Merci fir Äre Besuch op Nature.com. D'Browserversioun, déi Dir benotzt, huet limitéiert CSS-Ënnerstëtzung. Fir déi bescht Erfahrung empfeelen mir Iech, en aktualiséierte Browser ze benotzen (oder de Kompatibilitéitsmodus am Internet Explorer auszeschalten). An der Zwëschenzäit, fir weider Ënnerstëtzung ze garantéieren, wäerte mir d'Websäit ouni Stiler a JavaScript duerstellen.
Viru kuerzem gouf eng chemiefräi antimikrobiell Plattform baséiert op Nanotechnologie mat künstlechen Waassernanostrukturen (EWNS) entwéckelt. EWNS hunn eng héich Uewerflächenladung a si mat reaktive Sauerstoffspezies (ROS) gesättigt, déi mat enger Rei vu Mikroorganismen interagéiere kënnen an se inaktivéiere kënnen, dorënner Liewensmëttelpathogenen. Hei gëtt gewisen, datt hir Eegeschafte während der Synthese fein ofgestëmmt an optimiséiert kënne ginn, fir hiert antibakteriellt Potenzial weider ze verbesseren. D'EWNS Laborplattform gouf entwéckelt fir d'Eegeschafte vun EWNS ze fein ofzestëmmen andeems d'Syntheseparameter geännert ginn. Charakteriséierung vun EWNS Eegeschaften (Ladung, Gréisst an Inhalt vu ROS) mat modernen analytesche Methoden. Zousätzlech goufen se op hiert mikrobiellt Inaktivéierungspotenzial géint Liewensmëttelmikroorganismen wéi Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocuous, Mycobacterium paraaccidentum a Saccharomyces cerevisiae evaluéiert. D'Resultater, déi hei presentéiert ginn, weisen datt d'Eegeschafte vun EWNS während der Synthese fein ofgestëmmt kënne ginn, wat zu enger exponentieller Erhéijung vun der Inaktivéierungseffizienz féiert. Besonnesch d'Uewerflächenladung ass ëm e Faktor véier eropgaang an d'reaktiv Sauerstoffspezies sinn eropgaang. D'mikrobiell Entfernungsquote war mikrobiell ofhängeg a louch tëscht 1,0 an 3,8 Log no enger 45-Minutte-Expositioun mat enger Aerosoldosis vun 40.000 #/cc EWNS.
Mikrobiell Kontaminatioun ass d'Haaptursaach vu Liewensmëttelvergëftung, déi duerch d'Opnam vu Pathogenen oder hiren Toxine verursaacht gëtt. Eleng an den USA verursaache Liewensmëttelvergëftung ongeféier 76 Millioune Krankheeten, 325.000 Spidolsopnamen a 5.000 Doudesfäll all Joer1. Zousätzlech schätzt den US-Landwirtschaftsministère (USDA), datt de verstäerkte Konsum vu frësche Produkter fir 48% vun alle gemellten Liewensmëttelvergëftung an den USA2 verantwortlech ass. D'Käschte vu Krankheeten an Doudesfäll, déi duerch Liewensmëttelvergëftung an den USA verursaacht ginn, si ganz héich a ginn vun de Centers for Disease Control and Prevention (CDC) op méi wéi 15,6 Milliarden US-Dollar pro Joer3 geschat.
Aktuell ginn chemesch4, Stralung5 an thermesch6 antimikrobiell Interventiounen fir d'Liewensmëttelsécherheet ze garantéieren, meeschtens op limitéierten kritesche Kontrollpunkten (CCPs) laanscht d'Produktiounskette (normalerweis no der Ernte an/oder während der Verpackung) duerchgefouert, anstatt kontinuéierlech. Dofir si se ufälleg fir Kräizkontaminatioun. 7. Eng besser Kontroll vu Liewensmëttelvergëftung a Liewensmëttelvergëftung erfuerdert antimikrobiell Interventiounen, déi potenziell iwwer de ganze Kontext vum Bauer bis zum Dësch ugewannt kënne ginn, während d'Ëmweltauswierkungen an d'Käschte reduzéiert ginn.
Viru kuerzem gouf eng chemiefräi, op Nanotechnologie baséiert antimikrobiell Plattform entwéckelt, déi Uewerflächen- a Loftbakterien mat Hëllef vun künstlechen Waassernanostrukturen (EWNS) inaktivéiere kann. EWNS gouf mat zwou parallele Prozesser synthetiséiert, Elektrospray a Waasserioniséierung (Fig. 1a). Fréier Studien hunn gewisen, datt EWNS eng eenzegaarteg Rei vu physikaleschen a biologeschen Eegeschaften hunn8,9,10. EWNS hunn am Duerchschnëtt 10 Elektronen pro Struktur an eng duerchschnëttlech Nanoskalagréisst vun 25 nm (Fig. 1b,c)8,9,10. Zousätzlech huet d'Elektronespinresonanz (ESR) gewisen, datt EWNS eng grouss Quantitéit u reaktive Sauerstoffspezies (ROS) enthält, haaptsächlech Hydroxyl- (OH•) a Superoxid- (O2-) Radikaler (Fig. 1c)8. EVNS ass laang an der Loft a kann mat Mikroorganismen kollidéieren, déi an der Loft suspendéiert sinn a sech op der Uewerfläch befannen, wouduerch se hir ROS-Notzlaascht ofginn an d'Inaktivéierung vu Mikroorganismen verursaachen (Fig. 1d). Dës fréi Studien hunn och gewisen, datt EWNS mat verschiddene gramnegativen a grampositive Bakterien, dorënner Mykobakterien, op Uewerflächen an an der Loft interagéiere kann an se inaktivéiere kann. D'Transmissiounselektronemikroskopie huet gewisen, datt d'Inaktivéierung duerch eng Stéierung vun der Zellmembran verursaacht gouf. Zousätzlech hunn akut Inhalatiounsstudien gewisen, datt héich Dosen vun EWNS keng Longeschued oder Entzündungen verursaachen 8.
(a) Elektrospray geschitt wann eng Héichspannung tëscht engem Kapillarröhrchen mat Flëssegkeet an enger Géigeelektrode ugewannt gëtt. (b) D'Uwendung vun héijem Drock resultéiert an zwou verschiddene Phänomener: (i) Elektrospraying vu Waasser an (ii) Bildung vu reaktive Sauerstoffspezies (Ionen), déi am EWNS agefaangen sinn. (c) Déi eenzegaarteg Struktur vun EWNS. (d) Wéinst hirer Nanoskala-Natur sinn EWNS héich mobil a kënne mat Loftpathogenen interagéieren.
D'Fäegkeet vun der antimikrobieller Plattform EWNS, Liewensmëttelvergëftung op der Uewerfläch vu frësche Liewensmëttel ze inaktivéieren, gouf och viru kuerzem demonstréiert. Et gouf och gewisen, datt d'Uewerflächenladung vun EWNS a Kombinatioun mat engem elektresche Feld ka benotzt ginn, fir eng gezielt Liwwerung z'erreechen. Ausserdeem waren déi virleefeg Resultater fir Bio-Tomaten no enger 90-Minutte-Beliichtung bei engem EWNS vu ronn 50.000 #/cm3 encouragéierend, mat verschiddene Liewensmëttelvergëftung wéi E. coli a Listeria 11, déi observéiert goufen. Zousätzlech hunn virleefeg organoleptesch Tester keng sensoresch Effekter am Verglach mat Kontrolltomaten gewisen. Och wann dës initial Inaktivéierungsresultater fir Liewensmëttelsécherheetsapplikatioune encouragéierend sinn, och bei ganz niddregen EWNS-Dosen vun 50.000 #/cm³, ass et kloer, datt e méi héicht Inaktivéierungspotenzial méi virdeelhaft wier, fir de Risiko vun Infektiounen a Verdauung weider ze reduzéieren.
Hei konzentréiere mir eis Fuerschung op d'Entwécklung vun enger EWNS-Generatiounsplattform, fir d'Feinabstimmung vun de Syntheseparameter an d'Optimiséierung vun de physikochemesche Eegeschafte vun EWNS z'erméiglechen, fir hiert antibakteriellt Potenzial ze verbesseren. D'Optimiséierung huet sech besonnesch op d'Erhéijung vun hirer Uewerflächenladung (fir d'gezielt Liwwerung ze verbesseren) an dem ROS-Gehalt (fir d'Inaktivéierungseffizienz ze verbesseren) konzentréiert. Optiméiert physikochemesch Eegeschafte (Gréisst, Ladung an ROS-Gehalt) charakteriséieren mat modernen analytesche Methoden a benotzen üblech Liewensmëttelmikroorganismen wéi E. .
EVNS gouf duerch gläichzäiteg Elektrospraying an Ioniséierung vu Waasser mat héijer Reinheet (18 MΩ cm–1) synthetiséiert. Den elektreschen Vernebler 12 gëtt typescherweis fir d'Zerstäubung vu Flëssegkeeten an d'Synthese vu Polymer- a Keramikpartikelen 13 a Faseren 14 vu kontrolléierter Gréisst benotzt.
Wéi an de fréiere Publikatiounen 8, 9, 10, 11 detailléiert beschriwwen, gouf an engem typeschen Experiment eng Héichspannung tëscht engem Metallkapillar an enger geerdeter Géigeelektrode ugewannt. Wärend dësem Prozess trieden zwou verschidde Phänomener op: i) Elektrospray an ii) Waasserioniséierung. E staarkt elektrescht Feld tëscht den zwou Elektroden verursaacht datt negativ Ladungen sech op der Uewerfläch vum kondenséierte Waasser opbauen, wat zu der Bildung vun Taylor-Kegel féiert. Als Resultat entstinn héich gelueden Waasserdrëpsen, déi weider a méi kleng Partikelen opbriechen, wéi an der Rayleigh-Theorie16. Gläichzäiteg verursaachen staark elektresch Felder datt sech e puer Waassermoleküle splécken an Elektronen ofzéien (ioniséieren), wat zu der Bildung vun enger grousser Quantitéit u reaktive Sauerstoffspezies (ROS)17 féiert. Gläichzäiteg generéiert ROS18 gouf an EWNS agekapselt (Fig. 1c).
Op der Fig. 2a ass den EWNS-Generatiounssystem ze gesinn, deen an dëser Studie an der EWNS-Synthese entwéckelt a benotzt gouf. Gereinegt Waasser, dat an enger zouener Fläsch gespäichert war, gouf duerch en Teflon-Röhr (2 mm banneschten Duerchmiesser) an eng 30G Edelstahlnadel (Metallkapillär) geleet. De Waasserfloss gëtt vum Loftdrock an der Fläsch kontrolléiert, wéi op der Figur 2b gewisen. D'Nadel ass op enger Teflon-Konsole montéiert a kann manuell op eng gewëssen Distanz vun der Géigeelektrod agestallt ginn. D'Géigeelektrod ass eng poléiert Aluminiumscheif mat engem Lach an der Mëtt fir d'Probenentnahme. Ënnert der Géigeelektrod ass en Aluminium-Probenentnahmetrichter, deen iwwer en Probenentnahmeport mam Rescht vum experimentellen Opbau verbonnen ass (Fig. 2b). Fir Ladungsopbau ze vermeiden, déi de Betrieb vum Probenentnahmer stéiere kéint, sinn all Komponenten vum Probenentnahmer elektresch geerdet.
(a) Engineered Water Nanostructure Generation System (EWNS). (b) Querschnitt vum Sampler an dem Elektrospray, deen déi wichtegst Parameter weist. (c) Experimentell Opstellung fir Bakterieninaktivéierung.
Dat uewe beschriwwent EWNS-Generatiounssystem ass fäeg, Schlësselbetribsparameter z'änneren, fir d'Feinabstimmung vun den EWNS-Eegeschafte ze erliichteren. Ajustéiert déi ugewandte Spannung (V), den Ofstand tëscht der Nol an der Géigeelektrod (L) an de Waasserfloss (φ) duerch d'Kapillar, fir d'EWNS-Charakteristike feinabstimmt ze maachen. Symbol, dat benotzt gëtt, fir verschidde Kombinatioune duerzestellen: [V (kV), L (cm)]. Ajustéiert de Waasserfloss, fir e stabile Taylor-Kegel vun engem bestëmmte Set [V, L] ze kréien. Fir d'Zwecker vun dëser Studie gouf den Aperturduerchmiesser vun der Géigeelektrod (D) op 0,5 Zoll (1,29 cm) gehalen.
Wéinst der limitéierter Geometrie an Asymmetrie kann d'Stäerkt vum elektresche Feld net no Grondprinzipie berechent ginn. Amplaz gouf d'QuickField™ Software (Svendborg, Dänemark)19 benotzt fir d'elektrescht Feld ze berechnen. D'elektrescht Feld ass net eenheetlech, dofir gouf de Wäert vum elektresche Feld un der Spëtzt vum Kapillar als Referenzwäert fir verschidde Konfiguratiounen benotzt.
Wärend der Studie goufen e puer Kombinatioune vu Spannung an Distanz tëscht der Nol an der Géigeelektrode a punkto Taylor-Kegelbildung, Taylor-Kegelstabilitéit, EWNS-Produktiounsstabilitéit a Reproduzéierbarkeet evaluéiert. Verschidde Kombinatioune sinn an der Ergänzungstabell S1 gewisen.
D'Ausgab vum EWNS-Generatiounssystem gouf direkt mat engem Scanning Mobility Particle Size Analyzer (SMPS, Modell 3936, TSI, Shoreview, MN) fir d'Miessung vun der Partikelzuelkonzentratioun, souwéi mat engem Aerosol Faraday Elektrometer (TSI, Modell 3068B, Shoreview, MN) verbonnen. ) fir Aerosolstréim gouf wéi an eiser viregter Publikatioun beschriwwen gemooss. Souwuel den SMPS wéi och den Aerosolelektrometer hunn mat enger Duerchflussrate vun 0,5 L/min (Gesamtprobefluss 1 L/min) gemooss. D'Zuelkonzentratioun vun de Partikelen an den Aerosolfluss goufen 120 Sekonne laang gemooss. D'Miessung gëtt 30 Mol widderholl. Baséierend op de Stroummiessunge gëtt déi total Aerosolladung berechent an déi duerchschnëttlech EWNS-Ladung gëtt fir eng bestëmmt Gesamtzuel vun ausgewielten EWNS-Partikelen geschat. Déi duerchschnëttlech Käschte vun EWNS kënne mat der Equatioun (1) berechent ginn:
woubei IEl de gemoossene Stroum ass, NSMPS déi digital Konzentratioun ass, déi mam SMPS gemooss gëtt, an φEl de Duerchflussrate pro Elektrometer ass.
Well déi relativ Fiichtegkeet (RH) d'Uewerflächenladung beaflosst, goufen d'Temperatur an (RH) während dem Experiment konstant op 21°C respektiv 45% gehalen.
Atomkraaftmikroskopie (AFM), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Santa Barbara, CA) an AC260T-Sond (Olympus, Tokyo, Japan) goufen benotzt fir d'Gréisst an d'Liewensdauer vum EWNS ze moossen. D'AFM-Scanfrequenz war 1 Hz, d'Scanfläch war 5 μm × 5 μm, an 256 Scanlinnen. All Biller goufen enger Bildausriichtung vun der 1. Uerdnung mat der Asylum-Software ënnerworf (Maskeberäich 100 nm, Schwellwäert 100 pm).
Den Testtrichter gouf ewechgeholl an d'Glimmeruewerfläch gouf op enger Distanz vun 2,0 cm vun der Géigeelektrode fir eng Duerchschnëttszäit vun 120 Sekonnen placéiert, fir eng Partikelagglomeratioun an d'Bildung vun onregelméissegen Drëpsen op der Glimmeruewerfläch ze vermeiden. EWNS gouf direkt op d'Uewerfläch vum frësch geschniddene Glimmer gesprëtzt (Ted Pella, Redding, CA). Bild vun der Glimmeruewerfläch direkt nom AFM-Sputteren. De Kontaktwénkel vun der Uewerfläch vum frësch geschniddene onmodifizéierte Glimmer ass no bei 0°, sou datt EVNS op der Glimmeruewerfläch a Form vun enger Kuppel verdeelt ass. Den Duerchmiesser (a) an d'Héicht (h) vun den diffuséierenden Drëpsen goufen direkt vun der AFM-Topographie gemooss a benotzt fir den EWNS-Kuppeldiffusiounsvolumen mat eiser virdru validéierter Method ze berechnen. Ënner der Viraussetzung datt den onboard EWNS datselwecht Volumen huet, kann den gläichwäertegen Duerchmiesser mat der Equatioun (2) berechent ginn:
Baséierend op eiser virdru entwéckelter Method gouf eng Elektronen-Spinresonanz (ESR) Spinfalle benotzt fir d'Präsenz vu kuerzliewege Radikal-Tëscheprodukter an EWNS ze detektéieren. Aerosoler goufen duerch e 650 μm Midget Sparger (Ace Glass, Vineland, NJ) geblose mat enger 235 mM Léisung vun DEPMPO(5-(Diethoxyphosphoryl)-5-methyl-1-pyrrolin-N-oxid) (Oxis International Inc.). Portland, Oregon). All ESR-Miessunge goufen mat engem Bruker EMX Spektrometer (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) an enger Flachbildschiermzell duerchgefouert. D'Acquisit Software (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) gouf benotzt fir d'Donnéeën ze sammelen an z'analyséieren. D'Bestimmung vun den Eegeschafte vum ROS gouf nëmme fir eng Rei vu Betribsbedingungen duerchgefouert [-6,5 kV, 4,0 cm]. EWNS-Konzentratioune goufen mat dem SMPS gemooss nodeems d'EWNS-Verloschter am Impaktor berécksiichtegt goufen.
D'Ozonniveauen goufen mat engem 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Boulder, CO)8,9,10 iwwerwaacht.
Fir all EWNS-Eegeschafte gëtt de Mëttelwäert als Miesswäert benotzt, an d'Standardofwäichung als Miessfehler. T-Tester goufen duerchgefouert fir d'Wäerter vun den optiméierten EWNS-Attributer mat den entspriechende Wäerter vum Basis-EWNS ze vergläichen.
Figur 2c weist e virdru entwéckelt a charakteriséiert elektrostatescht Nidderschlag (EPES) "Pull"-System, dat fir eng gezielt Liwwerung vun EWNS op d'Uewerfläch benotzt ka ginn. EPES benotzt EVNS-Ladungen, déi direkt ënner dem Afloss vun engem staarken elektresche Feld op d'Uewerfläch vum Zil "geleet" kënne ginn. Detailer vum EPES-System ginn an enger rezenter Publikatioun vum Pyrgiotakis et al. presentéiert. 11. Dofir besteet EPES aus enger 3D-gedréckter PVC-Kammer mat konischen Enden an enthält zwou parallel Metallplacken aus Edelstol (304 Edelstol, Spigelbeschichtet) an der Mëtt, déi 15,24 cm vuneneen ewech leien. D'Placke ware mat enger externer Héichspannungsquell (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY) verbonnen, déi ënnescht Plack war ëmmer mat enger positiver Spannung verbonnen, an déi iewescht Plack war ëmmer mat der Äerd (schwiewend Äerd) verbonnen. D'Kammerwänn si mat Aluminiumfolie bedeckt, déi elektresch geerdet ass, fir Partikelverloscht ze vermeiden. D'Kammer huet eng versiegelt Frontlueddier, déi et erlaabt, Testflächen op Plastikstänner ze placéieren, déi se iwwer déi ënnescht Metallplack hiewen, fir Héichspannungsinterferenzen ze vermeiden.
D'Oflagerungseffizienz vun EWNS an EPES gouf no engem virdru entwéckelte Protokoll berechent, deen an der Ergänzungsfigur S111 detailléiert ass.
Als Kontrollkammer gouf eng zweet zylindresch Duerchflusskammer a Serie mam EPES-System ugeschloss, an där en HEPA-Zwëschenfilter benotzt gouf fir EWNS ze entfernen. Wéi an der Figur 2c gewisen, gouf den EWNS-Aerosol duerch zwou agebaute Kammeren gepompelt. De Filter tëscht dem Kontrollraum an dem EPES entfernt all verbleiwen EWNS, wouduerch déiselwecht Temperatur (T), relativ Fiichtegkeet (RH) an Ozonniveauen entstinn.
Wichteg Liewensmëttelvergëftungsmikroorganismen, déi duerch Liewensmëttel iwwerdroe ginn, kontaminéiere kënnen, wéi zum Beispill E. coli (ATCC #27325), den Indikator fir Kot, Salmonella enterica (ATCC #53647), de Liewensmëttelvergëftungspathogen, Listeria harmless (ATCC #33090), e Surrogat fir déi pathogen Listeria monocytogenes, ofgeleet vun ATCC (Manassas, VA) Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098), engem Ersatz fir Verdauungshef, an engem méi resistenten inaktivéierte Bakterium, Mycobacterium paralucky (ATCC #19686).
Kaaft zoufälleg Këschte mat Bio-Drauwetomaten op Ärem lokale Maart a stellt se bis zu 3 Deeg bei 4°C am Frigo. Déi experimentell Tomaten waren all déiselwecht Gréisst, ongeféier 1,2 cm am Duerchmiesser.
D'Protokoller fir Kultur, Impfung, Belaaschtung a Koloniezuel sinn an eiser viregter Publikatioun an an den Ergänzungsdaten detailléiert beschriwwen. D'Effektivitéit vun EWNS gouf evaluéiert andeems geimpfte Tomaten 45 Minutten mat 40.000 #/cm3 ausgesat goufen. Kuerz gesot, dräi Tomaten goufen benotzt fir déi iwwerliewend Mikroorganismen zum Zäitpunkt t = 0 Minutten ze evaluéieren. Dräi Tomaten goufen an EPES gesat an EWNS mat 40.000 #/cc ausgesat (EWNS-exponéiert Tomaten) an déi reschtlech dräi goufen an d'Kontrollkammer gesat (Kontrolltomaten). Eng weider Veraarbechtung vun den Tomaten an deenen zwou Gruppen gouf net duerchgefouert. EWNS-exponéiert Tomaten an Kontrolltomaten goufen no 45 Minutte ewechgeholl fir den Effekt vun EWNS ze evaluéieren.
All Experiment gouf dräimol duerchgefouert. D'Datenanalyse gouf no dem Protokoll duerchgefouert, deen an den Ergänzungsdaten beschriwwe gëtt.
D'Inaktivéierungsmechanismen goufen duerch Sedimentatioun vun exposéierten EWNS-Prouwen (45 Minutten bei enger Aerosolkonzentratioun vun 40.000 #/cm3 EWNS) an net-bestrahlte Prouwen vun harmlose Bakterien E. coli, Salmonella enterica a Lactobacillus evaluéiert. D'Partikelen goufen 2 Stonnen bei Raumtemperatur an 2,5% Glutaraldehyd, 1,25% Paraformaldehyd an 0,03% Pikrinsäure an 0,1 M Natriumcacodylat-Puffer (pH 7,4) fixéiert. Nom Wäschen, 2 Stonnen mat 1% Osmiumtetroxid (OsO4)/1,5% Kaliumferrocyanid (KFeCN6) fixéiert, 3 Mol a Waasser gewäsch an 1 Stonn an 1% Uranylacetat inkubéiert, dann zweemol a Waasser gewäsch, dann 10 Minutten an 50%, 70%, 90%, 100% Alkohol dehydréiert. D'Prouwe goufen duerno fir 1 Stonn a Propylenoxid geluecht an mat enger 1:1 Mëschung aus Propylenoxid an TAAP Epon (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA) imprägnéiert. D'Prouwe goufen an TAAB Epon agebett a fir 48 Stonnen bei 60°C polymeriséiert. Dat gehärtet granulärt Harz gouf geschnidden a mat TEM mat engem konventionellen Transmissiounselektronemikroskop JEOL 1200EX (JEOL, Tokyo, Japan) visualiséiert, deen mat enger AMT 2k CCD Kamera (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, Massachusetts, USA) ausgestatt war.
All Experimenter goufen dräimol duerchgefouert. Fir all Zäitpunkt goufen bakteriell Wäschungen dräimol ausgesaat, wat zu insgesamt néng Datenpunkten pro Punkt gefouert huet, vun deenen den Duerchschnëtt als Bakterienkonzentratioun fir dee spezifesche Mikroorganismus benotzt gouf. D'Standardofwäichung gouf als Miessfehler benotzt. All Punkten zielen.
De Logarithmus vum Réckgang vun der Bakterienkonzentratioun am Verglach zu t = 0 min gouf mat der folgender Formel berechent:
woubei C0 d'Konzentratioun vu Bakterien an der Kontrollprouf zum Zäitpunkt 0 ass (d.h. nodeems d'Uewerfläch gedréchent ass, awer ier se an d'Kammer placéiert gëtt) an Cn d'Konzentratioun vu Bakterien op der Uewerfläch no n Minutte Belaaschtung ass.
Fir den natierlechen Ofbau vu Bakterien während der 45-Minutte-Expositioun ze berücksichtegen, gouf d'Log-Reduktioun am Verglach mat der Kontroll no 45 Minutten och wéi follegt berechent:
woubei Cn d'Konzentratioun vu Bakterien an der Kontrollprouf zum Zäitpunkt n ass an Cn-Kontroll d'Konzentratioun vu Kontrollbakterien zum Zäitpunkt n ass. D'Donnéeë ginn als logarithmesch Reduktioun am Verglach mat der Kontroll (keng EWNS-Expositioun) presentéiert.
Wärend der Studie goufen e puer Kombinatioune vu Spannung an Distanz tëscht der Nol an der Géigeelektrode a punkto Taylor-Kegelbildung, Taylor-Kegelstabilitéit, EWNS-Produktiounsstabilitéit a Reproduzéierbarkeet evaluéiert. Verschidde Kombinatioune sinn an der Ergänzungstabell S1 gewisen. Zwee Fäll, déi stabil a reproduzéierbar Eegeschafte weisen (Taylor-Kegel, EWNS-Generatioun a Stabilitéit iwwer Zäit), goufen fir eng ëmfaassend Studie ausgewielt. An der Fig. Figur 3 weist d'Resultater fir d'Ladung, d'Gréisst an den Inhalt vu ROS an deenen zwou Fäll. D'Resultater sinn och an der Tabell 1 zesummegefaasst. Als Referenz enthalen souwuel Figur 3 wéi och Tabell 1 d'Eegeschafte vum virdru synthetiséierten net-optimiséierten EWNS8, 9, 10, 11 (Baseline-EWNS). Berechnungen vun der statistescher Signifikanz mat engem zweesäitegen t-Test sinn an der Ergänzungstabell S2 nei publizéiert. Zousätzlech enthalen zousätzlech Donnéeën Studien iwwer den Effekt vum Duerchmiesser vum Samplinglach vun der Géigeelektrode (D) an den Distanz tëscht der Äerdelektrode an der Spëtzt (L) (Ergänzungsfiguren S2 an S3).
(ac) Gréisstenverdeelung gemooss mat AFM. (df) Charakteristik vun der Uewerflächenladung. (g) ROS-Charakteriséierung vum EPR.
Et ass och wichteg ze bemierken, datt fir all déi uewe genannten Konditiounen de gemoossene Ioniséierungsstroum tëscht 2 a 6 μA an d'Spannung tëscht -3,8 an -6,5 kV louch, wat zu engem Stroumverbrauch vu manner wéi 50 mW fir dëse Kontaktmodul vun der eenzeger EWNS-Generatioun gefouert huet. Obwuel den EWNS ënner héijem Drock synthetiséiert gouf, waren d'Ozonniveauen ganz niddreg a konnten ni méi wéi 60 ppb sinn.
Déi zousätzlech Figur S4 weist déi simuléiert elektresch Felder fir d'Szenarien [-6,5 kV, 4,0 cm] respektiv [-3,8 kV, 0,5 cm]. Fir d'Szenarien [-6,5 kV, 4,0 cm] respektiv [-3,8 kV, 0,5 cm] sinn d'Feldberechnungen 2 × 105 V/m respektiv 4,7 × 105 V/m. Dëst ass erwaart, well am zweete Fall d'Spannungs-Distanz-Verhältnis vill méi héich ass.
An der Fig. 3a,b sinn den EWNS-Duerchmiesser gewisen, dee mam AFM8 gemooss gouf. Déi berechent duerchschnëttlech EWNS-Duerchmiesser ware 27 nm an 19 nm fir d'Schemaen [-6,5 kV, 4,0 cm] respektiv [-3,8 kV, 0,5 cm]. Fir d'Szenarien [-6,5 kV, 4,0 cm] an [-3,8 kV, 0,5 cm] sinn déi geometresch Standardofwäichunge vun de Verdeelungen 1,41 respektiv 1,45, wat op eng schmuel Gréisstenverdeelung hiweist. Souwuel déi duerchschnëttlech Gréisst wéi och déi geometresch Standardofwäichung leien ganz no beim Basis-EWNS, bei 25 nm respektiv 1,41. An der Fig. 3c ass d'Gréisstenverdeelung vum Basis-EWNS gewisen, déi mat der selwechter Method ënner de selwechte Konditioune gemooss gouf.
An der Fig. 3d, e ginn d'Resultater vun der Ladungscharakteriséierung gewisen. D'Donnéeë sinn duerchschnëttlech Miessunge vun 30 gläichzäitege Miessunge vun der Konzentratioun (#/cm3) a vum Stroum (I). D'Analyse weist, datt déi duerchschnëttlech Ladung um EWNS 22 ± 6 e- a 44 ± 6 e- fir [-6,5 kV, 4,0 cm] respektiv [-3,8 kV, 0,5 cm] ass. Si hunn däitlech méi héich Uewerflächenladungen am Verglach zum Basis-EWNS (10 ± 2 e-), zweemol méi grouss wéi am [-6,5 kV, 4,0 cm] Szenario a véiermol méi grouss wéi am [-3,8 kV, 0,5 cm]. Figur 3f weist d'Ladungsdaten fir de Basis-EWNS.
Aus de Konzentratiounskarte vun der EWNS-Zuel (Ergänzungsfiguren S5 an S6) kann een erkennen, datt de Szenario [-6,5 kV, 4,0 cm] däitlech méi Partikelen huet wéi de Szenario [-3,8 kV, 0,5 cm]. Et ass och derwäert ze bemierken, datt d'EWNS-Zuelkonzentratioun bis zu 4 Stonnen iwwerwaacht gouf (Ergänzungsfiguren S5 an S6), wou d'EWNS-Generatiounsstabilitéit an deenen zwou Fäll déiselwecht Niveaue vun der Partikelzuelkonzentratioun gewisen huet.
An der Fig. 3g gëtt den EPR-Spektrum no der Subtraktioun vun der optiméierter EWNS-Kontroll (Hannergrond) bei [-6,5 kV, 4,0 cm] gewisen. D'ROS-Spektre goufen och mam Baseline-EWNS-Szenario an enger virdru publizéierter Aarbecht verglach. D'Zuel vun den EWNS, déi mat Spinfallen reagéieren, gouf op 7,5 × 104 EWNS/s berechent, wat ähnlech wéi déi virdru publizéiert Baseline-EWNS8 ass. D'EPR-Spektre hunn däitlech d'Präsenz vun zwou Zorte vu ROS gewisen, woubäi O2- déi dominant Spezies an OH• manner heefeg ass. Zousätzlech huet e direkten Verglach vun den Intensitéiten vun de Peak gewisen, datt den optiméierten EWNS e wesentlech méi héije ROS-Gehalt am Verglach zum Baseline-EWNS hat.
Abb. 4 weist d'Oflagerungseffizienz vun EWNS an EPES. D'Donnéeë sinn och an der Tabell I zesummegefaasst a mat den ursprénglechen EWNS-Donnéeë verglach. Fir béid Fäll vun EUNS ass d'Oflagerung bal 100%, och bei enger niddreger Spannung vun 3,0 kV. Typesch sinn 3,0 kV fir 100% Oflagerung genuch, onofhängeg vun der Ännerung vun der Uewerflächenladung. Ënner de selwechte Konditioune war d'Oflagerungseffizienz vun de Baseline-EWNS nëmmen 56% wéinst hirer méi niddreger Ladung (duerchschnëttlech 10 Elektronen pro EWNS).
An der Fig. 5 an an der Tabell 2 resüméiert een den Inaktivéierungswäert vu Mikroorganismen, déi op der Uewerfläch vun Tomaten geimpft goufen, nodeems se 45 Minutten am optimale Modus [-6,5 kV, 4,0 cm] mat ongeféier 40.000 #/cm3 EWNS beliicht goufen. Geimpft E. coli a Lactobacillus innocuous hunn eng bedeitend Reduktioun vun 3,8 Log-1 während der 45-Minutte-Beliichtung gewisen. Ënner de selwechte Konditiounen hat S. enterica eng Ofsenkung vun 2,2 Log-1, während S. cerevisiae an M. parafortutum eng Ofsenkung vun 1,0 Log-1 haten.
D'Elektronemikroskopfotoen (Figur 6) weisen déi kierperlech Verännerungen, déi duerch EWNS op harmlosen Escherichia coli-, Streptococcus- a Lactobacillus-Zellen induzéiert goufen, déi zu hirer Inaktivéierung féieren. D'Kontrollbakterien haten intakt Zellmembranen, während déi exposéiert Bakterien beschiedegt äusser Membranen haten.
Elektronemikroskopesch Bildgebung vu Kontroll- a exponéierte Bakterien huet Membranschied opgedeckt.
D'Donnéeën iwwer déi physikochemesch Eegeschafte vun den optiméierten EWNS weisen zesummen, datt d'Eegeschafte (Uewerflächenladung an ROS-Gehalt) vun den EWNS am Verglach mat de virdru publizéierten EWNS-Basisdaten8,9,10,11 däitlech verbessert goufen. Op der anerer Säit ass hir Gréisst am Nanometerberäich bliwwen, ganz ähnlech wéi d'Resultater, déi virdru gemellt goufen, soudatt se fir eng laang Zäit an der Loft bleiwe konnten. Déi observéiert Polydispersitéit kann duerch Ännerungen an der Uewerflächenladung erkläert ginn, déi d'Gréisst vun den EWNS bestëmmen, d'Zoufällegkeet vum Rayleigh-Effekt an déi potenziell Koaleszenz. Wéi awer vum Nielsen et al.22 detailléiert beschriwwen, reduzéiert eng héich Uewerflächenladung d'Verdampfung andeems se d'Uewerflächenenergie/Spannung vum Waasserdrëps effektiv erhéicht. An eiser viregter Publikatioun8 gouf dës Theorie experimentell fir Mikrodrëpsen22 an EWNS bestätegt. De Verloscht vun der Ladung während der Iwwerstonn kann och d'Gréisst beaflossen a zu der observéierter Gréisstenverdeelung bäidroen.
Zousätzlech ass d'Ladung pro Struktur ongeféier 22-44 e-, ofhängeg vun der Situatioun, wat däitlech méi héich ass am Verglach zum Basis-EWNS, deen eng duerchschnëttlech Ladung vun 10 ± 2 Elektronen pro Struktur huet. Et sollt awer bemierkt ginn, datt dëst déi duerchschnëttlech Ladung vun EWNS ass. Seto et al. Et gouf gewisen, datt d'Ladung inhomogen ass a enger logarithmescher Normalverdeelung21 follegt. Am Verglach mat eiser fréierer Aarbecht verduebelt d'Verdueblung vun der Uewerflächenladung d'Oflagerungseffizienz am EPES-System op bal 100%11.