Terima kasih telah mengunjungi Alam.com.Versi browser yang Anda gunakan memiliki dukungan CSS yang terbatas.Untuk pengalaman terbaik, kami menyarankan Anda menggunakan browser yang diperbarui (atau nonaktifkan Mode Kompatibilitas di Internet Explorer).Sementara itu, untuk memastikan dukungan yang berkelanjutan, kami akan merender situs tanpa gaya dan JavaScript.
Korsel menampilkan tiga slide sekaligus.Gunakan tombol Sebelumnya dan Berikutnya untuk menelusuri tiga slide sekaligus, atau gunakan tombol penggeser di bagian akhir untuk menelusuri tiga slide sekaligus.
Baru-baru ini, platform antimikroba bebas bahan kimia berdasarkan nanoteknologi menggunakan struktur nano air buatan (EWNS) telah dikembangkan.EWNS memiliki muatan permukaan yang tinggi dan jenuh dengan spesies oksigen reaktif (ROS) yang dapat berinteraksi dengan dan menonaktifkan sejumlah mikroorganisme, termasuk patogen bawaan makanan.Di sini ditunjukkan bahwa sifat-sifatnya selama sintesis dapat disesuaikan dan dioptimalkan untuk lebih meningkatkan potensi antibakterinya.Platform laboratorium EWNS dirancang untuk menyempurnakan sifat EWNS dengan mengubah parameter sintesis.Karakterisasi properti EWNS (muatan, ukuran dan isi ROS) menggunakan metode analitik modern.Selain itu, mereka dievaluasi untuk potensi inaktivasi mikroba terhadap mikroorganisme bawaan makanan seperti Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocuous, Mycobacterium paraaccidentum dan Saccharomyces cerevisiae.Hasil yang disajikan di sini menunjukkan bahwa sifat-sifat EWNS dapat disesuaikan selama sintesis, menghasilkan peningkatan efisiensi inaktivasi secara eksponensial.Secara khusus, muatan permukaan meningkat dengan faktor empat dan spesies oksigen reaktif meningkat.Tingkat penghilangan mikroba bergantung pada mikroba dan berkisar antara 1,0 hingga 3,8 log setelah paparan 45 menit dengan dosis aerosol 40.000 #/cc EWNS.
Kontaminasi mikroba adalah penyebab utama penyakit bawaan makanan yang disebabkan oleh konsumsi patogen atau racunnya.Di Amerika Serikat saja, penyakit bawaan makanan menyebabkan sekitar 76 juta penyakit, 325.000 rawat inap, dan 5.000 kematian setiap tahun1.Selain itu, Departemen Pertanian Amerika Serikat (USDA) memperkirakan bahwa peningkatan konsumsi produk segar bertanggung jawab atas 48% dari semua penyakit bawaan makanan yang dilaporkan di Amerika Serikat2.Biaya penyakit dan kematian yang disebabkan oleh patogen bawaan makanan di Amerika Serikat sangat tinggi, diperkirakan oleh Pusat Pengendalian dan Pencegahan Penyakit (CDC) lebih dari US$15,6 miliar per tahun3.
Saat ini, intervensi antimikroba kimia4, radiasi5 dan termal6 untuk memastikan keamanan pangan sebagian besar dilakukan pada titik kontrol kritis terbatas (CCP) di sepanjang rantai produksi (biasanya setelah panen dan/atau selama pengemasan) daripada terus menerus.dengan demikian, mereka rentan terhadap kontaminasi silang.7. Kontrol yang lebih baik terhadap penyakit bawaan makanan dan pembusukan makanan memerlukan intervensi antimikroba yang berpotensi dapat diterapkan di seluruh kontinum pertanian ke meja sambil mengurangi dampak lingkungan dan biaya.
Baru-baru ini, platform antimikroba berbasis nanoteknologi bebas bahan kimia telah dikembangkan yang dapat menonaktifkan bakteri permukaan dan udara menggunakan struktur nano air buatan (EWNS).EWNS disintesis menggunakan dua proses paralel, elektrospray dan ionisasi air (Gbr. 1a).Studi sebelumnya telah menunjukkan bahwa EWNS memiliki seperangkat sifat fisik dan biologis yang unik8,9,10.EWNS memiliki rata-rata 10 elektron per struktur dan ukuran skala nano rata-rata 25 nm (Gbr. 1b,c)8,9,10.Selain itu, resonansi putaran elektron (ESR) menunjukkan bahwa EWNS mengandung sejumlah besar spesies oksigen reaktif (ROS), terutama radikal hidroksil (OH•) dan superoksida (O2-) (Gbr. 1c)8.EVNS berada di udara untuk waktu yang lama dan dapat bertabrakan dengan mikroorganisme yang tersuspensi di udara dan hadir di permukaan, mengirimkan muatan ROS mereka dan menyebabkan inaktivasi mikroorganisme (Gbr. 1d).Studi awal ini juga menunjukkan bahwa EWNS dapat berinteraksi dengan dan menonaktifkan berbagai bakteri gram negatif dan gram positif, termasuk mikobakteri, di permukaan dan di udara.Mikroskop elektron transmisi menunjukkan bahwa inaktivasi disebabkan oleh gangguan membran sel.Selain itu, studi inhalasi akut telah menunjukkan bahwa EWNS dosis tinggi tidak menyebabkan kerusakan paru atau peradangan 8 .
(a) Electrospray terjadi ketika tegangan tinggi diterapkan antara tabung kapiler yang berisi cairan dan elektroda lawan.(b) Penerapan tekanan tinggi menghasilkan dua fenomena berbeda: (i) penyemprotan listrik air dan (ii) pembentukan spesies (ion) oksigen reaktif yang terperangkap dalam EWNS.(c) Struktur unik EWNS.(d) Karena sifatnya berskala nano, EWNS sangat mobile dan dapat berinteraksi dengan patogen di udara.
Kemampuan platform antimikroba EWNS untuk menonaktifkan mikroorganisme bawaan makanan pada permukaan makanan segar juga baru-baru ini telah dibuktikan.Juga telah diperlihatkan bahwa muatan permukaan EWNS yang dikombinasikan dengan medan listrik dapat digunakan untuk mencapai pengiriman yang ditargetkan.Selain itu, hasil pendahuluan untuk tomat organik setelah pemaparan selama 90 menit pada EWNS sekitar 50.000 #/cm3 sangat menggembirakan, dengan diamatinya berbagai mikroorganisme bawaan makanan seperti E. coli dan Listeria 11.Selain itu, uji organoleptik awal menunjukkan tidak ada efek sensoris dibandingkan tomat kontrol.Meskipun hasil inaktivasi awal ini menggembirakan untuk aplikasi keamanan pangan bahkan pada dosis EWNS yang sangat rendah yaitu 50.000#/cc.lihat, jelas bahwa potensi inaktivasi yang lebih tinggi akan lebih bermanfaat untuk lebih mengurangi risiko infeksi dan pembusukan.
Di sini, kami akan memfokuskan penelitian kami pada pengembangan platform generasi EWNS untuk memungkinkan penyempurnaan parameter sintesis dan optimalisasi sifat fisikokimia EWNS untuk meningkatkan potensi antibakterinya.Secara khusus, pengoptimalan berfokus pada peningkatan muatan permukaannya (untuk meningkatkan pengiriman yang ditargetkan) dan konten ROS (untuk meningkatkan efisiensi inaktivasi).Mengkarakterisasi sifat fisiko-kimia yang dioptimalkan (ukuran, muatan, dan konten ROS) menggunakan metode analitik modern dan menggunakan mikroorganisme makanan umum seperti E. .
EVNS disintesis dengan elektrospraying simultan dan ionisasi air dengan kemurnian tinggi (18 MΩ cm–1).Nebulizer listrik 12 biasanya digunakan untuk atomisasi cairan dan sintesis partikel polimer dan keramik 13 dan serat 14 dengan ukuran terkontrol.
Sebagaimana dirinci dalam publikasi sebelumnya 8, 9, 10, 11, dalam percobaan tipikal, tegangan tinggi diterapkan antara kapiler logam dan elektroda lawan yang diarde.Selama proses ini, dua fenomena berbeda terjadi: i) elektrospray dan ii) ionisasi air.Medan listrik yang kuat antara dua elektroda menyebabkan muatan negatif menumpuk di permukaan air yang terkondensasi, menghasilkan pembentukan kerucut Taylor.Akibatnya, tetesan air bermuatan tinggi terbentuk, yang terus pecah menjadi partikel yang lebih kecil, seperti dalam teori Rayleigh16.Pada saat yang sama, medan listrik yang kuat menyebabkan beberapa molekul air terbelah dan melepas elektron (terionisasi), yang mengarah pada pembentukan sejumlah besar spesies oksigen reaktif (ROS)17.ROS18 yang dihasilkan secara bersamaan dienkapsulasi dalam EWNS (Gbr. 1c).
Pada ara.2a menunjukkan sistem generasi EWNS yang dikembangkan dan digunakan dalam sintesis EWNS dalam penelitian ini.Air murni yang disimpan dalam botol tertutup dimasukkan melalui tabung Teflon (diameter dalam 2 mm) ke dalam jarum stainless steel 30G (kapiler logam).Aliran air dikendalikan oleh tekanan udara di dalam botol, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2b.Jarum dipasang pada konsol Teflon dan dapat diatur secara manual ke jarak tertentu dari elektroda lawan.Elektroda penghitung adalah cakram aluminium yang dipoles dengan lubang di tengahnya untuk pengambilan sampel.Di bawah elektroda penghitung adalah corong pengambilan sampel aluminium, yang terhubung ke pengaturan eksperimental lainnya melalui port pengambilan sampel (Gbr. 2b).Untuk menghindari penumpukan muatan yang dapat mengganggu pengoperasian sampler, semua komponen sampler diardekan secara elektrik.
(a) Sistem Pembangkit Struktur Nano Air Rekayasa (EWNS).(b) Penampang sampler dan electrospray, menunjukkan parameter yang paling penting.( c ) Pengaturan eksperimental untuk inaktivasi bakteri.
Sistem generasi EWNS yang dijelaskan di atas mampu mengubah parameter pengoperasian utama untuk memfasilitasi penyetelan halus properti EWNS.Sesuaikan voltase yang diberikan (V), jarak antara jarum dan elektroda lawan (L), dan aliran air (φ) melalui kapiler untuk menyempurnakan karakteristik EWNS.Simbol yang digunakan untuk mewakili kombinasi yang berbeda: [V (kV), L (cm)].Sesuaikan aliran air untuk mendapatkan Taylor cone yang stabil dengan set tertentu [V, L].Untuk tujuan penelitian ini, diameter bukaan elektroda pembanding (D) dipertahankan pada 0,5 inci (1,29 cm).
Karena keterbatasan geometri dan asimetri, kekuatan medan listrik tidak dapat dihitung dari prinsip pertama.Sebaliknya, perangkat lunak QuickField™ (Svendborg, Denmark)19 digunakan untuk menghitung medan listrik.Medan listrik tidak seragam, sehingga nilai medan listrik di ujung kapiler digunakan sebagai nilai referensi untuk berbagai konfigurasi.
Selama penelitian, beberapa kombinasi tegangan dan jarak antara jarum dan elektroda pembanding dievaluasi dalam hal pembentukan kerucut Taylor, stabilitas kerucut Taylor, stabilitas produksi EWNS, dan reproduktifitas.Berbagai kombinasi ditunjukkan pada Tabel Tambahan S1.
Output dari sistem generasi EWNS dihubungkan langsung ke Scanning Mobility Particle Size Analyzer (SMPS, Model 3936, TSI, Shoreview, MN) untuk pengukuran konsentrasi jumlah partikel, serta ke Aerosol Faraday Electrometer (TSI, Model 3068B, Shoreview, MN).) untuk arus aerosol diukur seperti yang dijelaskan dalam publikasi kami sebelumnya.SMPS dan elektrometer aerosol mengambil sampel pada laju aliran 0,5 L/mnt (total aliran sampel 1 L/mnt).Jumlah konsentrasi partikel dan aliran aerosol diukur selama 120 detik.Pengukuran diulang sebanyak 30 kali.Berdasarkan pengukuran saat ini, muatan aerosol total dihitung dan muatan EWNS rata-rata diperkirakan untuk sejumlah partikel EWNS terpilih tertentu.Biaya rata-rata EWNS dapat dihitung menggunakan Persamaan (1):
di mana IEl adalah arus terukur, NSMPS adalah konsentrasi digital yang diukur dengan SMPS, dan φEl adalah laju aliran per elektrometer.
Karena kelembaban relatif (RH) mempengaruhi muatan permukaan, suhu dan (RH) dijaga konstan selama percobaan masing-masing pada 21°C dan 45%.
Atomic force microscopy (AFM), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Santa Barbara, CA) dan probe AC260T (Olympus, Tokyo, Jepang) digunakan untuk mengukur ukuran dan masa pakai EWNS.Frekuensi pemindaian AFM adalah 1 Hz, area pemindaian adalah 5 μm × 5 μm, dan 256 garis pindai.Semua gambar mengalami penyelarasan gambar urutan pertama menggunakan perangkat lunak Asylum (kisaran topeng 100 nm, ambang batas 100 pm).
Corong uji dilepas dan permukaan mika ditempatkan pada jarak 2,0 cm dari elektroda lawan selama waktu rata-rata 120 detik untuk menghindari aglomerasi partikel dan pembentukan tetesan tidak beraturan pada permukaan mika.EWNS disemprotkan langsung ke permukaan mika yang baru dipotong (Ted Pella, Redding, CA).Gambar permukaan mika segera setelah AFM sputtering.Sudut kontak permukaan mika tanpa modifikasi yang baru dipotong mendekati 0°, sehingga EVNS didistribusikan pada permukaan mika dalam bentuk kubah.Diameter ( a ) dan tinggi ( h ) tetesan yang menyebar diukur langsung dari topografi AFM dan digunakan untuk menghitung volume difusi kubah EWNS menggunakan metode kami yang telah divalidasi sebelumnya.Dengan asumsi EWNS onboard memiliki volume yang sama, diameter ekuivalen dapat dihitung menggunakan Persamaan (2):
Berdasarkan metode yang kami kembangkan sebelumnya, spin trap electron spin resonance (ESR) digunakan untuk mendeteksi keberadaan intermediet radikal berumur pendek di EWNS.Aerosol digelembungkan melalui 650 μm Midget sparger (Ace Glass, Vineland, NJ) yang mengandung larutan 235 mM DEPMPO(5-(diethoxyphosphoryl)-5-methyl-1-pyrroline-N-oxide) (Oxis International Inc.).Portland, Oregon).Semua pengukuran ESR dilakukan menggunakan spektrometer Bruker EMX (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) dan sel panel datar.Perangkat lunak Acquisit (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) digunakan untuk mengumpulkan dan menganalisis data.Penentuan karakteristik ROS dilakukan hanya untuk satu set kondisi operasi [-6,5 kV, 4,0 cm].Konsentrasi EWNS diukur menggunakan SMPS setelah menghitung kerugian EWNS pada penabrak.
Level ozon dipantau menggunakan 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Boulder, Co)8,9,10.
Untuk semua sifat EWNS, nilai rata-rata digunakan sebagai nilai pengukuran, dan standar deviasi digunakan sebagai kesalahan pengukuran.Uji-t dilakukan untuk membandingkan nilai atribut EWNS yang dioptimalkan dengan nilai yang sesuai dari EWNS dasar.
Gambar 2c menunjukkan sistem "tarikan" presipitasi elektrostatik (EPES) yang dikembangkan dan dikarakterisasi sebelumnya yang dapat digunakan untuk pengiriman EWNS yang ditargetkan di permukaan.EPES menggunakan muatan EVNS yang dapat "dipandu" langsung ke permukaan target di bawah pengaruh medan listrik yang kuat.Rincian sistem EPES disajikan dalam publikasi terbaru oleh Pyrgiotakis et al.11 .Jadi, EPES terdiri dari ruang PVC cetak 3D dengan ujung meruncing dan berisi dua pelat logam baja tahan karat paralel (baja tahan karat 304, dilapisi cermin) di tengah dengan jarak 15,24 cm.Papan dihubungkan dengan sumber tegangan tinggi eksternal (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY), pelat bawah selalu dihubungkan dengan tegangan positif, dan pelat atas selalu dihubungkan dengan pentanahan (floating ground).Dinding bilik dilapisi dengan aluminium foil, yang diarde secara elektrik untuk mencegah kehilangan partikel.Ruang tersebut memiliki pintu pemuatan depan tertutup yang memungkinkan permukaan uji ditempatkan pada dudukan plastik yang menaikkannya di atas pelat logam bawah untuk menghindari interferensi tegangan tinggi.
Efisiensi pengendapan EWNS dalam EPES dihitung menurut protokol yang dikembangkan sebelumnya yang dirinci dalam Gambar Tambahan S111.
Sebagai ruang kontrol, ruang aliran silinder kedua dihubungkan secara seri ke sistem EPES, di mana filter HEPA perantara digunakan untuk menghilangkan EWNS.Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2c, aerosol EWNS dipompa melalui dua ruang bawaan.Filter antara ruang kontrol dan EPES menghilangkan sisa EWNS yang menghasilkan suhu (T), kelembapan relatif (RH), dan tingkat ozon yang sama.
Mikroorganisme bawaan makanan penting telah ditemukan mengkontaminasi makanan segar seperti E. coli (ATCC #27325), indikator feses, Salmonella enterica (ATCC #53647), patogen bawaan makanan, Listeria tidak berbahaya (ATCC #33090), pengganti Listeria monocytogenes patogen, berasal dari ATCC (Manassas, VA) Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098), pengganti ragi pembusuk, dan inaktivasi yang lebih resisten d bakteri, Mycobacterium paralucky (ATCC #19686).
Beli sekotak acak tomat anggur organik dari pasar lokal Anda dan dinginkan pada suhu 4°C hingga digunakan (hingga 3 hari).Semua tomat percobaan berukuran sama, berdiameter sekitar 1/2 inci.
Protokol kultur, inokulasi, paparan, dan penghitungan koloni dirinci dalam publikasi kami sebelumnya dan dirinci dalam Data Tambahan.Keefektifan EWNS dievaluasi dengan memaparkan tomat yang diinokulasi pada 40.000 #/cm3 selama 45 menit.Secara singkat, tiga buah tomat digunakan untuk mengevaluasi mikroorganisme yang masih hidup pada waktu t = 0 menit.Tiga tomat ditempatkan di EPES dan dipaparkan ke EWNS pada 40.000 #/cc (tomat yang diekspos EWNS) dan tiga sisanya ditempatkan di ruang kontrol (tomat kontrol).Pemrosesan tomat tambahan pada kedua kelompok tidak dilakukan.Tomat yang terpapar EWNS dan tomat kontrol dibuang setelah 45 menit untuk mengevaluasi efek EWNS.
Setiap percobaan dilakukan dalam rangkap tiga.Analisis data dilakukan sesuai dengan protokol yang dijelaskan dalam Data Tambahan.
Mekanisme inaktivasi dinilai dengan sedimentasi sampel EWNS yang terpapar (45 menit pada konsentrasi aerosol EWNS 40.000 #/cm3) dan sampel bakteri tidak berbahaya E. coli, Salmonella enterica, dan Lactobacillus yang tidak diiradiasi.Partikel difiksasi dalam 2,5% glutaraldehid, 1,25% paraformaldehida dan 0,03% asam pikrat dalam buffer natrium cacodylate 0,1 M (pH 7,4) selama 2 jam pada suhu kamar.Setelah dicuci, post-fix dengan 1% osmium tetroxide (OsO4)/1.5% potassium ferrocyanide (KFeCN6) selama 2 jam, cuci 3 kali dalam air dan inkubasi dalam 1% uranyl acetate selama 1 jam, kemudian cuci dua kali dalam air, kemudian dehidrasi selama 10 menit dalam alkohol 50%, 70%, 90%, 100%.Sampel kemudian ditempatkan dalam propilena oksida selama 1 jam dan diresapi dengan campuran 1:1 propilena oksida dan TAAP Epon (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA).Sampel disematkan dalam TAAB Epon dan dipolimerisasi pada suhu 60°C selama 48 jam.Resin butiran yang diawetkan dipotong dan divisualisasikan oleh TEM menggunakan mikroskop elektron transmisi konvensional JEOL 1200EX (JEOL, Tokyo, Jepang) yang dilengkapi dengan kamera CCD AMT 2k (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, Massachusetts, USA).
Semua percobaan dilakukan dalam rangkap tiga.Untuk setiap titik waktu, pencucian bakteri diunggulkan dalam rangkap tiga, menghasilkan total sembilan titik data per titik, yang rata-rata digunakan sebagai konsentrasi bakteri untuk mikroorganisme tertentu.Standar deviasi digunakan sebagai kesalahan pengukuran.Semua poin diperhitungkan.
Logaritma penurunan konsentrasi bakteri dibandingkan dengan t = 0 menit dihitung dengan rumus sebagai berikut:
dimana C0 adalah konsentrasi bakteri dalam sampel kontrol pada waktu 0 (yaitu setelah permukaan mengering tetapi sebelum dimasukkan ke dalam chamber) dan Cn adalah konsentrasi bakteri pada permukaan setelah n menit pemaparan.
Untuk memperhitungkan degradasi alami bakteri selama paparan 45 menit, pengurangan log dibandingkan dengan kontrol setelah 45 menit juga dihitung sebagai berikut:
dimana Cn adalah konsentrasi bakteri dalam sampel kontrol pada waktu n dan Cn-Kontrol adalah konsentrasi bakteri kontrol pada waktu n.Data disajikan sebagai pengurangan log dibandingkan dengan kontrol (tidak ada paparan EWNS).
Selama penelitian, beberapa kombinasi tegangan dan jarak antara jarum dan elektroda pembanding dievaluasi dalam hal pembentukan kerucut Taylor, stabilitas kerucut Taylor, stabilitas produksi EWNS, dan reproduktifitas.Berbagai kombinasi ditunjukkan pada Tabel Tambahan S1.Dua kasus yang menunjukkan sifat stabil dan dapat direproduksi (taylor cone, generasi EWNS, dan stabilitas dari waktu ke waktu) dipilih untuk studi komprehensif.Pada ara.Gambar 3 menunjukkan hasil muatan, ukuran, dan isi ROS dalam kedua kasus.Hasilnya juga ditunjukkan pada Tabel 1. Sebagai referensi, Gambar 3 dan Tabel 1 menyertakan properti dari EWNS8, 9, 10, 11 (baseline-EWNS) yang tidak dioptimalkan yang disintesis sebelumnya.Perhitungan signifikansi statistik menggunakan uji-t dua sisi diterbitkan ulang dalam Tabel Tambahan S2.Selain itu, data tambahan meliputi studi tentang efek diameter lubang pengambilan sampel elektroda lawan (D) dan jarak antara elektroda arde dan ujung (L) (Gambar Tambahan S2 dan S3).
(ac) Distribusi ukuran diukur dengan AFM.(df) Karakteristik muatan permukaan.( g ) karakterisasi ROS dari EPR.
Penting juga untuk dicatat bahwa untuk semua kondisi di atas, arus ionisasi terukur adalah antara 2 dan 6 μA dan tegangan antara -3,8 dan -6,5 kV, menghasilkan konsumsi daya kurang dari 50 mW untuk modul kontak generasi EWNS tunggal ini.Meskipun EWNS disintesis di bawah tekanan tinggi, kadar ozon sangat rendah, tidak pernah melebihi 60 ppb.
Tambahan Gambar S4 menunjukkan simulasi medan listrik untuk skenario [-6,5 kV, 4,0 cm] dan [-3,8 kV, 0,5 cm].Untuk skenario [-6,5 kV, 4,0 cm] dan [-3,8 kV, 0,5 cm], perhitungan lapangan masing-masing adalah 2 × 105 V/m dan 4,7 × 105 V/m.Ini diharapkan, karena dalam kasus kedua rasio tegangan-jarak jauh lebih tinggi.
Pada ara.3a,b menunjukkan diameter EWNS yang diukur dengan AFM8.Diameter EWNS rata-rata yang dihitung masing-masing adalah 27 nm dan 19 nm untuk skema [-6,5 kV, 4,0 cm] dan [-3,8 kV, 0,5 cm].Untuk skenario [-6,5 kV, 4,0 cm] dan [-3,8 kV, 0,5 cm], standar deviasi geometris dari distribusi masing-masing adalah 1,41 dan 1,45, menunjukkan distribusi ukuran yang sempit.Ukuran rata-rata dan standar deviasi geometrik sangat dekat dengan EWNS dasar, masing-masing pada 25 nm dan 1,41.Pada ara.3c menunjukkan distribusi ukuran EWNS dasar yang diukur menggunakan metode yang sama dalam kondisi yang sama.
Pada ara.3d,e menunjukkan hasil karakterisasi muatan.Data adalah pengukuran rata-rata dari 30 pengukuran konsentrasi (#/cm3) dan arus (I) secara bersamaan.Analisis menunjukkan bahwa muatan rata-rata pada EWNS masing-masing adalah 22 ± 6 e- dan 44 ± 6 e- untuk [-6,5 kV, 4,0 cm] dan [-3,8 kV, 0,5 cm].Mereka memiliki muatan permukaan yang jauh lebih tinggi dibandingkan dengan baseline EWNS (10 ± 2 e-), dua kali lebih besar daripada skenario [-6,5 kV, 4,0 cm] dan empat kali lebih besar daripada skenario [-3 ,8 kV, 0,5 cm].Gambar 3f menunjukkan muatan.data untuk Baseline-EWNS.
Dari peta konsentrasi nomor EWNS (Gambar Tambahan S5 dan S6), dapat dilihat bahwa skenario [-6,5 kV, 4,0 cm] memiliki partikel yang jauh lebih banyak daripada skenario [-3,8 kV, 0,5 cm].Perlu juga dicatat bahwa konsentrasi nomor EWNS dipantau hingga 4 jam (Gambar Tambahan S5 dan S6), di mana stabilitas generasi EWNS menunjukkan tingkat konsentrasi nomor partikel yang sama dalam kedua kasus.
Pada ara.3g menunjukkan spektrum EPR setelah pengurangan kontrol EWNS yang dioptimalkan (latar belakang) pada [-6,5 kV, 4,0 cm].Spektrum ROS juga dibandingkan dengan skenario Baseline-EWNS dalam karya yang diterbitkan sebelumnya.Jumlah EWNS yang bereaksi dengan spin trap dihitung menjadi 7,5 × 104 EWNS/s, yang mirip dengan Baseline-EWNS8 yang diterbitkan sebelumnya.Spektra EPR dengan jelas menunjukkan adanya dua jenis ROS, dengan O2- sebagai spesies dominan dan OH• kurang melimpah.Selain itu, perbandingan langsung dari intensitas puncak menunjukkan bahwa EWNS yang dioptimalkan memiliki konten ROS yang jauh lebih tinggi dibandingkan dengan EWNS awal.
Pada ara.4 menunjukkan efisiensi deposisi EWNS di EPES.Data juga dirangkum dalam Tabel I dan dibandingkan dengan data EWNS asli.Untuk kedua kasus EUNS, pengendapan mendekati 100% bahkan pada tegangan rendah 3,0 kV.Biasanya, 3,0 kV cukup untuk pengendapan 100%, terlepas dari perubahan muatan permukaan.Di bawah kondisi yang sama, efisiensi pengendapan Baseline-EWNS hanya 56% karena muatannya lebih rendah (rata-rata 10 elektron per EWNS).
Pada ara.5 dan dalam tabel.2 merangkum nilai inaktivasi mikroorganisme yang diinokulasi pada permukaan tomat setelah terpapar sekitar 40.000 #/cm3 EWNS selama 45 menit pada mode optimum [-6,5 kV, 4,0 cm].Inokulasi E. coli dan Lactobacillus innocuous menunjukkan pengurangan yang signifikan sebesar 3,8 log selama 45 menit pemaparan.Pada kondisi yang sama, S. enterica mengalami penurunan 2,2 log, sedangkan S. cerevisiae dan M. parafortutum mengalami penurunan 1,0 log.
Mikrograf elektron (Gambar 6) menggambarkan perubahan fisik yang diinduksi oleh EWNS pada sel Escherichia coli, Streptococcus, dan Lactobacillus yang tidak berbahaya yang menyebabkan inaktivasinya.Bakteri kontrol memiliki membran sel yang utuh, sedangkan bakteri yang terpapar memiliki membran luar yang rusak.
Pencitraan mikroskopis elektron dari kontrol dan bakteri yang terpapar mengungkapkan kerusakan membran.
Data tentang sifat fisikokimia dari EWNS yang dioptimalkan secara kolektif menunjukkan bahwa sifat (muatan permukaan dan kandungan ROS) dari EWNS meningkat secara signifikan dibandingkan dengan data dasar EWNS yang diterbitkan sebelumnya8,9,10,11.Di sisi lain, ukurannya tetap dalam kisaran nanometer, sangat mirip dengan hasil yang dilaporkan sebelumnya, memungkinkan mereka tetap berada di udara untuk waktu yang lama.Polidispersitas yang teramati dapat dijelaskan oleh perubahan muatan permukaan yang menentukan ukuran EWNS, keacakan efek Rayleigh, dan koalesensi potensial.Namun, sebagaimana dirinci oleh Nielsen et al.22, muatan permukaan yang tinggi mengurangi penguapan dengan secara efektif meningkatkan energi permukaan/ketegangan tetesan air.Dalam publikasi kami sebelumnya8, teori ini dikonfirmasi secara eksperimental untuk mikrodroplet 22 dan EWNS.Kehilangan muatan selama lembur juga dapat memengaruhi ukuran dan berkontribusi pada distribusi ukuran yang diamati.