Terima kasih telah mengunjungi Nature.com. Anda menggunakan versi browser dengan dukungan CSS terbatas. Untuk pengalaman terbaik, kami sarankan Anda menggunakan browser yang diperbarui (atau nonaktifkan Mode Kompatibilitas di Internet Explorer). Selain itu, untuk memastikan dukungan yang berkelanjutan, kami menampilkan situs tanpa gaya dan JavaScript.
Baru-baru ini, platform antimikroba bebas bahan kimia berdasarkan nanoteknologi menggunakan nanostruktur air buatan (EWNS) telah dikembangkan. EWNS memiliki muatan permukaan yang tinggi dan kaya akan spesies oksigen reaktif (ROS) yang dapat berinteraksi dengan dan menonaktifkan sejumlah mikroorganisme, termasuk patogen bawaan makanan. Di sini ditunjukkan bahwa sifat-sifatnya selama sintesis dapat disetel dengan baik dan dioptimalkan untuk lebih meningkatkan potensi antibakterinya. Platform laboratorium EWNS dirancang untuk menyempurnakan sifat-sifat EWNS dengan mengubah parameter sintesis. Karakterisasi sifat-sifat EWNS (muatan, ukuran, dan kandungan ROS) dilakukan dengan menggunakan metode analitis modern. Selain itu, mikroorganisme makanan seperti Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocua, Mycobacterium para fortitum, dan Saccharomyces cerevisiae diinokulasi ke permukaan tomat anggur organik untuk mengevaluasi potensi inaktivasi mikrobanya. Hasil yang disajikan di sini menunjukkan bahwa sifat-sifat EWNS dapat disetel dengan baik selama sintesis, yang menghasilkan peningkatan eksponensial dalam efisiensi inaktivasi. Secara khusus, muatan permukaan meningkat empat kali lipat, dan kandungan ROS meningkat. Laju penghilangan mikroba bergantung pada mikroba dan berkisar antara 1,0 hingga 3,8 log setelah 45 menit paparan dosis aerosol 40.000 #/cm3 EWNS.
Kontaminasi mikroba merupakan penyebab utama penyakit bawaan makanan yang disebabkan oleh konsumsi patogen atau toksinnya. Penyakit bawaan makanan menyebabkan sekitar 76 juta penyakit, 325.000 rawat inap, dan 5.000 kematian setiap tahun di Amerika Serikat saja1. Selain itu, Departemen Pertanian Amerika Serikat (USDA) memperkirakan bahwa peningkatan konsumsi produk segar bertanggung jawab atas 48 persen dari semua penyakit bawaan makanan yang dilaporkan di Amerika Serikat2. Biaya penyakit dan kematian akibat patogen bawaan makanan di Amerika Serikat sangat tinggi, diperkirakan oleh Pusat Pengendalian dan Pencegahan Penyakit (CDC) lebih dari US$15,6 miliar per tahun3.
Saat ini, intervensi antimikroba kimia4, radiasi5 dan termal6 untuk memastikan keamanan pangan sebagian besar diterapkan pada titik kendali kritis (CCP) terbatas dalam rantai produksi (biasanya setelah panen dan/atau selama pengemasan) daripada diterapkan secara terus-menerus sedemikian rupa sehingga produk segar rentan terhadap kontaminasi silang7. Intervensi antimikroba diperlukan untuk mengendalikan penyakit bawaan makanan dan pembusukan makanan dengan lebih baik dan berpotensi diterapkan di seluruh rangkaian pertanian hingga meja makan. Dampak dan biaya yang lebih rendah.
Bahasa Indonesia: Sebuah platform antimikroba bebas bahan kimia berbasis nanoteknologi baru-baru ini dikembangkan untuk menonaktifkan bakteri pada permukaan dan di udara menggunakan nanostruktur air buatan (EWNS). Untuk sintesis EVNS, dua proses paralel digunakan: elektrospray dan ionisasi air (Gbr. 1a). EWNS sebelumnya telah terbukti memiliki serangkaian sifat fisik dan biologis yang unik8,9,10. EWNS memiliki rata-rata 10 elektron per struktur dan ukuran nanometer rata-rata 25 nm (Gbr. 1b,c)8,9,10. Selain itu, resonansi spin elektron (ESR) menunjukkan bahwa EWNS mengandung sejumlah besar spesies oksigen reaktif (ROS), terutama radikal hidroksil (OH•) dan superoksida (O2-) (Gbr. 1c)8. EWNS tetap berada di udara untuk waktu yang lama dan dapat bertabrakan dengan mikroba yang tersuspensi di udara dan hadir di permukaan, memberikan muatan ROS mereka dan menyebabkan inaktivasi mikroba (Gbr. 1d). Studi-studi sebelumnya juga menunjukkan bahwa EWNS dapat berinteraksi dengan dan menonaktifkan berbagai bakteri gram negatif dan gram positif yang penting bagi kesehatan masyarakat, termasuk mikobakteri, pada permukaan dan di udara8,9. Mikroskopi elektron transmisi menunjukkan bahwa inaktivasi tersebut disebabkan oleh gangguan pada membran sel. Selain itu, studi inhalasi akut telah menunjukkan bahwa dosis tinggi EWNS tidak menyebabkan kerusakan paru-paru atau peradangan8.
(a) Penyemprotan listrik terjadi ketika tegangan tinggi diterapkan antara kapiler yang berisi cairan dan elektroda lawan. (b) Penerapan tegangan tinggi menghasilkan dua fenomena yang berbeda: (i) penyemprotan listrik pada air dan (ii) pembentukan spesies oksigen reaktif (ion) yang terperangkap dalam EWNS. (c) Struktur unik EWNS. (d) EWNS sangat mudah bergerak karena sifatnya yang berskala nano dan dapat berinteraksi dengan patogen di udara.
Kemampuan platform antimikroba EWNS untuk menonaktifkan mikroorganisme bawaan makanan pada permukaan makanan segar juga baru-baru ini ditunjukkan. Telah ditunjukkan pula bahwa muatan permukaan EWNS dapat digunakan dalam kombinasi dengan medan listrik untuk pengiriman yang terarah. Yang lebih penting, hasil awal yang menjanjikan dari sekitar 1,4 log pengurangan aktivitas tomat organik terhadap berbagai mikroorganisme makanan seperti E. coli dan Listeria diamati dalam waktu 90 menit setelah paparan EWNS pada konsentrasi sekitar 50.000#/cm311. Selain itu, uji evaluasi organoleptik awal tidak menunjukkan efek organoleptik dibandingkan dengan tomat kontrol. Meskipun hasil inaktivasi awal ini menjanjikan keamanan pangan bahkan pada dosis EWNS yang sangat rendah yaitu 50.000#/cc. lihat, jelas bahwa potensi inaktivasi yang lebih tinggi akan lebih bermanfaat untuk lebih mengurangi risiko infeksi dan pembusukan.
Di sini, kami akan memfokuskan penelitian kami pada pengembangan platform pembangkitan EWNS untuk menyempurnakan parameter sintesis dan mengoptimalkan sifat fisikokimia EWNS guna meningkatkan potensi antibakterinya. Secara khusus, pengoptimalan difokuskan pada peningkatan muatan permukaannya (untuk meningkatkan pengiriman yang ditargetkan) dan kandungan ROS (untuk meningkatkan efisiensi inaktivasi). Karakterisasi sifat fisikokimia yang dioptimalkan (ukuran, muatan, dan kandungan ROS) menggunakan metode analitis modern dan menggunakan mikroorganisme makanan umum seperti E. coli, S. enterica, L. innocua, S. cerevisiae, dan M. parafortuitum.
EVNS disintesis melalui penyemprotan elektro dan ionisasi air dengan kemurnian tinggi (18 MΩ cm–1) secara bersamaan. Atomizer listrik 12 biasanya digunakan untuk mengatomisasi cairan dan polimer sintetis serta partikel keramik 13 dan serat 14 dengan ukuran yang terkontrol.
Seperti yang dijelaskan secara rinci dalam publikasi sebelumnya 8, 9, 10, 11, dalam percobaan yang umum, tegangan tinggi diterapkan antara kapiler logam dan elektroda lawan yang diarde. Selama proses ini, dua fenomena berbeda terjadi: 1) penyemprotan elektro dan 2) ionisasi air. Medan listrik yang kuat antara kedua elektroda menyebabkan muatan negatif terbentuk di permukaan air yang terkondensasi, sehingga menghasilkan kerucut Taylor. Akibatnya, tetesan air bermuatan tinggi terbentuk, yang terus terpecah menjadi partikel yang lebih kecil, menurut teori Rayleigh16. Pada saat yang sama, medan listrik yang kuat menyebabkan beberapa molekul air terbelah dan melepaskan elektron (ionisasi), sehingga menghasilkan sejumlah besar spesies oksigen reaktif (ROS)17. Paket ROS18 yang dihasilkan secara bersamaan dienkapsulasi dalam EWNS (Gbr. 1c).
Pada gambar 2a menunjukkan sistem pembangkitan EWNS yang dikembangkan dan digunakan dalam sintesis EWNS dalam penelitian ini. Air murni yang disimpan dalam botol tertutup dialirkan melalui tabung Teflon (diameter dalam 2 mm) ke jarum baja tahan karat 30G (kapiler logam). Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2b, aliran air dikontrol oleh tekanan udara di dalam botol. Jarum dipasang ke konsol Teflon yang dapat disesuaikan secara manual pada jarak tertentu dari elektroda lawan. Elektroda lawan adalah cakram aluminium yang dipoles dengan lubang di tengah untuk pengambilan sampel. Di bawah elektroda lawan terdapat corong pengambilan sampel aluminium, yang dihubungkan ke seluruh perangkat eksperimen melalui port pengambilan sampel (Gbr. 2b). Semua komponen pengambil sampel dibumikan secara elektrik untuk menghindari penumpukan muatan yang dapat menurunkan kualitas pengambilan sampel partikel.
(a) Sistem Pembangkit Nanostruktur Air Rekayasa (EWNS). (b) Penampang melintang unit pengambil sampel dan penyemprot elektro yang menunjukkan parameter terpenting. (c) Susunan percobaan untuk inaktivasi bakteri.
Sistem pembangkitan EWNS yang dijelaskan di atas mampu mengubah parameter operasi utama untuk memfasilitasi penyempurnaan properti EWNS. Sesuaikan tegangan yang diberikan (V), jarak antara jarum dan elektroda lawan (L), dan aliran air (φ) melalui kapiler untuk menyempurnakan karakteristik EWNS. Simbol [V (kV), L (cm)] digunakan untuk menunjukkan kombinasi yang berbeda. Sesuaikan aliran air untuk mendapatkan kerucut Taylor yang stabil dengan set [V, L] tertentu. Untuk tujuan penelitian ini, bukaan elektroda lawan (D) ditetapkan pada 0,5 inci (1,29 cm).
Karena keterbatasan geometri dan asimetri, kekuatan medan listrik tidak dapat dihitung dari prinsip dasar. Sebagai gantinya, perangkat lunak QuickField™ (Svendborg, Denmark)19 digunakan untuk menghitung medan listrik. Medan listrik tidak seragam, sehingga nilai medan listrik di ujung kapiler digunakan sebagai nilai referensi untuk berbagai konfigurasi.
Selama penelitian, beberapa kombinasi tegangan dan jarak antara jarum dan elektroda lawan dievaluasi dalam hal pembentukan kerucut Taylor, stabilitas kerucut Taylor, stabilitas produksi EWNS, dan reproduktifitas. Berbagai kombinasi ditunjukkan pada Tabel Tambahan S1.
Output dari sistem pembangkit EWNS dihubungkan langsung ke Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS, model 3936, TSI, Shoreview, Minnesota) untuk mengukur konsentrasi jumlah partikel dan digunakan dengan elektrometer aerosol Faraday (TSI, model 3068B, Shoreview, AS). MN) untuk mengukur aliran aerosol, seperti yang dijelaskan dalam publikasi kami sebelumnya9. Baik SMPS maupun elektrometer aerosol diambil sampelnya pada laju aliran 0,5 L/menit (aliran sampel total 1 L/menit). Konsentrasi partikel dan fluks aerosol diukur selama 120 detik. Ulangi pengukuran sebanyak 30 kali. Total muatan aerosol dihitung dari pengukuran arus, dan rata-rata muatan EWNS diperkirakan dari jumlah total partikel EWNS yang diambil sampelnya. Biaya rata-rata EWNS dapat dihitung menggunakan Persamaan (1):
di mana IEl adalah arus terukur, NSMPS adalah jumlah konsentrasi yang diukur dengan SMPS, dan φEl adalah laju aliran ke elektrometer.
Karena kelembaban relatif (RH) memengaruhi muatan permukaan, suhu dan (RH) dijaga konstan pada 21°C dan 45%, masing-masing, selama percobaan.
Mikroskopi gaya atom (AFM), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Santa Barbara, CA) dan probe AC260T (Olympus, Tokyo, Jepang) digunakan untuk mengukur ukuran dan masa pakai EWNS. Kecepatan pemindaian AFM adalah 1 Hz dan area pemindaian adalah 5 µm×5 µm dengan 256 garis pindai. Semua gambar mengalami penyelarasan gambar orde pertama menggunakan perangkat lunak Asylum (masker dengan rentang 100 nm dan ambang batas 100 pm).
Lepaskan corong pengambilan sampel dan tempatkan permukaan mika pada jarak 2,0 cm dari elektroda lawan selama rata-rata 120 detik untuk menghindari penggabungan partikel dan pembentukan tetesan tidak beraturan pada permukaan mika. EWNS diaplikasikan langsung ke permukaan mika yang baru dipotong (Ted Pella, Redding, CA). Segera setelah sputtering, permukaan mika divisualisasikan menggunakan AFM. Sudut kontak permukaan mika yang baru dipotong dan tidak dimodifikasi mendekati 0°, sehingga EWNS menyebar di atas permukaan mika dalam bentuk kubah20. Diameter (a) dan tinggi (h) tetesan yang berdifusi diukur langsung dari topografi AFM dan digunakan untuk menghitung volume difusi kubah EWNS menggunakan metode kami yang telah divalidasi sebelumnya8. Dengan asumsi bahwa EVNS onboard memiliki volume yang sama, diameter ekuivalen dapat dihitung dari persamaan (2):
Sesuai dengan metode yang kami kembangkan sebelumnya, perangkap spin resonansi spin elektron (ESR) digunakan untuk mendeteksi keberadaan perantara radikal berumur pendek dalam EWNS. Aerosol dilewatkan melalui larutan yang mengandung 235 mM DEPMPO (5-(diethoxyphosphoryl)-5-methyl-1-pyrroline-N-oxide) (Oxis International Inc., Portland, Oregon). Semua pengukuran EPR dilakukan menggunakan spektrometer Bruker EMX (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, AS) dan susunan sel datar. Perangkat lunak Acquisit (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, AS) digunakan untuk mengumpulkan dan menganalisis data. Karakterisasi ROS dilakukan hanya untuk serangkaian kondisi operasi [-6,5 kV, 4,0 cm]. Konsentrasi EWNS diukur menggunakan SMPS setelah memperhitungkan hilangnya EWNS dalam impactor.
Tingkat ozon dipantau menggunakan 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Boulder, Co)8,9,10.
Untuk semua properti EWNS, nilai pengukuran adalah rata-rata pengukuran, dan kesalahan pengukuran adalah simpangan baku. Uji t dilakukan untuk membandingkan nilai atribut EWNS yang dioptimalkan dengan nilai EWNS dasar yang sesuai.
Gambar 2c menunjukkan Electrostatic Precipitation Pass Through System (EPES) yang telah dikembangkan dan dikarakterisasi sebelumnya, yang dapat digunakan untuk menargetkan EWNS11 ke permukaan. EPES menggunakan muatan EWNS yang dikombinasikan dengan medan listrik yang kuat untuk "menunjuk" langsung ke permukaan target. Rincian sistem EPES disajikan dalam publikasi terbaru oleh Pyrgiotakis et al.11. Dengan demikian, EPES terdiri dari ruang PVC cetak 3D dengan ujung meruncing yang berisi dua pelat logam baja tahan karat paralel (baja tahan karat 304, dipoles cermin) di tengah dengan jarak 15,24 cm. Papan dihubungkan ke sumber tegangan tinggi eksternal (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY), papan bawah selalu positif dan papan atas selalu diarde (mengambang). Dinding ruang ditutupi dengan aluminium foil, yang diarde secara elektrik untuk mencegah hilangnya partikel. Ruangan tersebut memiliki pintu pemuatan depan tertutup yang memungkinkan permukaan uji diletakkan pada rak plastik, mengangkatnya dari pelat logam bawah untuk menghindari gangguan tegangan tinggi.
Efisiensi deposisi EWNS dalam EPES dihitung berdasarkan protokol yang dikembangkan sebelumnya yang dirinci dalam Gambar Tambahan S111.
Sebagai ruang kontrol, aliran kedua melalui ruang silinder dihubungkan secara seri dengan sistem EPES menggunakan filter HEPA perantara untuk menghilangkan EWNS. Seperti yang ditunjukkan pada gambar 2c, aerosol EWNS dipompa melalui dua ruang yang dihubungkan secara seri. Filter antara ruang kontrol dan EPES menghilangkan EWNS yang tersisa sehingga menghasilkan suhu (T), kelembapan relatif (RH), dan tingkat ozon yang sama.
Mikroorganisme penting yang ditularkan melalui makanan telah ditemukan mengontaminasi produk segar seperti Escherichia coli (ATCC #27325), indikator tinja, Salmonella enterica (ATCC #53647), patogen yang ditularkan melalui makanan, Listeria innocua (ATCC #33090), alternatif untuk Listeria monocytogenes yang patogen. , Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098) sebagai alternatif untuk ragi pembusuk, dan Mycobacterium parafortuitous (ATCC #19686) sebagai bakteri hidup yang lebih resistan dibeli dari ATCC (Manassas, Virginia).
Beli tomat anggur organik secara acak dari pasar lokal dan simpan dalam lemari es pada suhu 4°C hingga digunakan (hingga 3 hari). Pilih tomat untuk bereksperimen dengan satu ukuran, diameter sekitar 1/2 inci.
Protokol untuk inkubasi, inokulasi, paparan, dan penghitungan koloni telah dirinci dalam publikasi kami sebelumnya dan dijelaskan secara rinci dalam Data Tambahan 11. Kinerja EWNS dievaluasi dengan memaparkan tomat yang diinokulasi pada 40.000 #/cm3 selama 45 menit. Secara singkat, pada waktu t = 0 menit, tiga tomat digunakan untuk mengevaluasi mikroorganisme yang bertahan hidup. Tiga tomat ditempatkan dalam EPES dan dipaparkan pada EWNS pada 40.000 #/cc (tomat yang dipaparkan EWNS) dan tiga lainnya ditempatkan di ruang kontrol (tomat kontrol). Tidak ada kelompok tomat yang mengalami pemrosesan tambahan. Tomat yang dipaparkan EWNS dan kontrol dikeluarkan setelah 45 menit untuk mengevaluasi efek EWNS.
Setiap percobaan dilakukan dalam rangkap tiga. Analisis data dilakukan sesuai dengan protokol yang dijelaskan dalam Data Tambahan.
Sampel bakteri E. coli, Enterobacter, dan L. innocua yang terpapar EWNS (45 menit, konsentrasi aerosol EWNS 40.000 #/cm3) dan yang tidak terpapar dipeletkan untuk menilai mekanisme inaktivasi. Endapan difiksasi selama 2 jam pada suhu ruangan dalam larutan natrium kakodilat 0,1 M (pH 7,4) dengan fiksatif 2,5% glutaraldehida, 1,25% paraformaldehid, dan 0,03% asam pikrat. Setelah dicuci, difiksasi dengan 1% osmium tetroksida (OsO4)/1,5% kalium ferrosianida (KFeCN6) selama 2 jam, dicuci 3 kali dengan air dan diinkubasi dalam uranil asetat 1% selama 1 jam, kemudian dicuci dua kali dengan air. Dehidrasi berikutnya masing-masing 10 menit dengan alkohol 50%, 70%, 90%, 100%. Sampel kemudian ditempatkan dalam propilena oksida selama 1 jam dan diresapi dengan campuran 1:1 propilena oksida dan TAAP Epon (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA). Sampel dibenamkan dalam TAAB Epon dan dipolimerisasi pada suhu 60°C selama 48 jam. Resin granular yang diawetkan dipotong dan divisualisasikan dengan TEM menggunakan JEOL 1200EX (JEOL, Tokyo, Jepang), mikroskop elektron transmisi konvensional yang dilengkapi dengan kamera CCD AMT 2k (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, MA, AS).
Semua percobaan dilakukan dalam rangkap tiga. Untuk setiap titik waktu, pencucian bakteri dilakukan dalam rangkap tiga, menghasilkan total sembilan titik data per titik, yang rata-ratanya digunakan sebagai konsentrasi bakteri untuk organisme tertentu. Simpangan baku digunakan sebagai kesalahan pengukuran. Semua titik dihitung.
Logaritma penurunan konsentrasi bakteri dibandingkan dengan t = 0 menit dihitung menggunakan rumus berikut:
di mana C0 adalah konsentrasi bakteri dalam sampel kontrol pada waktu 0 (yaitu setelah permukaan mengering tetapi sebelum ditempatkan di dalam bilik) dan Cn adalah konsentrasi bakteri pada permukaan setelah n menit pemaparan.
Untuk memperhitungkan degradasi alami bakteri selama periode paparan 45 menit, Log-Reduction juga dihitung dibandingkan dengan kontrol pada 45 menit sebagai berikut:
Di mana Cn adalah konsentrasi bakteri dalam sampel kontrol pada waktu n dan Cn-Kontrol adalah konsentrasi bakteri kontrol pada waktu n. Data disajikan sebagai pengurangan logaritma dibandingkan dengan kontrol (tanpa paparan EWNS).
Selama penelitian, beberapa kombinasi voltase dan jarak antara jarum dan elektroda lawan dievaluasi dalam hal pembentukan kerucut Taylor, stabilitas kerucut Taylor, stabilitas produksi EWNS, dan reproduktifitas. Berbagai kombinasi ditunjukkan dalam Tabel Tambahan S1. Dua kasus dipilih untuk penelitian lengkap yang menunjukkan sifat yang stabil dan dapat direproduksi (kerucut Taylor, produksi EWNS, dan stabilitas dari waktu ke waktu). Pada gbr. 3 menunjukkan hasil pada muatan, ukuran dan kandungan ROS untuk dua kasus. Hasilnya juga dirangkum dalam Tabel 1. Sebagai referensi, Gambar 3 dan Tabel 1 menyertakan sifat-sifat EWNS8, 9, 10, 11 yang tidak dioptimalkan yang disintesis sebelumnya (baseline-EWNS). Perhitungan signifikansi statistik menggunakan uji-t dua sisi dipublikasikan ulang dalam Tabel Tambahan S2. Selain itu, data tambahan mencakup penelitian tentang efek diameter lubang pengambilan sampel elektroda lawan (D) dan jarak antara elektroda arde dan ujung jarum (L) (Gambar Tambahan S2 dan S3).
(a–c) Distribusi ukuran AFM. (d – f) Karakteristik muatan permukaan. (g) Karakterisasi ROS dan ESR.
Penting juga untuk dicatat bahwa untuk semua kondisi di atas, arus ionisasi yang diukur berada dalam kisaran 2-6 µA, dan voltase berada dalam kisaran -3,8 hingga -6,5 kV, yang menghasilkan konsumsi daya untuk EWNS terminal tunggal ini kurang dari 50 mW. Meskipun EWNS disintesis di bawah tekanan tinggi, kadar ozon sangat rendah, tidak pernah melebihi 60 ppb.
Gambar Tambahan S4 menunjukkan medan listrik yang disimulasikan untuk skenario [-6,5 kV, 4,0 cm] dan [-3,8 kV, 0,5 cm]. Medan menurut skenario [-6,5 kV, 4,0 cm] dan [-3,8 kV, 0,5 cm] dihitung masing-masing sebesar 2 × 105 V/m dan 4,7 × 105 V/m. Hal ini diharapkan, karena rasio tegangan terhadap jarak jauh lebih tinggi dalam kasus kedua.
Pada gambar 3a,b menunjukkan diameter EWNS yang diukur dengan AFM8. Diameter EWNS rata-rata untuk skenario [-6,5 kV, 4,0 cm] dan [-3,8 kV, 0,5 cm] dihitung masing-masing sebesar 27 nm dan 19 nm. Deviasi standar geometrik dari distribusi untuk kasus [-6,5 kV, 4,0 cm] dan [-3,8 kV, 0,5 cm] masing-masing adalah 1,41 dan 1,45, yang menunjukkan distribusi ukuran yang sempit. Baik ukuran rata-rata maupun deviasi standar geometrik sangat dekat dengan EWNS dasar, yaitu masing-masing sebesar 25 nm dan 1,41. Pada gambar 3c menunjukkan distribusi ukuran EWNS dasar yang diukur menggunakan metode yang sama dalam kondisi yang sama.
Pada gambar 3d,e menunjukkan hasil karakterisasi muatan. Data adalah pengukuran rata-rata dari 30 pengukuran simultan konsentrasi (#/cm3) dan arus (I). Analisis menunjukkan bahwa muatan rata-rata pada EWNS adalah 22 ± 6 e- dan 44 ± 6 e- untuk [-6,5 kV, 4,0 cm] dan [-3,8 kV, 0,5 cm]. Dibandingkan dengan Baseline-EWNS (10 ± 2 e-), muatan permukaannya secara signifikan lebih tinggi, dua kali lipat dari skenario [-6,5 kV, 4,0 cm] dan empat kali lipat dari [-3,8 kV, 0,5 cm]. 3f menunjukkan data pembayaran EWNS dasar.
Dari peta konsentrasi jumlah EWNS (Gambar Tambahan S5 dan S6), dapat dilihat bahwa pemandangan [-6,5 kV, 4,0 cm] memiliki jumlah partikel yang jauh lebih tinggi daripada pemandangan [-3,8 kV, 0,5 cm]. Perlu dicatat juga bahwa konsentrasi jumlah EWNS dipantau hingga 4 jam (Gambar Tambahan S5 dan S6), di mana stabilitas pembangkitan EWNS menunjukkan tingkat konsentrasi jumlah partikel yang sama dalam kedua kasus.
Gambar 3g menunjukkan spektrum EPR setelah pengurangan kontrol (latar belakang) untuk EWNS yang dioptimalkan pada [-6,5 kV, 4,0 cm]. Spektrum ROS juga dibandingkan dengan garis dasar EWNS dalam makalah yang diterbitkan sebelumnya. Jumlah EWNS yang dihitung yang bereaksi dengan perangkap spin adalah 7,5 × 104 EWNS/dtk, yang serupa dengan Garis Dasar-EWNS8 yang diterbitkan sebelumnya. Spektrum EPR dengan jelas menunjukkan keberadaan dua jenis ROS, di mana O2- mendominasi, sementara OH• hadir dalam jumlah yang lebih sedikit. Selain itu, perbandingan langsung intensitas puncak menunjukkan bahwa EWNS yang dioptimalkan memiliki kandungan ROS yang jauh lebih tinggi dibandingkan dengan EWNS garis dasar.
Pada gambar 4 menunjukkan efisiensi pengendapan EWNS dalam EPES. Data tersebut juga dirangkum dalam Tabel I dan dibandingkan dengan data EWNS asli. Untuk kedua kasus EUNS, pengendapan mendekati 100% bahkan pada tegangan rendah 3,0 kV. Biasanya, 3,0 kV cukup untuk mencapai pengendapan 100% tanpa mempedulikan perubahan muatan permukaan. Dalam kondisi yang sama, efisiensi pengendapan Baseline-EWNS hanya 56% karena muatan yang lebih rendah (rata-rata 10 elektron per EWNS).
Gambar 5 dan Tabel 2 merangkum tingkat inaktivasi mikroorganisme yang diinokulasi pada permukaan tomat setelah terpapar sekitar 40.000 #/cm3 EWNS selama 45 menit dalam skenario optimal [-6,5 kV, 4,0 cm]. E. coli dan L. innocua yang diinokulasi menunjukkan penurunan signifikan sebesar 3,8 log setelah 45 menit paparan. Dalam kondisi yang sama, S. enterica menunjukkan penurunan log yang lebih rendah sebesar 2,2 log, sedangkan S. cerevisiae dan M. parafortuitum menunjukkan penurunan sebesar 1,0 log.
Mikrograf elektron (Gambar 6) yang menggambarkan perubahan fisik yang disebabkan oleh EWNS pada sel E. coli, Salmonella enterica, dan L. innocua yang menyebabkan inaktivasi. Bakteri kontrol menunjukkan membran sel yang utuh, sedangkan bakteri yang terpapar memiliki membran luar yang rusak.
Pencitraan mikroskopis elektron pada bakteri kontrol dan bakteri yang terpapar menunjukkan kerusakan membran.
Data tentang sifat fisikokimia EWNS yang dioptimalkan secara kolektif menunjukkan bahwa sifat EWNS (muatan permukaan dan kandungan ROS) ditingkatkan secara signifikan dibandingkan dengan data dasar EWNS yang dipublikasikan sebelumnya8,9,10,11. Di sisi lain, ukurannya tetap dalam kisaran nanometer, yang sangat mirip dengan hasil yang dipublikasikan sebelumnya, yang memungkinkannya bertahan di udara untuk jangka waktu yang lama. Polidispersitas yang diamati dapat dijelaskan oleh perubahan muatan permukaan, yang menentukan besarnya efek Rayleigh, keacakan, dan potensi penggabungan EWNS. Namun, seperti yang dijelaskan oleh Nielsen et al.22, muatan permukaan yang tinggi mengurangi penguapan dengan secara efektif meningkatkan energi/tegangan permukaan tetesan air. Teori ini dikonfirmasi secara eksperimental untuk tetesan mikro22 dan EWNS dalam publikasi kami sebelumnya8. Hilangnya waktu lembur juga dapat memengaruhi ukuran dan berkontribusi pada distribusi ukuran yang diamati.
Selain itu, muatan per struktur sekitar 22–44 e-, tergantung pada keadaan, yang jauh lebih tinggi dibandingkan dengan EWNS dasar, yang memiliki muatan rata-rata 10 ± 2 elektron per struktur. Namun, perlu dicatat bahwa ini adalah muatan rata-rata EWNS. Seto dkk. Telah ditunjukkan bahwa muatan tersebut tidak seragam dan mengikuti distribusi log-normal21. Dibandingkan dengan pekerjaan kami sebelumnya, menggandakan muatan permukaan menggandakan efisiensi pengendapan dalam sistem EPES hingga hampir 100%11.