Salamat sa pagbisita sa Nature.com. Gumagamit ka ng bersyon ng browser na may limitadong suporta sa CSS. Para sa pinakamagandang karanasan, inirerekomenda namin na gumamit ka ng na-update na browser (o huwag paganahin ang Compatibility Mode sa Internet Explorer). Bilang karagdagan, upang matiyak ang patuloy na suporta, ipinapakita namin ang site na walang mga istilo at JavaScript.
Kamakailan, isang chemical-free antimicrobial platform batay sa nanotechnology gamit ang artificial water nanostructures (EWNS) ay binuo. Ang EWNS ay may mataas na surface charge at mayaman sa reactive oxygen species (ROS) na maaaring makipag-ugnayan at mag-inactivate ng ilang microorganism, kabilang ang foodborne pathogens. Dito ipinapakita na ang kanilang mga katangian sa panahon ng synthesis ay maaaring maayos at ma-optimize upang higit pang mapahusay ang kanilang potensyal na antibacterial. Ang platform ng laboratoryo ng EWNS ay idinisenyo upang i-fine-tune ang mga katangian ng EWNS sa pamamagitan ng pagbabago ng mga parameter ng synthesis. Ang paglalarawan ng mga katangian ng EWNS (singil, laki, at nilalaman ng ROS) ay isinagawa gamit ang mga modernong pamamaraan ng analitikal. Bilang karagdagan, ang mga mikroorganismo ng pagkain tulad ng Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocua, Mycobacterium para fortitum, at Saccharomyces cerevisiae ay na-inoculate sa ibabaw ng mga organic na kamatis ng ubas upang suriin ang kanilang potensyal na hindi aktibo sa microbial. Ang mga resulta na ipinakita dito ay nagpapakita na ang mga katangian ng EWNS ay maaaring maayos sa panahon ng synthesis, na nagreresulta sa isang exponential na pagtaas sa inactivation na kahusayan. Sa partikular, ang singil sa ibabaw ay tumaas ng isang kadahilanan ng apat, at ang nilalaman ng ROS ay tumaas. Ang microbial removal rate ay microbially dependent at mula 1.0 hanggang 3.8 log pagkatapos ng 45 minuto ng pagkakalantad sa isang aerosol na dosis na 40,000 #/cm3 EWNS.
Ang kontaminasyon ng mikrobyo ay ang pangunahing sanhi ng sakit na dala ng pagkain na dulot ng paglunok ng mga pathogen o ng kanilang mga lason. Ang sakit na dala ng pagkain ay nagkakaloob ng humigit-kumulang 76 milyong sakit, 325,000 naospital, at 5,000 namamatay bawat taon sa Estados Unidos lamang1. Bilang karagdagan, tinatantya ng Departamento ng Agrikultura ng Estados Unidos (USDA) na ang pagtaas ng pagkonsumo ng sariwang ani ay responsable para sa 48 porsiyento ng lahat ng mga sakit na dala ng pagkain na iniulat sa Estados Unidos2. Napakataas ng halaga ng pagkakasakit at pagkamatay mula sa mga pathogen na dala ng pagkain sa United States, na tinatantya ng Centers for Disease Control and Prevention (CDC) na higit sa US$15.6 bilyon bawat taon3.
Sa kasalukuyan, ang mga kemikal4, radiation5 at thermal6 na mga antimicrobial na interbensyon upang matiyak ang kaligtasan ng pagkain ay pangunahing ipinapatupad sa limitadong mga kritikal na control point (CCP) sa kadena ng produksyon (karaniwan ay pagkatapos ng pag-aani at/o sa panahon ng packaging) sa halip na patuloy na ipinapatupad sa paraang ang sariwang ani ay napapailalim sa cross-contamination. Mas kaunting epekto at gastos.
Ang isang nanotechnology-based na chemical-free antimicrobial platform ay binuo kamakailan upang hindi aktibo ang bakterya sa mga ibabaw at sa hangin gamit ang mga artipisyal na water nanostructure (EWNS). Para sa synthesis ng EVNS, dalawang parallel na proseso ang ginamit: electrospray at water ionization (Fig. 1a). Ang EWNS ay dati nang naipakita na may natatanging hanay ng mga pisikal at biyolohikal na katangian8,9,10. Ang EWNS ay may average na 10 electron bawat istraktura at isang average na laki ng nanometer na 25 nm (Larawan 1b,c)8,9,10. Bilang karagdagan, ipinakita ng electron spin resonance (ESR) na ang EWNS ay naglalaman ng malaking halaga ng reactive oxygen species (ROS), pangunahin ang hydroxyl (OH•) at superoxide (O2-) radicals (Fig. 1c) 8 . Ang EWNS ay nanatili sa hangin nang mahabang panahon at maaaring bumangga sa mga mikrobyo na nasuspinde sa hangin at naroroon sa mga ibabaw, na naghahatid ng kanilang ROS payload at nagiging sanhi ng microbial inactivation (Fig. 1d). Ang mga naunang pag-aaral na ito ay nagpakita rin na ang EWNS ay maaaring makipag-ugnayan at mag-inactivate ng iba't ibang gram-negative at gram-positive na bakterya na may kahalagahan sa kalusugan ng publiko, kabilang ang mycobacteria, sa mga ibabaw at sa hangin8,9. Ipinakita ng transmission electron microscopy na ang inactivation ay sanhi ng pagkagambala ng cell membrane. Bilang karagdagan, ipinakita ng mga pag-aaral ng talamak na paglanghap na ang mataas na dosis ng EWNS ay hindi nagdudulot ng pinsala sa baga o pamamaga8.
(a) Ang electrospray ay nangyayari kapag ang isang mataas na boltahe ay inilapat sa pagitan ng isang capillary na naglalaman ng likido at isang counter electrode. (b) Ang paggamit ng mataas na boltahe ay nagreresulta sa dalawang magkaibang phenomena: (i) electrospraying ng tubig at (ii) pagbuo ng reactive oxygen species (ions) na nakulong sa EWNS. (c) Ang natatanging istraktura ng EWNS. (d) Ang EWNS ay lubos na gumagalaw dahil sa kanilang nanoscale na kalikasan at maaaring makipag-ugnayan sa mga pathogen na nasa hangin.
Ang kakayahan ng EWNS antimicrobial platform na i-inactivate ang foodborne microorganism sa ibabaw ng sariwang pagkain ay ipinakita rin kamakailan. Ipinakita rin na ang EWNS surface charge ay maaaring gamitin kasama ng isang electric field para sa target na paghahatid. Higit sa lahat, ang isang promising na paunang resulta ng humigit-kumulang 1.4 log na pagbabawas sa aktibidad ng organikong kamatis laban sa iba't ibang microorganism ng pagkain tulad ng E. coli at Listeria ay naobserbahan sa loob ng 90 minuto ng pagkakalantad sa EWNS sa isang konsentrasyon na humigit-kumulang 50,000#/cm311. Bilang karagdagan, ang mga paunang pagsusuri ng organoleptic na pagsusuri ay nagpakita ng walang epektong organoleptic kumpara sa control tomato. Bagama't ang mga unang resulta ng inactivation na ito ay nangangako ng kaligtasan sa pagkain kahit na sa napakababang dosis ng EWNS na 50,000#/cc. tingnan, malinaw na ang mas mataas na potensyal na hindi aktibo ay magiging mas kapaki-pakinabang upang higit pang mabawasan ang panganib ng impeksyon at pagkasira.
Dito, itutuon namin ang aming pananaliksik sa pagbuo ng isang platform ng henerasyon ng EWNS upang maayos ang mga parameter ng synthesis at i-optimize ang mga katangian ng physicochemical ng EWNS upang mapahusay ang kanilang potensyal na antibacterial. Sa partikular, ang pag-optimize ay nakatuon sa pagtaas ng kanilang surface charge (upang mapabuti ang target na paghahatid) at ROS na nilalaman (upang mapabuti ang inactivation na kahusayan). Pagkilala sa mga na-optimize na katangian ng physico-kemikal (laki, singil at nilalaman ng ROS) gamit ang mga modernong pamamaraan ng analitikal at paggamit ng mga karaniwang mikroorganismo sa pagkain tulad ng E. coli, S. enterica, L. innocua, S. cerevisiae at M. parafortuitum.
Ang EVNS ay na-synthesize sa pamamagitan ng sabay-sabay na electrospraying at ionization ng mataas na kadalisayan ng tubig (18 MΩ cm–1). Ang electric atomizer 12 ay karaniwang ginagamit upang i-atomize ang mga likido at sintetikong polimer at mga ceramic na particle 13 at mga hibla 14 na may kontroladong laki.
Tulad ng detalyado sa mga nakaraang publikasyon 8, 9, 10, 11, sa isang tipikal na eksperimento, ang isang mataas na boltahe ay inilalapat sa pagitan ng isang metal na capillary at isang grounded counter electrode. Sa prosesong ito, dalawang magkaibang phenomena ang nagaganap: 1) electrospray at 2) ionization ng tubig. Ang isang malakas na patlang ng kuryente sa pagitan ng dalawang electrodes ay nagiging sanhi ng mga negatibong singil na naipon sa ibabaw ng condensed na tubig, na nagreresulta sa pagbuo ng mga Taylor cone. Bilang resulta, ang mga patak ng tubig na may mataas na sisingilin ay nabubuo, na patuloy na nahati sa maliliit na partikulo, ayon sa teoryang Rayleigh16. Kasabay nito, ang isang malakas na patlang ng kuryente ay nagiging sanhi ng ilan sa mga molekula ng tubig upang mahati at tanggalin ang mga electron (ionization), sa gayon ay bumubuo ng isang malaking halaga ng reactive oxygen species (ROS)17. Sabay-sabay na nabuong ROS18 packet ay na-encapsulated sa EWNS (Larawan 1c).
Sa fig. Ipinapakita ng 2a ang EWNS generation system na binuo at ginamit sa EWNS synthesis sa pag-aaral na ito. Ang dalisay na tubig na nakaimbak sa isang saradong bote ay ipinakain sa pamamagitan ng isang Teflon tube (2 mm inner diameter) sa isang 30G stainless steel na karayom ​​(metal capillary). Gaya ng ipinapakita sa Figure 2b, ang daloy ng tubig ay kinokontrol ng presyon ng hangin sa loob ng bote. Ang karayom ​​ay nakakabit sa isang Teflon console na maaaring manu-manong iakma sa isang tiyak na distansya mula sa counter electrode. Ang counter electrode ay isang pinakintab na aluminum disk na may butas sa gitna para sa sampling. Sa ibaba ng counter electrode ay isang aluminyo sampling funnel, na konektado sa iba pang pang-eksperimentong setup sa pamamagitan ng sampling port (Fig. 2b). Ang lahat ng bahagi ng sampler ay electrically grounded upang maiwasan ang pagtaas ng singil na maaaring magpababa ng particle sampling.
(a) Engineered Water Nanostructure Generation System (EWNS). (b) Cross section ng sampler at electrospray unit na nagpapakita ng pinakamahalagang parameter. (c) Eksperimental na pag-setup para sa hindi aktibo na bakterya.
Ang sistema ng henerasyon ng EWNS na inilarawan sa itaas ay may kakayahang baguhin ang mga pangunahing parameter ng pagpapatakbo upang mapadali ang fine tuning ng mga katangian ng EWNS. Ayusin ang inilapat na boltahe (V), ang distansya sa pagitan ng karayom ​​at ang counter electrode (L), at ang daloy ng tubig (φ) sa pamamagitan ng capillary upang maayos ang mga katangian ng EWNS. Ang mga simbolo [V (kV), L (cm)] ay ginagamit upang tukuyin ang iba't ibang kumbinasyon. Ayusin ang daloy ng tubig upang makakuha ng isang matatag na Taylor cone ng isang tiyak na hanay [V, L]. Para sa mga layunin ng pag-aaral na ito, ang aperture ng counter electrode (D) ay itinakda sa 0.5 pulgada (1.29 cm).
Dahil sa limitadong geometry at kawalaan ng simetrya, ang lakas ng electric field ay hindi maaaring kalkulahin mula sa mga unang prinsipyo. Sa halip, ginamit ang QuickField™ software (Svendborg, Denmark)19 upang kalkulahin ang electric field. Ang electric field ay hindi pare-pareho, kaya ang halaga ng electric field sa dulo ng capillary ay ginamit bilang isang reference na halaga para sa iba't ibang mga configuration.
Sa panahon ng pag-aaral, ilang mga kumbinasyon ng boltahe at distansya sa pagitan ng karayom ​​at ang counter electrode ay nasuri sa mga tuntunin ng Taylor cone formation, Taylor cone stability, EWNS production stability, at reproducibility. Ang iba't ibang mga kumbinasyon ay ipinapakita sa Karagdagang Talahanayan S1.
Ang output ng EWNS generation system ay direktang konektado sa isang Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS, model 3936, TSI, Shoreview, Minnesota) upang sukatin ang konsentrasyon ng particle number at ginamit sa isang Faraday aerosol electrometer (TSI, model 3068B, Shoreview, USA). MN) upang sukatin ang mga daloy ng aerosol, tulad ng inilarawan sa aming nakaraang publikasyon9. Parehong ang SMPS at ang aerosol electrometer ay na-sample sa rate ng daloy na 0.5 L/min (kabuuang sample na daloy 1 L/min). Ang mga konsentrasyon ng butil at aerosol flux ay sinusukat para sa 120 s. Ulitin ang pagsukat ng 30 beses. Ang kabuuang singil ng aerosol ay kinakalkula mula sa mga kasalukuyang sukat, at ang average na singil ng EWNS ay tinatantya mula sa kabuuang bilang ng mga particle ng EWNS na na-sample. Ang average na halaga ng EWNS ay maaaring kalkulahin gamit ang Equation (1):
kung saan ang IEl ay ang sinusukat na kasalukuyang, ang NSMPS ay ang bilang ng konsentrasyon na sinusukat sa SMPS, at ang φEl ay ang daloy ng rate sa electrometer.
Dahil ang relative humidity (RH) ay nakakaapekto sa surface charge, ang temperatura at (RH) ay pinananatiling pare-pareho sa 21°C at 45%, ayon sa pagkakabanggit, sa panahon ng eksperimento.
Ang atomic force microscopy (AFM), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Santa Barbara, CA) at AC260T probe (Olympus, Tokyo, Japan) ay ginamit upang sukatin ang laki at buhay ng EWNS. Ang rate ng pag-scan ng AFM ay 1 Hz at ang lugar ng pag-scan ay 5 µm × 5 µm na may 256 na linya ng pag-scan. Ang lahat ng mga imahe ay sumailalim sa unang pagkakasunud-sunod na pagkakahanay ng imahe gamit ang Asylum software (mask na may saklaw na 100 nm at isang threshold ng 100 pm).
Alisin ang sampling funnel at ilagay ang ibabaw ng mika sa layong 2.0 cm mula sa counter electrode sa average na oras na 120 s upang maiwasan ang pagsasama-sama ng mga particle at pagbuo ng mga hindi regular na droplet sa ibabaw ng mika. Direktang inilapat ang EWNS sa mga bagong hiwa na ibabaw ng mika (Ted Pella, Redding, CA). Kaagad pagkatapos ng sputtering, ang ibabaw ng mika ay na-visualize gamit ang AFM. Ang surface contact angle ng bagong hiwa na hindi nabagong mika ay malapit sa 0°, kaya ang EWNS ay dumarami sa ibabaw ng mika sa isang may domed na hugis20. Ang diameter (a) at taas (h) ng nagkakalat na mga droplet ay direktang sinusukat mula sa topograpiya ng AFM at ginamit upang kalkulahin ang domed diffusion volume na EWNS gamit ang aming dati nang napatunayan na pamamaraan8. Ipagpalagay na ang onboard na EVNS ay may parehong volume, ang katumbas na diameter ay maaaring kalkulahin mula sa equation (2):
Alinsunod sa aming naunang binuo na pamamaraan, ginamit ang isang electron spin resonance (ESR) spin trap upang makita ang pagkakaroon ng mga panandaliang radical intermediate sa EWNS. Ang mga aerosol ay naipasa sa isang solusyon na naglalaman ng 235 mM DEPMPO (5-(diethoxyphosphoryl)-5-methyl-1-pyrroline-N-oxide) (Oxis International Inc., Portland, Oregon). Ang lahat ng pagsukat ng EPR ay isinagawa gamit ang isang Bruker EMX spectrometer (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) at mga flat cell array. Ang Acquisit software (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) ay ginamit upang kolektahin at pag-aralan ang data. Ang ROS characterization ay isinagawa lamang para sa isang hanay ng mga kondisyon ng operating [-6.5 kV, 4.0 cm]. Ang mga konsentrasyon ng EWNS ay sinusukat gamit ang SMPS pagkatapos isaalang-alang ang pagkawala ng EWNS sa impactor.
Ang mga antas ng ozone ay sinusubaybayan gamit ang isang 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Boulder, Co)8,9,10.
Para sa lahat ng katangian ng EWNS, ang halaga ng pagsukat ay ang ibig sabihin ng mga sukat, at ang error sa pagsukat ay ang karaniwang paglihis. Nagsagawa ng t-test upang ihambing ang halaga ng na-optimize na katangian ng EWNS sa katumbas na halaga ng base EWNS.
Ipinapakita ng Figure 2c ang isang dating binuo at nailalarawan na Electrostatic Precipitation Pass Through System (EPES) na maaaring magamit upang i-target ang EWNS11 sa mga ibabaw. Gumagamit ang EPES ng EWNS charge kasama ng malakas na electric field para direktang "ituro" sa ibabaw ng target. Ang mga detalye ng sistema ng EPES ay ipinakita sa isang kamakailang publikasyon ni Pyrgiotakis et al.11. Kaya, ang EPES ay binubuo ng isang 3D na naka-print na PVC chamber na may tapered na dulo na naglalaman ng dalawang magkatulad na stainless steel (304 stainless steel, mirror polished) na mga metal plate sa gitna na 15.24 cm ang pagitan. Ang mga board ay konektado sa isang panlabas na mapagkukunan ng mataas na boltahe (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY), ang ilalim na board ay palaging positibo at ang tuktok na board ay palaging naka-ground (lumulutang). Ang mga dingding ng silid ay natatakpan ng aluminum foil, na kung saan ay pinagbabatayan ng kuryente upang maiwasan ang pagkawala ng butil. Ang silid ay may selyadong pintuan sa harap na naglo-load na nagpapahintulot sa mga test surface na mailagay sa mga plastic rack, na itinataas ang mga ito mula sa ilalim na metal plate upang maiwasan ang mataas na boltahe na interference.
Ang kahusayan ng pag-deposito ng EWNS sa EPES ay kinakalkula ayon sa isang naunang binuo na protocol na detalyado sa Karagdagang Larawan S111.
Bilang isang control chamber, ang pangalawang daloy sa cylindrical chamber ay konektado sa serye sa EPES system gamit ang isang intermediate HEPA filter upang alisin ang EWNS. Gaya ng ipinapakita sa fig. 2c, ang EWNS aerosol ay pumped sa pamamagitan ng dalawang kamara na konektado sa serye. Ang filter sa pagitan ng control room at EPES ay nag-aalis ng anumang natitirang EWNS na nagreresulta sa parehong temperatura (T), relative humidity (RH) at mga antas ng ozone.
Napag-alaman na ang mga mahahalagang mikroorganismo na dala ng pagkain ay nakakahawa sa sariwang ani gaya ng Escherichia coli (ATCC #27325), isang fecal indicator, Salmonella enterica (ATCC #53647), isang foodborne pathogen, Listeria innocua (ATCC #33090), isang alternatibo sa pathogenic Listeria monocytogenes. , Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098) bilang alternatibo sa spoilage yeast, at Mycobacterium parafortuitous (ATCC #19686) bilang mas lumalaban na live bacteria ay binili mula sa ATCC (Manassas, Virginia).
Random na bumili ng mga kahon ng organic grape tomatoes mula sa iyong lokal na merkado at palamigin sa 4°C hanggang gamitin (hanggang 3 araw). Pumili ng mga kamatis upang mag-eksperimento sa isang sukat, mga 1/2 pulgada ang lapad.
Ang mga protocol para sa incubation, inoculation, exposure at colony counting ay detalyado sa aming mga nakaraang publikasyon at ipinaliwanag nang detalyado sa Karagdagang Data 11. Nasuri ang pagganap ng EWNS sa pamamagitan ng paglalantad ng mga inoculated na kamatis sa 40,000 #/cm3 sa loob ng 45 minuto. Sa madaling sabi, sa oras na t = 0 min, tatlong kamatis ang ginamit upang suriin ang mga nabubuhay na mikroorganismo. Tatlong kamatis ang inilagay sa EPES at na-expose sa EWNS sa 40,000 #/cc (EWNS exposed tomatoes) at tatlong iba pa ang inilagay sa control chamber (control tomatoes). Wala sa mga grupo ng kamatis ang sumailalim sa karagdagang pagproseso. Ang mga kamatis at kontrol na nakalantad sa EWNS ay inalis pagkatapos ng 45 minuto upang suriin ang epekto ng EWNS.
Ang bawat eksperimento ay isinagawa sa triplicate. Ang pagsusuri ng data ay isinagawa ayon sa protocol na inilarawan sa Karagdagang Data.
Ang mga sample ng bacterial na E. coli, Enterobacter, at L. innocua na nakalantad sa EWNS (45 min, EWNS aerosol concentration 40,000 #/cm3) at hindi nalantad ay na-pellet upang masuri ang mga mekanismo ng inactivation. Ang precipitate ay naayos sa loob ng 2 oras sa temperatura ng silid sa 0.1 M sodium cacodylate solution (pH 7.4) na may fixative na 2.5% glutaraldehyde, 1.25% paraformaldehyde at 0.03% picric acid. Pagkatapos ng paghuhugas, sila ay naayos na may 1% osmium tetroxide (OsO4)/1.5% potassium ferrocyanide (KFeCN6) para sa 2 h, hugasan ng 3 beses sa tubig at incubated sa 1% uranyl acetate para sa 1 h, pagkatapos ay hugasan ng dalawang beses sa tubig. Kasunod na pag-aalis ng tubig 10 minuto bawat isa sa 50%, 70%, 90%, 100% na alkohol. Ang mga sample ay inilagay sa propylene oxide sa loob ng 1 oras at pinapagbinhi ng 1:1 na halo ng propylene oxide at TAAP Epon (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA). Ang mga sample ay naka-embed sa TAAB Epon at polymerized sa 60 ° C sa loob ng 48 oras. Ang cured granular resin ay pinutol at na-visualize ng TEM gamit ang isang JEOL 1200EX (JEOL, Tokyo, Japan), isang conventional transmission electron microscope na nilagyan ng AMT 2k CCD camera (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, MA, USA).
Ang lahat ng mga eksperimento ay isinagawa sa triplicate. Para sa bawat time point, ang bacterial wash ay nilagyan ng triplicate, na nagreresulta sa kabuuang siyam na data point bawat punto, ang average nito ay ginamit bilang bacterial concentration para sa partikular na organismo. Ang standard deviation ay ginamit bilang error sa pagsukat. Lahat ng puntos ay binibilang.
Ang logarithm ng pagbaba sa konsentrasyon ng bakterya kumpara sa t = 0 min ay kinakalkula gamit ang sumusunod na formula:
kung saan ang C0 ay ang konsentrasyon ng bakterya sa control sample sa oras na 0 (ibig sabihin, pagkatapos matuyo ang ibabaw ngunit bago ilagay sa silid) at ang Cn ay ang konsentrasyon ng bakterya sa ibabaw pagkatapos ng n minuto ng pagkakalantad.
Upang isaalang-alang ang natural na pagkasira ng bakterya sa loob ng 45 minutong panahon ng pagkakalantad, ang Log-Reduction ay kinakalkula din kumpara sa kontrol sa 45 minuto tulad ng sumusunod:
Kung saan ang Cn ay ang konsentrasyon ng bakterya sa control sample sa oras n at ang Cn-Control ay ang konsentrasyon ng control bacteria sa oras n. Ang data ay ipinakita bilang isang pagbabawas ng log kumpara sa kontrol (walang pagkakalantad sa EWNS).
Sa panahon ng pag-aaral, ilang mga kumbinasyon ng boltahe at distansya sa pagitan ng karayom ​​at ang counter electrode ay nasuri sa mga tuntunin ng Taylor cone formation, Taylor cone stability, EWNS production stability, at reproducibility. Ang iba't ibang mga kumbinasyon ay ipinapakita sa Karagdagang Talahanayan S1. Dalawang kaso ang napili para sa isang kumpletong pag-aaral na nagpapakita ng mga stable at reproducible properties (Taylor cone, EWNS production, at stability sa paglipas ng panahon). Sa fig. Ipinapakita ng 3 ang mga resulta sa singil, laki at nilalaman ng ROS para sa dalawang kaso. Binubuod din ang mga resulta sa Talahanayan 1. Para sa sanggunian, kasama sa Figure 3 at Talahanayan 1 ang mga katangian ng dati nang na-synthesize na hindi na-optimize na EWNS8, 9, 10, 11 (baseline-EWNS). Ang mga kalkulasyon ng kahalagahan ng istatistika gamit ang isang two-tailed t-test ay muling nai-publish sa Karagdagang Talahanayan S2. Bilang karagdagan, ang karagdagang data ay kinabibilangan ng mga pag-aaral sa epekto ng counter electrode sampling hole diameter (D) at ang distansya sa pagitan ng ground electrode at dulo ng karayom ​​(L) (Mga Pandagdag na Larawan S2 at S3).
(a–c) pamamahagi ng laki ng AFM. (d – f) Katangian ng surface charge. (g) Paglalarawan ng ROS at ESR.
Mahalaga rin na tandaan na para sa lahat ng mga kondisyon sa itaas, ang sinusukat na ionization currents ay nasa hanay na 2-6 µA, at ang mga boltahe ay nasa hanay na -3.8 hanggang -6.5 kV, na nagreresulta sa paggamit ng kuryente para sa single-terminal na EWNS na ito na mas mababa sa 50 mW. . module ng henerasyon. Kahit na ang EWNS ay na-synthesize sa ilalim ng mataas na presyon, ang mga antas ng ozone ay napakababa, hindi lalampas sa 60 ppb.
Ipinapakita ng Karagdagang Larawan S4 ang mga simulate na electric field para sa [-6.5 kV, 4.0 cm] at [-3.8 kV, 0.5 cm] na mga senaryo, ayon sa pagkakabanggit. Ang mga field ayon sa mga senaryo [-6.5 kV, 4.0 cm] at [-3.8 kV, 0.5 cm] ay kinakalkula bilang 2 × 105 V/m at 4.7 × 105 V/m, ayon sa pagkakabanggit. Ito ay dapat asahan, dahil ang ratio ng boltahe sa distansya ay mas mataas sa pangalawang kaso.
Sa fig. Ipinapakita ng 3a, b ang diameter ng EWNS na sinusukat gamit ang AFM8. Ang average na diameter ng EWNS para sa [-6.5 kV, 4.0 cm] at [-3.8 kV, 0.5 cm] na mga senaryo ay kinakalkula bilang 27 nm at 19 nm, ayon sa pagkakabanggit. Ang geometric na standard deviations ng mga distribusyon para sa mga kaso [-6.5 kV, 4.0 cm] at [-3.8 kV, 0.5 cm] ay 1.41 at 1.45, ayon sa pagkakabanggit, na nagpapahiwatig ng isang makitid na sukat na distribusyon. Parehong ang ibig sabihin ng laki at geometric standard deviation ay napakalapit sa baseline-EWNS, na 25 nm at 1.41, ayon sa pagkakabanggit. Sa fig. Ipinapakita ng 3c ang laki ng pamamahagi ng baseline na EWNS na sinusukat gamit ang parehong pamamaraan sa ilalim ng parehong mga kundisyon.
Sa fig. Ipinapakita ng 3d,e ang mga resulta ng characterization ng singil. Ang data ay mga average na sukat ng 30 sabay-sabay na pagsukat ng konsentrasyon (#/cm3) at kasalukuyang (I). Ipinapakita ng pagsusuri na ang average na singil sa EWNS ay 22 ± 6 e- at 44 ± 6 e- para sa [-6.5 kV, 4.0 cm] at [-3.8 kV, 0.5 cm], ayon sa pagkakabanggit. Kung ikukumpara sa Baseline-EWNS (10 ± 2 e-), ang kanilang surface charge ay mas mataas, dalawang beses kaysa sa [-6.5 kV, 4.0 cm] na senaryo at apat na beses kaysa sa [-3 .8 kV, 0.5 cm]. Ipinapakita ng 3f ang pangunahing data ng pagbabayad ng EWNS.
Mula sa mga mapa ng konsentrasyon ng numero ng EWNS (Mga Pandagdag na Larawan S5 at S6), makikita na ang eksenang [-6.5 kV, 4.0 cm] ay may mas mataas na bilang ng mga particle kaysa sa eksenang [-3.8 kV, 0.5 cm]. Dapat ding tandaan na ang mga konsentrasyon ng numero ng EWNS ay sinusubaybayan ng hanggang 4 na oras (Mga Karagdagang Mga Figure S5 at S6), kung saan ang katatagan ng henerasyon ng EWNS ay nagpakita ng parehong mga antas ng mga konsentrasyon ng numero ng butil sa parehong mga kaso.
Ipinapakita ng Figure 3g ang EPR spectrum pagkatapos ng kontrol (background) na pagbabawas para sa na-optimize na EWNS sa [-6.5 kV, 4.0 cm]. Ang spectrum ng ROS ay inihambing din sa baseline ng EWNS sa isang naunang nai-publish na papel. Ang kalkuladong bilang ng EWNS na tumutugon sa spin trap ay 7.5 × 104 EWNS/s, na katulad ng naunang nai-publish na Baseline-EWNS8. Ang EPR spectra ay malinaw na nagpahiwatig ng pagkakaroon ng dalawang uri ng ROS, kung saan ang O2- ay nangingibabaw, habang ang OH• ay naroroon sa mas maliit na halaga. Bilang karagdagan, ang isang direktang paghahambing ng mga peak intensity ay nagpakita na ang na-optimize na EWNS ay may mas mataas na nilalaman ng ROS kumpara sa baseline na EWNS.
Sa fig. Ipinapakita ng 4 ang kahusayan ng pagdedeposito ng EWNS sa EPES. Binubuod din ang data sa Talahanayan I at inihambing sa orihinal na data ng EWNS. Para sa parehong mga kaso ng EUNS, ang deposition ay malapit sa 100% kahit na sa mababang boltahe na 3.0 kV. Karaniwan, sapat na ang 3.0 kV para makamit ang 100% deposition anuman ang pagbabago sa surface charge. Sa ilalim ng parehong mga kondisyon, ang kahusayan ng pag-deposito ng Baseline-EWNS ay 56% lamang dahil sa mas mababang singil (average na 10 electron bawat EWNS).
Ang Figure 5 at Table 2 ay nagbubuod sa antas ng hindi aktibo ng mga microorganism na inoculated sa ibabaw ng mga kamatis pagkatapos ng pagkakalantad sa humigit-kumulang 40,000 #/cm3 EWNS sa loob ng 45 minuto sa ilalim ng pinakamainam na senaryo [-6.5 kV, 4.0 cm]. Ang inoculated E. coli at L. innocua ay nagpakita ng makabuluhang pagbawas ng 3.8 log pagkatapos ng 45 minuto ng pagkakalantad. Sa ilalim ng parehong mga kondisyon, ang S. enterica ay nagpakita ng mas mababang pagbabawas ng log ng 2.2 log, habang ang S. cerevisiae at M. parafortuitum ay nagpakita ng 1.0 log reduction.
Mga electron micrographs (Larawan 6) na naglalarawan sa mga pisikal na pagbabago na dulot ng EWNS sa E. coli, Salmonella enterica, at L. innocua na mga cell na humahantong sa hindi aktibo. Ang control bacteria ay nagpakita ng buo na mga lamad ng cell, habang ang nakalantad na bakterya ay nasira ang mga panlabas na lamad.
Ang electron microscopic imaging ng kontrol at nakalantad na bakterya ay nagsiwalat ng pinsala sa lamad.
Ang data sa physicochemical properties ng na-optimize na EWNS ay sama-samang nagpapakita na ang EWNS properties (surface charge at ROS content) ay makabuluhang napabuti kumpara sa naunang nai-publish na EWNS baseline data8,9,10,11. Sa kabilang banda, nanatili ang kanilang sukat sa hanay ng nanometer, na halos kapareho sa mga naunang nai-publish na mga resulta, na nagpapahintulot sa kanila na manatili sa hangin sa loob ng mahabang panahon. Ang naobserbahang polydispersity ay maaaring ipaliwanag sa pamamagitan ng mga pagbabago sa surface charge, na tumutukoy sa magnitude ng Rayleigh effect, randomness, at potensyal na pagsasama ng EWNS. Gayunpaman, tulad ng detalyado ng Nielsen et al.22, ang mataas na singil sa ibabaw ay binabawasan ang pagsingaw sa pamamagitan ng epektibong pagtaas ng enerhiya sa ibabaw/tension ng patak ng tubig. Ang teoryang ito ay eksperimento na nakumpirma para sa microdroplets22 at EWNS sa aming nakaraang publikasyon8. Ang pagkawala ng overtime ay maaari ding makaapekto sa laki at makatutulong sa naobserbahang pamamahagi ng laki.
Bilang karagdagan, ang singil sa bawat istraktura ay humigit-kumulang 22–44 e-, depende sa mga pangyayari, na makabuluhang mas mataas kumpara sa pangunahing EWNS, na may average na singil na 10 ± 2 electron bawat istraktura. Gayunpaman, dapat tandaan na ito ang karaniwang singil ng EWNS. Seto et al. Ipinakita na ang singil ay hindi pare-pareho at sumusunod sa isang log-normal distribution21. Kung ikukumpara sa aming nakaraang trabaho, ang pagdodoble sa surface charge ay nagdodoble sa deposition efficiency sa EPES system sa halos 100%11.