Kiitos vierailustasi Nature.comissa.Käyttämässäsi selainversiossa on rajoitettu CSS-tuki.Parhaan kokemuksen saamiseksi suosittelemme käyttämään päivitettyä selainta (tai poistamaan Yhteensopivuustila käytöstä Internet Explorerissa).Sillä välin varmistaaksemme jatkuvan tuen hahmonnamme sivuston ilman tyylejä ja JavaScriptiä.
Karuselli, jossa näkyy kolme diaa samanaikaisesti.Käytä Edellinen- ja Seuraava-painikkeita siirtyäksesi kolmen dian läpi kerrallaan tai käytä lopussa olevia liukusäädinpainikkeita siirtyäksesi kolmen dian läpi kerrallaan.
Äskettäin on kehitetty nanoteknologiaan perustuva kemikaaliton antimikrobinen alusta, jossa käytetään keinotekoisia veden nanorakenteita (EWNS).EWNS:llä on korkea pintavaraus ja ne on kyllästetty reaktiivisilla happilajeilla (ROS), jotka voivat olla vuorovaikutuksessa useiden mikro-organismien kanssa ja inaktivoida niitä, mukaan lukien elintarvikevälitteiset patogeenit.Tässä osoitetaan, että niiden ominaisuuksia synteesin aikana voidaan hienosäätää ja optimoida niiden antibakteerisen potentiaalin parantamiseksi.EWNS-laboratorioalusta on suunniteltu hienosäätämään EWNS:n ominaisuuksia muuttamalla synteesiparametreja.EWNS-ominaisuuksien (ROS:n varaus, koko ja sisältö) karakterisointi nykyaikaisilla analyyttisilla menetelmillä.Lisäksi arvioitiin niiden mikrobien inaktivointipotentiaali elintarvikevälitteisiä mikro-organismeja, kuten Escherichia colia, Salmonella entericaa, Listeria innocuousia, Mycobacterium paraaccidentumia ja Saccharomyces cerevisiaea vastaan.Tässä esitetyt tulokset osoittavat, että EWNS:n ominaisuuksia voidaan hienosäätää synteesin aikana, mikä johtaa eksponentiaaliseen kasvuun inaktivointitehokkuudessa.Erityisesti pintavaraus kasvoi nelinkertaiseksi ja reaktiiviset happilajit lisääntyivät.Mikrobien poistonopeus oli mikrobista riippuvainen ja vaihteli välillä 1,0 - 3,8 log 45 minuutin altistuksen jälkeen 40 000 #/cc EWNS:n aerosoliannokselle.
Mikrobikontaminaatio on pääasiallinen syy ruokaperäisiin sairauksiin, jotka johtuvat taudinaiheuttajien tai niiden toksiinien nauttimisesta.Pelkästään Yhdysvalloissa ruokaperäiset sairaudet aiheuttavat vuosittain noin 76 miljoonaa sairautta, 325 000 sairaalahoitoa ja 5 000 kuolemaa1.Lisäksi Yhdysvaltain maatalousministeriö (USDA) arvioi, että tuoretuotteiden lisääntynyt kulutus on syynä 48 %:iin kaikista raportoiduista elintarvikeperäisistä sairauksista Yhdysvalloissa2.Elintarvikevälitteisten patogeenien aiheuttamien sairauksien ja kuoleman kustannukset Yhdysvalloissa ovat erittäin korkeat, ja Centers for Disease Control and Prevention (CDC) arvioi, että ne ovat yli 15,6 miljardia dollaria vuodessa3.
Tällä hetkellä kemialliset4, säteilyn5 ja lämmön6 antimikrobiset toimenpiteet elintarvikkeiden turvallisuuden varmistamiseksi suoritetaan enimmäkseen rajoitetuissa kriittisissä valvontapisteissä (CCP) koko tuotantoketjussa (yleensä sadonkorjuun jälkeen ja/tai pakkaamisen aikana) eikä jatkuvasti.siten ne ovat alttiita ristikontaminaatiolle.7. Elintarvikeperäisten sairauksien ja ruoan pilaantumisen parempi hallinta edellyttää antimikrobisia toimenpiteitä, joita voidaan mahdollisesti soveltaa koko maatilalta pöytään ja samalla vähentää ympäristövaikutuksia ja kustannuksia.
Äskettäin on kehitetty kemikaaliton, nanoteknologiaan perustuva antimikrobinen alusta, joka voi inaktivoida pinnalla ja ilmassa leviäviä bakteereja käyttämällä keinotekoisia veden nanorakenteita (EWNS).EWNS syntetisoitiin käyttämällä kahta rinnakkaista prosessia, sähkösumutusta ja vesiionisaatiota (kuvio la).Aiemmat tutkimukset ovat osoittaneet, että EWNS:llä on ainutlaatuinen joukko fysikaalisia ja biologisia ominaisuuksia8,9,10.EWNS:ssä on keskimäärin 10 elektronia rakennetta kohti ja keskimääräinen nanomittakaavan koko on 25 nm (kuvat 1b, c)8,9,10.Lisäksi elektronispin resonanssi (ESR) osoitti, että EWNS sisältää suuren määrän reaktiivisia happilajeja (ROS), pääasiassa hydroksyyli- (OH•)- ja superoksidiradikaaleja (O2-) (kuva 1c)8.EVNS on ilmassa pitkään ja voi törmätä ilmassa suspendoituneiden ja pinnalla olevien mikro-organismien kanssa, välittäen niiden ROS-hyötykuorman ja aiheuttaen mikro-organismien inaktivoitumisen (kuva 1d).Nämä varhaiset tutkimukset osoittivat myös, että EWNS voi olla vuorovaikutuksessa erilaisten gramnegatiivisten ja grampositiivisten bakteerien, mukaan lukien mykobakteerien, kanssa ja inaktivoida niitä pinnoilla ja ilmassa.Transmissioelektronimikroskooppi osoitti, että inaktivaatio johtui solukalvon hajoamisesta.Lisäksi akuutit inhalaatiotutkimukset ovat osoittaneet, että suuret EWNS-annokset eivät aiheuta keuhkovaurioita tai tulehdusta 8 .
(a) Sähkösumutusta tapahtuu, kun nestettä sisältävän kapillaariputken ja vastaelektrodin väliin syötetään korkea jännite.(b) Korkean paineen käyttö johtaa kahteen eri ilmiöön: (i) veden sähkösumutukseen ja (ii) reaktiivisten happilajien (ionien) muodostumiseen EWNS:ssä.(c) EWNS:n ainutlaatuinen rakenne.(d) Nanomittakaavan luonteensa vuoksi EWNS:t ovat erittäin liikkuvia ja voivat olla vuorovaikutuksessa ilmassa olevien patogeenien kanssa.
Äskettäin on myös osoitettu EWNS:n antimikrobisen alustan kyky inaktivoida elintarvikkeiden välityksellä leviäviä mikro-organismeja tuoreen ruoan pinnalla.On myös osoitettu, että EWNS:n pintavarauksella yhdessä sähkökentän kanssa voidaan saavuttaa kohdennettu toimitus.Lisäksi alustavat tulokset luomutomaateista 90 minuutin altistuksen jälkeen noin 50 000 #/cm3:n EWNS:llä olivat rohkaisevia, kun havaittiin useita elintarvikevälitteisiä mikro-organismeja, kuten E. coli ja Listeria 11.Lisäksi alustavissa aistinvaraisissa kokeissa ei havaittu aistinvaraisia ​​vaikutuksia verrattuna kontrollitomaatteihin.Vaikka nämä alustavat inaktivointitulokset ovat rohkaisevia elintarviketurvallisuussovelluksissa jopa erittäin pienillä EWNS-annoksilla 50 000 #/cc.Katso, on selvää, että suurempi inaktivointipotentiaali olisi hyödyllisempää vähentämään edelleen infektio- ja pilaantumisriskiä.
Tässä keskitymme tutkimuksemme EWNS-sukupolvialustan kehittämiseen, joka mahdollistaa synteesiparametrien hienosäädön ja EWNS:n fysikaalis-kemiallisten ominaisuuksien optimoinnin niiden antibakteerisen potentiaalin parantamiseksi.Optimoinnissa on erityisesti keskitytty niiden pintavarauksen (kohdistetun toimituksen parantamiseksi) ja ROS-sisällön lisäämiseen (inaktivoinnin tehokkuuden parantamiseksi).Karakterisoi optimoidut fysikaalis-kemialliset ominaisuudet (koko, varaus ja ROS-pitoisuus) nykyaikaisilla analyysimenetelmillä ja käytä tavallisia elintarvikemikro-organismeja, kuten E. .
EVNS syntetisoitiin sähkösumutuksella ja ionisoimalla samanaikaisesti erittäin puhdasta vettä (18 MΩ cm–1).Sähkösumutinta 12 käytetään tyypillisesti nesteiden sumutukseen ja kontrolloidun kokoisten polymeeri- ja keraamisten hiukkasten 13 ja kuitujen 14 synteesiin.
Kuten aikaisemmissa julkaisuissa 8, 9, 10, 11 on kuvattu, tyypillisessä kokeessa metallikapillaarin ja maadoitetun vastaelektrodin väliin syötettiin korkea jännite.Tämän prosessin aikana tapahtuu kaksi erilaista ilmiötä: i) sähkösumutus ja ii) veden ionisaatio.Voimakas sähkökenttä kahden elektrodin välillä aiheuttaa negatiivisten varausten muodostumisen tiivistyneen veden pinnalle, mikä johtaa Taylor-kartioiden muodostumiseen.Tämän seurauksena muodostuu voimakkaasti varautuneita vesipisaroita, jotka edelleen hajoavat pienemmiksi hiukkasiksi, kuten Rayleighin teoriassa16.Samaan aikaan voimakkaat sähkökentät saavat jotkut vesimolekyylit halkeamaan ja irrottamaan elektroneja (ionisoitumaan), mikä johtaa suuren määrän reaktiivisia happilajeja (ROS) muodostumiseen17.Samanaikaisesti tuotettu ROS18 kapseloitiin EWNS:ään (kuvio 1c).
KuvassaKuvassa 2a on esitetty EWNS-sukupolvijärjestelmä, joka on kehitetty ja käytetty tässä tutkimuksessa EWNS-synteesissä.Suljetussa pullossa säilytetty puhdistettu vesi syötettiin teflonputken (sisähalkaisija 2 mm) läpi 30G ruostumattomasta teräksestä valmistettuun neulaan (metallikapillaari).Veden virtausta ohjaa pullon sisällä oleva ilmanpaine, kuten kuvassa 2b.Neula on asennettu teflon-konsoliin ja sitä voidaan säätää manuaalisesti tietylle etäisyydelle vastaelektrodista.Vastaelektrodi on kiillotettu alumiinilevy, jonka keskellä on reikä näytteenottoa varten.Vastaelektrodin alapuolella on alumiininen näytteenottosuppilo, joka on yhdistetty muuhun kokeelliseen kokoonpanoon näytteenottoportin kautta (kuva 2b).Varauksen kertymisen välttämiseksi, joka voisi häiritä näytteenottimen toimintaa, kaikki näytteenottimen komponentit on maadoitettu sähköisesti.
a) Engineered Water Nanostructure Generation System (EWNS).(b) Näytteenottimen ja sähkösuihkun poikkileikkaus, joka näyttää tärkeimmät parametrit.(c) Kokeellinen järjestely bakteerien inaktivoimiseksi.
Yllä kuvattu EWNS-sukupolvijärjestelmä pystyy muuttamaan keskeisiä toimintaparametreja helpottaakseen EWNS-ominaisuuksien hienosäätöä.Säädä käytetty jännite (V), neulan ja vastaelektrodin välinen etäisyys (L) ja veden virtaus (φ) kapillaarin läpi hienosäätääksesi EWNS:n ominaisuuksia.Symboli, jota käytetään edustamaan erilaisia ​​yhdistelmiä: [V (kV), L (cm)].Säädä veden virtaus saadaksesi vakaan Taylor-kartion tietyn joukon [V, L].Tätä tutkimusta varten vastaelektrodin (D) aukon halkaisija pidettiin 0,5 tuumassa (1,29 cm).
Rajoitetun geometrian ja epäsymmetrian vuoksi sähkökentän voimakkuutta ei voida laskea ensimmäisistä periaatteista.Sen sijaan sähkökentän laskemiseen käytettiin QuickField™-ohjelmistoa (Svendborg, Tanska)19.Sähkökenttä ei ole tasainen, joten kapillaarin kärjessä olevaa sähkökentän arvoa käytettiin viitearvona eri kokoonpanoissa.
Tutkimuksen aikana arvioitiin useita neulan ja vastaelektrodin välisen jännitteen ja etäisyyden yhdistelmiä Taylor-kartion muodostuksen, Taylor-kartion stabiilisuuden, EWNS-tuotannon stabiilisuuden ja toistettavuuden kannalta.Erilaiset yhdistelmät on esitetty lisätaulukossa S1.
EWNS-sukupolvijärjestelmän lähtö yhdistettiin suoraan Scanning Mobility Particle Size Analyzeriin (SMPS, malli 3936, TSI, Shoreview, MN) hiukkasmäärän pitoisuuden mittaamista varten sekä Aerosol Faraday -elektrometriin (TSI, malli 3068B, Shoreview, MN).) aerosolivirroille mitattiin edellisessä julkaisussamme kuvatulla tavalla.Sekä SMPS että aerosolielektrometri otettiin näytteet virtausnopeudella 0,5 l/min (kokonaisnäytevirtaus 1 l/min).Hiukkasten lukumääräpitoisuutta ja aerosolivirtausta mitattiin 120 sekunnin ajan.Mittaus toistetaan 30 kertaa.Nykyisten mittausten perusteella lasketaan aerosolin kokonaisvaraus ja arvioitu keskimääräinen EWNS-varaus tietylle valittujen EWNS-hiukkasten kokonaismäärälle.EWNS:n keskimääräiset kustannukset voidaan laskea yhtälöllä (1):
missä IEl on mitattu virta, NSMPS on SMPS:llä mitattu digitaalinen pitoisuus ja φEl on virtausnopeus per elektrometri.
Koska suhteellinen kosteus (RH) vaikuttaa pintavaraukseen, lämpötila ja (RH) pidettiin vakiona kokeen aikana 21 °C:ssa ja 45 %:ssa.
EWNS:n koon ja käyttöiän mittaamiseen käytettiin atomivoimamikroskopiaa (AFM), Asylum MFP-3D:tä (Asylum Research, Santa Barbara, CA) ja AC260T-luetinta (Olympus, Tokio, Japani).AFM-skannaustaajuus oli 1 Hz, skannausalue 5 μm × 5 μm ja 256 pyyhkäisyjuovaa.Kaikille kuville suoritettiin ensimmäisen asteen kuvien kohdistus Asylum-ohjelmistolla (maskialue 100 nm, kynnys 100 pm).
Testisuppilo poistettiin ja kiillepinta asetettiin 2,0 cm:n etäisyydelle vastaelektrodista 120 s:n keskiarvoajaksi hiukkasten agglomeroitumisen ja epäsäännöllisten pisaroiden muodostumisen välttämiseksi kiillepinnalle.EWNS ruiskutettiin suoraan juuri leikatun kiillen pinnalle (Ted Pella, Redding, CA).Kuva kiillepinnasta heti AFM-sputteroinnin jälkeen.Juuri leikatun muuntamattoman kiilteen pinnan kosketuskulma on lähellä 0°, joten EVNS jakautuu kiillepinnalle kuvun muodossa.Diffundoituvien pisaroiden halkaisija (a) ja korkeus (h) mitattiin suoraan AFM-topografiasta ja niitä käytettiin laskemaan EWNS-kupumainen diffuusiotilavuus käyttämällä aiemmin validoitua menetelmäämme.Olettaen, että sisäisten EWNS-laitteiden tilavuus on sama, vastaava halkaisija voidaan laskea yhtälöllä (2):
Aiemmin kehitettyyn menetelmäämme perustuen elektronin spinresonanssin (ESR) spinloukun avulla havaittiin lyhytikäisten radikaalivälituotteiden läsnäolo EWNS:ssä.Aerosolit kuplitettiin 650 µm:n Midget-sumuttimen (Ace Glass, Vineland, NJ) läpi, joka sisälsi 235 mM DEPMPO(5-(dietoksifosforyyli)-5-metyyli-1-pyrroliini-N-oksidin) liuosta (Oxis International Inc.).Portland, Oregon).Kaikki ESR-mittaukset suoritettiin käyttämällä Bruker EMX -spektrometriä (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) ja litteää kennoa.Tietojen keräämiseen ja analysointiin käytettiin Acquisit-ohjelmistoa (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA).ROS:n ominaisuudet määritettiin vain tietyille käyttöolosuhteille [-6,5 kV, 4,0 cm].EWNS-pitoisuudet mitattiin käyttämällä SMPS:ää sen jälkeen, kun EWNS-häviöt oli otettu huomioon iskulaitteessa.
Otsonitasoja tarkkailtiin käyttämällä 205 Dual Beam Ozone Monitor™ -laitetta (2B Technologies, Boulder, Co)8,9,10.
Kaikille EWNS-ominaisuuksille mittausarvona käytetään keskiarvoa ja mittausvirheenä keskihajontaa.T-testeillä verrattiin optimoitujen EWNS-attribuuttien arvoja vastaaviin perus-EWNS-arvoihin.
Kuva 2c esittää aiemmin kehitettyä ja karakterisoitua sähköstaattisen saostuksen (EPES) "pull"-järjestelmää, jota voidaan käyttää EWNS:n kohdennettuun toimittamiseen pintaan.EPES käyttää EVNS-varauksia, jotka voidaan "ohjata" suoraan kohteen pintaan voimakkaan sähkökentän vaikutuksesta.EPES-järjestelmän yksityiskohdat on esitetty Pyrgiotakiksen et al.11 .Siten EPES koostuu 3D-painetusta PVC-kammiosta, jossa on kartiomainen pää ja kaksi rinnakkaista ruostumatonta terästä (304 ruostumatonta terästä, peilipinnoitettu) metallilevyä keskellä 15,24 cm:n etäisyydellä toisistaan.Levyt kytkettiin ulkoiseen suurjännitelähteeseen (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY), pohjalevy oli aina kytketty positiiviseen jännitteeseen ja ylälevy aina maahan (kelluva maa).Kammion seinät on peitetty alumiinifoliolla, joka on sähköisesti maadoitettu hiukkasten häviämisen estämiseksi.Kammiossa on sinetöity etuluukku, jonka avulla testipinnat voidaan sijoittaa muovitelineille, jotka nostavat ne pohjametallilevyn yläpuolelle korkeajännitehäiriöiden välttämiseksi.
EWNS:n kerrostumistehokkuus EPES:ssä laskettiin aiemmin kehitetyn protokollan mukaisesti, joka on kuvattu lisäkuvassa S111.
Ohjauskammiona EPES-järjestelmään liitettiin sarjaan toinen sylinterimäinen virtauskammio, jossa EWNS:n poistamiseen käytettiin HEPA-välisuodatinta.Kuten kuvasta 2c näkyy, EWNS-aerosoli pumpattiin kahden sisäänrakennetun kammion läpi.Valvomon ja EPES:n välinen suodatin poistaa kaikki jäljellä olevat EWNS:t, mikä johtaa samaan lämpötilaan (T), suhteelliseen kosteuteen (RH) ja otsonitasoon.
Tärkeiden elintarvikevälitteisten mikro-organismien on havaittu saastuttavan tuoreita elintarvikkeita, kuten E. coli (ATCC #27325), ulosteen indikaattori, Salmonella enterica (ATCC #53647), elintarvikevälitteinen patogeeni, Listeria harmless (ATCC #33090), patogeenisen Listeria monocytogenesin korvike, johdettu ATCC:sta, VACC AT8, (Manassacchares, ATCC, #9) (Manaassacharcese) pilaantumishiivan korvike ja vastustuskykyisempi inaktivoitu bakteeri, Mycobacterium paralucky (ATCC #19686).
Osta satunnaisia ​​laatikoita luomurypäletomaatteja paikalliselta markkinoiltasi ja jäähdytä ne 4 °C:seen käyttöön asti (enintään 3 päivää).Kokeelliset tomaatit olivat kaikki samankokoisia, halkaisijaltaan noin 1/2 tuumaa.
Viljely-, inokulaatio-, altistus- ja pesäkelaskentaprotokollat ​​on kuvattu yksityiskohtaisesti edellisessä julkaisussamme ja yksityiskohtaisesti lisätiedoissa.EWNS:n tehokkuus arvioitiin altistamalla inokuloidut tomaatit 40 000 #/cm3:lle 45 minuutin ajan.Lyhyesti sanottuna kolmea tomaattia käytettiin selviytyneiden mikro-organismien arvioimiseen hetkellä t = 0 min.Kolme tomaattia asetettiin EPES:iin ja altistettiin EWNS:lle 40 000 #/cc (EWNS:lle altistetut tomaatit) ja loput kolme asetettiin kontrollikammioon (kontrollitomaatit).Kummassakaan ryhmässä tomaattien lisäkäsittelyä ei suoritettu.EWNS:lle altistuneet tomaatit ja kontrollitomaatit poistettiin 45 minuutin kuluttua EWNS:n vaikutuksen arvioimiseksi.
Jokainen koe suoritettiin kolmena kappaleena.Tietojen analyysi suoritettiin lisätiedoissa kuvatun protokollan mukaisesti.
Inaktivaatiomekanismit arvioitiin sedimentoimalla altistuneet EWNS-näytteet (45 minuuttia 40 000 #/cm3 EWNS-aerosolipitoisuudella) ja säteilyttämättömiä näytteitä vaarattomista bakteereista E. coli, Salmonella enterica ja Lactobacillus.Partikkelit kiinnitettiin 2,5 % glutaraldehydissä, 1,25 % paraformaldehydissä ja 0,03 % pikriinihapossa 0,1 M natriumkakodylaattipuskurissa (pH 7,4) 2 tunnin ajan huoneenlämpötilassa.Pesun jälkeen jälkikiinnitetään 1 % osmiumtetroksidilla (OsO4)/1,5 % kaliumferrosyanidilla (KFeCN6) 2 tunnin ajan, pestään 3 kertaa vedessä ja inkuboidaan 1 % uranyyliasetaatissa 1 tunti, pestään kahdesti vedessä, dehydratoidaan sitten 5 %, 0 %, 0 %, 7 %, 1 %.Sitten näytteet asetettiin propyleenioksidiin 1 tunniksi ja kyllästettiin 1:1-seoksella propyleenioksidia ja TAAP Eponia (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA).Näytteet upotettiin TAAB Eponiin ja polymeroitiin 60 °C:ssa 48 tuntia.Kovettunut rakeinen hartsi leikattiin ja visualisoitiin TEM:llä käyttämällä tavanomaista transmissioelektronimikroskooppia JEOL 1200EX (JEOL, Tokio, Japani), joka oli varustettu AMT 2k CCD -kameralla (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, Massachusetts, USA).
Kaikki kokeet suoritettiin kolmena rinnakkaisena.Kullekin aikapisteelle bakteeripesut kylvettiin kolmena kappaleena, mikä johti yhteensä yhdeksään datapistettä pistettä kohti, joiden keskiarvoa käytettiin bakteeripitoisuutena kyseiselle mikro-organismille.Mittausvirheenä käytettiin standardipoikkeamaa.Kaikki pisteet lasketaan.
Bakteeripitoisuuden laskun logaritmi verrattuna t = 0 min:iin laskettiin seuraavalla kaavalla:
missä C0 on bakteerien pitoisuus kontrollinäytteessä hetkellä 0 (eli pinnan kuivumisen jälkeen, mutta ennen kammioon laittamista) ja Cn on bakteerien pitoisuus pinnalla n minuutin altistuksen jälkeen.
Bakteerien luonnollisen hajoamisen huomioon ottamiseksi 45 minuutin altistuksen aikana laskettiin myös logaritminen verrattuna kontrolliin 45 minuutin jälkeen seuraavasti:
jossa Cn on bakteerien pitoisuus kontrollinäytteessä hetkellä n ja Cn-Control on kontrollibakteerien pitoisuus hetkellä n.Tiedot esitetään logaritminä vähennyksenä verrattuna kontrolliin (ei EWNS-altistusta).
Tutkimuksen aikana arvioitiin useita neulan ja vastaelektrodin välisen jännitteen ja etäisyyden yhdistelmiä Taylor-kartion muodostuksen, Taylor-kartion stabiilisuuden, EWNS-tuotannon stabiilisuuden ja toistettavuuden kannalta.Erilaiset yhdistelmät on esitetty lisätaulukossa S1.Kaksi tapausta, jotka osoittavat stabiileja ja toistettavia ominaisuuksia (Taylor-kartio, EWNS-kehitys ja stabiilisuus ajan myötä), valittiin kattavaan tutkimukseen.KuvassaKuvassa 3 esitetään tulokset ROS:n varauksesta, koosta ja sisällöstä molemmissa tapauksissa.Tulokset esitetään myös taulukossa 1. Viitteeksi sekä kuva 3 että taulukko 1 sisältävät aiemmin syntetisoidun ei-optimoidun EWNS8, 9, 10, 11 (perusviiva-EWNS) ominaisuudet.Kaksisuuntaista t-testiä käyttävät tilastolliset merkitsevyyslaskelmat julkaistaan ​​uudelleen lisätaulukossa S2.Lisäksi lisätietoihin sisältyy tutkimuksia vastaelektrodin näytteenottoreiän halkaisijan (D) ja maadoituselektrodin ja kärjen (L) välisen etäisyyden vaikutuksesta (lisäkuvat S2 ja S3).
(ac) Kokojakauma AFM:llä mitattuna.(df) Pintavarausominaisuus.(g) EPR:n ROS-karakterisointi.
On myös tärkeää huomata, että kaikissa yllä mainituissa olosuhteissa mitattu ionisaatiovirta oli välillä 2 ja 6 μA ja jännite välillä -3,8 ja -6,5 kV, mikä johti alle 50 mW:n virrankulutukseen tässä yksittäisessä EWNS-sukupolven kosketinmoduulissa.Vaikka EWNS syntetisoitiin korkeassa paineessa, otsonitasot olivat erittäin alhaiset, eivätkä koskaan ylittäneet 60 ppb.
Täydentävä kuva S4 esittää simuloidut sähkökentät skenaarioissa [-6,5 kV, 4,0 cm] ja [-3,8 kV, 0,5 cm].Skenaarioissa [-6,5 kV, 4,0 cm] ja [-3,8 kV, 0,5 cm] kenttälaskelmat ovat vastaavasti 2 × 105 V/m ja 4,7 × 105 V/m.Tämä on odotettavissa, koska toisessa tapauksessa jännite-etäisyyssuhde on paljon suurempi.
KuvassaKuvat 3a, b esittävät EWNS:n halkaisijan mitattuna AFM8:lla.Lasketut keskimääräiset EWNS-halkaisijat olivat 27 nm ja 19 nm [-6,5 kV, 4,0 cm] ja [-3,8 kV, 0,5 cm] kaavioille, vastaavasti.Skenaarioissa [-6,5 kV, 4,0 cm] ja [-3,8 kV, 0,5 cm] jakaumien geometriset keskihajonnat ovat 1,41 ja 1,45, mikä osoittaa kapeaa kokojakaumaa.Sekä keskikoko että geometrinen standardipoikkeama ovat hyvin lähellä EWNS:n perusviivaa aallonpituudella 25 nm ja 1,41.KuvassaKuva 3c esittää perus-EWNS:n kokojakauman mitattuna samalla menetelmällä samoissa olosuhteissa.
Kuvassa3d,e näyttää varauksen karakterisoinnin tulokset.Tiedot ovat keskimääräisiä mittauksia 30 samanaikaisesta pitoisuuden (#/cm3) ja virran (I) mittauksesta.Analyysi osoittaa, että EWNS:n keskimääräinen varaus on 22 ± 6 e- ja 44 ± 6 e- [-6,5 kV, 4,0 cm] ja [-3,8 kV, 0,5 cm], vastaavasti.Niillä on huomattavasti korkeammat pintavaraukset verrattuna perustason EWNS:iin (10 ± 2 e-), kaksi kertaa suuremmat kuin [-6,5 kV, 4,0 cm] skenaariossa ja neljä kertaa suuremmat kuin [-3,8 kV, 0,5 cm].Kuvassa 3f näkyy varaus.tiedot Baseline-EWNS:lle.
EWNS-luvun pitoisuuskartoista (lisäkuvat S5 ja S6) voidaan nähdä, että skenaariossa [-6,5 kV, 4,0 cm] on huomattavasti enemmän hiukkasia kuin skenaariossa [-3,8 kV, 0,5 cm].On myös syytä huomata, että EWNS-luvun pitoisuutta seurattiin 4 tuntiin asti (lisäkuvat S5 ja S6), jolloin EWNS-sukupolven stabiilisuus osoitti molemmissa tapauksissa samat hiukkasmäärän pitoisuuden tasot.
KuvassaKuva 3g näyttää EPR-spektrin optimoidun EWNS-säädön (tausta) vähentämisen jälkeen [-6,5 kV, 4,0 cm].ROS-spektrejä verrattiin myös Baseline-EWNS-skenaarioon aiemmin julkaistussa työssä.Pyörimisloukkujen kanssa reagoivien EWNS:ien lukumääräksi laskettiin 7,5 × 104 EWNS/s, mikä on samanlainen kuin aiemmin julkaistu Baseline-EWNS8.EPR-spektrit osoittivat selvästi kahden tyyppisen ROS:n läsnäolon, jolloin O2- oli hallitseva laji ja OH• vähemmän runsas.Lisäksi huippuintensiteettien suora vertailu osoitti, että optimoidulla EWNS:llä oli merkittävästi korkeampi ROS-pitoisuus verrattuna EWNS:n perusviivaan.
KuvassaKuva 4 esittää EWNS:n kerrostumistehokkuutta EPES:ssä.Tiedot on myös koottu taulukkoon I ja niitä verrataan alkuperäisiin EWNS-tietoihin.Molemmissa EUNS-tapauksissa laskeuma on lähes 100 % jopa alhaisella 3,0 kV jännitteellä.Tyypillisesti 3,0 kV riittää 100 % kerrostukseen pintavarauksen muutoksesta riippumatta.Samoissa olosuhteissa Baseline-EWNS:n laskeutumistehokkuus oli vain 56 % niiden alhaisemman varauksen vuoksi (keskimäärin 10 elektronia per EWNS).
Kuvassa5 ja taulukossa.Kuvassa 2 on yhteenveto tomaattien pinnalle ympättyjen mikro-organismien inaktivaatioarvosta sen jälkeen, kun ne on altistettu noin 40 000 #/cm3 EWNS:lle 45 minuutin ajan optimitilassa [-6,5 kV, 4,0 cm].Inokuloitu E. coli ja Lactobacillus innocuous osoittivat merkittävän 3,8 log:n pienenemisen 45 minuutin altistuksen aikana.Samoissa olosuhteissa S. entericalla oli 2,2 logaritmin lasku, kun taas S. cerevisiaella ja M. parafortutumilla oli 1,0 logaritminen lasku.
Elektronimikrokuvat (kuva 6) kuvaavat EWNS:n aiheuttamia fyysisiä muutoksia vaarattomissa Escherichia coli-, Streptococcus- ja Lactobacillus-soluissa, jotka johtavat niiden inaktivoitumiseen.Kontrollibakteereiden solukalvot olivat ehjät, kun taas paljastuneiden bakteerien ulkokalvot olivat vaurioituneet.
Kontrollin ja altistuneiden bakteerien elektronimikroskooppinen kuvantaminen paljasti kalvovaurion.
Tiedot optimoidun EWNS:n fysikaalis-kemiallisista ominaisuuksista osoittavat yhdessä, että EWNS:n ominaisuudet (pintavaraus ja ROS-pitoisuus) paranivat merkittävästi verrattuna aiemmin julkaistuihin EWNS-perustietoihin8,9,10,11.Toisaalta niiden koko pysyi nanometrin alueella, mikä on hyvin samanlainen kuin aiemmin raportoidut tulokset, mikä mahdollistaa niiden pysymisen ilmassa pitkiä aikoja.Havaittu polydispersiteetti voidaan selittää pintavarauksen muutoksilla, jotka määrittävät EWNS:n koon, Rayleigh-ilmiön satunnaisuudella ja mahdollisella yhteensulautumisella.Kuitenkin, kuten Nielsen et ai.22, korkea pintavaraus vähentää haihtumista lisäämällä tehokkaasti vesipisaran pintaenergiaa/jännitystä.Edellisessä julkaisussamme8 tämä teoria vahvistettiin kokeellisesti mikropisaroille 22 ja EWNS.Latauksen menetys ylityön aikana voi myös vaikuttaa kokoon ja vaikuttaa havaittuun kokojakaumaan.