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Recentemente, hè stata sviluppata una piattaforma antimicrobica senza chimichi basata nantu à a nanotecnologia chì utilizza nanostrutture d'acqua artificiali (EWNS). L'EWNS anu una carica superficiale elevata è sò ricchi di specie reattive di l'ossigenu (ROS) chì ponu interagisce cù è inattivà un numeru di microrganismi, cumpresi i patogeni di origine alimentaria. Quì si mostra chì e so proprietà durante a sintesi ponu esse affinate è ottimizzate per migliurà ulteriormente u so putenziale antibattericu. A piattaforma di laburatoriu EWNS hè stata cuncipita per affinà e proprietà di l'EWNS cambiendu i parametri di sintesi. A caratterizazione di e proprietà di l'EWNS (carica, dimensione è cuntenutu di ROS) hè stata realizata utilizendu metudi analitici muderni. Inoltre, i microrganismi alimentari cum'è Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocua, Mycobacterium para fortitum è Saccharomyces cerevisiae sò stati inoculati nantu à a superficia di pumati d'uva biologichi per valutà u so putenziale di inattivazione microbica. I risultati presentati quì dimustranu chì e proprietà di l'EWNS ponu esse affinate durante a sintesi, risultendu in un aumentu esponenziale di l'efficienza di inattivazione. In particulare, a carica superficiale hè aumentata di un fattore di quattru, è u cuntenutu di ROS hè aumentatu. A velocità di rimozione microbica era dipendente da i microbi è variava da 1,0 à 3,8 log dopu à 45 minuti di esposizione à una dosa di aerosol di 40.000 #/cm3 EWNS.
A contaminazione microbica hè a causa principale di e malatie di origine alimentaria causate da l'ingestione di agenti patogeni o di e so tossine. E malatie di origine alimentaria sò causa di circa 76 milioni di malatie, 325 000 uspitalizzazioni è 5 000 morti ogni annu solu in i Stati Uniti1. Inoltre, u Dipartimentu di l'Agricultura di i Stati Uniti (USDA) stima chì l'aumentu di u cunsumu di prudutti freschi hè rispunsevule di u 48% di tutte e malatie di origine alimentaria segnalate in i Stati Uniti2. U costu di e malatie è di e morti per via di agenti patogeni di origine alimentaria in i Stati Uniti hè assai altu, stimatu da i Centri per u Controlu è a Prevenzione di e Malatie (CDC) à più di 15,6 miliardi di dollari americani à l'annu3.
Attualmente, l'intervenzioni antimicrobiche chimiche4, radiative5 è termiche6 per assicurà a sicurezza alimentaria sò principalmente implementate in punti critici di cuntrollu (CCP) limitati in a catena di pruduzzione (di solitu dopu a racolta è/o durante l'imballaggio) piuttostu chè implementate continuamente in modu tale chì i prudutti freschi sò sottumessi à contaminazione incrociata7. L'intervenzioni antimicrobiche sò necessarie per cuntrullà megliu e malatie di origine alimentaria è u deterioramentu di l'alimentu è anu u putenziale per esse applicate in tuttu u continuum da a splutazione à a tavola. Menu impattu è costu.
Una piattaforma antimicrobica senza chimichi basata nantu à a nanotecnologia hè stata recentemente sviluppata per inattivà i batteri nantu à e superfici è in l'aria utilizendu nanostrutture d'acqua artificiale (EWNS). Per a sintesi di EVNS, sò stati utilizati dui prucessi paralleli: elettrospray è ionizazione di l'acqua (Fig. 1a). Hè statu dimustratu prima chì l'EWNS anu un inseme unicu di proprietà fisiche è biologiche8,9,10. L'EWNS hà una media di 10 elettroni per struttura è una dimensione media nanometrica di 25 nm (Fig. 1b,c)8,9,10. Inoltre, a risonanza di spin elettronicu (ESR) hà dimustratu chì l'EWNS cuntenenu una grande quantità di spezie reattive di l'ossigenu (ROS), principalmente radicali idrossilici (OH•) è superossidi (O2-) (Fig. 1c)8. L'EWNS sò rimasti in l'aria per un bellu pezzu è puderanu scontrà si cù i microbi sospesi in l'aria è presenti nantu à e superfici, furnendu u so carico utile ROS è causendu l'inattivazione microbica (Fig. 1d). Questi studii precedenti anu ancu dimustratu chì l'EWNS ponu interagisce cù è inattivà diversi batteri gram-negativi è gram-positivi d'impurtanza per a salute publica, cumpresi i micobatteri, nantu à e superfici è in l'aria8,9. A microscopia elettronica à trasmissione hà dimustratu chì l'inattivazione era causata da a disrupzione di a membrana cellulare. Inoltre, i studii d'inalazione acuta anu dimustratu chì dosi elevate di EWNS ùn causanu micca danni pulmonari o infiammazione8.
(a) L'elettrospray si verifica quandu una alta tensione hè applicata trà un capillare chì cuntene liquidu è un contraelettrodu. (b) L'applicazione di alta tensione provoca dui fenomeni diversi: (i) elettrospraying di l'acqua è (ii) generazione di spezie reattive di l'ossigenu (ioni) intrappulate in l'EWNS. (c) A struttura unica di l'EWNS. (d) L'EWNS sò assai mobili per via di a so natura nanoscala è ponu interagisce cù i patogeni presenti in l'aria.
A capacità di a piattaforma antimicrobica EWNS di inattivà i microorganismi alimentari nantu à a superficia di l'alimenti freschi hè stata ancu dimustrata pocu fà. Hè statu ancu dimustratu chì a carica superficiale EWNS pò esse aduprata in cumbinazione cù un campu elettricu per una consegna mirata. Ancu più impurtante, un risultatu iniziale promettente di riduzione di circa 1,4 log in l'attività di u pumadoru organicu contr'à diversi microorganismi alimentari cum'è E. coli è Listeria hè statu osservatu in 90 minuti da l'esposizione à EWNS à una cuncentrazione di circa 50.000#/cm311. Inoltre, i testi preliminari di valutazione organolettica ùn anu mostratu alcun effettu organoletticu paragunatu à u pumadoru di cuntrollu. Ancu s'è questi risultati iniziali di inattivazione promettenu a sicurezza alimentaria ancu à dosi assai basse di EWNS di 50.000#/cc. vede, hè chjaru chì un putenziale di inattivazione più altu seria più beneficu per riduce ulteriormente u risicu di infezione è deterioramentu.
Quì, fucalizeremu a nostra ricerca nantu à u sviluppu di una piattaforma di generazione EWNS per affinà i parametri di sintesi è ottimizà e proprietà fisico-chimiche di l'EWNS per migliurà u so putenziale antibattericu. In particulare, l'ottimizazione s'hè cuncentrata nantu à l'aumentu di a so carica superficiale (per migliurà a consegna mirata) è di u cuntenutu di ROS (per migliurà l'efficienza di inattivazione). Caratterizazione di proprietà fisico-chimiche ottimizzate (dimensione, carica è cuntenutu di ROS) utilizendu metudi analitici muderni è utilizendu microrganismi alimentari cumuni cum'è E. coli, S. enterica, L. innocua, S. cerevisiae è M. parafortuitum.
L'EVNS hè statu sintetizatu per elettrospruzzatura simultanea è ionizazione d'acqua d'alta purezza (18 MΩ cm–1). L'atomizzatore elettricu 12 hè tipicamente utilizatu per atomizà liquidi è particelle di polimeri sintetici è ceramiche 13 è fibre 14 di dimensione cuntrullata.
Cum'è detallatu in publicazioni precedenti 8, 9, 10, 11, in un esperimentu tipicu, una alta tensione hè applicata trà un capillare metallicu è un contraelettrodu messa à terra. Durante stu prucessu, si verificanu dui fenomeni diversi: 1) elettrospray è 2) ionizazione di l'acqua. Un forte campu elettricu trà i dui elettrodi face chì e cariche negative si accumulinu nantu à a superficia di l'acqua condensata, risultendu in a furmazione di coni di Taylor. Di cunsiguenza, si formanu gocce d'acqua altamente cariche, chì cuntinueghjanu à rompe si in particelle più chjuche, secondu a teoria di Rayleigh16. À u listessu tempu, un forte campu elettricu face chì alcune di e molecule d'acqua si dividinu è strappinu l'elettroni (ionizazione), generendu cusì una grande quantità di spezie reattive di l'ossigenu (ROS)17. I pacchetti ROS18 generati simultaneamente sò stati incapsulati in EWNS (Fig. 1c).
A figura 2a mostra u sistema di generazione EWNS sviluppatu è utilizatu in a sintesi EWNS in questu studiu. L'acqua purificata cunservata in una buttiglia chjusa hè stata alimentata attraversu un tubu di Teflon (diametru internu di 2 mm) à un ago in acciaio inox 30G (capillare metallicu). Cum'è mostratu in a Figura 2b, u flussu d'acqua hè cuntrullatu da a pressione di l'aria in l'internu di a buttiglia. L'ago hè attaccatu à una cunsola di Teflon chì pò esse aghjustata manualmente à una certa distanza da u contraelettrodu. U contraelettrodu hè un discu d'aluminiu lucidatu cù un foru in u mezu per u campionamentu. Sottu à u contraelettrodu ci hè un imbutu di campionamentu in aluminiu, chì hè cunnessu à u restu di a cunfigurazione sperimentale via una porta di campionamentu (Fig. 2b). Tutti i cumpunenti di u campionatore sò messi à terra elettricamente per evità l'accumulu di carica chì puderia degradà u campionamentu di particelle.
(a) Sistema di Generazione di Nanostrutture d'Acqua Ingegnerizzate (EWNS). (b) Sezione trasversale di u campionatore è di l'unità di elettrospruzzatura chì mostra i parametri più impurtanti. (c) Configurazione sperimentale per l'inattivazione di i batteri.
U sistema di generazione EWNS discrittu sopra hè capace di cambià i parametri operativi chjave per facilità a sintonizazione fine di e proprietà EWNS. Ajustate a tensione applicata (V), a distanza trà l'agulla è u contraelettrodu (L), è u flussu d'acqua (φ) attraversu u capillare per sintonizà e caratteristiche EWNS. I simboli [V (kV), L (cm)] sò usati per indicà diverse cumminazzioni. Ajustate u flussu d'acqua per ottene un conu di Taylor stabile di un certu inseme [V, L]. Per i scopi di questu studiu, l'apertura di u contraelettrodu (D) hè stata fissata à 0,5 pollici (1,29 cm).
A causa di a geometria limitata è di l'asimmetria, l'intensità di u campu elettricu ùn pò esse calculata da i primi principii. Invece, u software QuickField™ (Svendborg, Danimarca)19 hè statu utilizatu per calculà u campu elettricu. U campu elettricu ùn hè micca uniforme, dunque u valore di u campu elettricu à a punta di u capillare hè statu utilizatu cum'è valore di riferimentu per diverse cunfigurazioni.
Durante u studiu, parechje cumminazzioni di tensione è distanza trà l'agulla è u cuntraelettrodu sò state valutate in termini di furmazione di coni di Taylor, stabilità di coni di Taylor, stabilità di pruduzzione EWNS è riproducibilità. Diverse cumminazzioni sò mostrate in a Tabella Supplementare S1.
L'output di u sistema di generazione EWNS hè statu cunnessu direttamente à un Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS, mudellu 3936, TSI, Shoreview, Minnesota) per misurà a cuncentrazione di u numeru di particelle è hè statu utilizatu cù un elettrometru di aerosol di Faraday (TSI, mudellu 3068B, Shoreview, USA). MN) per misurà i flussi di aerosol, cum'è descrittu in a nostra publicazione precedente9. Sia l'SMPS sia l'elettrometru di aerosol anu campionatu à un flussu di 0,5 L/min (flussu tutale di campione 1 L/min). E cuncentrazioni di particelle è i flussi di aerosol sò stati misurati per 120 s. Ripigliate a misurazione 30 volte. A carica tutale di aerosol hè calculata da e misurazioni attuali, è a carica media di EWNS hè stimata da u numeru tutale di particelle EWNS campionate. U costu mediu di EWNS pò esse calculatu utilizendu l'equazione (1):
induve IEl hè a currente misurata, NSMPS hè a cuncentrazione numerica misurata cù u SMPS, è φEl hè a velocità di flussu versu l'elettrometru.
Siccomu l'umidità relativa (RH) affetta a carica superficiale, a temperatura è (RH) sò state mantenute custanti à 21 °C è 45%, rispettivamente, durante l'esperimentu.
A microscopia à forza atomica (AFM), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Santa Barbara, CA) è a sonda AC260T (Olympus, Tokyo, Giappone) sò state aduprate per misurà a dimensione è a durata di vita di l'EWNS. A velocità di scansione AFM hè di 1 Hz è l'area di scansione hè di 5 µm × 5 µm cù 256 linee di scansione. Tutte l'imagine sò state sottumesse à un allineamentu d'imagine di primu ordine aduprendu u software Asylum (maschera cù una gamma di 100 nm è una soglia di 100 pm).
Eliminate l'imbutu di campionamentu è piazzate a superficia di mica à una distanza di 2,0 cm da u contraelettrodu per un tempu mediu di 120 s per evità a coalescenza di e particelle è a furmazione di gocce irregulari nantu à a superficia di mica. EWNS hè statu applicatu direttamente à e superfici di mica appena tagliate (Ted Pella, Redding, CA). Subitu dopu à u sputtering, a superficia di mica hè stata visualizata cù AFM. L'angulu di cuntattu di a superficia di mica micca mudificata appena tagliata hè vicinu à 0°, dunque EWNS si propaga nantu à a superficia di mica in una forma a cupola20. U diametru (a) è l'altezza (h) di e gocce diffuse sò stati misurati direttamente da a topografia AFM è aduprati per calculà u vulume di diffusione a cupola EWNS aduprendu u nostru metudu validatu prima8. Supponendu chì l'EVNS integratu abbia u listessu vulume, u diametru equivalente pò esse calculatu da l'equazione (2):
In cunfurmità cù u nostru metudu sviluppatu prima, una trappula di spin di risonanza di spin elettronicu (ESR) hè stata aduprata per rilevà a presenza di intermedi radicali di corta durata in EWNS. L'aerosol sò stati passati à traversu una suluzione chì cuntene 235 mM di DEPMPO (5-(dietossifosforil)-5-metil-1-pirrolina-N-ossidu) (Oxis International Inc., Portland, Oregon). Tutte e misurazioni EPR sò state effettuate aduprendu un spettrometru Bruker EMX (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) è matrici di celle piatte. U software Acquisit (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) hè statu adupratu per raccoglie è analizà i dati. A caratterizazione ROS hè stata effettuata solu per un inseme di cundizioni operative [-6,5 kV, 4,0 cm]. E concentrazioni di EWNS sò state misurate aduprendu SMPS dopu avè pigliatu in contu a perdita di EWNS in l'impattore.
I livelli d'ozonu sò stati monitorati cù un 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Boulder, Co)8,9,10.
Per tutte e proprietà EWNS, u valore di misurazione hè a media di e misurazioni, è l'errore di misurazione hè a deviazione standard. Un test t hè statu realizatu per paragunà u valore di l'attributu EWNS ottimizatu cù u valore currispundente di l'EWNS di basa.
A Figura 2c mostra un Sistema di Passaghju di Precipitazione Elettrostatica (EPES) sviluppatu è caratterizatu in precedenza chì pò esse adupratu per indirizzà EWNS11 à e superfici. L'EPES usa una carica EWNS in cumbinazione cù un forte campu elettricu per "puntà" direttamente à a superficia di u bersagliu. I dettagli di u sistema EPES sò presentati in una publicazione recente di Pyrgiotakis et al.11. Cusì, l'EPES hè custituitu da una camera in PVC stampata in 3D cù estremità affusolate chì cuntenenu duie piastre metalliche parallele in acciaio inox (acciaio inox 304, lucidatu à specchiu) in u centru à 15,24 cm di distanza. I pannelli eranu cunnessi à una fonte esterna di alta tensione (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY), u pannellu inferiore era sempre pusitivu è u pannellu superiore era sempre messa à terra (flottante). I muri di a camera sò cuparti di foglia d'aluminiu, chì hè elettricamente messa à terra per impedisce a perdita di particelle. A camera hà una porta di carica frontale sigillata chì permette di mette e superfici di prova nantu à rack di plastica, alzendule da a piastra metallica inferiore per evità interferenze di alta tensione.
L'efficienza di deposizione di EWNS in EPES hè stata calculata secondu un protocolu sviluppatu prima detallatu in a Figura Supplementare S111.
Cum'è una camera di cuntrollu, u secondu flussu attraversu a camera cilindrica hè cunnessu in serie cù u sistema EPES utilizendu un filtru HEPA intermediu per rimuovere l'EWNS. Cum'è mostratu in a fig. 2c, l'aerosol EWNS hè statu pompatu attraversu duie camere cunnesse in serie. U filtru trà a sala di cuntrollu è l'EPES rimuove qualsiasi EWNS restante, risultendu in a stessa temperatura (T), umidità relativa (RH) è livelli d'ozonu.
Impurtanti microrganismi d'origine alimentaria sò stati trovati per contaminà i prudutti freschi cum'è Escherichia coli (ATCC #27325), un indicatore fecale, Salmonella enterica (ATCC #53647), un patogenu d'origine alimentaria, Listeria innocua (ATCC #33090), una alternativa à a patogena Listeria monocytogenes. , Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098) cum'è alternativa à u lievito di deterioramentu, è Mycobacterium parafortuitous (ATCC #19686) cum'è batteri vivi più resistenti sò stati acquistati da ATCC (Manassas, Virginia).
Cumprate à casu scatule di pumati d'uva biologichi da u vostru mercatu lucale è mettiteli in frigorifero à 4°C finu à l'usu (finu à 3 ghjorni). Selezziunate i pumati per sperimentà cù una taglia, circa 1/2 pollice di diametru.
I protokolli per l'incubazione, l'inoculazione, l'esposizione è u contu di e culonie sò stati dettagliati in e nostre publicazioni precedenti è spiegati in dettagliu in i Dati Supplementari 11. A prestazione di EWNS hè stata valutata espunendu i pumati inoculati à 40.000 #/cm3 per 45 minuti. In breve, à u tempu t = 0 min, trè pumati sò stati aduprati per valutà i microorganismi sopravviventi. Trè pumati sò stati posti in EPES è esposti à EWNS à 40.000 #/cc (pumati esposti à EWNS) è altri trè sò stati posti in a camera di cuntrollu (pumati di cuntrollu). Nisunu di i gruppi di pumati hè statu sottumessu à un trattamentu supplementu. I pumati è i cuntrolli esposti à EWNS sò stati rimossi dopu à 45 minuti per valutà l'effettu di EWNS.
Ogni esperimentu hè statu realizatu in triplicatu. L'analisi di i dati hè stata realizata secondu u protocolu discrittu in i Dati Supplementari.
I campioni batterici di E. coli, Enterobacter è L. innocua esposti à EWNS (45 min, cuncentrazione di aerosol EWNS 40.000 #/cm3) è micca esposti sò stati pellettati per valutà i meccanismi di inattivazione. U precipitatu hè statu fissatu per 2 ore à temperatura ambiente in una soluzione di cacodilatu di sodiu 0,1 M (pH 7,4) cù un fissativu di glutaraldeide 2,5%, paraformaldeide 1,25% è acidu picrico 0,03%. Dopu u lavaggio, sò stati fissati cù tetrossidu d'osmiu 1% (OsO4)/ferrocianuro di potassiu 1,5% (KFeCN6) per 2 ore, lavati 3 volte cù acqua è incubati in acetatu di uranile 1% per 1 ora, poi lavati duie volte cù acqua. Disidratazione successiva 10 minuti ognunu di 50%, 70%, 90%, 100% alcolu. I campioni sò stati poi posti in ossidu di propilene per 1 ora è impregnati cù una mistura 1:1 di ossidu di propilene è TAAP Epon (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA). I ​​campioni sò stati inclusi in TAAB Epon è polimerizzati à 60°C per 48 ore. A resina granulare indurita hè stata tagliata è visualizata da TEM utilizendu un JEOL 1200EX (JEOL, Tokyo, Giappone), un microscopiu elettronicu à trasmissione cunvinziunale equipatu cù una camera CCD AMT 2k (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, MA, USA).
Tutti l'esperimenti sò stati realizati in triplicatu. Per ogni puntu di tempu, i lavaggi batterici sò stati piastrati in triplicatu, risultendu in un totale di nove punti di dati per puntu, a media di i quali hè stata aduprata cum'è a cuncentrazione batterica per quellu urganisimu particulare. A deviazione standard hè stata aduprata cum'è l'errore di misurazione. Tutti i punti contanu.
U logaritmu di a diminuzione di a cuncentrazione di batteri paragunatu à t = 0 min hè statu calculatu aduprendu a formula seguente:
induve C0 hè a cuncentrazione di batteri in u campione di cuntrollu à u tempu 0 (vale à dì dopu chì a superficia hè asciutta ma prima di esse piazzata in a camera) è Cn hè a cuncentrazione di batteri nantu à a superficia dopu n minuti di esposizione.
Per tene contu di a degradazione naturale di i batteri durante u periodu di esposizione di 45 minuti, a riduzione logaritmica hè stata ancu calculata paragunata à u cuntrollu à 45 minuti cum'è seguita:
Induve Cn hè a cuncentrazione di batteri in u campione di cuntrollu à u tempu n è Cn-Control hè a cuncentrazione di batteri di cuntrollu à u tempu n. I dati sò presentati cum'è una riduzione logaritmica paragunata à u cuntrollu (nisuna esposizione à EWNS).
Durante u studiu, parechje cumminazzioni di tensione è distanza trà l'agulla è u cuntraelettrodu sò state valutate in termini di furmazione di u conu di Taylor, stabilità di u conu di Taylor, stabilità di a pruduzzione di EWNS è riproducibilità. Diverse cumminazzioni sò mostrate in a Tavula Supplementare S1. Dui casi sò stati selezziunati per un studiu cumpletu chì mostra proprietà stabili è riproducibili (conu di Taylor, pruduzzione di EWNS è stabilità in u tempu). In a figura 3 si mostranu i risultati nantu à a carica, a dimensione è u cuntenutu di ROS per dui casi. I risultati sò ancu riassunti in a Tavula 1. Per riferimentu, a Figura 3 è a Tavula 1 includenu e proprietà di l'EWNS8, 9, 10, 11 (EWNS di basa) micca ottimizzati sintetizzati prima. I calculi di significatività statistica utilizendu un test t à duie code sò ripublicati in a Tavula Supplementare S2. Inoltre, dati supplementari includenu studii nantu à l'effettu di u diametru di u foru di campionamentu di u cuntraelettrodu (D) è a distanza trà l'elettrodu di terra è a punta di l'agulla (L) (Figure Supplementari S2 è S3).
(a-c) Distribuzione di a dimensione di l'AFM. (d-f) Caratteristica di a carica superficiale. (g) Caratterizazione di ROS è ESR.
Hè dinò impurtante di nutà chì per tutte e cundizioni sopra menzionate, e currenti di ionizazione misurate eranu in l'intervallu di 2-6 µA, è e tensioni eranu in l'intervallu di -3,8 à -6,5 kV, risultendu in un cunsumu di energia per questu EWNS à terminale unicu di menu di 50 mW. . modulu di generazione. Ancu s'è l'EWNS hè statu sintetizatu sottu alta pressione, i livelli d'ozonu eranu assai bassi, senza mai superà i 60 ppb.
A Figura Supplementare S4 mostra i campi elettrici simulati per i scenarii [-6,5 kV, 4,0 cm] è [-3,8 kV, 0,5 cm], rispettivamente. I campi secondu i scenarii [-6,5 kV, 4,0 cm] è [-3,8 kV, 0,5 cm] sò calculati cum'è 2 × 105 V/m è 4,7 × 105 V/m, rispettivamente. Questu hè da aspettà si, postu chì u rapportu trà a tensione è a distanza hè assai più altu in u secondu casu.
In a figura 3a,b si mostra u diametru di l'EWNS misuratu cù l'AFM8. I diametri medi di l'EWNS per i scenarii [-6,5 kV, 4,0 cm] è [-3,8 kV, 0,5 cm] sò stati calculati cum'è 27 nm è 19 nm, rispettivamente. E deviazioni standard geometriche di e distribuzioni per i casi [-6,5 kV, 4,0 cm] è [-3,8 kV, 0,5 cm] sò 1,41 è 1,45, rispettivamente, ciò chì indica una distribuzione di dimensione stretta. Sia a dimensione media sia a deviazione standard geometrica sò assai vicine à l'EWNS di basa, essendu 25 nm è 1,41, rispettivamente. In a figura 3c si mostra a distribuzione di dimensione di l'EWNS di basa misuratu cù u listessu metudu in e stesse cundizioni.
In a figura 3d, e mostra i risultati di a caratterizazione di a carica. I dati sò misurazioni medie di 30 misurazioni simultanee di cuncentrazione (#/cm3) è corrente (I). L'analisi mostra chì a carica media nantu à l'EWNS hè 22 ± 6 e- è 44 ± 6 e- per [-6,5 kV, 4,0 cm] è [-3,8 kV, 0,5 cm], rispettivamente. Paragunatu à Baseline-EWNS (10 ± 2 e-), a so carica superficiale hè significativamente più alta, duie volte quella di u scenariu [-6,5 kV, 4,0 cm] è quattru volte quella di u [-3,8 kV, 0,5 cm]. 3f mostra i dati di pagamentu di l'EWNS di basa.
Da e carte di cuncentrazione di u numeru EWNS (Figure Supplementari S5 è S6), si pò vede chì a scena [-6,5 kV, 4,0 cm] hà un numeru significativamente più altu di particelle chè a scena [-3,8 kV, 0,5 cm]. Ci vole ancu à nutà chì e cuncentrazioni di u numeru EWNS sò state monitorate finu à 4 ore (Figure Supplementari S5 è S6), induve a stabilità di generazione EWNS hà mostratu i stessi livelli di cuncentrazioni di u numeru di particelle in i dui casi.
A figura 3g mostra u spettru EPR dopu a sottrazione di cuntrollu (sfondate) per EWNS ottimizzati à [-6,5 kV, 4,0 cm]. U spettru ROS hè ancu paragunatu à a linea di basa EWNS in un articulu publicatu prima. U numeru calculatu di EWNS chì reagiscenu cù a trappula di spin hè 7,5 × 104 EWNS/s, chì hè simile à a linea di basa-EWNS8 publicata prima. I spettri EPR anu indicatu chjaramente a presenza di dui tipi di ROS, induve O2- predominava, mentre OH• era presente in una quantità più chjuca. Inoltre, una paragone diretta di l'intensità di piccu hà dimustratu chì l'EWNS ottimizzati avianu un cuntenutu ROS significativamente più altu paragunatu à l'EWNS di basa.
A figura 4 mostra l'efficienza di deposizione di EWNS in EPES. I dati sò ancu riassunti in a Tavula I è paragunati cù i dati EWNS originali. Per i dui casi EUNS, a deposizione era vicina à u 100% ancu à una bassa tensione di 3,0 kV. Tipicamente, 3,0 kV hè sufficiente per ottene una deposizione di u 100% indipendentemente da u cambiamentu di carica superficiale. In e stesse cundizioni, l'efficienza di deposizione di u Baseline-EWNS era solu di u 56% per via di a carica più bassa (media di 10 elettroni per EWNS).
A Figura 5 è a Tavula 2 riassumenu u gradu d'inattivazione di i microorganismi inoculati nantu à a superficia di i pumati dopu l'esposizione à circa 40.000 #/cm3 EWNS per 45 minuti in u scenariu ottimale [-6,5 kV, 4,0 cm]. E. coli è L. innocua inoculati anu mostratu una riduzione significativa di 3,8 log dopu à 45 minuti d'esposizione. In e stesse cundizioni, S. enterica hà mostratu una riduzione log più bassa di 2,2 log, mentre chì S. cerevisiae è M. parafortuitum anu mostratu una riduzione di 1,0 log.
Micrografie elettroniche (Figura 6) chì mostranu i cambiamenti fisichi indotti da EWNS in e cellule di E. coli, Salmonella enterica è L. innocua chì portanu à l'inattivazione. I batteri di cuntrollu anu mostratu membrane cellulari intatte, mentre chì i batteri esposti avianu membrane esterne danneggiate.
L'imaghjini microscopiche elettroniche di i batteri di cuntrollu è esposti anu rivelatu danni à a membrana.
I dati nantu à e proprietà fisico-chimiche di l'EWNS ottimizzati mostranu cullettivamente chì e proprietà di l'EWNS (carica superficiale è cuntenutu di ROS) sò state significativamente migliurate paragunate à i dati di basa di l'EWNS publicati prima8,9,10,11. D’altronde, a so dimensione hè rimasta in a gamma di nanometri, chì hè assai simile à i risultati publicati prima, permettendu li di stà in aria per un longu periodu di tempu. A polidispersità osservata pò esse spiegata da cambiamenti in a carica superficiale, chì determinanu a magnitudine di l'effettu Rayleigh, l'aleatorietà è a putenziale fusione di l'EWNS. Tuttavia, cum'è detallatu da Nielsen et al.22, una carica superficiale elevata riduce l'evaporazione aumentendu efficacemente l'energia/tensione superficiale di a goccia d'acqua. Questa teoria hè stata cunfirmata sperimentalmente per e microgocce22 è l'EWNS in a nostra publicazione precedente8. A perdita di tempu straordinariu pò ancu influenzà a dimensione è cuntribuisce à a distribuzione di e dimensioni osservata.
Inoltre, a carica per struttura hè di circa 22-44 e-, secondu e circustanze, chì hè significativamente più alta paragunata à l'EWNS basicu, chì hà una carica media di 10 ± 2 elettroni per struttura. Tuttavia, si deve nutà chì questa hè a carica media di EWNS. Seto et al. Hè statu dimustratu chì a carica ùn hè micca uniforme è seguita una distribuzione log-normale21. Paragunatu à u nostru travagliu precedente, radduppià a carica superficiale radduppia l'efficienza di deposizione in u sistema EPES à quasi u 100%11.