Tak, fordi du besøger Nature.com. Du bruger en browserversion med begrænset CSS-understøttelse. For at få den bedste oplevelse anbefaler vi, at du bruger en opdateret browser (eller deaktiverer kompatibilitetstilstand i Internet Explorer). For at sikre løbende support viser vi desuden webstedet uden typografier og JavaScript.
For nylig er der blevet udviklet en kemikaliefri antimikrobiel platform baseret på nanoteknologi, der bruger kunstige vand-nanostrukturer (EWNS). EWNS har en høj overfladeladning og er rige på reaktive iltarter (ROS), der kan interagere med og inaktivere en række mikroorganismer, herunder fødevarebårne patogener. Her vises det, at deres egenskaber under syntese kan finjusteres og optimeres for yderligere at forbedre deres antibakterielle potentiale. EWNS-laboratorieplatformen blev designet til at finjustere EWNS' egenskaber ved at ændre synteseparametrene. Karakteriseringen af ​​EWNS' egenskaber (ladning, størrelse og ROS-indhold) blev udført ved hjælp af moderne analytiske metoder. Derudover blev fødevaremikroorganismer som Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocua, Mycobacterium para fortitum og Saccharomyces cerevisiae inokuleret på overfladen af ​​økologiske cherrytomater for at evaluere deres mikrobielle inaktiveringspotentiale. Resultaterne præsenteret her viser, at EWNS' egenskaber kan finjusteres under syntese, hvilket resulterer i en eksponentiel stigning i inaktiveringseffektiviteten. Især overfladeladningen steg med en faktor fire, og ROS-indholdet steg. Fjernelseshastigheden for mikrober var mikrobielt afhængig og varierede fra 1,0 til 3,8 log efter 45 minutters eksponering for en aerosoldosis på 40.000 #/cm3 EWNS.
Mikrobiel kontaminering er den primære årsag til fødevarebårne sygdomme forårsaget af indtagelse af patogener eller deres toksiner. Fødevarebårne sygdomme tegner sig for omkring 76 millioner sygdomme, 325.000 hospitalsindlæggelser og 5.000 dødsfald hvert år alene i USA1. Derudover anslår det amerikanske landbrugsministerium (USDA), at øget forbrug af friske råvarer er ansvarlig for 48 procent af alle rapporterede fødevarebårne sygdomme i USA2. Omkostningerne ved sygdom og død som følge af fødevarebårne patogener i USA er meget høje og anslås af Centers for Disease Control and Prevention (CDC) til mere end 15,6 milliarder amerikanske dollars om året3.
I øjeblikket implementeres kemiske4, strålings5 og termiske6 antimikrobielle interventioner for at sikre fødevaresikkerhed primært på begrænsede kritiske kontrolpunkter (CCP'er) i produktionskæden (normalt efter høst og/eller under emballering) i stedet for løbende at implementere dem på en sådan måde, at friske produkter er udsat for krydskontaminering7. Antimikrobielle interventioner er nødvendige for bedre at kontrollere fødevarebårne sygdomme og fødevarefordærv, og de har potentiale til at blive anvendt på tværs af hele "fra jord til bord"-kæden. Mindre effekt og omkostninger.
En nanoteknologibaseret, kemikaliefri antimikrobiel platform er for nylig blevet udviklet til at inaktivere bakterier på overflader og i luften ved hjælp af kunstige vand-nanostrukturer (EWNS). Til syntesen af ​​EVNS blev to parallelle processer anvendt: elektrospray og vandionisering (fig. 1a). EWNS har tidligere vist sig at have et unikt sæt af fysiske og biologiske egenskaber8,9,10. EWNS har et gennemsnit på 10 elektroner pr. struktur og en gennemsnitlig nanometerstørrelse på 25 nm (fig. 1b,c)8,9,10. Derudover viste elektronspinresonans (ESR), at EWNS indeholder en stor mængde reaktive iltarter (ROS), primært hydroxyl (OH•) og superoxid (O2-) radikaler (fig. 1c)8. EWNS forblev i luften i lang tid og kunne kollidere med mikrober, der var suspenderet i luften og til stede på overflader, hvorved de leverede deres ROS-nyttelast og forårsagede mikrobiel inaktivering (fig. 1d). Disse tidligere undersøgelser viste også, at EWNS kan interagere med og inaktivere forskellige gramnegative og grampositive bakterier af folkesundhedsmæssig betydning, herunder mykobakterier, på overflader og i luften8,9. Transmissionselektronmikroskopi viste, at inaktiveringen var forårsaget af forstyrrelse af cellemembranen. Derudover har undersøgelser af akut inhalation vist, at høje doser af EWNS ikke forårsager lungeskader eller betændelse8.
(a) Elektrospray opstår, når en høj spænding påføres mellem en kapillær indeholdende væske og en modelektrode. (b) Påføring af høj spænding resulterer i to forskellige fænomener: (i) elektrospraying af vand og (ii) generering af reaktive iltarter (ioner) fanget i EWNS. (c) EWNS' unikke struktur. (d) EWNS er meget mobile på grund af deres nanoskala-natur og kan interagere med luftbårne patogener.
EWNS' antimikrobielle platforms evne til at inaktivere fødevarebårne mikroorganismer på overfladen af ​​friske fødevarer er også for nylig blevet demonstreret. Det er også blevet vist, at EWNS' overfladeladning kan bruges i kombination med et elektrisk felt til målrettet levering. Endnu vigtigere blev et lovende indledende resultat på ca. 1,4 log-reduktion i organisk tomataktivitet mod forskellige fødevaremikroorganismer såsom E. coli og Listeria observeret inden for 90 minutter efter eksponering for EWNS ved en koncentration på ca. 50.000 #/cm311. Derudover viste foreløbige organoleptiske evalueringstests ingen organoleptisk effekt sammenlignet med kontroltomaten. Selvom disse indledende inaktiveringsresultater lover fødevaresikkerhed, selv ved meget lave EWNS-doser på 50.000 #/cc. se, er det klart, at et højere inaktiveringspotentiale ville være mere gavnligt for yderligere at reducere risikoen for infektion og fordærv.
Her vil vi fokusere vores forskning på udviklingen af ​​en EWNS-genereringsplatform for at finjustere synteseparametrene og optimere de fysisk-kemiske egenskaber af EWNS for at forbedre deres antibakterielle potentiale. Optimeringen har især fokuseret på at øge deres overfladeladning (for at forbedre målrettet levering) og ROS-indhold (for at forbedre inaktiveringseffektiviteten). Karakterisering af optimerede fysisk-kemiske egenskaber (størrelse, ladning og ROS-indhold) ved hjælp af moderne analytiske metoder og almindelige fødevaremikroorganismer såsom E. coli, S. enterica, L. innocua, S. cerevisiae og M. parafortuitum.
EVNS blev syntetiseret ved samtidig elektrospraying og ionisering af vand med høj renhed (18 MΩ cm–1). Den elektriske forstøver 12 bruges typisk til at forstøve væsker og syntetiske polymer- og keramiske partikler 13 og fibre 14 af kontrolleret størrelse.
Som beskrevet i tidligere publikationer 8, 9, 10, 11, påføres der i et typisk eksperiment en høj spænding mellem en metalkapillær og en jordet modelektrode. Under denne proces forekommer to forskellige fænomener: 1) elektrospray og 2) ionisering af vand. Et stærkt elektrisk felt mellem de to elektroder forårsager opbygning af negative ladninger på overfladen af ​​det kondenserede vand, hvilket resulterer i dannelsen af ​​Taylor-kegler. Som følge heraf dannes der højt ladede vanddråber, som fortsætter med at bryde op i mindre partikler ifølge Rayleigh-teorien16. Samtidig forårsager et stærkt elektrisk felt, at nogle af vandmolekylerne splittes og afriver elektroner (ionisering), hvorved der genereres en stor mængde reaktive iltarter (ROS)17. Samtidig genererede ROS18-pakker blev indkapslet i EWNS (fig. 1c).
Figur 2a viser EWNS-genereringssystemet, der er udviklet og anvendt i EWNS-syntesen i dette studie. Renset vand opbevaret i en lukket flaske blev ført gennem et teflonrør (2 mm indre diameter) til en 30G rustfri stålnål (metalkapillær). Som vist i figur 2b styres vandstrømmen af ​​lufttrykket inde i flasken. Nålen er fastgjort til en teflonkonsol, der manuelt kan justeres til en bestemt afstand fra modelektroden. Modelektroden er en poleret aluminiumsskive med et hul i midten til prøveudtagning. Under modelektroden er der en prøveudtagningstragt af aluminium, som er forbundet til resten af ​​forsøgsopsætningen via en prøveudtagningsport (figur 2b). Alle prøveudtagerkomponenter er elektrisk jordforbundet for at undgå ladningsophobning, der kan forringe partikelprøveudtagningen.
(a) Konstrueret vand-nanostrukturgenereringssystem (EWNS). (b) Tværsnit af prøvetager og elektrosprayenhed, der viser de vigtigste parametre. (c) Eksperimentel opsætning til bakterieinaktivering.
Det ovenfor beskrevne EWNS-genereringssystem er i stand til at ændre vigtige driftsparametre for at lette finjusteringen af ​​EWNS-egenskaberne. Juster den påførte spænding (V), afstanden mellem nålen og modelektroden (L) og vandstrømmen (φ) gennem kapillærrøret for at finjustere EWNS-karakteristikaene. Symbolerne [V (kV), L (cm)] bruges til at betegne forskellige kombinationer. Juster vandstrømmen for at få en stabil Taylor-kegle med et bestemt sæt [V, L]. I forbindelse med denne undersøgelse blev modelektrodens (D) åbning indstillet til 0,5 tommer (1,29 cm).
På grund af den begrænsede geometri og asymmetri kan den elektriske feltstyrke ikke beregnes ud fra grundprincipper. I stedet blev QuickField™-softwaren (Svendborg, Danmark)19 brugt til at beregne det elektriske felt. Det elektriske felt er ikke ensartet, så værdien af ​​det elektriske felt ved spidsen af ​​kapillærrøret blev brugt som referenceværdi for forskellige konfigurationer.
Under undersøgelsen blev adskillige kombinationer af spænding og afstand mellem nålen og modelektroden evalueret med hensyn til Taylor-kegledannelse, Taylor-keglestabilitet, EWNS-produktionsstabilitet og reproducerbarhed. Forskellige kombinationer er vist i den supplerende tabel S1.
Udgangen fra EWNS-genereringssystemet var direkte forbundet til en Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS, model 3936, TSI, Shoreview, Minnesota) til at måle partikelkoncentrationen og blev brugt sammen med et Faraday aerosolelektrometer (TSI, model 3068B, Shoreview, USA). MN) til at måle aerosolstrømme, som beskrevet i vores tidligere publikation9. Både SMPS og aerosolelektrometeret tog prøver med en strømningshastighed på 0,5 L/min (total prøvestrøm 1 L/min). Partikelkoncentrationer og aerosolstrømme blev målt i 120 sekunder. Gentag målingen 30 gange. Den samlede aerosolladning beregnes ud fra strømmålinger, og den gennemsnitlige EWNS-ladning estimeres ud fra det samlede antal EWNS-partikler, der blev taget prøver af. Den gennemsnitlige omkostning ved EWNS kan beregnes ved hjælp af ligning (1):
hvor IEl er den målte strøm, NSMPS er den talmæssige koncentration målt med SMPS, og φEl er flowhastigheden til elektrometeret.
Da den relative luftfugtighed (RH) påvirker overfladeladningen, blev temperaturen og (RH) holdt konstante på henholdsvis 21 °C og 45 % under eksperimentet.
Atomkraftmikroskopi (AFM), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Santa Barbara, CA) og AC260T-probe (Olympus, Tokyo, Japan) blev brugt til at måle størrelsen og levetiden af ​​EWNS. AFM-scanningshastigheden er 1 Hz, og scanningsområdet er 5 µm × 5 µm med 256 scanningslinjer. Alle billeder blev underkastet førsteordens billedjustering ved hjælp af Asylum-software (maske med et område på 100 nm og en tærskel på 100 pm).
Fjern prøvetagningstragten, og placer glimmeroverfladen i en afstand af 2,0 cm fra modelektroden i en gennemsnitlig tid på 120 sekunder for at undgå sammenvoksning af partikler og dannelse af uregelmæssige dråber på glimmeroverfladen. EWNS blev påført direkte på friskskårne glimmeroverflader (Ted Pella, Redding, CA). Umiddelbart efter sputtering blev glimmeroverfladen visualiseret ved hjælp af AFM. Overfladekontaktvinklen for friskskåret umodificeret glimmer er tæt på 0°, så EWNS udbreder sig over glimmeroverfladen i en kuppelform20. Diameteren (a) og højden (h) af de diffuserende dråber blev målt direkte fra AFM-topografien og brugt til at beregne det kuppelformede diffusionsvolumen EWNS ved hjælp af vores tidligere validerede metode8. Forudsat at den indbyggede EVNS har samme volumen, kan den ækvivalente diameter beregnes ud fra ligning (2):
I overensstemmelse med vores tidligere udviklede metode blev en elektronspinresonans (ESR) spinfælde anvendt til at detektere tilstedeværelsen af ​​kortlivede radikalmellemprodukter i EWNS. Aerosoler blev ledt gennem en opløsning indeholdende 235 mM DEPMPO (5-(diethoxyphosphoryl)-5-methyl-1-pyrrolin-N-oxid) (Oxis International Inc., Portland, Oregon). Alle EPR-målinger blev udført ved hjælp af et Bruker EMX-spektrometer (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) og flade cellearrays. Acquisit-softwaren (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) blev brugt til at indsamle og analysere dataene. ROS-karakteriseringen blev kun udført for et sæt driftsbetingelser [-6,5 kV, 4,0 cm]. EWNS-koncentrationer blev målt ved hjælp af SMPS efter at have taget højde for tabet af EWNS i impaktoren.
Ozonniveauer blev overvåget ved hjælp af en 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Boulder, Colorado)8,9,10.
For alle EWNS-egenskaber er måleværdien middelværdien af ​​målingerne, og målefejlen er standardafvigelsen. En t-test blev udført for at sammenligne værdien af ​​den optimerede EWNS-attribut med den tilsvarende værdi af basis-EWNS.
Figur 2c viser et tidligere udviklet og karakteriseret elektrostatisk nedbørsgennemstrømningssystem (EPES), der kan bruges til at målrette EWNS11 mod overflader. EPES bruger en EWNS-ladning i kombination med et stærkt elektrisk felt til at "pege" direkte mod målets overflade. Detaljer om EPES-systemet er præsenteret i en nylig publikation af Pyrgiotakis et al.11. EPES består således af et 3D-printet PVC-kammer med koniske ender, der indeholder to parallelle metalplader af rustfrit stål (304 rustfrit stål, spejlpoleret) i midten med 15,24 cm mellemrum. Kortene var forbundet til en ekstern højspændingskilde (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY), bundkortet var altid positivt, og topkortet var altid jordet (flydende). Kammervæggene er dækket af aluminiumsfolie, som er elektrisk jordet for at forhindre partikeltab. Kammeret har en forseglet frontdør, der gør det muligt at placere testoverflader på plastikstativer og løfte dem væk fra bundpladen for at undgå højspændingsinterferens.
Deponeringseffektiviteten af ​​EWNS i EPES blev beregnet i henhold til en tidligere udviklet protokol beskrevet i supplerende figur S111.
Som kontrolkammer er den anden strøm gennem det cylindriske kammer serieforbundet med EPES-systemet ved hjælp af et mellemliggende HEPA-filter til at fjerne EWNS. Som vist i fig. 2c blev EWNS-aerosolen pumpet gennem to kamre forbundet i serie. Filteret mellem kontrolrummet og EPES fjerner eventuelt resterende EWNS, hvilket resulterer i samme temperatur (T), relative luftfugtighed (RH) og ozonniveauer.
Vigtige fødevarebårne mikroorganismer har vist sig at kontaminere friske råvarer, såsom Escherichia coli (ATCC #27325), en fækal indikator, Salmonella enterica (ATCC #53647), en fødevarebåren patogen, Listeria innocua (ATCC #33090), et alternativ til den patogene Listeria monocytogenes, Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098) som et alternativ til fordærvende gær, og Mycobacterium parafortuitous (ATCC #19686) som en mere resistent levende bakterie blev købt fra ATCC (Manassas, Virginia).
Køb tilfældige kasser med økologiske cherrytomater fra dit lokale marked og opbevar dem i køleskabet ved 4 °C indtil brug (op til 3 dage). Udvælg tomater for at eksperimentere med én størrelse, ca. 1,25 cm i diameter.
Protokollerne for inkubation, podning, eksponering og kolonitælling er blevet detaljeret beskrevet i vores tidligere publikationer og forklaret i detaljer i Supplerende Data 11. EWNS-ydeevne blev evalueret ved at udsætte podede tomater for 40.000 #/cm3 i 45 minutter. Kort fortalt blev tre tomater brugt til at evaluere de overlevende mikroorganismer ved tidspunktet t = 0 min. Tre tomater blev placeret i EPES og eksponeret for EWNS ved 40.000 #/cc (EWNS-eksponerede tomater), og tre andre blev placeret i kontrolkammeret (kontroltomater). Ingen af ​​tomatgrupperne blev underkastet yderligere bearbejdning. EWNS-eksponerede tomater og kontroller blev fjernet efter 45 minutter for at evaluere effekten af ​​EWNS.
Hvert eksperiment blev udført i triplikat. Dataanalyse blev udført i henhold til protokollen beskrevet i Supplerende Data.
E. coli-, Enterobacter- og L. innocua-bakterieprøver eksponeret for EWNS (45 min, EWNS-aerosolkoncentration 40.000 #/cm3) og ueksponerede blev pelleteret for at vurdere inaktiveringsmekanismer. Bundfaldet blev fikseret i 2 timer ved stuetemperatur i 0,1 M natriumcacodylatopløsning (pH 7,4) med et fikseringsmiddel af 2,5% glutaraldehyd, 1,25% paraformaldehyd og 0,03% pikrinsyre. Efter vask blev de fikseret med 1% osmiumtetroxid (OsO4)/1,5% kaliumferrocyanid (KFeCN6) i 2 timer, vasket 3 gange med vand og inkuberet i 1% uranylacetat i 1 time, derefter vasket to gange med vand. Efterfølgende dehydrering i 10 minutter hver af 50%, 70%, 90%, 100% alkohol. Prøverne blev derefter placeret i propylenoxid i 1 time og imprægneret med en 1:1 blanding af propylenoxid og TAAP Epon (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA). Prøverne blev indlejret i TAAB Epon og polymeriseret ved 60 °C i 48 timer. Den hærdede granulære harpiks blev skåret og visualiseret ved TEM ved hjælp af et JEOL 1200EX (JEOL, Tokyo, Japan), et konventionelt transmissionselektronmikroskop udstyret med et AMT 2k CCD-kamera (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, MA, USA).
Alle eksperimenter blev udført i triplikat. For hvert tidspunkt blev bakterievaskene udpladet i triplikat, hvilket resulterede i i alt ni datapunkter pr. punkt, hvis gennemsnit blev brugt som bakteriekoncentrationen for den pågældende organisme. Standardafvigelsen blev brugt som målefejl. Alle point tæller.
Logaritmen for faldet i bakteriekoncentrationen sammenlignet med t = 0 min blev beregnet ved hjælp af følgende formel:
hvor C0 er koncentrationen af ​​bakterier i kontrolprøven på tidspunkt 0 (dvs. efter at overfladen er tørret, men før den placeres i kammeret), og Cn er koncentrationen af ​​bakterier på overfladen efter n minutters eksponering.
For at tage højde for den naturlige nedbrydning af bakterier i løbet af eksponeringsperioden på 45 minutter blev Log-reduktion også beregnet sammenlignet med kontrolgruppen efter 45 minutter som følger:
Hvor Cn er koncentrationen af ​​bakterier i kontrolprøven på tidspunkt n, og Cn-Control er koncentrationen af ​​kontrolbakterier på tidspunkt n. Data præsenteres som en logaritmisk reduktion sammenlignet med kontrol (ingen EWNS-eksponering).
Under undersøgelsen blev adskillige kombinationer af spænding og afstand mellem nålen og modelektroden evalueret med hensyn til Taylor-kegledannelse, Taylor-keglestabilitet, EWNS-produktionsstabilitet og reproducerbarhed. Forskellige kombinationer er vist i den supplerende tabel S1. To cases blev udvalgt til en komplet undersøgelse, der viser stabile og reproducerbare egenskaber (Taylor-kegle, EWNS-produktion og stabilitet over tid). Fig. 3 viser resultaterne af ladning, størrelse og indhold af ROS for to cases. Resultaterne er også opsummeret i tabel 1. Til reference inkluderer figur 3 og tabel 1 egenskaberne af den tidligere syntetiserede ikke-optimerede EWNS8, 9, 10, 11 (baseline-EWNS). Statistiske signifikansberegninger ved hjælp af en tosidet t-test er genoffentliggjort i den supplerende tabel S2. Derudover inkluderer yderligere data undersøgelser af effekten af ​​modelektrodens samplingshuldiameter (D) og afstanden mellem jordelektroden og nålens spids (L) (supplerende figurer S2 og S3).
(a-c) AFM-størrelsesfordeling. (d-f) Overfladeladningskarakteristik. (g) Karakterisering af ROS og ESR.
Det er også vigtigt at bemærke, at for alle ovenstående forhold lå de målte ioniseringsstrømme i området 2-6 µA, og spændingerne lå i området -3,8 til -6,5 kV, hvilket resulterede i et strømforbrug for denne enkeltterminale EWNS på mindre end 50 mW. . generationsmodul. Selvom EWNS blev syntetiseret under højt tryk, var ozonniveauerne meget lave og oversteg aldrig 60 ppb.
Supplerende figur S4 viser de simulerede elektriske felter for henholdsvis scenarierne [-6,5 kV, 4,0 cm] og [-3,8 kV, 0,5 cm]. Felterne i henhold til scenarierne [-6,5 kV, 4,0 cm] og [-3,8 kV, 0,5 cm] er beregnet som henholdsvis 2 × 105 V/m og 4,7 × 105 V/m. Dette er forventeligt, da forholdet mellem spænding og afstand er meget højere i det andet tilfælde.
Figur 3a og 3b viser EWNS-diameteren målt med AFM8. De gennemsnitlige EWNS-diametre for scenarierne [-6,5 kV, 4,0 cm] og [-3,8 kV, 0,5 cm] blev beregnet til henholdsvis 27 nm og 19 nm. De geometriske standardafvigelser for fordelingene for tilfældene [-6,5 kV, 4,0 cm] og [-3,8 kV, 0,5 cm] er henholdsvis 1,41 og 1,45, hvilket indikerer en smal størrelsesfordeling. Både den gennemsnitlige størrelse og den geometriske standardafvigelse er meget tæt på baseline-EWNS, idet de er henholdsvis 25 nm og 1,41. Figur 3c viser størrelsesfordelingen af ​​baseline-EWNS målt ved hjælp af samme metode under de samme forhold.
På fig. 3d, e vises resultaterne af ladningskarakteriseringen. Dataene er gennemsnitsmålinger af 30 samtidige målinger af koncentration (#/cm3) og strøm (I). Analysen viser, at den gennemsnitlige ladning på EWNS er 22 ± 6 e- og 44 ± 6 e- for henholdsvis [-6,5 kV, 4,0 cm] og [-3,8 kV, 0,5 cm]. Sammenlignet med Baseline-EWNS (10 ± 2 e-) er deres overfladeladning betydeligt højere, dobbelt så høj som i [-6,5 kV, 4,0 cm]-scenariet og fire gange så høj som i [-3,8 kV, 0,5 cm]. 3f viser grundlæggende EWNS-betalingsdata.
Ud fra EWNS-koncentrationskortene (supplerende figurer S5 og S6) kan det ses, at scenen [-6,5 kV, 4,0 cm] har et signifikant højere antal partikler end scenen [-3,8 kV, 0,5 cm]. Det skal også bemærkes, at EWNS-koncentrationerne blev overvåget i op til 4 timer (supplerende figurer S5 og S6), hvor EWNS-generationsstabiliteten viste de samme niveauer af partikelkoncentrationer i begge tilfælde.
Figur 3g viser EPR-spektret efter kontrol- (baggrunds-) subtraktion for optimeret EWNS ved [-6,5 kV, 4,0 cm]. ROS-spektret er også sammenlignet med EWNS-baseline i en tidligere publiceret artikel. Det beregnede antal EWNS, der reagerer med spinfælden, er 7,5 × 104 EWNS/s, hvilket svarer til den tidligere publicerede Baseline-EWNS8. EPR-spektrene indikerede tydeligt tilstedeværelsen af ​​to typer ROS, hvor O2- dominerede, mens OH• var til stede i en mindre mængde. Derudover viste en direkte sammenligning af peakintensiteterne, at det optimerede EWNS havde et signifikant højere ROS-indhold sammenlignet med baseline EWNS.
Figur 4 viser aflejringseffektiviteten af ​​EWNS i EPES. Dataene er også opsummeret i tabel I og sammenlignet med de oprindelige EWNS-data. For begge EUNS-tilfælde var aflejringen tæt på 100 %, selv ved en lav spænding på 3,0 kV. Typisk er 3,0 kV tilstrækkeligt til at opnå 100 % aflejring uanset ændring i overfladeladning. Under de samme forhold var aflejringseffektiviteten af ​​Baseline-EWNS kun 56 % på grund af den lavere ladning (gennemsnit 10 elektroner pr. EWNS).
Figur 5 og tabel 2 opsummerer graden af ​​inaktivering af mikroorganismer inokuleret på overfladen af ​​tomater efter eksponering for cirka 40.000 #/cm3 EWNS i 45 minutter under det optimale scenarie [-6,5 kV, 4,0 cm]. Inokuleret E. coli og L. innocua viste en signifikant reduktion på 3,8 log efter 45 minutters eksponering. Under de samme forhold viste S. enterica en lavere log-reduktion på 2,2 log, mens S. cerevisiae og M. parafortuitum viste en reduktion på 1,0 log.
Elektronmikroskopiske billeder (Figur 6), der viser de fysiske ændringer induceret af EWNS i E. coli-, Salmonella enterica- og L. innocua-celler, hvilket fører til inaktivering. Kontrolbakterier viste intakte cellemembraner, mens eksponerede bakterier havde beskadigede ydre membraner.
Elektronmikroskopisk billeddannelse af kontrol- og eksponerede bakterier afslørede membranskader.
Dataene om de fysisk-kemiske egenskaber af de optimerede EWNS viser samlet set, at EWNS-egenskaberne (overfladeladning og ROS-indhold) blev signifikant forbedret sammenlignet med de tidligere offentliggjorte EWNS-basislinjedata8,9,10,11. På den anden side forblev deres størrelse i nanometerområdet, hvilket minder meget om tidligere offentliggjorte resultater, hvilket tillod dem at forblive i luften i lang tid. Den observerede polydispersitet kan forklares ved ændringer i overfladeladningen, som bestemmer størrelsen af ​​Rayleigh-effekten, tilfældighed og potentiel sammensmeltning af EWNS. Men som beskrevet af Nielsen et al.22 reducerer en høj overfladeladning fordampning ved effektivt at øge vanddråbens overfladeenergi/spænding. Denne teori blev eksperimentelt bekræftet for mikrodråber22 og EWNS i vores tidligere publikation8. Tabet af overtid kan også påvirke størrelsen og bidrage til den observerede størrelsesfordeling.
Derudover er ladningen pr. struktur omkring 22-44 e-, afhængigt af omstændighederne, hvilket er betydeligt højere sammenlignet med den grundlæggende EWNS, som har en gennemsnitlig ladning på 10 ± 2 elektroner pr. struktur. Det skal dog bemærkes, at dette er den gennemsnitlige ladning for EWNS. Seto et al. Det er blevet vist, at ladningen ikke er ensartet og følger en logaritmisk normalfordeling21. Sammenlignet med vores tidligere arbejde fordobler en fordobling af overfladeladningen aflejringseffektiviteten i EPES-systemet til næsten 100%11.