Дзякуй за наведванне Nature.com.Версія браўзера, якую вы выкарыстоўваеце, мае абмежаваную падтрымку CSS.Для найлепшага вопыту мы рэкамендуем вам выкарыстоўваць абноўлены браўзер (або адключыць рэжым сумяшчальнасці ў Internet Explorer).Тым часам, каб забяспечыць бесперапынную падтрымку, мы будзем візуалізаваць сайт без стыляў і JavaScript.
Карусель, якая паказвае адначасова тры слайды.Выкарыстоўвайце кнопкі «Папярэдні» і «Наступны», каб перамяшчацца па трох слайдах адначасова, або выкарыстоўвайце кнопкі паўзунка ў канцы, каб перамяшчацца па трох слайдах адначасова.
Нядаўна была распрацавана антымікробная платформа без хімічных рэчываў, заснаваная на нанатэхналогіях з выкарыстаннем штучных водных нанаструктур (EWNS).EWNS маюць высокі зарад паверхні і насычаны актыўнымі формамі кіслароду (АФК), якія могуць узаемадзейнічаць і інактываваць шэраг мікраарганізмаў, у тым ліку патагены харчовага паходжання.Тут паказана, што іх уласцівасці ў працэсе сінтэзу можна наладзіць і аптымізаваць для далейшага павышэння іх антыбактэрыйнага патэнцыялу.Лабараторная платформа EWNS была распрацавана для тонкай налады уласцівасцяў EWNS шляхам змены параметраў сінтэзу.Характарыстыка уласцівасцей EWNS (зарад, памер і ўтрыманне АФК) з выкарыстаннем сучасных аналітычных метадаў.Акрамя таго, яны былі ацэненыя на іх мікробны патэнцыял інактывацыі супраць харчовых мікраарганізмаў, такіх як Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocuous, Mycobacterium paraaccidentum і Saccharomyces cerevisiae.Прадстаўленыя тут вынікі дэманструюць, што ўласцівасці EWNS можна дакладна наладзіць падчас сінтэзу, што прыводзіць да экспанентнага павелічэння эфектыўнасці інактывацыі.У прыватнасці, павярхоўны зарад павялічыўся ў чатыры разы, а актыўныя формы кіслароду павялічыліся.Хуткасць выдалення мікробаў залежала ад мікробаў і вагалася ад 1,0 да 3,8 log пасля 45-хвіліннага ўздзеяння аэразольнай дозы 40 000 #/куб EWNS.
Мікробнае заражэнне з'яўляецца асноўнай прычынай харчовых захворванняў, выкліканых праглынаннем узбуджальнікаў або іх таксінаў.Толькі ў Злучаных Штатах харчовыя захворванні выклікаюць каля 76 мільёнаў захворванняў, 325 000 шпіталізацый і 5000 смерцяў кожны год1.Акрамя таго, Міністэрства сельскай гаспадаркі ЗША (USDA) лічыць, што павелічэнне спажывання свежых прадуктаў з'яўляецца прычынай 48% усіх зарэгістраваных захворванняў харчовага паходжання ў Злучаных Штатах2.Кошт хвароб і смерцяў, выкліканых хваробатворнымі мікраарганізмамі харчовага паходжання, у Злучаных Штатах вельмі высокі і, паводле ацэнак Цэнтра па кантролі і прафілактыцы захворванняў (CDC), складае больш за 15,6 мільярда долараў ЗША ў год3.
У цяперашні час хімічныя4, радыяцыйныя5 і тэрмічныя6 антымікробныя ўмяшанні для забеспячэння бяспекі харчовых прадуктаў у асноўным праводзяцца ў абмежаваных крытычных кантрольных кропках (ККТ) уздоўж вытворчага ланцужка (звычайна пасля збору ўраджаю і/або падчас упакоўкі), а не пастаянна.такім чынам, яны схільныя да перакрыжаванага заражэння.7. Для лепшага кантролю над хваробамі харчовага паходжання і псаваннем харчовых прадуктаў неабходныя антымікробныя меры, якія патэнцыйна могуць прымяняцца ў кантынууме ад фермы да стала, адначасова зніжаючы ўздзеянне на навакольнае асяроддзе і выдаткі.
Нядаўна была распрацавана антымікробная платформа без хімікатаў, заснаваная на нанатэхналогіях, якая можа інактываваць паверхневыя і паветраныя бактэрыі з дапамогай штучных водных нанаструктур (EWNS).EWNS быў сінтэзаваны з дапамогай двух паралельных працэсаў, электрораспыления і іянізацыі вады (мал. 1а).Папярэднія даследаванні паказалі, што EWNS валодаюць унікальным наборам фізічных і біялагічных уласцівасцей 8,9,10.EWNS маюць у сярэднім 10 электронаў на структуру і сярэдні нанапамер 25 нм (мал. 1b,c)8,9,10.Акрамя таго, электронны спінавы рэзананс (ESR) паказаў, што EWNS змяшчае вялікую колькасць актыўных формаў кіслароду (ROS), галоўным чынам гідраксільных (OH•) і супероксидных (O2-) радыкалаў (мал. 1c)8.EVNS знаходзіцца ў паветры на працягу доўгага часу і можа сутыкацца з мікраарганізмамі, узважанымі ў паветры і прысутнымі на паверхні, дастаўляючы сваю карысную нагрузку АФК і выклікаючы інактывацыю мікраарганізмаў (мал. 1d).Гэтыя раннія даследаванні таксама паказалі, што EWNS можа ўзаемадзейнічаць і інактываваць розныя грамотріцательных і грамположительные бактэрыі, у тым ліку мікабактэрыі, на паверхнях і ў паветры.Трансмісійная электронная мікраскапія паказала, што інактывацыя была выклікана разбурэннем клеткавай мембраны.Акрамя таго, даследаванні вострай інгаляцыі паказалі, што высокія дозы EWNS не выклікаюць пашкоджання лёгкіх або запалення 8 .
(a) Электрараспыленне адбываецца, калі высокае напружанне прыкладваецца паміж капілярнай трубкай, якая змяшчае вадкасць, і процілеглым электродам.(b) Прымяненне высокага ціску прыводзіць да двух розных з'яў: (i) электрараспылення вады і (ii) утварэння актыўных формаў кіслароду (іёнаў), захопленых у EWNS.(c) Унікальная структура EWNS.(d) Дзякуючы сваёй нанамаштабнай прыродзе, EWNS вельмі мабільныя і могуць узаемадзейнічаць з паветрана-кропельнымі патагенамі.
Таксама нядаўна была прадэманстравана здольнасць антымікробнай платформы EWNS інактываваць харчовыя мікраарганізмы на паверхні свежай ежы.Было таксама паказана, што павярхоўны зарад EWNS у спалучэнні з электрычным полем можна выкарыстоўваць для дасягнення мэтавай дастаўкі.Больш за тое, папярэднія вынікі для арганічных памідораў пасля 90-хвіліннага ўздзеяння пры EWNS каля 50 000 #/см3 былі абнадзейлівымі, з рознымі харчовымі мікраарганізмамі, такімі як E. coli і Listeria 11.Акрамя таго, папярэднія арганалептычныя выпрабаванні не паказалі сэнсарных эфектаў у параўнанні з кантрольнымі памідорамі.Хоць гэтыя першапачатковыя вынікі інактывацыі з'яўляюцца абнадзейлівымі для прымянення бяспекі харчовых прадуктаў нават пры вельмі нізкіх дозах EWNS 50 000#/куб.бачыце, відавочна, што больш высокі патэнцыял інактывацыі будзе больш карысным для далейшага зніжэння рызыкі заражэння і псуты.
Тут мы сканцэнтруем нашы даследаванні на распрацоўцы платформы генерацыі EWNS, каб забяспечыць тонкую наладу параметраў сінтэзу і аптымізаваць фізіка-хімічныя ўласцівасці EWNS для павышэння іх антыбактэрыйнага патэнцыялу.У прыватнасці, аптымізацыя была сканцэнтравана на павелічэнні іх павярхоўнага зарада (для паляпшэння мэтавай дастаўкі) і ўтрымання ROS (для павышэння эфектыўнасці інактывацыі).Ахарактарызуйце аптымізаваныя фізіка-хімічныя ўласцівасці (памер, зарад і ўтрыманне АФК) з выкарыстаннем сучасных аналітычных метадаў і выкарыстання звычайных харчовых мікраарганізмаў, такіх як Э.
ЭВНС быў сінтэзаваны шляхам адначасовага электрараспылення і іянізацыі вады высокай чысціні (18 МОм см–1).Электрычны распыляльнік 12 звычайна выкарыстоўваецца для распылення вадкасцей і сінтэзу палімерных і керамічных часціц 13 і валокнаў 14 кантраляванага памеру.
Як падрабязна апісвалася ў папярэдніх публікацыях 8, 9, 10, 11, у тыповым эксперыменце паміж металічным капілярам і заземленым супрацьэлектродам падавалася высокае напружанне.Падчас гэтага працэсу адбываюцца дзве розныя з'явы: i) электрараспыленне і ii) іянізацыя вады.Моцнае электрычнае поле паміж двума электродамі выклікае назапашванне адмоўных зарадаў на паверхні кандэнсаванай вады, у выніку чаго ўтвараюцца конусы Тэйлара.У выніку ўтвараюцца моцна зараджаныя кроплі вады, якія працягваюць распадацца на больш дробныя часціцы, як у тэорыі Рэлея16.У той жа час моцныя электрычныя палі прымушаюць некаторыя малекулы вады расшчапляць і адрываць электроны (іянізаваць), што прыводзіць да адукацыі вялікай колькасці актыўных формаў кіслароду (АФК)17.Адначасова згенераваны ROS18 быў інкапсуляваны ў EWNS (мал. 1c).
На мал.2a паказвае сістэму генерацыі EWNS, распрацаваную і выкарыстоўваную ў сінтэзе EWNS у гэтым даследаванні.Вычышчаная вада, якая захоўвалася ў закрытай бутэльцы, падавалася праз тефлоновую трубку (унутраны дыяметр 2 мм) у іголку з нержавеючай сталі 30G (металічны капіляр).Паток вады рэгулюецца ціскам паветра ўнутры бутэлькі, як паказана на малюнку 2b.Іголка ўсталяваная на тэфлонавай кансолі і можа быць адрэгулявана ўручную на пэўнай адлегласці ад процілеглага электрода.Супрацьэлектрод - гэта паліраваны алюмініевы дыск з адтулінай у цэнтры для адбору пробы.Ніжэй супрацьэлектрода знаходзіцца алюмініевая варонка для адбору пробаў, якая злучана з астатняй часткай эксперыментальнай устаноўкі праз адтуліну для адбору проб (мал. 2b).Каб пазбегнуць назапашвання зарада, якое можа парушыць працу сэмплера, усе кампаненты сэмплера заземлены.
(a) Інжынерная сістэма генерацыі нанаструктур вады (EWNS).(Б) Папярочны разрэз пробоотборника і электрораспылителя, паказваючы найбольш важныя параметры.(С) Эксперыментальная ўстаноўка для інактывацыі бактэрый.
Сістэма генерацыі EWNS, апісаная вышэй, здольная змяняць ключавыя працоўныя параметры для палягчэння тонкай налады уласцівасцяў EWNS.Адрэгулюйце прыкладзенае напружанне (V), адлегласць паміж іголкай і процілеглым электродам (L) і паток вады (φ) праз капіляр, каб дакладна наладзіць характарыстыкі EWNS.Сімвал, які выкарыстоўваецца для прадстаўлення розных камбінацый: [V (кВ), L (см)].Адрэгулюйце паток вады, каб атрымаць стабільны конус Тэйлара пэўнага набору [V, L].Для мэт гэтага даследавання дыяметр адтуліны процілеглага электрода (D) захоўваўся на ўзроўні 0,5 цалі (1,29 см).
З-за абмежаванай геаметрыі і асіметрыі напружанасць электрычнага поля немагчыма вылічыць з першых прынцыпаў.Замест гэтага для разліку электрычнага поля выкарыстоўвалася праграмнае забеспячэнне QuickField™ (Svendborg, Данія)19.Электрычнае поле неаднастайнае, таму значэнне электрычнага поля на кончыку капіляра выкарыстоўвалася ў якасці эталоннага значэння для розных канфігурацый.
Падчас даследавання некалькі камбінацый напружання і адлегласці паміж іголкай і процілеглым электродам ацэньваліся з пункту гледжання фарміравання конусу Тэйлара, стабільнасці конусу Тэйлара, стабільнасці вытворчасці EWNS і ўзнаўляльнасці.Розныя камбінацыі паказаны ў дадатковай табліцы S1.
Выхад сістэмы генерацыі EWNS быў падключаны непасрэдна да скануючага аналізатара памеру часціц рухомасці (SMPS, мадэль 3936, TSI, Шорвью, Мінесота) для вымярэння канцэнтрацыі колькасці часціц, а таксама да аэразольнага электраметра Фарадэя (TSI, мадэль 3068B, Шорвью, Мінесота).) для аэразольных токаў вымяралася, як апісана ў нашай папярэдняй публікацыі.І SMPS, і аэразольны электраметр адбіралі пробы пры хуткасці патоку 0,5 л/мін (агульны паток пробы 1 л/мін).Колькасную канцэнтрацыю часціц і расход аэразоля вымяралі на працягу 120 секунд.Вымярэнне паўтараюць 30 разоў.На падставе бягучых вымярэнняў разлічваецца агульны аэразольны зарад і ацэньваецца сярэдні зарад EWNS для зададзенай агульнай колькасці выбраных часціц EWNS.Сярэдні кошт EWNS можна разлічыць з дапамогай ураўнення (1):
дзе IEl - вымераны ток, NSMPS - лічбавая канцэнтрацыя, вымераная SMPS, а φEl - хуткасць патоку на электраметр.
Паколькі адносная вільготнасць (RH) уплывае на зарад паверхні, тэмпература і (RH) падтрымліваліся сталымі падчас эксперыменту пры 21°C і 45% адпаведна.
Атамна-сілавая мікраскапія (AFM), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Санта-Барбара, Каліфорнія) і зонд AC260T (Olympus, Токіо, Японія) выкарыстоўваліся для вымярэння памеру і тэрміну службы EWNS.Частата сканавання АСМ складала 1 Гц, плошча сканавання 5 мкм × 5 мкм і 256 радкоў сканавання.Усе выявы былі падвергнуты выраўноўванню выявы 1-га парадку з дапамогай праграмнага забеспячэння Asylum (дыяпазон маскі 100 нм, парог 100 пм).
Выпрабавальную варонку выдалілі, а паверхню слюды размясцілі на адлегласці 2,0 см ад процілеглага электрода на час асераднення 120 с, каб пазбегнуць агламерацыі часціц і адукацыі нерэгулярных кропель на паверхні слюды.EWNS распылялі непасрэдна на паверхню свежазрэзанай лушчака (Ted Pella, Redding, CA).Выява паверхні слюды адразу пасля АСМ-распылення.Кантактны кут паверхні свежазрэзанай немадыфікаванай лушчака блізкі да 0°, таму ЭВНС размяркоўваецца на паверхні лушчака ў выглядзе купала.Дыяметр (a) і вышыня (h) кропель, якія распаўсюджваюцца, вымяраліся непасрэдна з тапаграфіі AFM і выкарыстоўваліся для разліку купалападобнага дыфузійнага аб'ёму EWNS з выкарыстаннем нашага раней праверанага метаду.Пры ўмове, што бартавы EWNS мае аднолькавы аб'ём, эквівалентны дыяметр можна вылічыць з дапамогай ураўнення (2):
На падставе нашага раней распрацаванага метаду спінавая пастка электроннага спінавага рэзанансу (ESR) была выкарыстана для выяўлення прысутнасці кароткачасовых радыкальных прамежкавых прадуктаў у EWNS.Аэразолі барботировали праз распыляльнік Midget 650 мкм (Ace Glass, Vineland, NJ), які змяшчае 235 мм раствор DEPMPO (5-(диэтоксифосфорил)-5-метил-1-пирролин-N-оксид) (Oxis International Inc.).Портленд, Арэгон).Усе вымярэнні СОЭ праводзіліся з выкарыстаннем спектрометра Bruker EMX (Bruker Instruments Inc. Billerica, Масачусэтс, ЗША) і кюветы з плоскай панэллю.Для збору і аналізу дадзеных выкарыстоўвалася праграмнае забеспячэнне Acquisit (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, ЗША).Вызначэнне характарыстык АФК праводзілася толькі для набору працоўных умоў [-6,5 кВ, 4,0 см].Канцэнтрацыі EWNS вымяраліся з дапамогай SMPS пасля ўліку страт EWNS у ўдарным элеменце.
Узроўні азону кантраляваліся з дапамогай 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Boulder, Co)8,9,10.
Для ўсіх уласцівасцей EWNS сярэдняе значэнне выкарыстоўваецца ў якасці значэння вымярэння, а стандартнае адхіленне выкарыстоўваецца ў якасці памылкі вымярэння.Т-тэсты былі праведзены для параўнання значэнняў аптымізаваных атрыбутаў EWNS з адпаведнымі значэннямі базавага EWNS.
На малюнку 2c паказана раней распрацаваная і ахарактарызаваная сістэма электрастатычнага ападку (EPES), якая можа выкарыстоўвацца для мэтавай дастаўкі EWNS на паверхню.EPES выкарыстоўвае зарады EVNS, якія можна «наводзіць» прама на паверхню мішэні пад уздзеяннем моцнага электрычнага поля.Дэталі сістэмы EPES прадстаўлены ў нядаўняй публікацыі Pyrgiotakis et al.11 .Такім чынам, EPES складаецца з 3D-друкаванай камеры з ПВХ з канічнымі канцамі і змяшчае дзве паралельныя металічныя пласціны з нержавеючай сталі (нержавеючая сталь 304, з люстраным пакрыццём) у цэнтры на адлегласці 15,24 см адна ад адной.Платы падключаліся да знешняй крыніцы высокага напружання (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY), ніжняя пласціна заўсёды была падключана да станоўчага напружання, а верхняя пласціна заўсёды была падключана да зямлі (плавае зазямленне).Сценкі камеры пакрытыя алюмініевай фальгой, якая электрычна заземлена, каб прадухіліць страту часціц.Камера мае герметычную пярэднюю загрузачную дзверцы, якая дазваляе размяшчаць выпрабавальныя паверхні на пластыкавых падстаўках, якія падымаюць іх над ніжняй металічнай пласцінай, каб пазбегнуць перашкод высокага напружання.
Эфектыўнасць нанясення EWNS у EPES была разлічана ў адпаведнасці з раней распрацаваным пратаколам, падрабязна апісаным на дадатковым малюнку S111.
У якасці камеры кіравання другая цыліндрычная праточная камера была паслядоўна падключана да сістэмы EPES, у якой для выдалення EWNS выкарыстоўваўся прамежкавы фільтр HEPA.Як паказана на малюнку 2c, аэразоль EWNS прапампоўваўся праз дзве ўбудаваныя камеры.Фільтр паміж дыспетчарскай і EPES выдаляе рэшткі EWNS, у выніку чаго тэмпература (T), адносная вільготнасць (RH) і ўзроўні азону аднолькавыя.
Было ўстаноўлена, што важныя мікраарганізмы харчовага паходжання забруджваюць свежыя прадукты, такія як кішачная палачка (ATCC № 27325), фекальны індыкатар, Salmonella enterica (ATCC № 53647), харчовы ўзбуджальнік, бясшкодны Listeria (ATCC № 33090), сурагат патагеннай Listeria monocytogenes, атрыманы з ATCC (Manassas, VA) Saccharomyces cerevisiae (ATCC # 4098), заменнік псуючых дрожджаў і больш устойлівая інактываваная бактэрыя Mycobacterium paralucky (ATCC № 19686).
Купляйце выпадковыя скрынкі арганічных вінаградных таматаў на мясцовым рынку і захоўвайце ў халадзільніку пры 4°C да выкарыстання (да 3 дзён).Усе эксперыментальныя памідоры былі аднолькавага памеру, каля 1/2 цалі ў дыяметры.
Пратаколы культуры, прышчэпкі, уздзеяння і падліку калоній падрабязна апісаны ў нашай папярэдняй публікацыі і ў дадатковых дадзеных.Эфектыўнасць EWNS ацэньвалі шляхам ўздзеяння прышчэпленых таматаў на 40 000 #/см3 на працягу 45 хвілін.Карацей кажучы, тры памідора былі выкарыстаны для ацэнкі выжылых мікраарганізмаў у час t = 0 мін.Тры памідоры былі змешчаны ў EPES і падвергнуты ўздзеянню EWNS пры 40 000 #/куб.см (памідоры, якія падвергліся ўздзеянню EWNS), а астатнія тры былі змешчаны ў кантрольную камеру (кантрольныя памідоры).Дадатковая апрацоўка таматаў у абедзвюх групах не праводзілася.Памідоры, падвергнутыя ўздзеянню EWNS, і кантрольныя памідоры былі выдалены праз 45 хвілін для ацэнкі эфекту EWNS.
Кожны эксперымент праводзіўся ў трох паўторах.Аналіз дадзеных праводзіўся ў адпаведнасці з пратаколам, апісаным у дадатковых дадзеных.
Механізмы інактывацыі ацэньвалі шляхам аблогі апрамененых узораў EWNS (45 хвілін пры канцэнтрацыі аэразоля EWNS 40 000 #/см3) і неапрамененых узораў бясшкодных бактэрый E. coli, Salmonella enterica і Lactobacillus.Часціцы фіксавалі ў 2,5% глутаральдегиде, 1,25% параформальдегиде і 0,03% пикриновой кіслаце ў 0,1 М какодилатном буферы натрыю (pH 7,4) на працягу 2 гадзін пры пакаёвай тэмпературы.Пасля прамывання постфіксуйце 1% чатырохвокісам осмію (OsO4)/1,5% ферацыянідам калія (KFeCN6) на працягу 2 гадзін, прамывайце 3 разы ў вадзе і інкубуйце ў 1% уранілацэтаце на працягу 1 гадзіны, затым прамывайце двойчы ў вадзе, затым абязводжвайце на працягу 10 хвілін у 50%, 70%, 90%, 100% спірце.Затым узоры змяшчалі ў аксід прапілену на 1 гадзіну і прамакалі сумессю 1:1 аксіду прапілену і TAAP Epon (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA).Узоры залівалі ў TAAB Epon і полімерызавалі пры 60°C на працягу 48 гадзін.Зацвярдзелая грануляваная смала была выразана і візуалізавана з дапамогай ПЭМ з дапамогай звычайнага трансмісійнага электроннага мікраскопа JEOL 1200EX (JEOL, Токіо, Японія), абсталяванага камерай AMT 2k CCD (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, Масачусэтс, ЗША).
Усе эксперыменты праводзілі ў трох паўторах.Для кожнай кропкі часу бактэрыяльныя прамыванні высейваліся ў трох паўторах, у выніку чаго ў агульнай складанасці было дзевяць кропак дадзеных на кропку, сярэдняе з якіх выкарыстоўвалася ў якасці канцэнтрацыі бактэрый для гэтага канкрэтнага мікраарганізма.У якасці памылкі вымярэння выкарыстоўвалася стандартнае адхіленне.Усе балы залічваюцца.
Лагарыфм зніжэння канцэнтрацыі бактэрый у параўнанні з t = 0 мін разлічвалі па формуле:
дзе C0 - гэта канцэнтрацыя бактэрый у кантрольным узоры ў момант часу 0 (г.зн. пасля высыхання паверхні, але перад памяшканнем у камеру), а Cn - канцэнтрацыя бактэрый на паверхні пасля n хвілін уздзеяння.
Каб улічыць натуральную дэградацыю бактэрый падчас 45-хвіліннага ўздзеяння, памяншэнне часопіса ў параўнанні з кантролем праз 45 хвілін таксама разлічваецца наступным чынам:
дзе Cn - гэта канцэнтрацыя бактэрый у кантрольным узоры ў момант часу n, а Cn-кантроль - гэта канцэнтрацыя кантрольных бактэрый у момант часу n.Дадзеныя прадстаўлены як памяншэнне часопіса ў параўнанні з кантролем (без уздзеяння EWNS).
Падчас даследавання некалькі камбінацый напружання і адлегласці паміж іголкай і процілеглым электродам ацэньваліся з пункту гледжання фарміравання конусу Тэйлара, стабільнасці конусу Тэйлара, стабільнасці вытворчасці EWNS і ўзнаўляльнасці.Розныя камбінацыі паказаны ў дадатковай табліцы S1.Два выпадкі, якія дэманструюць стабільныя і ўзнаўляльныя ўласцівасці (конус Тэйлара, генерацыя EWNS і стабільнасць з цягам часу), былі выбраны для комплекснага даследавання.На мал.На малюнку 3 паказаны вынікі для зарада, памеру і ўтрымання ROS у абодвух выпадках.Вынікі таксама паказаны ў табліцы 1. Для даведкі малюнак 3 і табліца 1 уключаюць уласцівасці раней сінтэзаваных неаптымізаваных EWNS8, 9, 10, 11 (базавы EWNS).Разлікі статыстычнай значнасці з выкарыстаннем двухбаковага t-крытэра апублікаваны ў дадатковай табліцы S2.Акрамя таго, дадатковыя даныя ўключаюць даследаванні ўплыву дыяметра адтуліны для адбору пробы проціэлектрода (D) і адлегласці паміж зазямляльным электродам і наканечнікам (L) (дадатковыя малюнкі S2 і S3).
(ac) Размеркаванне па памерах, вымеранае АСМ.(df) Характарыстыка павярхоўнага зарада.(Ж) Характарыстыка ROS EPR.
Важна таксама адзначыць, што для ўсіх вышэйпералічаных умоў вымераны ток іянізацыі быў ад 2 да 6 мкА, а напружанне ад -3,8 да -6,5 кВ, што прывяло да энергаспажывання менш за 50 мВт для гэтага аднаго кантактнага модуля пакалення EWNS.Нягледзячы на ​​тое, што EWNS быў сінтэзаваны пад высокім ціскам, узровень азону быў вельмі нізкім, ніколі не перавышаючы 60 ppb.
На дадатковым малюнку S4 паказаны змадэляваныя электрычныя палі для сцэнарыяў [-6,5 кВ, 4,0 см] і [-3,8 кВ, 0,5 см] адпаведна.Для сцэнарыяў [-6,5 кВ, 4,0 см] і [-3,8 кВ, 0,5 см] разлікі поля складаюць 2 × 105 В/м і 4,7 × 105 В/м адпаведна.Гэта чакана, бо ў другім выпадку стаўленне напружання да адлегласці значна вышэй.
На мал.3a,b паказвае дыяметр EWNS, вымераны з дапамогай AFM8.Разлічаныя сярэднія дыяметры EWNS складалі 27 нм і 19 нм для схем [-6,5 кВ, 4,0 см] і [-3,8 кВ, 0,5 см] адпаведна.Для сцэнарыяў [-6,5 кВ, 4,0 см] і [-3,8 кВ, 0,5 см] геаметрычныя стандартныя адхіленні размеркаванняў складаюць 1,41 і 1,45 адпаведна, што паказвае на вузкае размеркаванне па памерах.І сярэдні памер, і геаметрычнае стандартнае адхіленне вельмі блізкія да базавага EWNS, адпаведна 25 нм і 1,41.На мал.3c паказвае размеркаванне базавага EWNS па памерах, вымеранае тым жа метадам у тых жа ўмовах.
На мал.3d,e паказвае вынікі характарыстыкі зарада.Дадзеныя ўяўляюць сабой сярэднія вымярэнні 30 адначасовых вымярэнняў канцэнтрацыі (#/см3) і сілы току (I).Аналіз паказвае, што сярэдні зарад на EWNS складае 22 ± 6 e- і 44 ± 6 e- для [-6,5 кВ, 4,0 см] і [-3,8 кВ, 0,5 см] адпаведна.Яны маюць значна больш высокія паверхневыя зарады ў параўнанні з базавым EWNS (10 ± 2 e-), у два разы больш, чым [-6,5 кВ, 4,0 см] і ў чатыры разы больш, чым [-3,8 кВ, 0,5 см].На малюнку 3f паказаны зарад.даныя для Baseline-EWNS.
З карт канцэнтрацыі колькасці EWNS (дадатковыя малюнкі S5 і S6) відаць, што ў сцэнары [-6,5 кВ, 4,0 см] значна больш часціц, чым у сцэнары [-3,8 кВ, 0,5 см].Варта таксама адзначыць, што колькасць канцэнтрацыі EWNS кантралявалася да 4 гадзін (дадатковыя малюнкі S5 і S6), дзе стабільнасць генерацыі EWNS паказала аднолькавы ўзровень канцэнтрацыі колькасці часціц у абодвух выпадках.
На мал.3g паказвае спектр ЭПР пасля аднімання аптымізаванага кантролю EWNS (фон) пры [-6,5 кВ, 4,0 см].Спектры ROS таксама параўноўваліся са сцэнарыем Baseline-EWNS у раней апублікаванай працы.Колькасць EWNS, якія рэагуюць са спінавымі пасткамі, была разлічана ў 7,5 × 104 EWNS/с, што падобна да апублікаванага раней Baseline-EWNS8.Спектры ЭПР выразна паказалі прысутнасць двух тыпаў АФК, прычым O2- з'яўляецца пераважнай формай і OH• з'яўляецца менш багатай.Акрамя таго, прамое параўнанне пікавых інтэнсіўнасцей паказала, што аптымізаваны EWNS меў значна большае ўтрыманне ROS у параўнанні з базавым EWNS.
На мал.4 паказвае эфектыўнасць нанясення EWNS у EPES.Дадзеныя таксама зведзены ў табліцу I і параўноўваюцца з зыходнымі дадзенымі EWNS.Для абодвух выпадкаў EUNS адклад блізкі да 100% нават пры нізкім напрузе 3,0 кВ.Як правіла, 3,0 кВ дастаткова для 100% нанясення, незалежна ад змены зарада паверхні.У тых жа ўмовах эфектыўнасць нанясення Baseline-EWNS склала толькі 56% з-за іх меншага зарада (у сярэднім 10 электронаў на EWNS).
На мал.5 і ў табл.2 абагульняе значэнне інактывацыі мікраарганізмаў, засеяных на паверхні таматаў пасля ўздзеяння каля 40 000 #/см3 EWNS на працягу 45 хвілін пры аптымальным рэжыме [-6,5 кВ, 4,0 см].Прышчэпленыя E. coli і Lactobacillus innocuous паказалі значнае зніжэнне на 3,8 log на працягу 45 хвілін экспазіцыі.У тых жа ўмовах S. enterica паменшылася на 2,2 log, а S. cerevisiae і M. parafortutum - на 1,0 log.
Электронныя мікрафатаграфіі (малюнак 6) адлюстроўваюць фізічныя змены, выкліканыя EWNS на бясшкодных клетках Escherichia coli, Streptococcus і Lactobacillus, якія прыводзяць да іх інактывацыі.Кантрольныя бактэрыі мелі непашкоджаныя клеткавыя мембраны, у той час як адкрытыя бактэрыі мелі пашкоджаныя знешнія мембраны.
Электронна-мікраскапічная візуалізацыя кантрольных і адкрытых бактэрый выявіла пашкоджанне мембраны.
Дадзеныя аб фізіка-хімічных уласцівасцях аптымізаванай EWNS у сукупнасці паказваюць, што ўласцівасці (павярхоўны зарад і ўтрыманне АФК) EWNS былі значна палепшаны ў параўнанні з раней апублікаванымі базавымі дадзенымі EWNS8,9,10,11.З іншага боку, іх памер заставаўся ў нанаметровым дыяпазоне, вельмі падобным на раней апублікаваныя вынікі, дазваляючы ім заставацца ў паветры на працягу доўгага часу.Назіраную полідысперснасць можна растлумачыць зменамі зарада паверхні, якія вызначаюць памер EWNS, выпадковасцю эфекту Рэлея і патэнцыйнай каалесцэнцыяй.Аднак, як падрабязна Nielsen et al.22, высокі зарад паверхні зніжае выпарэнне за кошт эфектыўнага павелічэння павярхоўнай энергіі/напружання кроплі вады.У нашай папярэдняй публікацыі8 гэтая тэорыя была эксперыментальна пацверджана для мікракропель 22 і EWNS.Страта зарада падчас звышурочнай працы таксама можа паўплываць на памер і ўнесці свой уклад у назіранае размеркаванне памераў.