Дякуємо за відвідування Nature.com. Версія браузера, яку ви використовуєте, має обмежену підтримку CSS. Для найкращого досвіду рекомендуємо використовувати оновлений браузер (або вимкнути режим сумісності в Internet Explorer). Тим часом, щоб забезпечити постійну підтримку, ми відображатимемо сайт без стилів та JavaScript.
Нещодавно було розроблено безхімічну антимікробну платформу на основі нанотехнологій з використанням штучних водних наноструктур (EWNS). EWNS мають високий поверхневий заряд і насичені активними формами кисню (АФК), які можуть взаємодіяти та інактивувати низку мікроорганізмів, включаючи харчові патогени. Тут показано, що їхні властивості під час синтезу можна точно налаштувати та оптимізувати для подальшого посилення їхнього антибактеріального потенціалу. Лабораторна платформа EWNS була розроблена для точного налаштування властивостей EWNS шляхом зміни параметрів синтезу. Характеристика властивостей EWNS (заряд, розмір та вміст АФК) за допомогою сучасних аналітичних методів. Крім того, їх оцінювали на предмет їхнього потенціалу мікробної інактивації проти харчових мікроорганізмів, таких як Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocuous, Mycobacterium paraaccidentum та Saccharomyces cerevisiae. Результати, представлені тут, демонструють, що властивості EWNS можна точно налаштувати під час синтезу, що призводить до експоненціального збільшення ефективності інактивації. Зокрема, поверхневий заряд збільшився в чотири рази, а кількість активних форм кисню збільшилася. Швидкість видалення мікробів залежала від мікробів і коливалася від 1,0 до 3,8 log після 45-хвилинного впливу аерозольної дози 40 000 #/куб. см EWNS.
Мікробне забруднення є основною причиною харчових отруєнь, спричинених потраплянням патогенів або їх токсинів. Тільки у Сполучених Штатах харчові отруєння спричиняють близько 76 мільйонів захворювань, 325 000 госпіталізацій та 5000 смертей щороку1. Крім того, Міністерство сільського господарства США (USDA) оцінює, що збільшення споживання свіжих продуктів є причиною 48% усіх зареєстрованих харчових отруєнь у Сполучених Штатах2. Вартість захворювань та смертей, спричинених харчовими патогенами, у Сполучених Штатах, дуже висока, і, за оцінками Центрів контролю та профілактики захворювань (CDC), вона становить понад 15,6 мільярда доларів США на рік3.
Наразі хімічні4, радіаційні5 та термічні6 антимікробні втручання для забезпечення безпеки харчових продуктів здебільшого здійснюються в обмежених критичних контрольних точках (КТК) уздовж виробничого ланцюга (зазвичай після збору врожаю та/або під час упаковки), а не безперервно. Таким чином, вони схильні до перехресного забруднення. 7. Кращий контроль харчових отруєнь та псування харчових продуктів вимагає антимікробних втручань, які потенційно можна застосовувати по всьому континууму «від ферми до столу», одночасно зменшуючи вплив на навколишнє середовище та витрати.
Нещодавно було розроблено антимікробну платформу на основі нанотехнологій, яка не містить хімічних речовин і може інактивувати поверхневі та повітряні бактерії за допомогою штучних водних наноструктур (ШВН). ШВН були синтезовані за допомогою двох паралельних процесів: електророзпилення та іонізації води (рис. 1a). Попередні дослідження показали, що ШВН мають унікальний набір фізичних та біологічних властивостей8,9,10. ШВН мають в середньому 10 електронів на структуру та середній нанорозмір 25 нм (рис. 1b,c)8,9,10. Крім того, електронний спіновий резонанс (ЕСР) показав, що ШВН містять велику кількість активних форм кисню (АФК), головним чином гідроксильних (OH•) та супероксидних (O2-) радикалів (рис. 1c)8. ШВН знаходяться в повітрі протягом тривалого часу та можуть стикатися з мікроорганізмами, що зависли в повітрі та присутні на поверхні, доставляючи своє корисне навантаження АФК та ​​викликаючи інактивацію мікроорганізмів (рис. 1d). Ці ранні дослідження також показали, що EWNS можуть взаємодіяти та інактивувати різні грамнегативні та грампозитивні бактерії, включаючи мікобактерії, на поверхнях та в повітрі. Трансмісійна електронна мікроскопія показала, що інактивація була спричинена порушенням клітинної мембрани. Крім того, дослідження гострої інгаляції показали, що високі дози EWNS не викликають пошкодження легень або запалення8.
(a) Електророзпилення відбувається, коли висока напруга прикладається між капілярною трубкою, що містить рідину, та протиелектродом. (b) Застосування високого тиску призводить до двох різних явищ: (i) електророзпилення води та (ii) утворення активних форм кисню (іонів), захоплених в EWNS. (c) Унікальна структура EWNS. (d) Завдяки своїй нанорозмірній природі, EWNS є дуже рухливими та можуть взаємодіяти з патогенами, що переносяться повітрям.
Нещодавно також було продемонстровано здатність антимікробної платформи EWNS інактивувати харчові мікроорганізми на поверхні свіжих продуктів. Також було показано, що поверхневий заряд EWNS у поєднанні з електричним полем може бути використаний для досягнення цільової доставки. Більше того, попередні результати для органічних помідорів після 90-хвилинної експозиції при EWNS близько 50 000 #/см³ були обнадійливими, при цьому спостерігалися різні харчові мікроорганізми, такі як E. coli та Listeria 11. Крім того, попередні органолептичні випробування не показали сенсорних ефектів порівняно з контрольними помідорами. Хоча ці початкові результати інактивації є обнадійливими для застосування в безпеці харчових продуктів навіть при дуже низьких дозах EWNS 50 000 #/см³, очевидно, що вищий потенціал інактивації був би більш корисним для подальшого зниження ризику інфекції та псування.
Тут ми зосередимо наші дослідження на розробці платформи генерації EWNS, яка дозволить точне налаштування параметрів синтезу та оптимізацію фізико-хімічних властивостей EWNS для підвищення їхнього антибактеріального потенціалу. Зокрема, оптимізація зосереджена на збільшенні їх поверхневого заряду (для покращення цільової доставки) та вмісту активних форм кисню (ROS) (для підвищення ефективності інактивації). Охарактеризуємо оптимізовані фізико-хімічні властивості (розмір, заряд та вміст ROS) за допомогою сучасних аналітичних методів та використаємо поширені харчові мікроорганізми, такі як E.
EVNS було синтезовано шляхом одночасного електророзпилення та іонізації води високої чистоти (18 МОм см–1). Електричний небулайзер 12 зазвичай використовується для розпилення рідин та синтезу полімерних і керамічних частинок 13 і волокон 14 контрольованого розміру.
Як детально описано в попередніх публікаціях 8, 9, 10, 11, у типовому експерименті висока напруга прикладалася між металевим капіляром та заземленим протиелектродом. Під час цього процесу відбуваються два різних явища: i) електророзпилення та ii) іонізація води. Сильне електричне поле між двома електродами призводить до накопичення негативних зарядів на поверхні конденсованої води, що призводить до утворення конусів Тейлора. В результаті утворюються високо заряджені краплі води, які продовжують розпадатися на дрібніші частинки, як у теорії Релея16. Водночас сильні електричні поля змушують деякі молекули води розщеплюватися та відривати електрони (іонізуватися), що призводить до утворення великої кількості активних форм кисню (АФК)17. Одночасно згенеровані АФК18 були інкапсульовані в EWNS (рис. 1c).
На рис. 2a показано систему генерації EWNS, розроблену та використану в синтезі EWNS у цьому дослідженні. Очищена вода, що зберігалася в закритій пляшці, подавалася через тефлонову трубку (внутрішній діаметр 2 мм) у голку з нержавіючої сталі 30G (металевий капіляр). Потік води контролюється тиском повітря всередині пляшки, як показано на рис. 2b. Голка встановлена ​​на тефлоновій консолі та може бути вручну відрегульована на певній відстані від протиелектрода. Протиелектрод являє собою полірований алюмінієвий диск з отвором у центрі для відбору проб. Під протиелектродом розташована алюмінієва лійка для відбору проб, яка з'єднана з рештою експериментальної установки через отвір для відбору проб (рис. 2b). Щоб уникнути накопичення заряду, який може порушити роботу пробовідбірника, всі компоненти пробовідбірника електрично заземлені.
(a) Система генерації інженерних наноструктур води (EWNS). (b) Поперечний переріз пробовідбірника та електророзпилення, що показує найважливіші параметри. (c) Експериментальна установка для інактивації бактерій.
Система генерації EWNS, описана вище, здатна змінювати ключові робочі параметри для полегшення точного налаштування властивостей EWNS. Регулюйте прикладену напругу (V), відстань між голкою та протиелектродом (L) та потік води (φ) через капіляр для точного налаштування характеристик EWNS. Символ, що використовується для позначення різних комбінацій: [V (kV), L (cm)]. Регулюйте потік води, щоб отримати стабільний конус Тейлора певного набору [V, L]. Для цілей цього дослідження діаметр отвору протиелектрода (D) підтримувався на рівні 0,5 дюйма (1,29 см).
Через обмежену геометрію та асиметрію, напруженість електричного поля неможливо розрахувати з перших принципів. Натомість для розрахунку електричного поля було використано програмне забезпечення QuickField™ (Свендборг, Данія)19. Електричне поле не є однорідним, тому значення електричного поля на кінчику капіляра використовувалося як опорне значення для різних конфігурацій.
Під час дослідження було оцінено кілька комбінацій напруги та відстані між голкою та протиелектродом з точки зору формування конуса Тейлора, стабільності конуса Тейлора, стабільності виробництва EWNS та відтворюваності. Різні комбінації наведено в Додатковій таблиці S1.
Вихід системи генерації EWNS був підключений безпосередньо до аналізатора розміру частинок Scanning Mobility Particle Size Analyzer (SMPS, модель 3936, TSI, Шорвью, Міннесота) для вимірювання концентрації кількості частинок, а також до аерозольного електрометра Фарадея (TSI, модель 3068B, Шорвью, Міннесота). ) для вимірювання аерозольних струмів проводилося, як описано в нашій попередній публікації. Як SMPS, так і аерозольний електрометр відбирали проби зі швидкістю потоку 0,5 л/хв (загальний потік проби 1 л/хв). Концентрацію кількості частинок та потік аерозолю вимірювали протягом 120 секунд. Вимірювання повторювали 30 разів. На основі вимірювань струму розраховували загальний заряд аерозолю та оцінювали середній заряд EWNS для заданої загальної кількості вибраних частинок EWNS. Середню вартість EWNS можна розрахувати за допомогою рівняння (1):
де IEl – виміряний струм, NSMPS – цифрова концентрація, виміряна за допомогою SMPS, а φEl – швидкість потоку на електрометр.
Оскільки відносна вологість (RH) впливає на поверхневий заряд, температура та (RH) підтримувалися постійними протягом експерименту на рівні 21°C та 45% відповідно.
Для вимірювання розміру та часу життя EWNS використовували атомно-силову мікроскопію (АСМ), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Санта-Барбара, Каліфорнія) та зонд AC260T (Olympus, Токіо, Японія). Частота сканування АСМ становила 1 Гц, площа сканування – 5 мкм × 5 мкм, а кількість ліній сканування – 256. Всі зображення були піддані вирівнюванню зображень 1-го порядку за допомогою програмного забезпечення Asylum (діапазон маски 100 нм, поріг 100 пм).
Випробувальну лійку видалили, а поверхню слюди розмістили на відстані 2,0 см від протиелектрода на усереднювальний час 120 с, щоб уникнути агломерації частинок та утворення нерівних крапель на поверхні слюди. Розпилення нової слюди (EWNS) розпилювали безпосередньо на поверхню свіжозрізаної слюди (Тед Пелла, Реддінг, Каліфорнія). Зображення поверхні слюди одразу після розпилення АСМ. Кут контакту поверхні свіжозрізаної немодифікованої слюди близький до 0°, тому EVNS розподілений на поверхні слюди у формі купола. Діаметр (a) та висота (h) дифундуючих крапель вимірювали безпосередньо з топографії АСМ та використовували для розрахунку куполоподібного дифузійного об'єму EWNS за допомогою нашого раніше валідованого методу. Припускаючи, що вбудовані EWNS мають однаковий об'єм, еквівалентний діаметр можна розрахувати за допомогою рівняння (2):
На основі нашого раніше розробленого методу, для виявлення наявності короткоживучих радикальних проміжних продуктів в EWNS було використано спінову пастку електронного спінового резонансу (ESR). Аерозолі барботували через барботер Midget з діаметром 650 мкм (Ace Glass, Vineland, NJ), що містив 235 мМ розчин DEPMPO(5-(дієтоксіфосфорил)-5-метил-1-піролін-N-оксиду) (Oxis International Inc.). Портленд, Орегон. Всі вимірювання ESR проводилися за допомогою спектрометра Bruker EMX (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, США) та плоскопанельної комірки. Для збору та аналізу даних використовувалося програмне забезпечення Acquisit (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, США). Визначення характеристик ROS проводилося лише для набору робочих умов [-6,5 кВ, 4,0 см]. Концентрації EWNS вимірювалися за допомогою SMPS після врахування втрат EWNS в імпакторі.
Рівень озону контролювали за допомогою двопроменевого озонового монітора 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Боулдер, Колорадо)8,9,10.
Для всіх властивостей EWNS середнє значення використовується як значення вимірювання, а стандартне відхилення – як похибка вимірювання. Для порівняння значень оптимізованих атрибутів EWNS з відповідними значеннями базового EWNS було проведено t-тести.
На рисунку 2c показано раніше розроблену та охарактеризовану систему «витягування» електростатичного осадження (EPES), яка може бути використана для цілеспрямованої доставки EWNS на поверхню. EPES використовує заряди EVNS, які можуть бути «направлені» безпосередньо на поверхню цілі під впливом сильного електричного поля. Деталі системи EPES представлені в нещодавній публікації Pyrgiotakis et al.11. Таким чином, EPES складається з надрукованої на 3D-принтері ПВХ-камери з конічними кінцями та містить дві паралельні металеві пластини з нержавіючої сталі (нержавіюча сталь 304, дзеркальне покриття) в центрі на відстані 15,24 см одна від одної. Плати були підключені до зовнішнього джерела високої напруги (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY), нижня пластина завжди була підключена до позитивної напруги, а верхня пластина завжди була підключена до землі (плаваюча земля). Стінки камери покриті алюмінієвою фольгою, яка електрично заземлена для запобігання втратам частинок. Камера має герметичні передні завантажувальні дверцята, що дозволяють розміщувати випробувальні поверхні на пластикових підставках, що піднімають їх над нижньою металевою пластиною, щоб уникнути перешкод високої напруги.
Ефективність осадження EWNS в EPES була розрахована відповідно до раніше розробленого протоколу, детально описаного на Додатковому рисунку S111.
Як контрольна камера, друга циліндрична проточна камера була послідовно підключена до системи EPES, в якій використовувався проміжний HEPA-фільтр для видалення EWNS. Як показано на рисунку 2c, аерозоль EWNS прокачувався через дві вбудовані камери. Фільтр між диспетчерською та EPES видаляє будь-які залишки EWNS, що призводить до однакової температури (T), відносної вологості (RH) та рівня озону.
Було виявлено, що важливі харчові мікроорганізми забруднюють свіжі продукти, такі як E. coli (ATCC #27325), фекальний індикатор, Salmonella enterica (ATCC #53647), харчовий патоген, Listeria innefrit (ATCC #33090), сурогат патогенної Listeria monocytogenes, отриманий з ATCC (Манассас, Вірджинія), Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098), замінник дріжджів, що викликають псування, та більш стійка інактивована бактерія Mycobacterium paralucky (ATCC #19686).
Купіть випадкові коробки органічних виноградних помідорів на місцевому ринку та поставте їх у холодильник при температурі 4°C до використання (до 3 днів). Експериментальні помідори були однакового розміру, приблизно 1,25 см у діаметрі.
Протоколи культивування, інокуляції, експозиції та підрахунку колоній детально описані в нашій попередній публікації та в Додаткових даних. Ефективність EWNS оцінювали шляхом впливу на інокульовані помідори концентрацією 40 000 #/см3 протягом 45 хвилин. Коротко кажучи, три помідори використовували для оцінки вижилих мікроорганізмів у момент часу t = 0 хв. Три помідори помістили в EPES та піддали впливу EWNS у концентрації 40 000 #/см³ (помідори, що піддавалися впливу EWNS), а решту три помістили в контрольну камеру (контрольні помідори). Додаткової обробки помідорів в обох групах не проводили. Помідори, що піддавалися впливу EWNS, та контрольні помідори видаляли через 45 хвилин для оцінки ефекту EWNS.
Кожен експеримент проводили у трьох повторностях. Аналіз даних проводили згідно з протоколом, описаним у Додаткових даних.
Механізми інактивації оцінювали шляхом седиментації експонованих зразків EWNS (45 хв при концентрації аерозолю EWNS 40 000 #/см3) та неопромінених зразків нешкідливих бактерій E. coli, Salmonella enterica та Lactobacillus. Частинки фіксували у 2,5% глутаральдегіді, 1,25% параформальдегіді та 0,03% пікриновій кислоті в 0,1 М буфері какодилату натрію (pH 7,4) протягом 2 годин при кімнатній температурі. Після промивання проводили постфіксацію 1% чотириоксидом осмію (OsO4)/1,5% фероціанідом калію (KFeCN6) протягом 2 годин, промивали 3 рази у воді та інкубували в 1% уранілацетаті протягом 1 години, потім двічі промивали у воді, потім зневоднювали протягом 10 хвилин у 50%, 70%, 90%, 100% спирті. Потім зразки поміщали в оксид пропілену на 1 годину та просочували сумішшю оксиду пропілену та TAAP Epon у співвідношенні 1:1 (Marivac Canada Inc. Сен-Лоран, Каліфорнія). Зразки заливали в TAAB Epon та полімеризували при 60°C протягом 48 годин. Затверділу гранульовану смолу розрізали та візуалізували за допомогою ПЕМ за допомогою звичайного просвічуючого електронного мікроскопа JEOL 1200EX (JEOL, Токіо, Японія), оснащеного CCD-камерою AMT 2k (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Вобурн, Массачусетс, США).
Усі експерименти проводили у трьох повторностях. Для кожної часової точки бактеріальні змиви висівали у трьох повторностях, в результаті чого загалом було отримано дев'ять точок даних на точку, середнє значення яких використовувалося як бактеріальна концентрація для цього конкретного мікроорганізму. Стандартне відхилення використовувалося як похибка вимірювання. Враховуються всі точки.
Логарифм зменшення концентрації бактерій порівняно з t = 0 хв розраховували за такою формулою:
де C0 – концентрація бактерій у контрольному зразку в момент часу 0 (тобто після висихання поверхні, але до поміщення в камеру), а Cn – концентрація бактерій на поверхні після n хвилин експозиції.
Щоб врахувати природну деградацію бактерій протягом 45-хвилинної експозиції, логарифмічне зниження порівняно з контролем після 45 хвилин також було розраховано наступним чином:
де Cn – концентрація бактерій у контрольному зразку в момент часу n, а Cn-Control – концентрація контрольних бактерій у момент часу n. Дані представлені у вигляді логарифмічного зменшення порівняно з контролем (без впливу EWNS).
Під час дослідження було оцінено кілька комбінацій напруги та відстані між голкою та протиелектродом з точки зору формування конуса Тейлора, стабільності конуса Тейлора, стабільності виробництва EWNS та відтворюваності. Різні комбінації наведено в Додатковій таблиці S1. Для комплексного дослідження було обрано два випадки, що демонструють стабільні та відтворювані властивості (конус Тейлора, генерація EWNS та стабільність з часом). На рис. 3 показано результати для заряду, розміру та вмісту активних форм кисню (ROS) в обох випадках. Результати також узагальнено в Таблиці 1. Для довідки, як Рисунок 3, так і Таблиця 1 включають властивості раніше синтезованих неоптимізованих EWNS8, 9, 10, 11 (базовий рівень-EWNS). Розрахунки статистичної значущості з використанням двостороннього t-критерію перепубліковані в Додатковій таблиці S2. Крім того, додаткові дані включають дослідження впливу діаметра отвору для відбору проб протиелектрода (D) та відстані між заземлюючим електродом та кінчиком (L) (Додаткові рисунки S2 та S3).
(ac) Розподіл розмірів, виміряний за допомогою АСМ. (df) Характеристика поверхневого заряду. (g) Характеристика активних форм кисню (ROS) для ЕПР.
Також важливо зазначити, що для всіх вищезазначених умов виміряний струм іонізації становив від 2 до 6 мкА, а напруга – від -3,8 до -6,5 кВ, що призвело до споживання енергії менше 50 мВт для цього єдиного контактного модуля генерації EWNS. Хоча EWNS синтезували під високим тиском, рівень озону був дуже низьким, ніколи не перевищуючи 60 ppb.
На Додатковому рисунку S4 показано змодельовані електричні поля для сценаріїв [-6,5 кВ, 4,0 см] та [-3,8 кВ, 0,5 см] відповідно. Для сценаріїв [-6,5 кВ, 4,0 см] та [-3,8 кВ, 0,5 см] розрахунки поля становлять 2 × 10⁶ В/м та 4,7 × 10⁶ В/м відповідно. Це очікувано, оскільки в другому випадку співвідношення напруги до відстані значно вище.
На рис. 3a,b показано діаметр EWNS, виміряний за допомогою AFM8. Розраховані середні діаметри EWNS становили 27 нм та 19 нм для схем [-6,5 кВ, 4,0 см] та [-3,8 кВ, 0,5 см] відповідно. Для сценаріїв [-6,5 кВ, 4,0 см] та [-3,8 кВ, 0,5 см] геометричні стандартні відхилення розподілів становлять 1,41 та 1,45 відповідно, що вказує на вузький розподіл розмірів. Як середній розмір, так і геометричне стандартне відхилення дуже близькі до базового EWNS, що становить 25 нм та 1,41 відповідно. На рис. 3c показано розподіл розмірів базового EWNS, виміряний за допомогою того ж методу за тих самих умов.
На рис. 3d,e показано результати характеристики заряду. Дані є середніми вимірюваннями 30 одночасних вимірювань концентрації (#/см3) та струму (I). Аналіз показує, що середній заряд на EWNS становить 22 ± 6 е- та 44 ± 6 е- для [-6,5 кВ, 4,0 см] та [-3,8 кВ, 0,5 см] відповідно. Вони мають значно вищі поверхневі заряди порівняно з базовим EWNS (10 ± 2 е-), що вдвічі більше, ніж у сценарії [-6,5 кВ, 4,0 см], та в чотири рази більше, ніж у сценарії [-3,8 кВ, 0,5 см]. На рисунку 3f показано дані заряду для базового EWNS.
З карт концентрації числа EWNS (Додаткові рисунки S5 та S6) видно, що сценарій [-6,5 кВ, 4,0 см] має значно більше частинок, ніж сценарій [-3,8 кВ, 0,5 см]. Варто також зазначити, що концентрація числа EWNS контролювалася до 4 годин (Додаткові рисунки S5 та S6), де стабільність генерації EWNS показала однакові рівні концентрації числа частинок в обох випадках.
На рис. 3g показано спектр ЕПР після віднімання оптимізованого контрольного EWNS (фон) при [-6,5 кВ, 4,0 см]. Спектри ROS також порівнювали зі сценарієм Baseline-EWNS у раніше опублікованій роботі. Кількість EWNS, що реагують зі спіновими пастками, була розрахована як 7,5 × 104 EWNS/с, що подібно до раніше опублікованого Baseline-EWNS8. Спектри ЕПР чітко показали наявність двох типів ROS, де O2- був переважним видом, а OH• був менш поширеним. Крім того, пряме порівняння інтенсивності піків показало, що оптимізований EWNS мав значно вищий вміст ROS порівняно з базовим EWNS.
На рис. 4 показано ефективність осадження EWNS в EPES. Дані також зведені в Таблицю I та порівняні з вихідними даними EWNS. Для обох випадків EUNS осадження близьке до 100% навіть при низькій напрузі 3,0 кВ. Зазвичай 3,0 кВ достатньо для 100% осадження, незалежно від зміни поверхневого заряду. За тих самих умов ефективність осадження Baseline-EWNS становила лише 56% через їх нижчий заряд (в середньому 10 електронів на EWNS).
На рис. 5 та в табл. 2 підсумовано значення інактивації мікроорганізмів, інокульованих на поверхні томатів після впливу близько 40 000 #/см3 EWNS протягом 45 хвилин в оптимальному режимі [-6,5 кВ, 4,0 см]. Інокульовані E. coli та Lactobacillus innocuous показали значне зниження на 3,8 логарифмів протягом 45-хвилинного впливу. За тих самих умов S. enterica мала зниження на 2,2 логарифмів, тоді як S. cerevisiae та M. parafortutum мали зниження на 1,0 логарифмів.
На електронних мікрофотографіях (Рисунок 6) зображено фізичні зміни, викликані EWNS на нешкідливих клітинах Escherichia coli, Streptococcus та Lactobacillus, що призвело до їх інактивації. Контрольні бактерії мали неушкоджені клітинні мембрани, тоді як бактерії, що зазнали впливу, мали пошкоджені зовнішні мембрани.
Електронно-мікроскопічна візуалізація контрольних та експонованих бактерій виявила пошкодження мембран.
Дані про фізико-хімічні властивості оптимізованих EWNS у сукупності показують, що властивості (поверхневий заряд та вміст активних форм кисню) EWNS були значно покращені порівняно з раніше опублікованими базовими даними EWNS8,9,10,11. З іншого боку, їхній розмір залишався в нанометровому діапазоні, що дуже схоже на результати, про які повідомлялося раніше, що дозволяло їм залишатися в повітрі протягом тривалого часу. Спостережувану полідисперсність можна пояснити змінами поверхневого заряду, які визначають розмір EWNS, випадковістю ефекту Релея та потенційною коалесценцією. Однак, як детально описано Нільсеном та ін.22, високий поверхневий заряд зменшує випаровування, ефективно збільшуючи поверхневу енергію/натяг краплі води. У нашій попередній публікації8 ця теорія була експериментально підтверджена для мікрокрапель22 та EWNS. Втрата заряду з часом також може впливати на розмір та сприяти спостережуваному розподілу розмірів.
Крім того, заряд на структуру становить приблизно 22-44 е-, залежно від ситуації, що значно вище порівняно з базовим EWNS, який має середній заряд 10 ± 2 електронів на структуру. Однак слід зазначити, що це середній заряд EWNS. Сето та ін. Було показано, що заряд є неоднорідним і відповідає логарифмічно-нормальному розподілу21. Порівняно з нашою попередньою роботою, подвоєння поверхневого заряду подвоює ефективність осадження в системі EPES майже до 100%11.