Terima kasih kerana melawat Nature.com. Anda menggunakan versi penyemak imbas dengan sokongan CSS terhad. Untuk pengalaman terbaik, kami mengesyorkan agar anda menggunakan penyemak imbas yang dikemas kini (atau lumpuhkan Mod Keserasian dalam Internet Explorer). Di samping itu, untuk memastikan sokongan berterusan, kami menunjukkan tapak tanpa gaya dan JavaScript.
Baru-baru ini, platform antimikrob bebas kimia berasaskan nanoteknologi menggunakan struktur nano air buatan (EWNS) telah dibangunkan. EWNS mempunyai cas permukaan yang tinggi dan kaya dengan spesies oksigen reaktif (ROS) yang boleh berinteraksi dan menyahaktifkan beberapa mikroorganisma, termasuk patogen bawaan makanan. Di sini ditunjukkan bahawa sifatnya semasa sintesis boleh diperhalusi dan dioptimumkan untuk meningkatkan lagi potensi antibakterianya. Platform makmal EWNS telah direka untuk memperhalusi sifat EWNS dengan menukar parameter sintesis. Pencirian sifat EWNS (caj, saiz, dan kandungan ROS) dilakukan menggunakan kaedah analisis moden. Selain itu, mikroorganisma makanan seperti Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocua, Mycobacterium para fortitum, dan Saccharomyces cerevisiae telah diinokulasi ke permukaan tomato anggur organik untuk menilai potensi penyahaktifan mikrob mereka. Keputusan yang dibentangkan di sini menunjukkan bahawa sifat EWNS boleh diperhalusi semasa sintesis, menghasilkan peningkatan eksponen dalam kecekapan penyahaktifan. Khususnya, caj permukaan meningkat sebanyak empat faktor, dan kandungan ROS meningkat. Kadar penyingkiran mikrob adalah bergantung kepada mikrob dan berjulat dari 1.0 hingga 3.8 log selepas 45 minit pendedahan kepada dos aerosol sebanyak 40,000 #/cm3 EWNS.
Pencemaran mikrob adalah punca utama penyakit bawaan makanan yang disebabkan oleh pengambilan patogen atau toksinnya. Penyakit bawaan makanan menyumbang kira-kira 76 juta penyakit, 325,000 dimasukkan ke hospital, dan 5,000 kematian setiap tahun di Amerika Syarikat sahaja1. Selain itu, Jabatan Pertanian Amerika Syarikat (USDA) menganggarkan bahawa peningkatan penggunaan hasil segar bertanggungjawab untuk 48 peratus daripada semua penyakit bawaan makanan yang dilaporkan di Amerika Syarikat2. Kos penyakit dan kematian akibat patogen bawaan makanan di Amerika Syarikat adalah sangat tinggi, dianggarkan oleh Pusat Kawalan dan Pencegahan Penyakit (CDC) lebih daripada AS$15.6 bilion setahun3.
Pada masa ini, campur tangan antimikrob kimia4, sinaran5 dan terma6 untuk memastikan keselamatan makanan dilaksanakan terutamanya pada titik kawalan kritikal terhad (CCP) dalam rantaian pengeluaran (biasanya selepas penuaian dan/atau semasa pembungkusan) dan bukannya dilaksanakan secara berterusan dalam cara yang menghasilkan produk segar tertakluk kepada pencemaran silang 7. Campur tangan antimikrob diperlukan untuk mengawal lebih baik penyakit bawaan makanan dan penyakit yang boleh ditularkan dan boleh terus rosak di ladang. Kurang kesan dan kos.
Platform antimikrob bebas kimia berasaskan nanoteknologi telah dibangunkan baru-baru ini untuk menyahaktifkan bakteria pada permukaan dan di udara menggunakan struktur nano air buatan (EWNS). Untuk sintesis EVNS, dua proses selari digunakan: penyembur elektrik dan pengionan air (Rajah 1a). EWNS sebelum ini telah ditunjukkan mempunyai set unik sifat fizikal dan biologi8,9,10. EWNS mempunyai purata 10 elektron setiap struktur dan saiz nanometer purata 25 nm (Rajah 1b, c)8,9,10. Di samping itu, resonans putaran elektron (ESR) menunjukkan bahawa EWNS mengandungi sejumlah besar spesies oksigen reaktif (ROS), terutamanya radikal hidroksil (OH•) dan superoksida (O2-) (Rajah 1c) 8 . EWNS kekal di udara untuk masa yang lama dan boleh berlanggar dengan mikrob yang terampai di udara dan hadir pada permukaan, menyampaikan muatan ROS mereka dan menyebabkan ketidakaktifan mikrob (Rajah 1d). Kajian terdahulu ini juga menunjukkan bahawa EWNS boleh berinteraksi dengan dan menyahaktifkan pelbagai bakteria gram-negatif dan gram-positif yang mempunyai kepentingan kesihatan awam, termasuk mikobakteria, pada permukaan dan di udara8,9. Mikroskopi elektron penghantaran menunjukkan bahawa ketidakaktifan disebabkan oleh gangguan membran sel. Di samping itu, kajian penyedutan akut telah menunjukkan bahawa dos EWNS yang tinggi tidak menyebabkan kerosakan atau keradangan paru-paru8.
(a) Electrospray berlaku apabila voltan tinggi dikenakan antara kapilari yang mengandungi cecair dan elektrod pembilang. (b) Penggunaan voltan tinggi menghasilkan dua fenomena berbeza: (i) penyemburan elektrik air dan (ii) penjanaan spesies oksigen reaktif (ion) yang terperangkap dalam EWNS. (c) Struktur unik EWNS. (d) EWNS sangat mudah alih kerana sifat skala nanonya dan boleh berinteraksi dengan patogen bawaan udara.
Keupayaan platform antimikrob EWNS untuk menyahaktifkan mikroorganisma bawaan makanan pada permukaan makanan segar juga telah ditunjukkan baru-baru ini. Ia juga telah menunjukkan bahawa cas permukaan EWNS boleh digunakan dalam kombinasi dengan medan elektrik untuk penghantaran yang disasarkan. Lebih penting lagi, hasil awal yang menjanjikan kira-kira 1.4 log pengurangan dalam aktiviti tomato organik terhadap pelbagai mikroorganisma makanan seperti E. coli dan Listeria telah diperhatikan dalam masa 90 minit pendedahan kepada EWNS pada kepekatan kira-kira 50,000#/cm311. Selain itu, ujian penilaian organoleptik awal tidak menunjukkan kesan organoleptik berbanding tomato kawalan. Walaupun keputusan penyahaktifan awal ini menjanjikan keselamatan makanan walaupun pada dos EWNS yang sangat rendah iaitu 50,000#/cc. lihat, adalah jelas bahawa potensi penyahaktifan yang lebih tinggi akan lebih bermanfaat untuk mengurangkan lagi risiko jangkitan dan kerosakan.
Di sini, kami akan menumpukan penyelidikan kami pada pembangunan platform penjanaan EWNS untuk memperhalusi parameter sintesis dan mengoptimumkan sifat fizikokimia EWNS untuk meningkatkan potensi antibakterianya. Khususnya, pengoptimuman telah menumpukan pada meningkatkan caj permukaan mereka (untuk meningkatkan penghantaran yang disasarkan) dan kandungan ROS (untuk meningkatkan kecekapan penyahaktifan). Pencirian sifat fiziko-kimia yang dioptimumkan (saiz, caj dan kandungan ROS) menggunakan kaedah analisis moden dan menggunakan mikroorganisma makanan biasa seperti E. coli, S. enterica, L. innocua, S. cerevisiae dan M. parafortuitum.
EVNS telah disintesis dengan penyemburan elektrik serentak dan pengionan air ketulenan tinggi (18 MΩ cm–1). Pengabut elektrik 12 biasanya digunakan untuk mengabuskan cecair dan polimer sintetik dan zarah seramik 13 dan gentian 14 saiz terkawal.
Seperti yang diperincikan dalam penerbitan sebelumnya 8, 9, 10, 11, dalam eksperimen biasa, voltan tinggi digunakan di antara kapilari logam dan elektrod pembilang yang dibumikan. Semasa proses ini, dua fenomena berbeza berlaku: 1) penyembur elektrik dan 2) pengionan air. Medan elektrik yang kuat di antara kedua-dua elektrod menyebabkan cas negatif terkumpul di permukaan air pekat, mengakibatkan pembentukan kon Taylor. Akibatnya, titisan air yang bercas tinggi terbentuk, yang terus terpecah menjadi zarah yang lebih kecil, menurut teori Rayleigh16. Pada masa yang sama, medan elektrik yang kuat menyebabkan beberapa molekul air membelah dan menanggalkan elektron (pengionan), dengan itu menghasilkan sejumlah besar spesies oksigen reaktif (ROS)17. Paket ROS18 yang dihasilkan secara serentak telah dikapsulkan dalam EWNS (Rajah 1c).
Pada rajah. 2a menunjukkan sistem penjanaan EWNS yang dibangunkan dan digunakan dalam sintesis EWNS dalam kajian ini. Air tulen yang disimpan dalam botol tertutup disuap melalui tiub Teflon (diameter dalam 2 mm) ke jarum keluli tahan karat 30G (kapilari logam). Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2b, aliran air dikawal oleh tekanan udara di dalam botol. Jarum dipasang pada konsol Teflon yang boleh dilaraskan secara manual pada jarak tertentu dari elektrod kaunter. Elektrod kaunter ialah cakera aluminium yang digilap dengan lubang di tengah untuk pensampelan. Di bawah elektrod kaunter ialah corong pensampelan aluminium, yang disambungkan ke seluruh persediaan eksperimen melalui port pensampelan (Rajah 2b). Semua komponen pensampel dibumikan secara elektrik untuk mengelakkan pengumpulan cas yang boleh merendahkan pensampelan zarah.
(a) Sistem Penjanaan Struktur Nano Air Kejuruteraan (EWNS). (b) Keratan rentas unit pensampel dan penyembur elektrik menunjukkan parameter yang paling penting. (c) Persediaan eksperimen untuk penyahaktifan bakteria.
Sistem penjanaan EWNS yang diterangkan di atas mampu mengubah parameter operasi utama untuk memudahkan penalaan halus sifat EWNS. Laraskan voltan yang digunakan (V), jarak antara jarum dan elektrod pembilang (L), dan aliran air (φ) melalui kapilari untuk memperhalusi ciri EWNS. Simbol [V (kV), L (cm)] digunakan untuk menunjukkan gabungan yang berbeza. Laraskan aliran air untuk mendapatkan kon Taylor yang stabil bagi set tertentu [V, L]. Untuk tujuan kajian ini, apertur elektrod pembilang (D) ditetapkan pada 0.5 inci (1.29 cm).
Disebabkan oleh geometri dan asimetri yang terhad, kekuatan medan elektrik tidak boleh dikira daripada prinsip pertama. Sebaliknya, perisian QuickField™ (Svendborg, Denmark)19 digunakan untuk mengira medan elektrik. Medan elektrik tidak seragam, jadi nilai medan elektrik di hujung kapilari digunakan sebagai nilai rujukan untuk pelbagai konfigurasi.
Semasa kajian, beberapa kombinasi voltan dan jarak antara jarum dan elektrod pembilang telah dinilai dari segi pembentukan kon Taylor, kestabilan kon Taylor, kestabilan pengeluaran EWNS, dan kebolehulangan. Pelbagai kombinasi ditunjukkan dalam Jadual Tambahan S1.
Output sistem penjanaan EWNS disambungkan terus kepada Pengimbasan Mobiliti Zarah Sizer (SMPS, model 3936, TSI, Shoreview, Minnesota) untuk mengukur kepekatan nombor zarah dan digunakan dengan elektrometer aerosol Faraday (TSI, model 3068B, Shoreview, USA). MN) untuk mengukur aliran aerosol, seperti yang diterangkan dalam penerbitan kami sebelum ini9. Kedua-dua SMPS dan elektrometer aerosol diambil pada kadar aliran 0.5 L/min (jumlah aliran sampel 1 L/min). Kepekatan zarah dan fluks aerosol diukur selama 120 saat. Ulangi pengukuran sebanyak 30 kali. Jumlah cas aerosol dikira daripada pengukuran semasa, dan purata cas EWNS dianggarkan daripada jumlah bilangan zarah EWNS yang disampel. Kos purata EWNS boleh dikira menggunakan Persamaan (1):
di mana IEl ialah arus yang diukur, NSMPS ialah kepekatan nombor yang diukur dengan SMPS, dan φEl ialah kadar aliran ke elektrometer.
Oleh kerana kelembapan relatif (RH) mempengaruhi cas permukaan, suhu dan (RH) dikekalkan malar masing-masing pada 21°C dan 45%, semasa eksperimen.
Mikroskopi daya atom (AFM), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Santa Barbara, CA) dan probe AC260T (Olympus, Tokyo, Jepun) digunakan untuk mengukur saiz dan jangka hayat EWNS. Kadar imbasan AFM ialah 1 Hz dan kawasan imbasan ialah 5 µm×5 µm dengan 256 talian imbasan. Semua imej tertakluk kepada penjajaran imej pesanan pertama menggunakan perisian Asylum (topeng dengan julat 100 nm dan ambang 100 malam).
Keluarkan corong pensampelan dan letakkan permukaan mika pada jarak 2.0 cm dari elektrod pembilang untuk masa purata 120 s untuk mengelakkan penyatuan zarah dan pembentukan titisan tidak sekata pada permukaan mika. EWNS digunakan terus pada permukaan mika yang baru dipotong (Ted Pella, Redding, CA). Sejurus selepas sputtering, permukaan mika telah divisualisasikan menggunakan AFM. Sudut sentuhan permukaan mika yang tidak diubah suai yang baru dipotong adalah hampir 0°, jadi EWNS merambat ke atas permukaan mika dalam bentuk kubah20. Diameter (a) dan ketinggian (h) titisan meresap diukur terus dari topografi AFM dan digunakan untuk mengira volum resapan berkubah EWNS menggunakan kaedah kami yang telah disahkan sebelumnya8. Dengan mengandaikan bahawa EVNS onboard mempunyai isipadu yang sama, diameter setara boleh dikira daripada persamaan (2):
Selaras dengan kaedah kami yang telah dibangunkan sebelum ini, perangkap putaran resonans putaran elektron (ESR) digunakan untuk mengesan kehadiran perantaraan radikal jangka pendek dalam EWNS. Aerosol disalurkan melalui larutan yang mengandungi 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, USA) dan tatasusunan sel rata. Perisian Acquisit (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) telah digunakan untuk mengumpul dan menganalisis data. Pencirian ROS dilakukan hanya untuk satu set keadaan operasi [-6.5 kV, 4.0 cm]. Kepekatan EWNS diukur menggunakan SMPS selepas mengambil kira kehilangan EWNS dalam impak.
Tahap ozon dipantau menggunakan 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Boulder, Co)8,9,10.
Untuk semua sifat EWNS, nilai ukuran ialah min ukuran, dan ralat pengukuran ialah sisihan piawai. Ujian-t dilakukan untuk membandingkan nilai atribut EWNS yang dioptimumkan dengan nilai EWNS asas yang sepadan.
Rajah 2c menunjukkan Sistem Laluan Kerpasan Elektrostatik (EPES) yang dibangunkan dan dicirikan sebelum ini yang boleh digunakan untuk menyasarkan EWNS11 ke permukaan. EPES menggunakan cas EWNS dalam kombinasi dengan medan elektrik yang kuat untuk "menunjuk" terus ke permukaan sasaran. Butiran sistem EPES dibentangkan dalam penerbitan terbaru oleh Pyrgiotakis et al.11. Oleh itu, EPES terdiri daripada ruang PVC bercetak 3D dengan hujung tirus yang mengandungi dua plat logam keluli tahan karat selari (keluli tahan karat 304, cermin digilap) di tengah-tengah 15.24 cm antara. Papan disambungkan kepada sumber voltan tinggi luaran (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY), papan bawah sentiasa positif dan papan atas sentiasa dibumikan (terapung). Dinding ruang ditutup dengan kerajang aluminium, yang dibumikan secara elektrik untuk mengelakkan kehilangan zarah. Ruang ini mempunyai pintu pemuatan hadapan yang tertutup yang membolehkan permukaan ujian diletakkan pada rak plastik, mengangkatnya dari plat logam bawah untuk mengelakkan gangguan voltan tinggi.
Kecekapan pemendapan EWNS dalam EPES dikira mengikut protokol yang dibangunkan sebelum ini yang diperincikan dalam Rajah Tambahan S111.
Sebagai ruang kawalan, aliran kedua melalui ruang silinder disambung secara bersiri dengan sistem EPES menggunakan penapis HEPA perantaraan untuk mengeluarkan EWNS. Seperti yang ditunjukkan dalam rajah. 2c, aerosol EWNS dipam melalui dua ruang yang disambungkan secara bersiri. Penapis antara bilik kawalan dan EPES mengalih keluar sebarang baki EWNS yang mengakibatkan suhu (T), kelembapan relatif (RH) dan paras ozon yang sama.
Mikroorganisma bawaan makanan yang penting telah didapati mencemari hasil segar seperti Escherichia coli (ATCC #27325), penunjuk najis, Salmonella enterica (ATCC #53647), patogen bawaan makanan, Listeria innocua (ATCC #33090), alternatif kepada Listeria monocytogenes patogenik. , Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098) sebagai alternatif kepada yis rosak, dan Mycobacterium parafortuitous (ATCC #19686) sebagai bakteria hidup yang lebih tahan telah dibeli daripada ATCC (Manassas, Virginia).
Beli kotak tomato anggur organik secara rawak dari pasaran tempatan anda dan sejukkan pada suhu 4°C sehingga digunakan (sehingga 3 hari). Pilih tomato untuk bereksperimen dengan satu saiz, kira-kira 1/2 inci diameter.
Protokol untuk pengeraman, inokulasi, pendedahan dan pengiraan koloni telah diperincikan dalam penerbitan kami sebelum ini dan diterangkan secara terperinci dalam Data Tambahan 11. Prestasi EWNS dinilai dengan mendedahkan tomato yang diinokulasi kepada 40,000 #/cm3 selama 45 minit. Secara ringkas, pada masa t = 0 min, tiga tomato digunakan untuk menilai mikroorganisma yang masih hidup. Tiga tomato diletakkan di dalam EPES dan didedahkan kepada EWNS pada 40,000 #/cc (tomato terdedah EWNS) dan tiga lagi diletakkan di dalam kebuk kawalan (tomato kawalan). Tiada satu pun daripada kumpulan tomato tertakluk kepada pemprosesan tambahan. Tomato dan kawalan yang terdedah kepada EWNS telah dikeluarkan selepas 45 minit untuk menilai kesan EWNS.
Setiap eksperimen dijalankan dalam tiga kali ganda. Analisis data dilakukan mengikut protokol yang diterangkan dalam Data Tambahan.
Sampel bakteria E. coli, Enterobacter, dan L. innocua yang terdedah kepada EWNS (45 min, kepekatan aerosol EWNS 40,000 #/cm3) dan tidak terdedah telah dipel untuk menilai mekanisme penyahaktifan. Mendakan difiksasi selama 2 jam pada suhu bilik dalam larutan natrium cacodylate 0.1 M (pH 7.4) dengan fiksatif 2.5% glutaraldehid, 1.25% paraformaldehyde dan 0.03% asid pikrik. Selepas mencuci, mereka difiksasi dengan 1% osmium tetroksida (OsO4)/1.5% potassium ferrocyanide (KFeCN6) selama 2 jam, dibasuh 3 kali dengan air dan diinkubasi dalam 1% uranil asetat selama 1 jam, kemudian dibasuh dua kali dengan air. Dehidrasi seterusnya 10 minit setiap 50%, 70%, 90%, 100% alkohol. Sampel kemudian diletakkan dalam propilena oksida selama 1 jam dan diresapi dengan campuran 1:1 propilena oksida dan TAAP Epon (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA). Sampel telah dibenamkan dalam TAAB Epon dan dipolimerkan pada 60°C selama 48 jam. Resin berbutir yang telah diawet telah dipotong dan divisualisasikan oleh TEM menggunakan JEOL 1200EX (JEOL, Tokyo, Jepun), mikroskop elektron penghantaran konvensional yang dilengkapi dengan kamera AMT 2k CCD (Teknik Mikroskop Lanjutan, Corp., Woburn, MA, Amerika Syarikat).
Semua eksperimen dijalankan dalam tiga kali ganda. Untuk setiap titik masa, basuhan bakteria disalut dalam tiga kali ganda, menghasilkan sejumlah sembilan titik data setiap titik, yang puratanya digunakan sebagai kepekatan bakteria untuk organisma tertentu itu. Sisihan piawai digunakan sebagai ralat pengukuran. Semua mata dikira.
Logaritma penurunan kepekatan bakteria berbanding t = 0 min dikira menggunakan formula berikut:
di mana C0 ialah kepekatan bakteria dalam sampel kawalan pada masa 0 (iaitu selepas permukaan telah kering tetapi sebelum diletakkan di dalam kebuk) dan Cn ialah kepekatan bakteria pada permukaan selepas n minit pendedahan.
Untuk mengambil kira kemerosotan semula jadi bakteria semasa tempoh pendedahan 45 minit, Pengurangan Log juga dikira berbanding kawalan pada 45 minit seperti berikut:
Di mana Cn ialah kepekatan bakteria dalam sampel kawalan pada masa n dan Cn-Control ialah kepekatan bakteria kawalan pada masa n. Data dibentangkan sebagai pengurangan log berbanding kawalan (tiada pendedahan EWNS).
Semasa kajian, beberapa kombinasi voltan dan jarak antara jarum dan elektrod pembilang telah dinilai dari segi pembentukan kon Taylor, kestabilan kon Taylor, kestabilan pengeluaran EWNS, dan kebolehulangan. Pelbagai kombinasi ditunjukkan dalam Jadual Tambahan S1. Dua kes telah dipilih untuk kajian lengkap yang menunjukkan sifat stabil dan boleh dihasilkan semula (kon Taylor, pengeluaran EWNS, dan kestabilan dari semasa ke semasa). Pada rajah. 3 menunjukkan keputusan mengenai caj, saiz dan kandungan ROS untuk dua kes. Hasilnya juga diringkaskan dalam Jadual 1. Sebagai rujukan, Rajah 3 dan Jadual 1 termasuk sifat-sifat EWNS8, 9, 10, 11 yang tidak dioptimumkan yang disintesis sebelum ini (garis dasar-EWNS). Pengiraan kepentingan statistik menggunakan ujian-t dua hujung diterbitkan semula dalam Jadual Tambahan S2. Di samping itu, data tambahan termasuk kajian tentang kesan diameter lubang pensampelan elektrod kaunter (D) dan jarak antara elektrod tanah dan hujung jarum (L) (Rajah Tambahan S2 dan S3).
(a–c) Taburan saiz AFM. (d – f) Ciri cas permukaan. (g) Pencirian ROS dan ESR.
Ia juga penting untuk diperhatikan bahawa untuk semua keadaan di atas, arus pengionan yang diukur adalah dalam julat 2-6 µA, dan voltan berada dalam julat -3.8 hingga -6.5 kV, menghasilkan penggunaan kuasa untuk EWNS terminal tunggal ini kurang daripada 50 mW. . modul penjanaan. Walaupun EWNS disintesis di bawah tekanan tinggi, paras ozon adalah sangat rendah, tidak pernah melebihi 60 ppb.
Rajah Tambahan S4 menunjukkan medan elektrik simulasi untuk senario [-6.5 kV, 4.0 cm] dan [-3.8 kV, 0.5 cm], masing-masing. Medan mengikut senario [-6.5 kV, 4.0 cm] dan [-3.8 kV, 0.5 cm] masing-masing dikira sebagai 2 × 105 V/m dan 4.7 × 105 V/m. Ini dijangka, kerana nisbah voltan kepada jarak jauh lebih tinggi dalam kes kedua.
Pada rajah. 3a, b menunjukkan diameter EWNS yang diukur dengan AFM8. Purata diameter EWNS untuk senario [-6.5 kV, 4.0 cm] dan [-3.8 kV, 0.5 cm] masing-masing dikira sebagai 27 nm dan 19 nm. Sisihan piawai geometri bagi taburan untuk kes [-6.5 kV, 4.0 cm] dan [-3.8 kV, 0.5 cm] masing-masing ialah 1.41 dan 1.45, menunjukkan taburan saiz yang sempit. Kedua-dua saiz min dan sisihan piawai geometri adalah sangat hampir dengan garis dasar-EWNS, masing-masing 25 nm dan 1.41. Pada rajah. 3c menunjukkan taburan saiz garis dasar EWNS yang diukur menggunakan kaedah yang sama di bawah keadaan yang sama.
Pada rajah. 3d,e menunjukkan keputusan pencirian cas. Data ialah ukuran purata 30 ukuran serentak kepekatan (#/cm3) dan arus (I). Analisis menunjukkan bahawa cas purata pada EWNS ialah 22 ± 6 e- dan 44 ± 6 e- untuk [-6.5 kV, 4.0 cm] dan [-3.8 kV, 0.5 cm], masing-masing. Berbanding dengan Baseline-EWNS (10 ± 2 e-), cas permukaannya jauh lebih tinggi, dua kali ganda daripada senario [-6.5 kV, 4.0 cm] dan empat kali ganda daripada [-3 .8 kV, 0.5 cm]. 3f menunjukkan data pembayaran EWNS asas.
Daripada peta kepekatan nombor EWNS (Angka Tambahan S5 dan S6), dapat dilihat bahawa adegan [-6.5 kV, 4.0 cm] mempunyai bilangan zarah yang jauh lebih tinggi daripada adegan [-3.8 kV, 0.5 cm]. Perlu juga diperhatikan bahawa kepekatan nombor EWNS dipantau sehingga 4 jam (Angka Tambahan S5 dan S6), di mana kestabilan penjanaan EWNS menunjukkan tahap kepekatan nombor zarah yang sama dalam kedua-dua kes.
Rajah 3g menunjukkan spektrum EPR selepas penolakan kawalan (latar belakang) untuk EWNS yang dioptimumkan pada [-6.5 kV, 4.0 cm]. Spektrum ROS juga dibandingkan dengan garis dasar EWNS dalam kertas yang diterbitkan sebelum ini. Bilangan pengiraan EWNS yang bertindak balas dengan perangkap putaran ialah 7.5 × 104 EWNS/s, yang serupa dengan Baseline-EWNS8 yang diterbitkan sebelum ini. Spektrum EPR jelas menunjukkan kehadiran dua jenis ROS, di mana O2- mendominasi, manakala OH• hadir dalam jumlah yang lebih kecil. Di samping itu, perbandingan langsung keamatan puncak menunjukkan bahawa EWNS yang dioptimumkan mempunyai kandungan ROS yang jauh lebih tinggi berbanding EWNS garis dasar.
Pada rajah. 4 menunjukkan kecekapan pemendapan EWNS dalam EPES. Data tersebut juga diringkaskan dalam Jadual I dan dibandingkan dengan data EWNS asal. Bagi kedua-dua kes EUNS, pemendapan adalah hampir 100% walaupun pada voltan rendah 3.0 kV. Biasanya, 3.0 kV adalah mencukupi untuk mencapai pemendapan 100% tanpa mengira perubahan cas permukaan. Di bawah keadaan yang sama, kecekapan pemendapan Baseline-EWNS hanya 56% disebabkan oleh cas yang lebih rendah (purata 10 elektron setiap EWNS).
Rajah 5 dan Jadual 2 meringkaskan tahap ketidakaktifan mikroorganisma yang disuntik pada permukaan tomato selepas pendedahan kepada kira-kira 40,000 #/cm3 EWNS selama 45 minit di bawah senario optimum [-6.5 kV, 4.0 cm]. E. coli dan L. innocua yang disuntik menunjukkan pengurangan ketara sebanyak 3.8 log selepas 45 minit pendedahan. Di bawah keadaan yang sama, S. enterica menunjukkan pengurangan log yang lebih rendah sebanyak 2.2 log, manakala S. cerevisiae dan M. parafortuitum menunjukkan pengurangan log 1.0.
Mikrograf elektron (Rajah 6) yang menggambarkan perubahan fizikal yang disebabkan oleh EWNS dalam sel E. coli, Salmonella enterica, dan L. innocua yang membawa kepada ketidakaktifan. Bakteria kawalan menunjukkan membran sel yang utuh, manakala bakteria yang terdedah telah merosakkan membran luar.
Pengimejan mikroskop elektron kawalan dan bakteria terdedah mendedahkan kerosakan membran.
Data tentang sifat fizikokimia EWNS yang dioptimumkan secara kolektif menunjukkan bahawa sifat EWNS (cas permukaan dan kandungan ROS) telah bertambah baik dengan ketara berbanding dengan data garis dasar EWNS yang diterbitkan sebelum ini8,9,10,11. Sebaliknya, saiznya kekal dalam julat nanometer, yang hampir sama dengan hasil yang diterbitkan sebelum ini, membolehkan mereka kekal di udara untuk jangka masa yang lama. Polidispersi yang diperhatikan boleh dijelaskan oleh perubahan dalam cas permukaan, yang menentukan magnitud kesan Rayleigh, rawak, dan potensi penggabungan EWNS. Walau bagaimanapun, seperti yang diperincikan oleh Nielsen et al.22, cas permukaan yang tinggi mengurangkan penyejatan dengan meningkatkan tenaga/ketegangan permukaan secara berkesan bagi titisan air. Teori ini telah disahkan secara eksperimen untuk microdroplets22 dan EWNS dalam penerbitan kami sebelum ini8. Kehilangan kerja lebih masa juga boleh menjejaskan saiz dan menyumbang kepada pengagihan saiz yang diperhatikan.
Di samping itu, caj bagi setiap struktur adalah kira-kira 22–44 e-, bergantung pada keadaan, yang jauh lebih tinggi berbanding dengan EWNS asas, yang mempunyai cas purata 10 ± 2 elektron setiap struktur. Walau bagaimanapun, perlu diingatkan bahawa ini adalah caj purata EWNS. Seto et al. Telah ditunjukkan bahawa caj tidak seragam dan mengikut taburan log-normal21. Berbanding dengan kerja kami sebelum ini, menggandakan cas permukaan menggandakan kecekapan pemendapan dalam sistem EPES kepada hampir 100%11.