Dankon pro via vizito al Nature.com. Vi uzas retumilan version kun limigita CSS-subteno. Por la plej bona sperto, ni rekomendas, ke vi uzu ĝisdatigitan retumilon (aŭ malŝaltu Kongruecan Reĝimon en Internet Explorer). Krome, por certigi daŭran subtenon, ni montras la retejon sen stiloj kaj JavaScript.
Lastatempe, oni evoluigis kemiaĵ-liberan antimikroban platformon bazitan sur nanoteknologio uzanta artefaritajn akvajn nanostrukturojn (EWNS). EWNS havas altan surfacan ŝargon kaj estas riĉaj je reaktivaj oksigenaj specioj (ROS), kiuj povas interagi kun kaj inaktivigi kelkajn mikroorganismojn, inkluzive de nutraĵ-portitaj patogenoj. Ĉi tie oni montras, ke iliaj ecoj dum sintezo povas esti fajne agorditaj kaj optimumigitaj por plue plibonigi ilian antibakterian potencialon. La laboratorio-platformo de EWNS estis desegnita por fajne agordiĝi la ecojn de EWNS per ŝanĝo de la sintezaj parametroj. La karakterizado de la EWNS-ecoj (ŝargo, grandeco kaj ROS-enhavo) estis farita uzante modernajn analizajn metodojn. Krome, nutraĵaj mikroorganismoj kiel Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocua, Mycobacterium para fortitum kaj Saccharomyces cerevisiae estis inokulitaj sur la surfacon de organikaj vinbertomatoj por taksi ilian mikroban inaktivigan potencialon. 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 pligrandiĝis je faktoro de kvar, kaj la ROS-enhavo pligrandiĝis. La mikroba foriga rapideco estis mikrobe-dependa kaj variis de 1,0 ĝis 3,8 log post 45 minutoj da eksponiĝo al aerosola dozo de 40 000 #/cm³ EWNS.
Mikroba poluado estas la ĉefa kaŭzo de nutraĵdevenaj malsanoj kaŭzitaj de la konsumado de patogenoj aŭ iliaj toksinoj. Nutraĵdevenaj malsanoj respondecas pri ĉirkaŭ 76 milionoj da malsanoj, 325 000 enhospitaligoj kaj 5 000 mortoj ĉiujare en Usono sole1. Krome, la Usona Departemento pri Agrikulturo (USDA) taksas, ke pliigita konsumo de freŝaj produktoj respondecas pri 48 procentoj de ĉiuj nutraĵdevenaj malsanoj raportitaj en Usono2. La kosto de malsano kaj morto pro 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 estas ĉefe efektivigitaj ĉe limigitaj kritikaj kontrolpunktoj (CCP-oj) en la produktadĉeno (kutime post rikolto kaj/aŭ dum pakado) anstataŭ kontinue efektivigitaj tiel, ke freŝaj produktoj estas submetataj al krucpoluado7. Antimikrobaj intervenoj estas necesaj por pli bone kontroli nutraĵdevenajn malsanojn kaj manĝaĵputriĝon kaj havas la potencialon esti aplikitaj tra la tuta kontinuumo de la bieno al la tablo. Malpli da efiko kaj kosto.
Nanoteknologie bazita kaj kemiaĵ-libera antimikroba platformo estis ĵus evoluigita por inaktivigi bakteriojn sur surfacoj kaj en la aero uzante artefaritajn akvajn nanostrukturojn (EWNS). Por la sintezo de EVNS, du paralelaj procezoj estis uzitaj: elektrosprajado kaj akvojonigo (Fig. 1a). EWNS antaŭe montriĝis havi unikan aron de fizikaj kaj biologiaj ecoj8,9,10. EWNS havas averaĝe 10 elektronojn po strukturo kaj averaĝan nanometran 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. EWNS restis en la aero dum longa tempo kaj povis kolizii kun mikroboj suspenditaj en la aero kaj ĉeestantaj sur surfacoj, liverante sian ROS-ŝarĝon kaj kaŭzante mikroban inaktivigon (Fig. 1d). Ĉi tiuj pli fruaj studoj ankaŭ montris, ke EWNS povas interagi kun kaj inaktivigi diversajn gram-negativajn kaj gram-pozitivajn bakteriojn de publika sano grava, inkluzive de mikobakterioj, sur surfacoj kaj en la aero8,9. 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 inflamon8.
(a) Elektroŝprucado okazas kiam alta tensio estas aplikata inter kapilaro enhavanta likvaĵon kaj kontraŭelektrodon. (b) La apliko de alta tensio rezultas en du malsamaj fenomenoj: (i) elektroŝprucado de akvo kaj (ii) generado de reaktivaj oksigenaj specioj (jonoj) kaptitaj en la EWNS. (c) La unika strukturo de EWNS. (d) EWNS estas tre moveblaj pro sia nanoskala naturo 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 povas esti uzata kombine kun elektra kampo por celita liverado. Pli grave, promesplena komenca rezulto de proksimume 1,4-logaritma redukto en organika tomato-aktiveco kontraŭ diversaj nutraĵ-mikroorganismoj kiel E. coli kaj Listeria estis observita ene de 90 minutoj post eksponiĝo al EWNS je koncentriĝo de proksimume 50 000#/cm³. Krome, preparaj organoleptaj taksado-testoj montris neniun organoleptan efikon kompare kun la kontroltomato. Kvankam ĉi tiuj komencaj inaktivigaj rezultoj promesas nutraĵsekurecon 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 fajnagordi la sintezajn parametrojn kaj optimumigi la fizik-kemiajn ecojn 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). Karakterizado de optimumigitaj fizik-kemiaj ecoj (grandeco, ŝargo kaj ROS-enhavo) uzante modernajn analizajn metodojn kaj uzante komunajn manĝaĵajn mikroorganismojn kiel E. coli, S. enterica, L. innocua, S. cerevisiae kaj M. parafortuitum.
EVNS estis sintezita per samtempa elektroŝprucado kaj jonigo de altpureca akvo (18 MΩ cm–1). La elektra atomigilo 12 estas tipe uzata por atomigi likvaĵojn kaj sintezajn polimerajn kaj ceramikajn partiklojn 13 kaj fibrojn 14 de kontrolita grandeco.
Kiel detale priskribite en antaŭaj publikaĵoj 8, 9, 10, 11, en tipa eksperimento, alta tensio estas aplikata inter metala kapilaro kaj terkonektita kontraŭelektrodo. Dum ĉi tiu procezo, okazas du malsamaj fenomenoj: 1) elektroŝprucado kaj 2) jonigo de akvo. 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, laŭ la Rayleigh-teorio16. Samtempe, forta elektra kampo kaŭzas la disiĝon kaj forigon de elektronoj de iuj akvomolekuloj (jonigo), tiel generante grandan kvanton da reaktivaj oksigenaj specioj (ROS)17. Samtempe generitaj ROS18-pakaĵetoj estis enkapsuligitaj 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 nutrata tra Teflona tubo (2 mm interna diametro) al 30G rustorezistŝtala nadlo (metala kapilaro). Kiel montrite en figuro 2b, la akvofluo estas kontrolata per la aerpremo ene de la botelo. La nadlo estas ligita al Teflona konzolo, kiu povas esti mane alĝustigita ĝis certa distanco de la kontraŭelektrodo. La kontraŭelektrodo estas polurita aluminia disko kun truo en la mezo por specimenigo. Sub la kontraŭelektrodo estas aluminia specimeniga funelo, kiu estas konektita al la resto de la eksperimenta aranĝo per specimeniga pordo (Fig. 2b). Ĉiuj specimenigaj komponantoj estas elektre terkonektitaj por eviti ŝargan amasiĝon, kiu povus degradi partiklan specimenigon.
(a) Inĝenierita Sistemo por Generado de Akvaj Nanostrukturoj (EWNS). (b) Sekco de specimenilo kaj elektroŝprucigilo montranta 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. La simboloj [V (kV), L (cm)] estas uzataj por indiki malsamajn kombinaĵojn. Adaptu la akvofluon por atingi stabilan Taylor-konuson de certa aro [V, L]. Por la celoj de ĉi tiu studo, la aperturo de la kontraŭelektrodo (D) estis agordita 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 Mezurilo (SMPS, modelo 3936, TSI, Shoreview, Minesoto) por mezuri la partiklan nombrokoncentriĝon kaj estis uzata kun Faraday-aerosola elektrometro (TSI, modelo 3068B, Shoreview, Usono). MN) por mezuri aerosolajn fluojn, kiel priskribite en nia antaŭa publikaĵo9. Kaj la SMPS kaj la aerosola elektrometro specimenis je flukvanto de 0.5 L/min (tuta specimenfluo 1 L/min). Partiklaj koncentriĝoj kaj aerosolaj fluoj estis mezuritaj dum 120 sekundoj. Ripetu la mezuradon 30 fojojn. La tuta aerosola ŝargo estas kalkulita el nunaj mezuradoj, kaj la meza EWNS-ŝargo estas taksita el la tuta nombro de specimenitaj EWNS-partikloj. La meza kosto de EWNS povas esti kalkulita per Ekvacio (1):
kie IEl estas la mezurata kurento, NSMPS estas la nombrokoncentriĝo mezurata per la SMPS, kaj φEl estas la flukvanto al la elektrometro.
Ĉar relativa humideco (RH) influas surfacan ŝargon, la temperaturo kaj (RH) estis tenataj konstantaj je 21 °C kaj 45%, respektive, dum la eksperimento.
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-skanadrapideco estas 1 Hz kaj la skanadareo estas 5 µm×5 µm kun 256 skanlinioj. Ĉiuj bildoj estis submetitaj al unuaorda bildaranĝigo uzante Asylum-programaron (masko kun intervalo de 100 nm kaj sojlo de 100 pm).
Forigu la provaĵfunelon kaj metu la glimsurfacon je distanco de 2.0 cm de la kontraŭelektrodo dum averaĝa tempo de 120 sekundoj por eviti kunfandiĝon de partikloj kaj formiĝon de neregulaj gutetoj sur la glimsurfaco. EWNS estis aplikita rekte al ĵus tranĉitaj glimsurfacoj (Ted Pella, Redding, Kalifornio). Tuj post ŝprucado, la glimsurfaco estis bildigita per AFM. La surfaca kontakta angulo de ĵus tranĉita nemodifita glimo estas proksima al 0°, do EWNS disvastiĝas super la glimsurfaco en kupolforma formo20. La diametro (a) kaj alto (h) de la difuzaj gutetoj estis mezuritaj rekte de la AFM-topografio kaj uzitaj por kalkuli la kupolforman difuzvolumenon EWNS uzante nian antaŭe validigitan metodon8. Supozante, ke la surŝipa EVNS havas la saman volumenon, la ekvivalenta diametro povas esti kalkulita per ekvacio (2):
Laŭ nia antaŭe evoluigita metodo, elektrona spina resonanca (ESR) spina kaptilo estis uzata por detekti la ĉeeston de mallongdaŭraj radikalaj intermediatoj en EWNS. Aerosoloj estis pasigitaj tra solvaĵo enhavanta 235 mM DEPMPO (5-(dietoksifosforil)-5-metil-1-pirolin-N-oksido) (Oxis International Inc., Portlando, Oregono). Ĉiuj EPR-mezuradoj estis faritaj uzante Bruker EMX-spektrometron (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, Usono) kaj platajn ĉelajn arojn. La programaro Acquisit (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, Usono) estis uzata por kolekti kaj analizi la datumojn. La ROS-karakterizado estis farita nur por aro de funkciigaj kondiĉoj [-6.5 kV, 4.0 cm]. EWNS-koncentriĝoj estis mezuritaj uzante SMPS post konsidero de la perdo de EWNS en la frapilo.
Ozonniveloj estis monitoritaj uzante 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Boulder, Koloradio)8,9,10.
Por ĉiuj EWNS-ecoj, la mezurvaloro estas la meznombro de la mezuroj, kaj la mezureraro estas la norma devio. T-testo estis farita por kompari la valoron de la optimumigita EWNS-atributo kun la koresponda valoro de la baza EWNS.
Figuro 2c montras antaŭe evoluigitan kaj karakterizitan Sistemon por Trapaso de Elektrostatika Precipitaĵo (EPES), kiu povas esti uzata por celi EWNS11 al surfacoj. EPES uzas EWNS-ŝargon kombine kun forta elektra kampo por "montri" rekte al la surfaco de la celo. 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 enhavantaj du paralelajn rustorezistajn ŝtalajn (304 rustorezista ŝtalo, spegulpolurita) metalajn platojn en la mezo je 15.24 cm aparte. La platoj estis konektitaj al ekstera alttensia fonto (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY), la malsupra plato ĉiam estis pozitiva kaj la supra plato ĉiam estis terkonektita (flosanta). La kamermuroj estas kovritaj per aluminiofolio, kiu estas elektre terkonektita por malhelpi partiklan perdon. La kamero havas sigelitan antaŭan ŝarĝpordon, kiu permesas meti testsurfacojn sur plastajn rakojn, levante ilin de la malsupra metala plato por eviti alttensian interferon.
La depozicia efikeco de EWNS en EPES estis kalkulita laŭ antaŭe evoluigita protokolo detala en Aldona Figuro S111.
Kiel kontrolĉambro, la dua fluo tra la cilindra ĉambro estas konektita serie kun la EPES-sistemo uzante mezan HEPA-filtrilon por forigi EWNS-ojn. Kiel montrite en fig. 2c, la EWNS-aerosolo estis pumpita tra du ĉambroj konektitaj serie. La filtrilo inter la kontrolĉambro kaj EPES forigas ajnan restantan EWNS, rezultante en la sama temperaturo (T), relativa humideco (RH) kaj ozonniveloj.
Gravaj nutraĵdevenaj mikroorganismoj malpurigas freŝajn produktojn, kiel ekzemple Escherichia coli (ATCC #27325), feka indikilo, Salmonella enterica (ATCC #53647), nutraĵdevenan patogenon, Listeria innocua (ATCC #33090), alternativo al la patogena Listeria monocytogenes, Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098) kiel alternativo al putriĝa gisto, kaj Mycobacterium parafortuitous (ATCC #19686) kiel pli rezistema viva bakterio estis aĉetitaj de ATCC (Manassas, Virginio).
Hazarde aĉetu skatolojn da organikaj vinbertomatoj de via loka merkato kaj fridugu ilin je 4°C ĝis uzo (ĝis 3 tagoj). Elektu tomatojn por eksperimenti kun unu grandeco, ĉirkaŭ 1/2 colo en diametro.
La protokoloj por inkubacio, inokulado, eksponado kaj kolonionombrado estis detaligitaj en niaj antaŭaj publikaĵoj kaj detale klarigitaj en Aldonaj Datumoj 11. La efikeco de EWNS estis taksita per eksponado de inokulitaj tomatoj al 40,000 #/cm3 dum 45 minutoj. Mallonge, je tempo t = 0 min, tri tomatoj estis uzitaj por taksi la postvivantajn mikroorganismojn. Tri tomatoj estis metitaj en EPES kaj eksponitaj al EWNS je 40,000 #/cc (EWNS-eksponitaj tomatoj) kaj tri aliaj estis metitaj en la kontrolĉambron (kontroltomatoj). Neniu el la tomatgrupoj estis submetita al plia prilaborado. EWNS-eksponitaj tomatoj kaj kontroloj 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.
Bakteriaj specimenoj de *E. coli*, *Enterobacter*, kaj *L. innocua* eksponitaj al EWNS (45 min, EWNS-aerosola koncentriĝo 40,000 #/cm3) kaj neeksponitaj estis peletitaj por taksi la malaktivigajn mekanismojn. La precipitaĵo estis fiksita dum 2 horoj je ĉambra temperaturo en 0.1 M natria kakodilata solvaĵo (pH 7.4) kun fiksativo de 2.5% glutaraldehido, 1.25% paraformaldehido kaj 0.03% pikrata acido. Post lavado, ili estis fiksitaj per 1% osmia tetraoksido (OsO4)/1.5% kalia ferocianido (KFeCN6) dum 2 horoj, lavitaj 3 fojojn per akvo kaj inkubaciitaj en 1% uranila acetato dum 1 horo, poste lavitaj dufoje per akvo. Posta dehidratigo 10 minutojn por ĉiu el 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 JEOL 1200EX (JEOL, Tokio, Japanio), konvencian transmisian elektronan mikroskopon ekipitan per AMT 2k CCD-fotilo (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, MA, Usono).
Ĉiuj eksperimentoj estis faritaj trioble. Por ĉiu tempopunkto, bakteriaj lavaĵoj estis tegitaj trioble, rezultante entute naŭ datenpunktoj por punkto, kies averaĝo estis uzata kiel la bakteria koncentriĝo por tiu specifa organismo. 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 eksponperiodo, Log-Redukto ankaŭ estis kalkulita kompare kun kontrolo je 45 minutoj 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 la konuso de Taylor, stabileco de la konuso de Taylor, stabileco de la produktado de EWNS, kaj reproduktebleco. Diversaj kombinaĵoj estas montritaj en la Aldona Tabelo S1. Du kazoj estis elektitaj por kompleta studo montrante stabilajn kaj reprodukteblajn ecojn (konuso de Taylor, produktado de EWNS, kaj stabileco laŭlonge de la tempo). Figuro 3 montras la rezultojn pri la ŝargo, grandeco kaj enhavo de ROS por du kazoj. La rezultoj ankaŭ estas resumitaj en Tabelo 1. Por referenco, Figuro 3 kaj Tabelo 1 inkluzivas la ecojn de la antaŭe sintezitaj ne-optimumigitaj EWNS8, 9, 10, 11 (bazliniaj EWNS). Kalkuloj de statistika signifo uzante duvostan t-teston estas republikigitaj en la Aldona Tabelo S2. Krome, pliaj datumoj inkluzivas studojn pri la efiko de la diametro de la specimentruo de la kontraŭelektrodo (D) kaj la distanco inter la tera elektrodo kaj la pinto de la pinglo (L) (Aldonaj Figuroj S2 kaj S3).
(a–c) Distribuo de grandeco de AFM. (d–f) Karakterizado de surfaca ŝargo. (g) Karakterizado de ROS kaj ESR.
Gravas ankaŭ rimarki, ke por ĉiuj supre menciitaj kondiĉoj, la mezuritaj jonigaj kurentoj estis en la intervalo de 2-6 µA, kaj la tensioj estis en la intervalo de -3,8 ĝis -6,5 kV, rezultante en energikonsumo por ĉi tiu unu-fina EWNS de malpli ol 50 mW. . generacia modulo. 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. La kampoj laŭ la scenaroj [-6,5 kV, 4,0 cm] kaj [-3,8 kV, 0,5 cm] estas kalkulitaj kiel 2 × 10⁵ V/m kaj 4,7 × 10⁵ V/m, respektive. Ĉi tio estas atendebla, ĉar la rilatumo inter tensio kaj distanco estas multe pli alta en la dua kazo.
En fig. 3a,b montras la diametron de EWNS mezurita per la AFM8. La averaĝaj EWNS-diametroj por la scenaroj [-6,5 kV, 4,0 cm] kaj [-3,8 kV, 0,5 cm] estis kalkulitaj kiel 27 nm kaj 19 nm, respektive. La geometriaj normaj devioj de la distribuoj por la kazoj [-6,5 kV, 4,0 cm] kaj [-3,8 kV, 0,5 cm] estas 1,41 kaj 1,45, respektive, indikante mallarĝan grandecdistribuon. Kaj la averaĝa grandeco kaj la geometria norma devio estas tre proksimaj al la bazlinia EWNS, estante 25 nm kaj 1,41, respektive. En fig. 3c montras la grandecdistribuon de la bazlinia 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. Kompare kun Bazlinia EWNS (10 ± 2 e-), ilia surfaca ŝargo estas signife pli alta, duoble pli alta ol en la scenaro [-6,5 kV, 4,0 cm] kaj kvaroble pli alta ol en la scenaro [-3,8 kV, 0,5 cm]. 3f montras bazajn pagdatumojn de EWNS.
El la mapoj de EWNS-nombraj koncentriĝoj (Aldonaj Figuroj S5 kaj S6), oni povas vidi, ke la sceno [-6,5 kV, 4,0 cm] havas signife pli altan nombron da partikloj ol la sceno [-3,8 kV, 0,5 cm]. Ankaŭ notindas, ke la EWNS-nombraj koncentriĝoj estis monitoritaj dum ĝis 4 horoj (Aldonaj Figuroj S5 kaj S6), kie la stabileco de la EWNS-generado montris la samajn nivelojn de partiklaj nombraj koncentriĝoj en ambaŭ kazoj.
Figuro 3g montras la EPR-spektron post kontrola (fono) subtraho por optimumigitaj EWNS je [-6.5 kV, 4.0 cm]. La ROS-spektro estas ankaŭ komparita kun la bazlinio de EWNS en antaŭe publikigita artikolo. La kalkulita nombro da EWNS reagantaj kun la spinkaptilo estas 7.5 × 10⁴ EWNS/s, kio similas al la antaŭe publikigita Bazlinio-EWNS8. La EPR-spektroj klare indikis la ĉeeston de du tipoj de ROS, kie O2- superregis, dum OH• ĉeestis en pli malgranda kvanto. Krome, rekta komparo de la pintaj intensecoj montris, ke la optimumigitaj EWNS havis signife pli altan ROS-enhavon kompare kun la bazliniaj 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 EUNS-kazoj, la depozicio estis proksima al 100% eĉ ĉe malalta tensio de 3.0 kV. Tipe, 3.0 kV sufiĉas por atingi 100%-an depozicion sendepende de la ŝanĝo de surfaca ŝargo. Sub la samaj kondiĉoj, la depozicia efikeco de la Bazlinia-EWNS estis nur 56% pro la pli malalta ŝargo (averaĝe 10⁶ elektronoj por EWNS).
Figuro 5 kaj Tabelo 2 resumas la gradon de malaktivigo de mikroorganismoj inokulitaj sur la surfacon de tomatoj post eksponiĝo al proksimume 40 000 #/cm3 EWNS dum 45 minutoj sub la optimuma scenaro [-6,5 kV, 4,0 cm3]. Inokulitaj E. coli kaj L. innocua montris signifan redukton de 3,8 log post 45 minutoj da eksponiĝo. Sub la samaj kondiĉoj, S. enterica montris pli malaltan log-redukton de 2,2 log, dum S. cerevisiae kaj M. parafortuitum montris redukton de 1,0 log.
Elektronaj mikrofotoj (Figuro 6) prezentantaj la fizikajn ŝanĝojn induktitajn de EWNS en E. coli, Salmonella enterica, kaj L. innocua ĉeloj, kondukante al malaktivigo. Kontrolbakterioj montris sendifektajn ĉelmembranojn, dum 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 EWNS-ecoj (surfaca ŝargo kaj ROS-enhavo) estis signife plibonigitaj kompare kun la antaŭe publikigitaj EWNS-bazaj datumoj8,9,10,11. Aliflanke, ilia grandeco restis en la nanometra gamo, kio estas tre simila al antaŭe publikigitaj rezultoj, permesante al ili resti en la aero dum longa tempodaŭro. La observita polidisperseco povas esti klarigita per ŝanĝoj en la surfaca ŝargo, kiuj determinas la magnitudon de la Rayleigh-efiko, hazardon kaj eblan kunfandiĝon de EWNS. Tamen, kiel detale priskribis Nielsen et al.22, alta surfaca ŝargo reduktas vaporiĝon per efike pliigo de la surfaca energio/streĉiĝo de la akvoguto. Ĉi tiu teorio estis eksperimente konfirmita por mikrogutetoj22 kaj EWNS en nia antaŭa publikaĵo8. La perdo de kromtempo ankaŭ povas influi grandecon kaj kontribui al la observita grandecdistribuo.
Krome, la ŝargo po strukturo estas ĉirkaŭ 22–44 e-, depende de la cirkonstancoj, kio estas signife pli alta kompare kun la baza EWNS, kiu havas averaĝan ŝargon de 10 ± 2 elektronoj po strukturo. Tamen, oni notu, ke ĉi tio estas la averaĝa ŝargo de EWNS. Seto et al. Estis montrite, ke la ŝargo ne estas uniforma kaj sekvas log-normalan distribuon21. Kompare kun nia antaŭa laboro, duobligi la surfacan ŝargon duobligas la depozician efikecon en la EPES-sistemo al preskaŭ 100%11.