Tak fordi du besøgte Nature.com.Den browserversion, du bruger, har begrænset CSS-understøttelse.For den bedste oplevelse anbefaler vi, at du bruger en opdateret browser (eller deaktiverer kompatibilitetstilstand i Internet Explorer).I mellemtiden, for at sikre fortsat support, vil vi gengive webstedet uden stilarter og JavaScript.
En karrusel, der viser tre dias på samme tid.Brug knapperne Forrige og Næste til at flytte gennem tre dias ad gangen, eller brug skyderknapperne i slutningen til at flytte gennem tre dias ad gangen.
For nylig er der udviklet en kemikaliefri antimikrobiel platform baseret på nanoteknologi ved hjælp af kunstige vand nanostrukturer (EWNS).EWNS har en høj overfladeladning og er mættet med reaktive oxygenarter (ROS), der kan interagere med og inaktivere en række mikroorganismer, herunder fødevarebårne patogener.Her er det vist, at deres egenskaber under syntese kan finjusteres og optimeres for yderligere at øge deres antibakterielle potentiale.EWNS laboratorieplatformen blev designet til at finjustere egenskaberne af EWNS ved at ændre synteseparametrene.Karakterisering af EWNS egenskaber (ladning, størrelse og indhold af ROS) ved hjælp af moderne analytiske metoder.Derudover blev de evalueret for deres mikrobielle inaktiveringspotentiale mod fødevarebårne mikroorganismer såsom Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocuous, Mycobacterium paraaccidentum og Saccharomyces cerevisiae.Resultaterne præsenteret her viser, at egenskaberne af EWNS kan finjusteres under syntese, hvilket resulterer i en eksponentiel stigning i inaktiveringseffektivitet.Især overfladeladningen steg med en faktor fire, og de reaktive oxygenarter steg.Den mikrobielle fjernelseshastighed var mikrobielt afhængig og varierede fra 1,0 til 3,8 log efter 45 minutters eksponering for en aerosoldosis på 40.000 #/cc EWNS.
Mikrobiel kontaminering er hovedårsagen til fødevarebåren sygdom forårsaget af indtagelse af patogener eller deres toksiner.Alene i USA forårsager fødevarebåren sygdom omkring 76 millioner sygdomme, 325.000 hospitalsindlæggelser og 5.000 dødsfald hvert år1.Derudover anslår det amerikanske landbrugsministerium (USDA), at øget forbrug af friske produkter er ansvarlig for 48 % af alle indberettede fødevarebårne sygdomme i USA2.Omkostningerne ved sygdom og død forårsaget af fødevarebårne patogener i USA er meget høje, anslået af Centers for Disease Control and Prevention (CDC) til mere end 15,6 milliarder USD om året3.
I øjeblikket udføres kemiske4, stråling5 og termiske6 antimikrobielle indgreb for at sikre fødevaresikkerhed for det meste ved begrænsede kritiske kontrolpunkter (CCP'er) langs produktionskæden (normalt efter høst og/eller under emballering) snarere end kontinuerligt.således er de tilbøjelige til krydskontaminering.7. Bedre kontrol med fødevarebåren sygdom og fødevarefordærvning kræver antimikrobielle indgreb, der potentielt kan anvendes på tværs af jord-til-bord kontinuum og samtidig reducere miljøpåvirkning og omkostninger.
For nylig er der udviklet en kemikaliefri, nanoteknologi-baseret antimikrobiel platform, der kan inaktivere overflade- og luftbårne bakterier ved hjælp af kunstige vand-nanostrukturer (EWNS).EWNS blev syntetiseret ved hjælp af to parallelle processer, elektrospray og vandionisering (fig. 1a).Tidligere undersøgelser har vist, at EWNS har et unikt sæt af fysiske og biologiske egenskaber8,9,10.EWNS har et gennemsnit på 10 elektroner pr. struktur og en gennemsnitlig nanoskalastørrelse på 25 nm (Fig. 1b,c)8,9,10.Derudover viste elektronspinresonans (ESR), at EWNS indeholder en stor mængde reaktive oxygenarter (ROS), hovedsageligt hydroxyl (OH•) og superoxid (O2-) radikaler (Fig. 1c)8.EVNS er i luften i lang tid og kan kollidere med mikroorganismer suspenderet i luften og til stede på overfladen, levere deres ROS nyttelast og forårsage inaktivering af mikroorganismer (fig. 1d).Disse tidlige undersøgelser viste også, at EWNS kan interagere med og inaktivere forskellige gram-negative og gram-positive bakterier, herunder mykobakterier, på overflader og i luften.Transmissionselektronmikroskopi viste, at inaktiveringen var forårsaget af afbrydelse af cellemembranen.Derudover har akutte inhalationsundersøgelser vist, at høje doser af EWNS ikke forårsager lungeskade eller betændelse 8 .
(a) Elektrospray opstår, når der påføres en højspænding mellem et kapillarrør indeholdende væske og en modelektrode.(b) Påføring af højt tryk resulterer i to forskellige fænomener: (i) elektrospraying af vand og (ii) dannelse af reaktive oxygenarter (ioner) fanget i EWNS.(c) Den unikke struktur af EWNS.(d) På grund af deres nanoskala natur er EWNS meget mobile og kan interagere med luftbårne patogener.
EWNS antimikrobielle platforms evne til at inaktivere fødevarebårne mikroorganismer på overfladen af ​​friske fødevarer er også for nylig blevet demonstreret.Det har også vist sig, at overfladeladningen af ​​EWNS i kombination med et elektrisk felt kan bruges til at opnå målrettet levering.Desuden var de foreløbige resultater for økologiske tomater efter en 90 minutters eksponering ved en EWNS på omkring 50.000 #/cm3 opmuntrende, med forskellige fødevarebårne mikroorganismer såsom E. coli og Listeria 11 observeret.Derudover viste foreløbige organoleptiske test ingen sensoriske effekter sammenlignet med kontroltomater.Selvom disse indledende inaktiveringsresultater er opmuntrende for fødevaresikkerhedsapplikationer selv ved meget lave EWNS-doser på 50.000#/cc.se, det er klart, at et højere inaktiveringspotentiale ville være mere fordelagtigt for yderligere at reducere risikoen for infektion og fordærv.
Her vil vi fokusere vores forskning på udviklingen af ​​en EWNS-generationsplatform for at muliggøre finjustering af synteseparametre og optimering af EWNS's fysisk-kemiske egenskaber for at forbedre deres antibakterielle potentiale.Optimering har især fokuseret på at øge deres overfladeladning (for at forbedre målrettet levering) og ROS-indhold (for at forbedre inaktiveringseffektiviteten).Karakteriser optimerede fysisk-kemiske egenskaber (størrelse, ladning og ROS-indhold) ved hjælp af moderne analysemetoder og brug almindelige fødevaremikroorganismer som E. .
EVNS blev syntetiseret ved samtidig elektrospraying og ionisering af højrent vand (18 MΩ cm-1).Den elektriske forstøver 12 anvendes typisk til forstøvning af væsker og syntese af polymer- og keramiske partikler 13 og fibre 14 af kontrolleret størrelse.
Som beskrevet i tidligere publikationer 8, 9, 10, 11 blev der i et typisk eksperiment påført en højspænding mellem en metalkapillar og en jordet modelektrode.Under denne proces opstår to forskellige fænomener: i) elektrospray og ii) vandionisering.Et stærkt elektrisk felt mellem de to elektroder får negative ladninger til at opbygge sig på overfladen af ​​det kondenserede vand, hvilket resulterer i dannelsen af ​​Taylor-kegler.Som følge heraf dannes der højt ladede vanddråber, som fortsætter med at bryde op i mindre partikler, som i Rayleigh-teorien16.Samtidig får stærke elektriske felter nogle vandmolekyler til at spalte og strippe elektroner (ionisere), hvilket fører til dannelsen af ​​en stor mængde reaktive oxygenarter (ROS)17.Samtidigt genereret ROS18 blev indkapslet i EWNS (fig. 1c).
På fig.2a viser EWNS-genereringssystemet udviklet og brugt i EWNS-syntesen i denne undersøgelse.Oprenset vand opbevaret i en lukket flaske blev ført gennem et teflonrør (2 mm indvendig diameter) ind i en 30G rustfri stålnål (metalkapillær).Vandstrømmen styres af lufttrykket inde i flasken, som vist i figur 2b.Nålen er monteret på en teflon konsol og kan manuelt justeres til en vis afstand fra modelektroden.Modelektroden er en poleret aluminiumsskive med et hul i midten til prøvetagning.Under modelektroden er en prøvetagningstragt af aluminium, som er forbundet til resten af ​​forsøgsopstillingen via en prøveudtagningsport (fig. 2b).For at undgå opbygning af ladning, der kan forstyrre prøvetagerens drift, er alle prøvetagerens komponenter elektrisk jordede.
(a) Engineered Water Nanostructure Generation System (EWNS).(b) Tværsnit af prøveudtager og elektrospray, der viser de vigtigste parametre.(c) Eksperimentel opsætning til bakterieinaktivering.
EWNS-genereringssystemet beskrevet ovenfor er i stand til at ændre vigtige driftsparametre for at lette finjustering af EWNS-egenskaberne.Juster den påførte spænding (V), afstanden mellem nålen og modelektroden (L) og vandstrømmen (φ) gennem kapillæren for at finjustere EWNS-egenskaberne.Symbol, der bruges til at repræsentere forskellige kombinationer: [V (kV), L (cm)].Juster vandstrømmen for at få en stabil Taylor-kegle af et bestemt sæt [V, L].Til formålet med denne undersøgelse blev åbningsdiameteren af ​​modelektroden (D) holdt på 0,5 tommer (1,29 cm).
På grund af den begrænsede geometri og asymmetri kan den elektriske feltstyrke ikke beregnes ud fra første principper.I stedet blev QuickField™-softwaren (Svendborg, Danmark)19 brugt til at beregne det elektriske felt.Det elektriske felt er ikke ensartet, så værdien af ​​det elektriske felt ved spidsen af ​​kapillæren blev brugt som referenceværdi for forskellige konfigurationer.
Under undersøgelsen blev flere kombinationer af spænding og afstand mellem nålen og modelektroden evalueret med hensyn til Taylor-kegledannelse, Taylor-keglestabilitet, EWNS-produktionsstabilitet og reproducerbarhed.Forskellige kombinationer er vist i supplerende tabel S1.
Outputtet fra EWNS-genereringssystemet blev forbundet direkte til en Scanning Mobility Particle Size Analyzer (SMPS, Model 3936, TSI, Shoreview, MN) til måling af partikelantalkoncentration samt til et Aerosol Faraday Elektrometer (TSI, Model 3068B, Shoreview, MN).) for aerosolstrømme blev målt som beskrevet i vores tidligere publikation.Både SMPS og aerosolelektrometeret blev udtaget med en strømningshastighed på 0,5 l/min (samlet prøvestrøm 1 l/min).Antallet af koncentrationen af ​​partikler og aerosolstrømmen blev målt i 120 sekunder.Målingen gentages 30 gange.Ud fra aktuelle målinger beregnes den samlede aerosolladning, og den gennemsnitlige EWNS-ladning estimeres for et givet samlet antal udvalgte EWNS-partikler.De gennemsnitlige omkostninger for EWNS kan beregnes ved hjælp af ligning (1):
hvor IEl er den målte strøm, NSMPS er den digitale koncentration målt med SMPS, og φEl er strømningshastigheden pr. elektrometer.
Fordi relativ luftfugtighed (RH) påvirker overfladeladningen, blev temperatur og (RH) holdt konstant under eksperimentet ved henholdsvis 21°C og 45%.
Atomic force microscopy (AFM), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Santa Barbara, CA) og AC260T-probe (Olympus, Tokyo, Japan) blev brugt til at måle størrelsen og levetiden af ​​EWNS.AFM-scanningsfrekvensen var 1 Hz, scanningsområdet var 5 μm × 5 μm og 256 scanningslinjer.Alle billeder blev udsat for 1. ordens billedjustering ved hjælp af Asylum-software (maskeområde 100 nm, tærskelværdi 100 pm).
Testtragten blev fjernet, og glimmeroverfladen blev placeret i en afstand på 2,0 cm fra modelektroden i en gennemsnitstid på 120 s for at undgå partikelagglomerering og dannelse af uregelmæssige dråber på glimmeroverfladen.EWNS blev sprøjtet direkte på overfladen af ​​friskskåret glimmer (Ted Pella, Redding, CA).Billede af glimmeroverfladen umiddelbart efter AFM-sputtering.Kontaktvinklen på overfladen af ​​friskskåret umodificeret glimmer er tæt på 0°, så EVNS er fordelt på glimmeroverfladen i form af en kuppel.Diameteren (a) og højden (h) af de diffuserende dråber blev målt direkte fra AFM-topografien og brugt til at beregne EWNS-kuppeldiffusionsvolumenet ved hjælp af vores tidligere validerede metode.Forudsat at de indbyggede EWNS har samme volumen, kan den ækvivalente diameter beregnes ved hjælp af ligning (2):
Baseret på vores tidligere udviklede metode blev en elektronspinresonans (ESR) spinfælde brugt til at detektere tilstedeværelsen af ​​kortlivede radikale mellemprodukter i EWNS.Aerosoler blev boblet gennem en 650 μm Midget-spreder (Ace Glass, Vineland, NJ) indeholdende en 235 mM opløsning af DEPMPO(5-(diethoxyphosphoryl)-5-methyl-1-pyrrolin-N-oxid) (Oxis International Inc.).Portland, Oregon).Alle ESR-målinger blev udført ved hjælp af et Bruker EMX-spektrometer (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) og en fladpanelcelle.Acquisit-softwaren (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) blev brugt til at indsamle og analysere dataene.Bestemmelse af karakteristika for ROS blev kun udført for et sæt driftsbetingelser [-6,5 kV, 4,0 cm].EWNS-koncentrationer blev målt ved hjælp af SMPS efter at have taget højde for EWNS-tab i impactoren.
Ozonniveauer blev overvåget ved hjælp af en 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Boulder, Co)8,9,10.
For alle EWNS egenskaber anvendes middelværdien som måleværdi, og standardafvigelsen bruges som målefejl.T-tests blev udført for at sammenligne værdierne af de optimerede EWNS-attributter med de tilsvarende værdier for basis-EWNS.
Figur 2c viser et tidligere udviklet og karakteriseret elektrostatisk udfældning (EPES) "pull" system, der kan bruges til målrettet levering af EWNS på overfladen.EPES bruger EVNS ladninger, der kan "ledes" direkte til overfladen af ​​målet under påvirkning af et stærkt elektrisk felt.Detaljer om EPES-systemet er præsenteret i en nylig publikation af Pyrgiotakis et al.11 .EPES består således af et 3D-printet PVC-kammer med tilspidsede ender og indeholder to parallelle rustfrit stål (304 rustfrit stål, spejlbelagt) metalplader i midten med en afstand på 15,24 cm.Tavlerne var forbundet til en ekstern højspændingskilde (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY), bundpladen var altid forbundet til positiv spænding, og toppladen var altid forbundet til jord (flydende jord).Kammervæggene er dækket af aluminiumsfolie, som er elektrisk jordet for at forhindre partikeltab.Kammeret har en forseglet frontladningsdør, der gør det muligt at placere testflader på plastikstandere, der hæver dem over den nederste metalplade for at undgå højspændingsinterferens.
Afsætningseffektiviteten af ​​EWNS i EPES blev beregnet i overensstemmelse med en tidligere udviklet protokol beskrevet i supplerende figur S111.
Som kontrolkammer blev et andet cylindrisk strømningskammer forbundet i serie til EPES-systemet, hvor et mellemliggende HEPA-filter blev brugt til at fjerne EWNS.Som vist i figur 2c blev EWNS-aerosolen pumpet gennem to indbyggede kamre.Filteret mellem kontrolrummet og EPES fjerner eventuelle resterende EWNS, hvilket resulterer i samme temperatur (T), relativ luftfugtighed (RH) og ozonniveauer.
Vigtige fødevarebårne mikroorganismer har vist sig at forurene friske fødevarer, såsom E. coli (ATCC #27325), fækal indikator, Salmonella enterica (ATCC #53647), fødevarebåren patogen, Listeria harmløs (ATCC #33090), surrogat for patogen Listeria monocytogenes, CCCCAT (Manasserevisasia) afledt fra SC 4098), en erstatning for ødelæggelsesgær og en mere resistent inaktiveret bakterie, Mycobacterium paralucky (ATCC #19686).
Køb tilfældige kasser med økologiske druetomater fra dit lokale marked og stil dem på køl ved 4°C indtil brug (op til 3 dage).De eksperimentelle tomater var alle af samme størrelse, omkring 1/2 tomme i diameter.
Kultur-, podnings-, eksponerings- og kolonitællingsprotokollerne er detaljeret i vores tidligere publikation og detaljeret i de supplerende data.Effektiviteten af ​​EWNS blev evalueret ved at udsætte podede tomater for 40.000 #/cm3 i 45 minutter.Kort fortalt blev tre tomater brugt til at evaluere de overlevende mikroorganismer på tidspunktet t = 0 min.Tre tomater blev anbragt i EPES og udsat for EWNS ved 40.000 #/cc (EWNS-eksponerede tomater), og de resterende tre blev anbragt i kontrolkammeret (kontroltomater).Yderligere forarbejdning af tomater i begge grupper blev ikke udført.EWNS-eksponerede tomater og kontroltomater blev fjernet efter 45 minutter for at evaluere effekten af ​​EWNS.
Hvert forsøg blev udført i tre eksemplarer.Dataanalyse blev udført i henhold til protokollen beskrevet i Supplerende data.
Inaktiveringsmekanismer blev vurderet ved sedimentering af eksponerede EWNS-prøver (45 minutter ved 40.000 #/cm3 EWNS-aerosolkoncentration) og ikke-bestrålede prøver af harmløse bakterier E. coli, Salmonella enterica og Lactobacillus.Partiklerne blev fikseret i 2,5 % glutaraldehyd, 1,25 % paraformaldehyd og 0,03 % picrinsyre i 0,1 M natriumcacodylatbuffer (pH 7,4) i 2 timer ved stuetemperatur.Efter vask efterfikseres med 1 % osmiumtetroxid (OsO4)/1,5 % kaliumferrocyanid (KFeCN6) i 2 timer, vaskes 3 gange i vand og inkuberes i 1 % uranylacetat i 1 time, derefter vaskes to gange i vand, derefter dehydreres i 10 %, 90 % alkohol, 70 % alkohol i 10 %, 70,0 % alkoholPrøverne blev derefter anbragt i propylenoxid i 1 time og imprægneret med en 1:1 blanding af propylenoxid og TAAP Epon (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA).Prøverne blev indlejret i TAAB Epon og polymeriseret ved 60°C i 48 timer.Den hærdede granulære harpiks blev skåret og visualiseret ved TEM under anvendelse af et konventionelt transmissionselektronmikroskop JEOL 1200EX (JEOL, Tokyo, Japan) udstyret med et AMT 2k CCD-kamera (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, Massachusetts, USA).
Alle forsøg blev udført i tre eksemplarer.For hvert tidspunkt blev bakterievaske udsået i tre eksemplarer, hvilket resulterede i i alt ni datapunkter pr. punkt, hvis gennemsnit blev brugt som bakteriekoncentrationen for den pågældende mikroorganisme.Standardafvigelsen blev brugt som målefejl.Alle point tæller.
Logaritmen for faldet i koncentrationen af ​​bakterier sammenlignet med t = 0 min blev beregnet ved hjælp af følgende formel:
hvor C0 er koncentrationen af ​​bakterier i kontrolprøven på tidspunkt 0 (dvs. efter overfladen er tørret, men før den placeres i kammeret), og Cn er koncentrationen af ​​bakterier på overfladen efter n minutters eksponering.
For at tage højde for den naturlige nedbrydning af bakterier under den 45-minutters eksponering, blev logreduktionen sammenlignet med kontrollen efter 45 minutter også beregnet som følger:
hvor Cn er koncentrationen af ​​bakterier i kontrolprøven på tidspunktet n, og Cn-kontrol er koncentrationen af ​​kontrolbakterier på tidspunktet n.Data præsenteres som en logreduktion sammenlignet med kontrol (ingen eksponering for EWNS).
Under undersøgelsen blev flere kombinationer af spænding og afstand mellem nålen og modelektroden evalueret med hensyn til Taylor-kegledannelse, Taylor-keglestabilitet, EWNS-produktionsstabilitet og reproducerbarhed.Forskellige kombinationer er vist i supplerende tabel S1.To tilfælde, der viser stabile og reproducerbare egenskaber (Taylor-kegle, EWNS-generering og stabilitet over tid) blev udvalgt til omfattende undersøgelse.På fig.Figur 3 viser resultaterne for ladningen, størrelsen og indholdet af ROS i begge tilfælde.Resultaterne er også vist i tabel 1. Til reference inkluderer både figur 3 og tabel 1 egenskaberne af den tidligere syntetiserede ikke-optimerede EWNS8, 9, 10, 11 (baseline-EWNS).Statistiske signifikansberegninger ved hjælp af en to-halet t-test er genudgivet i supplerende tabel S2.Derudover omfatter yderligere data undersøgelser af effekten af ​​modelektrodes prøvetagningshuldiameter (D) og afstanden mellem jordelektrode og spids (L) (Supplerende figurer S2 og S3).
(ac) Størrelsesfordeling målt ved AFM.(df) Overfladeladningskarakteristik.(g) ROS-karakterisering af EPR.
Det er også vigtigt at bemærke, at for alle ovenstående forhold var den målte ioniseringsstrøm mellem 2 og 6 μA og spænding mellem -3,8 og -6,5 kV, hvilket resulterede i et strømforbrug på mindre end 50 mW for dette enkelt EWNS-generationskontaktmodul.Selvom EWNS blev syntetiseret under højt tryk, var ozonniveauerne meget lave og oversteg aldrig 60 ppb.
Supplerende figur S4 viser de simulerede elektriske felter for henholdsvis [-6,5 kV, 4,0 cm] og [-3,8 kV, 0,5 cm] scenarier.For scenarierne [-6,5 kV, 4,0 cm] og [-3,8 kV, 0,5 cm] er feltberegningerne henholdsvis 2 × 105 V/m og 4,7 × 105 V/m.Dette forventes, da spændings-afstandsforholdet i det andet tilfælde er meget højere.
På fig.3a,b viser EWNS-diameteren målt med AFM8.De beregnede gennemsnitlige EWNS-diametre var 27 nm og 19 nm for henholdsvis [-6,5 kV, 4,0 cm] og [-3,8 kV, 0,5 cm]-skemaer.For scenarierne [-6,5 kV, 4,0 cm] og [-3,8 kV, 0,5 cm] er de geometriske standardafvigelser af fordelingen henholdsvis 1,41 og 1,45, hvilket indikerer en snæver størrelsesfordeling.Både middelstørrelsen og den geometriske standardafvigelse er meget tæt på baseline EWNS, ved henholdsvis 25 nm og 1,41.På fig.3c viser størrelsesfordelingen af ​​basis-EWNS målt ved anvendelse af den samme metode under de samme betingelser.
På fig.3d,e viser resultaterne af ladningskarakterisering.Data er gennemsnitsmålinger af 30 samtidige målinger af koncentration (#/cm3) og strøm (I).Analysen viser, at den gennemsnitlige ladning på EWNS er 22 ± 6 e- og 44 ± 6 e- for henholdsvis [-6,5 kV, 4,0 cm] og [-3,8 kV, 0,5 cm].De har signifikant højere overfladeladninger sammenlignet med baseline EWNS (10 ± 2 e-), to gange større end [-6,5 kV, 4,0 cm] scenariet og fire gange større end [-3,8 kV, 0,5 cm].Figur 3f viser ladningen.data for Baseline-EWNS.
Fra koncentrationskortene for EWNS-tallet (Supplerende figurer S5 og S6) kan det ses, at scenariet [-6,5 kV, 4,0 cm] har væsentligt flere partikler end scenariet [-3,8 kV, 0,5 cm].Det er også værd at bemærke, at EWNS-talkoncentrationen blev overvåget i op til 4 timer (Supplerende figurer S5 og S6), hvor EWNS-genereringsstabiliteten viste de samme niveauer af partikelantalkoncentration i begge tilfælde.
På fig.3g viser EPR-spektret efter subtraktion af den optimerede EWNS-kontrol (baggrund) ved [-6,5 kV, 4,0 cm].ROS-spektrene blev også sammenlignet med Baseline-EWNS-scenariet i et tidligere offentliggjort arbejde.Antallet af EWNS, der reagerede med spin-fælder, blev beregnet til at være 7,5 × 104 EWNS/s, hvilket svarer til den tidligere offentliggjorte Baseline-EWNS8.EPR-spektrene viste tydeligt tilstedeværelsen af ​​to typer ROS, hvor O2- er den dominerende art og OH• er mindre udbredt.Derudover viste en direkte sammenligning af topintensiteterne, at den optimerede EWNS havde et signifikant højere ROS-indhold sammenlignet med baseline EWNS.
På fig.4 viser afsætningseffektiviteten af ​​EWNS i EPES.Dataene er også opsummeret i tabel I og sammenlignet med de originale EWNS-data.For begge tilfælde af EUNS er aflejringen tæt på 100% selv ved en lav spænding på 3,0 kV.Typisk er 3,0 kV tilstrækkeligt til 100 % aflejring, uanset overfladeladningsændring.Under de samme betingelser var afsætningseffektiviteten af ​​Baseline-EWNS kun 56% på grund af deres lavere ladning (gennemsnit 10 elektroner pr. EWNS).
På fig.5 og i tabel.2 opsummerer inaktiveringsværdien af ​​mikroorganismer podet på overfladen af ​​tomater efter eksponering for ca. 40.000 #/cm3 EWNS i 45 minutter ved den optimale tilstand [-6,5 kV, 4,0 cm].Podet E. coli og Lactobacillus innocuous viste en signifikant reduktion på 3,8 logs i løbet af 45 minutters eksponering.Under de samme forhold havde S. enterica et fald på 2,2 log, mens S. cerevisiae og M. parafortutum havde et fald på 1,0 log.
Elektronmikrograferne (figur 6) viser de fysiske ændringer induceret af EWNS på harmløse Escherichia coli-, Streptococcus- og Lactobacillus-celler, der fører til deres inaktivering.Kontrolbakterierne havde intakte cellemembraner, mens de blotlagte bakterier havde beskadiget ydermembraner.
Elektronmikroskopisk billeddannelse af kontrol og eksponerede bakterier afslørede membranskader.
Dataene om de fysisk-kemiske egenskaber af det optimerede EWNS viser samlet, at egenskaberne (overfladeladning og ROS-indhold) af EWNS var væsentligt forbedret sammenlignet med de tidligere offentliggjorte EWNS-baselinedata8,9,10,11.På den anden side forblev deres størrelse i nanometerområdet, meget lig de tidligere rapporterede resultater, hvilket gør det muligt for dem at forblive i luften i lange perioder.Den observerede polydispersitet kan forklares ved overfladeladningsændringer, der bestemmer størrelsen af ​​EWNS, tilfældigheden af ​​Rayleigh-effekten og potentiel sammensmeltning.Men som detaljeret beskrevet af Nielsen et al.22, reducerer høj overfladeladning fordampning ved effektivt at øge vanddråbens overfladeenergi/spænding.I vores tidligere publikation8 blev denne teori eksperimentelt bekræftet for mikrodråber 22 og EWNS.Tab af ladning under overarbejde kan også påvirke størrelsen og bidrage til den observerede størrelsesfordeling.