Salamat sa pagbisita sa Nature.com. Ang bersyon sa browser nga imong gigamit adunay limitado nga suporta sa CSS. Para sa pinakamaayong kasinatian, among girekomendar nga mogamit ka og updated nga browser (o i-disable ang Compatibility Mode sa Internet Explorer). Samtang, aron masiguro ang padayon nga suporta, among i-render ang site nga walay mga style ug JavaScript.
Usa ka carousel nga nagpakita og tulo ka slide sa samang higayon. Gamita ang mga buton nga Previous ug Next aron molihok sa tulo ka slide matag higayon, o gamita ang mga buton sa slider sa katapusan aron molihok sa tulo ka slide matag higayon.
Bag-ohay lang, usa ka plataporma nga walay kemikal nga antimicrobial nga gibase sa nanotechnology gamit ang artificial water nanostructures (EWNS) ang naugmad. Ang mga EWNS adunay taas nga surface charge ug puno sa reactive oxygen species (ROS) nga mahimong makig-uban ug makapa-inactivate sa daghang mga microorganism, lakip na ang mga foodborne pathogens. Dinhi gipakita nga ang ilang mga kabtangan atol sa synthesis mahimong ma-fine-tune ug ma-optimize aron mapalambo pa ang ilang antibacterial potential. Ang plataporma sa laboratoryo sa EWNS gidisenyo aron ma-fine-tune ang mga kabtangan sa EWNS pinaagi sa pag-usab sa mga parameter sa synthesis. Pag-characterize sa mga kabtangan sa EWNS (charge, gidak-on ug sulod sa ROS) gamit ang modernong mga pamaagi sa analitikal. Dugang pa, gisusi kini alang sa ilang microbial inactivation potential batok sa mga foodborne microorganism sama sa Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocuous, Mycobacterium paraaccidentum ug Saccharomyces cerevisiae. Ang mga resulta nga gipresentar dinhi nagpakita nga ang mga kabtangan sa EWNS mahimong ma-fine-tune atol sa synthesis, nga miresulta sa usa ka exponential nga pagtaas sa inactivation efficiency. Sa partikular, ang surface charge misaka sa upat ka beses ug ang reactive oxygen species misaka. Ang gikusgon sa pagtangtang sa mikrobyo nagdepende sa mikrobyo ug gikan sa 1.0 ngadto sa 3.8 log human sa 45 minutos nga pagkaladlad sa aerosol dose nga 40,000 #/cc EWNS.
Ang kontaminasyon sa mikrobyo mao ang pangunang hinungdan sa sakit nga dala sa pagkaon nga gipahinabo sa pagtulon sa mga pathogen o sa ilang mga hilo. Sa Estados Unidos lamang, ang sakit nga dala sa pagkaon hinungdan sa mga 76 milyon nga mga sakit, 325,000 nga mga admission sa ospital, ug 5,000 nga kamatayon matag tuig1. Dugang pa, ang United States Department of Agriculture (USDA) nagbanabana nga ang pagtaas sa konsumo sa presko nga mga produkto mao ang responsable sa 48% sa tanan nga gitaho nga mga sakit nga dala sa pagkaon sa Estados Unidos2. Ang gasto sa sakit ug kamatayon nga gipahinabo sa mga pathogen nga dala sa pagkaon sa Estados Unidos taas kaayo, nga gibanabana sa Centers for Disease Control and Prevention (CDC) nga sobra sa US$15.6 bilyon matag tuig3.
Sa pagkakaron, ang mga chemical4, radiation5 ug thermal6 nga mga antimicrobial nga interbensyon aron masiguro ang kaluwasan sa pagkaon kasagaran gihimo sa limitado nga mga critical control point (CCP) subay sa production chain (kasagaran human sa pag-ani ug/o atol sa pagputos) imbes nga padayon. Busa, kini dali nga mataptan sa cross-contamination. 7. Ang mas maayong pagkontrol sa mga sakit nga dala sa pagkaon ug pagkadaot sa pagkaon nanginahanglan og mga antimicrobial nga interbensyon nga mahimong magamit sa tibuok farm-to-table continuum samtang gipakunhod ang epekto ug gasto sa kalikopan.
Bag-ohay lang, usa ka plataporma nga antimicrobial nga walay kemikal ug nakabase sa nanotechnology ang naugmad nga makapa-inactivate sa mga bakterya sa ibabaw ug sa hangin gamit ang artipisyal nga mga nanostructure sa tubig (EWNS). Ang EWNS gi-synthesize gamit ang duha ka parallel nga proseso, ang electrospray ug water ionization (Fig. 1a). Ang mga nangaging pagtuon nagpakita nga ang EWNS adunay talagsaon nga hugpong sa pisikal ug biyolohikal nga mga kabtangan8,9,10. Ang EWNS adunay aberids nga 10 ka electron matag istruktura ug usa ka aberids nga gidak-on sa nanoscale nga 25 nm (Fig. 1b,c)8,9,10. Dugang pa, ang electron spin resonance (ESR) nagpakita nga ang EWNS adunay daghang reactive oxygen species (ROS), kasagaran hydroxyl (OH•) ug superoxide (O2-) radicals (Fig. 1c)8. Ang EVNS naa sa hangin sa dugay nga panahon ug mahimong mabangga sa mga mikroorganismo nga nagbitay sa hangin ug naa sa ibabaw, nga naghatud sa ilang ROS payload ug hinungdan sa pagka-inactivate sa mga mikroorganismo (Fig. 1d). Kining mga unang pagtuon nagpakita usab nga ang EWNS mahimong makig-uban ug makapa-inactivate sa nagkalain-laing gram-negative ug gram-positive nga bakterya, lakip ang mycobacteria, sa mga nawong ug sa hangin. Ang transmission electron microscopy nagpakita nga ang pagka-inactivate gipahinabo sa pagkaguba sa cell membrane. Dugang pa, ang mga acute inhalation studies nagpakita nga ang taas nga dosis sa EWNS dili hinungdan sa kadaot sa baga o panghubag 8.
(a) Ang electrospray mahitabo kon ang taas nga boltahe ipadapat tali sa usa ka capillary tube nga adunay likido ug usa ka counter electrode. (b) Ang pagpadapat sa taas nga presyur moresulta sa duha ka lainlaing panghitabo: (i) electrospraying sa tubig ug (ii) pagporma sa reactive oxygen species (ions) nga natanggong sa EWNS. (c) Ang talagsaon nga istruktura sa EWNS. (d) Tungod sa ilang nanoscale nga kinaiya, ang EWNS dali nga molihok ug mahimong makig-uban sa mga pathogen nga anaa sa hangin.
Bag-o lang usab nga napamatud-an ang abilidad sa EWNS antimicrobial platform sa pag-inactivate sa mga foodborne microorganism sa ibabaw sa preskong pagkaon. Gipakita usab nga ang surface charge sa EWNS inubanan sa electric field magamit aron makab-ot ang targeted delivery. Dugang pa, ang pasiunang mga resulta para sa mga organic nga kamatis human sa 90 minutos nga exposure sa EWNS nga mga 50,000 #/cm3 makapadasig, diin ang lain-laing mga foodborne microorganism sama sa E. coli ug Listeria 11 naobserbahan. Dugang pa, ang pasiunang organoleptic tests wala magpakita og sensory effects kon itandi sa control tomatoes. Bisan tuod kining inisyal nga mga resulta sa inactivation makapadasig para sa mga aplikasyon sa kaluwasan sa pagkaon bisan sa ubos kaayo nga EWNS doses nga 50,000#/cc. tan-awa, klaro nga ang mas taas nga inactivation potential mas mapuslanon aron makunhuran pa ang risgo sa impeksyon ug pagkadaot.
Dinhi, among ipunting ang among panukiduki sa pagpalambo sa usa ka plataporma sa pagmugna og EWNS aron mapadali ang pag-fine tuning sa mga parameter sa synthesis ug pag-optimize sa mga kabtangan sa physicochemical sa EWNS aron mapalambo ang ilang potensyal nga antibacterial. Sa partikular, ang pag-optimize naka-focus sa pagdugang sa ilang surface charge (aron mapaayo ang targeted delivery) ug ROS content (aron mapaayo ang inactivation efficiency). Ihulagway ang na-optimize nga mga kabtangan sa physico-chemical (gidak-on, charge ug ROS content) gamit ang modernong mga pamaagi sa pag-analisa ug gamiton ang komon nga mga mikroorganismo sa pagkaon sama sa E.
Ang EVNS gi-synthesize pinaagi sa dungan nga electrospraying ug ionization sa taas nga kaputli nga tubig (18 MΩ cm–1). Ang electric nebulizer 12 kasagarang gigamit alang sa atomization sa mga likido ug ang synthesis sa polymer ug ceramic particles 13 ug fibers 14 nga kontrolado ang gidak-on.
Sama sa gidetalye sa miaging mga publikasyon 8, 9, 10, 11, sa usa ka tipikal nga eksperimento, usa ka taas nga boltahe ang gigamit taliwala sa usa ka metal capillary ug usa ka grounded counter electrode. Atol niini nga proseso, duha ka lain-laing panghitabo ang mahitabo: i) electrospray ug ii) water ionization. Ang usa ka kusog nga electric field taliwala sa duha ka electrodes hinungdan sa pagtipon sa mga negatibong karga sa ibabaw sa condensed water, nga moresulta sa pagporma sa Taylor cones. Ingon usa ka resulta, ang mga droplet sa tubig nga adunay taas nga karga maporma, nga padayon nga mabungkag ngadto sa gagmay nga mga partikulo, sama sa Rayleigh theory16. Sa parehas nga oras, ang kusog nga electric field hinungdan sa pipila ka mga molekula sa tubig nga mabahin ug matangtang ang mga electron (ionize), nga mosangpot sa pagporma sa daghang reactive oxygen species (ROS)17. Ang dungan nga namugna nga ROS18 gi-encapsulate sa EWNS (Fig. 1c).
Sa fig. 2a, gipakita ang sistema sa pagmugna og EWNS nga naugmad ug gigamit sa sintesis sa EWNS niini nga pagtuon. Ang giputli nga tubig nga gitipigan sa usa ka sirado nga botelya gipakaon pinaagi sa usa ka Teflon tube (2 mm nga inner diameter) ngadto sa usa ka 30G stainless steel nga dagom (metal capillary). Ang pag-agos sa tubig gikontrol sa presyur sa hangin sulod sa botelya, sama sa gipakita sa Figure 2b. Ang dagom gi-mount sa usa ka Teflon console ug mahimong mano-mano nga i-adjust sa usa ka piho nga distansya gikan sa counter electrode. Ang counter electrode usa ka pinasinaw nga aluminum disk nga adunay lungag sa tunga alang sa sampling. Sa ubos sa counter electrode adunay usa ka aluminum sampling funnel, nga konektado sa nahabilin nga experimental setup pinaagi sa usa ka sampling port (Fig. 2b). Aron malikayan ang pagtipon sa charge nga mahimong makabalda sa operasyon sa sampler, ang tanan nga mga sangkap sa sampler gi-ground sa kuryente.
(a) Engineered Water Nanostructure Generation System (EWNS). (b) Cross-section sa sampler ug electrospray, nga nagpakita sa labing importanteng mga parameter. (c) Eksperimental nga setup para sa bacteria inactivation.
Ang sistema sa pagmugna og EWNS nga gihulagway sa ibabaw makahimo sa pag-usab sa mga importanteng parameter sa operasyon aron mapadali ang pag-fine tune sa mga kabtangan sa EWNS. I-adjust ang gigamit nga boltahe (V), ang distansya tali sa dagom ug sa counter electrode (L), ug ang pag-agos sa tubig (φ) agi sa capillary aron ma-fine tune ang mga kinaiya sa EWNS. Simbolo nga gigamit sa pagrepresentar sa lain-laing mga kombinasyon: [V (kV), L (cm)]. I-adjust ang pag-agos sa tubig aron makakuha og lig-on nga Taylor cone sa usa ka piho nga set [V, L]. Alang sa katuyoan niini nga pagtuon, ang diametro sa aperture sa counter electrode (D) gipadayon sa 0.5 ka pulgada (1.29 cm).
Tungod sa limitado nga geometry ug asymmetry, ang kusog sa electric field dili makalkulo gikan sa unang mga prinsipyo. Hinuon, ang QuickField™ software (Svendborg, Denmark)19 gigamit aron makalkulo ang electric field. Ang electric field dili parehas, busa ang bili sa electric field sa tumoy sa capillary gigamit isip reference value alang sa lain-laing mga configuration.
Atol sa pagtuon, daghang kombinasyon sa boltahe ug distansya tali sa dagom ug sa counter electrode ang gisusi sa mga termino sa Taylor cone formation, Taylor cone stability, EWNS production stability, ug reproducibility. Nagkalain-laing kombinasyon ang gipakita sa Supplementary Table S1.
Ang output sa EWNS generation system direktang konektado sa usa ka Scanning Mobility Particle Size Analyzer (SMPS, Model 3936, TSI, Shoreview, MN) para sa pagsukod sa konsentrasyon sa gidaghanon sa partikulo, ingon man sa usa ka Aerosol Faraday Electrometer (TSI, Model 3068B, Shoreview, MN). ) para sa aerosol currents gisukod sama sa gihulagway sa among miaging publikasyon. Ang SMPS ug ang aerosol electrometer parehong gisample sa flow rate nga 0.5 L/min (total sample flow 1 L/min). Ang gidaghanon sa konsentrasyon sa mga partikulo ug ang aerosol flow gisukod sulod sa 120 segundos. Ang pagsukod gisubli sa 30 ka beses. Base sa mga sukod sa karon, ang total aerosol charge gikalkulo ug ang average nga EWNS charge gibanabana alang sa usa ka gihatag nga total nga gidaghanon sa pinili nga mga partikulo sa EWNS. Ang average nga gasto sa EWNS mahimong makalkulo gamit ang Equation (1):
diin ang IEl mao ang gisukod nga kuryente, ang NSMPS mao ang digital nga konsentrasyon nga gisukod gamit ang SMPS, ug ang φEl mao ang flow rate kada electrometer.
Tungod kay ang relative humidity (RH) makaapekto sa surface charge, ang temperatura ug (RH) gipabilin nga makanunayon atol sa eksperimento sa 21°C ug 45%, matag usa.
Gigamit ang atomic force microscopy (AFM), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Santa Barbara, CA) ug AC260T probe (Olympus, Tokyo, Japan) aron masukod ang gidak-on ug gidugayon sa kinabuhi sa EWNS. Ang AFM scanning frequency kay 1 Hz, ang scanning area kay 5 μm × 5 μm, ug 256 scan lines. Ang tanang mga imahe gipailalom sa 1st order image alignment gamit ang Asylum software (mask range 100 nm, threshold 100 pm).
Gitangtang ang test funnel ug ang nawong sa mica gibutang sa gilay-on nga 2.0 cm gikan sa counter electrode sulod sa aberids nga oras nga 120 s aron malikayan ang pagtipun-og sa partikulo ug pagporma sa dili regular nga mga tinulo sa ibabaw sa mica. Ang EWNS gi-spray direkta sa ibabaw sa bag-ong giputol nga mica (Ted Pella, Redding, CA). Hulagway sa nawong sa mica dayon human sa AFM sputtering. Ang anggulo sa kontak sa nawong sa bag-ong giputol nga wala mausab nga mica hapit sa 0°, mao nga ang EVNS giapod-apod sa ibabaw sa mica sa porma sa usa ka simboryo. Ang diametro (a) ug gitas-on (h) sa nagsabwag nga mga tinulo gisukod direkta gikan sa topograpiya sa AFM ug gigamit sa pagkalkulo sa EWNS domed diffusion volume gamit ang among kaniadto nga gi-validate nga pamaagi. Kung ang onboard EWNS adunay parehas nga volume, ang katumbas nga diametro mahimong makalkulo gamit ang Equation (2):
Base sa among naugmad nga pamaagi kaniadto, usa ka electron spin resonance (ESR) spin trap ang gigamit aron mahibal-an ang presensya sa mga short-lived radical intermediates sa EWNS. Ang mga aerosol gipabubble pinaagi sa usa ka 650 μm Midget sparger (Ace Glass, Vineland, NJ) nga adunay sulod nga 235 mM nga solusyon sa DEPMPO(5-(diethoxyphosphoryl)-5-methyl-1-pyrroline-N-oxide) (Oxis International Inc.). Portland, Oregon). Ang tanan nga pagsukod sa ESR gihimo gamit ang Bruker EMX spectrometer (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) ug usa ka flat panel cell. Ang Acquisit software (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) gigamit sa pagkolekta ug pag-analisa sa datos. Ang pagtino sa mga kinaiya sa ROS gihimo lamang alang sa usa ka hugpong sa mga kondisyon sa operasyon [-6.5 kV, 4.0 cm]. Ang mga konsentrasyon sa EWNS gisukod gamit ang SMPS human sa pag-ihap sa mga pagkawala sa EWNS sa impactor.
Ang lebel sa ozone gimonitor gamit ang 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Boulder, Co)8,9,10.
Para sa tanang EWNS properties, ang mean value gigamit isip measurement value, ug ang standard deviation gigamit isip measurement error. Gihimo ang mga T-test aron itandi ang mga value sa gi-optimize nga EWNS attributes sa katugbang nga mga value sa base EWNS.
Ang Figure 2c nagpakita sa usa ka kaniadto naugmad ug gihulagway nga electrostatic precipitation (EPES) nga "pull" system nga magamit alang sa target nga paghatud sa EWNS sa ibabaw. Ang EPES naggamit ug mga karga sa EVNS nga mahimong "giyahon" direkta sa ibabaw sa target ubos sa impluwensya sa usa ka kusog nga electric field. Ang mga detalye sa sistema sa EPES gipresentar sa usa ka bag-o nga publikasyon ni Pyrgiotakis et al. 11. Busa, ang EPES gilangkoban sa usa ka 3D printed PVC chamber nga adunay tapered ends ug adunay duha ka parallel stainless steel (304 stainless steel, mirror coated) metal plates sa sentro nga 15.24 cm ang gilay-on. Ang mga tabla konektado sa usa ka external high voltage source (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY), ang ubos nga plato kanunay konektado sa positibo nga boltahe, ug ang ibabaw nga plato kanunay konektado sa yuta (floating ground). Ang mga bungbong sa chamber gitabonan og aluminum foil, nga gi-ground sa kuryente aron malikayan ang pagkawala sa partikulo. Ang chamber adunay selyado nga front loading door nga nagtugot sa pagbutang sa mga test surface sa mga plastik nga stand nga nagpataas niini ibabaw sa ubos nga metal plate aron malikayan ang high voltage interference.
Ang deposition efficiency sa EWNS sa EPES gikalkulo sumala sa usa ka naunang naugmad nga protocol nga detalyado sa Supplementary Figure S111.
Isip usa ka control chamber, usa ka ikaduhang cylindrical flow chamber ang konektado nga sunod-sunod sa EPES system, diin gigamit ang usa ka intermediate HEPA filter aron makuha ang EWNS. Sama sa gipakita sa Figure 2c, ang EWNS aerosol gibomba agi sa duha ka built-in nga mga chamber. Ang filter tali sa control room ug EPES nagtangtang sa bisan unsang nahabilin nga EWNS nga moresulta sa parehas nga temperatura (T), relative humidity (RH) ug lebel sa ozone.
Nakaplagan nga ang mga importanteng mikroorganismo nga dala sa pagkaon makahugaw sa preskong mga pagkaon sama sa E. coli (ATCC #27325), fecal indicator, Salmonella enterica (ATCC #53647), foodborne pathogen, Listeria harmless (ATCC #33090), surrogate sa pathogenic Listeria monocytogenes, nga gikan sa ATCC (Manassas, VA) Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098), usa ka kapuli sa spoilage yeast, ug usa ka mas resistant inactivated bacterium, Mycobacterium paralucky (ATCC #19686).
Pagpalit og bisan unsang kahon sa organikong kamatis gikan sa imong lokal nga merkado ug ibutang sa refrigerator sa 4°C hangtod gamiton (hangtod sa 3 ka adlaw). Ang mga eksperimental nga kamatis parehas og gidak-on, mga 1/2 pulgada ang diametro.
Ang mga protocol sa culture, inoculation, exposure, ug colony count detalyado sa among miaging publikasyon ug detalyado sa Supplementary Data. Ang kaepektibo sa EWNS gisusi pinaagi sa pag-expose sa mga inoculated nga kamatis sa 40,000 #/cm3 sulod sa 45 minutos. Sa laktod nga pagkasulti, tulo ka kamatis ang gigamit aron masusi ang mga nabuhi nga microorganism sa oras nga t = 0 min. Tulo ka kamatis ang gibutang sa EPES ug gi-expose sa EWNS sa 40,000 #/cc (mga kamatis nga na-expose sa EWNS) ug ang nahabilin nga tulo gibutang sa control chamber (control tomatoes). Wala gihimo ang dugang nga pagproseso sa mga kamatis sa duha ka grupo. Ang mga kamatis nga na-expose sa EWNS ug mga kontrol nga kamatis gikuha pagkahuman sa 45 minutos aron masusi ang epekto sa EWNS.
Ang matag eksperimento gihimo sa tulo ka beses. Ang pag-analisar sa datos gihimo sumala sa protocol nga gihulagway sa Supplementary Data.
Ang mga mekanismo sa inactivation gisusi pinaagi sa sedimentation sa mga na-expose nga EWNS samples (45 min sa 40,000 #/cm3 nga konsentrasyon sa EWNS aerosol) ug mga non-irradiated samples sa dili makadaot nga bacteria nga E. coli, Salmonella enterica ug Lactobacillus. Ang mga partikulo gi-fix sa 2.5% glutaraldehyde, 1.25% paraformaldehyde ug 0.03% picric acid sa 0.1 M sodium cacodylate buffer (pH 7.4) sulod sa 2 ka oras sa temperatura sa kwarto. Human sa paghugas, i-post-fix gamit ang 1% osmium tetroxide (OsO4)/1.5% potassium ferrocyanide (KFeCN6) sulod sa 2 ka oras, hugasi og 3 ka beses sa tubig ug i-incubate sa 1% uranyl acetate sulod sa 1 ka oras, dayon hugasi og kaduha sa tubig, dayon i-dehydrate sulod sa 10 ka minuto sa 50%, 70%, 90%, 100% nga alkohol. Ang mga sample gibutang dayon sa propylene oxide sulod sa 1 ka oras ug gihumol sa 1:1 nga sagol nga propylene oxide ug TAAP Epon (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA). Ang mga sample gisulod sa TAAB Epon ug gi-polymerize sa 60°C sulod sa 48 ka oras. Ang naayo nga granular resin giputol ug gi-visualize pinaagi sa TEM gamit ang conventional transmission electron microscope nga JEOL 1200EX (JEOL, Tokyo, Japan) nga adunay AMT 2k CCD camera (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, Massachusetts, USA).
Ang tanang eksperimento gihimo sa triplicate. Alang sa matag time point, ang bacterial wash gipugas sa triplicate, nga miresulta sa kinatibuk-an nga siyam ka data points matag punto, ang aberids niini gigamit isip bacterial concentration para sa maong partikular nga microorganism. Ang standard deviation gigamit isip measurement error. Ang tanang puntos maihap.
Ang logaritmo sa pagkunhod sa konsentrasyon sa bakterya kon itandi sa t = 0 min gikalkulo gamit ang mosunod nga pormula:
diin ang C0 mao ang konsentrasyon sa bakterya sa control sample sa oras nga 0 (ie human mamala ang nawong apan sa wala pa ibutang sa chamber) ug ang Cn mao ang konsentrasyon sa bakterya sa nawong human sa n ka minuto nga pagkaladlad.
Aron makonsiderar ang natural nga pagkadaot sa bakterya atol sa 45 minutos nga pagkaladlad, ang log reduction kon itandi sa kontrol human sa 45 minutos gikalkulo usab sama sa mosunod:
diin ang Cn mao ang konsentrasyon sa bakterya sa control sample sa oras n ug ang Cn-Control mao ang konsentrasyon sa control bacteria sa oras n. Ang datos gipresentar isip log reduction kon itandi sa kontrol (walay EWNS exposure).
Atol sa pagtuon, daghang kombinasyon sa boltahe ug distansya tali sa dagom ug sa counter electrode ang gisusi sa mga termino sa Taylor cone formation, Taylor cone stability, EWNS production stability, ug reproducibility. Gipakita ang lain-laing mga kombinasyon sa Supplementary Table S1. Duha ka kaso nga nagpakita sa stable ug reproducible properties (Taylor cone, EWNS generation, ug stability over time) ang gipili alang sa komprehensibo nga pagtuon. Sa fig., gipakita sa Figure 3 ang mga resulta para sa charge, size, ug content sa ROS sa duha ka kaso. Gipakita usab ang mga resulta sa Table 1. Para sa reperensya, ang Figure 3 ug Table 1 naglakip sa mga kabtangan sa kaniadto gi-synthesize nga non-optimized EWNS8, 9, 10, 11 (baseline-EWNS). Ang mga kalkulasyon sa statistical significance gamit ang two-tailed t-test gi-republish sa Supplementary Table S2. Dugang pa, ang dugang nga datos naglakip sa mga pagtuon sa epekto sa counter electrode sampling hole diameter (D) ug distansya tali sa ground electrode ug tip (L) (Supplementary Figures S2 ug S3).
(ac) Distribusyon sa gidak-on nga gisukod sa AFM. (df) Kinaiya sa karga sa nawong. (g) Kinaiya sa ROS sa EPR.
Importante usab nga matikdan nga alang sa tanan nga mga kondisyon sa ibabaw, ang nasukod nga ionization current naa sa taliwala sa 2 ug 6 μA ug boltahe tali sa -3.8 ug -6.5 kV, nga miresulta sa konsumo sa kuryente nga wala pay 50 mW alang niining single EWNS generation contact module. Bisan tuod ang EWNS gi-synthesize ubos sa taas nga presyur, ang lebel sa ozone ubos kaayo, nga wala molapas sa 60 ppb.
Ang Supplementary Figure S4 nagpakita sa simulated electric fields para sa [-6.5 kV, 4.0 cm] ug [-3.8 kV, 0.5 cm] nga mga senaryo, matag usa. Para sa [-6.5 kV, 4.0 cm] ug [-3.8 kV, 0.5 cm] nga mga senaryo, ang mga kalkulasyon sa field kay 2 × 105 V/m ug 4.7 × 105 V/m, matag usa. Kini gilauman, tungod kay sa ikaduhang kaso ang voltage-distance ratio mas taas.
Sa fig. 3a, b, gipakita ang diametro sa EWNS nga gisukod gamit ang AFM8. Ang gikalkulo nga aberids nga diametro sa EWNS kay 27 nm ug 19 nm para sa [-6.5 kV, 4.0 cm] ug [-3.8 kV, 0.5 cm] nga mga laraw, matag usa. Para sa [-6.5 kV, 4.0 cm] ug [-3.8 kV, 0.5 cm] nga mga senaryo, ang geometric standard deviations sa mga distribusyon kay 1.41 ug 1.45, matag usa, nga nagpakita sa usa ka pig-ot nga distribusyon sa gidak-on. Ang mean size ug ang geometric standard deviation parehong duol kaayo sa baseline EWNS, sa 25 nm ug 1.41, matag usa. Sa fig. 3c, gipakita ang distribusyon sa gidak-on sa base EWNS nga gisukod gamit ang parehas nga pamaagi ubos sa parehas nga mga kondisyon.
Sa fig. 3d, ang e nagpakita sa mga resulta sa charge characterization. Ang datos kay aberids nga mga sukod sa 30 ka dungan nga sukod sa konsentrasyon (#/cm3) ug kuryente (I). Ang pag-analisar nagpakita nga ang aberids nga charge sa EWNS kay 22 ± 6 e- ug 44 ± 6 e- para sa [-6.5 kV, 4.0 cm] ug [-3.8 kV, 0.5 cm], matag usa. Mas taas ang ilang surface charges kon itandi sa baseline EWNS (10 ± 2 e-), duha ka pilo nga mas dako kay sa [-6.5 kV, 4.0 cm] nga senaryo ug upat ka pilo nga mas dako kay sa [-3 .8 kV, 0.5 cm]. Ang Figure 3f nagpakita sa charge data para sa Baseline-EWNS.
Gikan sa mga mapa sa konsentrasyon sa numero sa EWNS (Mga Supplementary Figures S5 ug S6), makita nga ang senaryo nga [-6.5 kV, 4.0 cm] adunay mas daghang partikulo kaysa sa senaryo nga [-3.8 kV, 0.5 cm]. Angayan usab nga matikdan nga ang konsentrasyon sa numero sa EWNS gimonitor hangtod sa 4 ka oras (Mga Supplementary Figures S5 ug S6), diin ang kalig-on sa henerasyon sa EWNS nagpakita sa parehas nga lebel sa konsentrasyon sa numero sa partikulo sa duha ka kaso.
Sa fig. 3g, gipakita ang EPR spectrum human sa pagkuha sa gi-optimize nga EWNS control (background) sa [-6.5 kV, 4.0 cm]. Ang ROS spectra gitandi usab sa Baseline-EWNS scenario sa usa ka napublikar nga trabaho kaniadto. Ang gidaghanon sa EWNS nga mi-react gamit ang spin traps gikalkulo nga 7.5 × 104 EWNS/s, nga susama sa napublikar nga Baseline-EWNS8 kaniadto. Ang EPR spectra klaro nga nagpakita sa presensya sa duha ka klase sa ROS, diin ang O2- mao ang dominanteng espisye ug ang OH• dili kaayo daghan. Dugang pa, ang direktang pagtandi sa peak intensities nagpakita nga ang gi-optimize nga EWNS adunay mas taas nga ROS content kon itandi sa baseline EWNS.
Sa fig. 4, gipakita ang deposition efficiency sa EWNS sa EPES. Ang datos gisumada usab sa Table I ug gitandi sa orihinal nga datos sa EWNS. Alang sa duha ka kaso sa EUNS, ang deposition hapit sa 100% bisan sa ubos nga boltahe nga 3.0 kV. Kasagaran, ang 3.0 kV igo na alang sa 100% nga deposition, bisan unsa pa ang pagbag-o sa surface charge. Ubos sa parehas nga mga kondisyon, ang deposition efficiency sa Baseline-EWNS 56% lamang tungod sa ilang mas ubos nga charge (aberids nga 10 ka electron matag EWNS).
Sa fig. 5 ug sa talaan 2, gisumada ang inactivation value sa mga mikroorganismo nga gi-inoculate sa ibabaw sa mga kamatis human sa exposure sa mga 40,000 #/cm3 EWNS sulod sa 45 minutos sa optimum mode [-6.5 kV, 4.0 cm]. Ang gi-inoculate nga E. coli ug Lactobacillus innocuous nagpakita og dakong pagkunhod nga 3.8 logs sulod sa 45 minutos nga exposure. Ubos sa samang mga kondisyon, ang S. enterica adunay 2.2-log nga pagkunhod, samtang ang S. cerevisiae ug M. parafortutum adunay 1.0-log nga pagkunhod.
Ang mga electron micrograph (Figure 6) naghulagway sa pisikal nga mga pagbag-o nga gipahinabo sa EWNS sa dili makadaot nga mga selula sa Escherichia coli, Streptococcus, ug Lactobacillus nga misangpot sa ilang pagka-inactivate. Ang control bacteria adunay intact cell membranes, samtang ang na-expose nga bacteria adunay nadaot nga outer membranes.
Ang electron microscopic imaging sa control ug naladlad nga bakterya nagbutyag sa kadaot sa membrane.
Ang datos sa mga kabtangan sa pisiko-kemikal sa gi-optimize nga EWNS nagpakita nga ang mga kabtangan (surface charge ug ROS content) sa EWNS miuswag pag-ayo kon itandi sa naunang gipatik nga baseline data sa EWNS8,9,10,11. Sa laing bahin, ang ilang gidak-on nagpabilin sa nanometer range, susama kaayo sa mga resulta nga gitaho kaniadto, nga nagtugot kanila nga magpabilin sa hangin sa dugay nga panahon. Ang naobserbahan nga polydispersity mahimong ipasabut pinaagi sa mga pagbag-o sa surface charge nga nagtino sa gidak-on sa EWNS, ang randomness sa Rayleigh effect, ug potensyal nga coalescence. Bisan pa, sama sa gidetalye ni Nielsen et al. 22, ang taas nga surface charge nagpamenos sa evaporation pinaagi sa epektibong pagdugang sa surface energy/tension sa water drop. Sa among miaging publikasyon8 kini nga teorya gikumpirma sa eksperimento alang sa mga microdroplets 22 ug EWNS. Ang pagkawala sa charge sa panahon sa overtime mahimo usab nga makaapekto sa gidak-on ug makatampo sa naobserbahan nga distribusyon sa gidak-on.