Дзякуй за наведванне сайта Nature.com. Вы карыстаецеся версіяй браўзера з абмежаванай падтрымкай CSS. Для найлепшага карыстання рэкамендуем выкарыстоўваць абноўлены браўзер (або адключыць рэжым сумяшчальнасці ў Internet Explorer). Акрамя таго, каб забяспечыць пастаянную падтрымку, мы паказваем сайт без стыляў і JavaScript.
Нядаўна была распрацавана антымікробная платформа без хімікатаў, заснаваная на нанатэхналогіях з выкарыстаннем штучных водных нанаструктур (EWNS). EWNS маюць высокі павярхоўны зарад і багатыя актыўнымі формамі кіслароду (ROS), якія могуць узаемадзейнічаць і інактываваць шэраг мікраарганізмаў, у тым ліку харчовыя патагены. Тут паказана, што іх уласцівасці падчас сінтэзу можна тонка рэгуляваць і аптымізаваць для далейшага павышэння іх антыбактэрыйнага патэнцыялу. Лабараторная платформа EWNS была распрацавана для тонкай рэгулявання ўласцівасцей EWNS шляхам змены параметраў сінтэзу. Характарыстыка ўласцівасцей EWNS (зарад, памер і ўтрыманне ROS) была праведзена з выкарыстаннем сучасных аналітычных метадаў. Акрамя таго, харчовыя мікраарганізмы, такія як Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocua, Mycobacterium para fortitum і Saccharomyces cerevisiae, былі інакуляваны на паверхню арганічных вінаградных памідораў, каб ацаніць іх патэнцыял мікробнай інактывацыі. Вынікі, прадстаўленыя тут, дэманструюць, што ўласцівасці EWNS можна тонка рэгуляваць падчас сінтэзу, што прыводзіць да экспанентнага павелічэння эфектыўнасці інактывацыі. У прыватнасці, павярхоўны зарад павялічыўся ў чатыры разы, а ўтрыманне актыўных формаў кіслароду павялічылася. Хуткасць выдалення мікробаў залежала ад мікробаў і вагалася ад 1,0 да 3,8 log пасля 45 хвілін уздзеяння аэразолю ў дозе 40 000 #/см3 EWNS.
Мікробнае забруджванне з'яўляецца асноўнай прычынай харчовых захворванняў, выкліканых трапленнем у арганізм патагенаў або іх таксінаў. Толькі ў Злучаных Штатах харчовыя захворванні з'яўляюцца прычынай каля 76 мільёнаў захворванняў, 325 000 шпіталізацый і 5000 смерцяў штогод1. Акрамя таго, Міністэрства сельскай гаспадаркі ЗША (USDA) падлічыла, што павелічэнне спажывання свежых прадуктаў з'яўляецца прычынай 48 працэнтаў усіх харчовых захворванняў, зарэгістраваных у Злучаных Штатах2. Кошт захворванняў і смерцяў ад харчовых патагенаў у Злучаных Штатах вельмі высокі і, паводле ацэнак Цэнтраў па кантролі і прафілактыцы захворванняў (CDC), складае больш за 15,6 мільярда долараў ЗША ў год3.
У цяперашні час хімічныя4, радыяцыйныя5 і тэрмічныя6 антымікробныя ўмяшанні для забеспячэння бяспекі харчовых прадуктаў у асноўным ужываюцца ў абмежаваных крытычных кантрольных кропках (ККТ) у вытворчым ланцугу (звычайна пасля збору ўраджаю і/або падчас упакоўкі), а не ўжываюцца бесперапынна такім чынам, што свежая прадукцыя падвяргаецца перакрыжаванаму забруджванню7. Антымікробныя ўмяшанні неабходныя для лепшага кантролю харчовых захворванняў і псуты прадуктаў харчавання і маюць патэнцыял для ўжывання на ўсім этапе «ад фермы да стала». Меншы ўплыў і выдаткі.
Нядаўна была распрацавана антымікробная платформа на аснове нанатэхналогій без хімічных рэчываў для інактывацыі бактэрый на паверхнях і ў паветры з выкарыстаннем штучных водных нанаструктур (ШВН). Для сінтэзу ШВН былі выкарыстаны два паралельныя працэсы: электрараспыленне і іанізацыя вады (мал. 1a). Раней было паказана, што ШВН маюць унікальны набор фізічных і біялагічных уласцівасцей8,9,10. ШВН маюць у сярэднім 10 электронаў на структуру і сярэдні нанаметравы памер 25 нм (мал. 1b,c)8,9,10. Акрамя таго, электронны спінавы рэзананс (ЭСР) паказаў, што ШВН утрымліваюць вялікую колькасць актыўных формаў кіслароду (АФК), галоўным чынам гідраксільных (OH•) і супераксідных (O2-) радыкалаў (мал. 1c)8. ШВН доўга заставаліся ў паветры і маглі сутыкацца з мікробамі, якія знаходзяцца ў паветры і прысутнічаюць на паверхнях, дастаўляючы сваю карысную нагрузку АФК і выклікаючы мікробную інактывацыю (мал. 1d). Гэтыя папярэднія даследаванні таксама паказалі, што EWNS могуць узаемадзейнічаць і інактываваць розныя грам-адмоўныя і грам-станоўчыя бактэрыі, якія маюць важнае значэнне для грамадскага здароўя, у тым ліку мікабактэрыі, на паверхнях і ў паветры8,9. Прасвечвальная электронная мікраскапія паказала, што інактывацыя была выклікана парушэннем клеткавай мембраны. Акрамя таго, даследаванні вострай інгаляцыі паказалі, што высокія дозы EWNS не выклікаюць пашкоджання лёгкіх або запалення8.
(a) Электрараспыленне адбываецца, калі высокае напружанне прыкладаецца паміж капілярам, ​​які змяшчае вадкасць, і проціэлектродам. (b) Прыкладанне высокага напружання прыводзіць да двух розных з'яў: (i) электрараспылення вады і (ii) утварэння актыўных формаў кіслароду (іёнаў), якія захопліваюцца ў EWNS. (c) Унікальная структура EWNS. (d) EWNS вельмі рухомыя дзякуючы сваёй нанамаштабнай прыродзе і могуць узаемадзейнічаць з патагенамі, якія перадаюцца па паветры.
Нядаўна была прадэманстравана здольнасць антымікробнай платформы EWNS інактываваць харчовыя мікраарганізмы на паверхні свежых прадуктаў. Таксама было паказана, што павярхоўны зарад EWNS можа выкарыстоўвацца ў спалучэнні з электрычным полем для мэтанакіраванай дастаўкі. Што яшчэ больш важна, шматабяцальны пачатковы вынік зніжэння актыўнасці арганічных памідораў прыблізна на 1,4 логарытма ў дачыненні да розных харчовых мікраарганізмаў, такіх як кішачная палачка і лістэрыя, назіраўся на працягу 90 хвілін пасля ўздзеяння EWNS пры канцэнтрацыі прыблізна 50 000#/см³11. Акрамя таго, папярэднія арганалептычныя ацэначныя тэсты не паказалі арганалептычнага эфекту ў параўнанні з кантрольнымі памідорамі. Нягледзячы на ​​тое, што гэтыя пачатковыя вынікі інактывацыі абяцаюць бяспеку харчовых прадуктаў нават пры вельмі нізкіх дозах EWNS 50 000#/см³, відавочна, што больш высокі патэнцыял інактывацыі будзе больш карысным для далейшага зніжэння рызыкі інфекцыі і псавання.
Тут мы засяродзім нашы даследаванні на распрацоўцы платформы для генерацыі EWNS для тонкай налады параметраў сінтэзу і аптымізацыі фізіка-хімічных уласцівасцей EWNS для павышэння іх антыбактэрыйнага патэнцыялу. У прыватнасці, аптымізацыя была сканцэнтравана на павелічэнні іх паверхневага зарада (для паляпшэння мэтанакіраванай дастаўкі) і ўтрымання АФК (для павышэння эфектыўнасці інактывацыі). Характарыстыка аптымізаваных фізіка-хімічных уласцівасцей (памер, зарад і ўтрыманне АФК) з выкарыстаннем сучасных аналітычных метадаў і выкарыстання распаўсюджаных харчовых мікраарганізмаў, такіх як E. coli, S. enterica, L. innocua, S. cerevisiae і M. parafortuitum.
EVNS быў сінтэзаваны шляхам адначасовага электрараспылення і іанізацыі вады высокай чысціні (18 МОм см–1). Электрычны распыляльнік 12 звычайна выкарыстоўваецца для распылення вадкасцей і сінтэтычных палімерных і керамічных часціц 13 і валокнаў 14 кантраляванага памеру.
Як падрабязна апісана ў папярэдніх публікацыях 8, 9, 10, 11, у тыповым эксперыменце высокае напружанне прыкладаецца паміж металічным капілярам і заземленым проціэлектродам. Падчас гэтага працэсу адбываюцца дзве розныя з'явы: 1) электрараспыленне і 2) іанізацыя вады. Моцнае электрычнае поле паміж двума электродамі прыводзіць да назапашвання адмоўных зарадаў на паверхні кандэнсаванай вады, што прыводзіць да ўтварэння конусаў Тэйлара. У выніку ўтвараюцца высоказараджаныя кроплі вады, якія працягваюць распадацца на больш дробныя часціцы, згодна з тэорыяй Рэлея16. У той жа час моцнае электрычнае поле прымушае некаторыя малекулы вады расшчапляцца і адрываць электроны (іянізацыя), тым самым генеруючы вялікую колькасць актыўных формаў кіслароду (АФК)17. Адначасова згенераваныя пакеты АФК18 былі інкапсуляваны ў EWNS (мал. 1c).
На мал. 2a паказана сістэма генерацыі EWNS, распрацаваная і выкарыстаная ў сінтэзе EWNS у гэтым даследаванні. Ачышчаная вада, якая захоўвалася ў закрытай бутэльцы, падавалася праз тэфлоновую трубку (унутраны дыяметр 2 мм) да іголкі з нержавеючай сталі 30G (металічны капіляр). Як паказана на мал. 2b, паток вады рэгулюецца ціскам паветра ўнутры бутэлькі. Іголка прымацавана да тэфлонавай кансолі, якую можна ўручную адрэгуляваць на пэўную адлегласць ад супрацьэлектрода. Супрацьэлектрод - гэта паліраваны алюмініевы дыск з адтулінай пасярэдзіне для адбору проб. Пад супрацьэлектродам знаходзіцца алюмініевая варонка для адбору проб, якая злучана з астатняй часткай эксперыментальнай устаноўкі праз порт для адбору проб (мал. 2b). Усе кампаненты пробоадборніка электрычна зазямленыя, каб пазбегнуць назапашвання зарада, які можа пагоршыць адбор проб часціц.
(a) Інжынерная сістэма генерацыі нанаструктур вады (EWNS). (b) Папярочны разрэз пробоадборніка і электрараспыляльнага блока з найбольш важнымі параметрамі. (c) Эксперыментальная ўстаноўка для інактывацыі бактэрый.
Вышэйапісаная сістэма генерацыі EWNS здольная змяняць ключавыя рабочыя параметры для палягчэння тонкай налады ўласцівасцей EWNS. Адрэгулюйце прыкладзенае напружанне (V), адлегласць паміж іголкай і супрацьэлектродам (L) і паток вады (φ) праз капіляр для тонкай налады характарыстык EWNS. Сімвалы [V (кВ), L (см)] выкарыстоўваюцца для абазначэння розных камбінацый. Адрэгулюйце паток вады, каб атрымаць стабільны конус Тэйлара пэўнага набору [V, L]. Для мэт гэтага даследавання дыяфрагма супрацьэлектрода (D) была ўстаноўлена на ўзроўні 0,5 цалі (1,29 см).
З-за абмежаванай геаметрыі і асіметрыі напружанасць электрычнага поля немагчыма разлічыць з першых прынцыпаў. Замест гэтага для разліку электрычнага поля выкарыстоўвалася праграмнае забеспячэнне QuickField™ (Свендборг, Данія)19. Электрычнае поле неаднастайнае, таму значэнне электрычнага поля на кончыку капіляра выкарыстоўвалася ў якасці эталоннага значэння для розных канфігурацый.
Падчас даследавання былі ацэнены некалькі камбінацый напружання і адлегласці паміж іголкай і супрацьэлектродам з пункту гледжання ўтварэння конуса Тэйлара, стабільнасці конуса Тэйлара, стабільнасці вытворчасці EWNS і ўзнаўляльнасці. Розныя камбінацыі паказаны ў дадатковай табліцы S1.
Выхад сістэмы генерацыі EWNS быў непасрэдна падключаны да сканіруючага мабільнага вымяральніка часціц (SMPS, мадэль 3936, TSI, Шорвью, штат Мінесота) для вымярэння канцэнтрацыі колькасці часціц і выкарыстоўваўся разам з аэразольным электраметрам Фарадэя (TSI, мадэль 3068B, Шорвью, ЗША). Мінесота) для вымярэння патокаў аэразоляў, як апісана ў нашай папярэдняй публікацыі9. Як SMPS, так і аэразольны электраметр адбіралі пробы з хуткасцю патоку 0,5 л/мін (агульны паток пробы 1 л/мін). Канцэнтрацыі часціц і патокі аэразоляў вымяраліся на працягу 120 секунд. Паўтарыце вымярэнне 30 разоў. Агульны зарад аэразоля разлічваецца з вымярэнняў току, а сярэдні зарад EWNS ацэньваецца з агульнай колькасці адабраных часціц EWNS. Сярэдні кошт EWNS можна разлічыць з дапамогай ураўнення (1):
дзе IEl — вымераны ток, NSMPS — канцэнтрацыя рэчываў, вымераная з дапамогай SMPS, а φEl — хуткасць патоку ў электраметры.
Паколькі адносная вільготнасць (RH) уплывае на павярхоўны зарад, тэмпература і (RH) падчас эксперыменту падтрымліваліся пастаяннымі на ўзроўні 21°C і 45% адпаведна.
Для вымярэння памеру і часу жыцця EWNS выкарыстоўваліся атамна-сілавая мікраскапія (АСМ), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Санта-Барбара, Каліфорнія) і зонд AC260T (Olympus, Токіо, Японія). Частата сканавання АСМ складае 1 Гц, а плошча сканавання — 5 мкм × 5 мкм з 256 лініямі сканавання. Усе выявы былі падвергнуты выраўноўванню выяваў першага парадку з выкарыстаннем праграмнага забеспячэння Asylum (маска з дыяпазонам 100 нм і парогам 100 пм).
Зніміце пробоадборную варонку і змясціце паверхню слюды на адлегласці 2,0 см ад проціэлектрода на сярэдні час 120 секунд, каб пазбегнуць каалесцэнцыі часціц і ўтварэння кропель няроўнай формы на паверхні слюды. Электрадыфузійнае рассейванне слюды (ЭСН) наносілася непасрэдна на свежаразрэзаныя паверхні слюды (Тэд Пела, Рэдынг, Каліфорнія). Адразу пасля распылення паверхня слюды візуалізавалася з дапамогай АСМ. Кут кантакту паверхні свежаразрэзанай немадыфікаванай слюды блізкі да 0°, таму ЭСН распаўсюджваецца па паверхні слюды ў купалападобнай форме20. Дыяметр (a) і вышыня (h) дыфузійных кропель вымяраліся непасрэдна па тапаграфіі АСМ і выкарыстоўваліся для разліку купалападобнага дыфузійнага аб'ёму ЭСН з выкарыстаннем нашага раней праверанага метаду8. Мяркуючы, што ўбудаваны ЭСН мае такі ж аб'ём, эквівалентны дыяметр можна разлічыць па ўраўненні (2):
У адпаведнасці з нашым раней распрацаваным метадам, для выяўлення наяўнасці кароткажывучых радыкальных прамежкавых прадуктаў у EWNS была выкарыстана спінавая пастка электроннага спін-рэзанансу (ESR). Аэразолі прапускалі праз раствор, які змяшчаў 235 мМ DEPMPO (5-(дыэтоксифасфарыл)-5-метыл-1-піралін-N-аксід) (Oxis International Inc., Портленд, Арэгон). Усе вымярэнні EPR праводзіліся з выкарыстаннем спектрометра Bruker EMX (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, ЗША) і плоскіх ячэек. Для збору і аналізу дадзеных выкарыстоўвалася праграмнае забеспячэнне Acquisit (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, ЗША). Характарыстыка ROS праводзілася толькі для набору рабочых умоў [-6,5 кВ, 4,0 см]. Канцэнтрацыі EWNS вымяраліся з дапамогай SMPS з улікам страт EWNS у імпактары.
Узровень азону кантраляваўся з дапамогай двухпрамянёвага азонавага манітора 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Боўлдэр, Каларада)8,9,10.
Для ўсіх уласцівасцей EWNS значэннем вымярэння з'яўляецца сярэдняе значэнне вымярэнняў, а памылка вымярэння — стандартнае адхіленне. Для параўнання значэння аптымізаванага атрыбута EWNS з адпаведным значэннем базавага EWNS быў праведзены t-тэст.
На малюнку 2c паказана раней распрацаваная і характарызаваная сістэма прапускання электрастатычных асадкаў (EPES), якая можа быць выкарыстана для накіравання EWNS11 на паверхні. EPES выкарыстоўвае зарад EWNS у спалучэнні з моцным электрычным полем, каб «накіраваць» непасрэдна на паверхню мішэні. Падрабязнасці сістэмы EPES прадстаўлены ў нядаўняй публікацыі Піргіётакіса і інш.11. Такім чынам, EPES складаецца з надрукаванай на 3D-прынтары камеры з ПВХ з канічнымі канцамі, якая змяшчае дзве паралельныя металічныя пласціны з нержавеючай сталі (нержавеючая сталь 304, люстрана паліраваная) пасярэдзіне на адлегласці 15,24 см адна ад адной. Платы былі падключаны да знешняй крыніцы высокага напружання (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY), ніжняя плата заўсёды была станоўчай, а верхняя плата заўсёды была заземлена (плаваючая). Сценкі камеры пакрытыя алюмініевай фальгой, якая электрычна зазямлена для прадухілення страты часціц. Камера мае герметычныя пярэднія загрузачныя дзверы, якія дазваляюць размяшчаць выпрабавальныя паверхні на пластыкавых стойках, падымаючы іх з ніжняй металічнай пласціны, каб пазбегнуць перашкод высокага напружання.
Эфектыўнасць нанясення EWNS у EPES была разлічана ў адпаведнасці з раней распрацаваным пратаколам, падрабязна апісаным у Дадатковым малюнку S111.
У якасці кантрольнай камеры другі паток праз цыліндрычную камеру падключаны паслядоўна да сістэмы EPES з выкарыстаннем прамежкавага HEPA-фільтра для выдалення EWNS. Як паказана на мал. 2c, аэразоль EWNS прапампоўваўся праз дзве камеры, падлучаныя паслядоўна. Фільтр паміж кантрольнай пакоем і EPES выдаляе любыя рэшткі EWNS, што прыводзіць да аднолькавай тэмпературы (T), адноснай вільготнасці (RH) і ўзроўню азону.
Было выяўлена, што важныя харчовыя мікраарганізмы забруджваюць свежыя прадукты, такія як Escherichia coli (ATCC #27325), фекальны індыкатар, Salmonella enterica (ATCC #53647), харчовы патаген, Listeria innocua (ATCC #33090), альтэрнатыва патагеннаму Listeria monocytogenes, Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098) як альтэрнатыва дрожджам, якія выклікаюць псаванне, і Mycobacterium parafortuitous (ATCC #19686) як больш устойлівыя жывыя бактэрыі, набытыя ў ATCC (Манасас, штат Вірджынія).
Выпадковым чынам купіце скрынкі арганічных вінаградных памідораў на мясцовым рынку і захоўвайце ў халадзільніку пры тэмпературы 4°C да выкарыстання (да 3 дзён). Выберыце памідоры для эксперыменту аднаго памеру, прыкладна 1,5 см у дыяметры.
Пратаколы інкубацыі, інакуляцыі, экспазіцыі і падліку калоній былі падрабязна апісаны ў нашых папярэдніх публікацыях і падрабязна растлумачаны ў Дадатковых дадзеных 11. Эфектыўнасць EWNS ацэньвалася шляхам уздзеяння на інакуляваныя памідоры 40 000 #/см3 на працягу 45 хвілін. Карацей кажучы, у момант часу t = 0 хвілін тры памідоры былі выкарыстаны для ацэнкі выжылых мікраарганізмаў. Тры памідоры былі змешчаны ў EPES і падвергнуты ўздзеянню EWNS у канцэнтрацыі 40 000 #/см³ (памідоры, якія падвяргаліся ўздзеянню EWNS), а тры іншыя былі змешчаны ў кантрольную камеру (кантрольныя памідоры). Ніводная з груп памідораў не падвяргалася дадатковай апрацоўцы. Памідоры, якія падвяргаліся ўздзеянню EWNS, і кантрольныя памідоры былі выдалены праз 45 хвілін для ацэнкі эфекту EWNS.
Кожны эксперымент быў праведзены ў трох паўторах. Аналіз дадзеных быў выкананы ў адпаведнасці з пратаколам, апісаным у дадатковых дадзеных.
Бактэрыяльныя ўзоры E. coli, Enterobacter і L. innocua, якія падвяргаліся ўздзеянню EWNS (45 хвілін, канцэнтрацыя аэразолю EWNS 40 000 #/см3) і не падвяргаліся ўздзеянню, былі асаджаны для ацэнкі механізмаў інактывацыі. Асадак фіксавалі на працягу 2 гадзін пры пакаёвай тэмпературы ў 0,1 М растворы какодылату натрыю (pH 7,4) з фіксатарам з 2,5% глутаральдэгіду, 1,25% парафармальдэгіду і 0,03% пікрынавай кіслаты. Пасля прамывання іх фіксавалі 1% растворам чатырохаксіду осмія (OsO4)/1,5% ферацыяніду калію (KFeCN6) на працягу 2 гадзін, прамывалі 3 разы вадой і інкубавалі ў 1% растворы ўранілацэтату на працягу 1 гадзіны, затым двойчы прамывалі вадой. Наступная дэгідратацыя па 10 хвілін 50%, 70%, 90%, 100% спіртам. Затым узоры змяшчалі ў аксід прапілену на 1 гадзіну і прапітвалі сумессю аксіду прапілену і TAAP Epon у суадносінах 1:1 (Marivac Canada Inc. Сэнт-Ларан, Каліфорнія). Узоры залівалі ў TAAB Epon і палімерызавалі пры тэмпературы 60°C на працягу 48 гадзін. Зацвярдзелую грануляваную смалу разразалі і візуалізавалі з дапамогай ПЭМ з выкарыстаннем JEOL 1200EX (JEOL, Токіо, Японія), звычайнага прасвечвальнага электроннага мікраскопа, абсталяванага CCD-камерай AMT 2k (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Уобурн, Масачусэтс, ЗША).
Усе эксперыменты праводзіліся ў трох паўторах. Для кожнага моманту часу бактэрыяльныя змыўкі высейвалі ў трох паўторах, у выніку чаго атрымлівалі ў агульнай складанасці дзевяць кропак дадзеных на кропку, сярэдняе значэнне якіх выкарыстоўвалася ў якасці бактэрыяльнай канцэнтрацыі для гэтага канкрэтнага арганізма. Стандартнае адхіленне выкарыстоўвалася ў якасці памылкі вымярэння. Улічваюцца ўсе кропкі.
Лагарыфм зніжэння канцэнтрацыі бактэрый у параўнанні з t = 0 хвілін быў разлічаны па наступнай формуле:
дзе C0 — канцэнтрацыя бактэрый у кантрольным узоры ў момант часу 0 (г.зн. пасля высыхання паверхні, але да змяшчэння ў камеру), а Cn — канцэнтрацыя бактэрый на паверхні пасля n хвілін экспазіцыі.
Каб улічыць натуральнае раскладанне бактэрый на працягу 45-хвіліннага перыяду ўздзеяння, логарифмическое зніжэнне таксама было разлічана ў параўнанні з кантролем праз 45 хвілін наступным чынам:
Дзе Cn — канцэнтрацыя бактэрый у кантрольным узоры ў момант часу n, а Cn-Control — канцэнтрацыя кантрольных бактэрый у момант часу n. Дадзеныя прадстаўлены ў выглядзе лагарыфмічнага зніжэння ў параўнанні з кантролем (без уздзеяння EWNS).
Падчас даследавання некалькі камбінацый напружання і адлегласці паміж іголкай і супрацьэлектродам былі ацэнены з пункту гледжання ўтварэння конуса Тэйлара, стабільнасці конуса Тэйлара, стабільнасці вытворчасці EWNS і ўзнаўляльнасці. Розныя камбінацыі паказаны ў дадатковай табліцы S1. Для поўнага даследавання былі адабраны два выпадкі, якія дэманструюць стабільныя і ўзнаўляльныя ўласцівасці (конус Тэйлара, вытворчасць EWNS і стабільнасць з цягам часу). На мал. 3 паказаны вынікі па зараду, памеры і ўтрыманні ROS для двух выпадкаў. Вынікі таксама падсумаваны ў табліцы 1. Для даведкі, мал. 3 і табліца 1 уключаюць уласцівасці раней сінтэзаваных неаптымізаваных EWNS8, 9, 10, 11 (базавы ўзровень-EWNS). Разлікі статыстычнай значнасці з выкарыстаннем двухбаковага t-крытэрыя пераапублікаваны ў дадатковай табліцы S2. Акрамя таго, дадатковыя дадзеныя ўключаюць даследаванні па ўплыве дыяметра адтуліны для адбору проб супрацьэлектрода (D) і адлегласці паміж зазямляльным электродам і кончыкам іголкі (L) (дадатковыя малюнкі S2 і S3).
(a–c) Размеркаванне памераў АСМ. (d–f) Характарыстыка павярхоўнага зарада. (g) Характарыстыка ROS і ESR.
Важна таксама адзначыць, што для ўсіх вышэйпералічаных умоў вымераныя токі іанізацыі знаходзіліся ў дыяпазоне 2-6 мкА, а напружанне — у дыяпазоне ад -3,8 да -6,5 кВ, што прывяло да спажывання энергіі гэтым аднавывадным модулем генерацыі EWNS менш за 50 мВт. Нягледзячы на ​​тое, што EWNS сінтэзаваўся пад высокім ціскам, узровень азону быў вельмі нізкім і ніколі не перавышаў 60 ppb.
На дадатковым малюнку S4 паказаны мадэляваныя электрычныя палі для сцэнарыяў [-6,5 кВ, 4,0 см] і [-3,8 кВ, 0,5 см] адпаведна. Палі ў адпаведнасці са сцэнарыямі [-6,5 кВ, 4,0 см] і [-3,8 кВ, 0,5 см] разлічваюцца як 2 × 10⁶ В/м і 4,7 × 10⁶ В/м адпаведна. Гэтага варта было чакаць, бо ў другім выпадку суадносіны напружання да адлегласці значна вышэйшае.
На мал. 3a,b паказаны дыяметр EWNS, вымераны з дапамогай AFM8. Сярэднія дыяметры EWNS для сцэнарыяў [-6,5 кВ, 4,0 см] і [-3,8 кВ, 0,5 см] былі разлічаны як 27 нм і 19 нм адпаведна. Геаметрычныя стандартныя адхіленні размеркаванняў для выпадкаў [-6,5 кВ, 4,0 см] і [-3,8 кВ, 0,5 см] складаюць 1,41 і 1,45 адпаведна, што сведчыць аб вузкім размеркаванні памераў. Як сярэдні памер, так і геаметрычнае стандартнае адхіленне вельмі блізкія да базавага ўзроўню EWNS і складаюць 25 нм і 1,41 адпаведна. На мал. 3c паказана размеркаванне памераў базавага ўзроўню EWNS, вымеранае з выкарыстаннем таго ж метаду ў тых жа ўмовах.
На мал. 3d,e паказаны вынікі характарыстыкі зарада. Дадзеныя — гэта сярэднія вымярэнні 30 адначасовых вымярэнняў канцэнтрацыі (#/см3) і сілы току (I). Аналіз паказвае, што сярэдні зарад на EWNS складае 22 ± 6 э- і ​​44 ± 6 э- для [-6,5 кВ, 4,0 см] і [-3,8 кВ, 0,5 см] адпаведна. У параўнанні з базавым EWNS (10 ± 2 э-), іх павярхоўны зарад значна вышэйшы, удвая вышэйшы, чым у сцэнарыі [-6,5 кВ, 4,0 см] і ў чатыры разы вышэйшы, чым у сцэнарыі [-3,8 кВ, 0,5 см]. Мал. 3f паказвае асноўныя плацежныя дадзеныя EWNS.
З карт канцэнтрацыі колькасці часціц EWNS (дадатковыя малюнкі S5 і S6) відаць, што сцэна [-6,5 кВ, 4,0 см] мае значна большую колькасць часціц, чым сцэна [-3,8 кВ, 0,5 см]. Варта таксама адзначыць, што канцэнтрацыі колькасці EWNS кантраляваліся да 4 гадзін (дадатковыя малюнкі S5 і S6), дзе стабільнасць генерацыі EWNS паказала аднолькавыя ўзроўні канцэнтрацыі колькасці часціц у абодвух выпадках.
На малюнку 3g паказаны спектр ЭПР пасля аднімання кантрольнага (фонавага) ўзроўню для аптымізаванага EWNS пры [-6,5 кВ, 4,0 см]. Спектр АФК таксама параўноўваецца з базавым узроўнем EWNS, апублікаваным раней. Разліковая колькасць EWNS, якія рэагуюць са спінавай пасткай, складае 7,5 × 10⁴ EWNS/с, што падобна на раней апублікаваны Baseline-EWNS8. Спектры ЭПР выразна паказваюць наяўнасць двух тыпаў АФК, дзе пераважае O2-, а OH• прысутнічае ў меншай колькасці. Акрамя таго, прамое параўнанне інтэнсіўнасцей пікаў паказала, што аптымізаваны EWNS мае значна больш высокае ўтрыманне АФК у параўнанні з базавым узроўнем EWNS.
На мал. 4 паказана эфектыўнасць нанясення EWNS у EPES. Дадзеныя таксама зведзены ў табліцу I і параўнаны з зыходнымі дадзенымі EWNS. Для абодвух выпадкаў EUNS нанясенне было блізкім да 100% нават пры нізкім напружанні 3,0 кВ. Як правіла, 3,0 кВ дастаткова для дасягнення 100% нанясення незалежна ад змены паверхневага зарада. Пры тых жа ўмовах эфектыўнасць нанясення базавага EWNS складала толькі 56% з-за меншага зарада (у сярэднім 10 электронаў на EWNS).
На малюнку 5 і ў табліцы 2 паказана ступень інактывацыі мікраарганізмаў, інакуляваных на паверхні памідораў пасля ўздзеяння прыблізна 40 000 #/см3 EWNS на працягу 45 хвілін пры аптымальным сцэнарыі [-6,5 кВ, 4,0 см]. Інакуляваныя E. coli і L. innocua паказалі значнае зніжэнне на 3,8 логарифма пасля 45 хвілін уздзеяння. Пры тых жа ўмовах S. enterica паказала меншае зніжэнне логарифма — 2,2 логарифма, у той час як S. cerevisiae і M. parafortuitum паказалі зніжэнне на 1,0 логарифма.
Электронныя мікрафотаздымкі (малюнак 6), якія паказваюць фізічныя змены, выкліканыя EWNS у клетках E. coli, Salmonella enterica і L. innocua, якія прывялі да інактывацыі. Кантрольныя бактэрыі паказалі непашкоджаныя клеткавыя мембраны, у той час як бактэрыі, якія падвяргаліся ўздзеянню, мелі пашкоджаныя вонкавыя мембраны.
Электронна-мікраскапічнае даследаванне кантрольных і адкрытых бактэрый выявіла пашкоджанне мембран.
Дадзеныя аб фізіка-хімічных уласцівасцях аптымізаваных EWNS у сукупнасці паказваюць, што ўласцівасці EWNS (павярхоўны зарад і ўтрыманне ROS) былі значна палепшаны ў параўнанні з раней апублікаванымі базавымі дадзенымі EWNS8,9,10,11. З іншага боку, іх памер заставаўся ў нанаметровым дыяпазоне, што вельмі падобна на раней апублікаваныя вынікі, што дазваляе ім заставацца ў паветры на працягу доўгага перыяду часу. Назіраную полідысперснасць можна растлумачыць зменамі павярхоўнага зараду, якія вызначаюць велічыню эфекту Рэлея, выпадковасць і патэнцыйнае зліццё EWNS. Аднак, як падрабязна апісана Нільсенам і інш.22, высокі павярхоўны зарад памяншае выпарэнне, эфектыўна павялічваючы павярхоўную энергію/нацяжэнне кроплі вады. Гэтая тэорыя была эксперыментальна пацверджана для мікракропель22 і EWNS у нашай папярэдняй публікацыі8. Страта звышурочнага часу таксама можа паўплываць на памер і спрыяць назіранаму размеркаванню памераў.
Акрамя таго, зарад на структуру складае каля 22–44 э-, у залежнасці ад абставін, што значна вышэй у параўнанні з базавым EWNS, які мае сярэдні зарад 10 ± 2 электронаў на структуру. Аднак варта адзначыць, што гэта сярэдні зарад EWNS. Сето і інш. Было паказана, што зарад не з'яўляецца аднастайным і адпавядае лагарыфмічна-нармальнаму размеркаванню21. У параўнанні з нашай папярэдняй працай, падваенне паверхневага зараду падвойвае эфектыўнасць нанясення ў сістэме EPES амаль да 100%11.