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Recentemente, hè stata sviluppata una piattaforma antimicrobica senza chimichi basata nantu à a nanotecnologia chì utilizza nanostrutture d'acqua artificiali (EWNS). L'EWNS anu una carica superficiale elevata è sò saturati di spezie reattive di l'ossigenu (ROS) chì ponu interagisce è inattivà un numeru di microrganismi, cumpresi i patogeni di origine alimentaria. Quì si mostra chì e so proprietà durante a sintesi ponu esse affinate è ottimizzate per migliurà ulteriormente u so putenziale antibattericu. A piattaforma di laburatoriu EWNS hè stata cuncipita per affinà e proprietà di l'EWNS cambiendu i parametri di sintesi. Caratterizazione di e proprietà di l'EWNS (carica, dimensione è cuntenutu di ROS) utilizendu metudi analitici muderni. Inoltre, sò stati valutati per u so putenziale di inattivazione microbica contr'à i microrganismi di origine alimentaria cum'è Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocuous, Mycobacterium paraaccidentum è Saccharomyces cerevisiae. I risultati presentati quì dimustranu chì e proprietà di l'EWNS ponu esse affinate durante a sintesi, risultendu in un aumentu esponenziale di l'efficienza di inattivazione. In particulare, a carica superficiale hè aumentata di un fattore di quattru è e spezie reattive di l'ossigenu sò aumentate. A velocità di rimozione microbica era dipendente da i microbi è variava da 1,0 à 3,8 log dopu una esposizione di 45 minuti à una dosa d'aerosol di 40.000 #/cc EWNS.
A contaminazione microbica hè a causa principale di e malatie di origine alimentaria causate da l'ingestione di agenti patogeni o di e so tossine. Solu in i Stati Uniti, e malatie di origine alimentaria causanu circa 76 milioni di malatie, 325 000 ricoveri ospedalieri è 5 000 morti ogni annu1. Inoltre, u Dipartimentu di l'Agricultura di i Stati Uniti (USDA) stima chì l'aumentu di u cunsumu di prudutti freschi hè rispunsevule di u 48% di tutte e malatie di origine alimentaria segnalate in i Stati Uniti2. U costu di e malatie è di a morte causate da agenti patogeni di origine alimentaria in i Stati Uniti hè assai altu, stimatu da i Centri per u Controlu è a Prevenzione di e Malatie (CDC) à più di 15,6 miliardi di dollari americani à l'annu3.
Attualmente, l'intervenzioni antimicrobiche chimiche4, radiative5 è termiche6 per assicurà a sicurezza alimentaria sò principalmente realizate in punti critici di cuntrollu (CCP) limitati longu a catena di pruduzzione (di solitu dopu a racolta è/o durante l'imballaggio) piuttostu chè in modu continuu. dunque, sò propensi à a contaminazione incrociata. 7. Un megliu cuntrollu di e malatie di origine alimentaria è di u deterioramentu di l'alimentu richiede intervenzioni antimicrobiche chì ponu esse potenzialmente applicate in tuttu u continuum da a splutazione à a tavola, riducendu à tempu l'impattu ambientale è i costi.
Recentemente, hè stata sviluppata una piattaforma antimicrobica senza chimichi, basata nantu à a nanotecnologia, chì pò inattivà i batteri di superficia è di l'aria utilizendu nanostrutture d'acqua artificiali (EWNS). L'EWNS hè statu sintetizatu utilizendu dui prucessi paralleli, elettrospray è ionizazione di l'acqua (Fig. 1a). Studi precedenti anu dimustratu chì l'EWNS anu un inseme unicu di proprietà fisiche è biologiche8,9,10. L'EWNS anu una media di 10 elettroni per struttura è una dimensione media nanoscopica di 25 nm (Fig. 1b,c)8,9,10. Inoltre, a risonanza di spin elettronicu (ESR) hà dimustratu chì l'EWNS cuntene una grande quantità di spezie reattive di l'ossigenu (ROS), principalmente radicali idrossilici (OH•) è superossidi (O2-) (Fig. 1c)8. L'EVNS hè in aria per un bellu pezzu è pò scontrà si cù i microrganismi sospesi in aria è presenti nantu à a superficia, furnendu u so carico utile ROS è causendu l'inattivazione di i microrganismi (Fig. 1d). Questi primi studii anu ancu dimustratu chì l'EWNS ponu interagisce cù è inattivà diversi batteri gram-negativi è gram-positivi, cumpresi i micobatteri, nantu à e superfici è in l'aria. A microscopia elettronica à trasmissione hà dimustratu chì l'inattivazione era causata da a disrupzione di a membrana cellulare. Inoltre, i studii d'inalazione acuta anu dimustratu chì dosi elevate di EWNS ùn causanu micca danni pulmonari o infiammazione 8.
(a) L'elettrospray si verifica quandu una alta tensione hè applicata trà un tubu capillare chì cuntene liquidu è un contraelettrodu. (b) L'applicazione di alta pressione provoca dui fenomeni diversi: (i) elettrospraying di l'acqua è (ii) furmazione di spezie reattive di l'ossigenu (ioni) intrappulate in l'EWNS. (c) A struttura unica di l'EWNS. (d) A causa di a so natura nanoscala, l'EWNS sò assai mobili è ponu interagisce cù i patogeni presenti in l'aria.
A capacità di a piattaforma antimicrobica EWNS di inattivà i microorganismi di origine alimentaria nantu à a superficia di l'alimenti freschi hè stata ancu dimustrata pocu fà. Hè statu ancu dimustratu chì a carica superficiale di EWNS in cumbinazione cù un campu elettricu pò esse aduprata per ottene una consegna mirata. Inoltre, i risultati preliminari per i pumati biologichi dopu una esposizione di 90 minuti à un EWNS di circa 50.000 #/cm3 sò stati incoraggianti, cù diversi microorganismi di origine alimentaria cum'è E. coli è Listeria 11 osservati. Inoltre, i testi organolettici preliminari ùn anu mostratu alcun effettu sensoriale paragunatu à i pumati di cuntrollu. Ancu s'è questi risultati iniziali di inattivazione sò incoraggianti per l'applicazioni di sicurezza alimentaria ancu à dosi assai basse di EWNS di 50.000 #/cc. vede, hè chjaru chì un putenziale di inattivazione più altu seria più beneficu per riduce ulteriormente u risicu di infezione è deterioramentu.
Quì, fucalizeremu a nostra ricerca nantu à u sviluppu di una piattaforma di generazione EWNS per permette una messa à puntu fine di i parametri di sintesi è l'ottimisazione di e proprietà fisico-chimiche di l'EWNS per migliurà u so putenziale antibattericu. In particulare, l'ottimisazione s'hè cuncentrata nantu à l'aumentu di a so carica superficiale (per migliurà a consegna mirata) è di u cuntenutu di ROS (per migliurà l'efficienza di inattivazione). Caratterizà e proprietà fisico-chimiche ottimizzate (dimensione, carica è cuntenutu di ROS) utilizendu metudi analitici muderni è aduprà microrganismi alimentari cumuni cum'è E. .
L'EVNS hè statu sintetizatu per elettrospruzzatura simultanea è ionizazione d'acqua d'alta purezza (18 MΩ cm–1). U nebulizzatore elettricu 12 hè tipicamente utilizatu per l'atomizazione di liquidi è a sintesi di particelle polimeriche è ceramiche 13 è fibre 14 di dimensione cuntrullata.
Cum'è detallatu in publicazioni precedenti 8, 9, 10, 11, in un esperimentu tipicu, una alta tensione hè stata applicata trà un capillare metallicu è un contraelettrodu messa à terra. Durante stu prucessu, si verificanu dui fenomeni diversi: i) elettrospray è ii) ionizazione di l'acqua. Un forte campu elettricu trà i dui elettrodi face chì e cariche negative si accumulinu nantu à a superficia di l'acqua condensata, risultendu in a furmazione di coni di Taylor. Di cunsiguenza, si formanu gocce d'acqua altamente cariche, chì cuntinueghjanu à rompe si in particelle più chjuche, cum'è in a teoria di Rayleigh16. À u listessu tempu, i forti campi elettrichi facenu chì alcune molecule d'acqua si dividinu è strappanu l'elettroni (ionizanu), ciò chì porta à a furmazione di una grande quantità di spezie reattive di l'ossigenu (ROS)17. U ROS18 generatu simultaneamente hè statu incapsulatu in EWNS (Fig. 1c).
A figura 2a mostra u sistema di generazione EWNS sviluppatu è utilizatu in a sintesi EWNS in questu studiu. L'acqua purificata cunservata in una buttiglia chjusa hè stata alimentata attraversu un tubu di Teflon (diametru internu di 2 mm) in un ago in acciaio inox 30G (capillare metallicu). U flussu di l'acqua hè cuntrullatu da a pressione di l'aria in a buttiglia, cum'è mostratu in a Figura 2b. L'ago hè muntatu nantu à una cunsola di Teflon è pò esse aghjustatu manualmente à una certa distanza da u contraelettrodu. U contraelettrodu hè un discu d'aluminiu lucidatu cù un foru in u centru per u campionamentu. Sottu à u contraelettrodu ci hè un imbutu di campionamentu in aluminiu, chì hè cunnessu à u restu di a cunfigurazione sperimentale via una porta di campionamentu (Fig. 2b). Per evità l'accumulazione di carica chì puderia interrompe u funziunamentu di u campionatore, tutti i cumpunenti di u campionatore sò elettricamente messi à terra.
(a) Sistema di Generazione di Nanostrutture d'Acqua Ingegnerizzate (EWNS). (b) Sezione trasversale di u campionatore è di l'elettrospray, chì mostra i parametri più impurtanti. (c) Configurazione sperimentale per l'inattivazione di i batteri.
U sistema di generazione EWNS discrittu sopra hè capace di cambià i parametri operativi chjave per facilità a messa à puntu fine di e proprietà EWNS. Ajustate a tensione applicata (V), a distanza trà l'agulla è u contraelettrodu (L), è u flussu d'acqua (φ) attraversu u capillare per aggiornà finemente e caratteristiche EWNS. Simbulu utilizatu per rapprisintà diverse cumminazzioni: [V (kV), L (cm)]. Ajustate u flussu d'acqua per ottene un conu di Taylor stabile di un certu inseme [V, L]. Per i scopi di questu studiu, u diametru di l'apertura di u contraelettrodu (D) hè statu mantinutu à 0,5 pollici (1,29 cm).
A causa di a geometria limitata è di l'asimmetria, l'intensità di u campu elettricu ùn pò esse calculata da i primi principii. Invece, u software QuickField™ (Svendborg, Danimarca)19 hè statu utilizatu per calculà u campu elettricu. U campu elettricu ùn hè micca uniforme, dunque u valore di u campu elettricu à a punta di u capillare hè statu utilizatu cum'è valore di riferimentu per diverse cunfigurazioni.
Durante u studiu, parechje cumminazzioni di tensione è distanza trà l'agulla è u cuntraelettrodu sò state valutate in termini di furmazione di coni di Taylor, stabilità di coni di Taylor, stabilità di pruduzzione EWNS è riproducibilità. Diverse cumminazzioni sò mostrate in a Tabella Supplementare S1.
L'output di u sistema di generazione EWNS hè statu cunnessu direttamente à un Scanning Mobility Particle Size Analyzer (SMPS, Model 3936, TSI, Shoreview, MN) per a misurazione di a cuncentrazione di u numeru di particelle, è ancu à un Aerosol Faraday Electrometer (TSI, Model 3068B, Shoreview, MN). ) per e currenti di aerosol hè statu misuratu cum'è descrittu in a nostra publicazione precedente. Sia l'SMPS sia l'elettrometru di aerosol anu campionatu à un flussu di 0,5 L/min (flussu tutale di campione 1 L/min). A cuncentrazione numerica di particelle è u flussu di aerosol sò stati misurati per 120 secondi. A misurazione hè ripetuta 30 volte. Basatu annantu à e misurazioni di corrente, a carica tutale di aerosol hè calculata è a carica media di EWNS hè stimata per un numeru tutale datu di particelle EWNS selezziunate. U costu mediu di EWNS pò esse calculatu aduprendu l'equazione (1):
induve IEl hè a currente misurata, NSMPS hè a cuncentrazione digitale misurata cù u SMPS, è φEl hè a velocità di flussu per elettrometru.
Siccomu l'umidità relativa (RH) affetta a carica superficiale, a temperatura è (RH) sò state mantenute custanti durante l'esperimentu à 21 ° C è 45%, rispettivamente.
A microscopia à forza atomica (AFM), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Santa Barbara, CA) è a sonda AC260T (Olympus, Tokyo, Giappone) sò state aduprate per misurà a dimensione è a durata di vita di l'EWNS. A frequenza di scansione AFM era di 1 Hz, l'area di scansione era di 5 μm × 5 μm, è 256 linee di scansione. Tutte l'imagine sò state sottumesse à un allineamentu d'imagine di primu ordine aduprendu u software Asylum (gamma di maschera 100 nm, soglia 100 pm).
L'imbutu di prova hè statu cacciatu è a superficia di mica hè stata piazzata à una distanza di 2,0 cm da u contraelettrodu per un tempu mediu di 120 s per evità l'agglomerazione di particelle è a furmazione di gocce irregulari nantu à a superficia di mica. EWNS hè statu spruzzatu direttamente nantu à a superficia di mica appena tagliata (Ted Pella, Redding, CA). Imagine di a superficia di mica subitu dopu à sputtering AFM. L'angulu di cuntattu di a superficia di mica micca mudificata appena tagliata hè vicinu à 0°, dunque EVNS hè distribuitu nantu à a superficia di mica in forma di cupola. U diametru (a) è l'altezza (h) di e gocce diffuse sò stati misurati direttamente da a topografia AFM è aduprati per calculà u vulume di diffusione a cupola di EWNS aduprendu u nostru metudu validatu prima. Supponendu chì l'EWNS integrati anu u listessu vulume, u diametru equivalente pò esse calculatu aduprendu l'equazione (2):
Basatu annantu à u nostru metudu sviluppatu prima, una trappula di spin di risonanza di spin elettronicu (ESR) hè stata aduprata per rilevà a presenza di intermedi radicali di corta durata in EWNS. L'aerosol sò stati fatti bollire attraversu un sparger Midget di 650 μm (Ace Glass, Vineland, NJ) chì cuntene una suluzione 235 mM di DEPMPO(5-(dietossifosforil)-5-metil-1-pirrolina-N-ossidu) (Oxis International Inc.). Portland, Oregon). Tutte e misurazioni ESR sò state effettuate aduprendu un spettrometru Bruker EMX (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) è una cellula à pannellu pianu. U software Acquisit (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) hè statu adupratu per raccoglie è analizà i dati. A determinazione di e caratteristiche di i ROS hè stata effettuata solu per un inseme di cundizioni operative [-6,5 kV, 4,0 cm]. E concentrazioni di EWNS sò state misurate aduprendu u SMPS dopu avè pigliatu in contu e perdite di EWNS in l'impattore.
I livelli d'ozonu sò stati monitorati cù un 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Boulder, Co)8,9,10.
Per tutte e proprietà EWNS, u valore mediu hè adupratu cum'è valore di misurazione, è a deviazione standard hè aduprata cum'è errore di misurazione. I testi T sò stati realizati per paragunà i valori di l'attributi EWNS ottimizzati cù i valori currispondenti di l'EWNS di basa.
A figura 2c mostra un sistema di "pull" di precipitazione elettrostatica (EPES) sviluppatu è caratterizatu in precedenza chì pò esse adupratu per a consegna mirata di EWNS in superficia. EPES usa cariche EVNS chì ponu esse "guidate" direttamente à a superficia di u bersagliu sottu l'influenza di un forte campu elettricu. I dettagli di u sistema EPES sò presentati in una publicazione recente di Pyrgiotakis et al. 11. Cusì, EPES hè custituitu da una camera in PVC stampata in 3D cù estremità rastremate è cuntene duie piastre metalliche parallele in acciaio inox (acciaio inox 304, rivestite à specchiu) à u centru à 15,24 cm di distanza. I pannelli eranu cunnessi à una fonte esterna di alta tensione (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY), a piastra inferiore era sempre cunnessa à tensione positiva, è a piastra superiore era sempre cunnessa à terra (terra flottante). I muri di a camera sò cuparti cù una lamina d'aluminiu, chì hè elettricamente messa à terra per impedisce a perdita di particelle. A camera hà una porta di carica frontale sigillata chì permette di piazzà e superfici di prova nantu à supporti di plastica chì l'elevanu sopra a piastra metallica inferiore per evità interferenze d'alta tensione.
L'efficienza di deposizione di EWNS in EPES hè stata calculata secondu un protocolu sviluppatu prima detallatu in a Figura Supplementare S111.
Cum'è camera di cuntrollu, una seconda camera di flussu cilindrica hè stata cunnessa in serie à u sistema EPES, in u quale un filtru HEPA intermediu hè statu utilizatu per rimuovere l'EWNS. Cum'è mostratu in a Figura 2c, l'aerosol EWNS hè statu pompatu attraversu duie camere integrate. U filtru trà a sala di cuntrollu è l'EPES rimuove qualsiasi EWNS restante, risultendu in a stessa temperatura (T), umidità relativa (RH) è livelli d'ozonu.
Impurtanti microrganismi di origine alimentaria sò stati trovati per contaminà l'alimenti freschi cum'è E. coli (ATCC #27325), indicatore fecale, Salmonella enterica (ATCC #53647), patogenu di origine alimentaria, Listeria harmful (ATCC #33090), surrogatu di Listeria monocytogenes patogena, derivata da ATCC (Manassas, VA) Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098), un sustitutu per u lievito di deterioramentu, è una batteria inattivata più resistente, Mycobacterium paralucky (ATCC #19686).
Cumprate scatule aleatorie di pumati d'uva biologichi da u vostru mercatu lucale è mettite in frigorifero à 4 ° C finu à l'usu (finu à 3 ghjorni). I pumati sperimentali eranu tutti di a listessa dimensione, circa 1/2 pollice di diametru.
I protokolli di cultura, inoculazione, esposizione è contu di culonie sò dettagliati in a nostra publicazione precedente è dettagliati in i Dati Supplementari. L'efficacità di EWNS hè stata valutata espunendu i pumati inoculati à 40.000 #/cm3 per 45 minuti. In breve, trè pumati sò stati aduprati per valutà i microorganismi sopravviventi à u tempu t = 0 min. Trè pumati sò stati posti in EPES è esposti à EWNS à 40.000 #/cc (pumati esposti à EWNS) è i trè rimanenti sò stati posti in a camera di cuntrollu (pumati di cuntrollu). Ùn hè stata effettuata alcuna trasfurmazione supplementaria di i pumati in i dui gruppi. I pumati esposti à EWNS è i pumati di cuntrollu sò stati rimossi dopu à 45 minuti per valutà l'effettu di EWNS.
Ogni esperimentu hè statu realizatu in triplicatu. L'analisi di i dati hè stata realizata secondu u protocolu discrittu in i Dati Supplementari.
I miccanismi d'inattivazione sò stati valutati per sedimentazione di campioni EWNS esposti (45 min à una cuncentrazione d'aerosol EWNS di 40.000 #/cm3) è campioni micca irradiati di batteri innocui E. coli, Salmonella enterica è Lactobacillus. E particelle sò state fissate in glutaraldeide 2,5%, paraformaldeide 1,25% è acidu picrico 0,03% in tampone cacodilato di sodiu 0,1 M (pH 7,4) per 2 ore à temperatura ambiente. Dopu u lavaggio, post-fissaggio cù tetrossidu d'osmiu 1% (OsO4)/ferrocianuro di potassiu 1,5% (KFeCN6) per 2 ore, lavaggio 3 volte in acqua è incubazione in acetato di uranile 1% per 1 ora, poi lavaggio due volte in acqua, poi disidratazione per 10 minuti in alcolu 50%, 70%, 90%, 100%. I campioni sò stati poi posti in ossidu di propilene per 1 ora è impregnati cù una mistura 1:1 di ossidu di propilene è TAAP Epon (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA). I ​​campioni sò stati inclusi in TAAB Epon è polimerizzati à 60 °C per 48 ore. A resina granulare indurita hè stata tagliata è visualizata da TEM utilizendu un microscopiu elettronicu à trasmissione cunvinziunale JEOL 1200EX (JEOL, Tokyo, Giappone) equipatu cù una camera CCD AMT 2k (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, Massachusetts, USA).
Tutti l'esperimenti sò stati realizati in triplicatu. Per ogni puntu di tempu, i lavaggi batterici sò stati suminati in triplicatu, risultendu in un totale di nove punti di dati per puntu, a media di i quali hè stata aduprata cum'è a cuncentrazione batterica per quellu microorganismu particulare. A deviazione standard hè stata aduprata cum'è l'errore di misurazione. Tutti i punti contanu.
U logaritmu di a diminuzione di a cuncentrazione di batteri paragunatu à t = 0 min hè statu calculatu aduprendu a formula seguente:
induve C0 hè a cuncentrazione di batteri in u campione di cuntrollu à u tempu 0 (vale à dì dopu chì a superficia hè asciutta ma prima di esse piazzata in a camera) è Cn hè a cuncentrazione di batteri nantu à a superficia dopu n minuti di esposizione.
Per tene contu di a degradazione naturale di i batteri durante l'esposizione di 45 minuti, a riduzione logaritmica paragunata à u cuntrollu dopu à 45 minuti hè stata ancu calculata cum'è seguita:
induve Cn hè a cuncentrazione di batteri in u campione di cuntrollu à u tempu n è Cn-Control hè a cuncentrazione di batteri di cuntrollu à u tempu n. I dati sò presentati cum'è una riduzione logaritmica paragunata à u cuntrollu (nisuna esposizione à EWNS).
Durante u studiu, parechje cumminazzioni di tensione è distanza trà l'agulla è u cuntraelettrodu sò state valutate in termini di furmazione di u conu di Taylor, stabilità di u conu di Taylor, stabilità di a pruduzzione di EWNS è riproducibilità. Diverse cumminazzioni sò mostrate in a Tavula Supplementare S1. Dui casi chì mostranu proprietà stabili è riproducibili (conu di Taylor, generazione di EWNS è stabilità in u tempu) sò stati selezziunati per un studiu cumpletu. In a fig. A Figura 3 mostra i risultati per a carica, a dimensione è u cuntenutu di ROS in i dui casi. I risultati sò ancu riassunti in a Tavula 1. Per riferimentu, sia a Figura 3 sia a Tavula 1 includenu e proprietà di l'EWNS8, 9, 10, 11 (EWNS di basa) micca ottimizzati sintetizzati prima. I calculi di significatività statistica utilizendu un test t à duie code sò ripublicati in a Tavula Supplementare S2. Inoltre, dati supplementari includenu studii di l'effettu di u diametru di u foru di campionamentu di u cuntraelettrodu (D) è a distanza trà l'elettrodu di terra è a punta (L) (Figure Supplementari S2 è S3).
(ac) Distribuzione di a dimensione misurata da AFM. (df) Caratteristica di carica superficiale. (g) Caratterizazione ROS di l'EPR.
Hè dinò impurtante di nutà chì per tutte e cundizioni sopra menzionate, a currente di ionizazione misurata era trà 2 è 6 μA è a tensione trà -3,8 è -6,5 kV, ciò chì hà risultatu in un cunsumu energeticu inferiore à 50 mW per questu unicu modulu di cuntattu di generazione EWNS. Ancu s'è EWNS hè statu sintetizatu sottu alta pressione, i livelli d'ozonu eranu assai bassi, senza mai superà i 60 ppb.
A Figura Supplementare S4 mostra i campi elettrici simulati per i scenarii [-6,5 kV, 4,0 cm] è [-3,8 kV, 0,5 cm], rispettivamente. Per i scenarii [-6,5 kV, 4,0 cm] è [-3,8 kV, 0,5 cm], i calculi di u campu sò 2 × 105 V/m è 4,7 × 105 V/m, rispettivamente. Questu hè previstu, postu chì in u secondu casu u rapportu tensione-distanza hè assai più altu.
In a figura 3a,b si mostra u diametru di l'EWNS misuratu cù l'AFM8. I diametri medii calculati di l'EWNS eranu 27 nm è 19 nm per i schemi [-6,5 kV, 4,0 cm] è [-3,8 kV, 0,5 cm], rispettivamente. Per i scenarii [-6,5 kV, 4,0 cm] è [-3,8 kV, 0,5 cm], e deviazioni standard geometriche di e distribuzioni sò 1,41 è 1,45, rispettivamente, ciò chì indica una distribuzione di dimensione stretta. Sia a dimensione media sia a deviazione standard geometrica sò assai vicine à l'EWNS di basa, à 25 nm è 1,41, rispettivamente. In a figura 3c si mostra a distribuzione di dimensione di l'EWNS di basa misurata cù u listessu metudu in e stesse cundizioni.
In a figura 3d, e si mostranu i risultati di a caratterizazione di a carica. I dati sò misurazioni medie di 30 misurazioni simultanee di cuncentrazione (#/cm3) è corrente (I). L'analisi mostra chì a carica media nantu à l'EWNS hè 22 ± 6 e- è 44 ± 6 e- per [-6,5 kV, 4,0 cm] è [-3,8 kV, 0,5 cm], rispettivamente. Anu cariche superficiali significativamente più alte paragunate à l'EWNS di basa (10 ± 2 e-), duie volte più grande di u scenariu [-6,5 kV, 4,0 cm] è quattru volte più grande di u [-3,8 kV, 0,5 cm]. A figura 3f mostra i dati di carica per Baseline-EWNS.
Da e carte di cuncentrazione di u numeru EWNS (Figure Supplementari S5 è S6), si pò vede chì u scenariu [-6,5 kV, 4,0 cm] hà significativamente più particelle chè u scenariu [-3,8 kV, 0,5 cm]. Vale ancu a pena nutà chì a cuncentrazione di u numeru EWNS hè stata monitorata finu à 4 ore (Figure Supplementari S5 è S6), induve a stabilità di generazione EWNS hà mostratu i stessi livelli di cuncentrazione di u numeru di particelle in i dui casi.
A figura 3g mostra u spettru EPR dopu a sottrazione di u cuntrollu EWNS ottimizatu (sfondo) à [-6,5 kV, 4,0 cm]. I spettri ROS sò stati ancu paragunati cù u scenariu Baseline-EWNS in un travagliu publicatu prima. U numeru di EWNS chì reagiscenu cù trappule di spin hè statu calculatu à 7,5 × 104 EWNS/s, chì hè simile à u Baseline-EWNS8 publicatu prima. I spettri EPR anu mostratu chjaramente a presenza di dui tipi di ROS, cù O2- essendu a spezia predominante è OH• essendu menu abbundante. Inoltre, una paragone diretta di l'intensità di piccu hà mostratu chì l'EWNS ottimizzati avianu un cuntenutu ROS significativamente più altu paragunatu à l'EWNS di basa.
A figura 4 mostra l'efficienza di deposizione di EWNS in EPES. I dati sò ancu riassunti in a Tavula I è paragunati cù i dati EWNS originali. Per i dui casi di EUNS, a deposizione hè vicina à u 100% ancu à una bassa tensione di 3,0 kV. Tipicamente, 3,0 kV hè sufficiente per una deposizione di u 100%, indipendentemente da u cambiamentu di carica superficiale. In e stesse cundizioni, l'efficienza di deposizione di Baseline-EWNS era solu di u 56% per via di a so carica più bassa (media di 10 elettroni per EWNS).
In a figura 5 è in a tavula 2 hè riassuntu u valore d'inattivazione di i microorganismi inoculati nantu à a superficia di i pumati dopu l'esposizione à circa 40.000 #/cm3 EWNS per 45 minuti à a modalità ottima [-6,5 kV, 4,0 cm]. E. coli è Lactobacillus innocuous inoculati anu mostratu una riduzione significativa di 3,8 log durante l'esposizione di 45 minuti. In e stesse cundizioni, S. enterica hà avutu una diminuzione di 2,2 log, mentre chì S. cerevisiae è M. parafortutum anu avutu una diminuzione di 1,0 log.
E micrografie elettroniche (Figura 6) mostranu i cambiamenti fisichi indotti da EWNS nantu à e cellule innocue di Escherichia coli, Streptococcus è Lactobacillus chì portanu à a so inattivazione. I batteri di cuntrollu avianu membrane cellulari intatte, mentre chì i batteri esposti avianu membrane esterne danneggiate.
L'imaghjini microscopiche elettroniche di i batteri di cuntrollu è esposti anu rivelatu danni à a membrana.
I dati nantu à e proprietà fisico-chimiche di l'EWNS ottimizzati mostranu cullettivamente chì e proprietà (carica superficiale è cuntenutu ROS) di l'EWNS sò state significativamente migliurate paragunate à i dati di basa EWNS publicati prima8,9,10,11. D’altronde, a so dimensione hè rimasta in a gamma nanometrica, assai simile à i risultati riportati prima, chì li permette di stà in aria per longhi periodi di tempu. A polidispersità osservata pò esse spiegata da cambiamenti di carica superficiale chì determinanu a dimensione di l'EWNS, l'aleatorietà di l'effettu Rayleigh è a putenziale coalescenza. Tuttavia, cum'è detallatu da Nielsen et al. 22, una carica superficiale elevata riduce l'evaporazione aumentendu efficacemente l'energia/tensione superficiale di a goccia d'acqua. In a nostra publicazione precedente8 sta teoria hè stata cunfirmata sperimentalmente per e microgocce 22 è l'EWNS. A perdita di carica durante u tempu straordinariu pò ancu influenzà a dimensione è cuntribuisce à a distribuzione di e dimensioni osservata.
Inoltre, a carica per struttura hè di circa 22-44 e-, secondu a situazione, chì hè significativamente più alta paragunata à l'EWNS basicu, chì hà una carica media di 10 ± 2 elettroni per struttura. Tuttavia, si deve nutà chì questa hè a carica media di EWNS. Seto et al. Hè statu dimustratu chì a carica hè inhomogenea è seguita una distribuzione log-normale21. Paragunatu à u nostru travagliu precedente, radduppià a carica superficiale radduppia l'efficienza di deposizione in u sistema EPES à quasi u 100%11.