Tankewol foar jo besite oan Nature.com. Jo brûke in browserferzje mei beheinde CSS-stipe. Foar de bêste ûnderfining riede wy oan dat jo in bywurke browser brûke (of Kompatibiliteitsmodus yn Internet Explorer útskeakelje). Derneist, om trochgeande stipe te garandearjen, litte wy de side sjen sûnder stilen en JavaScript.
Koartlyn is in gemyskfrij antimikrobieel platfoarm ûntwikkele basearre op nanotechnology mei keunstmjittige wetternanostrukturen (EWNS). EWNS hawwe in hege oerflaklading en binne ryk oan reaktive soerstofsoarten (ROS) dy't kinne ynteraksje mei en in oantal mikroorganismen ynaktivearje, ynklusyf troch iten oerdroegen patogenen. Hjir wurdt oantoand dat har eigenskippen tidens synteze kinne wurde fynôfstimd en optimalisearre om har antibakteriële potinsjeel fierder te ferbetterjen. It EWNS-laboratoariumplatfoarm is ûntworpen om de eigenskippen fan EWNS te fynôfstimjen troch de syntezeparameters te feroarjen. De karakterisaasje fan EWNS-eigenskippen (lading, grutte en ROS-ynhâld) waard útfierd mei moderne analytyske metoaden. Derneist waarden itenmikroorganismen lykas Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocua, Mycobacterium para fortitum en Saccharomyces cerevisiae ynintingd op it oerflak fan biologyske druvetomaten om har mikrobiële ynaktivaasjepotinsjeel te evaluearjen. De hjir presintearre resultaten litte sjen dat de eigenskippen fan EWNS kinne wurde fynôfstimd tidens synteze, wat resulteart yn in eksponentiële tanimming fan ynaktivaasje-effisjinsje. Benammen de oerflaklading naam mei in faktor fjouwer ta, en it ROS-ynhâld naam ta. De mikrobiële ferwideringssnelheid wie mikrobiële ôfhinklik en fariearre fan 1,0 oant 3,8 log nei 45 minuten bleatstelling oan in aerosoldosis fan 40.000 #/cm3 EWNS.
Mikrobiële fersmoarging is de wichtichste oarsaak fan troch iten oerdroegen sykte feroarsake troch it opnimmen fan patogenen of har gifstoffen. Troch iten oerdroegen sykten binne ferantwurdlik foar sawat 76 miljoen sykten, 325.000 sikehûsopnamen en 5.000 deaden elk jier yn 'e Feriene Steaten allinich1. Derneist skat it Amerikaanske Ministearje fan Lânbou (USDA) dat ferhege konsumpsje fan farske produkten ferantwurdlik is foar 48 prosint fan alle troch iten oerdroegen sykten dy't rapportearre binne yn 'e Feriene Steaten2. De kosten fan sykte en dea troch troch iten oerdroegen patogenen yn 'e Feriene Steaten binne tige heech, rûsd troch de Centers for Disease Control and Prevention (CDC) op mear as US$ 15,6 miljard per jier3.
Op it stuit wurde gemyske4, strielings5 en termyske6 antimikrobiële yntervinsjes om fiedingsfeiligens te garandearjen benammen útfierd op beheinde krityske kontrôlepunten (CCP's) yn 'e produksjeketen (meastal nei de rispinge en/of tidens it ferpakken) ynstee fan kontinu ymplementearre op sa'n manier dat farske produkten ûnderwurpen binne oan krúsbesmetting7. Antimikrobiële yntervinsjes binne nedich om troch iten oerdroegen sykten en itenbederf better te kontrolearjen en hawwe de potinsje om tapast te wurden oer it hiele kontinuüm fan pleats nei tafel. Minder ynfloed en kosten.
In op nanotechnology basearre gemysk-frij antimikrobieel platfoarm is koartlyn ûntwikkele om baktearjes op oerflakken en yn 'e loft te inaktivearjen mei help fan keunstmjittige wetternanostrukturen (EWNS). Foar de synteze fan EVNS waarden twa parallelle prosessen brûkt: elektrospray en wetterionisaasje (Fig. 1a). EWNS hawwe earder oantoand dat se in unike set fysike en biologyske eigenskippen hawwe8,9,10. EWNS hat in gemiddelde fan 10 elektroanen per struktuer en in gemiddelde nanometergrutte fan 25 nm (Fig. 1b,c)8,9,10. Derneist liet elektronspinresonânsje (ESR) sjen dat EWNS in grutte hoemannichte reaktive soerstofsoarten (ROS) befetsje, benammen hydroxyl (OH•) en superoxide (O2-) radikalen (Fig. 1c)8. EWNS bleau lange tiid yn 'e loft en koe botsje mei mikroben dy't yn 'e loft sweven en oanwêzich wiene op oerflakken, wêrby't se har ROS-lading levere en mikrobiële ynaktivaasje feroarsaken (Fig. 1d). Dizze eardere stúdzjes hawwe ek oantoand dat EWNS ynteraksje kin hawwe mei ferskate gram-negative en gram-positive baktearjes fan belang foar de folkssûnens, ynklusyf mykobaktearjes, op oerflakken en yn 'e loft8,9. Transmissie-elektronenmikroskopie liet sjen dat de ynaktivaasje feroarsake waard troch fersteuring fan it selmembraan. Derneist hawwe stúdzjes oer akute ynhalaasje oantoand dat hege doses EWNS gjin longskea of ​​ûntstekking feroarsaakje8.
(a) Elektrospray komt foar as in hege spanning oanbrocht wurdt tusken in kapillêr mei floeistof en in tsjinelektrode. (b) De tapassing fan hege spanning resulteart yn twa ferskillende ferskynsels: (i) elektrospraying fan wetter en (ii) generaasje fan reaktive soerstofsoarten (ioanen) dy't fongen binne yn 'e EWNS. (c) De unike struktuer fan EWNS. (d) EWNS binne tige mobiel fanwegen har nanoskaal-aard en kinne ynteraksje hawwe mei loftborne patogenen.
It fermogen fan it EWNS-antimikrobiële platfoarm om itenborne mikroorganismen op it oerflak fan fars iten te inaktivearjen is ek koartlyn oantoand. It is ek oantoand dat de EWNS-oerflaklading brûkt wurde kin yn kombinaasje mei in elektrysk fjild foar rjochte levering. Wichtiger is dat in beloftefol earste resultaat fan sawat 1,4 log-reduksje yn organyske tomatenaktiviteit tsjin ferskate itenmikroorganismen lykas E. coli en Listeria waarnommen waard binnen 90 minuten nei bleatstelling oan EWNS by in konsintraasje fan sawat 50.000 #/cm311. Derneist lieten foarriedige organoleptyske evaluaasjetests gjin organoleptysk effekt sjen yn ferliking mei de kontrôletomaat. Hoewol dizze earste ynaktivaasjeresultaten fiedingsfeiligens tasizze, sels by heul lege EWNS-doses fan 50.000 #/cc. sjoch, is it dúdlik dat in heger ynaktivaasjepotinsjeel foardieliger wêze soe om it risiko op ynfeksje en bederf fierder te ferminderjen.
Hjir sille wy ús ûndersyk rjochtsje op 'e ûntwikkeling fan in EWNS-generaasjeplatfoarm om de syntezeparameters te fynôfstimmen en de fysyk-gemyske eigenskippen fan EWNS te optimalisearjen om har antibakteriële potinsjeel te ferbetterjen. Yn it bysûnder hat optimalisaasje him rjochte op it ferheegjen fan har oerflaklading (om rjochte levering te ferbetterjen) en ROS-ynhâld (om de ynaktivaasje-effisjinsje te ferbetterjen). Karakterisaasje fan optimalisearre fysyk-gemyske eigenskippen (grutte, lading en ROS-ynhâld) mei help fan moderne analytyske metoaden en mei help fan gewoane itenmikroorganismen lykas E. coli, S. enterica, L. innocua, S. cerevisiae en M. parafortuitum.
EVNS waard synthetisearre troch simultane elektrospraying en ionisaasje fan wetter mei hege suverens (18 MΩ cm–1). De elektryske verstuiver 12 wurdt typysk brûkt om floeistoffen en syntetyske polymeer- en keramykpartikels 13 en fezels 14 fan kontroleare grutte te verstuiven.
Lykas detaillearre yn eardere publikaasjes 8, 9, 10, 11, wurdt yn in typysk eksperimint in hege spanning tapast tusken in metalen kapillêr en in ierdske tsjinelektrode. Tidens dit proses komme twa ferskillende ferskynsels foar: 1) elektrospray en 2) ionisaasje fan wetter. In sterk elektrysk fjild tusken de twa elektroden feroarsaket negative ladingen dy't opbouwe op it oerflak fan it kondinsearre wetter, wat resulteart yn 'e foarming fan Taylor-kegels. As gefolch wurde heechladen wetterdrippen foarme, dy't trochgean te brekken yn lytsere dieltsjes, neffens de Rayleigh-teory16. Tagelyk feroarsaket in sterk elektrysk fjild dat guon fan 'e wettermolekulen spjalte en elektroanen ôfstrippe (ionisaasje), wêrtroch in grutte hoemannichte reaktive soerstofsoarten (ROS)17 ûntstiet. Tagelyk generearre ROS18-pakketten waarden ynkapsele yn EWNS (Fig. 1c).
Op fig. 2a wurdt it EWNS-generaasjesysteem toand dat ûntwikkele en brûkt is yn 'e EWNS-synteze yn dizze stúdzje. Suvere wetter opslein yn in sletten flesse waard troch in Teflon-buis (2 mm binnendiameter) nei in 30G roestfrij stielen naald (metalen kapillêr) fiede. Lykas te sjen is yn figuer 2b, wurdt de wetterstream regele troch de loftdruk yn 'e flesse. De naald is befestige oan in Teflon-konsole dy't mei de hân oanpast wurde kin oan in bepaalde ôfstân fan 'e tsjinelektrode. De tsjinelektrode is in gepoleerde aluminium skiif mei in gat yn 'e midden foar sampling. Under de tsjinelektrode is in aluminium samplingtrechter, dy't ferbûn is mei de rest fan 'e eksperimintele opset fia in samplingpoarte (fig. 2b). Alle samplerkomponinten binne elektrysk ierd om ladingopbou te foarkommen dy't dieltsjessampling kin ferleegje.
(a) Yngenieurd wetternanostruktuergeneraasjesysteem (EWNS). (b) Dwarsdoorsnede fan sampler en elektrospray-ienheid dy't de wichtichste parameters sjen lit. (c) Eksperimintele opset foar baktearje-inaktivaasje.
It hjirboppe beskreaune EWNS-generaasjesysteem is by steat om wichtige wurkparameters te feroarjen om de fynôfstimming fan 'e EWNS-eigenskippen te fasilitearjen. Pas de tapaste spanning (V), de ôfstân tusken de nulle en de tsjinelektrode (L), en de wetterstream (φ) troch de kapillêr oan om de EWNS-karakteristiken fynôf te stimmen. De symboalen [V (kV), L (cm)] wurde brûkt om ferskate kombinaasjes oan te jaan. Pas de wetterstream oan om in stabile Taylor-kegel fan in bepaalde set [V, L] te krijen. Foar de doelen fan dizze stúdzje waard de iepening fan 'e tsjinelektrode (D) ynsteld op 0,5 inch (1,29 sm).
Fanwegen de beheinde geometry en asymmetry kin de elektryske fjildsterkte net berekkene wurde út earste prinsipes. Ynstee dêrfan waard de QuickField™-software (Svendborg, Denemarken)19 brûkt om it elektryske fjild te berekkenjen. It elektryske fjild is net unifoarm, dus waard de wearde fan it elektryske fjild oan 'e punt fan it kapillêr brûkt as referinsjewearde foar ferskate konfiguraasjes.
Tidens de stúdzje waarden ferskate kombinaasjes fan spanning en ôfstân tusken de nulle en de tsjinelektrode evaluearre yn termen fan Taylor-kegelfoarming, Taylor-kegelstabiliteit, EWNS-produksjestabiliteit en reprodusearberens. Ferskate kombinaasjes wurde werjûn yn Oanfoljende Tabel S1.
De útfier fan it EWNS-generaasjesysteem wie direkt ferbûn mei in Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS, model 3936, TSI, Shoreview, Minnesota) om de konsintraasje fan dieltsjesoantal te mjitten en waard brûkt mei in Faraday-aerosolelektrometer (TSI, model 3068B, Shoreview, FS). MN) om aerosolstreamen te mjitten, lykas beskreaun yn ús foarige publikaasje9. Sawol de SMPS as de aerosolelektrometer namen in sample mei in streamsnelheid fan 0,5 L/min (totale samplestream 1 L/min). Dieltsjeskonsintraasjes en aerosolfluxen waarden 120 sekonden lang metten. Werhelje de mjitting 30 kear. De totale aerosollading wurdt berekkene út aktuele mjittingen, en de gemiddelde EWNS-lading wurdt rûsd út it totale oantal EWNS-dieltsjes dat is sampled. De gemiddelde kosten fan EWNS kinne wurde berekkene mei help fan Fergeliking (1):
wêrby't IEl de mjitten stroom is, NSMPS de nûmerkonsintraasje is dy't mjitten wurdt mei de SMPS, en φEl de streamsnelheid nei de elektrometer is.
Omdat relative fochtigens (RH) ynfloed hat op de oerflaklading, waarden de temperatuer en (RH) konstant hâlden op respektivelik 21 °C en 45% tidens it eksperimint.
Atoomkrêftmikroskopie (AFM), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Santa Barbara, CA) en AC260T-sonde (Olympus, Tokio, Japan) waarden brûkt om de grutte en libbensdoer fan 'e EWNS te mjitten. De AFM-scansnelheid is 1 Hz en it scangebiet is 5 µm × 5 µm mei 256 scanlinen. Alle ôfbyldings waarden ûnderwurpen oan earste-oarder ôfbyldingsôfstimming mei Asylum-software (masker mei in berik fan 100 nm en in drompel fan 100 pm).
Ferwiderje de sampletrechter en pleats it glimmeroerflak op in ôfstân fan 2,0 sm fan 'e tsjinelektrode foar in gemiddelde tiid fan 120 s om gearfoeging fan dieltsjes en de foarming fan unregelmjittige drippen op it glimmeroerflak te foarkommen. EWNS waard direkt tapast op nij sniene glimmeroerflakken (Ted Pella, Redding, CA). Direkt nei it sputterjen waard it glimmeroerflak visualisearre mei AFM. De kontakthoeke fan it oerflak fan nij sniene net-modifisearre glimmer is tichtby 0°, sadat EWNS him oer it glimmeroerflak ferspriedt yn in koepelfoarm20. De diameter (a) en hichte (h) fan 'e diffúzjende drippen waarden direkt mjitten fanút de AFM-topografy en brûkt om it koepelfoarmige diffúzjevolume EWNS te berekkenjen mei ús earder validearre metoade8. Utgeande fan dat de onboard EVNS itselde folume hat, kin de lykweardige diameter berekkene wurde út fergeliking (2):
Yn oerienstimming mei ús earder ûntwikkele metoade waard in elektronspinresonânsje (ESR) spintrap brûkt om de oanwêzigens fan koartlibjende radikale tuskenprodukten yn EWNS te detektearjen. Aerosolen waarden troch in oplossing laat dy't 235 mM DEPMPO (5-(diethoxyfosforyl)-5-methyl-1-pyrroline-N-oxide) (Oxis International Inc., Portland, Oregon) befette. Alle EPR-mjittingen waarden útfierd mei in Bruker EMX-spektrometer (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, Feriene Steaten) en platte selarrays. De Acquisit-software (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, Feriene Steaten) waard brûkt om de gegevens te sammeljen en te analysearjen. De ROS-karakterisaasje waard allinich útfierd foar in set wurkomstannichheden [-6,5 kV, 4,0 cm]. EWNS-konsintraasjes waarden metten mei SMPS nei't rekken holden waard mei it ferlies fan EWNS yn 'e ympaktor.
Ozonnivo's waarden kontroleare mei in 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Boulder, Co)8,9,10.
Foar alle EWNS-eigenskippen is de mjitwearde it gemiddelde fan 'e mjittingen, en de mjitflater is de standertôfwiking. In t-test waard útfierd om de wearde fan it optimalisearre EWNS-attribuut te fergelykjen mei de oerienkommende wearde fan 'e basis-EWNS.
Figuer 2c lit in earder ûntwikkele en karakterisearre Electrostatic Precipitation Pass Through System (EPES) sjen dat brûkt wurde kin om EWNS11 op oerflakken te rjochtsjen. EPES brûkt in EWNS-lading yn kombinaasje mei in sterk elektrysk fjild om direkt op it oerflak fan it doel te "rjochtsjen". Details fan it EPES-systeem wurde presintearre yn in resinte publikaasje fan Pyrgiotakis et al.11. Sa bestiet EPES út in 3D-printe PVC-keamer mei tapse einen mei twa parallelle roestfrij stielen (304 roestfrij stiel, spegelgepoleerd) metalen platen yn 'e midden 15,24 sm útinoar. De boards wiene ferbûn mei in eksterne heechspanningsboarne (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY), it ûnderste board wie altyd posityf en it boppeste board wie altyd ierd (driuwend). De keamermuorren binne bedekt mei aluminiumfolie, dy't elektrysk ierd is om dieltsjeferlies te foarkommen. De keamer hat in fersegele foarlaaddoar dy't it mooglik makket om testflakken op plestik rekken te pleatsen, wêrby't se fan 'e ûnderste metalen plaat optille wurde om heechspanningsynterferinsje te foarkommen.
De ôfsettingseffisjinsje fan EWNS yn EPES waard berekkene neffens in earder ûntwikkele protokol detaillearre yn Oanfoljende Figuer S111.
As kontrôlekeamer is de twadde stream troch de silindryske keamer yn searje ferbûn mei it EPES-systeem mei in tuskenlizzende HEPA-filter om EWNS te ferwiderjen. Lykas te sjen is yn fig. 2c, waard de EWNS-aerosol troch twa yn searje ferbûne keamers pompt. It filter tusken de kontrôlekeamer en EPES ferwideret alle oerbleaune EWNS, wat resulteart yn deselde temperatuer (T), relative fochtigens (RH) en ozonnivo's.
Wichtige itensfergiftiging feroarsake troch mikro-organismen binne fûn om farske produkten te fersmoargjen, lykas Escherichia coli (ATCC #27325), in fekale yndikator, Salmonella enterica (ATCC #53647), in itensfergiftiging, Listeria innocua (ATCC #33090), in alternatyf foar de patogene Listeria monocytogenes, Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098) as alternatyf foar bederfgist, en Mycobacterium parafortuitous (ATCC #19686) as in mear resistente libbene baktearje waarden kocht fan ATCC (Manassas, Firginia).
Keapje willekeurich doazen mei biologyske druvetomaten fan jo lokale merk en bewarje se yn 'e kuolkast by 4 °C oant gebrûk (oant 3 dagen). Selektearje tomaten om te eksperimintearjen mei ien grutte, sawat 1/2 inch yn diameter.
De protokollen foar ynkubaasje, ynokulaasje, bleatstelling en koloanjetelling binne detaillearre yn ús eardere publikaasjes en yn detail útlein yn Oanfoljende Gegevens 11. De prestaasjes fan EWNS waarden evaluearre troch ynokulearre tomaten 45 minuten bleat te stellen oan 40.000 #/cm3. Koartsein, op tiid t = 0 min, waarden trije tomaten brûkt om de oerlibjende mikroorganismen te evaluearjen. Trije tomaten waarden yn EPES pleatst en bleatsteld oan EWNS mei 40.000 #/cc (oan EWNS bleatstelde tomaten) en trije oaren waarden yn 'e kontrôlekeamer pleatst (kontrôletomaten). Gjin fan 'e tomatengroepen waard ûnderwurpen oan ekstra ferwurking. Oan EWNS bleatstelde tomaten en kontrôles waarden nei 45 minuten fuorthelle om it effekt fan EWNS te evaluearjen.
Elk eksperimint waard yn triplikaat útfierd. Data-analyze waard útfierd neffens it protokol beskreaun yn Oanfoljende Gegevens.
Bakteriële samples fan E. coli, Enterobacter en L. innocua dy't bleatsteld waarden oan EWNS (45 min, EWNS-aerosolkonsintraasje 40.000 #/cm3) en net-bleatsteld waarden, waarden yn pellets set om ynaktivaasjemechanismen te beoardieljen. De delslach waard 2 oeren by keamertemperatuer fêstlein yn in 0,1 M natriumkakodylaatoplossing (pH 7,4) mei in fiksearmiddel fan 2,5% glutaraldehyde, 1,25% paraformaldehyde en 0,03% pikrinezuur. Nei it waskjen waarden se 2 oeren fêstlein mei 1% osmiumtetroxide (OsO4)/1,5% kaliumferrocyanide (KFeCN6), 3 kear wosken mei wetter en 1 oere ynkubearre yn 1% uranylacetaat, en doe twa kear wosken mei wetter. Dêrnei waarden se 10 minuten útdroege mei elk fan 50%, 70%, 90%, 100% alkohol. De samples waarden doe 1 oere yn propyleenokside pleatst en impregnearre mei in 1:1 mingsel fan propyleenokside en TAAP Epon (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA). De samples waarden ynbêde yn TAAB Epon en 48 oeren by 60 °C polymerisearre. De útharde granulearre hars waard snien en visualisearre troch TEM mei in JEOL 1200EX (JEOL, Tokio, Japan), in konvinsjonele transmissie-elektronenmikroskoop foarsjoen fan in AMT 2k CCD-kamera (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, MA, Feriene Steaten).
Alle eksperiminten waarden yn triplikaat útfierd. Foar elk tiidpunt waarden baktearjele waskjes yn triplikaat útplaat, wat resultearre yn in totaal fan njoggen datapunten per punt, wêrfan it gemiddelde brûkt waard as de baktearjele konsintraasje foar dat bepaalde organisme. De standertôfwiking waard brûkt as de mjitflater. Alle punten telle.
De logaritme fan 'e ôfname yn 'e konsintraasje fan baktearjes yn ferliking mei t = 0 min waard berekkene mei de folgjende formule:
wêrby't C0 de konsintraasje fan baktearjes yn it kontrôlemonster is op tiid 0 (d.w.s. nei't it oerflak droech is, mar foardat it yn 'e keamer pleatst wurdt) en Cn de konsintraasje fan baktearjes op it oerflak is nei n minuten bleatstelling.
Om rekken te hâlden mei de natuerlike ôfbraak fan baktearjes tidens de bleatstellingsperioade fan 45 minuten, waard Log-Reduction ek berekkene yn ferliking mei de kontrôle nei 45 minuten as folget:
Wêr't Cn de konsintraasje fan baktearjes yn 'e kontrôlemonster op tiid n is en Cn-Control de konsintraasje fan kontrôlebaktearjes op tiid n is. Gegevens wurde presintearre as in logaritmyske reduksje yn ferliking mei de kontrôle (gjin EWNS-bleatstelling).
Tidens de stúdzje waarden ferskate kombinaasjes fan spanning en ôfstân tusken de nulle en de tsjinelektrode evaluearre yn termen fan Taylor-kegelfoarming, Taylor-kegelstabiliteit, EWNS-produksjestabiliteit en reprodusearberens. Ferskate kombinaasjes wurde werjûn yn Oanfoljende Tabel S1. Twa gefallen waarden selektearre foar in folsleine stúdzje dy't stabile en reprodusearbere eigenskippen sjen lit (Taylor-kegel, EWNS-produksje en stabiliteit oer tiid). Op fig. 3 wurde de resultaten toand oer de lading, grutte en ynhâld fan ROS foar twa gefallen. De resultaten binne ek gearfette yn Tabel 1. Ter referinsje befetsje figuer 3 en tabel 1 de eigenskippen fan 'e earder synthetisearre net-optimalisearre EWNS8, 9, 10, 11 (baseline-EWNS). Statistyske signifikânsjeberekkeningen mei in twasidige t-test wurde opnij publisearre yn Oanfoljende Tabel S2. Derneist omfetsje ekstra gegevens stúdzjes oer it effekt fan 'e diameter fan it samplinggat fan' e tsjinelektrode (D) en de ôfstân tusken de grûnelektrode en de punt fan 'e nulle (L) (Oanfoljende figueren S2 en S3).
(a–c) AFM-grutteferdieling. (d–f) Oerflakladingskarakteristyk. (g) Karakterisaasje fan ROS en ESR.
It is ek wichtich om te notearjen dat foar al de boppesteande omstannichheden de mjitten ionisaasjestreamen yn it berik fan 2-6 µA leine, en de spanningen yn it berik fan -3,8 oant -6,5 kV, wat resultearre yn in enerzjyferbrûk foar dizze ien-terminale EWNS fan minder as 50 mW. . generaasjemodule. Hoewol EWNS ûnder hege druk synthetisearre waard, wiene de ozonnivo's tige leech, nea mear as 60 ppb.
Oanfoljende figuer S4 lit de simulearre elektryske fjilden sjen foar de senario's [-6,5 kV, 4,0 cm] en [-3,8 kV, 0,5 cm]. De fjilden neffens de senario's [-6,5 kV, 4,0 cm] en [-3,8 kV, 0,5 cm] wurde berekkene as 2 × 105 V/m en 4,7 × 105 V/m, respektivelik. Dit is te ferwachtsjen, om't de ferhâlding fan spanning ta ôfstân folle heger is yn it twadde gefal.
Op fig. 3a,b wurdt de EWNS-diameter metten mei de AFM8 werjûn. De gemiddelde EWNS-diameters foar de [-6,5 kV, 4,0 sm] en [-3,8 kV, 0,5 sm] senario's waarden berekkene as respektivelik 27 nm en 19 nm. De geometryske standertôfwikings fan 'e ferdielingen foar de gefallen [-6,5 kV, 4,0 sm] en [-3,8 kV, 0,5 sm] binne respektivelik 1,41 en 1,45, wat in smelle grutteferdieling oanjout. Sawol de gemiddelde grutte as de geometryske standertôfwiking binne tige ticht by de basisline-EWNS, nammentlik 25 nm en 1,41. Op fig. 3c wurdt de grutteferdieling fan 'e basisline-EWNS werjûn, metten mei deselde metoade ûnder deselde omstannichheden.
Op fig. 3d, e toant de resultaten fan ladingkarakterisaasje. Gegevens binne gemiddelde mjittingen fan 30 simultane mjittingen fan konsintraasje (#/cm3) en stroom (I). De analyze lit sjen dat de gemiddelde lading op 'e EWNS 22 ± 6 e- en 44 ± 6 e- is foar [-6,5 kV, 4,0 cm] en [-3,8 kV, 0,5 cm], respektivelik. Yn ferliking mei Baseline-EWNS (10 ± 2 e-) is har oerflaklading signifikant heger, twa kear sa heech as yn it [-6,5 kV, 4,0 cm] senario en fjouwer kear sa heech as yn it [-3,8 kV, 0,5 cm]. 3f toant basis EWNS-betellingsgegevens.
Ut de EWNS-nûmerkonsintraasjekaarten (Oanfoljende figueren S5 en S6) kin sjoen wurde dat de [-6,5 kV, 4,0 cm] sêne in signifikant heger oantal dieltsjes hat as de [-3,8 kV, 0,5 cm] sêne. It moat ek opmurken wurde dat EWNS-nûmerkonsintraasjes oant 4 oeren waarden kontroleare (Oanfoljende figueren S5 en S6), wêrby't de EWNS-generaasjestabiliteit yn beide gefallen deselde nivo's fan dieltsjenûmerkonsintraasjes liet sjen.
Figuer 3g lit it EPR-spektrum sjen nei kontrôle (eftergrûn) subtraksje foar optimalisearre EWNS by [-6.5 kV, 4.0 cm]. It ROS-spektrum wurdt ek fergelike mei de EWNS-basisline yn in earder publisearre artikel. It berekkene oantal EWNS dat reagearret mei de spintrap is 7.5 × 104 EWNS/s, wat fergelykber is mei de earder publisearre Baseline-EWNS8. De EPR-spektra joegen dúdlik de oanwêzigens oan fan twa soarten ROS, wêrby't O2- oerhearske, wylst OH• oanwêzich wie yn in lytsere hoemannichte. Derneist liet in direkte fergeliking fan 'e peakintensiteiten sjen dat de optimalisearre EWNS in signifikant hegere ROS-ynhâld hie yn ferliking mei de basisline EWNS.
Fig. 4 lit de ôfsettingseffisjinsje fan EWNS yn EPES sjen. De gegevens binne ek gearfette yn tabel I en fergelike mei de orizjinele EWNS-gegevens. Foar beide EUNS-gefallen wie de ôfsetting hast 100%, sels by in lege spanning fan 3,0 kV. Typysk is 3,0 kV genôch om 100% ôfsetting te berikken, nettsjinsteande feroaring yn oerflaklading. Under deselde omstannichheden wie de ôfsettingseffisjinsje fan 'e Baseline-EWNS mar 56% fanwegen de legere lading (gemiddeld 10 elektroanen per EWNS).
Figuer 5 en Tabel 2 jouwe in gearfetting fan 'e mjitte fan ynaktivaasje fan mikroorganismen dy't ynint binne op it oerflak fan tomaten nei bleatstelling oan sawat 40.000 #/cm3 EWNS foar 45 minuten ûnder it optimale senario [-6,5 kV, 4,0 cm]. Yninting fan E. coli en L. innocua lieten in wichtige reduksje sjen fan 3,8 log nei 45 minuten bleatstelling. Under deselde omstannichheden liet S. enterica in legere log-reduksje sjen fan 2,2 log, wylst S. cerevisiae en M. parafortuitum in reduksje fan 1,0 log lieten sjen.
Elektronenmikroskopyske foto's (figuer 6) dy't de fysike feroarings ôfbylde dy't feroarsake wurde troch EWNS yn E. coli-, Salmonella enterica- en L. innocua-sellen dy't liede ta ynaktivaasje. Kontrôlebaktearjes lieten yntakte selmembranen sjen, wylst bleatstelde baktearjes beskeadige bûtenste membranen hiene.
Elektronenmikroskopyske ôfbylding fan kontrôle- en bleatstelde baktearjes liet membraanskea sjen.
De gegevens oer de fysykochemyske eigenskippen fan 'e optimalisearre EWNS litte kollektyf sjen dat de EWNS-eigenskippen (oerflaklading en ROS-ynhâld) signifikant ferbettere binne yn ferliking mei de earder publisearre EWNS-basislinegegevens8,9,10,11. Oan 'e oare kant bleau har grutte yn it nanometerberik, wat tige ferlykber is mei earder publisearre resultaten, wêrtroch't se in lange perioade yn 'e loft bliuwe koene. De waarnommen polydispersiteit kin ferklearre wurde troch feroaringen yn 'e oerflaklading, dy't de grutte fan it Rayleigh-effekt, willekeurichheid en potinsjele gearfoeging fan EWNS bepale. Lykas lykwols detaillearre troch Nielsen et al.22, ferminderet hege oerflaklading ferdamping troch de oerflakenerzjy/spanning fan 'e wetterdrip effektyf te ferheegjen. Dizze teory waard eksperiminteel befêstige foar mikrodrippen22 en EWNS yn ús foarige publikaasje8. It ferlies fan oerwurk kin ek ynfloed hawwe op grutte en bydrage oan 'e waarnommen grutteferdieling.
Derneist is de lading per struktuer sawat 22–44 e-, ôfhinklik fan 'e omstannichheden, wat signifikant heger is yn ferliking mei de basis EWNS, dy't in gemiddelde lading hat fan 10 ± 2 elektroanen per struktuer. It moat lykwols opmurken wurde dat dit de gemiddelde lading fan EWNS is. Seto et al. It is oantoand dat de lading net unifoarm is en in log-normale ferdieling folget21. Yn ferliking mei ús eardere wurk ferdûbelet it ferdûbeljen fan 'e oerflaklading de ôfsettingseffisjinsje yn it EPES-systeem nei hast 100%11.