Merci fir Äre Besuch op Nature.com. Dir benotzt eng Browserversioun mat limitéierter CSS-Ënnerstëtzung. Fir déi bescht Erfahrung empfeelen mir Iech en aktualiséierte Browser ze benotzen (oder de Kompatibilitéitsmodus am Internet Explorer auszeschalten). Zousätzlech, fir eng weider Ënnerstëtzung ze garantéieren, weisen mir d'Websäit ouni Stiler a JavaScript.
Viru kuerzem gouf eng chemiefräi antimikrobiell Plattform baséiert op Nanotechnologie mat künstlechen Waassernanostrukturen (EWNS) entwéckelt. EWNS hunn eng héich Uewerflächenladung a si räich u reaktive Sauerstoffspezies (ROS), déi mat enger Rei vu Mikroorganismen interagéiere kënnen an se inaktivéiere kënnen, dorënner Liewensmëttelpathogenen. Hei gëtt gewisen, datt hir Eegeschafte während der Synthese feinjustéiert an optimiséiert kënne ginn, fir hiert antibakteriellt Potenzial weider ze verbesseren. D'EWNS Laborplattform gouf entwéckelt fir d'Eegeschafte vun EWNS ze feinjustéieren andeems d'Syntheseparameter geännert ginn. D'Charakteriséierung vun den EWNS Eegeschaften (Ladung, Gréisst an ROS Gehalt) gouf mat modernen analytesche Methoden duerchgefouert. Zousätzlech goufen Liewensmëttelmikroorganismen wéi Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocua, Mycobacterium para fortitum a Saccharomyces cerevisiae op d'Uewerfläch vun organeschen Drauwetomaten geimpft, fir hiert mikrobiellt Inaktivéierungspotenzial ze evaluéieren. D'Resultater, déi hei presentéiert ginn, weisen datt d'Eegeschafte vun EWNS während der Synthese feinjustéiert kënne ginn, wat zu enger exponentieller Erhéijung vun der Inaktivéierungseffizienz féiert. Besonnesch d'Uewerflächenladung ass ëm de Faktor véier eropgaang, an den ROS-Gehalt ass eropgaang. D'Mikrobiell Entfernungsquote war mikrobiell ofhängeg a louch tëscht 1,0 an 3,8 Logarithmen no 45 Minutte Belaaschtung mat enger Aerosoldosis vu 40.000 #/cm3 EWNS.
Mikrobiell Kontaminatioun ass d'Haaptursaach vu Liewensmëttelvergëftung, déi duerch d'Opnam vu Pathogenen oder hiren Toxine verursaacht gëtt. Liewensmëttelvergëftung ass eleng an den USA verantwortlech fir ongeféier 76 Millioune Krankheeten, 325.000 Hospitalisatiounen a 5.000 Doudesfäll all Joer1. Zousätzlech schätzt den US-Landwirtschaftsministère (USDA), datt de verstäerkte Konsum vu frësche Produkter fir 48 Prozent vun alle Liewensmëttelvergëftung verantwortlech ass, déi an den USA gemellt ginn2. D'Käschte vu Krankheeten an Doudesfäll duerch Liewensmëttelvergëftung an den USA 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 haaptsächlech op limitéierten kritesche Kontrollpunkten (CCPs) an der Produktiounskette (normalerweis no der Ernte an/oder während der Verpackung) ëmgesat, anstatt kontinuéierlech sou ëmgesat ze ginn, datt frësch Produkter Kräizkontaminatioun ausgesat sinn7. Antimikrobiell Interventiounen sinn néideg fir Liewensmëttelvergëftung a Liewensmëttelvergëftung besser ze kontrolléieren a kënnen am ganze Bauer-bis-Dësch-Kontinuum ugewannt ginn. Manner Impakt a Käschten.
Eng op Nanotechnologie baséiert, chemeschfräi antimikrobiell Plattform gouf viru kuerzem entwéckelt, fir Bakterien op Uewerflächen an an der Loft mat Hëllef vun künstlechen Waassernanostrukturen (EWNS) z'inaktivéieren. Fir d'Synthese vun EVNS goufen zwou parallel Prozesser benotzt: Elektrospray a Waasserioniséierung (Fig. 1a). Et gouf virdru gewisen, datt EWNS eng eenzegaarteg Rei vu physikaleschen a biologeschen Eegeschafte hunn8,9,10. EWNS huet am Duerchschnëtt 10 Elektronen pro Struktur an eng duerchschnëttlech Nanometergréisst vun 25 nm (Fig. 1b,c)8,9,10. Zousätzlech huet d'Elektronespinresonanz (ESR) gewisen, datt EWNS eng grouss Quantitéit u reaktive Sauerstoffspezies (ROS) enthalen, haaptsächlech Hydroxyl- (OH•) a Superoxid- (O2-) Radikaler (Fig. 1c)8. EWNS blouf laang an der Loft a konnt mat Mikroben kollidéieren, déi an der Loft suspendéiert sinn a sech op Uewerflächen präsent hunn, wouduerch se hir ROS-Notzlaascht ofginn an eng mikrobiell Inaktivatioun verursaacht hunn (Fig. 1d). Dës fréier Studien hunn och gewisen, datt EWNS mat verschiddene gramnegativen a grampositive Bakterien, déi fir d'ëffentlech Gesondheet wichteg sinn, dorënner Mykobakterien, op Uewerflächen an an der Loft interagéiere kann an se inaktivéiere kann8,9. 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 verursaachen8.
(a) Elektrospray geschitt wann eng Héichspannung tëscht engem Kapillar mat Flëssegkeet an enger Géigeelektrode ugewannt gëtt. (b) D'Uwendung vun Héichspannung resultéiert an zwou verschiddene Phänomener: (i) Elektrospraying vu Waasser an (ii) Generatioun vu reaktive Sauerstoffspezies (Ionen), déi am EWNS agefaangen sinn. (c) Déi eenzegaarteg Struktur vun EWNS. (d) EWNS si wéinst hirer Nanoskala-Natur héich mobil a kënne mat Loftpathogenen interagéieren.
D'Fäegkeet vun der EWNS-antimikrobieller Plattform, Liewensmëttelvergëftung op der Uewerfläch vu frësche Liewensmëttel ze inaktivéieren, gouf och viru kuerzem demonstréiert. Et gouf och gewisen, datt d'EWNS-Uewerflächenladung a Kombinatioun mat engem elektresche Feld fir gezielt Liwwerung benotzt ka ginn. Méi wichteg ass, datt e villverspriechend initialt Resultat vun enger Reduktioun vun ongeféier 1,4 Log-1 an der Aktivitéit vun organeschen Tomaten géint verschidde Liewensmëttelmikroorganismen wéi E. coli a Listeria bannent 90 Minutte vun der Belaaschtung mat EWNS bei enger Konzentratioun vu ronn 50.000#/cm311 observéiert gouf. Zousätzlech hunn virleefeg organoleptesch Evaluatiounstester keen organolepteschen Effekt am Verglach mat der Kontrolltomat gewisen. Och wann dës initial Inaktivéierungsresultater d'Liewensmëttelsécherheet och bei ganz niddregen EWNS-Dosen vun 50.000#/cc verspriechen, 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'Syntheseparameter ze feinjustéieren an d'physikalesch-chemesch Eegeschafte vun EWNS ze optimiséieren, fir hiert antibakterielt Potenzial ze verbesseren. Besonnesch huet sech d'Optimiséierung op d'Erhéijung vun hirer Uewerflächenladung (fir d'gezielt Liwwerung ze verbesseren) an dem ROS-Gehalt (fir d'Inaktivéierungseffizienz ze verbesseren) konzentréiert. Charakteriséierung vun optiméierten physiko-chemeschen Eegeschaften (Gréisst, Ladung an ROS-Gehalt) mat modernen analytesche Methoden a mat Hëllef vu gängege Liewensmëttelmikroorganismen wéi E. coli, S. enterica, L. innocua, S. cerevisiae an M. parafortuitum.
EVNS gouf duerch gläichzäiteg Elektrospraying an Ioniséierung vu Waasser mat héijer Reinheet (18 MΩ cm–1) synthetiséiert. Den elektreschen Zerstäuber 12 gëtt typescherweis benotzt fir Flëssegkeeten a synthetesch Polymer- a Keramikpartikelen 13 a Faseren 14 vu kontrolléierter Gréisst ze atomiséieren.
Wéi an de fréiere Publikatiounen 8, 9, 10, 11 detailléiert beschriwwen, gëtt an engem typeschen Experiment eng Héichspannung tëscht engem Metallkapillar an enger geerdeter Géigeelektrode ugewannt. Wärend dësem Prozess trieden zwou verschidde Phänomener op: 1) Elektrospray an 2) Ioniséierung vum Waasser. E staarkt elektrescht Feld tëscht den zwou Elektroden verursaacht, datt sech negativ Ladungen op der Uewerfläch vum kondenséierte Waasser opbauen, wat zu der Bildung vun Taylor-Kegel féiert. Als Resultat entstinn héich gelueden Waasserdrëpsen, déi sech weider a méi kleng Partikelen opbriechen, laut der Rayleigh-Theorie16. Gläichzäiteg verursaacht e staarkt elektrescht Feld, datt sech e puer vun de Waassermoleküle splécken an Elektronen ofzéien (Ioniséierung), wouduerch eng grouss Quantitéit u reaktive Sauerstoffspezies (ROS)17 entsteet. Gläichzäiteg generéiert ROS18-Päckchen goufen an EWNS agekapselt (Fig. 1c).
Op der Fig. 2a gëtt den EWNS-Generatiounssystem gewisen, 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. Wéi op der Figur 2b gewisen, gëtt de Waasserfloss vum Loftdrock an der Fläsch kontrolléiert. D'Nadel ass un eng Teflon-Konsole befestegt, déi manuell op eng gewëssen Distanz vun der Géigeelektrod agestallt ka ginn. D'Géigeelektrod ass eng poléiert Aluminiumscheif mat engem Lach an der Mëtt fir d'Probenahme. Ënnert der Géigeelektrod ass en Aluminium-Probenahmetrichter, deen iwwer e Probenahmeport mam Rescht vum experimentellen Opbau verbonnen ass (Fig. 2b). All Komponenten vum Probenahmeapparat sinn elektresch geerdet, fir Ladungsopbau ze vermeiden, déi d'Partikelprobenahme verschlechtere kéint.
(a) Engineered Water Nanostructure Generation System (EWNS). (b) Querschnitt vum Samplingapparat an der Elektrospray-Eenheet, déi 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 Géigeelektrode (L) an de Waasserfloss (φ) duerch d'Kapillar, fir d'EWNS-Charakteristiken ze feinabstimmen. D'Symboler [V (kV), L (cm)] gi benotzt fir verschidde Kombinatiounen ze bezeechnen. Ajustéiert de Waasserfloss, fir e stabile Taylor-Kegel vun engem bestëmmte Set [V, L] ze kréien. Fir d'Zwecker vun dëser Studie gouf d'Apertur vun der Géigeelektrode (D) op 0,5 Zoll (1,29 cm) gesat.
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.
Den Ausgang vum EWNS-Generatiounssystem war direkt mat engem Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS, Modell 3936, TSI, Shoreview, Minnesota) verbonnen, fir d'Partikelzuelkonzentratioun ze moossen, an et gouf mat engem Faraday-Aerosolelektrometer (TSI, Modell 3068B, Shoreview, USA, MN) benotzt, fir Aerosolstroum ze moossen, wéi an eiser viregter Publikatioun9 beschriwwen. Souwuel den SMPS wéi och den Aerosolelektrometer hunn mat enger Duerchflussquote vun 0,5 L/min (Gesamtprobefluss 1 L/min) gemooss. D'Partikelkonzentratiounen an d'Aerosolfluxen goufen 120 Sekonne laang gemooss. Widderhuelt d'Miessung 30 Mol. Déi total Aerosolladung gëtt aus de Stroummiessunge berechent, an déi duerchschnëttlech EWNS-Ladung gëtt aus der Gesamtzuel vun den EWNS-Partikelen geschat. Déi duerchschnëttlech Käschte vun EWNS kënne mat der Equatioun (1) berechent ginn:
woubei IEl de gemoossene Stroum ass, NSMPS déi mat der SMPS gemoosse Zuelkonzentratioun ass, an φEl de Flossrate zum 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-Scanrate ass 1 Hz an d'Scanfläch ass 5 µm × 5 µm mat 256 Scanlinnen. All Biller goufen enger Bildausriichtung vun der éischter Uerdnung mat der Asylum-Software ënnerworf (Mask mat engem Beräich vun 100 nm an engem Schwellwäert vun 100 pm).
Huelt den Prouftrichter eraus a placéiert d'Glimmeruewerfläch op enger Distanz vun 2,0 cm vun der Géigeelektrode fir eng duerchschnëttlech Zäit vun 120 Sekonnen, fir d'Koaleszenz vu Partikelen an d'Bildung vun onregelméissegen Drëpsen op der Glimmeruewerfläch ze vermeiden. EWNS gouf direkt op frësch geschnidden Glimmeruewerflächen ugewannt (Ted Pella, Redding, CA). Direkt nom Sputteren gouf d'Glimmeruewerfläch mat AFM visualiséiert. De Kontaktwénkel vun der Uewerfläch vum frësch geschniddenen onmodifizéierte Glimmer ass no bei 0°, sou datt EWNS sech iwwer d'Glimmeruewerfläch an enger Kuppelform ausbreet20. Den Duerchmiesser (a) an d'Héicht (h) vun den diffuséierenden Drëpsen goufen direkt vun der AFM-Topographie gemooss a benotzt fir den kuppelfërmegen Diffusiounsvolumen EWNS mat eiser virdru validéierter Method8 ze berechnen. Ënner der Viraussetzung, datt den onboard EVNS datselwecht Volumen huet, kann den gläichwäertegen Duerchmiesser aus der Equatioun (2) berechent ginn:
Am Aklang mat 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 eng Léisung mat 235 mM DEPMPO (5-(Diethoxyphosphoryl)-5-methyl-1-pyrrolin-N-oxid) (Oxis International Inc., Portland, Oregon) geleet. All EPR-Miessunge goufen mat engem Bruker EMX Spektrometer (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) a flaache Zell-Arrays duerchgefouert. D'Acquisit Software (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) gouf benotzt fir d'Donnéeën ze sammelen an z'analyséieren. D'ROS-Charakteriséierung gouf nëmme fir eng Rei vu Betribsbedingungen duerchgefouert [-6,5 kV, 4,0 cm]. D'EWNS-Konzentratioune goufen mat SMPS gemooss nodeems de Verloscht vun EWNS am Impaktor berécksiichtegt gouf.
D'Ozonniveauen goufen mat engem 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Boulder, CO)8,9,10 iwwerwaacht.
Fir all EWNS-Eegeschafte ass de Miesswäert de Mëttelwäert vun de Miessungen, an de Miessfehler ass d'Standardofwäichung. En t-Test gouf duerchgefouert fir de Wäert vum optiméierten EWNS-Attribut mam entspriechende Wäert vum Basis-EWNS ze vergläichen.
Figur 2c weist en virdru entwéckelt an charakteriséierten Elektrostatesche Nidderschlagsduerchlafsystem (EPES), dat benotzt ka ginn, fir EWNS11 op Uewerflächen ze zielen. EPES benotzt eng EWNS-Ladung a Kombinatioun mat engem staarken elektresche Feld, fir direkt op d'Uewerfläch vum Zil ze "richten". Detailer vum EPES-System ginn an enger rezenter Publikatioun vum Pyrgiotakis et al.11 presentéiert. Dofir besteet EPES aus enger 3D-gedréckter PVC-Kammer mat konischen Enden, déi zwou parallel Edelstahl-Metallplacke (304 Edelstahl, spiggelpoléiert) an der Mëtt enthalen, 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 positiv an déi iewescht Plack war ëmmer geerdet (schwiewend). 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, andeems se vun der ënneschter Metallplack opgehuewe ginn, 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 ass den zweete Floss duerch déi zylindresch Kammer a Serie mam EPES-System verbonnen, andeems en HEPA-Filter benotzt gëtt, fir EWNS ze entfernen. Wéi an der Fig. 2c gewisen, gouf den EWNS-Aerosol duerch zwou seriegeschlossene 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 frësch Produkter kontaminéieren, goufen festgestallt, wéi Escherichia coli (ATCC #27325), en Indikator fir Kot, Salmonella enterica (ATCC #53647), e Liewensmëttelvergëftungspathogen, Listeria innocua (ATCC #33090), eng Alternativ zu der pathogene Bakterie Listeria monocytogenes, Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098) als Alternativ zu Verdauungshef, a Mycobacterium parafortuitous (ATCC #19686) als méi resistent lieweg Bakterie, déi vun ATCC (Manassas, Virginia) kaaft goufen.
Kaaft zoufälleg Këschte mat Bio-Drauwetomaten op Ärem lokale Maart a stellt se bis zu 3 Deeg bei 4°C am Frigo. Wielt Tomaten aus, fir mat enger Gréisst ze experimentéieren, ongeféier 1,25 cm Duerchmiesser.
D'Protokoller fir Inkubatioun, Impfung, Belaaschtung an d'Koloniezielung goufen an eise fréiere Publikatiounen detailléiert beschriwwen an am Ergänzungsdaten 11 am Detail erkläert. D'Leeschtung vun der EWNS gouf evaluéiert andeems geimpelt Tomaten 45 Minutten laang mat 40.000 #/cm3 ausgesat goufen. Kuerz gesot, zum Zäitpunkt t = 0 min goufen dräi Tomaten benotzt fir déi iwwerliewend Mikroorganismen ze evaluéieren. Dräi Tomaten goufen an EPES geluecht an EWNS mat 40.000 #/cc ausgesat (EWNS-exponéiert Tomaten) an dräi aner goufen an d'Kontrollkammer gesat (Kontrolltomaten). Keng vun den Tomategruppen gouf enger weiderer Veraarbechtung ënnerworf. EWNS-exponéiert Tomaten a Kontrollen 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.
Bakterienprouwen vun E. coli, Enterobacter a L. innocua, déi EWNS (45 Min., EWNS Aerosolkonzentratioun 40.000 #/cm3) ausgesat waren an net ausgesat waren, goufen zu Pellets gefouert, fir d'Inaktivéierungsmechanismen ze evaluéieren. De Nidderschlag gouf 2 Stonnen bei Raumtemperatur an enger 0,1 M Natriumkakodylat-Léisung (pH 7,4) mat engem Fixativ aus 2,5% Glutaraldehyd, 1,25% Paraformaldehyd an 0,03% Pikrinsäure fixéiert. Nom Wäsche goufe se 2 Stonnen mat 1% Osmiumtetroxid (OsO4)/1,5% Kaliumferrocyanid (KFeCN6) fixéiert, 3-mol mat Waasser gewäsch an 1 Stonn an 1% Uranylacetat inkubéiert, duerno zweemol mat Waasser gewäsch. Duerno gouf d'Dehydratioun 10 Minutten mat jee 50%, 70%, 90%, 100% Alkohol verlängert. 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 JEOL 1200EX (JEOL, Tokyo, Japan), engem konventionellen Transmissiounselektronemikroskop mat enger AMT 2k CCD Kamera (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, MA, USA), visualiséiert.
All Experimenter goufen dräimol duerchgefouert. Fir all Zäitpunkt goufen bakteriell Wäschungen dräimol ausgefëllt, wat zu insgesamt néng Datenpunkten pro Punkt gefouert huet, vun deenen den Duerchschnëtt als Bakterienkonzentratioun fir dee spezifeschen Organismus 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-Beliichtungszäit ze berücksichtegen, gouf och d'Log-Reduktioun am Verglach mat der Kontroll no 45 Minutten berechent, wéi follegt:
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 goufen fir eng komplett Studie ausgewielt, déi stabil a reproduzéierbar Eegeschafte weist (Taylor-Kegel, EWNS-Produktioun a Stabilitéit iwwer Zäit). Abb. 3 weist d'Resultater iwwer d'Ladung, d'Gréisst an den Inhalt vu ROS fir zwee Fäll. D'Resultater sinn och an der Tabell 1 zesummegefaasst. Als Referenz enthalen d'Figur 3 an d'Tabell 1 d'Eegeschafte vun den 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 Prouflach (D) vun der Géigeelektrode an den Ofstand tëscht der Äerdelektrode an der Spëtzt vun der Nol (L) (Ergänzungsfiguren S2 an S3).
(a–c) AFM-Gréisstenverdeelung. (d–f) Charakteristik vun der Uewerflächenladung. (g) Charakteriséierung vu ROS an ESR.
Et ass och wichteg ze bemierken, datt fir all déi uewe genannten Konditiounen déi gemoossen Ioniséierungsstréim am Beräich vun 2-6 µA an d'Spannungen am Beräich vun -3,8 bis -6,5 kV louchen, wat zu engem Stroumverbrauch fir dësen Een-Uschloss-EWNS vu manner wéi 50 mW gefouert huet. . Generatiounsmodul. Obwuel den EWNS ënner héijem Drock synthetiséiert gouf, waren d'Ozonniveauen ganz niddreg a ni méi wéi 60 ppb.
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]. D'Felder no de Szenarien [-6,5 kV, 4,0 cm] an [-3,8 kV, 0,5 cm] ginn als 2 × 105 V/m respektiv 4,7 × 105 V/m berechent. Dëst ass ze erwaarden, well d'Verhältnes vun der Spannung zur Distanz am zweete Fall vill méi héich ass.
An der Fig. 3a,b gëtt den EWNS-Duerchmiesser gewisen, dee mam AFM8 gemooss gouf. Déi duerchschnëttlech EWNS-Duerchmiesser fir d'Szenarie [-6,5 kV, 4,0 cm] an [-3,8 kV, 0,5 cm] goufen als 27 nm respektiv 19 nm berechent. Déi geometresch Standardofwäichunge vun de Verdeelunge fir d'Fäll [-6,5 kV, 4,0 cm] an [-3,8 kV, 0,5 cm] sinn 1,41 respektiv 1,45, wat op eng schmuel Gréisstenverdeelung hiweist. Souwuel déi duerchschnëttlech Gréisst wéi och déi geometresch Standardofwäichung sinn ganz no beim Baseline-EWNS, nämlech 25 nm respektiv 1,41. An der Fig. 3c gëtt d'Gréisstenverdeelung vum Baseline-EWNS gewisen, dee mat der selwechter Method ënner de selwechte Konditioune gemooss gouf.
An der Fig. 3d, e weist d'Resultater vun der Ladungscharakteriséierung. 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. Am Verglach mam Baseline-EWNS (10 ± 2 e-) ass hir Uewerflächenladung däitlech méi héich, duebel sou héich wéi am [-6,5 kV, 4,0 cm] Szenario a véiermol sou héich wéi am [-3,8 kV, 0,5 cm]. 3f weist d'Basis-EWNS-Bezuelungsdaten.
Aus den EWNS-Zuelkonzentratiounskarten (Ergänzungsfiguren S5 an S6) kann een erkennen, datt d'Szen [-6,5 kV, 4,0 cm] eng däitlech méi héich Partikelzuel huet wéi d'Szen [-3,8 kV, 0,5 cm]. Et sollt och bemierkt ginn, datt d'EWNS-Zuelkonzentratioune bis zu 4 Stonnen iwwerwaacht goufen (Ergänzungsfiguren S5 an S6), wou d'EWNS-Generatiounsstabilitéit an deenen zwou Fäll déiselwecht Niveaue vu Partikelzuelkonzentratioune gewisen huet.
Figur 3g weist den EPR-Spektrum nom Kontroll- (Hannergrond-) Subtraktioun fir optiméiert EWNS bei [-6,5 kV, 4,0 cm]. De ROS-Spektrum gëtt och mat der EWNS-Basislinn an enger virdru publizéierter Aarbecht verglach. Déi berechent Zuel vun EWNS, déi mat der Spinfalle reagéieren, ass 7,5 × 104 EWNS/s, wat ähnlech wéi déi virdru publizéiert Baseline-EWNS8 ass. D'EPR-Spektren hunn däitlech d'Präsenz vun zwou Zorte vu ROS ugedeit, wou O2- dominéiert huet, während OH• a méi klenger Quantitéit präsent war. Zousätzlech huet e direkten Verglach vun den Intensitéiten vun de Peak gewisen, datt déi optiméiert EWNS en däitlech méi héije ROS-Gehalt hat am Verglach zum Basislinn-EWNS.
Fig. 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 EUNS-Fäll war d'Oflagerung bal 100%, och bei enger niddreger Spannung vun 3,0 kV. Typesch sinn 3,0 kV genuch fir eng 100% Oflagerung z'erreechen, onofhängeg vun der Ännerung vun der Uewerflächenladung. Ënner de selwechte Konditioune war d'Oflagerungseffizienz vum Baseline-EWNS nëmmen 56% wéinst der méi niddreger Ladung (duerchschnëttlech 10 Elektronen pro EWNS).
Figur 5 an Tabelle 2 resüméieren de Grad vun der Inaktivéierung vu Mikroorganismen, déi op der Uewerfläch vun Tomaten geimpft goufen, nodeems se 45 Minutten laang mat ongeféier 40.000 #/cm3 EWNS beliicht goufen, am optimale Szenario [-6,5 kV, 4,0 cm]. Geimpft E. coli an L. innocua hunn no 45 Minutte Belaaschtung eng bedeitend Reduktioun vun 3,8 Log gewisen. Ënner de selwechte Konditiounen huet S. enterica eng méi niddreg Log-Reduktioun vun 2,2 Log gewisen, während S. cerevisiae an M. parafortuitum eng Reduktioun vun 1,0 Log gewisen hunn.
Elektronemikroskopesch Opnamen (Figur 6), déi déi kierperlech Verännerungen duerstellen, déi duerch EWNS an E. coli-, Salmonella enterica- an L. innocua-Zellen induzéiert goufen, déi zu Inaktivatioun féieren. Kontrollbakterien hunn intakt Zellmembranen gewisen, während 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'EWNS-Eegeschafte (Uewerflächenladung an ROS-Gehalt) am Verglach mat de virdru publizéierten EWNS-Basisdaten8,9,10,11 däitlech verbessert goufen. Op der anerer Säit ass hir Gréisst am Nanometerberäich bliwwen, wat ganz ähnlech wéi virdru publizéiert Resultater ass, sou datt se eng laang Zäit an der Loft bleiwe konnten. Déi observéiert Polydispersitéit kann duerch Ännerungen an der Uewerflächenladung erkläert ginn, déi d'Gréisst vum Rayleigh-Effekt, d'Zoufällegkeet an d'potenziell Zesummefaassung vun EWNS bestëmmen. Wéi awer vum Nielsen et al.22 detailléiert beschriwwen, reduzéiert eng héich Uewerflächenladung d'Verdampfung andeems d'Uewerflächenenergie/-Spannung vum Waasserdrëps effektiv erhéicht gëtt. Dës Theorie gouf experimentell fir Mikrodrëpsen22 an EWNS an eiser viregter Publikatioun8 bestätegt. De Verloscht vun 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 den Ëmstänn, 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 net gläichméisseg 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.