Cảm ơn bạn đã truy cập Nature.com. Bạn đang sử dụng phiên bản trình duyệt có hỗ trợ CSS hạn chế. Để có trải nghiệm tốt nhất, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng trình duyệt đã cập nhật (hoặc tắt Chế độ tương thích trong Internet Explorer). Ngoài ra, để đảm bảo hỗ trợ liên tục, chúng tôi hiển thị trang web không có kiểu dáng và JavaScript.
Gần đây, một nền tảng kháng khuẩn không hóa chất dựa trên công nghệ nano sử dụng các cấu trúc nano nước nhân tạo (EWNS) đã được phát triển. EWNS có điện tích bề mặt cao và giàu các loài oxy phản ứng (ROS) có thể tương tác và vô hiệu hóa một số vi sinh vật, bao gồm cả các tác nhân gây bệnh trong thực phẩm. Ở đây, có thể thấy rằng các đặc tính của chúng trong quá trình tổng hợp có thể được tinh chỉnh và tối ưu hóa để tăng cường thêm tiềm năng kháng khuẩn của chúng. Nền tảng phòng thí nghiệm EWNS được thiết kế để tinh chỉnh các đặc tính của EWNS bằng cách thay đổi các thông số tổng hợp. Đặc tính của các đặc tính EWNS (điện tích, kích thước và hàm lượng ROS) được thực hiện bằng các phương pháp phân tích hiện đại. Ngoài ra, các vi sinh vật trong thực phẩm như Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocua, Mycobacterium para fortitum và Saccharomyces cerevisiae đã được tiêm vào bề mặt của cà chua bi hữu cơ để đánh giá tiềm năng vô hiệu hóa vi khuẩn của chúng. Các kết quả trình bày ở đây chứng minh rằng các đặc tính của EWNS có thể được tinh chỉnh trong quá trình tổng hợp, dẫn đến hiệu quả vô hiệu hóa tăng theo cấp số nhân. Đặc biệt, điện tích bề mặt tăng gấp bốn lần và hàm lượng ROS tăng. Tỷ lệ loại bỏ vi khuẩn phụ thuộc vào vi khuẩn và dao động từ 1,0 đến 3,8 log sau 45 phút tiếp xúc với liều lượng khí dung 40.000 #/cm3 EWNS.
Nhiễm khuẩn là nguyên nhân chính gây ra bệnh do thực phẩm do ăn phải mầm bệnh hoặc độc tố của chúng. Bệnh do thực phẩm gây ra khoảng 76 triệu ca bệnh, 325.000 ca nhập viện và 5.000 ca tử vong mỗi năm chỉ tính riêng tại Hoa Kỳ1. Ngoài ra, Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ (USDA) ước tính rằng việc tăng tiêu thụ sản phẩm tươi sống là nguyên nhân gây ra 48 phần trăm tổng số các bệnh do thực phẩm được báo cáo tại Hoa Kỳ2. Chi phí cho bệnh tật và tử vong do mầm bệnh do thực phẩm gây ra tại Hoa Kỳ rất cao, theo ước tính của Trung tâm Kiểm soát và Phòng ngừa Dịch bệnh (CDC) là hơn 15,6 tỷ đô la Mỹ mỗi năm3.
Hiện nay, các biện pháp can thiệp kháng khuẩn bằng hóa chất4, bức xạ5 và nhiệt6 để đảm bảo an toàn thực phẩm chủ yếu được thực hiện tại các điểm kiểm soát tới hạn (CCP) hạn chế trong chuỗi sản xuất (thường là sau khi thu hoạch và/hoặc trong quá trình đóng gói) thay vì liên tục được thực hiện theo cách khiến sản phẩm tươi dễ bị nhiễm chéo 7. Các biện pháp can thiệp kháng khuẩn là cần thiết để kiểm soát tốt hơn bệnh do thực phẩm và tình trạng hư hỏng thực phẩm và có khả năng được áp dụng trên toàn bộ chuỗi từ trang trại đến bàn ăn. Ít tác động và chi phí hơn.
Một nền tảng kháng khuẩn không hóa chất dựa trên công nghệ nano gần đây đã được phát triển để vô hiệu hóa vi khuẩn trên bề mặt và trong không khí bằng cách sử dụng các cấu trúc nano nước nhân tạo (EWNS). Để tổng hợp EVNS, hai quy trình song song đã được sử dụng: phun điện và ion hóa nước (Hình 1a). Trước đây, EWNS đã được chứng minh là có một tập hợp các tính chất vật lý và sinh học độc đáo8,9,10. EWNS có trung bình 10 electron trên mỗi cấu trúc và kích thước nanomet trung bình là 25 nm (Hình 1b, c)8,9,10. Ngoài ra, cộng hưởng spin electron (ESR) cho thấy EWNS chứa một lượng lớn các loài oxy phản ứng (ROS), chủ yếu là các gốc hydroxyl (OH•) và superoxide (O2-) (Hình 1c)8. EWNS tồn tại trong không khí trong thời gian dài và có thể va chạm với các vi khuẩn lơ lửng trong không khí và hiện diện trên bề mặt, mang theo tải trọng ROS của chúng và gây ra tình trạng bất hoạt vi khuẩn (Hình 1d). Những nghiên cứu trước đó cũng cho thấy EWNS có thể tương tác và vô hiệu hóa nhiều loại vi khuẩn gram âm và gram dương có tầm quan trọng đối với sức khỏe cộng đồng, bao gồm cả vi khuẩn lao, trên bề mặt và trong không khí8,9. Kính hiển vi điện tử truyền qua cho thấy sự vô hiệu hóa này là do sự phá vỡ màng tế bào. Ngoài ra, các nghiên cứu về hít phải cấp tính đã chỉ ra rằng liều cao EWNS không gây tổn thương phổi hoặc viêm8.
(a) Hiện tượng phun điện xảy ra khi điện áp cao được áp dụng giữa mao quản chứa chất lỏng và điện cực đối diện. (b) Việc áp dụng điện áp cao dẫn đến hai hiện tượng khác nhau: (i) phun điện nước và (ii) tạo ra các loài oxy phản ứng (ion) bị giữ lại trong EWNS. (c) Cấu trúc độc đáo của EWNS. (d) EWNS có tính di động cao do bản chất ở cấp độ nano và có thể tương tác với các tác nhân gây bệnh trong không khí.
Khả năng của nền tảng kháng khuẩn EWNS trong việc vô hiệu hóa các vi sinh vật trong thực phẩm trên bề mặt thực phẩm tươi sống cũng đã được chứng minh gần đây. Người ta cũng đã chỉ ra rằng điện tích bề mặt EWNS có thể được sử dụng kết hợp với trường điện để phân phối có mục tiêu. Quan trọng hơn, một kết quả ban đầu đầy hứa hẹn là giảm khoảng 1,4 log trong hoạt động của cà chua hữu cơ đối với nhiều loại vi sinh vật trong thực phẩm như E. coli và Listeria đã được quan sát thấy trong vòng 90 phút sau khi tiếp xúc với EWNS ở nồng độ khoảng 50.000#/cm311. Ngoài ra, các thử nghiệm đánh giá cảm quan sơ bộ cho thấy không có tác dụng cảm quan nào so với cà chua đối chứng. Mặc dù những kết quả bất hoạt ban đầu này hứa hẹn an toàn thực phẩm ngay cả ở liều EWNS rất thấp là 50.000#/cc. xem, rõ ràng là tiềm năng bất hoạt cao hơn sẽ có lợi hơn để giảm thêm nguy cơ nhiễm trùng và hư hỏng.
Ở đây, chúng tôi sẽ tập trung nghiên cứu vào việc phát triển nền tảng tạo ra EWNS để tinh chỉnh các thông số tổng hợp và tối ưu hóa các đặc tính lý hóa của EWNS để tăng cường tiềm năng kháng khuẩn của chúng. Đặc biệt, quá trình tối ưu hóa tập trung vào việc tăng điện tích bề mặt (để cải thiện khả năng phân phối mục tiêu) và hàm lượng ROS (để cải thiện hiệu quả bất hoạt). Đặc tính của các đặc tính lý hóa được tối ưu hóa (kích thước, điện tích và hàm lượng ROS) bằng các phương pháp phân tích hiện đại và sử dụng các vi sinh vật thực phẩm phổ biến như E. coli, S. enterica, L. innocua, S. cerevisiae và M. parafortuitum.
EVNS được tổng hợp bằng phương pháp phun điện đồng thời và ion hóa nước có độ tinh khiết cao (18 MΩ cm–1). Máy phun điện 12 thường được sử dụng để phun chất lỏng và các hạt polyme tổng hợp và gốm 13 và sợi 14 có kích thước được kiểm soát.
Như đã trình bày chi tiết trong các ấn phẩm trước đây 8, 9, 10, 11, trong một thí nghiệm điển hình, một điện áp cao được áp dụng giữa một mao quản kim loại và một điện cực đối diện nối đất. Trong quá trình này, hai hiện tượng khác nhau xảy ra: 1) phun điện và 2) ion hóa nước. Một điện trường mạnh giữa hai điện cực khiến các điện tích âm tích tụ trên bề mặt của nước ngưng tụ, dẫn đến sự hình thành các nón Taylor. Kết quả là, các giọt nước tích điện cao được hình thành, tiếp tục vỡ thành các hạt nhỏ hơn, theo lý thuyết Rayleigh16. Đồng thời, một điện trường mạnh khiến một số phân tử nước tách ra và tách các electron (ion hóa), do đó tạo ra một lượng lớn các loài oxy phản ứng (ROS)17. Các gói ROS18 được tạo ra đồng thời đã được đóng gói trong EWNS (Hình 1c).
Hình 2a cho thấy hệ thống tạo EWNS được phát triển và sử dụng trong quá trình tổng hợp EWNS trong nghiên cứu này. Nước tinh khiết được lưu trữ trong một chai kín được đưa qua một ống Teflon (đường kính trong 2 mm) đến một kim thép không gỉ 30G (mao dẫn kim loại). Như thể hiện trong Hình 2b, lưu lượng nước được kiểm soát bởi áp suất không khí bên trong chai. Kim được gắn vào một bảng điều khiển Teflon có thể được điều chỉnh thủ công đến một khoảng cách nhất định từ điện cực đối diện. Điện cực đối diện là một đĩa nhôm được đánh bóng có một lỗ ở giữa để lấy mẫu. Bên dưới điện cực đối diện là một phễu lấy mẫu bằng nhôm, được kết nối với phần còn lại của thiết lập thử nghiệm thông qua một cổng lấy mẫu (Hình 2b). Tất cả các thành phần lấy mẫu đều được nối đất bằng điện để tránh tích tụ điện tích có thể làm giảm chất lượng lấy mẫu hạt.
(a) Hệ thống tạo cấu trúc nano nước kỹ thuật (EWNS). (b) Mặt cắt ngang của máy lấy mẫu và đơn vị phun điện cho thấy các thông số quan trọng nhất. (c) Thiết lập thử nghiệm để vô hiệu hóa vi khuẩn.
Hệ thống tạo EWNS được mô tả ở trên có khả năng thay đổi các thông số vận hành chính để tạo điều kiện tinh chỉnh các đặc tính EWNS. Điều chỉnh điện áp được áp dụng (V), khoảng cách giữa kim và điện cực đối diện (L) và lưu lượng nước (φ) qua mao quản để tinh chỉnh các đặc tính EWNS. Các ký hiệu [V (kV), L (cm)] được sử dụng để biểu thị các kết hợp khác nhau. Điều chỉnh lưu lượng nước để có được hình nón Taylor ổn định của một tập hợp nhất định [V, L]. Đối với mục đích của nghiên cứu này, khẩu độ của điện cực đối diện (D) được đặt ở mức 0,5 inch (1,29 cm).
Do hình học hạn chế và bất đối xứng, cường độ trường điện không thể tính toán từ các nguyên lý đầu tiên. Thay vào đó, phần mềm QuickField™ (Svendborg, Đan Mạch)19 đã được sử dụng để tính toán trường điện. Trường điện không đồng nhất, do đó giá trị của trường điện ở đầu mao quản được sử dụng làm giá trị tham chiếu cho các cấu hình khác nhau.
Trong quá trình nghiên cứu, một số kết hợp điện áp và khoảng cách giữa kim và điện cực đối diện đã được đánh giá về mặt hình thành nón Taylor, độ ổn định của nón Taylor, độ ổn định sản xuất EWNS và khả năng tái tạo. Các kết hợp khác nhau được thể hiện trong Bảng bổ sung S1.
Đầu ra của hệ thống tạo EWNS được kết nối trực tiếp với Máy đo kích thước hạt di động quét (SMPS, model 3936, TSI, Shoreview, Minnesota) để đo nồng độ số hạt và được sử dụng với điện kế khí dung Faraday (TSI, model 3068B, Shoreview, Hoa Kỳ). MN) để đo lưu lượng khí dung, như mô tả trong ấn phẩm trước đây của chúng tôi9. Cả SMPS và điện kế khí dung đều lấy mẫu ở tốc độ lưu lượng 0,5 L/phút (tổng lưu lượng mẫu 1 L/phút). Nồng độ hạt và thông lượng khí dung được đo trong 120 giây. Lặp lại phép đo 30 lần. Tổng điện tích khí dung được tính toán từ các phép đo hiện tại và điện tích EWNS trung bình được ước tính từ tổng số hạt EWNS được lấy mẫu. Chi phí trung bình của EWNS có thể được tính bằng Phương trình (1):
trong đó IEl là dòng điện được đo, NSMPS là nồng độ số được đo bằng SMPS và φEl là lưu lượng đến điện kế.
Do độ ẩm tương đối (RH) ảnh hưởng đến điện tích bề mặt nên nhiệt độ và (RH) được giữ không đổi ở mức 21°C và 45% trong suốt quá trình thử nghiệm.
Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Santa Barbara, CA) và đầu dò AC260T (Olympus, Tokyo, Nhật Bản) được sử dụng để đo kích thước và tuổi thọ của EWNS. Tốc độ quét AFM là 1 Hz và diện tích quét là 5 µm×5 µm với 256 dòng quét. Tất cả hình ảnh đều được căn chỉnh hình ảnh bậc nhất bằng phần mềm Asylum (mặt nạ có phạm vi 100 nm và ngưỡng 100 pm).
Tháo phễu lấy mẫu và đặt bề mặt mica cách điện cực đối diện 2,0 cm trong thời gian trung bình là 120 giây để tránh sự kết dính của các hạt và hình thành các giọt không đều trên bề mặt mica. EWNS được áp dụng trực tiếp lên bề mặt mica mới cắt (Ted Pella, Redding, CA). Ngay sau khi phun, bề mặt mica được hình dung bằng AFM. Góc tiếp xúc bề mặt của mica chưa biến tính mới cắt gần bằng 0°, vì vậy EWNS lan truyền trên bề mặt mica theo hình vòm20. Đường kính (a) và chiều cao (h) của các giọt khuếch tán được đo trực tiếp từ địa hình AFM và được sử dụng để tính thể tích khuếch tán hình vòm EWNS bằng phương pháp đã được chúng tôi xác nhận trước đó8. Giả sử rằng EVNS trên bo mạch có cùng thể tích, đường kính tương đương có thể được tính từ phương trình (2):
Theo phương pháp đã phát triển trước đây của chúng tôi, bẫy spin cộng hưởng electron (ESR) đã được sử dụng để phát hiện sự hiện diện của các chất trung gian gốc có thời gian sống ngắn trong EWNS. Các bình xịt được đưa qua dung dịch chứa 235 mM DEPMPO (5-(diethoxyphosphoryl)-5-methyl-1-pyrroline-N-oxide) (Oxis International Inc., Portland, Oregon). Tất cả các phép đo EPR đều được thực hiện bằng máy quang phổ Bruker EMX (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, Hoa Kỳ) và mảng tế bào phẳng. Phần mềm Acquisit (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, Hoa Kỳ) đã được sử dụng để thu thập và phân tích dữ liệu. Đặc tính ROS chỉ được thực hiện trong một tập hợp các điều kiện vận hành [-6,5 kV, 4,0 cm]. Nồng độ EWNS được đo bằng SMPS sau khi tính đến sự mất EWNS trong máy va chạm.
Mức độ ôzôn được theo dõi bằng Máy theo dõi ôzôn chùm kép 205™ (2B Technologies, Boulder, Co)8,9,10.
Đối với tất cả các thuộc tính EWNS, giá trị đo lường là giá trị trung bình của các phép đo và lỗi đo lường là độ lệch chuẩn. Một phép kiểm định t đã được thực hiện để so sánh giá trị của thuộc tính EWNS được tối ưu hóa với giá trị tương ứng của EWNS cơ sở.
Hình 2c cho thấy Hệ thống truyền qua kết tủa tĩnh điện (EPES) đã được phát triển và mô tả trước đó có thể được sử dụng để nhắm mục tiêu EWNS11 vào các bề mặt. EPES sử dụng điện tích EWNS kết hợp với trường điện mạnh để "trỏ" trực tiếp vào bề mặt của mục tiêu. Chi tiết về hệ thống EPES được trình bày trong ấn phẩm gần đây của Pyrgiotakis và cộng sự. Do đó, EPES bao gồm một buồng PVC in 3D với các đầu thuôn nhọn chứa hai tấm kim loại thép không gỉ (thép không gỉ 304, đánh bóng gương) song song ở giữa cách nhau 15,24 cm. Các tấm được kết nối với nguồn điện áp cao bên ngoài (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY), tấm dưới luôn dương và tấm trên luôn được nối đất (nổi). Các bức tường của buồng được phủ bằng lá nhôm, được nối đất bằng điện để ngăn ngừa mất hạt. Buồng có cửa nạp phía trước kín cho phép đặt các bề mặt thử nghiệm trên giá nhựa, nhấc chúng ra khỏi tấm kim loại dưới cùng để tránh nhiễu điện áp cao.
Hiệu suất lắng đọng của EWNS trong EPES được tính toán theo giao thức đã phát triển trước đó được trình bày chi tiết trong Hình bổ sung S111.
Với tư cách là buồng điều khiển, luồng thứ hai qua buồng hình trụ được kết nối nối tiếp với hệ thống EPES bằng bộ lọc HEPA trung gian để loại bỏ EWNS. Như thể hiện trong hình 2c, khí dung EWNS được bơm qua hai buồng được kết nối nối tiếp. Bộ lọc giữa phòng điều khiển và EPES loại bỏ bất kỳ EWNS nào còn lại, dẫn đến cùng nhiệt độ (T), độ ẩm tương đối (RH) và mức ôzôn.
Các vi sinh vật quan trọng trong thực phẩm đã được phát hiện làm ô nhiễm các sản phẩm tươi sống như Escherichia coli (ATCC #27325), một chất chỉ thị phân, Salmonella enterica (ATCC #53647), một tác nhân gây bệnh trong thực phẩm, Listeria innocua (ATCC #33090), một chất thay thế cho Listeria monocytogenes gây bệnh. , Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098) thay thế cho nấm men gây hư hỏng và Mycobacterium parafortuitous (ATCC #19686) là một loại vi khuẩn sống có khả năng kháng thuốc cao hơn đã được mua từ ATCC (Manassas, Virginia).
Mua ngẫu nhiên các hộp cà chua bi hữu cơ từ chợ địa phương và bảo quản trong tủ lạnh ở nhiệt độ 4°C cho đến khi sử dụng (tối đa 3 ngày). Chọn cà chua để thử nghiệm với một kích cỡ, đường kính khoảng 1/2 inch.
Các giao thức ủ, tiêm chủng, tiếp xúc và đếm khuẩn lạc đã được trình bày chi tiết trong các ấn phẩm trước đây của chúng tôi và được giải thích chi tiết trong Dữ liệu bổ sung 11. Hiệu suất EWNS được đánh giá bằng cách phơi cà chua đã tiêm chủng với 40.000 #/cm3 trong 45 phút. Tóm lại, tại thời điểm t = 0 phút, ba quả cà chua đã được sử dụng để đánh giá các vi sinh vật còn sống. Ba quả cà chua đã được đặt trong EPES và tiếp xúc với EWNS ở mức 40.000 #/cc (cà chua tiếp xúc với EWNS) và ba quả khác đã được đặt trong buồng đối chứng (cà chua đối chứng). Không có nhóm cà chua nào được xử lý thêm. Cà chua tiếp xúc với EWNS và đối chứng đã được lấy ra sau 45 phút để đánh giá tác động của EWNS.
Mỗi thí nghiệm được thực hiện ba lần. Phân tích dữ liệu được thực hiện theo giao thức được mô tả trong Dữ liệu bổ sung.
Các mẫu vi khuẩn E. coli, Enterobacter và L. innocua tiếp xúc với EWNS (45 phút, nồng độ khí dung EWNS 40.000 #/cm3) và không tiếp xúc đã được tạo viên để đánh giá cơ chế bất hoạt. Kết tủa được cố định trong 2 giờ ở nhiệt độ phòng trong dung dịch natri cacodylat 0,1 M (pH 7,4) với chất cố định là 2,5% glutaraldehyde, 1,25% paraformaldehyde và 0,03% axit picric. Sau khi rửa, chúng được cố định bằng 1% osmium tetroxide (OsO4)/1,5% kali ferrocyanide (KFeCN6) trong 2 giờ, rửa 3 lần bằng nước và ủ trong 1% uranyl acetate trong 1 giờ, sau đó rửa hai lần bằng nước. Tiếp theo là quá trình khử nước trong 10 phút mỗi lần bằng cồn 50%, 70%, 90%, 100%. Sau đó, các mẫu được đặt trong propylene oxide trong 1 giờ và được tẩm hỗn hợp 1:1 của propylene oxide và TAAP Epon (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA). Các mẫu được nhúng trong TAAB Epon và trùng hợp ở 60°C trong 48 giờ. Nhựa dạng hạt đã lưu hóa được cắt và quan sát bằng TEM sử dụng JEOL 1200EX (JEOL, Tokyo, Nhật Bản), một kính hiển vi điện tử truyền qua thông thường được trang bị camera AMT 2k CCD (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, MA, Hoa Kỳ).
Tất cả các thí nghiệm đều được thực hiện ba lần. Đối với mỗi thời điểm, các lần rửa vi khuẩn được thực hiện ba lần, tạo ra tổng cộng chín điểm dữ liệu cho mỗi điểm, giá trị trung bình được sử dụng làm nồng độ vi khuẩn cho sinh vật cụ thể đó. Độ lệch chuẩn được sử dụng làm lỗi đo lường. Tất cả các điểm đều được tính.
Logarit của sự giảm nồng độ vi khuẩn so với thời điểm t = 0 phút được tính theo công thức sau:
trong đó C0 là nồng độ vi khuẩn trong mẫu đối chứng tại thời điểm 0 (tức là sau khi bề mặt đã khô nhưng trước khi đưa vào buồng) và Cn là nồng độ vi khuẩn trên bề mặt sau n phút tiếp xúc.
Để tính đến quá trình phân hủy tự nhiên của vi khuẩn trong thời gian tiếp xúc 45 phút, Log-Reduction cũng được tính toán so với đối chứng sau 45 phút như sau:
Trong đó Cn là nồng độ vi khuẩn trong mẫu đối chứng tại thời điểm n và Cn-Control là nồng độ vi khuẩn đối chứng tại thời điểm n. Dữ liệu được trình bày dưới dạng giảm logarit so với đối chứng (không tiếp xúc với EWNS).
Trong quá trình nghiên cứu, một số kết hợp điện áp và khoảng cách giữa kim và điện cực đối diện đã được đánh giá về mặt hình thành nón Taylor, độ ổn định của nón Taylor, độ ổn định của sản xuất EWNS và khả năng tái tạo. Nhiều kết hợp khác nhau được thể hiện trong Bảng bổ sung S1. Hai trường hợp đã được chọn cho một nghiên cứu hoàn chỉnh cho thấy các đặc tính ổn định và có thể tái tạo (nón Taylor, sản xuất EWNS và độ ổn định theo thời gian). Hình 3 cho thấy kết quả về điện tích, kích thước và hàm lượng ROS trong hai trường hợp. Các kết quả cũng được tóm tắt trong Bảng 1. Để tham khảo, Hình 3 và Bảng 1 bao gồm các đặc tính của EWNS8, 9, 10, 11 (EWNS cơ bản) chưa được tối ưu hóa đã tổng hợp trước đó. Các tính toán ý nghĩa thống kê sử dụng kiểm định t hai đuôi được công bố lại trong Bảng bổ sung S2. Ngoài ra, dữ liệu bổ sung bao gồm các nghiên cứu về tác động của đường kính lỗ lấy mẫu điện cực đối diện (D) và khoảng cách giữa điện cực nối đất và đầu kim (L) (Hình bổ sung S2 và S3).
(a–c) Phân bố kích thước AFM. (d – f) Đặc tính điện tích bề mặt. (g) Đặc tính của ROS và ESR.
Điều quan trọng cần lưu ý là đối với tất cả các điều kiện trên, dòng điện ion hóa đo được nằm trong khoảng 2-6 µA và điện áp nằm trong khoảng -3,8 đến -6,5 kV, dẫn đến mức tiêu thụ điện năng cho EWNS một đầu cuối này dưới 50 mW. . mô-đun phát điện. Mặc dù EWNS được tổng hợp dưới áp suất cao, nhưng mức ozone rất thấp, không bao giờ vượt quá 60 ppb.
Hình bổ sung S4 cho thấy các trường điện mô phỏng cho các kịch bản [-6,5 kV, 4,0 cm] và [-3,8 kV, 0,5 cm] tương ứng. Các trường theo các kịch bản [-6,5 kV, 4,0 cm] và [-3,8 kV, 0,5 cm] được tính toán tương ứng là 2 × 105 V/m và 4,7 × 105 V/m. Điều này là bình thường, vì tỷ lệ điện áp trên khoảng cách cao hơn nhiều trong trường hợp thứ hai.
Trên hình 3a, b cho thấy đường kính EWNS được đo bằng AFM8. Đường kính EWNS trung bình cho các kịch bản [-6,5 kV, 4,0 cm] và [-3,8 kV, 0,5 cm] được tính toán lần lượt là 27 nm và 19 nm. Độ lệch chuẩn hình học của các phân phối cho các trường hợp [-6,5 kV, 4,0 cm] và [-3,8 kV, 0,5 cm] lần lượt là 1,41 và 1,45, cho thấy phân phối kích thước hẹp. Cả kích thước trung bình và độ lệch chuẩn hình học đều rất gần với EWNS cơ sở, lần lượt là 25 nm và 1,41. Trên hình 3c cho thấy phân phối kích thước của EWNS cơ sở được đo bằng cùng phương pháp trong cùng điều kiện.
Trên hình 3d,e cho thấy kết quả đặc trưng điện tích. Dữ liệu là các phép đo trung bình của 30 phép đo đồng thời nồng độ (#/cm3) và dòng điện (I). Phân tích cho thấy điện tích trung bình trên EWNS là 22 ± 6 e- và 44 ± 6 e- cho [-6,5 kV, 4,0 cm] và [-3,8 kV, 0,5 cm], tương ứng. So với EWNS cơ sở (10 ± 2 e-), điện tích bề mặt của chúng cao hơn đáng kể, gấp đôi so với kịch bản [-6,5 kV, 4,0 cm] và gấp bốn lần so với kịch bản [-3,8 kV, 0,5 cm]. 3f cho thấy dữ liệu thanh toán EWNS cơ bản.
Từ các bản đồ nồng độ số EWNS (Hình bổ sung S5 và S6), có thể thấy rằng cảnh [-6,5 kV, 4,0 cm] có số lượng hạt cao hơn đáng kể so với cảnh [-3,8 kV, 0,5 cm]. Cũng cần lưu ý rằng nồng độ số EWNS được theo dõi trong tối đa 4 giờ (Hình bổ sung S5 và S6), trong đó độ ổn định tạo ra EWNS cho thấy cùng mức nồng độ số hạt trong cả hai trường hợp.
Hình 3g cho thấy phổ EPR sau khi trừ đối chứng (nền) cho EWNS được tối ưu hóa ở [-6,5 kV, 4,0 cm]. Phổ ROS cũng được so sánh với đường cơ sở EWNS trong một bài báo đã công bố trước đó. Số EWNS được tính toán phản ứng với bẫy spin là 7,5 × 104 EWNS/giây, tương tự như Baseline-EWNS8 đã công bố trước đó. Phổ EPR chỉ ra rõ ràng sự hiện diện của hai loại ROS, trong đó O2- chiếm ưu thế, trong khi OH• có mặt với lượng nhỏ hơn. Ngoài ra, so sánh trực tiếp cường độ đỉnh cho thấy EWNS được tối ưu hóa có hàm lượng ROS cao hơn đáng kể so với EWNS đường cơ sở.
Trên hình 4 cho thấy hiệu suất lắng đọng của EWNS trong EPES. Dữ liệu cũng được tóm tắt trong Bảng I và so sánh với dữ liệu EWNS ban đầu. Đối với cả hai trường hợp EUNS, lắng đọng gần 100% ngay cả ở điện áp thấp 3,0 kV. Thông thường, 3,0 kV là đủ để đạt được 100% lắng đọng bất kể sự thay đổi điện tích bề mặt. Trong cùng điều kiện, hiệu suất lắng đọng của Baseline-EWNS chỉ là 56% do điện tích thấp hơn (trung bình 10 electron trên mỗi EWNS).
Hình 5 và Bảng 2 tóm tắt mức độ bất hoạt của các vi sinh vật được tiêm trên bề mặt cà chua sau khi tiếp xúc với khoảng 40.000 #/cm3 EWNS trong 45 phút theo kịch bản tối ưu [-6,5 kV, 4,0 cm]. E. coli và L. innocua được tiêm cho thấy sự giảm đáng kể 3,8 log sau 45 phút tiếp xúc. Trong cùng điều kiện, S. enterica cho thấy sự giảm log thấp hơn là 2,2 log, trong khi S. cerevisiae và M. parafortuitum cho thấy sự giảm log 1,0.
Ảnh chụp bằng kính hiển vi điện tử (Hình 6) mô tả những thay đổi vật lý do EWNS gây ra ở tế bào E. coli, Salmonella enterica và L. innocua dẫn đến bất hoạt. Vi khuẩn đối chứng cho thấy màng tế bào còn nguyên vẹn, trong khi vi khuẩn tiếp xúc có màng ngoài bị hư hỏng.
Hình ảnh chụp bằng kính hiển vi điện tử của vi khuẩn đối chứng và vi khuẩn tiếp xúc cho thấy màng tế bào bị tổn thương.
Dữ liệu về các tính chất lý hóa của EWNS được tối ưu hóa cho thấy các tính chất của EWNS (điện tích bề mặt và hàm lượng ROS) được cải thiện đáng kể so với dữ liệu cơ sở EWNS đã công bố trước đó8,9,10,11. Mặt khác, kích thước của chúng vẫn nằm trong phạm vi nanomet, rất giống với các kết quả đã công bố trước đó, cho phép chúng lưu lại trong không khí trong thời gian dài. Độ phân tán đa quan sát được có thể được giải thích bằng những thay đổi về điện tích bề mặt, xác định độ lớn của hiệu ứng Rayleigh, tính ngẫu nhiên và khả năng hợp nhất của EWNS. Tuy nhiên, như Nielsen và cộng sự đã trình bày chi tiết22, điện tích bề mặt cao làm giảm sự bốc hơi bằng cách tăng hiệu quả năng lượng bề mặt/sức căng của giọt nước. Lý thuyết này đã được xác nhận bằng thực nghiệm đối với các giọt nhỏ22 và EWNS trong ấn phẩm trước đây của chúng tôi8. Việc mất theo thời gian cũng có thể ảnh hưởng đến kích thước và góp phần vào sự phân bố kích thước đã quan sát được.
Ngoài ra, điện tích trên mỗi cấu trúc là khoảng 22–44 e-, tùy thuộc vào hoàn cảnh, cao hơn đáng kể so với EWNS cơ bản, có điện tích trung bình là 10 ± 2 electron trên mỗi cấu trúc. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng đây là điện tích trung bình của EWNS. Seto và cộng sự. Người ta đã chứng minh rằng điện tích không đồng đều và tuân theo phân phối chuẩn logarit21. So với công trình trước đây của chúng tôi, việc tăng gấp đôi điện tích bề mặt sẽ tăng gấp đôi hiệu suất lắng đọng trong hệ thống EPES lên gần 100%11.