrole (agtergrond) by [-6.5 kV, 4.0 cm]. Die ROS-spektra is ook vergelyk met die Basislyn-EWNS-scenario in 'n voorheen gepubliseerde werk. Die aantal EWNS wat met spinvalle reageer, is bereken as 7.5 × 104 EWNS/s, wat soortgelyk is aan die voorheen gepubliseerde Basislyn-EWNS8. Die EPR-spektra het duidelik die teenwoordigheid van twee tipes ROS getoon, met O2- as die oorheersende spesie en OH• minder volop. Daarbenewens het 'n direkte vergelyking van die piekintensiteite getoon dat die geoptimaliseerde EWNS 'n beduidend hoër ROS-inhoud gehad het in vergelyking met die basislyn-EWNS.
Fig. 4 toon die afsettingsdoeltreffendheid van EWNS in EPES. Die data word ook in Tabel I opgesom en vergelyk met die oorspronklike EWNS-data. Vir beide gevalle van EUNS is die afsetting naby 100%, selfs teen 'n lae spanning van 3.0 kV. Tipies is 3.0 kV voldoende vir 100% afsetting, ongeag die verandering in oppervlaklading. Onder dieselfde toestande was die afsettingsdoeltreffendheid van Baseline-EWNS slegs 56% as gevolg van hul laer lading (gemiddeld 10 elektrone per EWNS).
Op fig. 5 en in tabel 2 word die inaktiveringswaarde van mikroörganismes wat op die oppervlak van tamaties ingeënt is na blootstelling aan ongeveer 40 000 #/cm3 EWNS vir 45 minute in die optimale modus [-6,5 kV, 4,0 cm] opgesom. Geïnokuleerde E. coli en Lactobacillus innocuous het 'n beduidende vermindering van 3,8 logs gedurende die 45 minute blootstelling getoon. Onder dieselfde toestande het S. enterica 'n afname van 2,2 logs gehad, terwyl S. cerevisiae en M. parafortutum 'n afname van 1,0 logs gehad het.
Die elektronmikrograwe (Figuur 6) beeld die fisiese veranderinge uit wat deur EWNS op onskadelike Escherichia coli-, Streptococcus- en Lactobacillus-selle veroorsaak word, wat tot hul inaktivering lei. Die kontrolebakterieë het intakte selmembrane gehad, terwyl die blootgestelde bakterieë beskadigde buitenste membrane gehad het.
Elektronmikroskopiese beelding van kontrole- en blootgestelde bakterieë het membraanskade aan die lig gebring.
Die data oor die fisies-chemiese eienskappe van die geoptimaliseerde EWNS toon gesamentlik dat die eienskappe (oppervlaklading en ROS-inhoud) van die EWNS aansienlik verbeter is in vergelyking met die voorheen gepubliseerde EWNS-basislyndata8,9,10,11. Aan die ander kant het hul grootte in die nanometer-reeks gebly, baie soortgelyk aan die resultate wat voorheen gerapporteer is, wat hulle toelaat om vir lang tydperke in die lug te bly. Die waargenome polidispersiteit kan verklaar word deur oppervlakladingveranderinge wat die grootte van EWNS bepaal, die ewekansigheid van die Rayleigh-effek en potensiële koalesensie. Soos egter deur Nielsen et al.22 uiteengesit, verminder hoë oppervlaklading verdamping deur die oppervlakenergie/spanning van die waterdruppel effektief te verhoog. In ons vorige publikasie8 is hierdie teorie eksperimenteel bevestig vir mikrodruppels22 en EWNS. Verlies van lading gedurende oortyd kan ook die grootte beïnvloed en bydra tot die waargenome grootteverspreiding.
Daarbenewens is die lading per struktuur ongeveer 22-44 e-, afhangende van die situasie, wat aansienlik hoër is in vergelyking met die basiese EWNS, wat 'n gemiddelde lading van 10 ± 2 elektrone per struktuur het. Daar moet egter op gelet word dat dit die gemiddelde lading van EWNS is. Seto et al. Daar is aangetoon dat die lading inhomogeen is en 'n log-normale verspreiding volg21. In vergelyking met ons vorige werk, verdubbel die verdubbeling van die oppervlaklading die afsettingsdoeltreffendheid in die EPES-stelsel tot byna 100%11.