Salamat sa pagbisita sa Nature.com. Naggamit ka og bersyon sa browser nga limitado ang 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). Dugang pa, aron masiguro ang padayon nga suporta, among gipakita ang site nga walay mga style ug JavaScript.
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 dato 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. Ang pag-characterize sa mga kabtangan sa EWNS (charge, size, ug ROS content) gihimo gamit ang modernong analytical methods. Dugang pa, ang mga food microorganism sama sa Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocua, Mycobacterium para fortitum, ug Saccharomyces cerevisiae gi-inoculate sa ibabaw sa organic grape tomatoes aron masusi ang ilang microbial inactivation potential. Ang mga resulta nga gipresentar dinhi nagpakita nga ang mga kabtangan sa EWNS mahimong ma-fine-tune atol sa synthesis, nga moresulta sa usa ka exponential nga pagtaas sa inactivation efficiency. Ilabi na, ang surface charge misaka og upat ka pilo, ug ang ROS content misaka. Ang microbial removal rate kay microbially dependent ug gikan sa 1.0 ngadto sa 3.8 log human sa 45 minutos nga pagkaladlad sa aerosol dose nga 40,000 #/cm3 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. Ang sakit nga dala sa pagkaon hinungdan sa mga 76 milyon nga mga sakit, 325,000 nga pagpaospital, ug 5,000 nga kamatayon matag tuig sa Estados Unidos lamang1. 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 porsyento sa tanan nga mga sakit nga dala sa pagkaon nga gitaho sa Estados Unidos2. Ang gasto sa sakit ug kamatayon gikan 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 gipatuman labi na sa limitado nga mga critical control point (CCP) sa production chain (kasagaran pagkahuman sa pag-ani ug/o atol sa pagputos) imbes nga padayon nga ipatuman sa paagi nga ang presko nga mga produkto mahimong mataptan sa cross-contamination 7. Gikinahanglan ang mga antimicrobial nga interbensyon aron mas maayo nga makontrol ang mga sakit nga dala sa pagkaon ug pagkadaot sa pagkaon ug adunay potensyal nga magamit sa tibuuk nga farm-to-table continuum. Mas gamay nga epekto ug gasto.
Usa ka nanotechnology-based nga chemical-free antimicrobial platform ang bag-o lang naugmad aron ma-inactivate ang bacteria sa mga nawong ug sa hangin gamit ang artificial water nanostructures (EWNS). Alang sa synthesis sa EVNS, duha ka parallel nga proseso ang gigamit: electrospray ug water ionization (Fig. 1a). Ang EWNS kaniadto gipakita nga 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 nanometer 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 EWNS nagpabilin sa hangin sa dugay nga panahon ug mahimong mabangga sa mga mikrobyo nga nagbitay sa hangin ug anaa sa mga nawong, nga naghatud sa ilang ROS payload ug hinungdan sa microbial inactivation (Fig. 1d). Kining mga naunang pagtuon nagpakita usab nga ang EWNS mahimong makig-uban ug makapa-inactivate sa nagkalain-laing gram-negative ug gram-positive nga bakterya nga importante sa panglawas sa publiko, lakip ang mycobacteria, sa mga nawong ug sa hangin8,9. 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 panghubag8.
(a) Ang electrospray mahitabo kon ang taas nga boltahe ipadapat tali sa usa ka likido nga adunay capillary ug usa ka counter electrode. (b) Ang pagpadapat sa taas nga boltahe moresulta sa duha ka lainlaing panghitabo: (i) electrospraying sa tubig ug (ii) pagmugna og reactive oxygen species (ions) nga natanggong sa EWNS. (c) Ang talagsaon nga istruktura sa EWNS. (d) Ang mga EWNS dali nga molihok tungod sa ilang nanoscale nga kinaiya 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 microorganisms sa ibabaw sa preskong pagkaon. Gipakita usab nga ang EWNS surface charge magamit inubanan sa electric field para sa targeted delivery. Mas importante, usa ka maayong inisyal nga resulta sa gibana-bana nga 1.4 log nga pagkunhod sa organic tomato activity batok sa lain-laing food microorganisms sama sa E. coli ug Listeria ang naobserbahan sulod sa 90 minutos human sa pagkaladlad sa EWNS sa konsentrasyon nga gibana-bana nga 50,000#/cm311. Dugang pa, ang pasiunang organoleptic evaluation tests wala magpakita og organoleptic effect kon itandi sa control tomato. Bisan tuod kining inisyal nga mga resulta sa inactivation nagsaad og 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 ma-fine tune ang mga parameter sa synthesis ug ma-optimize ang mga physicochemical nga kabtangan 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). Pag-characterize sa na-optimize nga physico-chemical nga kabtangan (gidak-on, charge ug ROS content) gamit ang modernong analytical nga mga pamaagi ug paggamit sa komon nga mga mikroorganismo sa pagkaon sama sa E. coli, S. enterica, L. innocua, S. cerevisiae ug M. parafortuitum.
Ang EVNS gi-synthesize pinaagi sa dungan nga electrospraying ug ionization sa taas nga kaputli nga tubig (18 MΩ cm–1). Ang electric atomizer 12 kasagarang gigamit sa pag-atomic sa mga likido ug sintetikong polymer ug ceramic particles 13 ug mga fiber 14 nga adunay kontroladong 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 tali sa usa ka metal capillary ug usa ka grounded counter electrode. Atol niini nga proseso, duha ka lain-laing panghitabo ang mahitabo: 1) electrospray ug 2) ionization sa tubig. Ang usa ka kusog nga electric field tali 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, sumala sa Rayleigh theory16. Sa parehas nga oras, ang usa ka kusog nga electric field hinungdan sa pipila ka mga molekula sa tubig nga mabahin ug matangtang ang mga electron (ionization), sa ingon makamugna og daghang gidaghanon sa reactive oxygen species (ROS)17. Ang dungan nga namugna nga mga ROS18 packet 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). Sama sa gipakita sa Figure 2b, ang pag-agos sa tubig gikontrol sa presyur sa hangin sulod sa botelya. Ang dagom gilakip sa usa ka Teflon console nga 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). Ang tanan nga mga sangkap sa sampler gi-ground sa kuryente aron malikayan ang pagtipon sa charge nga mahimong makadaot sa particle sampling.
(a) Engineered Water Nanostructure Generation System (EWNS). (b) Cross section sa sampler ug electrospray unit 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. Ang mga simbolo [V (kV), L (cm)] gigamit aron ipakita ang lainlaing mga kombinasyon. 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 aperture sa counter electrode (D) gibutang sa 0.5 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 Sizer (SMPS, model 3936, TSI, Shoreview, Minnesota) aron masukod ang konsentrasyon sa gidaghanon sa partikulo ug gigamit uban sa usa ka Faraday aerosol electrometer (TSI, model 3068B, Shoreview, USA). MN) aron masukod ang mga agos sa aerosol, sama sa gihulagway sa among miaging publikasyon9. Ang SMPS ug ang aerosol electrometer parehong gisample sa flow rate nga 0.5 L/min (kinatibuk-ang agos sa sample 1 L/min). Ang mga konsentrasyon sa partikulo ug mga aerosol flux gisukod sulod sa 120 segundos. Balika ang pagsukod sa 30 ka beses. Ang kinatibuk-ang karga sa aerosol gikalkulo gikan sa kasamtangang mga sukod, ug ang aberids nga karga sa EWNS gibanabana gikan sa kinatibuk-ang gidaghanon sa mga partikulo sa EWNS nga gisample. Ang aberids nga gasto sa EWNS mahimong makalkulo gamit ang Equation (1):
diin ang IEl mao ang nasukod nga kuryente, ang NSMPS mao ang gidaghanon sa konsentrasyon nga nasukod gamit ang SMPS, ug ang φEl mao ang gikusgon sa pag-agos padulong sa electrometer.
Tungod kay ang relatibong humidity (RH) makaapekto sa surface charge, ang temperatura ug (RH) gipabilin nga makanunayon sa 21°C ug 45%, matag usa, atol sa eksperimento.
Ang atomic force microscopy (AFM), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Santa Barbara, CA) ug AC260T probe (Olympus, Tokyo, Japan) gigamit sa pagsukod sa gidak-on ug kinabuhi sa EWNS. Ang AFM scan rate kay 1 Hz ug ang scan area kay 5 µm×5 µm nga adunay 256 ka scan lines. Ang tanang mga imahe gipailalom sa first order image alignment gamit ang Asylum software (mask nga adunay range nga 100 nm ug threshold nga 100 pm).
Kuhaa ang sampling funnel ug ibutang ang nawong sa mica sa gilay-on nga 2.0 cm gikan sa counter electrode sulod sa aberids nga oras nga 120 s aron malikayan ang paghiusa sa mga partikulo ug pagporma sa dili regular nga mga tinulo sa ibabaw sa mica. Ang EWNS gigamit direkta sa bag-ong giputol nga mga nawong sa mica (Ted Pella, Redding, CA). Diha-diha dayon human sa sputtering, ang nawong sa mica gi-visualize gamit ang AFM. Ang anggulo sa pagkontak sa nawong sa bag-ong giputol nga wala mausab nga mica hapit sa 0°, mao nga ang EWNS mikaylap sa ibabaw sa mica sa usa ka domed nga porma20. Ang diametro (a) ug gitas-on (h) sa nagdiffusing nga mga tinulo gisukod direkta gikan sa topograpiya sa AFM ug gigamit sa pagkalkulo sa domed diffusion volume sa EWNS gamit ang among kaniadto gi-validate nga pamaagi8. Sa pag-ingon nga ang onboard EVNS adunay parehas nga volume, ang katumbas nga diametro mahimong makalkulo gikan sa equation (2):
Subay 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 gipaagi sa usa ka solusyon nga adunay 235 mM DEPMPO (5-(diethoxyphosphoryl)-5-methyl-1-pyrroline-N-oxide) (Oxis International Inc., Portland, Oregon). Ang tanan nga mga pagsukod sa EPR gihimo gamit ang Bruker EMX spectrometer (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) ug flat cell arrays. Ang Acquisit software (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) gigamit sa pagkolekta ug pag-analisar sa datos. Ang ROS characterization 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 gikonsiderar ang 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 measurement value mao ang mean sa mga measurements, ug ang measurement error mao ang standard deviation. Usa ka t-test ang gihimo aron itandi ang value sa optimized EWNS attribute sa katugbang nga value sa base EWNS.
Ang Figure 2c nagpakita sa usa ka kaniadto naugmad ug gihulagway nga Electrostatic Precipitation Pass Through System (EPES) nga magamit sa pag-target sa EWNS11 sa mga nawong. Ang EPES naggamit ug EWNS charge inubanan sa usa ka kusog nga electric field aron "itudlo" direkta sa nawong sa target. 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 nga adunay duha ka parallel stainless steel (304 stainless steel, mirror polished) metal plates sa tunga nga 15.24 cm ang gilay-on. Ang mga board konektado sa usa ka external high voltage source (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY), ang ubos nga board kanunay nga positibo ug ang ibabaw nga board kanunay nga grounded (naglutaw). Ang mga dingding sa chamber gitabonan ug aluminum foil, nga electrically grounded aron malikayan ang pagkawala sa particle. Ang chamber adunay sealed front loading door nga nagtugot sa mga test surface nga ibutang sa mga plastic rack, nga gialsa kini gikan 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, ang ikaduhang agos agi sa cylindrical chamber konektado nga sunod-sunod sa EPES system gamit ang intermediate HEPA filter aron makuha ang EWNS. Sama sa gipakita sa fig. 2c, ang EWNS aerosol gibomba agi sa duha ka chamber nga konektado nga sunod-sunod. 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 produkto sama sa Escherichia coli (ATCC #27325), usa ka fecal indicator, Salmonella enterica (ATCC #53647), usa ka foodborne pathogen, Listeria innocua (ATCC #33090), usa ka alternatibo sa pathogenic nga Listeria monocytogenes., Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098) isip alternatibo sa spoilage yeast, ug Mycobacterium parafortuitous (ATCC #19686) isip mas resistant nga live bacteria ang gipalit gikan sa ATCC (Manassas, Virginia).
Pagpalit og mga kahon sa organikong kamatis gikan sa inyong lokal nga merkado ug ibutang sa refrigerator sa 4°C hangtod magamit (hangtod sa 3 ka adlaw). Pagpili og mga kamatis nga sulayan og usa ka gidak-on, mga 1/2 pulgada ang diyametro.
Ang mga protocol para sa incubation, inoculation, exposure ug colony counting detalyado na sa among mga naunang publikasyon ug detalyado nga gipasabot sa Supplementary Data 11. Ang performance sa EWNS gi-evaluate pinaagi sa pag-expose sa mga inoculated nga kamatis sa 40,000 #/cm3 sulod sa 45 minutos. Sa laktod nga pagkasulti, sa oras nga t = 0 min, tulo ka kamatis ang gigamit aron masusi ang mga nabilin nga microorganism. Tulo ka kamatis ang gibutang sa EPES ug gi-expose sa EWNS sa 40,000 #/cc (mga kamatis nga na-expose sa EWNS) ug tulo pa ang gibutang sa control chamber (control tomatoes). Walay usa sa mga grupo sa kamatis ang gipailalom sa dugang nga pagproseso. Ang mga kamatis ug kontrol nga na-expose sa EWNS gikuha human 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 sample sa bakterya nga E. coli, Enterobacter, ug L. innocua nga gi-expose sa EWNS (45 min, EWNS aerosol concentration 40,000 #/cm3) ug wala gi-expose gi-pellet aron masusi ang mga mekanismo sa inactivation. Ang precipitate gi-fix sulod sa 2 ka oras sa temperatura sa kwarto sa 0.1 M sodium cacodylate solution (pH 7.4) nga adunay fixative nga 2.5% glutaraldehyde, 1.25% paraformaldehyde ug 0.03% picric acid. Human sa paghugas, kini gi-fix gamit ang 1% osmium tetroxide (OsO4)/1.5% potassium ferrocyanide (KFeCN6) sulod sa 2 ka oras, gihugasan og 3 ka beses sa tubig ug gi-incubate sa 1% uranyl acetate sulod sa 1 ka oras, dayon gihugasan og kaduha sa tubig. Sunod nga dehydration sulod sa 10 ka minuto matag usa 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 JEOL 1200EX (JEOL, Tokyo, Japan), usa ka conventional transmission electron microscope nga adunay AMT 2k CCD camera (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, MA, USA).
Ang tanang eksperimento gihimo sa triplicate. Alang sa matag time point, ang bacterial wash gi-plate 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 organismo. 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 sulod sa 45 minutos nga panahon sa pagkaladlad, ang Log-Reduction gikalkulo usab kon itandi sa kontrol sa 45 minutos 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. Lain-laing kombinasyon ang gipakita sa Supplementary Table S1. Duha ka kaso ang gipili alang sa usa ka kompleto nga pagtuon nga nagpakita sa stable ug reproducible properties (Taylor cone, EWNS production, ug stability sa paglabay sa panahon). Sa fig. 3 gipakita ang mga resulta sa charge, size ug content sa ROS para sa duha ka kaso. Ang mga resulta gisumada usab 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 gimantala pag-usab sa Supplementary Table S2. Dugang pa, ang dugang nga datos naglakip sa mga pagtuon sa epekto sa counter electrode sampling hole diameter (D) ug ang distansya tali sa ground electrode ug sa tumoy sa dagom (L) (Supplementary Figures S2 ug S3).
(a–c) Distribusyon sa gidak-on sa AFM. (d – f) Kinaiya sa karga sa nawong. (g) Pag-ila sa ROS ug ESR.
Importante usab nga matikdan nga alang sa tanan nga mga kondisyon sa ibabaw, ang nasukod nga mga ionization current naa sa range nga 2-6 µA, ug ang mga boltahe naa sa range nga -3.8 hangtod -6.5 kV, nga miresulta sa konsumo sa kuryente alang niining single-terminal EWNS nga ubos sa 50 mW. . generation module. Bisan tuod ang EWNS gi-synthesize ubos sa taas nga pressure, ang lebel sa ozone ubos kaayo, nga dili 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. Ang mga field sumala sa mga senaryo nga [-6.5 kV, 4.0 cm] ug [-3.8 kV, 0.5 cm] gikalkulo isip 2 × 105 V/m ug 4.7 × 105 V/m, matag usa. Kini gilauman, tungod kay ang ratio sa boltahe ngadto sa distansya mas taas sa ikaduhang kaso.
Sa fig. 3a, b, gipakita ang diametro sa EWNS nga gisukod gamit ang AFM8. Ang aberids nga diametro sa EWNS para sa mga senaryo nga [-6.5 kV, 4.0 cm] ug [-3.8 kV, 0.5 cm] gikalkulo nga 27 nm ug 19 nm, matag usa. Ang geometric standard deviations sa mga distribusyon para sa mga kaso nga [-6.5 kV, 4.0 cm] ug [-3.8 kV, 0.5 cm] kay 1.41 ug 1.45, matag usa, nga nagpakita sa usa ka pig-ot nga distribusyon sa gidak-on. Ang mean size ug geometric standard deviation parehong duol kaayo sa baseline-EWNS, nga 25 nm ug 1.41, matag usa. Sa fig. 3c, gipakita ang distribusyon sa gidak-on sa baseline 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 pagtuki 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. Kon itandi sa Baseline-EWNS (10 ± 2 e-), ang ilang surface charge mas taas, doble sa senaryo nga [-6.5 kV, 4.0 cm] ug upat ka pilo sa senaryo nga [-3 .8 kV, 0.5 cm]. Ang 3f nagpakita sa batakang datos sa pagbayad sa EWNS.
Gikan sa mga mapa sa konsentrasyon sa numero sa EWNS (Mga Supplementary Figures S5 ug S6), makita nga ang [-6.5 kV, 4.0 cm] nga eksena adunay mas taas nga gidaghanon sa mga partikulo kaysa sa [-3.8 kV, 0.5 cm] nga eksena. Kinahanglan usab nga matikdan nga ang mga 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.
Ang Figure 3g nagpakita sa EPR spectrum human sa control (background) subtraction para sa optimized EWNS sa [-6.5 kV, 4.0 cm]. Ang ROS spectrum gitandi usab sa EWNS baseline sa usa ka napublikar nga papel kaniadto. Ang gikalkulo nga gidaghanon sa EWNS nga mi-react sa spin trap kay 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- midominar, samtang ang OH• anaa sa mas gamay nga kantidad. Dugang pa, ang direktang pagtandi sa peak intensities nagpakita nga ang na-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 aron makab-ot ang 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 mas ubos nga charge (aberids nga 10 ka electron matag EWNS).
Ang Figure 5 ug Table 2 nagsumaryo sa ang-ang sa pagka-inactivate sa mga mikroorganismo nga gi-inoculate sa ibabaw sa mga kamatis human sa exposure sa gibana-bana nga 40,000 #/cm3 EWNS sulod sa 45 minutos ubos sa optimal scenario [-6.5 kV, 4.0 cm]. Ang gi-inoculate nga E. coli ug L. innocua nagpakita og dakong pagkunhod nga 3.8 log human sa 45 minutos nga exposure. Ubos sa samang mga kondisyon, ang S. enterica nagpakita og mas ubos nga log reduction nga 2.2 logs, samtang ang S. cerevisiae ug M. parafortuitum nagpakita og 1.0 log reduction.
Mga electron micrograph (Figure 6) nga nagpakita sa pisikal nga mga pagbag-o nga gipahinabo sa EWNS sa mga selula sa E. coli, Salmonella enterica, ug L. innocua nga misangpot sa pagka-inactivation. Ang mga kontrol nga bakterya nagpakita og wala madaot nga mga lamad sa selula, samtang ang nabutyag nga bakterya adunay nadaot nga mga gawas nga lamad.
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 sa EWNS (surface charge ug ROS content) 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, nga susama kaayo sa naunang gipatik nga mga resulta, 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 Rayleigh effect, randomness, ug potensyal nga paghiusa sa EWNS. 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. Kini nga teorya gikumpirma sa eksperimento alang sa mga microdroplets22 ug EWNS sa among miaging publikasyon8. Ang pagkawala sa overtime mahimo usab nga makaapekto sa gidak-on ug makatampo sa naobserbahan nga distribusyon sa gidak-on.
Dugang pa, ang karga kada istruktura kay mga 22–44 e-, depende sa mga sirkumstansya, nga mas taas kon itandi sa batakang EWNS, nga adunay aberids nga karga nga 10 ± 2 ka electron kada istruktura. Bisan pa, angayng matikdan nga kini ang aberids nga karga sa EWNS. Seto et al. Gipakita nga ang karga dili parehas ug nagsunod sa log-normal distribution21. Kon itandi sa among miaging trabaho, ang pagdoble sa surface charge nagdoble sa deposition efficiency sa EPES system ngadto sa halos 100%11.