Dankie dat u Nature.com besoek het. U gebruik 'n blaaierweergawe met beperkte CSS-ondersteuning. Vir die beste ervaring beveel ons aan dat u 'n opgedateerde blaaier gebruik (of Verenigbaarheidsmodus in Internet Explorer deaktiveer). Boonop, om voortgesette ondersteuning te verseker, wys ons die webwerf sonder style en JavaScript.
Onlangs is 'n chemiesvrye antimikrobiese platform gebaseer op nanotegnologie met behulp van kunsmatige water-nanostrukture (EWNS) ontwikkel. EWNS het 'n hoë oppervlaklading en is ryk aan 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 fyn ingestel en geoptimaliseer kan word om hul antibakteriese potensiaal verder te verbeter. Die EWNS-laboratoriumplatform is ontwerp om die eienskappe van EWNS fyn in te stel deur die sinteseparameters te verander. Die karakterisering van EWNS-eienskappe (lading, grootte en ROS-inhoud) is uitgevoer met behulp van moderne analitiese metodes. Daarbenewens is voedselmikroörganismes soos Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocua, Mycobacterium para fortitum en Saccharomyces cerevisiae op die oppervlak van organiese druiwetamaties ingeënt om hul mikrobiese inaktiveringspotensiaal te evalueer. Die resultate wat hier aangebied word, toon dat die eienskappe van EWNS tydens sintese fyn ingestel kan word, wat lei tot 'n eksponensiële toename in inaktiveringsdoeltreffendheid. In die besonder het die oppervlaklading met 'n faktor van vier toegeneem, en die ROS-inhoud het toegeneem. Die mikrobiese verwyderingstempo was mikrobies afhanklik en het gewissel van 1.0 tot 3.8 log na 45 minute se blootstelling aan 'n aërosol dosis van 40,000 #/cm3 EWNS.
Mikrobiese kontaminasie is die hoofrede vir voedselgedraagde siektes wat veroorsaak word deur die inname van patogene of hul gifstowwe. Voedselgedraagde siektes is verantwoordelik vir ongeveer 76 miljoen siektes, 325 000 hospitalisasies en 5 000 sterftes elke jaar in die Verenigde State alleen1. Daarbenewens skat die Amerikaanse Departement van Landbou (USDA) dat verhoogde verbruik van vars produkte verantwoordelik is vir 48 persent van alle voedselgedraagde siektes wat in die Verenigde State aangemeld word2. Die koste van siekte en sterftes as gevolg van voedselgedraagde patogene in die Verenigde State is baie hoog, en word deur die Centers for Disease Control and Prevention (CDC) geraam op meer as VS$15,6 miljard per jaar3.
Tans word chemiese4, bestraling5 en termiese6 antimikrobiese intervensies om voedselveiligheid te verseker hoofsaaklik by beperkte kritieke beheerpunte (KKP's) in die produksieketting geïmplementeer (gewoonlik na oes en/of tydens verpakking) eerder as om voortdurend geïmplementeer te word op so 'n manier dat vars produkte onderhewig is aan kruiskontaminasie7. Antimikrobiese intervensies is nodig om voedselgedraagde siektes en voedselbederf beter te beheer en het die potensiaal om oor die plaas-tot-tafel-kontinuum toegepas te word. Minder impak en koste.
'n Nanotegnologie-gebaseerde chemies-vrye antimikrobiese platform is onlangs ontwikkel om bakterieë op oppervlaktes en in die lug te inaktiveer deur kunsmatige water-nanostrukture (EWNS) te gebruik. Vir die sintese van EVNS is twee parallelle prosesse gebruik: elektrosproei en waterionisasie (Fig. 1a). Daar is voorheen getoon dat EWNS 'n unieke stel fisiese en biologiese eienskappe het8,9,10. EWNS het 'n gemiddeld van 10 elektrone per struktuur en 'n gemiddelde nanometergrootte van 25 nm (Fig. 1b,c)8,9,10. Daarbenewens het elektronspinresonans (ESR) getoon dat EWNS 'n groot hoeveelheid reaktiewe suurstofspesies (ROS) bevat, hoofsaaklik hidroksiel (OH•) en superoksied (O2-) radikale (Fig. 1c)8. EWNS het lank in die lug gebly en kon bots met mikrobes wat in die lug gesuspendeer is en op oppervlaktes teenwoordig was, hul ROS-vrag aflewer en mikrobiese inaktivering veroorsaak (Fig. 1d). Hierdie vroeëre studies het ook getoon dat EWNS met verskeie gram-negatiewe en gram-positiewe bakterieë van openbare gesondheidsbelang, insluitend mikobakterieë, op oppervlaktes en in die lug kan interaksie hê en dit kan inaktiveer8,9. 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 veroorsaak8.
(a) Elektrobespuiting vind plaas wanneer 'n hoë spanning toegepas word tussen 'n kapillêr wat vloeistof bevat en 'n teenelektrode. (b) Die toepassing van hoë spanning lei tot twee verskillende verskynsels: (i) elektrobespuiting van water en (ii) die opwekking van reaktiewe suurstofspesies (ione) wat in die EWNS vasgevang is. (c) Die unieke struktuur van EWNS. (d) EWNS is hoogs mobiel as gevolg van hul nanoskaal-aard en kan 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 EWNS-oppervlaklading in kombinasie met 'n elektriese veld gebruik kan word vir geteikende aflewering. Meer belangrik, 'n belowende aanvanklike resultaat van ongeveer 1.4 log-vermindering in organiese tamatie-aktiwiteit teen verskeie voedselmikroörganismes soos E. coli en Listeria is binne 90 minute na blootstelling aan EWNS waargeneem teen 'n konsentrasie van ongeveer 50 000 #/cm311. Daarbenewens het voorlopige organoleptiese evalueringstoetse geen organoleptiese effek getoon in vergelyking met die kontroletamatie nie. Alhoewel hierdie aanvanklike inaktiveringsresultate voedselveiligheid belowe, 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 die sinteseparameters te verfyn en die fisies-chemiese eienskappe van EWNS te optimaliseer 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). Karakterisering van geoptimaliseerde fisies-chemiese eienskappe (grootte, lading en ROS-inhoud) deur gebruik te maak van moderne analitiese metodes en die gebruik van algemene voedselmikroörganismes soos E. coli, S. enterica, L. innocua, S. cerevisiae en M. parafortuitum.
EVNS is gesintetiseer deur gelyktydige elektrobespuiting en ionisasie van hoë suiwerheid water (18 MΩ cm–1). Die elektriese verstuiver 12 word tipies gebruik om vloeistowwe en sintetiese polimeer- en keramiekdeeltjies 13 en vesels 14 van beheerde grootte te verstui.
Soos uiteengesit in vorige publikasies 8, 9, 10, 11, word in 'n tipiese eksperiment 'n hoë spanning tussen 'n metaalkapillêr en 'n geaarde teenelektrode toegepas. Tydens hierdie proses vind twee verskillende verskynsels plaas: 1) elektrosproei en 2) ionisasie van water. '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 volgens die Rayleigh-teorie16 in kleiner deeltjies opbreek. Terselfdertyd veroorsaak 'n sterk elektriese veld dat sommige van die watermolekules splits en elektrone afstroop (ionisasie), waardeur 'n groot hoeveelheid reaktiewe suurstofspesies (ROS)17 gegenereer word. Gelyktydig gegenereerde ROS18-pakkies 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) na 'n 30G vlekvrye staalnaald (metaalkapillêr) gevoer. Soos in Figuur 2b getoon, word die watervloei beheer deur die lugdruk binne die bottel. Die naald is aan 'n Teflon-konsole geheg wat met die hand tot 'n sekere afstand van die teenelektrode verstel kan 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). Alle monsternemingskomponente is elektries geaard om ladingopbou te vermy wat deeltjiemonsterneming kan benadeel.
(a) Geïntegreerde Water Nanostruktuur Generasie Stelsel (EWNS). (b) Dwarssnit van monsternemer en elektrospuiteenheid 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 die 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. Die simbole [V (kV), L (cm)] word gebruik om verskillende kombinasies aan te dui. 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 opening van die teenelektrode (D) op 0.5 duim (1.29 cm) gestel.
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 was direk gekoppel aan 'n Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS, model 3936, TSI, Shoreview, Minnesota) om die deeltjiegetalkonsentrasie te meet en is gebruik met 'n Faraday-aërosolelektrometer (TSI, model 3068B, Shoreview, VSA). MN) om aërosolvloei te meet, soos beskryf in ons vorige publikasie9. Beide die SMPS en die aërosolelektrometer het teen 'n vloeitempo van 0.5 L/min (totale monstervloei 1 L/min) gemonster. Deeltjiekonsentrasies en aërosolvloei is vir 120 s gemeet. Herhaal die meting 30 keer. Die totale aërosollading word bereken uit huidige metings, en die gemiddelde EWNS-lading word geskat uit die totale aantal EWNS-deeltjies wat gemonster is. Die gemiddelde koste van EWNS kan bereken word met behulp van Vergelyking (1):
waar IEl die gemete stroom is, NSMPS die getalkonsentrasie is wat met die SMPS gemeet word, en φEl die vloeitempo na die elektrometer is.
Omdat relatiewe humiditeit (RH) die oppervlaklading beïnvloed, is die temperatuur en (RH) konstant gehou op onderskeidelik 21°C en 45% tydens die eksperiment.
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-skanderingstempo is 1 Hz en die skanderingsarea is 5 µm × 5 µm met 256 skanderingslyne. Alle beelde is onderwerp aan eerste-orde beeldbelyning met behulp van Asylum-sagteware (masker met 'n reeks van 100 nm en 'n drempel van 100 pm).
Verwyder die monstertrechter en plaas die mika-oppervlak op 'n afstand van 2.0 cm van die teenelektrode vir 'n gemiddelde tyd van 120 s om koalesensie van deeltjies en die vorming van onreëlmatige druppels op die mika-oppervlak te vermy. EWNS is direk op varsgesnyde mika-oppervlaktes aangewend (Ted Pella, Redding, CA). Onmiddellik na verstuiwing is die mika-oppervlak gevisualiseer met behulp van AFM. Die oppervlakkontakhoek van varsgesnyde ongemodifiseerde mika is naby 0°, dus versprei EWNS oor die mika-oppervlak in 'n koepelvorm20. Die deursnee (a) en hoogte (h) van die diffuse druppels is direk vanaf die AFM-topografie gemeet en gebruik om die koepelvormige diffusievolume EWNS te bereken met behulp van ons voorheen gevalideerde metode8. As ons aanvaar dat die ingeboude EVNS dieselfde volume het, kan die ekwivalente deursnee bereken word uit vergelyking (2):
In ooreenstemming met 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 oplossing gelei wat 235 mM DEPMPO (5-(dietoksifosforiel)-5-metiel-1-pirrolien-N-oksied) (Oxis International Inc., Portland, Oregon) bevat. Alle EPR-metings is uitgevoer met behulp van 'n Bruker EMX-spektrometer (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, VSA) en platsel-skikkings. Die Acquisit-sagteware (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, VSA) is gebruik om die data in te samel en te analiseer. Die ROS-karakterisering is slegs uitgevoer vir 'n stel bedryfstoestande [-6.5 kV, 4.0 cm]. EWNS-konsentrasies is gemeet met behulp van SMPS nadat die verlies van EWNS in die impaktor in ag geneem is.
Osoonvlakke is gemonitor met behulp van 'n 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Boulder, Co)8,9,10.
Vir alle EWNS-eienskappe is die meetwaarde die gemiddelde van die metings, en die meetfout is die standaardafwyking. 'n T-toets is uitgevoer om die waarde van die geoptimaliseerde EWNS-attribuut te vergelyk met die ooreenstemmende waarde van die basis-EWNS.
Figuur 2c toon 'n voorheen ontwikkelde en gekarakteriseerde Elektrostatiese Presipitasie Deurlaatstelsel (EPES) wat gebruik kan word om EWNS11 op oppervlaktes te teiken. EPES gebruik 'n EWNS-lading in kombinasie met 'n sterk elektriese veld om direk na die teiken se oppervlak te "wys". 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 wat twee parallelle vlekvrye staal (304 vlekvrye staal, spieëlgepoleer) metaalplate in die middel 15.24 cm uitmekaar bevat. Die borde was gekoppel aan 'n eksterne hoëspanningsbron (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY), die onderste bord was altyd positief en die boonste bord was altyd geaard (drywend). 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 plastiekrakke te plaas, wat hulle van die onderste metaalplaat af 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 word die tweede vloei deur die silindriese kamer in serie met die EPES-stelsel gekoppel deur 'n tussentydse HEPA-filter te gebruik om EWNS te verwyder. Soos getoon in fig. 2c, is die EWNS-aërosol deur twee kamers gepomp wat in serie gekoppel is. Die filter tussen die beheerkamer en EPES verwyder enige oorblywende EWNS, wat lei tot dieselfde temperatuur (T), relatiewe humiditeit (RH) en osoonvlakke.
Belangrike voedselgedraagde mikroörganismes is gevind om vars produkte te besoedel, soos Escherichia coli (ATCC #27325), 'n fekale indikator, Salmonella enterica (ATCC #53647), 'n voedselgedraagde patogeen, Listeria innocua (ATCC #33090), 'n alternatief vir die patogene Listeria monocytogenes, Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098) as 'n alternatief vir bederfgis, en Mycobacterium parafortuitous (ATCC #19686) as 'n meer weerstandige lewende bakterieë is van ATCC (Manassas, Virginia) aangekoop.
Koop lukraak bokse organiese druiwetamaties by jou plaaslike mark en verkoel dit teen 4°C tot gebruik (tot 3 dae). Kies tamaties om met een grootte te eksperimenteer, ongeveer 1/2 duim in deursnee.
Die protokolle vir inkubasie, inokulasie, blootstelling en kolonietelling is in ons vorige publikasies uiteengesit en in detail verduidelik in Aanvullende Data 11. EWNS-prestasie is geëvalueer deur geïnokuleerde tamaties vir 45 minute aan 40 000 #/cm3 bloot te stel. Kortliks, op tyd t = 0 min, is drie tamaties gebruik om die oorlewende mikroörganismes te evalueer. Drie tamaties is in EPES geplaas en aan EWNS teen 40 000 #/cc blootgestel (EWNS-blootgestelde tamaties) en drie ander is in die kontrolekamer (kontroletamaties) geplaas. Geen van die tamatiegroepe is aan addisionele verwerking onderwerp nie. EWNS-blootgestelde tamaties en kontroles 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.
E. coli-, Enterobacter- en L. innocua-bakteriese monsters wat aan EWNS (45 min, EWNS-aërosolkonsentrasie 40 000 #/cm3) blootgestel is en nie-blootgestel is, is in pellets gevorm om inaktiveringsmeganismes te bepaal. Die presipitaat is vir 2 uur by kamertemperatuur in 'n 0,1 M natriumkakodilaatoplossing (pH 7,4) gefikseer met 'n fikseringsmiddel van 2,5% glutaraldehied, 1,25% paraformaldehied en 0,03% pikriensuur. Na was is hulle vir 2 uur met 1% osmiumtetroksied (OsO4)/1,5% kaliumferrosianied (KFeCN6) gefikseer, 3 keer met water gewas en vir 1 uur in 1% uranielasetaat geïnkubeer, en toe twee keer met water gewas. Daaropvolgende dehidrasie van 10 minute elk van 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 JEOL 1200EX (JEOL, Tokio, Japan), 'n konvensionele transmissie-elektronmikroskoop toegerus met 'n AMT 2k CCD-kamera (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, MA, VSA).
Alle eksperimente is in drievoud uitgevoer. Vir elke tydspunt is bakteriese wasse in drievoud uitgeplaat, wat 'n totaal van nege datapunte per punt tot gevolg gehad het, waarvan die gemiddelde as die bakteriese konsentrasie vir daardie spesifieke 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 minute blootstellingstydperk, is Log-Reduksie ook bereken in vergelyking met die kontrole na 45 minute soos volg:
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 is gekies vir 'n volledige studie wat stabiele en reproduceerbare eienskappe toon (Taylor-keël, EWNS-produksie en stabiliteit oor tyd). Fig. 3 toon die resultate oor die lading, grootte en inhoud van ROS vir twee gevalle. Die resultate word ook in Tabel 1 opgesom. Ter verwysing, Figuur 3 en Tabel 1 sluit 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 in Aanvullende Tabel S2 herpubliseer. Daarbenewens sluit bykomende data studies in oor die effek van die teenelektrode-monstergatdiameter (D) en die afstand tussen die grondelektrode en die punt van die naald (L) (Aanvullende Figure S2 en S3).
(a–c) AFM-grootteverspreiding. (d–f) Oppervlakladingseienskap. (g) Karakterisering van ROS en ESR.
Dit is ook belangrik om daarop te let dat vir al die bogenoemde toestande die gemete ionisasiestrome in die reeks van 2-6 µA was, en die spannings in die reeks van -3.8 tot -6.5 kV, wat 'n kragverbruik vir hierdie enkelterminale EWNS van minder as 50 mW tot gevolg gehad het. . generasiemodule. 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. Die velde volgens die scenario's [-6.5 kV, 4.0 cm] en [-3.8 kV, 0.5 cm] word bereken as 2 × 105 V/m en 4.7 × 105 V/m, onderskeidelik. Dit is te verwagte, aangesien die verhouding van spanning tot afstand baie hoër is in die tweede geval.
Fig. 3a, b toon die EWNS-deursnee gemeet met die AFM8. Die gemiddelde EWNS-deursnee vir die [-6.5 kV, 4.0 cm] en [-3.8 kV, 0.5 cm] scenario's is bereken as onderskeidelik 27 nm en 19 nm. Die geometriese standaardafwykings van die verspreidings vir die gevalle [-6.5 kV, 4.0 cm] en [-3.8 kV, 0.5 cm] is onderskeidelik 1.41 en 1.45, wat 'n nou grootteverspreiding aandui. Beide die gemiddelde grootte en geometriese standaardafwyking is baie naby aan die basislyn-EWNS, naamlik 25 nm en 1.41, onderskeidelik. Fig. 3c toon die grootteverspreiding van die basislyn-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. In vergelyking met Baseline-EWNS (10 ± 2 e-), is hul oppervlaklading aansienlik hoër, twee keer dié van die [-6.5 kV, 4.0 cm] scenario en vier keer dié van die [-3.8 kV, 0.5 cm]. 3f toon basiese EWNS-betalingsdata.
Uit die EWNS-getalkonsentrasiekaarte (Aanvullende Figure S5 en S6) kan gesien word dat die [-6.5 kV, 4.0 cm]-toneel 'n aansienlik hoër aantal deeltjies het as die [-3.8 kV, 0.5 cm]-toneel. Daar moet ook op gelet word dat EWNS-getalkonsentrasies vir tot 4 uur gemonitor is (Aanvullende Figure S5 en S6), waar die EWNS-genereringsstabiliteit in beide gevalle dieselfde vlakke van deeltjiegetalkonsentrasies getoon het.
Figuur 3g toon die EPR-spektrum na kontrole (agtergrond) aftrekking vir geoptimaliseerde EWNS by [-6.5 kV, 4.0 cm]. Die ROS-spektrum word ook vergelyk met die EWNS-basislyn in 'n voorheen gepubliseerde artikel. Die berekende aantal EWNS wat met die spinlokval reageer, is 7.5 × 104 EWNS/s, wat soortgelyk is aan die voorheen gepubliseerde Baseline-EWNS8. Die EPR-spektra het duidelik die teenwoordigheid van twee tipes ROS aangedui, waar O2- oorheers het, terwyl OH• in 'n kleiner hoeveelheid teenwoordig was. 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 EUNS-gevalle was die afsetting naby 100%, selfs teen 'n lae spanning van 3.0 kV. Tipies is 3.0 kV voldoende om 100% afsetting te bereik, ongeag die verandering in oppervlaklading. Onder dieselfde toestande was die afsettingsdoeltreffendheid van die Baseline-EWNS slegs 56% as gevolg van die laer lading (gemiddeld 10 elektrone per EWNS).
Figuur 5 en Tabel 2 som die graad van inaktivering van mikroörganismes op wat op die oppervlak van tamaties ingeënt is na blootstelling aan ongeveer 40 000 #/cm3 EWNS vir 45 minute onder die optimale scenario [-6,5 kV, 4,0 cm]. Geënte E. coli en L. innocua het 'n beduidende vermindering van 3,8 log getoon na 45 minute se blootstelling. Onder dieselfde toestande het S. enterica 'n laer log-vermindering van 2,2 log getoon, terwyl S. cerevisiae en M. parafortuitum 'n 1,0 log-vermindering getoon het.
Elektronmikrograwe (Figuur 6) wat die fisiese veranderinge wat deur EWNS in E. coli-, Salmonella enterica- en L. innocua-selle veroorsaak word, uitbeeld, wat tot inaktivering lei. Kontrolebakterieë het intakte selmembrane getoon, terwyl 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 EWNS-eienskappe (oppervlaklading en ROS-inhoud) 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, wat baie soortgelyk is aan voorheen gepubliseerde resultate, wat hulle toelaat om vir 'n lang tydperk in die lug te bly. Die waargenome polidispersiteit kan verklaar word deur veranderinge in die oppervlaklading, wat die grootte van die Rayleigh-effek, ewekansigheid en potensiële samesmelting van EWNS bepaal. Soos egter deur Nielsen et al.22 uiteengesit, verminder hoë oppervlaklading verdamping deur die oppervlakenergie/spanning van die waterdruppel effektief te verhoog. Hierdie teorie is eksperimenteel bevestig vir mikrodruppels22 en EWNS in ons vorige publikasie8. Die verlies aan oortyd kan ook grootte beïnvloed en bydra tot die waargenome grootteverspreiding.
Daarbenewens is die lading per struktuur ongeveer 22–44 e-, afhangende van die omstandighede, 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 nie uniform is nie 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.