Köszönjük, hogy meglátogatta a Nature.com oldalt.Az Ön által használt böngészőverzió korlátozott CSS-támogatással rendelkezik.A legjobb élmény érdekében javasoljuk, hogy használjon frissített böngészőt (vagy tiltsa le a kompatibilitási módot az Internet Explorerben).Addig is a folyamatos támogatás érdekében a webhelyet stílusok és JavaScript nélkül jelenítjük meg.
Egy körhinta, amely egyszerre három diát mutat.Az Előző és a Következő gombokkal egyszerre három dián lépkedhet, vagy a végén lévő csúszkagombokkal egyszerre három dián.
A közelmúltban mesterséges víz nanostruktúrákat (EWNS) alkalmazó nanotechnológián alapuló vegyszermentes antimikrobiális platformot fejlesztettek ki.Az EWNS-ek nagy felületi töltéssel rendelkeznek, és reaktív oxigénfajokkal (ROS) telítettek, amelyek kölcsönhatásba léphetnek számos mikroorganizmussal, és inaktiválhatják azokat, beleértve az élelmiszer eredetű kórokozókat is.Itt látható, hogy tulajdonságaik a szintézis során finomhangolhatók és optimalizálhatók antibakteriális potenciáljuk további fokozása érdekében.Az EWNS laboratóriumi platformot az EWNS tulajdonságainak finomhangolására tervezték a szintézis paramétereinek megváltoztatásával.Az EWNS tulajdonságainak (a ROS töltése, mérete és tartalma) jellemzése modern analitikai módszerekkel.Ezen túlmenően értékelték mikrobiális inaktivációs potenciáljukat olyan élelmiszer-eredetű mikroorganizmusokkal szemben, mint az Escherichia coli, a Salmonella enterica, a Listeria innocuous, a Mycobacterium paraaccidentum és a Saccharomyces cerevisiae.Az itt bemutatott eredmények azt mutatják, hogy az EWNS tulajdonságai finomhangolhatók a szintézis során, ami az inaktiválási hatékonyság exponenciális növekedését eredményezi.Különösen a felületi töltés négyszeresére nőtt, és a reaktív oxigénfajták növekedtek.A mikrobiális eltávolítási sebesség mikrobiálisan függő volt, és 1,0 és 3,8 log között volt 45 perces 40 000 #/cc EWNS aeroszol dózisnak való kitettség után.
A kórokozók vagy toxinjaik lenyelése által okozott, élelmiszer eredetű megbetegedések fő oka a mikrobiális szennyeződés.Csak az Egyesült Államokban évente körülbelül 76 millió megbetegedést, 325 000 kórházi felvételt és 5 000 halálesetet okoznak az élelmiszer eredetű betegségek1.Ezenkívül az Egyesült Államok Mezőgazdasági Minisztériuma (USDA) becslése szerint az Egyesült Államokban jelentett élelmiszer-eredetű betegségek 48%-áért a megnövekedett friss termékek fogyasztása a felelős2.Az élelmiszer-eredetű kórokozók által okozott betegségek és halálozások költsége az Egyesült Államokban nagyon magas, a Centers for Disease Control and Prevention (CDC) becslése szerint évente több mint 15,6 milliárd USD3.
Jelenleg az élelmiszerbiztonságot szolgáló kémiai4, sugárzási5 és termikus6 antimikrobiális beavatkozásokat többnyire a termelési lánc korlátozott kritikus ellenőrzési pontjain (CCP-k) hajtják végre (általában a betakarítás után és/vagy a csomagolás során), nem pedig folyamatosan.így hajlamosak a keresztszennyeződésre.7. Az élelmiszer-eredetű betegségek és az élelmiszer-romlás jobb ellenőrzése olyan antimikrobiális beavatkozásokat igényel, amelyek potenciálisan alkalmazhatók a gazdaságtól az asztalig terjedő kontinuumban, miközben csökkentik a környezeti hatást és a költségeket.
A közelmúltban egy vegyszermentes, nanotechnológián alapuló antimikrobiális platformot fejlesztettek ki, amely mesterséges víz nanostruktúrák (EWNS) segítségével képes inaktiválni a felszínen és a levegőben szálló baktériumokat.Az EWNS-t két párhuzamos eljárással, elektropermetezéssel és vízionizációval szintetizálták (1a. ábra).Korábbi tanulmányok kimutatták, hogy az EWNS egyedülálló fizikai és biológiai tulajdonságokkal rendelkezik8,9,10.Az EWNS szerkezetenként átlagosan 10 elektront tartalmaz, átlagos nanoméretű mérete pedig 25 nm (1b, c ábra)8,9,10.Ezenkívül az elektronspin-rezonancia (ESR) kimutatta, hogy az EWNS nagy mennyiségű reaktív oxigénfajtát (ROS) tartalmaz, főként hidroxil- (OH•) és szuperoxid- (O2-) gyököket (1c. ábra)8.Az EVNS hosszú ideig a levegőben van, és összeütközhet a levegőben szuszpendált és a felszínen jelenlévő mikroorganizmusokkal, átadva a ROS hasznos terhét, és a mikroorganizmusok inaktivációját okozva (1d. ábra).Ezek a korai tanulmányok azt is kimutatták, hogy az EWNS kölcsönhatásba léphet különféle Gram-negatív és Gram-pozitív baktériumokkal, beleértve a mikobaktériumokat is, a felületeken és a levegőben.Transzmissziós elektronmikroszkópos vizsgálat kimutatta, hogy az inaktivációt a sejtmembrán károsodása okozta.Ezenkívül az akut inhalációs vizsgálatok kimutatták, hogy az EWNS nagy dózisai nem okoznak tüdőkárosodást vagy gyulladást 8 .
(a) Elektrospray akkor következik be, amikor nagy feszültség van a folyadékot tartalmazó kapilláriscső és az ellenelektróda között.(b) A nagy nyomás alkalmazása két különböző jelenséget eredményez: (i) a víz elektropermetezését és (ii) az EWNS-ben megrekedt reaktív oxigénfajták (ionok) képződését.(c) Az EWNS egyedi szerkezete.(d) Nanoméretű természetük miatt az EWNS nagymértékben mozgékony, és kölcsönhatásba léphet a levegőben lévő kórokozókkal.
A közelmúltban az EWNS antimikrobiális platform azon képességét is kimutatták, hogy inaktiválja az élelmiszer eredetű mikroorganizmusokat a friss élelmiszerek felületén.Azt is kimutatták, hogy az EWNS felületi töltése elektromos mezővel kombinálva felhasználható a célzott szállítás eléréséhez.Ezen túlmenően, a bioparadicsomokra vonatkozó előzetes eredmények 90 perces, körülbelül 50 000 #/cm3 EWNS melletti expozíció után biztatóak voltak, különféle élelmiszer-eredetű mikroorganizmusokat, például E. colit és Listeria 11-et figyeltek meg.Ezenkívül az előzetes érzékszervi vizsgálatok nem mutattak ki érzékszervi hatást a kontroll paradicsomhoz képest.Bár ezek a kezdeti inaktiválási eredmények még nagyon alacsony, 50 000#/cc EWNS-dózisok esetén is biztatóak az élelmiszer-biztonsági alkalmazásokban.lásd, egyértelmű, hogy a nagyobb inaktivációs potenciál előnyösebb lenne a fertőzés és a romlás kockázatának további csökkentése érdekében.
Kutatásainkat itt egy EWNS generációs platform kifejlesztésére összpontosítjuk, amely lehetővé teszi a szintézis paramétereinek finomhangolását és az EWNS fizikai-kémiai tulajdonságainak optimalizálását az antibakteriális potenciál növelése érdekében.Az optimalizálás különösen a felületi töltet (a célzott szállítás javítása) és a ROS-tartalom növelésére (az inaktiválás hatékonyságának javítása érdekében) összpontosított.Az optimalizált fizikai-kémiai tulajdonságok (méret, töltés és ROS-tartalom) jellemzése modern analitikai módszerekkel, és általános élelmiszer-mikroorganizmusok, például E. .
Az EVNS-t nagy tisztaságú víz (18 MΩ cm–1) egyidejű elektropermetezésével és ionizálásával állítottuk elő.A 12 elektromos porlasztót jellemzően folyadékok porlasztására, valamint szabályozott méretű 13 polimer és kerámia részecskék, valamint 14 szálak szintézisére használják.
A korábbi 8., 9., 10., 11. publikációkban részletezettek szerint egy tipikus kísérletben nagy feszültséget kapcsoltak egy fémkapilláris és egy földelt ellenelektróda közé.A folyamat során két különböző jelenség lép fel: i) elektrospray és ii) vízionizáció.A két elektróda között erős elektromos tér hatására a kondenzvíz felületén negatív töltések halmozódnak fel, aminek következtében Taylor-kúpok képződnek.Ennek eredményeként erős töltésű vízcseppek keletkeznek, amelyek továbbra is kisebb részecskékre bomlanak, mint a Rayleigh-elméletben16.Ugyanakkor az erős elektromos mezők egyes vízmolekulák felhasadását és elektronok leválasztását (ionizálódását) idézik elő, ami nagy mennyiségű reaktív oxigénfaj (ROS) képződéséhez vezet17.Az egyidejűleg generált ROS18-at EWNS-be kapszuláztuk (1c. ábra).
ábrán.A 2a. ábra a jelen tanulmányban az EWNS szintézisben kifejlesztett és használt EWNS generáló rendszert mutatja.A zárt palackban tárolt tisztított vizet teflon csövön keresztül (2 mm belső átmérő) egy 30 G-os rozsdamentes acél tűbe (fém kapillárisba) vezettük.A víz áramlását a palackon belüli légnyomás szabályozza, amint az a 2b. ábrán látható.A tű teflon konzolra van felszerelve, és manuálisan beállítható egy bizonyos távolságra az ellenelektródától.Az ellenelektróda egy polírozott alumínium korong, amelynek közepén egy lyuk van a mintavételhez.Az ellenelektróda alatt van egy alumínium mintavevő tölcsér, amely egy mintavevő porton keresztül csatlakozik a kísérleti elrendezés többi részéhez (2b. ábra).A mintavevő működését megzavaró töltés felhalmozódásának elkerülése érdekében a mintavevő összes alkatrésze elektromosan földelve van.
a) Műszaki víz nanoszerkezetű generáló rendszer (EWNS).(b) A mintavevő és az elektrospray keresztmetszete, a legfontosabb paraméterek bemutatásával.(c) Kísérleti beállítás a baktériumok inaktiválására.
A fent leírt EWNS generációs rendszer képes megváltoztatni a kulcsfontosságú működési paramétereket, hogy megkönnyítse az EWNS tulajdonságainak finomhangolását.Állítsa be az alkalmazott feszültséget (V), a tű és az ellenelektróda közötti távolságot (L), valamint a vízáramlást (φ) a kapillárison keresztül az EWNS jellemzőinek finomhangolásához.A különböző kombinációk jelölésére használt szimbólum: [V (kV), L (cm)].Állítsa be a vízáramlást, hogy egy bizonyos halmazú [V, L] stabil Taylor-kúpot kapjon.E vizsgálat céljaira az ellenelektróda (D) nyílásátmérőjét 0,5 hüvelykben (1,29 cm) tartottuk.
A korlátozott geometria és aszimmetria miatt az elektromos térerősség nem számítható ki az első elvekből.Ehelyett a QuickField™ szoftvert (Svendborg, Dánia)19 használták az elektromos tér kiszámításához.Az elektromos tér nem egyenletes, ezért a kapilláris csúcsán lévő elektromos tér értékét használtuk referenciaértékként különböző konfigurációkhoz.
A vizsgálat során a feszültség és a tű és az ellenelektróda közötti távolság számos kombinációját értékelték a Taylor-kúp képződése, a Taylor-kúp stabilitása, az EWNS termelési stabilitása és a reprodukálhatóság szempontjából.Különféle kombinációk láthatók az S1 kiegészítő táblázatban.
Az EWNS generációs rendszer kimenete közvetlenül csatlakozik egy Scanning Mobility Particle Size Analyzer (SMPS, Model 3936, TSI, Shoreview, MN) részecskeszám-koncentráció méréshez, valamint egy Aerosol Faraday Electrometerhez (TSI, Model 3068B, Shoreview, MN).) az aeroszoláramokat az előző kiadványunkban leírtak szerint mértük.Az SMPS és az aeroszolelektrométer is 0,5 l/perc áramlási sebességgel vett mintát (a teljes mintaáram 1 l/perc).A részecskék számszerű koncentrációját és az aeroszol áramlását 120 másodpercig mértük.A mérést 30-szor megismételjük.Az aktuális mérések alapján a rendszer kiszámítja a teljes aeroszoltöltetet, és megbecsüli az átlagos EWNS-töltést egy adott számú kiválasztott EWNS-részecskére.Az EWNS átlagos költsége az (1) egyenlettel számítható ki:
ahol IEl a mért áramerősség, NSMPS az SMPS-sel mért digitális koncentráció, φEl pedig az elektrométerenkénti áramlási sebesség.
Mivel a relatív páratartalom (RH) befolyásolja a felületi töltést, a hőmérsékletet és a (RH) értéket a kísérlet során állandó értéken tartottuk 21 °C-on, illetve 45%-on.
Az EWNS méretének és élettartamának mérésére atomerő-mikroszkópot (AFM), Asylum MFP-3D-t (Asylum Research, Santa Barbara, CA) és AC260T szondát (Olympus, Tokió, Japán) használtak.Az AFM pásztázási frekvencia 1 Hz, a pásztázási terület 5 μm × 5 μm, és 256 pásztázási vonal.Az összes képet elsőrendű képigazításnak vetettük alá Asylum szoftverrel (maszk tartomány 100 nm, küszöb 100 pm).
A teszttölcsért eltávolítottuk, és a csillámfelületet az ellenelektródától 2,0 cm távolságra helyeztük 120 s átlagolási időre, hogy elkerüljük a részecskék agglomerációját és szabálytalan cseppek képződését a csillám felületén.Az EWNS-t közvetlenül a frissen vágott csillám felületére permeteztük (Ted Pella, Redding, CA).A csillámfelület képe közvetlenül az AFM porlasztás után.A frissen vágott módosítatlan csillám felületének érintkezési szöge közel 0°, így az EVNS kupola formájában oszlik el a csillám felületén.A diffundáló cseppek átmérőjét (a) és magasságát (h) közvetlenül az AFM topográfiáról mértük, és az EWNS kupolás diffúziós térfogatának kiszámításához használtuk korábban validált módszerünkkel.Feltéve, hogy a fedélzeti EWNS térfogata azonos, az egyenértékű átmérő kiszámítható a (2) egyenlettel:
Korábban kidolgozott módszerünk alapján egy elektronspin rezonancia (ESR) spincsapda segítségével detektáltuk a rövid élettartamú gyökközti termékek jelenlétét az EWNS-ben.Az aeroszolokat egy 650 μm-es Midget permetezőn (Ace Glass, Vineland, NJ) buborékoltattuk át, amely 235 mM DEPMPO(5-(dietoxi-foszforil)-5-metil-1-pirrolin-N-oxid) oldatot tartalmazott (Oxis International Inc.).Portland, Oregon).Az összes ESR mérést Bruker EMX spektrométerrel (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) és lapos paneles cellával végeztük.Az adatok összegyűjtésére és elemzésére az Acquisit szoftvert (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) használtuk.A ROS jellemzőinek meghatározását csak meghatározott üzemi feltételekre [-6,5 kV, 4,0 cm] végeztük.Az EWNS-koncentrációkat az SMPS segítségével mérték, miután figyelembe vették az EWNS-veszteséget az ütközésmérőben.
Az ózonszintet 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Boulder, Co)8, 9, 10 készülékkel követtük.
Az összes EWNS tulajdonságnál az átlagértéket használják mérési értékként, és a szórást a mérési hibaként.T-teszteket végeztünk az optimalizált EWNS attribútumok értékeinek az alap EWNS megfelelő értékeivel való összehasonlítására.
A 2c. ábra egy korábban kifejlesztett és jellemzett elektrosztatikus precipitációs (EPES) „pull” rendszert mutat be, amely az EWNS célzott felszínre juttatására használható.Az EPES EVNS töltéseket használ, amelyek erős elektromos tér hatására közvetlenül a célpont felszínére „vezethetők”.Az EPES rendszer részleteit Pyrgiotakis és mtsai.11 .Így az EPES egy kúpos végű, 3D nyomtatott PVC kamrából áll, és két párhuzamos rozsdamentes acél (304 rozsdamentes acél, tükörbevonatú) fémlemezt tartalmaz a közepén, egymástól 15,24 cm-re.A táblákat külső nagyfeszültségű forrásra (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY) kötöttük, az alsó lemezt mindig pozitív feszültségre, a felsőt pedig a földre (lebegő földre) kötöttük.A kamra falait alumínium fólia borítja, amely elektromosan földelve van, hogy megakadályozza a részecskeveszteséget.A kamra tömített elülső betöltőajtóval rendelkezik, amely lehetővé teszi a tesztfelületek műanyag állványokra helyezését, amelyek az alsó fémlemez fölé emelik a nagyfeszültségű interferencia elkerülése érdekében.
Az EWNS lerakódási hatékonyságát az EPES-ben az S111 kiegészítő ábrán részletezett, korábban kidolgozott protokoll szerint számítottuk ki.
Vezérlőkamraként egy második hengeres áramlási kamra sorba kapcsolt az EPES rendszerrel, amelyben egy közbenső HEPA szűrőt használtak az EWNS eltávolítására.A 2c. ábrán látható módon az EWNS aeroszolt két beépített kamrán pumpálták át.A vezérlőterem és az EPES közötti szűrő eltávolítja a maradék EWNS-t, ami azonos hőmérsékletet (T), relatív páratartalmat (RH) és ózonszintet eredményez.
Megállapították, hogy olyan fontos élelmiszer-eredetű mikroorganizmusok szennyezik a friss élelmiszereket, mint az E. coli (ATCC #27325), a székletjelző, a Salmonella enterica (ATCC #53647), az élelmiszerekben terjedő kórokozó, a Listeria ártalmatlan (ATCC #33090), a patogén Listeria monocytogenes helyettesítője, az ATCC-ből származó VACC, VACC AT8, Sac0evAT8 (#90) a romlást okozó élesztő helyettesítője, és egy ellenállóbb inaktivált baktérium, a Mycobacterium paralucky (ATCC #19686).
Vásároljon véletlenszerű doboz bio szőlőparadicsomot a helyi piacról, és hűtse le 4°C-ra felhasználásig (legfeljebb 3 napig).A kísérleti paradicsomok mindegyike egyforma méretű, körülbelül 1/2 hüvelyk átmérőjű volt.
A tenyésztést, az oltást, az expozíciót és a telepszámlálási protokollokat korábbi kiadványunkban részletezzük, és a Kiegészítő adatokban részletezzük.Az EWNS hatékonyságát úgy értékelték ki, hogy a beoltott paradicsomot 40 000 #/cm3-nek tették ki 45 percig.Röviden, három paradicsomot használtunk a túlélő mikroorganizmusok értékelésére a t = 0 perc időpontban.Három paradicsomot EPES-be helyeztünk, és 40 000 #/cc-es EWNS hatásnak tettük ki (EWNS-nek kitett paradicsom), a maradék hármat pedig a kontrollkamrába (kontrollparadicsomok).A paradicsom további feldolgozása mindkét csoportban nem történt.Az EWNS-nek kitett paradicsomokat és a kontrollparadicsomokat 45 perc elteltével eltávolítottuk, hogy értékeljük az EWNS hatását.
Minden kísérletet három párhuzamosban végeztünk.Az adatok elemzését a Kiegészítő adatokban leírt protokoll szerint végeztük.
Az inaktivációs mechanizmusokat a kitett EWNS minták (45 perc 40 000 #/cm3 EWNS aeroszol koncentráció mellett) és az ártalmatlan E. coli, Salmonella enterica és Lactobacillus baktériumok nem besugárzott mintái ülepedésével értékelték.A részecskéket 2,5% glutáraldehidet, 1,25% paraformaldehidet és 0,03% pikrinsavat tartalmazó 0,1 M nátrium-kakodilát pufferben (pH 7,4) fixáltuk 2 órán át szobahőmérsékleten.Mosás után utófixálás 1% ozmium-tetroxid (OsO4)/1,5% kálium-ferrocianid (KFeCN6) eleggyel 2 órán keresztül, 3-szor mossuk vízzel és inkubáljuk 1% uranil-acetátban 1 órán keresztül, majd kétszer mossuk vízzel, majd dehidratáljuk 10%, 0%, 0%, 0%, 0%, 0% 7 percig.A mintákat ezután propilén-oxidba helyeztük 1 órára, és propilén-oxid és TAAP Epon (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA) 1:1 arányú keverékével impregnáltuk.A mintákat TAAB Eponba ágyaztuk, és 60 °C-on 48 órán keresztül polimerizáltuk.A kikeményedett szemcsés gyantát TEM-mel vágtuk és láthatóvá tettük egy hagyományos JEOL 1200EX transzmissziós elektronmikroszkóppal (JEOL, Tokió, Japán), amely AMT 2k CCD kamerával van felszerelve (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, Massachusetts, USA).
Minden kísérletet három párhuzamosban végeztünk.Minden egyes időpontban a baktériummosó anyagokat három párhuzamosban oltottuk be, így pontonként összesen kilenc adatpontot kaptunk, amelyek átlagát használtuk az adott mikroorganizmus baktériumkoncentrációjaként.Mérési hibaként a szórást használtuk.Minden pont számít.
A baktériumok koncentrációjának t = 0 perchez viszonyított csökkenésének logaritmusát a következő képlettel számítottuk ki:
ahol C0 a baktériumok koncentrációja a kontrollmintában a 0. időpontban (azaz a felület megszáradása után, de a kamrába helyezés előtt), Cn pedig a baktériumok koncentrációja a felületen n perc expozíció után.
A baktériumok 45 perces expozíció alatti természetes lebomlásának figyelembevétele érdekében a 45 perces expozíció utáni kontrollhoz viszonyított logaritmikus csökkenést a következőképpen számítottuk ki:
ahol Cn a baktériumok koncentrációja a kontrollmintában az n időpontban, Cn-Control pedig a kontroll baktériumok koncentrációja az n időpontban.Az adatok logaritmikus csökkenésként jelennek meg a kontrollhoz képest (nincs EWNS-expozíció).
A vizsgálat során a feszültség és a tű és az ellenelektróda közötti távolság számos kombinációját értékelték a Taylor-kúp képződése, a Taylor-kúp stabilitása, az EWNS termelési stabilitása és a reprodukálhatóság szempontjából.Különféle kombinációk láthatók az S1 kiegészítő táblázatban.Két olyan esetet választottunk ki, amelyek stabil és reprodukálható tulajdonságokat mutatnak (Taylor-kúp, EWNS-generáció és időbeli stabilitás) az átfogó vizsgálathoz.ábrán.A 3. ábra a ROS töltésére, méretére és tartalmára vonatkozó eredményeket mutatja mindkét esetben.Az eredményeket az 1. táblázat is bemutatja. Referenciaként a 3. ábra és az 1. táblázat is tartalmazza a korábban szintetizált, nem optimalizált EWNS8, 9, 10, 11 (alapvonal-EWNS) tulajdonságait.A kétirányú t-próbával végzett statisztikai szignifikancia-számításokat újra közzétesszük az S2 kiegészítő táblázatban.Ezenkívül a további adatok magukban foglalják az ellenelektróda mintavételi furatátmérőjének (D) és a földelőelektróda és a csúcsa közötti távolság (L) hatásának vizsgálatát (S2 és S3 kiegészítő ábra).
ac) AFM által mért méreteloszlás.(df) Felületi töltés karakterisztikája.(g) Az EPR ROS jellemzése.
Fontos megjegyezni azt is, hogy a fenti feltételek mindegyike esetén a mért ionizációs áram 2 és 6 μA között, a feszültség pedig -3,8 és -6,5 kV között volt, ami ennek az egyetlen EWNS generációs érintkezőmodulnak az energiafogyasztását 50 mW-nál kisebb mértékben eredményezte.Bár az EWNS-t nagy nyomáson szintetizálták, az ózonszint nagyon alacsony volt, soha nem haladta meg a 60 ppb-t.
Az S4 kiegészítő ábra a szimulált elektromos mezőket mutatja a [-6,5 kV, 4,0 cm] és a [-3,8 kV, 0,5 cm] forgatókönyvekhez.A [-6,5 kV, 4,0 cm] és [-3,8 kV, 0,5 cm] forgatókönyv esetén a terepi számítások 2 × 105 V/m, illetve 4,7 × 105 V/m.Ez várható is, hiszen a második esetben jóval nagyobb a feszültség-távolság arány.
ábrán.A 3a, b ábra az EWNS átmérőjét mutatja az AFM8-cal mérve.A számított átlagos EWNS átmérők 27 nm és 19 nm voltak a [-6,5 kV, 4,0 cm] és [-3,8 kV, 0,5 cm] sémák esetén.A [-6,5 kV, 4,0 cm] és [-3,8 kV, 0,5 cm] szcenárió esetén az eloszlások geometriai szórása 1,41, illetve 1,45, ami szűk méreteloszlást jelez.Mind az átlagos méret, mind a geometriai szórás nagyon közel van az EWNS alapvonalához, 25 nm-en, illetve 1,41 nm-en.ábrán.A 3c. ábra az alap EWNS méretbeli eloszlását mutatja, ugyanazon módszerrel, azonos körülmények között mérve.
ábrán.A 3d,e a töltésjellemzés eredményeit mutatja.Az adatok 30 egyidejű koncentráció (#/cm3) és áramerősség (I) mérésének átlagos mérései.Az elemzés azt mutatja, hogy az EWNS átlagos töltése 22 ± 6 e- és 44 ± 6 e- [-6,5 kV, 4,0 cm] és [-3,8 kV, 0,5 cm] esetén.Szignifikánsan magasabb felületi töltésük van az alapvonali EWNS-hez képest (10 ± 2 e-), kétszer nagyobb, mint a [-6,5 kV, 4,0 cm] forgatókönyv, és négyszer nagyobb, mint a [-3 ,8 kV, 0,5 cm].A 3f ábra a töltést mutatja.adatok a Baseline-EWNS-hez.
Az EWNS-szám koncentrációtérképeiből (S5 és S6 kiegészítő ábra) látható, hogy a [-6,5 kV, 4,0 cm] szcenárió lényegesen több részecskét tartalmaz, mint a [-3,8 kV, 0,5 cm] forgatókönyv.Azt is érdemes megjegyezni, hogy az EWNS-szám koncentrációját 4 óráig figyelték (S5 és S6 kiegészítő ábra), ahol az EWNS generációs stabilitása mindkét esetben azonos szintű részecskeszám-koncentrációt mutatott.
ábrán.A 3g az EPR spektrumot mutatja az optimalizált EWNS vezérlés (háttér) kivonása után [-6,5 kV, 4,0 cm].A ROS spektrumokat a Baseline-EWNS forgatókönyvvel is összehasonlították egy korábban publikált munkában.A spincsapdákkal reagáló EWNS-ek számát 7,5 × 104 EWNS/s-ra számolták, ami hasonló a korábban publikált Baseline-EWNS8-hoz.Az EPR spektrumok egyértelműen kétféle ROS jelenlétét mutatták ki, amelyek közül az O2- volt a domináns faj, az OH• pedig kevésbé előfordult.Ezenkívül a csúcsintenzitások közvetlen összehasonlítása azt mutatta, hogy az optimalizált EWNS szignifikánsan magasabb ROS-tartalommal rendelkezik az alapvonalhoz képest.
ábrán.A 4. ábra az EWNS leválasztási hatékonyságát mutatja be EPES-ben.Az adatokat az I. táblázat is összefoglalja, és összehasonlítja az eredeti EWNS adatokkal.Az EUNS mindkét esetben a lerakódás 3,0 kV alacsony feszültség mellett is közel 100%.Jellemzően 3,0 kV elegendő a 100%-os leválasztáshoz, függetlenül a felületi töltésváltozástól.Ugyanilyen körülmények között a Baseline-EWNS leválasztási hatékonysága csak 56% volt az alacsonyabb töltésük miatt (átlagosan 10 elektron EWNS-enként).
ábrán.5 és táblázatban.A 2. ábra összefoglalja a paradicsom felületére beoltott mikroorganizmusok inaktivációs értékét, miután körülbelül 40 000 #/cm3 EWNS-nek 45 percig, optimális üzemmódban [-6,5 kV, 4,0 cm] történt.A beoltott E. coli és Lactobacillus innocuous szignifikáns, 3,8 log-os csökkenést mutatott a 45 perces expozíció alatt.Ugyanilyen körülmények között a S. enterica 2,2-log, míg a S. cerevisiae és a M. parafortutum 1,0-log-os csökkenést mutatott.
Az elektronmikroszkópos felvételek (6. ábra) az EWNS által az ártalmatlan Escherichia coli, Streptococcus és Lactobacillus sejtek inaktiválásához vezető fizikai változásokat ábrázolják.A kontrollbaktériumok sejtmembránja ép volt, míg a kitett baktériumok külső membránja sérült.
A kontroll és a kitett baktériumok elektronmikroszkópos képalkotása membránkárosodást mutatott ki.
Az optimalizált EWNS fizikai-kémiai tulajdonságaira vonatkozó adatok együttesen azt mutatják, hogy az EWNS tulajdonságai (felületi töltés és ROS tartalom) jelentősen javultak a korábban publikált EWNS alapadatokhoz képest8,9,10,11.Másrészt a méretük a nanométeres tartományban maradt, nagyon hasonló a korábban közölt eredményekhez, így hosszú ideig a levegőben maradhatnak.A megfigyelt polidiszperzitás az EWNS méretét meghatározó felületi töltésváltozásokkal, a Rayleigh-effektus véletlenszerűségével és a lehetséges koaleszcenciával magyarázható.Azonban amint azt Nielsen et al.22, a nagy felületi töltés csökkenti a párolgást azáltal, hogy hatékonyan növeli a vízcsepp felületi energiáját/feszültségét.Korábbi publikációnkban8 ezt az elméletet kísérletileg megerősítették a 22 mikrocseppekre és az EWNS-re.A túlóra alatti töltésvesztés szintén befolyásolhatja a méretet, és hozzájárulhat a megfigyelt méreteloszláshoz.