Vielen Dank für Ihren Besuch auf Nature.com.Die von Ihnen verwendete Browserversion bietet eingeschränkte CSS-Unterstützung.Für ein optimales Erlebnis empfehlen wir die Verwendung eines aktualisierten Browsers (oder die Deaktivierung des Kompatibilitätsmodus im Internet Explorer).Um weiterhin Support zu gewährleisten, werden wir die Website in der Zwischenzeit ohne Stile und JavaScript rendern.
Ein Karussell, das drei Folien gleichzeitig zeigt.Verwenden Sie die Schaltflächen „Zurück“ und „Weiter“, um durch drei Folien gleichzeitig zu navigieren, oder verwenden Sie die Schieberegler am Ende, um durch drei Folien gleichzeitig zu navigieren.
Kürzlich wurde eine chemikalienfreie antimikrobielle Plattform entwickelt, die auf Nanotechnologie unter Verwendung künstlicher Wassernanostrukturen (EWNS) basiert.EWNS haben eine hohe Oberflächenladung und sind mit reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) gesättigt, die mit einer Reihe von Mikroorganismen, einschließlich lebensmittelbedingter Krankheitserreger, interagieren und diese inaktivieren können.Hier wird gezeigt, dass ihre Eigenschaften während der Synthese fein abgestimmt und optimiert werden können, um ihr antibakterielles Potenzial weiter zu steigern.Die EWNS-Laborplattform wurde entwickelt, um die Eigenschaften von EWNS durch Änderung der Syntheseparameter zu optimieren.Charakterisierung von EWNS-Eigenschaften (Ladung, Größe und Gehalt an ROS) mithilfe moderner Analysemethoden.Darüber hinaus wurden sie auf ihr mikrobielles Inaktivierungspotenzial gegen lebensmittelbedingte Mikroorganismen wie Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocuous, Mycobacterium paraaccidentum und Saccharomyces cerevisiae untersucht.Die hier präsentierten Ergebnisse zeigen, dass die Eigenschaften von EWNS während der Synthese fein abgestimmt werden können, was zu einer exponentiellen Steigerung der Inaktivierungseffizienz führt.Insbesondere stieg die Oberflächenladung um den Faktor vier und die reaktiven Sauerstoffspezies nahmen zu.Die mikrobielle Entfernungsrate war mikrobiell abhängig und lag zwischen 1,0 und 3,8 log nach einer 45-minütigen Exposition gegenüber einer Aerosoldosis von 40.000 #/cc EWNS.
Mikrobielle Kontamination ist die Hauptursache für lebensmittelbedingte Erkrankungen, die durch die Aufnahme von Krankheitserregern oder deren Toxinen verursacht werden.Allein in den Vereinigten Staaten verursachen lebensmittelbedingte Krankheiten jedes Jahr etwa 76 Millionen Erkrankungen, 325.000 Krankenhauseinweisungen und 5.000 Todesfälle1.Darüber hinaus schätzt das US-Landwirtschaftsministerium (USDA), dass der erhöhte Konsum von Frischprodukten für 48 % aller gemeldeten lebensmittelbedingten Krankheiten in den Vereinigten Staaten verantwortlich ist2.Die durch lebensmittelbedingte Krankheitserreger verursachten Krankheits- und Todeskosten sind in den Vereinigten Staaten sehr hoch und werden von den Centers for Disease Control and Prevention (CDC) auf mehr als 15,6 Milliarden US-Dollar pro Jahr geschätzt3.
Derzeit werden chemische4, Strahlung5 und thermische6 antimikrobielle Eingriffe zur Gewährleistung der Lebensmittelsicherheit meist an begrenzten kritischen Kontrollpunkten (CCPs) entlang der Produktionskette (normalerweise nach der Ernte und/oder während der Verpackung) und nicht kontinuierlich durchgeführt.Daher sind sie anfällig für Kreuzkontaminationen.7. Eine bessere Kontrolle von durch Lebensmittel verursachten Krankheiten und Lebensmittelverderb erfordert antimikrobielle Maßnahmen, die potenziell im gesamten Kontinuum vom Erzeuger bis zum Verbraucher eingesetzt werden können und gleichzeitig die Auswirkungen auf die Umwelt und die Kosten reduzieren.
Kürzlich wurde eine chemikalienfreie, auf Nanotechnologie basierende antimikrobielle Plattform entwickelt, die Oberflächen- und Luftbakterien mithilfe künstlicher Wassernanostrukturen (EWNS) inaktivieren kann.EWNS wurde mithilfe von zwei parallelen Prozessen synthetisiert: Elektrospray und Wasserionisierung (Abb. 1a).Frühere Studien haben gezeigt, dass EWNS über einzigartige physikalische und biologische Eigenschaften verfügen8,9,10.EWNS haben durchschnittlich 10 Elektronen pro Struktur und eine durchschnittliche Nanogröße von 25 nm (Abb. 1b, c)8,9,10.Darüber hinaus zeigte die Elektronenspinresonanz (ESR), dass EWNS eine große Menge reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) enthält, hauptsächlich Hydroxyl- (OH•) und Superoxidradikale (O2-) (Abb. 1c)8.EVNS befindet sich lange Zeit in der Luft und kann mit in der Luft schwebenden und an der Oberfläche vorhandenen Mikroorganismen kollidieren, ihre ROS-Nutzlast abgeben und zur Inaktivierung von Mikroorganismen führen (Abb. 1d).Diese frühen Studien zeigten auch, dass EWNS mit verschiedenen gramnegativen und grampositiven Bakterien, einschließlich Mykobakterien, auf Oberflächen und in der Luft interagieren und diese inaktivieren kann.Transmissionselektronenmikroskopie zeigte, dass die Inaktivierung durch eine Zerstörung der Zellmembran verursacht wurde.Darüber hinaus haben akute Inhalationsstudien gezeigt, dass hohe EWNS-Dosen keine Lungenschäden oder Entzündungen verursachen 8 .
(a) Elektrospray tritt auf, wenn eine Hochspannung zwischen einem Kapillarröhrchen mit Flüssigkeit und einer Gegenelektrode angelegt wird.(b) Die Anwendung von hohem Druck führt zu zwei verschiedenen Phänomenen: (i) Elektrosprühen von Wasser und (ii) Bildung reaktiver Sauerstoffspezies (Ionen), die im EWNS eingeschlossen sind.(c) Die einzigartige Struktur von EWNS.(d) Aufgrund ihrer nanoskaligen Beschaffenheit sind EWNS hochmobil und können mit in der Luft befindlichen Krankheitserregern interagieren.
Kürzlich wurde auch die Fähigkeit der antimikrobiellen Plattform EWNS nachgewiesen, lebensmittelbedingte Mikroorganismen auf der Oberfläche frischer Lebensmittel zu inaktivieren.Es hat sich auch gezeigt, dass die Oberflächenladung von EWNS in Kombination mit einem elektrischen Feld genutzt werden kann, um eine gezielte Abgabe zu erreichen.Darüber hinaus waren vorläufige Ergebnisse für Bio-Tomaten nach einer 90-minütigen Exposition bei einem EWNS von etwa 50.000 #/cm3 ermutigend, wobei verschiedene lebensmittelbedingte Mikroorganismen wie E. coli und Listeria 11 beobachtet wurden.Darüber hinaus zeigten vorläufige organoleptische Tests im Vergleich zu Kontrolltomaten keine sensorischen Auswirkungen.Obwohl diese ersten Inaktivierungsergebnisse selbst bei sehr niedrigen EWNS-Dosen von 50.000 #/cm³ für Anwendungen im Bereich der Lebensmittelsicherheit ermutigend sind.Es ist klar, dass ein höheres Inaktivierungspotenzial vorteilhafter wäre, um das Infektions- und Verderbsrisiko weiter zu verringern.
Hier werden wir unsere Forschung auf die Entwicklung einer EWNS-Generierungsplattform konzentrieren, um eine Feinabstimmung der Syntheseparameter und eine Optimierung der physikalisch-chemischen Eigenschaften von EWNS zu ermöglichen, um ihr antibakterielles Potenzial zu verbessern.Die Optimierung konzentrierte sich insbesondere auf die Erhöhung ihrer Oberflächenladung (zur Verbesserung der gezielten Abgabe) und des ROS-Gehalts (zur Verbesserung der Inaktivierungseffizienz).Charakterisieren Sie optimierte physikalisch-chemische Eigenschaften (Größe, Ladung und ROS-Gehalt) mithilfe moderner Analysemethoden und verwenden Sie gängige Lebensmittelmikroorganismen wie E. .
EVNS wurde durch gleichzeitiges Elektrosprühen und Ionisieren von hochreinem Wasser (18 MΩ cm–1) synthetisiert.Der elektrische Zerstäuber 12 wird typischerweise zur Zerstäubung von Flüssigkeiten und zur Synthese von Polymer- und Keramikpartikeln 13 und Fasern 14 kontrollierter Größe verwendet.
Wie in früheren Veröffentlichungen 8, 9, 10, 11 beschrieben, wurde in einem typischen Experiment eine Hochspannung zwischen einer Metallkapillare und einer geerdeten Gegenelektrode angelegt.Während dieses Prozesses treten zwei verschiedene Phänomene auf: i) Elektrospray und ii) Wasserionisierung.Ein starkes elektrisches Feld zwischen den beiden Elektroden führt dazu, dass sich auf der Oberfläche des kondensierten Wassers negative Ladungen aufbauen, was zur Bildung von Taylor-Kegeln führt.Dadurch entstehen hoch geladene Wassertröpfchen, die wie in der Rayleigh-Theorie16 immer wieder in kleinere Teilchen zerfallen.Gleichzeitig bewirken starke elektrische Felder, dass einige Wassermoleküle Elektronen abspalten (ionisieren), was zur Bildung einer großen Menge reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) führt17.Gleichzeitig erzeugtes ROS18 wurde in EWNS eingekapselt (Abb. 1c).
Auf Abb.2a zeigt das EWNS-Erzeugungssystem, das in dieser Studie entwickelt und in der EWNS-Synthese verwendet wurde.In einer geschlossenen Flasche aufbewahrtes gereinigtes Wasser wurde durch ein Teflonrohr (2 mm Innendurchmesser) in eine 30G-Edelstahlnadel (Metallkapillare) geleitet.Der Wasserfluss wird durch den Luftdruck in der Flasche gesteuert, wie in Abbildung 2b dargestellt.Die Nadel ist auf einer Teflonkonsole montiert und kann manuell auf einen bestimmten Abstand zur Gegenelektrode eingestellt werden.Die Gegenelektrode ist eine polierte Aluminiumscheibe mit einem Loch in der Mitte zur Probenentnahme.Unterhalb der Gegenelektrode befindet sich ein Probenahmetrichter aus Aluminium, der über einen Probenahmeanschluss mit dem restlichen Versuchsaufbau verbunden ist (Abb. 2b).Um einen Ladungsaufbau zu vermeiden, der den Probennehmerbetrieb stören könnte, sind alle Probennehmerkomponenten elektrisch geerdet.
(a) Engineered Water Nanostructure Generation System (EWNS).(b) Querschnitt des Probenehmers und des Elektrosprays mit Darstellung der wichtigsten Parameter.(c) Versuchsaufbau zur Bakterieninaktivierung.
Das oben beschriebene EWNS-Generierungssystem ist in der Lage, wichtige Betriebsparameter zu ändern, um eine Feinabstimmung der EWNS-Eigenschaften zu erleichtern.Passen Sie die angelegte Spannung (V), den Abstand zwischen der Nadel und der Gegenelektrode (L) und den Wasserfluss (φ) durch die Kapillare an, um die EWNS-Eigenschaften zu optimieren.Symbol zur Darstellung verschiedener Kombinationen: [V (kV), L (cm)].Passen Sie den Wasserfluss an, um einen stabilen Taylor-Kegel mit einem bestimmten Satz [V, L] zu erhalten.Für die Zwecke dieser Studie wurde der Öffnungsdurchmesser der Gegenelektrode (D) auf 0,5 Zoll (1,29 cm) gehalten.
Aufgrund der begrenzten Geometrie und Asymmetrie kann die elektrische Feldstärke nicht nach ersten Prinzipien berechnet werden.Stattdessen wurde die QuickField™-Software (Svendborg, Dänemark)19 zur Berechnung des elektrischen Feldes verwendet.Das elektrische Feld ist nicht gleichmäßig, daher wurde der Wert des elektrischen Feldes an der Spitze der Kapillare als Referenzwert für verschiedene Konfigurationen verwendet.
Während der Studie wurden mehrere Kombinationen aus Spannung und Abstand zwischen der Nadel und der Gegenelektrode im Hinblick auf die Bildung des Taylor-Kegels, die Stabilität des Taylor-Kegels, die Stabilität der EWNS-Produktion und die Reproduzierbarkeit bewertet.Verschiedene Kombinationen sind in der Ergänzungstabelle S1 aufgeführt.
Der Ausgang des EWNS-Erzeugungssystems wurde direkt an einen Scanning Mobility Particle Size Analyzer (SMPS, Modell 3936, TSI, Shoreview, MN) zur Messung der Partikelanzahlkonzentration sowie an ein Aerosol-Faraday-Elektrometer (TSI, Modell 3068B, Shoreview, MN) angeschlossen.) für Aerosolströme wurde wie in unserer vorherigen Veröffentlichung beschrieben gemessen.Sowohl das SMPS als auch das Aerosolelektrometer nahmen Proben mit einer Durchflussrate von 0,5 l/min (Gesamtprobenfluss 1 l/min).Die Anzahlkonzentration der Partikel und der Aerosolfluss wurden 120 Sekunden lang gemessen.Die Messung wird 30 Mal wiederholt.Basierend auf aktuellen Messungen wird die gesamte Aerosolladung berechnet und die durchschnittliche EWNS-Ladung für eine gegebene Gesamtzahl ausgewählter EWNS-Partikel geschätzt.Die durchschnittlichen Kosten von EWNS können mit Gleichung (1) berechnet werden:
Dabei ist IEl der gemessene Strom, NSMPS die mit dem SMPS gemessene digitale Konzentration und φEl die Durchflussrate pro Elektrometer.
Da die relative Luftfeuchtigkeit (RH) die Oberflächenladung beeinflusst, wurden Temperatur und (RH) während des Experiments konstant bei 21 °C bzw. 45 % gehalten.
Rasterkraftmikroskopie (AFM), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Santa Barbara, CA) und AC260T-Sonde (Olympus, Tokio, Japan) wurden verwendet, um die Größe und Lebensdauer des EWNS zu messen.Die AFM-Scanfrequenz betrug 1 Hz, der Scanbereich betrug 5 μm × 5 μm und 256 Scanlinien.Alle Bilder wurden einer Bildausrichtung 1. Ordnung mit der Asylum-Software unterzogen (Maskenbereich 100 nm, Schwelle 100 μm).
Der Testtrichter wurde entfernt und die Glimmeroberfläche für eine Mittelungszeit von 120 s in einem Abstand von 2,0 cm von der Gegenelektrode platziert, um eine Partikelagglomeration und die Bildung unregelmäßiger Tröpfchen auf der Glimmeroberfläche zu vermeiden.EWNS wurde direkt auf die Oberfläche von frisch geschnittenem Glimmer gesprüht (Ted Pella, Redding, CA).Bild der Glimmeroberfläche unmittelbar nach dem AFM-Sputtern.Der Kontaktwinkel der Oberfläche von frisch geschnittenem unmodifiziertem Glimmer liegt nahe bei 0°, sodass EVNS kuppelförmig auf der Glimmeroberfläche verteilt ist.Der Durchmesser (a) und die Höhe (h) der diffundierenden Tröpfchen wurden direkt anhand der AFM-Topographie gemessen und zur Berechnung des gewölbten Diffusionsvolumens des EWNS mithilfe unserer zuvor validierten Methode verwendet.Unter der Annahme, dass die EWNS an Bord das gleiche Volumen haben, kann der äquivalente Durchmesser mithilfe von Gleichung (2) berechnet werden:
Basierend auf unserer zuvor entwickelten Methode wurde eine Elektronenspinresonanz-Spinfalle (ESR) verwendet, um das Vorhandensein kurzlebiger radikalischer Zwischenprodukte in EWNS nachzuweisen.Aerosole wurden durch einen 650 μm Midget-Sparger (Ace Glass, Vineland, NJ) geleitet, der eine 235 mM Lösung von DEPMPO(5-(Diethoxyphosphoryl)-5-methyl-1-pyrrolin-N-oxid) (Oxis International Inc.) enthielt.Portland, Oregon).Alle ESR-Messungen wurden mit einem Bruker EMX-Spektrometer (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) und einer Flachbildschirmzelle durchgeführt.Zum Sammeln und Analysieren der Daten wurde die Acquisit-Software (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) verwendet.Die Bestimmung der Eigenschaften des ROS wurde nur für eine Reihe von Betriebsbedingungen [-6,5 kV, 4,0 cm] durchgeführt.Die EWNS-Konzentrationen wurden mit dem SMPS gemessen, nachdem EWNS-Verluste im Impaktor berücksichtigt wurden.
Der Ozongehalt wurde mit einem 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Boulder, Co)8,9,10 überwacht.
Für alle EWNS-Eigenschaften wird der Mittelwert als Messwert und die Standardabweichung als Messfehler verwendet.Es wurden T-Tests durchgeführt, um die Werte der optimierten EWNS-Attribute mit den entsprechenden Werten des Basis-EWNS zu vergleichen.
Abbildung 2c zeigt ein zuvor entwickeltes und charakterisiertes „Pull“-System für elektrostatische Fällung (EPES), das für die gezielte Abgabe von EWNS an der Oberfläche verwendet werden kann.EPES nutzt EVNS-Ladungen, die unter dem Einfluss eines starken elektrischen Feldes direkt zur Oberfläche des Ziels „gelenkt“ werden können.Einzelheiten zum EPES-System werden in einer aktuellen Veröffentlichung von Pyrgiotakis et al. vorgestellt.11 .Somit besteht EPES aus einer 3D-gedruckten PVC-Kammer mit konischen Enden und enthält zwei parallele Metallplatten aus Edelstahl (Edelstahl 304, spiegelbeschichtet) in der Mitte im Abstand von 15,24 cm.Die Platinen wurden an eine externe Hochspannungsquelle (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY) angeschlossen, die untere Platte war immer mit positiver Spannung verbunden und die obere Platte war immer mit Erde (schwebende Erde) verbunden.Die Kammerwände sind mit Aluminiumfolie bedeckt, die elektrisch geerdet ist, um Partikelverlust zu verhindern.Die Kammer verfügt über eine versiegelte vordere Ladetür, die es ermöglicht, Testoberflächen auf Kunststoffständern zu platzieren, die sie über die untere Metallplatte anheben, um Hochspannungsstörungen zu vermeiden.
Die Ablagerungseffizienz von EWNS in EPES wurde gemäß einem zuvor entwickelten Protokoll berechnet, das in der ergänzenden Abbildung S111 detailliert beschrieben ist.
Als Kontrollkammer wurde eine zweite zylindrische Durchflusskammer in Reihe mit dem EPES-System verbunden, in der ein zwischengeschalteter HEPA-Filter zur Entfernung von EWNS eingesetzt wurde.Wie in Abbildung 2c dargestellt, wurde das EWNS-Aerosol durch zwei eingebaute Kammern gepumpt.Der Filter zwischen dem Kontrollraum und EPES entfernt alle verbleibenden EWNS, was zu gleichen Temperaturen (T), relativer Luftfeuchtigkeit (RH) und gleichen Ozonwerten führt.
Es wurde festgestellt, dass wichtige lebensmittelbedingte Mikroorganismen frische Lebensmittel kontaminieren, wie E. coli (ATCC #27325), Fäkalienindikator, Salmonella enterica (ATCC #53647), lebensmittelbedingter Krankheitserreger, Listeria harmless (ATCC #33090), Ersatz für pathogene Listeria monocytogenes, abgeleitet von ATCC (Manassas, VA) Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098), ein Ersatz für verderbliche Hefe, und ein resistenteres inaktiviertes Bakterium, Mycobacterium paralucky (ATCC #19686).
Kaufen Sie zufällige Kartons mit Bio-Traubentomaten auf Ihrem lokalen Markt und kühlen Sie sie bis zur Verwendung (bis zu 3 Tage) bei 4 °C.Die Versuchstomaten waren alle gleich groß und hatten einen Durchmesser von etwa 1/2 Zoll.
Die Kultur-, Inokulations-, Expositions- und Koloniezahlprotokolle sind in unserer vorherigen Veröffentlichung und in den ergänzenden Daten detailliert beschrieben.Die Wirksamkeit von EWNS wurde bewertet, indem inokulierte Tomaten 45 Minuten lang 40.000 #/cm3 ausgesetzt wurden.Kurz gesagt wurden drei Tomaten verwendet, um die überlebenden Mikroorganismen zum Zeitpunkt t = 0 Minuten zu bewerten.Drei Tomaten wurden in EPES gegeben und EWNS bei 40.000 #/cc ausgesetzt (EWNS-exponierte Tomaten) und die restlichen drei wurden in die Kontrollkammer gegeben (Kontrolltomaten).Eine zusätzliche Verarbeitung von Tomaten wurde in beiden Gruppen nicht durchgeführt.EWNS-exponierte Tomaten und Kontrolltomaten wurden nach 45 Minuten entfernt, um die Wirkung von EWNS zu bewerten.
Jedes Experiment wurde dreifach durchgeführt.Die Datenanalyse wurde gemäß dem in den Zusatzdaten beschriebenen Protokoll durchgeführt.
Die Inaktivierungsmechanismen wurden durch Sedimentation exponierter EWNS-Proben (45 Minuten bei 40.000 #/cm3 EWNS-Aerosolkonzentration) und unbestrahlter Proben harmloser Bakterien E. coli, Salmonella enterica und Lactobacillus bewertet.Die Partikel wurden in 2,5 % Glutaraldehyd, 1,25 % Paraformaldehyd und 0,03 % Pikrinsäure in 0,1 M Natriumkacodylatpuffer (pH 7,4) 2 Stunden lang bei Raumtemperatur fixiert.Nach dem Waschen 2 Stunden lang mit 1 % Osmiumtetroxid (OsO4)/1,5 % Kaliumferrocyanid (KFeCN6) nachfixieren, dreimal in Wasser waschen und 1 Stunde lang in 1 % Uranylacetat inkubieren, dann zweimal in Wasser waschen und dann 10 Minuten lang in 50 %, 70 %, 90 %, 100 % Alkohol dehydrieren.Anschließend wurden die Proben 1 Stunde lang in Propylenoxid gelegt und mit einer 1:1-Mischung aus Propylenoxid und TAAP Epon (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA) imprägniert.Die Proben wurden in TAAB Epon eingebettet und 48 Stunden lang bei 60 °C polymerisiert.Das ausgehärtete körnige Harz wurde geschnitten und durch TEM unter Verwendung eines herkömmlichen Transmissionselektronenmikroskops JEOL 1200EX (JEOL, Tokio, Japan) sichtbar gemacht, das mit einer AMT 2k CCD-Kamera (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, Massachusetts, USA) ausgestattet war.
Alle Experimente wurden dreifach durchgeführt.Für jeden Zeitpunkt wurden Bakterienwaschflüssigkeiten in dreifacher Ausfertigung ausgesät, was zu insgesamt neun Datenpunkten pro Punkt führte, deren Durchschnitt als Bakterienkonzentration für diesen bestimmten Mikroorganismus verwendet wurde.Als Messfehler wurde die Standardabweichung verwendet.Alle Punkte zählen.
Der Logarithmus der Abnahme der Bakterienkonzentration gegenüber t = 0 min wurde nach folgender Formel berechnet:
Dabei ist C0 die Bakterienkonzentration in der Kontrollprobe zum Zeitpunkt 0 (dh nachdem die Oberfläche getrocknet ist, aber bevor sie in die Kammer gegeben wird) und Cn die Bakterienkonzentration auf der Oberfläche nach n Minuten Exposition.
Um den natürlichen Abbau von Bakterien während der 45-minütigen Exposition zu berücksichtigen, wurde die logarithmische Reduzierung im Vergleich zur Kontrolle nach 45 Minuten auch wie folgt berechnet:
Dabei ist Cn die Bakterienkonzentration in der Kontrollprobe zum Zeitpunkt n und Cn-Kontrolle die Konzentration der Kontrollbakterien zum Zeitpunkt n.Die Daten werden als logarithmische Reduktion im Vergleich zur Kontrolle (keine EWNS-Exposition) dargestellt.
Während der Studie wurden mehrere Kombinationen aus Spannung und Abstand zwischen der Nadel und der Gegenelektrode im Hinblick auf die Bildung des Taylor-Kegels, die Stabilität des Taylor-Kegels, die Stabilität der EWNS-Produktion und die Reproduzierbarkeit bewertet.Verschiedene Kombinationen sind in der Ergänzungstabelle S1 aufgeführt.Für eine umfassende Untersuchung wurden zwei Fälle ausgewählt, die stabile und reproduzierbare Eigenschaften zeigten (Taylor-Kegel, EWNS-Erzeugung und Stabilität über die Zeit).Auf Abb.Abbildung 3 zeigt die Ergebnisse für Ladung, Größe und Gehalt an ROS in beiden Fällen.Die Ergebnisse sind auch in Tabelle 1 aufgeführt. Als Referenz enthalten sowohl Abbildung 3 als auch Tabelle 1 die Eigenschaften der zuvor synthetisierten nicht optimierten EWNS8, 9, 10, 11 (Basis-EWNS).Statistische Signifikanzberechnungen unter Verwendung eines zweiseitigen t-Tests werden in der Ergänzungstabelle S2 erneut veröffentlicht.Darüber hinaus umfassen die zusätzlichen Daten Studien zum Einfluss des Probenlochdurchmessers (D) der Gegenelektrode und des Abstands zwischen Erdungselektrode und Spitze (L) (Ergänzende Abbildungen S2 und S3).
(ac) Größenverteilung gemessen mit AFM.(df) Oberflächenladungscharakteristik.(g) ROS-Charakterisierung des EPR.
Es ist auch wichtig zu beachten, dass unter allen oben genannten Bedingungen der gemessene Ionisationsstrom zwischen 2 und 6 μA und die Spannung zwischen -3,8 und -6,5 kV lag, was zu einem Stromverbrauch von weniger als 50 mW für dieses einzelne Kontaktmodul der EWNS-Generation führte.Obwohl EWNS unter hohem Druck synthetisiert wurde, waren die Ozonwerte sehr niedrig und überstiegen nie 60 ppb.
Ergänzende Abbildung S4 zeigt die simulierten elektrischen Felder für die Szenarien [-6,5 kV, 4,0 cm] bzw. [-3,8 kV, 0,5 cm].Für die Szenarien [-6,5 kV, 4,0 cm] und [-3,8 kV, 0,5 cm] betragen die Feldberechnungen 2 × 105 V/m bzw. 4,7 × 105 V/m.Dies ist zu erwarten, da im zweiten Fall das Spannungs-Abstands-Verhältnis viel höher ist.
Auf Abb.3a,b zeigt den mit dem AFM8 gemessenen EWNS-Durchmesser.Die berechneten durchschnittlichen EWNS-Durchmesser betrugen 27 nm bzw. 19 nm für die Schemata [-6,5 kV, 4,0 cm] und [-3,8 kV, 0,5 cm].Für die Szenarien [-6,5 kV, 4,0 cm] und [-3,8 kV, 0,5 cm] betragen die geometrischen Standardabweichungen der Verteilungen 1,41 bzw. 1,45, was auf eine enge Größenverteilung hinweist.Sowohl die mittlere Größe als auch die geometrische Standardabweichung liegen mit 25 nm bzw. 1,41 sehr nahe an der EWNS-Basislinie.Auf Abb.3c zeigt die Größenverteilung des Basis-EWNS, gemessen mit derselben Methode unter denselben Bedingungen.
Auf Abb.3d,e zeigt die Ergebnisse der Ladungscharakterisierung.Bei den Daten handelt es sich um Durchschnittsmessungen von 30 gleichzeitigen Messungen der Konzentration (#/cm3) und des Stroms (I).Die Analyse zeigt, dass die durchschnittliche Ladung auf dem EWNS 22 ± 6 e- und 44 ± 6 e- für [-6,5 kV, 4,0 cm] bzw. [-3,8 kV, 0,5 cm] beträgt.Sie haben deutlich höhere Oberflächenladungen im Vergleich zu Basis-EWNS (10 ± 2 e-), zwei Mal höher als das Szenario [-6,5 kV, 4,0 cm] und viermal höher als das Szenario [-3,8 kV, 0,5 cm].Abbildung 3f zeigt die Ladung.Daten für Baseline-EWNS.
Aus den Konzentrationskarten der EWNS-Zahl (Ergänzende Abbildungen S5 und S6) ist ersichtlich, dass das Szenario [-6,5 kV, 4,0 cm] deutlich mehr Partikel aufweist als das Szenario [-3,8 kV, 0,5 cm].Es ist auch erwähnenswert, dass die EWNS-Anzahlkonzentration bis zu 4 Stunden lang überwacht wurde (Ergänzende Abbildungen S5 und S6), wobei die Stabilität der EWNS-Generation in beiden Fällen die gleichen Werte der Partikelanzahlkonzentration zeigte.
Auf Abb.3g zeigt das EPR-Spektrum nach Subtraktion der optimierten EWNS-Kontrolle (Hintergrund) bei [-6,5 kV, 4,0 cm].Die ROS-Spektren wurden auch in einer zuvor veröffentlichten Arbeit mit dem Baseline-EWNS-Szenario verglichen.Die Anzahl der mit Spinfallen reagierenden EWNS wurde mit 7,5 × 104 EWNS/s berechnet, was dem zuvor veröffentlichten Baseline-EWNS8 ähnelt.Die EPR-Spektren zeigten deutlich das Vorhandensein von zwei Arten von ROS, wobei O2- die vorherrschende Spezies und OH• weniger häufig vorkam.Darüber hinaus zeigte ein direkter Vergleich der Spitzenintensitäten, dass das optimierte EWNS im Vergleich zum Basis-EWNS einen deutlich höheren ROS-Gehalt aufwies.
Auf Abb.4 zeigt die Abscheidungseffizienz von EWNS in EPES.Die Daten sind auch in Tabelle I zusammengefasst und mit den ursprünglichen EWNS-Daten verglichen.In beiden Fällen von EUNS beträgt die Abscheidung selbst bei einer niedrigen Spannung von 3,0 kV nahezu 100 %.Normalerweise reichen 3,0 kV für eine 100-prozentige Abscheidung aus, unabhängig von der Änderung der Oberflächenladung.Unter den gleichen Bedingungen betrug die Abscheidungseffizienz von Baseline-EWNS aufgrund ihrer geringeren Ladung (durchschnittlich 10 Elektronen pro EWNS) nur 56 %.
Auf Abb.5 und in der Tabelle.2 fasst den Inaktivierungswert von Mikroorganismen zusammen, die auf die Oberfläche von Tomaten geimpft wurden, nachdem sie 45 Minuten lang etwa 40.000 #/cm3 EWNS im optimalen Modus [-6,5 kV, 4,0 cm] ausgesetzt wurden.Inokulierte E. coli und Lactobacillus harmlos zeigten während der 45-minütigen Exposition eine signifikante Reduzierung um 3,8 Logs.Unter den gleichen Bedingungen kam es bei S. enterica zu einem Rückgang um 2,2 log, während bei S. cerevisiae und M. parafortutum ein Rückgang um 1,0 log auftrat.
Die elektronenmikroskopischen Aufnahmen (Abbildung 6) zeigen die physikalischen Veränderungen, die EWNS an harmlosen Escherichia coli-, Streptococcus- und Lactobacillus-Zellen hervorruft und zu deren Inaktivierung führt.Die Kontrollbakterien hatten intakte Zellmembranen, während die exponierten Bakterien beschädigte Außenmembranen aufwiesen.
Elektronenmikroskopische Aufnahmen von Kontrollbakterien und exponierten Bakterien zeigten Membranschäden.
Die Daten zu den physikalisch-chemischen Eigenschaften des optimierten EWNS zeigen insgesamt, dass die Eigenschaften (Oberflächenladung und ROS-Gehalt) des EWNS im Vergleich zu den zuvor veröffentlichten EWNS-Basisdaten deutlich verbessert wurden8,9,10,11.Andererseits blieb ihre Größe im Nanometerbereich, was den zuvor berichteten Ergebnissen sehr ähnlich war, was es ihnen ermöglichte, über lange Zeiträume in der Luft zu bleiben.Die beobachtete Polydispersität kann durch Änderungen der Oberflächenladung erklärt werden, die die Größe von EWNS, die Zufälligkeit des Rayleigh-Effekts und mögliche Koaleszenz bestimmen.Wie jedoch von Nielsen et al.22: Eine hohe Oberflächenladung reduziert die Verdunstung, indem sie die Oberflächenenergie/Spannung des Wassertropfens effektiv erhöht.In unserer vorherigen Veröffentlichung8 wurde diese Theorie experimentell für Mikrotröpfchen 22 und EWNS bestätigt.Auch ein Ladungsverlust im Laufe der Zeit kann sich auf die Größe auswirken und zur beobachteten Größenverteilung beitragen.