Tak fordi du besøger Nature.com. Den browserversion, du bruger, har begrænset CSS-understøttelse. For at få 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 typografier og JavaScript.
En karrusel, der viser tre slides på samme tid. Brug knapperne Forrige og Næste til at navigere gennem tre slides ad gangen, eller brug skyderknapperne i slutningen til at navigere gennem tre slides ad gangen.
For nylig er der blevet udviklet en kemikaliefri antimikrobiel platform baseret på nanoteknologi, der bruger kunstige vand-nanostrukturer (EWNS). EWNS har en høj overfladeladning og er mættet med reaktive iltarter (ROS), der kan interagere med og inaktivere en række mikroorganismer, herunder fødevarebårne patogener. Her vises det, at deres egenskaber under syntese kan finjusteres og optimeres for yderligere at forbedre deres antibakterielle potentiale. EWNS-laboratorieplatformen blev designet til at finjustere EWNS' egenskaber 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 EWNS' egenskaber kan finjusteres under syntese, hvilket resulterer i en eksponentiel stigning i inaktiveringseffektiviteten. Især overfladeladningen steg med en faktor fire, og de reaktive iltarter 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 den primære årsag til fødevarebårne sygdomme forårsaget af indtagelse af patogener eller deres toksiner. Alene i USA forårsager fødevarebårne sygdomme omkring 76 millioner sygdomme, 325.000 hospitalsindlæggelser og 5.000 dødsfald hvert år1. Derudover anslår det amerikanske landbrugsministerium (USDA), at øget forbrug af friske råvarer er ansvarlig for 48 % af alle rapporterede fødevarebårne sygdomme i USA2. Omkostningerne ved sygdom og død forårsaget af fødevarebårne patogener i USA er meget høje og anslås af Centers for Disease Control and Prevention (CDC) til mere end 15,6 milliarder amerikanske dollars om året3.
I øjeblikket udføres kemiske4, strålings5 og termiske6 antimikrobielle interventioner for at sikre fødevaresikkerhed for det meste på begrænsede kritiske kontrolpunkter (CCP'er) langs produktionskæden (normalt efter høst og/eller under emballering) i stedet for kontinuerligt. De er derfor tilbøjelige til krydskontaminering. 7. Bedre kontrol af fødevarebårne sygdomme og fødevarefordærv kræver antimikrobielle interventioner, der potentielt kan anvendes på tværs af hele "fra jord til bord"-kæden, samtidig med at miljøpåvirkningen og omkostningerne reduceres.
For nylig er der udviklet en kemikaliefri, nanoteknologibaseret 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 iltarter (ROS), primært hydroxyl (OH•) og superoxid (O2-) radikaler (fig. 1c)8. EVNS er i luften i lang tid og kan kollidere med mikroorganismer, der er suspenderet i luften og til stede på overfladen, hvorved de leverer deres ROS-nyttelast og forårsager inaktivering af mikroorganismer (fig. 1d). Disse tidlige studier viste også, at EWNS kan interagere med og inaktivere forskellige gramnegative og grampositive bakterier, herunder mykobakterier, på overflader og i luften. Transmissionselektronmikroskopi viste, at inaktiveringen var forårsaget af forstyrrelse af cellemembranen. Derudover har studier af akut inhalation vist, at høje doser af EWNS ikke forårsager lungeskader eller betændelse 8.
(a) Elektrospray opstår, når en høj spænding påføres mellem et kapillarrør, der indeholder væske, og en modelektrode. (b) Påføring af højt tryk resulterer i to forskellige fænomener: (i) elektrospraying af vand og (ii) dannelse af reaktive iltarter (ioner) fanget i EWNS. (c) EWNS' unikke struktur. (d) På grund af deres nanoskala-natur er EWNS'er 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 er også blevet vist, 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 90 minutters eksponering ved en EWNS på ca. 50.000 #/cm3 opmuntrende, med observation af forskellige fødevarebårne mikroorganismer såsom E. coli og Listeria 11. Derudover viste foreløbige organoleptiske tests 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, er det klart, at et højere inaktiveringspotentiale ville være mere gavnligt for yderligere at reducere risikoen for infektion og fordærv.
Her vil vi fokusere vores forskning på udviklingen af ​​en EWNS-genereringsplatform, der muliggør finjustering af synteseparametre og optimering af de fysisk-kemiske egenskaber ved EWNS for at forbedre deres antibakterielle potentiale. Optimeringen har især fokuseret på at øge deres overfladeladning (for at forbedre målrettet levering) og ROS-indhold (for at forbedre inaktiveringseffektiviteten). Karakterisere optimerede fysisk-kemiske egenskaber (størrelse, ladning og ROS-indhold) ved hjælp af moderne analytiske metoder og anvende almindelige fødevaremikroorganismer såsom E. .
EVNS blev syntetiseret ved samtidig elektrospraying og ionisering af vand med høj renhed (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 høj spænding mellem en metalkapillær og en jordet modelektrode. Under denne proces forekommer to forskellige fænomener: i) elektrospray og ii) vandionisering. Et stærkt elektrisk felt mellem de to elektroder forårsager opbygning af negative ladninger 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 forårsager stærke elektriske felter, at nogle vandmolekyler spalter og afriver elektroner (ioniserer), hvilket fører til dannelsen af ​​en stor mængde reaktive iltarter (ROS)17. Samtidig genereret ROS18 blev indkapslet i EWNS (fig. 1c).
Figur 2a viser EWNS-genereringssystemet, der er udviklet og anvendt i EWNS-syntesen i dette studie. Renset vand opbevaret i en lukket flaske blev ført gennem et teflonrør (2 mm indre 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 teflonkonsol og kan manuelt justeres til en bestemt afstand fra modelektroden. Modelektroden er en poleret aluminiumsskive med et hul i midten til prøveudtagning. Under modelektroden er der en aluminiumsprøvetragt, som er forbundet til resten af ​​​​forsøgsopsætningen via en prøveudtagningsport (figur 2b). For at undgå ladningsophobning, der kan forstyrre prøveudtagerens drift, er alle prøveudtagerens komponenter elektrisk jordforbundet.
(a) Konstrueret vand-nanostrukturgenereringssystem (EWNS). (b) Tværsnit af prøvetageren og elektrosprayen, der viser de vigtigste parametre. (c) Eksperimentel opsætning til bakterieinaktivering.
Det ovenfor beskrevne EWNS-genereringssystem 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 kapillærrøret for at finjustere EWNS-karakteristikaene. Symbol brugt til at repræsentere forskellige kombinationer: [V (kV), L (cm)]. Juster vandstrømmen for at få en stabil Taylor-kegle med et bestemt sæt [V, L]. I denne undersøgelse blev åbningsdiameteren for 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 grundprincipper. 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 ​​kapillærrøret blev brugt som referenceværdi for forskellige konfigurationer.
Under undersøgelsen blev adskillige 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 den supplerende tabel S1.
Udgangen fra EWNS-genereringssystemet blev direkte forbundet 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 tog prøver med en flowhastighed på 0,5 L/min (total prøveflow 1 L/min). Antallet af partikler og aerosolflowet blev målt i 120 sekunder. Målingen gentages 30 gange. Baseret på strømmålinger beregnes den samlede aerosolladning, og den gennemsnitlige EWNS-ladning estimeres for et givet samlet antal udvalgte EWNS-partikler. Den gennemsnitlige omkostning ved 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 flowhastigheden pr. elektrometer.
Da relativ luftfugtighed (RH) påvirker overfladeladningen, blev temperatur og (RH) holdt konstante under eksperimentet på henholdsvis 21 °C og 45 %.
Atomkraftmikroskopi (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 underkastet 1. ordens billedjustering ved hjælp af Asylum-software (maskeområde 100 nm, tærskel 100 pm).
Testtragten blev fjernet, og glimmeroverfladen blev placeret i en afstand af 2,0 cm fra modelektroden i en gennemsnitlig tid på 120 sekunder for at undgå partikelagglomeration 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' kuppelformede diffusionsvolumen 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 anvendt til at detektere tilstedeværelsen af ​​kortlivede radikalmellemprodukter i EWNS. Aerosoler blev boblet gennem en 650 μm Midget-sparger (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 fladskærmscelle. Acquisit-softwaren (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) blev brugt til at indsamle og analysere dataene. Bestemmelse af ROS' karakteristika 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 impaktoren.
Ozonniveauer blev overvåget ved hjælp af en 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Boulder, Colorado)8,9,10.
For alle EWNS-egenskaber anvendes middelværdien som måleværdi, og standardafvigelsen anvendes som målefejl. T-tests blev udført for at sammenligne værdierne af de optimerede EWNS-attributter med de tilsvarende værdier af basis-EWNS'en.
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 "styres" 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 koniske ender og indeholder to parallelle metalplader af rustfrit stål (304 rustfrit stål, spejlbelagt) i midten med en afstand på 15,24 cm. Kortene 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 frontdør, der gør det muligt at placere testoverflader på plastikstandere, der hæver dem over bundpladen for at undgå højspændingsinterferens.
Deponeringseffektiviteten af ​​EWNS i EPES blev beregnet i henhold til en tidligere udviklet protokol beskrevet i supplerende figur S111.
Som kontrolkammer blev et andet cylindrisk strømningskammer serieforbundet 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), relative luftfugtighed (RH) og ozonniveauer.
Vigtige fødevarebårne mikroorganismer har vist sig at kontaminere friske fødevarer såsom E. coli (ATCC #27325), fækal indikator, Salmonella enterica (ATCC #53647), fødevarebåren patogen, Listeria harmless (ATCC #33090), surrogat for den patogene Listeria monocytogenes, afledt af ATCC (Manassas, VA) Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098), en erstatning for fordærvende gær, og en mere resistent inaktiveret bakterie, Mycobacterium paralucky (ATCC #19686).
Køb tilfældige kasser med økologiske cherrytomater fra dit lokale marked og opbevar dem i køleskabet ved 4°C indtil brug (op til 3 dage). De eksperimentelle tomater var alle lige store, cirka 1,25 cm i diameter.
Protokollerne for kultur, podning, eksponering og kimtælling er detaljeret beskrevet i vores tidligere publikation og 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 ved tidspunktet t = 0 min. Tre tomater blev anbragt i EPES og eksponeret for EWNS ved 40.000 #/cc (EWNS-eksponerede tomater), og de resterende tre blev anbragt i kontrolkammeret (kontroltomater). Yderligere bearbejdning 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 eksperiment blev udført i triplikat. Dataanalyse blev udført i henhold til protokollen beskrevet i Supplerende Data.
Inaktiveringsmekanismer blev vurderet ved sedimentation af eksponerede EWNS-prøver (45 min. ved en EWNS-aerosolkoncentration på 40.000 #/cm3) og ikke-bestrålede prøver af de harmløse bakterier E. coli, Salmonella enterica og Lactobacillus. Partiklerne blev fikseret i 2,5% glutaraldehyd, 1,25% paraformaldehyd og 0,03% pikrinsyre i 0,1 M natriumcacodylatbuffer (pH 7,4) i 2 timer ved stuetemperatur. Efter vask fikseres der med 1% osmiumtetroxid (OsO4)/1,5% kaliumferrocyanid (KFeCN6) i 2 timer, vaskes 3 gange i vand og inkuberes i 1% uranylacetat i 1 time, vaskes derefter to gange i vand og dehydreres derefter i 10 minutter i 50%, 70%, 90% og 100% alkohol. Prøverne blev derefter placeret 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 ved hjælp af et konventionelt transmissionselektronmikroskop JEOL 1200EX (JEOL, Tokyo, Japan) udstyret med et AMT 2k CCD-kamera (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, Massachusetts, USA).
Alle eksperimenter blev udført i triplikat. For hvert tidspunkt blev bakterievaske podet i triplikat, 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 bakteriekoncentrationen 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 at 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 logaritmisk reduktion sammenlignet med kontrolgruppen efter 45 minutter også beregnet som følger:
hvor Cn er koncentrationen af ​​bakterier i kontrolprøven på tidspunkt n, og Cn-Control er koncentrationen af ​​kontrolbakterier på tidspunkt n. Data præsenteres som en logaritmisk reduktion sammenlignet med kontrol (ingen EWNS-eksponering).
Under undersøgelsen blev adskillige 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 den supplerende tabel S1. To tilfælde, der viser stabile og reproducerbare egenskaber (Taylor-kegle, EWNS-generering og stabilitet over tid), blev udvalgt til en omfattende undersøgelse. Figur 3 viser resultaterne for ladning, størrelse og indhold 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 tosidet t-test er genoffentliggjort i den supplerende tabel S2. Derudover inkluderer yderligere data undersøgelser af effekten af ​​modelektrodens samplingshuldiameter (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 den målte ioniseringsstrøm under alle ovenstående forhold var mellem 2 og 6 μA og spændingen mellem -3,8 og -6,5 kV, hvilket resulterede i et strømforbrug på mindre end 50 mW for dette enkeltstående 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 scenarierne [-6,5 kV, 4,0 cm] og [-3,8 kV, 0,5 cm]. 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 er forventet, da spændings-afstandsforholdet i det andet tilfælde er meget højere.
Figur 3a og 3b 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]-skemaerne. For scenarierne [-6,5 kV, 4,0 cm] og [-3,8 kV, 0,5 cm] er de geometriske standardafvigelser for fordelingene henholdsvis 1,41 og 1,45, hvilket indikerer en smal størrelsesfordeling. Både den gennemsnitlige størrelse og den geometriske standardafvigelse er meget tæt på baseline-EWNS ved henholdsvis 25 nm og 1,41. Figur 3c viser størrelsesfordelingen af ​​baseline-EWNS målt ved hjælp af samme metode under de samme forhold.
På figur 3d, e vises resultaterne af ladningskarakteriseringen. Dataene 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 ladningsdataene for Baseline-EWNS.
Ud fra koncentrationskortene for EWNS-tallet (supplerende figurer S5 og S6) kan det ses, at scenariet [-6,5 kV, 4,0 cm] har betydeligt 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-generationsstabiliteten viste de samme niveauer af partikeltalkoncentration i begge tilfælde.
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 publiceret arbejde. Antallet af EWNS, der reagerede med spinfælder, blev beregnet til at være 7,5 × 104 EWNS/s, hvilket svarer til det tidligere publicerede Baseline-EWNS8. EPR-spektrene viste tydeligt tilstedeværelsen af ​​to typer ROS, hvor O2- var den dominerende art og OH• var mindre rigelig. Derudover viste en direkte sammenligning af peakintensiteterne, at det optimerede EWNS havde et signifikant højere ROS-indhold sammenlignet med baseline-EWNS.
Figur 4 viser aflejringseffektiviteten 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 ændring i overfladeladning. Under de samme forhold var aflejringseffektiviteten af ​​Baseline-EWNS kun 56% på grund af deres lavere ladning (gennemsnit 10 elektroner pr. EWNS).
Fig. 5 og tabel 2 opsummerer inaktiveringsværdien af ​​mikroorganismer inokuleret på overfladen af ​​tomater efter eksponering for ca. 40.000 #/cm3 EWNS i 45 minutter ved optimal tilstand [-6,5 kV, 4,0 cm]. Inokuleret E. coli og Lactobacillus innocuous viste en signifikant reduktion på 3,8 log 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.
Elektronmikroskopibillederne (Figur 6) viser de fysiske ændringer induceret af EWNS på harmløse Escherichia coli-, Streptococcus- og Lactobacillus-celler, hvilket fører til deres inaktivering. Kontrolbakterierne havde intakte cellemembraner, mens de eksponerede bakterier havde beskadigede ydre membraner.
Elektronmikroskopisk billeddannelse af kontrol- og eksponerede bakterier afslørede membranskader.
Dataene om de fysisk-kemiske egenskaber af de optimerede EWNS viser samlet set, at egenskaberne (overfladeladning og ROS-indhold) af EWNS blev signifikant forbedret sammenlignet med de tidligere offentliggjorte EWNS-basislinjedata8,9,10,11. På den anden side forblev deres størrelse i nanometerområdet, meget lig de tidligere rapporterede resultater, hvilket tillod dem at forblive i luften i lange perioder. Den observerede polydispersitet kan forklares ved ændringer i overfladeladningen, der bestemmer størrelsen af ​​EWNS, tilfældigheden af ​​Rayleigh-effekten og potentiel koalescens. Men som beskrevet af Nielsen et al.22 reducerer en høj overfladeladning fordampning ved effektivt at øge overfladeenergien/spændingen af ​​vanddråben. I vores tidligere publikation8 blev denne teori eksperimentelt bekræftet for mikrodråber22 og EWNS. Tab af ladning i løbet af tiden kan også påvirke størrelsen og bidrage til den observerede størrelsesfordeling.