Matur nuwun sampun ngunjungi Nature.com. Versi browser sing sampeyan gunakake nduweni dhukungan CSS sing winates. Kanggo pengalaman sing paling apik, disaranake sampeyan nggunakake browser sing wis dianyari (utawa mateni Mode Kompatibilitas ing Internet Explorer). Kangge, kanggo njamin dhukungan sing terus-terusan, kita bakal nampilake situs tanpa gaya lan JavaScript.
Bubar iki, platform antimikroba bebas kimia adhedhasar nanoteknologi nggunakake nanostruktur banyu buatan (EWNS) wis dikembangake. EWNS duwe muatan permukaan sing dhuwur lan jenuh karo spesies oksigen reaktif (ROS) sing bisa berinteraksi karo lan ngnonaktifake sawetara mikroorganisme, kalebu patogen sing ditularake panganan. Ing kene dituduhake manawa sifat-sifat kasebut sajrone sintesis bisa disetel lan dioptimalake kanggo luwih ningkatake potensi antibakteri. Platform laboratorium EWNS dirancang kanggo nyetel sifat-sifat EWNS kanthi ngganti parameter sintesis. Karakterisasi sifat EWNS (muatan, ukuran lan isi ROS) nggunakake metode analitis modern. Kajaba iku, dheweke dievaluasi kanggo potensi inaktivasi mikroba marang mikroorganisme sing ditularake panganan kayata Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocuous, Mycobacterium paraaccidentum lan Saccharomyces cerevisiae. Asil sing ditampilake ing kene nuduhake manawa sifat-sifat EWNS bisa disetel kanthi apik sajrone sintesis, sing nyebabake peningkatan eksponensial ing efisiensi inaktivasi. Utamane, muatan permukaan mundhak kaping papat lan spesies oksigen reaktif mundhak. Tingkat penghapusan mikroba gumantung saka mikroba lan kisarane saka 1,0 nganti 3,8 log sawise 45 menit kena dosis aerosol 40.000 #/cc EWNS.
Kontaminasi mikroba minangka panyebab utama penyakit sing disebabake dening panganan sing disebabake dening konsumsi patogen utawa racun-racune. Ing Amerika Serikat wae, penyakit sing disebabake dening panganan nyebabake udakara 76 yuta penyakit, 325.000 rawat inap rumah sakit, lan 5.000 kematian saben taun1. Kajaba iku, Departemen Pertanian Amerika Serikat (USDA) ngira-ira manawa tambah akeh konsumsi produk seger tanggung jawab kanggo 48% saka kabeh penyakit sing disebabake dening panganan sing dilapurake ing Amerika Serikat2. Biaya penyakit lan kematian sing disebabake dening patogen sing disebabake dening panganan ing Amerika Serikat dhuwur banget, dikira-kira dening Pusat Pengendalian lan Pencegahan Penyakit (CDC) luwih saka US$15,6 milyar saben taun3.
Saiki, intervensi antimikroba kimia4, radiasi5, lan termal6 kanggo njamin keamanan pangan biasane ditindakake ing titik kontrol kritis (CCP) sing winates ing sadawane rantai produksi (biasane sawise panen lan/utawa sajrone pengemasan) tinimbang terus-terusan. Mula, intervensi kasebut rentan kena kontaminasi silang. 7. Kontrol sing luwih apik kanggo penyakit sing disebabake panganan lan kerusakan pangan mbutuhake intervensi antimikroba sing bisa ditrapake ing saindenging kontinum saka pertanian menyang meja nalika nyuda dampak lan biaya lingkungan.
Bubar iki, platform antimikroba berbasis nanoteknologi sing bebas bahan kimia wis dikembangake sing bisa ngnonaktifake bakteri permukaan lan udhara nggunakake struktur nano banyu buatan (EWNS). EWNS disintesis nggunakake rong proses paralel, electrospray lan ionisasi banyu (Gambar 1a). Panaliten sadurunge nuduhake yen EWNS duwe sakumpulan sifat fisik lan biologis sing unik8,9,10. EWNS duwe rata-rata 10 elektron saben struktur lan ukuran nanoskala rata-rata 25 nm (Gambar 1b,c)8,9,10. Kajaba iku, resonansi spin elektron (ESR) nuduhake yen EWNS ngemot akeh spesies oksigen reaktif (ROS), utamane radikal hidroksil (OH•) lan superoksida (O2-) (Gambar 1c)8. EVNS ana ing udhara sajrone wektu sing suwe lan bisa tabrakan karo mikroorganisme sing ana ing udhara lan ana ing permukaan, ngirim muatan ROS lan nyebabake inaktivasi mikroorganisme (Gambar 1d). Panliten awal iki uga nuduhake yen EWNS bisa sesambungan karo lan ngnonaktifake macem-macem bakteri gram-negatif lan gram-positif, kalebu mikobakteri, ing permukaan lan ing udhara. Mikroskopi elektron transmisi nuduhake yen inaktivasi kasebut disebabake dening gangguan membran sel. Kajaba iku, panliten inhalasi akut nuduhake yen dosis EWNS sing dhuwur ora nyebabake kerusakan paru-paru utawa inflamasi 8.
(a) Electrospray kedadeyan nalika voltase dhuwur ditrapake ing antarane tabung kapiler sing ngemot cairan lan elektroda lawan. (b) Aplikasi tekanan dhuwur nyebabake rong fenomena sing beda: (i) electrospraying banyu lan (ii) pembentukan spesies oksigen reaktif (ion) sing kejebak ing EWNS. (c) Struktur unik EWNS. (d) Amarga sifat nanoscale, EWNS gampang banget obah lan bisa berinteraksi karo patogen sing ana ing udhara.
Kemampuan platform antimikroba EWNS kanggo ngnonaktifake mikroorganisme sing ana ing panganan ing permukaan panganan seger uga bubar iki wis dibuktekake. Uga wis dibuktekake manawa muatan permukaan EWNS sing digabungake karo medan listrik bisa digunakake kanggo entuk pangiriman sing ditargetake. Kajaba iku, asil awal kanggo tomat organik sawise paparan 90 menit ing EWNS udakara 50.000 #/cm3 nyemangati, kanthi macem-macem mikroorganisme sing ana ing panganan kayata E. coli lan Listeria 11 diamati. Kajaba iku, tes organoleptik awal ora nuduhake efek sensorik dibandhingake karo tomat kontrol. Sanajan asil inaktivasi awal iki nyemangati kanggo aplikasi keamanan panganan sanajan ing dosis EWNS sing sithik banget yaiku 50.000 #/cc. delengen, jelas manawa potensial inaktivasi sing luwih dhuwur bakal luwih migunani kanggo nyuda risiko infeksi lan pembusukan.
Ing kene, kita bakal fokus riset kita ing pangembangan platform generasi EWNS kanggo ngaktifake penyetelan parameter sintesis lan optimalisasi sifat fisikokimia EWNS kanggo nambah potensi antibakteri. Utamane, optimasi wis fokus ing nambah muatan permukaan (kanggo nambah pangiriman sing ditargetake) lan konten ROS (kanggo nambah efisiensi inaktivasi). Karakterisasi sifat fisikokimia sing dioptimalake (ukuran, muatan lan konten ROS) nggunakake metode analitis modern lan nggunakake mikroorganisme panganan umum kayata E.
EVNS disintesis kanthi elektrospraying lan ionisasi banyu kanthi kemurnian dhuwur (18 MΩ cm–1) bebarengan. Nebulizer listrik 12 biasane digunakake kanggo atomisasi cairan lan sintesis partikel polimer lan keramik 13 lan serat 14 kanthi ukuran sing dikontrol.
Kaya sing wis dijlentrehake ing publikasi sadurunge 8, 9, 10, 11, ing eksperimen khas, voltase dhuwur ditrapake ing antarane kapiler logam lan elektroda lawan sing di-ground. Sajrone proses iki, rong fenomena sing beda kedadeyan: i) electrospray lan ii) ionisasi banyu. Medan listrik sing kuwat ing antarane rong elektroda nyebabake muatan negatif numpuk ing permukaan banyu sing kental, sing nyebabake pembentukan kerucut Taylor. Akibate, tetesan banyu sing diisi daya dhuwur dibentuk, sing terus pecah dadi partikel sing luwih cilik, kaya ing teori Rayleigh16. Ing wektu sing padha, medan listrik sing kuwat nyebabake sawetara molekul banyu misah lan ngupas elektron (ionisasi), sing nyebabake pembentukan akeh spesies oksigen reaktif (ROS)17. ROS18 sing diasilake bebarengan dienkapsulasi ing EWNS (Gambar 1c).
Ing gambar 2a nuduhake sistem generasi EWNS sing dikembangake lan digunakake ing sintesis EWNS ing panliten iki. Banyu murni sing disimpen ing botol tertutup diwutahake liwat tabung Teflon (diameter njero 2 mm) menyang jarum baja tahan karat 30G (kapiler logam). Aliran banyu dikontrol dening tekanan udara ing njero botol, kaya sing dituduhake ing Gambar 2b. Jarum dipasang ing konsol Teflon lan bisa diatur kanthi manual nganti jarak tartamtu saka elektroda lawan. Elektroda lawan yaiku cakram aluminium sing dipoles kanthi bolongan ing tengah kanggo sampling. Ing ngisor elektroda lawan ana corong sampling aluminium, sing disambungake menyang persiyapan eksperimen liyane liwat port sampling (Gambar 2b). Kanggo nyegah penumpukan muatan sing bisa ngganggu operasi sampler, kabeh komponen sampler di-ground kanthi listrik.
(a) Sistem Pembangkitan Nanostruktur Banyu sing Direkayasa (EWNS). (b) Penampang sampler lan electrospray, sing nuduhake parameter sing paling penting. (c) Persiapan eksperimental kanggo inaktivasi bakteri.
Sistem generasi EWNS sing diterangake ing ndhuwur bisa ngganti parameter operasi utama kanggo nggampangake penyetelan sifat EWNS. Atur voltase sing ditrapake (V), jarak antarane jarum lan elektroda lawan (L), lan aliran banyu (φ) liwat kapiler kanggo nyetel karakteristik EWNS kanthi apik. Simbol sing digunakake kanggo makili kombinasi sing beda: [V (kV), L (cm)]. Atur aliran banyu kanggo entuk kerucut Taylor sing stabil saka set tartamtu [V, L]. Kanggo tujuan panliten iki, diameter aperture elektroda lawan (D) dijaga ing 0,5 inci (1,29 cm).
Amarga geometri lan asimetri sing winates, kekuwatan medan listrik ora bisa diitung saka prinsip pertama. Nanging, piranti lunak QuickField™ (Svendborg, Denmark)19 digunakake kanggo ngetung medan listrik. Medan listrik ora seragam, mula nilai medan listrik ing pucuk kapiler digunakake minangka nilai referensi kanggo macem-macem konfigurasi.
Sajrone panliten iki, sawetara kombinasi voltase lan jarak antarane jarum lan elektroda lawan dievaluasi babagan pembentukan kerucut Taylor, stabilitas kerucut Taylor, stabilitas produksi EWNS, lan reprodusibilitas. Macem-macem kombinasi dituduhake ing Tabel Tambahan S1.
Output saka sistem generasi EWNS disambungake langsung menyang Scanning Mobility Particle Size Analyzer (SMPS, Model 3936, TSI, Shoreview, MN) kanggo pangukuran konsentrasi jumlah partikel, uga menyang Aerosol Faraday Electrometer (TSI, Model 3068B, Shoreview, MN). ) kanggo arus aerosol diukur kaya sing diterangake ing publikasi sadurunge. SMPS lan elektrometer aerosol disampel kanthi laju aliran 0,5 L/menit (total aliran sampel 1 L/menit). Konsentrasi jumlah partikel lan aliran aerosol diukur sajrone 120 detik. Pangukuran diulang kaping 30. Adhedhasar pangukuran arus, total muatan aerosol diitung lan rata-rata muatan EWNS diestimasikake kanggo jumlah total partikel EWNS sing dipilih. Biaya rata-rata EWNS bisa diitung nggunakake Persamaan (1):
ing ngendi IEl minangka arus sing diukur, NSMPS minangka konsentrasi digital sing diukur nganggo SMPS, lan φEl minangka laju aliran saben elektrometer.
Amarga kelembapan relatif (RH) mengaruhi muatan permukaan, suhu lan (RH) dijaga tetep sajrone eksperimen ing suhu 21°C lan 45%.
Mikroskopi gaya atom (AFM), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Santa Barbara, CA) lan probe AC260T (Olympus, Tokyo, Jepang) digunakake kanggo ngukur ukuran lan umur EWNS. Frekuensi pemindaian AFM yaiku 1 Hz, area pemindaian yaiku 5 μm × 5 μm, lan 256 garis pemindaian. Kabeh gambar ditindakake kanthi penyelarasan gambar urutan kapisan nggunakake piranti lunak Asylum (rentang topeng 100 nm, ambang batas 100 pm).
Corong tes dicopot lan permukaan mika diselehake ing jarak 2,0 cm saka elektroda lawan kanggo wektu rata-rata 120 detik kanggo nyegah aglomerasi partikel lan pembentukan tetesan sing ora teratur ing permukaan mika. EWNS disemprotake langsung menyang permukaan mika sing nembe dipotong (Ted Pella, Redding, CA). Gambar permukaan mika langsung sawise sputtering AFM. Sudut kontak permukaan mika sing nembe dipotong lan ora dimodifikasi cedhak karo 0°, mula EVNS disebarake ing permukaan mika kanthi bentuk kubah. Diameter (a) lan dhuwur (h) tetesan sing nyebar diukur langsung saka topografi AFM lan digunakake kanggo ngetung volume difusi kubah EWNS nggunakake metode sing wis divalidasi sadurunge. Kanthi nganggep EWNS onboard duwe volume sing padha, diameter sing padha bisa diitung nggunakake Persamaan (2):
Adhedhasar metode sing wis dikembangake sadurunge, jebakan spin resonansi spin elektron (ESR) digunakake kanggo ndeteksi anané intermediet radikal sing umure cendhak ing EWNS. Aerosol digelembungake liwat sparger Midget 650 μm (Ace Glass, Vineland, NJ) sing ngemot larutan 235 mM DEPMPO (5-(diethoxyphosphoryl)-5-methyl-1-pyrroline-N-oxide) (Oxis International Inc.). Portland, Oregon). Kabeh pangukuran ESR ditindakake nggunakake spektrometer Bruker EMX (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) lan sel panel datar. Piranti lunak Acquisit (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) digunakake kanggo ngumpulake lan nganalisis data. Penentuan karakteristik ROS ditindakake mung kanggo sakumpulan kondisi operasi [-6,5 kV, 4,0 cm]. Konsentrasi EWNS diukur nggunakake SMPS sawise ngetung kerugian EWNS ing impactor.
Kadar ozon dipantau nganggo 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Boulder, Co)8,9,10.
Kanggo kabeh properti EWNS, nilai rata-rata digunakake minangka nilai pangukuran, lan deviasi standar digunakake minangka kesalahan pangukuran. Tes-t ditindakake kanggo mbandhingake nilai atribut EWNS sing dioptimalake karo nilai sing cocog saka EWNS dhasar.
Gambar 2c nuduhake sistem "tarikan" presipitasi elektrostatik (EPES) sing wis dikembangake lan dikarakterisasi sadurunge sing bisa digunakake kanggo pangiriman EWNS sing ditargetake ing permukaan. EPES nggunakake muatan EVNS sing bisa "dipandu" langsung menyang permukaan target ing sangisore pengaruh medan listrik sing kuwat. Rincian sistem EPES diwenehake ing publikasi anyar dening Pyrgiotakis et al. 11. Dadi, EPES kasusun saka ruang PVC sing dicithak 3D kanthi ujung sing meruncing lan ngemot rong pelat logam baja tahan karat paralel (baja tahan karat 304, dilapisi pangilon) ing tengah kanthi jarak 15,24 cm. Papan kasebut disambungake menyang sumber tegangan tinggi eksternal (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY), pelat ngisor tansah disambungake menyang tegangan positif, lan pelat ndhuwur tansah disambungake menyang lemah (lemah ngambang). Tembok ruang ditutupi karo foil aluminium, sing dibumikan kanthi listrik kanggo nyegah mundhut partikel. Kamar iki duwé lawang pemuatan ngarep sing ditutup rapat sing ngidini permukaan uji diselehake ing penyangga plastik sing ngangkat permukaan kasebut ing ndhuwur pelat logam ngisor kanggo nyegah gangguan voltase dhuwur.
Efisiensi deposisi EWNS ing EPES diitung miturut protokol sing wis dikembangake sadurunge sing dirinci ing Gambar Tambahan S111.
Minangka ruang kontrol, ruang aliran silinder kapindho disambungake kanthi seri menyang sistem EPES, ing ngendi filter HEPA perantara digunakake kanggo mbusak EWNS. Kaya sing dituduhake ing Gambar 2c, aerosol EWNS dipompa liwat rong ruang sing wis dibangun. Filter antarane ruang kontrol lan EPES mbusak EWNS sing isih ana sing nyebabake suhu (T), kelembapan relatif (RH) lan tingkat ozon sing padha.
Mikroorganisme penting sing ana ing panganan wis ditemokake bisa ngontaminasi panganan seger kayata E. coli (ATCC #27325), indikator feses, Salmonella enterica (ATCC #53647), patogen sing ana ing panganan, Listeria ora mbebayani (ATCC #33090), pengganti kanggo Listeria monocytogenes patogen, sing asale saka ATCC (Manassas, VA) Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098), pengganti ragi pembusuk, lan bakteri sing ora aktif sing luwih tahan, Mycobacterium paralucky (ATCC #19686).
Tuku kothak tomat anggur organik saka pasar lokal lan simpen ing kulkas ing suhu 4°C nganti digunakake (nganti 3 dina). Tomat eksperimen kabeh ukurane padha, diametere kira-kira 1/2 inci.
Protokol kultur, inokulasi, paparan, lan cacah koloni dirinci ing publikasi sadurunge lan dirinci ing Data Tambahan. Efektivitas EWNS dievaluasi kanthi mbabarake tomat sing diinokulasi menyang 40.000 #/cm3 sajrone 45 menit. Secara ringkes, telung tomat digunakake kanggo ngevaluasi mikroorganisme sing isih urip ing wektu t = 0 menit. Telung tomat diselehake ing EPES lan kapapar EWNS ing 40.000 #/cc (tomat sing kapapar EWNS) lan telu liyane diselehake ing ruang kontrol (tomat kontrol). Pangolahan tambahan tomat ing loro klompok ora ditindakake. Tomat sing kapapar EWNS lan tomat kontrol dicopot sawise 45 menit kanggo ngevaluasi efek EWNS.
Saben eksperimen ditindakake kaping telu. Analisis data ditindakake miturut protokol sing diterangake ing Data Tambahan.
Mekanisme inaktivasi ditaksir kanthi sedimentasi sampel EWNS sing kapapar (45 menit ing konsentrasi aerosol EWNS 40.000 #/cm3) lan sampel bakteri sing ora mbebayani E. coli, Salmonella enterica lan Lactobacillus sing ora diiradiasi. Partikel-partikel kasebut difiksasi ing 2,5% glutaraldehida, 1,25% paraformaldehida lan 0,03% asam pikrat ing 0,1 M buffer natrium kakodilat (pH 7,4) sajrone 2 jam ing suhu kamar. Sawise dicuci, pasang-fiksasi nganggo 1% osmium tetroksida (OsO4)/1,5% kalium ferosianida (KFeCN6) sajrone 2 jam, cuci kaping 3 ing banyu lan inkubasi ing 1% uranil asetat sajrone 1 jam, banjur cuci kaping pindho ing banyu, banjur dehidrasi sajrone 10 menit ing alkohol 50%, 70%, 90%, 100%. Sampel-sampel kasebut banjur dilebokake ing propilen oksida sajrone 1 jam lan diresapi karo campuran 1:1 propilen oksida lan TAAP Epon (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA). Sampel-sampel kasebut dilebokake ing TAAB Epon lan dipolimerisasi ing suhu 60°C sajrone 48 jam. Resin granular sing wis diawetake dipotong lan divisualisasikake nganggo TEM nggunakake mikroskop elektron transmisi konvensional JEOL 1200EX (JEOL, Tokyo, Jepang) sing dilengkapi kamera CCD AMT 2k (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, Massachusetts, USA).
Kabeh eksperimen ditindakake kanthi rangkap telu. Kanggo saben titik wektu, pencucian bakteri disebar kanthi rangkap telu, sing ngasilake total sangang titik data saben titik, rata-rata digunakake minangka konsentrasi bakteri kanggo mikroorganisme tartamtu kasebut. Deviasi standar digunakake minangka kesalahan pangukuran. Kabeh titik diitung.
Logaritma saka penurunan konsentrasi bakteri dibandhingake karo t = 0 menit diitung nggunakake rumus ing ngisor iki:
ing ngendi C0 minangka konsentrasi bakteri ing sampel kontrol ing wektu 0 (yaiku sawise permukaan garing nanging sadurunge dilebokake ing kamar) lan Cn minangka konsentrasi bakteri ing permukaan sawise n menit paparan.
Kanggo ngetung degradasi alami bakteri sajrone paparan 45 menit, reduksi log dibandhingake karo kontrol sawise 45 menit uga diitung kaya ing ngisor iki:
ing ngendi Cn minangka konsentrasi bakteri ing sampel kontrol ing wektu n lan Cn-Kontrol minangka konsentrasi bakteri kontrol ing wektu n. Data ditampilake minangka reduksi log dibandhingake karo kontrol (ora ana paparan EWNS).
Sajrone panliten iki, sawetara kombinasi voltase lan jarak antarane jarum lan elektroda lawan dievaluasi miturut pembentukan kerucut Taylor, stabilitas kerucut Taylor, stabilitas produksi EWNS, lan reprodusibilitas. Macem-macem kombinasi dituduhake ing Tabel Tambahan S1. Rong kasus sing nuduhake sifat stabil lan bisa direproduksi (kerucut Taylor, generasi EWNS, lan stabilitas sajrone wektu) dipilih kanggo panliten sing komprehensif. Ing gambar, Gambar 3 nuduhake asil kanggo muatan, ukuran, lan isi ROS ing loro kasus kasebut. Asil kasebut uga diringkes ing Tabel 1. Kanggo referensi, Gambar 3 lan Tabel 1 kalebu sifat EWNS8, 9, 10, 11 sing disintesis sadurunge (baseline-EWNS). Pitungan signifikansi statistik nggunakake uji-t rong buntut diterbitake maneh ing Tabel Tambahan S2. Kajaba iku, data tambahan kalebu panliten babagan efek diameter bolongan sampling elektroda lawan (D) lan jarak antarane elektroda lemah lan pucuk (L) (Gambar Tambahan S2 lan S3).
(ac) Distribusi ukuran sing diukur nganggo AFM. (df) Karakteristik muatan permukaan. (g) Karakterisasi ROS saka EPR.
Penting uga kanggo dicathet yen kanggo kabeh kondisi ing ndhuwur, arus ionisasi sing diukur ana ing antarane 2 lan 6 μA lan voltase antarane -3,8 lan -6,5 kV, sing nyebabake konsumsi daya kurang saka 50 mW kanggo modul kontak generasi EWNS tunggal iki. Sanajan EWNS disintesis ing tekanan dhuwur, tingkat ozon sithik banget, ora nate ngluwihi 60 ppb.
Gambar Tambahan S4 nuduhake medan listrik simulasi kanggo skenario [-6,5 kV, 4,0 cm] lan [-3,8 kV, 0,5 cm]. Kanggo skenario [-6,5 kV, 4,0 cm] lan [-3,8 kV, 0,5 cm], pitungan medan yaiku 2 × 105 V/m lan 4,7 × 105 V/m. Iki diarepake, amarga ing kasus kapindho rasio voltase-jarak luwih dhuwur.
Ing gambar 3a, b nuduhake diameter EWNS sing diukur nganggo AFM8. Diameter EWNS rata-rata sing diitung yaiku 27 nm lan 19 nm kanggo skema [-6,5 kV, 4,0 cm] lan [-3,8 kV, 0,5 cm]. Kanggo skenario [-6,5 kV, 4,0 cm] lan [-3,8 kV, 0,5 cm], deviasi standar geometris saka distribusi kasebut yaiku 1,41 lan 1,45, sing nuduhake distribusi ukuran sing sempit. Ukuran rata-rata lan deviasi standar geometris cedhak banget karo EWNS garis dasar, yaiku 25 nm lan 1,41. Ing gambar 3c nuduhake distribusi ukuran EWNS dasar sing diukur nggunakake metode sing padha ing kahanan sing padha.
Ing gambar 3d, e nuduhake asil karakterisasi muatan. Data minangka pangukuran rata-rata saka 30 pangukuran konsentrasi (#/cm3) lan arus (I) bebarengan. Analisis kasebut nuduhake yen muatan rata-rata ing EWNS yaiku 22 ± 6 e- lan 44 ± 6 e- kanggo [-6,5 kV, 4,0 cm] lan [-3,8 kV, 0,5 cm]. Dheweke duwe muatan permukaan sing luwih dhuwur dibandhingake karo EWNS dhasar (10 ± 2 e-), kaping pindho luwih gedhe tinimbang skenario [-6,5 kV, 4,0 cm] lan kaping papat luwih gedhe tinimbang [-3,8 kV, 0,5 cm]. Gambar 3f nuduhake data muatan kanggo Baseline-EWNS.
Saka peta konsentrasi angka EWNS (Gambar Tambahan S5 lan S6), bisa dideleng manawa skenario [-6,5 kV, 4,0 cm] nduweni partikel sing luwih akeh tinimbang skenario [-3,8 kV, 0,5 cm]. Perlu uga dicathet manawa konsentrasi angka EWNS dipantau nganti 4 jam (Gambar Tambahan S5 lan S6), ing ngendi stabilitas generasi EWNS nuduhake tingkat konsentrasi angka partikel sing padha ing loro kasus kasebut.
Ing gambar 3g nuduhake spektrum EPR sawise dikurangi kontrol EWNS sing dioptimalake (latar mburi) ing [-6,5 kV, 4,0 cm]. Spektrum ROS uga dibandhingake karo skenario Baseline-EWNS ing karya sing diterbitake sadurunge. Jumlah EWNS sing reaksi karo jebakan spin diitung dadi 7,5 × 104 EWNS/s, sing padha karo Baseline-EWNS8 sing diterbitake sadurunge. Spektrum EPR kanthi jelas nuduhake anané rong jinis ROS, kanthi O2- minangka spesies sing dominan lan OH• kurang akeh. Kajaba iku, perbandingan langsung saka intensitas puncak nuduhake yen EWNS sing dioptimalake duwe isi ROS sing luwih dhuwur dibandhingake karo EWNS dhasar.
Ing gambar 4, efisiensi deposisi EWNS ing EPES dituduhake. Data kasebut uga dirangkum ing Tabel I lan dibandhingake karo data EWNS asli. Kanggo loro kasus EUNS, deposisi kasebut cedhak karo 100% sanajan ing voltase rendah 3,0 kV. Biasane, 3,0 kV cukup kanggo deposisi 100%, preduli saka owah-owahan muatan permukaan. Ing kahanan sing padha, efisiensi deposisi Baseline-EWNS mung 56% amarga muatan sing luwih murah (rata-rata 10 elektron saben EWNS).
Ing gambar 5 lan ing tabel 2, nilai inaktivasi mikroorganisme sing diinokulasi ing permukaan tomat sawise kena udakara 40.000 #/cm3 EWNS sajrone 45 menit ing mode optimal [-6,5 kV, 4,0 cm]. E. coli lan Lactobacillus innocuous sing diinokulasi nuduhake pangurangan sing signifikan yaiku 3,8 log sajrone paparan 45 menit. Ing kahanan sing padha, S. enterica ngalami penurunan 2,2 log, dene S. cerevisiae lan M. parafortutum ngalami penurunan 1,0 log.
Mikrograf elektron (Gambar 6) nggambarake owah-owahan fisik sing disebabake dening EWNS ing sel Escherichia coli, Streptococcus, lan Lactobacillus sing ora mbebayani sing nyebabake inaktivasi. Bakteri kontrol duwe membran sel sing utuh, dene bakteri sing kapapar duwe membran njaba sing rusak.
Pencitraan mikroskop elektron saka bakteri kontrol lan sing kapapar nuduhake kerusakan membran.
Data babagan sifat fisikokimia saka EWNS sing dioptimalake kanthi kolektif nuduhake manawa sifat (muatan permukaan lan isi ROS) saka EWNS saya apik dibandhingake karo data dhasar EWNS sing diterbitake sadurunge8,9,10,11. Ing sisih liya, ukurane tetep ana ing kisaran nanometer, meh padha karo asil sing dilaporake sadurunge, saengga bisa tetep ana ing udhara sajrone wektu sing suwe. Polidispersitas sing diamati bisa diterangake kanthi owah-owahan muatan permukaan sing nemtokake ukuran EWNS, keacakan efek Rayleigh, lan potensi koalesensi. Nanging, kaya sing dirinci dening Nielsen et al. 22, muatan permukaan sing dhuwur nyuda penguapan kanthi efektif nambah energi/tegangan permukaan tetesan banyu. Ing publikasi sadurunge8 teori iki dikonfirmasi kanthi eksperimen kanggo mikrodroplet 22 lan EWNS. Mundhut muatan sajrone wektu sing suwe uga bisa mengaruhi ukuran lan nyumbang kanggo distribusi ukuran sing diamati.
Kajaba iku, muatan saben struktur kira-kira 22-44 e-, gumantung saka kahanane, sing luwih dhuwur dibandhingake karo EWNS dhasar, sing duwe muatan rata-rata 10 ± 2 elektron saben struktur. Nanging, kudu dicathet yen iki minangka muatan rata-rata EWNS. Seto et al. Wis dituduhake yen muatan kasebut ora homogen lan ngetutake distribusi log-normal21. Dibandhingake karo karya sadurunge, nggandakake muatan permukaan nggandakake efisiensi deposisi ing sistem EPES dadi meh 100%11.