Dankon pro via vizito al Nature.com. La retumilversio, kiun vi uzas, havas limigitan subtenon por CSS. Por la plej bona sperto, ni rekomendas, ke vi uzu ĝisdatigitan retumilon (aŭ malŝaltu la Kongruecan Reĝimon en Internet Explorer). Dume, por certigi daŭran subtenon, ni prezentos la retejon sen stiloj kaj JavaScript.
Karuselo montranta tri lumbildojn samtempe. Uzu la butonojn Antaŭa kaj Sekva por moviĝi tra tri lumbildoj samtempe, aŭ uzu la butonojn de la ŝovilo ĉe la fino por moviĝi tra tri lumbildoj samtempe.
Lastatempe, oni evoluigis kemiaĵ-liberan antimikroban platformon bazitan sur nanoteknologio uzanta artefaritajn akvajn nanostrukturojn (EWNS). EWNS havas altan surfacan ŝargon kaj estas saturitaj per reaktivaj oksigenaj specioj (ROS), kiuj povas interagi kun kaj inaktivigi kelkajn mikroorganismojn, inkluzive de nutraĵdevenaj patogenoj. Ĉi tie oni montras, ke iliaj ecoj dum sintezo povas esti fajne agorditaj kaj optimumigitaj por plue plibonigi ilian antibakterian potencialon. La laboratorioplatformo de EWNS estis desegnita por fajne agordiĝi la ecojn de EWNS per ŝanĝo de la sintezaj parametroj. Karakterizado de EWNS-ecoj (ŝargo, grandeco kaj enhavo de ROS) uzante modernajn analizajn metodojn. Krome, ili estis taksitaj pri sia mikroba inaktiviga potencialo kontraŭ nutraĵdevenaj mikroorganismoj kiel Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocuous, Mycobacterium paraaccidentum kaj Saccharomyces cerevisiae. La rezultoj prezentitaj ĉi tie montras, ke la ecoj de EWNS povas esti fajne agorditaj dum sintezo, rezultante en eksponenta pliiĝo de inaktiviga efikeco. Aparte, la surfaca ŝargo pliiĝis je faktoro de kvar kaj la reaktivaj oksigenaj specioj pliiĝis. La mikroba forigofteco estis mikrobe-dependa kaj variis de 1,0 ĝis 3,8 log post 45-minuta eksponiĝo al aerosola dozo de 40,000 #/cc EWNS.
Mikroba poluado estas la ĉefa kaŭzo de nutraĵdevenaj malsanoj kaŭzitaj de la konsumado de patogenoj aŭ iliaj toksinoj. En Usono sole, nutraĵdevenaj malsanoj kaŭzas ĉirkaŭ 76 milionojn da malsanoj, 325 000 enhospitaligojn kaj 5 000 mortojn ĉiujare1. Krome, la Usona Departemento pri Agrikulturo (USDA) taksas, ke pliigita konsumo de freŝaj produktoj respondecas pri 48% de ĉiuj raportitaj nutraĵdevenaj malsanoj en Usono2. La kosto de malsanoj kaj mortoj kaŭzitaj de nutraĵdevenaj patogenoj en Usono estas tre alta, taksita de la Centroj por Malsankontrolo kaj Preventado (CDC) je pli ol 15,6 miliardoj da usonaj dolaroj jare3.
Nuntempe, kemiaj4, radiaj5 kaj termikaj6 antimikrobaj intervenoj por certigi nutraĵsekurecon plejparte efektivigas ĉe limigitaj kritikaj kontrolpunktoj (CCP-oj) laŭlonge de la produktadĉeno (kutime post rikolto kaj/aŭ dum pakado) anstataŭ kontinue. Tial, ili estas emaj al kruc-poluado. 7. Pli bona kontrolo de nutraĵdevenaj malsanoj kaj manĝaĵputriĝo postulas antimikrobajn intervenojn, kiuj povas esti aplikitaj tra la tuta procezo de bieno al tablo, samtempe reduktante median efikon kaj kostojn.
Lastatempe, oni evoluigis kemiaĵ-liberan, nanoteknologie bazitan antimikroban platformon, kiu povas inaktivigi surfacajn kaj aerajn bakteriojn uzante artefaritajn akvajn nanostrukturojn (EWNS). EWNS estis sintezita uzante du paralelajn procezojn, elektrosprajon kaj akvojonigon (Fig. 1a). Antaŭaj studoj montris, ke EWNS havas unikan aron de fizikaj kaj biologiaj ecoj8,9,10. EWNS havas averaĝe 10 elektronojn po strukturo kaj averaĝan nanoskalan grandecon de 25 nm (Fig. 1b,c)8,9,10. Krome, elektrona spina resonanco (ESR) montris, ke EWNS enhavas grandan kvanton da reaktivaj oksigenaj specioj (ROS), ĉefe hidroksilaj (OH•) kaj superoksidaj (O2-) radikaluloj (Fig. 1c)8. EVNS estas en la aero dum longa tempo kaj povas kolizii kun mikroorganismoj suspenditaj en la aero kaj ĉeestantaj sur la surfaco, liverante sian ROS-ŝarĝon kaj kaŭzante inaktivigon de mikroorganismoj (Fig. 1d). Ĉi tiuj fruaj studoj ankaŭ montris, ke EWNS povas interagi kun kaj inaktivigi diversajn gram-negativajn kaj gram-pozitivajn bakteriojn, inkluzive de mikobakterioj, sur surfacoj kaj en la aero. Transmisia elektrona mikroskopio montris, ke la inaktivigo estis kaŭzita de rompo de la ĉelmembrano. Krome, studoj pri akuta enspiro montris, ke altaj dozoj de EWNS ne kaŭzas pulman difekton aŭ inflamon 8.
(a) Elektroŝprucado okazas kiam alta tensio estas aplikata inter kapilara tubo enhavanta likvaĵon kaj kontraŭelektrodo. (b) La apliko de alta premo rezultas en du malsamaj fenomenoj: (i) elektroŝprucado de akvo kaj (ii) formado de reaktivaj oksigenaj specioj (jonoj) kaptitaj en la EWNS. (c) La unika strukturo de EWNS. (d) Pro sia nanoskala naturo, EWNS estas tre moveblaj kaj povas interagi kun aeraj patogenoj.
La kapablo de la antimikroba platformo EWNS inaktivigi nutraĵ-devenajn mikroorganismojn sur la surfaco de freŝaj nutraĵoj ankaŭ estis ĵus montrita. Ankaŭ estis montrite, ke la surfaca ŝargo de EWNS kombine kun elektra kampo povas esti uzata por atingi celitan liveradon. Krome, preparaj rezultoj por organikaj tomatoj post 90-minuta eksponiĝo je EWNS de ĉirkaŭ 50 000 #/cm3 estis kuraĝigaj, kun diversaj nutraĵ-devenaj mikroorganismoj kiel E. coli kaj Listeria 11 observitaj. Krome, preparaj organoleptaj testoj montris neniujn sensajn efikojn kompare kun kontroltomatoj. Kvankam ĉi tiuj komencaj inaktivigaj rezultoj estas kuraĝigaj por nutraĵsekurecaj aplikoj eĉ ĉe tre malaltaj EWNS-dozoj de 50 000 #/cm3, estas klare, ke pli alta inaktiviga potencialo estus pli utila por plue redukti la riskon de infekto kaj putriĝo.
Ĉi tie, ni enfokusigos nian esploradon al la disvolviĝo de platformo por generado de EWNS-oj por ebligi fajnan agordon de sintezaj parametroj kaj optimumigon de la fizik-kemiaj ecoj de EWNS por plibonigi ilian kontraŭbakterian potencialon. Aparte, optimumigo fokusiĝis al pliigo de ilia surfaca ŝargo (por plibonigi celitan liveradon) kaj ROS-enhavo (por plibonigi la efikecon de inaktivigo). Karakterizi optimumigitajn fizik-kemiajn ecojn (grandeco, ŝargo kaj ROS-enhavo) uzante modernajn analizajn metodojn kaj uzi komunajn manĝaĵajn mikroorganismojn kiel ekzemple E. .
EVNS estis sintezita per samtempa elektroŝprucado kaj jonigo de altpureca akvo (18 MΩ cm–1). La elektra nebulizilo 12 estas tipe uzata por la atomigo de likvaĵoj kaj la sintezo de polimeraj kaj ceramikaj partikloj 13 kaj fibroj 14 de kontrolita grandeco.
Kiel detale priskribite en antaŭaj publikaĵoj 8, 9, 10, 11, en tipa eksperimento, alta tensio estis aplikita inter metala kapilaro kaj terkonektita kontraŭelektrodo. Dum ĉi tiu procezo, okazas du malsamaj fenomenoj: i) elektrosprajado kaj ii) akva jonigo. Forta elektra kampo inter la du elektrodoj kaŭzas la amasiĝon de negativaj ŝargoj sur la surfaco de la kondensita akvo, rezultante en la formado de Taylor-konusoj. Rezulte, formiĝas tre ŝargitaj akvogutoj, kiuj daŭre rompiĝas en pli malgrandajn partiklojn, kiel en la Rayleigh-teorio16. Samtempe, fortaj elektraj kampoj kaŭzas la disiĝon kaj forigon de elektronoj (jonigon) de iuj akvomolekuloj, kio kondukas al la formado de granda kvanto da reaktivaj oksigenaj specioj (ROS)17. Samtempe generita ROS18 estis enkapsuligita en EWNS (Fig. 1c).
En figuro 2a estas montrita la EWNS-generacia sistemo, evoluigita kaj uzita en la EWNS-sintezo en ĉi tiu studo. Purigita akvo, konservita en fermita botelo, estis enmetita tra teflona tubo (2 mm interna diametro) en 30G-neoksideblan ŝtalan nadlon (metalan kapilaron). La akvofluo estas kontrolata per la aerpremo ene de la botelo, kiel montrite en figuro 2b. La nadlo estas muntita sur teflona konzolo kaj povas esti mane alĝustigita ĝis certa distanco de la kontraŭelektrodo. La kontraŭelektrodo estas polurita aluminia disko kun truo en la centro por specimenigo. Sub la kontraŭelektrodo estas aluminia specimeniga funelo, kiu estas konektita al la resto de la eksperimenta aranĝo per specimeniga pordo (Fig. 2b). Por eviti ŝargan amasiĝon, kiu povus interrompi la funkciadon de la specimenilo, ĉiuj specimenilaj komponantoj estas elektre terkonektitaj.
(a) Inĝenierita Sistemo por Generado de Akvaj Nanostrukturoj (EWNS). (b) Sekco de la specimenigilo kaj elektroŝprucaĵo, montrante la plej gravajn parametrojn. (c) Eksperimenta aranĝo por bakteria inaktivigo.
La supre priskribita sistemo por generado de EWNS kapablas ŝanĝi ŝlosilajn funkciajn parametrojn por faciligi fajnan agordon de la EWNS-ecoj. Adaptu la aplikatan tension (V), la distancon inter la pinglo kaj la kontraŭelektrodo (L), kaj la akvofluon (φ) tra la kapilaro por fajnagordi la EWNS-karakterizaĵojn. Simbolo uzata por reprezenti malsamajn kombinaĵojn: [V (kV), L (cm)]. Adaptu la akvofluon por atingi stabilan Taylor-konuson de certa aro [V, L]. Por la celoj de ĉi tiu studo, la aperturdiametro de la kontraŭelektrodo (D) estis konservita je 0,5 coloj (1,29 cm).
Pro la limigita geometrio kaj malsimetrio, la intenseco de la elektra kampo ne povas esti kalkulita laŭ unuaj principoj. Anstataŭe, la programaro QuickField™ (Svendborg, Danio)19 estis uzata por kalkuli la elektran kampon. La elektra kampo ne estas uniforma, do la valoro de la elektra kampo ĉe la pinto de la kapilaro estis uzata kiel referenca valoro por diversaj konfiguracioj.
Dum la studo, pluraj kombinaĵoj de tensio kaj distanco inter la pinglo kaj la kontraŭelektrodo estis taksitaj laŭ la formado de Taylor-konuso, Taylor-konuso stabileco, EWNS-produktadstabileco, kaj reproduktebleco. Diversaj kombinaĵoj estas montritaj en Aldona Tabelo S1.
La eligo de la EWNS-generacia sistemo estis rekte konektita al Skananta Moviĝebla Partikla Grandecanalizilo (SMPS, Modelo 3936, TSI, Shoreview, MN) por mezurado de partikla nombrokoncentriĝo, same kiel al Aerosola Faraday-Elektrometro (TSI, Modelo 3068B, Shoreview, MN). ) por aerosolaj fluoj estis mezurita kiel priskribite en nia antaŭa publikaĵo. Kaj la SMPS kaj la aerosola elektrometro specimenis je flukvanto de 0.5 L/min (tuta specimenfluo 1 L/min). La nombrokoncentriĝo de partikloj kaj la aerosola fluo estis mezuritaj dum 120 sekundoj. La mezurado estas ripetata 30 fojojn. Surbaze de nunaj mezuradoj, la tuta aerosola ŝargo estas kalkulita kaj la meza EWNS-ŝargo estas taksita por donita tuta nombro de elektitaj EWNS-partikloj. La meza kosto de EWNS povas esti kalkulita per Ekvacio (1):
kie IEl estas la mezurita kurento, NSMPS estas la cifereca koncentriĝo mezurita per la SMPS, kaj φEl estas la flukvanto por elektrometro.
Ĉar relativa humideco (RH) influas surfacan ŝargon, temperaturo kaj (RH) estis tenataj konstantaj dum la eksperimento je 21 °C kaj 45%, respektive.
Atomforta mikroskopio (AFM), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Santa Barbara, Kalifornio) kaj AC260T-sondilo (Olympus, Tokio, Japanio) estis uzitaj por mezuri la grandecon kaj vivdaŭron de la EWNS. La AFM-skanadfrekvenco estis 1 Hz, la skanada areo estis 5 μm × 5 μm, kaj 256 skanlinioj. Ĉiuj bildoj estis submetitaj al unua-orda bildaranĝigo uzante Asylum-programaron (maska ​​intervalo 100 nm, sojlo 100 pm).
La testa funelo estis forigita kaj la glimsurfaco estis metita je distanco de 2.0 cm de la kontraŭelektrodo dum averaĝa tempo de 120 sekundoj por eviti partiklaglomeradon kaj formadon de neregulaj gutetoj sur la glimsurfaco. EWNS estis ŝprucita rekte sur la surfacon de ĵus tranĉita glimo (Ted Pella, Redding, Kalifornio). Bildo de la glimsurfaco tuj post AFM-ŝprucado. La kontakta angulo de la surfaco de ĵus tranĉita nemodifita glimo estas proksima al 0°, do EVNS estas distribuita sur la glimsurfaco en formo de kupolo. La diametro (a) kaj alto (h) de la difuzaj gutetoj estis mezuritaj rekte de la AFM-topografio kaj uzitaj por kalkuli la kupolhavan difuzvolumenon de la EWNS uzante nian antaŭe validigitan metodon. Supozante, ke la surŝipaj EWNS havas la saman volumenon, la ekvivalenta diametro povas esti kalkulita uzante Ekvacion (2):
Surbaze de nia antaŭe evoluigita metodo, elektrona spina resonanca (ESR) spina kaptilo estis uzata por detekti la ĉeeston de mallongdaŭraj radikalaj intermediatoj en EWNS. Aerosoloj estis bobelitaj tra 650 μm Midget-ŝprucigilo (Ace Glass, Vineland, NJ) enhavanta 235 mM solvaĵon de DEPMPO(5-(dietoksifosforil)-5-metil-1-pirolin-N-oksido) (Oxis International Inc.). Portlando, Oregono). Ĉiuj ESR-mezuradoj estis faritaj uzante Bruker EMX-spektrometron (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, Usono) kaj platan panelan ĉelon. La Acquisit-programaro (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, Usono) estis uzata por kolekti kaj analizi la datumojn. Determino de la karakterizaĵoj de la ROS estis farita nur por aro de funkciaj kondiĉoj [-6.5 kV, 4.0 cm]. EWNS-koncentriĝoj estis mezuritaj uzante la SMPS post enkalkulado de EWNS-perdoj en la frapilo.
Ozonniveloj estis monitoritaj uzante 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Boulder, Koloradio)8,9,10.
Por ĉiuj EWNS-ecoj, la mezvaloro estas uzata kiel la mezurvaloro, kaj la norma devio estas uzata kiel la mezureraro. T-testoj estis faritaj por kompari la valorojn de la optimumigitaj EWNS-atributoj kun la respondaj valoroj de la baza EWNS.
Figuro 2c montras antaŭe evoluigitan kaj karakterizitan elektrostatikan precipitaĵan (EPES) "tiran" sistemon, kiu povas esti uzata por celita liverado de EWNS ĉe la surfaco. EPES uzas EVNS-ŝargojn, kiuj povas esti "gviditaj" rekte al la surfaco de la celo sub la influo de forta elektra kampo. Detaloj pri la EPES-sistemo estas prezentitaj en lastatempa publikaĵo de Pyrgiotakis et al. 11. Tiel, EPES konsistas el 3D-presita PVC-kamero kun konusformaj finoj kaj enhavas du paralelajn rustorezistan ŝtalon (304 rustorezista ŝtalo, spegul-kovrita) metalajn platojn en la centro 15.24 cm aparte. La platoj estis konektitaj al ekstera alttensia fonto (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY), la malsupra plato ĉiam estis konektita al pozitiva tensio, kaj la supra plato ĉiam estis konektita al tero (flosanta tero). La kamermuroj estas kovritaj per aluminia folio, kiu estas elektre terkonektita por malhelpi partiklan perdon. La ĉambro havas sigelitan antaŭan ŝarĝpordon, kiu permesas meti testsurfacojn sur plastajn standojn, kiuj levas ilin super la malsupra metala plato por eviti altatensian interferon.
La depozicia efikeco de EWNS en EPES estis kalkulita laŭ antaŭe evoluigita protokolo detala en Aldona Figuro S111.
Kiel kontrolĉambro, dua cilindra fluoĉambro estis konektita serie al la EPES-sistemo, en kiu meza HEPA-filtrilo estis uzata por forigi EWNS-ojn. Kiel montrite en Figuro 2c, la EWNS-aerosolo estis pumpita tra du enkonstruitaj ĉambroj. La filtrilo inter la kontrolĉambro kaj EPES forigas ajnan restantan EWNS, rezultante en la sama temperaturo (T), relativa humideco (RH) kaj ozonniveloj.
Gravaj nutraĵ-portitaj mikroorganismoj poluas freŝajn nutraĵojn kiel ekzemple E. coli (ATCC #27325), feka indikilo, Salmonella enterica (ATCC #53647), nutraĵ-portita patogeno, Listeria harmful (ATCC #33090), surogato por patogena Listeria monocytogenes, derivita de ATCC (Manassas, VA) Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098), anstataŭaĵo por putriĝa gisto, kaj pli rezistema inaktivigita bakterio, Mycobacterium paralucky (ATCC #19686).
Aĉetu hazardajn skatolojn da organikaj vinbertomatoj de via loka merkato kaj fridugu ilin je 4°C ĝis uzo (ĝis 3 tagoj). La eksperimentaj tomatoj estis ĉiuj samgrandaj, ĉirkaŭ 1/2 colo en diametro.
La protokoloj pri kulturo, inokulado, eksponado, kaj kolonikalkulado estas detaligitaj en nia antaŭa publikaĵo kaj en la Aldonaj Datumoj. La efikeco de EWNS estis taksita per eksponado de inokulitaj tomatoj al 40,000 #/cm3 dum 45 minutoj. Mallonge, tri tomatoj estis uzitaj por taksi la postvivantajn mikroorganismojn je tempo t = 0 min. Tri tomatoj estis metitaj en EPES kaj eksponitaj al EWNS je 40,000 #/cc (EWNS-eksponitaj tomatoj) kaj la ceteraj tri estis metitaj en la kontrolĉambron (kontroltomatoj). Plia prilaborado de tomatoj en ambaŭ grupoj ne estis efektivigita. EWNS-eksponitaj tomatoj kaj kontroltomatoj estis forigitaj post 45 minutoj por taksi la efikon de EWNS.
Ĉiu eksperimento estis efektivigita trioble. Datumanalizo estis farita laŭ la protokolo priskribita en Aldonaj Datumoj.
Malaktivigaj mekanismoj estis taksitaj per sedimentado de eksponitaj EWNS-specimenoj (45 minutoj je 40.000 #/cm3 EWNS-aerosola koncentriĝo) kaj ne-surradiitaj specimenoj de sendanĝeraj bakterioj E. coli, Salmonella enterica kaj Lactobacillus. La partikloj estis fiksitaj en 2,5% glutaraldehido, 1,25% paraformaldehido kaj 0,03% pikrata acido en 0,1 M natria kakodilata bufro (pH 7,4) dum 2 horoj je ĉambra temperaturo. Post lavado, post-fiksado kun 1% osmia tetraoksido (OsO4)/1,5% kalia ferocianido (KFeCN6) dum 2 horoj, lavado 3 fojojn en akvo kaj kovado en 1% uranila acetato dum 1 horo, poste lavado dufoje en akvo, poste senakvigado dum 10 minutoj en 50%, 70%, 90%, 100% alkoholo. La specimenoj estis poste metitaj en propilenan oksidon dum 1 horo kaj impregnitaj per 1:1 miksaĵo de propilena oksido kaj TAAP Epon (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA). La specimenoj estis enmetitaj en TAAB Epon kaj polimerigitaj je 60°C dum 48 horoj. La hardita grajneca rezino estis tranĉita kaj bildigita per TEM uzante konvencian transmisian elektronan mikroskopon JEOL 1200EX (JEOL, Tokio, Japanio) ekipitan per AMT 2k CCD-fotilo (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, Masaĉuseco, Usono).
Ĉiuj eksperimentoj estis faritaj trioble. Por ĉiu tempopunkto, bakteriaj lavaĵoj estis semitaj trioble, rezultante entute naŭ datenpunktoj por punkto, kies averaĝo estis uzata kiel la bakteria koncentriĝo por tiu specifa mikroorganismo. La norma devio estis uzata kiel la mezureraro. Ĉiuj punktoj validas.
La logaritmo de la malpliiĝo de la bakteria koncentriĝo kompare kun t = 0 min estis kalkulita per la jena formulo:
kie C0 estas la koncentriĝo de bakterioj en la kontrolprovaĵo je tempo 0 (t.e. post kiam la surfaco sekiĝis sed antaŭ ol ĝi estas metita en la ĉambron) kaj Cn estas la koncentriĝo de bakterioj sur la surfaco post n minutoj da eksponiĝo.
Por konsideri la naturan putriĝon de bakterioj dum la 45-minuta eksponiĝo, la logaritma redukto kompare kun la kontrolo post 45 minutoj ankaŭ estis kalkulita jene:
kie Cn estas la koncentriĝo de bakterioj en la kontrolspecimeno je tempo n kaj Cn-Kontrolo estas la koncentriĝo de kontrolbakterioj je tempo n. Datumoj estas prezentitaj kiel logaritma redukto kompare kun kontrolo (neniu EWNS-eksponiĝo).
Dum la studo, pluraj kombinaĵoj de tensio kaj distanco inter la pinglo kaj la kontraŭelektrodo estis taksitaj laŭ la formado de Taylor-konuso, Taylor-konuso stabileco, EWNS-produktada stabileco kaj reproduktebleco. Diversaj kombinaĵoj estas montritaj en Aldona Tabelo S1. Du kazoj montrantaj stabilajn kaj reprodukteblajn ecojn (Taylor-konuso, EWNS-generado kaj stabileco laŭlonge de la tempo) estis elektitaj por ampleksa studo. En figuro 3, figuro 3 montras la rezultojn por la ŝargo, grandeco kaj enhavo de ROS en ambaŭ kazoj. La rezultoj ankaŭ estas montritaj en Tabelo 1. Por referenco, kaj Figuro 3 kaj Tabelo 1 inkluzivas la ecojn de la antaŭe sintezitaj ne-optimumigitaj EWNS8, 9, 10, 11 (bazlinia EWNS). Kalkuloj de statistika signifo uzante duvostan t-teston estas republikigitaj en Aldona Tabelo S2. Krome, pliaj datumoj inkluzivas studojn pri la efiko de la diametro de la specimeniga truo de la kontraŭelektrodo (D) kaj la distanco inter la grunda elektrodo kaj la pinto (L) (Aldonaj Figuroj S2 kaj S3).
(ac) Grandecdistribuo mezurita per AFM. (df) Surfacŝarga karakterizaĵo. (g) ROS-karakterizaĵo de la EPR.
Gravas ankaŭ rimarki, ke por ĉiuj supre menciitaj kondiĉoj, la mezurita joniga kurento estis inter 2 kaj 6 μA kaj la tensio inter -3,8 kaj -6,5 kV, rezultante en elektrokonsumo malpli ol 50 mW por ĉi tiu ununura EWNS-generacia kontaktomodulo. Kvankam EWNS estis sintezita sub alta premo, la ozonniveloj estis tre malaltaj, neniam superante 60 ppb.
Aldona Figuro S4 montras la simulitajn elektrajn kampojn por la scenaroj [-6,5 kV, 4,0 cm] kaj [-3,8 kV, 0,5 cm], respektive. Por la scenaroj [-6,5 kV, 4,0 cm] kaj [-3,8 kV, 0,5 cm], la kampaj kalkuloj estas 2 × 10⁵ V/m kaj 4,7 × 10⁵ V/m, respektive. Ĉi tio estas atendata, ĉar en la dua kazo la proporcio inter tensio kaj distanco estas multe pli alta.
En fig. 3a,b montras la diametron de EWNS mezurita per la AFM8. La kalkulitaj averaĝaj EWNS-diametroj estis 27 nm kaj 19 nm por la skemoj [-6.5 kV, 4.0 cm] kaj [-3.8 kV, 0.5 cm], respektive. Por la scenaroj [-6.5 kV, 4.0 cm] kaj [-3.8 kV, 0.5 cm], la geometriaj normaj devioj de la distribuoj estas 1.41 kaj 1.45, respektive, indikante mallarĝan grandecdistribuon. Kaj la meza grandeco kaj la geometria norma devio estas tre proksimaj al la baza EWNS, je 25 nm kaj 1.41, respektive. En fig. 3c montras la grandecdistribuon de la baza EWNS mezurita uzante la saman metodon sub la samaj kondiĉoj.
En fig. 3d,e montras la rezultojn de ŝarga karakterizado. Datumoj estas averaĝaj mezuroj de 30 samtempaj mezuroj de koncentriĝo (#/cm3) kaj kurento (I). La analizo montras, ke la averaĝa ŝargo sur la EWNS estas 22 ± 6 e- kaj 44 ± 6 e- por [-6,5 kV, 4,0 cm] kaj [-3,8 kV, 0,5 cm], respektive. Ili havas signife pli altajn surfacajn ŝargojn kompare kun la baza EWNS (10 ± 2 e-), duoble pli grandajn ol la scenaro [-6,5 kV, 4,0 cm] kaj kvar fojojn pli grandajn ol la [-3,8 kV, 0,5 cm]. Figuro 3f montras la ŝargajn datumojn por Bazlinia-EWNS.
El la koncentriĝmapoj de la EWNS-nombro (Aldonaj Figuroj S5 kaj S6), oni povas vidi, ke la scenaro [-6,5 kV, 4,0 cm] havas signife pli da partikloj ol la scenaro [-3,8 kV, 0,5 cm]. Ankaŭ indas rimarki, ke la koncentriĝo de la EWNS-nombro estis monitorita ĝis 4 horoj (Aldonaj Figuroj S5 kaj S6), kie la stabileco de la EWNS-generado montris la samajn nivelojn de partikla nombra koncentriĝo en ambaŭ kazoj.
En figuro 3g estas montrita la EPR-spektro post subtraho de la optimumigita EWNS-kontrolo (fono) je [-6,5 kV, 4,0 cm]. La ROS-spektroj ankaŭ estis komparitaj kun la Bazlinia-EWNS-scenaro en antaŭe publikigita verko. La nombro de EWNS reagantaj kun spinkaptiloj estis kalkulita je 7,5 × 10⁴ EWNS/s, kio similas al la antaŭe publikigita Bazlinia-EWNS8. La EPR-spektroj klare montris la ĉeeston de du tipoj de ROS, kun O2- kiel la superrega specio kaj OH• kiel malpli abunda. Krome, rekta komparo de la pintaj intensecoj montris, ke la optimumigitaj EWNS havis signife pli altan ROS-enhavon kompare kun la bazaj EWNS.
En figuro 4 estas montrita la depozicia efikeco de EWNS en EPES. La datumoj estas ankaŭ resumitaj en Tabelo I kaj komparitaj kun la originalaj EWNS-datumoj. Por ambaŭ kazoj de EUNS, la depozicio estas proksima al 100% eĉ ĉe malalta tensio de 3.0 kV. Tipe, 3.0 kV sufiĉas por 100% depozicio, sendepende de la ŝanĝo de surfaca ŝargo. Sub la samaj kondiĉoj, la depozicia efikeco de Baseline-EWNS estis nur 56% pro ilia pli malalta ŝargo (averaĝe 10⁶ elektronoj por EWNS).
En fig. 5 kaj en tabelo 2 estas resumitaj la inaktivigaj valoroj de mikroorganismoj inokulitaj sur la surfacon de tomatoj post eksponiĝo al ĉirkaŭ 40 000 #/cm³ EWNS dum 45 minutoj ĉe la optimuma reĝimo [-6,5 kV, 4,0 cm³]. Inokulitaj E. coli kaj Lactobacillus innocuous montris signifan redukton de 3,8 log dum la 45-minuta eksponiĝo. Sub la samaj kondiĉoj, S. enterica havis 2,2-log malpliiĝon, dum S. cerevisiae kaj M. parafortutum havis 1,0-log malpliiĝon.
La elektronmikrografoj (Figuro 6) prezentas la fizikajn ŝanĝojn kaŭzitajn de EWNS sur sendanĝeraj Escherichia coli, Streptococcus, kaj Lactobacillus ĉeloj, kondukante al ilia malaktivigo. La kontrolbakterioj havis sendifektajn ĉelmembranojn, dum la eksponitaj bakterioj havis difektitajn eksterajn membranojn.
Elektronmikroskopa bildigo de kontrolaj kaj eksponitaj bakterioj rivelis membrandifekton.
La datumoj pri la fizik-kemiaj ecoj de la optimumigitaj EWNS kolektive montras, ke la ecoj (surfaca ŝargo kaj ROS-enhavo) de la EWNS estis signife plibonigitaj kompare kun la antaŭe publikigitaj bazliniaj datumoj de EWNS8,9,10,11. Aliflanke, ilia grandeco restis en la nanometra gamo, tre simile al la rezultoj antaŭe raportitaj, permesante al ili resti en la aero dum longaj tempoperiodoj. La observita polidisperseco povas esti klarigita per ŝanĝoj en surfaca ŝargo, kiuj determinas la grandecon de EWNS, la hazardon de la Rayleigh-efiko kaj eblan kunfandiĝon. Tamen, kiel detale priskribis Nielsen et al. 22, alta surfaca ŝargo reduktas vaporiĝon per efike pliigo de la surfaca energio/streĉiĝo de la akvoguto. En nia antaŭa publikaĵo8, ĉi tiu teorio estis eksperimente konfirmita por mikrogutetoj 22 kaj EWNS. Perdo de ŝargo dum kromtempo ankaŭ povas influi la grandecon kaj kontribui al la observita grandecdistribuo.