Paldies, ka apmeklējāt vietni Nature.com. Jūsu izmantotajai pārlūkprogrammas versijai ir ierobežots CSS atbalsts. Lai nodrošinātu vislabāko pieredzi, iesakām izmantot atjauninātu pārlūkprogrammu (vai atspējot saderības režīmu pārlūkprogrammā Internet Explorer). Tikmēr, lai nodrošinātu nepārtrauktu atbalstu, mēs atveidosim vietni bez stiliem un JavaScript.
Karuselis, kurā vienlaikus tiek rādīti trīs slaidi. Izmantojiet pogas Iepriekšējais un Nākamais, lai vienlaikus pārvietotos starp trim slaidiem, vai izmantojiet slīdņa pogas galā, lai vienlaikus pārvietotos starp trim slaidiem.
Nesen tika izstrādāta ķīmiski nesaturoša antimikrobiāla platforma, kuras pamatā ir nanotehnoloģija, izmantojot mākslīgās ūdens nanostruktūras (EWNS). EWNS ir augsts virsmas lādiņš, un tās ir piesātinātas ar reaktīvām skābekļa sugām (ROS), kas var mijiedarboties ar vairākiem mikroorganismiem, tostarp pārtikas patogēniem, un tos inaktivēt. Šeit parādīts, ka to īpašības sintēzes laikā var precīzi noregulēt un optimizēt, lai vēl vairāk uzlabotu to antibakteriālo potenciālu. EWNS laboratorijas platforma tika izstrādāta, lai precīzi noregulētu EWNS īpašības, mainot sintēzes parametrus. EWNS īpašību raksturojums (lādiņš, izmērs un ROS saturs), izmantojot modernas analītiskās metodes. Turklāt tika novērtēts to mikrobu inaktivācijas potenciāls pret pārtikas mikroorganismiem, piemēram, Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocuous, Mycobacterium paraaccidentum un Saccharomyces cerevisiae. Šeit sniegtie rezultāti parāda, ka EWNS īpašības var precīzi noregulēt sintēzes laikā, kā rezultātā eksponenciāli palielinās inaktivācijas efektivitāte. Jo īpaši virsmas lādiņš palielinājās četras reizes, un palielinājās reaktīvo skābekļa sugu daudzums. Mikrobu izvadīšanas ātrums bija atkarīgs no mikrobiem un svārstījās no 1,0 līdz 3,8 log pēc 45 minūšu ilgas aerosola devas 40 000 #/cc EWNS iedarbības.
Mikrobu piesārņojums ir galvenais pārtikas izraisītu slimību cēlonis, ko izraisa patogēnu vai to toksīnu uzņemšana. Vienīgi Amerikas Savienotajās Valstīs pārtikas izraisītas slimības katru gadu izraisa aptuveni 76 miljonus slimību, 325 000 hospitalizāciju un 5000 nāves gadījumu1. Turklāt Amerikas Savienoto Valstu Lauksaimniecības departaments (USDA) lēš, ka palielināts svaigu produktu patēriņš ir atbildīgs par 48 % no visām ziņotajām pārtikas izraisītām slimībām Amerikas Savienotajās Valstīs2. Pārtikas izraisītu patogēnu izraisīto slimību un nāves gadījumu izmaksas Amerikas Savienotajās Valstīs ir ļoti augstas, un Slimību kontroles un profilakses centri (CDC) lēš, ka tās pārsniedz 15,6 miljardus ASV dolāru gadā3.
Pašlaik ķīmiskās,4 radiācijas,5 un termiskās,6 antimikrobiālās intervences pārtikas nekaitīguma nodrošināšanai galvenokārt tiek veiktas ierobežotos kritiskajos kontroles punktos (KKP) visā ražošanas ķēdē (parasti pēc ražas novākšanas un/vai iepakošanas laikā), nevis nepārtraukti. Tādējādi tās ir pakļautas savstarpējai piesārņošanai. 7. Lai labāk kontrolētu ar pārtiku saistītas slimības un pārtikas bojāšanos, ir nepieciešamas antimikrobiālas intervences, kuras potenciāli var piemērot visā ražošanas procesā no lauka līdz galdam, vienlaikus samazinot ietekmi uz vidi un izmaksas.
Nesen ir izstrādāta ķīmiski nesaturoša, uz nanotehnoloģijām balstīta pretmikrobu platforma, kas, izmantojot mākslīgās ūdens nanostruktūras (EWNS), var inaktivēt virsmas un gaisā esošās baktērijas. EWNS tika sintezēts, izmantojot divus paralēlus procesus - elektroizsmidzināšanu un ūdens jonizāciju (1.a att.). Iepriekšējie pētījumi ir parādījuši, ka EWNS piemīt unikāls fizikālo un bioloģisko īpašību kopums8,9,10. EWNS vidēji ir 10 elektroni uz struktūru un vidējais nanoskalas izmērs ir 25 nm (1.b,c att.)8,9,10. Turklāt elektronu spina rezonanse (ESR) parādīja, ka EWNS satur lielu daudzumu reaktīvo skābekļa sugu (ROS), galvenokārt hidroksilradikāļus (OH•) un superoksīda (O2-) radikāļus (1.c att.)8. EVNS ilgstoši atrodas gaisā un var sadurties ar gaisā suspendētiem un uz virsmas esošiem mikroorganismiem, piegādājot to ROS lietderīgo kravu un izraisot mikroorganismu inaktivāciju (1.d att.). Šie agrīnie pētījumi arī parādīja, ka EWNS var mijiedarboties ar dažādām gramnegatīvām un grampozitīvām baktērijām, tostarp mikobaktērijām, uz virsmām un gaisā, un inaktivēt tās. Transmisijas elektronu mikroskopija parādīja, ka inaktivāciju izraisīja šūnu membrānas bojājumi. Turklāt akūtas ieelpošanas pētījumi ir parādījuši, ka lielas EWNS devas neizraisa plaušu bojājumus vai iekaisumu8.
(a) Elektroizsmidzināšana notiek, kad starp kapilāru, kas satur šķidrumu, un pretelektrodu tiek pielikts augstspriegums. (b) Augsta spiediena pielietošana izraisa divas dažādas parādības: (i) ūdens elektroizsmidzināšanu un (ii) reaktīvo skābekļa sugu (jonu) veidošanos, kas iesprostoti EWNS. (c) EWNS unikālā struktūra. (d) Pateicoties to nanoskalas raksturam, EWNS ir ļoti mobili un var mijiedarboties ar gaisā esošiem patogēniem.
Nesen ir pierādīta arī EWNS antimikrobiālās platformas spēja inaktivēt pārtikas izraisītus mikroorganismus uz svaigas pārtikas virsmas. Ir arī pierādīts, ka EWNS virsmas lādiņu kombinācijā ar elektrisko lauku var izmantot, lai panāktu mērķtiecīgu piegādi. Turklāt provizoriskie rezultāti par bioloģiskajiem tomātiem pēc 90 minūšu ilgas iedarbības ar EWNS aptuveni 50 000 #/cm3 bija iepriecinoši, novērojot dažādus pārtikas izraisītus mikroorganismus, piemēram, E. coli un Listeria 11. Turklāt provizoriskie organoleptiskie testi neuzrādīja nekādu sensorisku ietekmi, salīdzinot ar kontroles tomātiem. Lai gan šie sākotnējie inaktivācijas rezultāti ir iepriecinoši pārtikas nekaitīguma lietojumos pat pie ļoti zemām EWNS devām 50 000 #/cc, ir skaidrs, ka augstāks inaktivācijas potenciāls būtu labvēlīgāks, lai vēl vairāk samazinātu infekcijas un bojāšanās risku.
Šeit mēs koncentrēsimies uz EWNS ģenerēšanas platformas izstrādi, lai nodrošinātu sintēzes parametru precīzu regulēšanu un EWNS fizikāli ķīmisko īpašību optimizāciju, lai uzlabotu to antibakteriālo potenciālu. Optimizācija ir īpaši vērsta uz to virsmas lādiņa palielināšanu (lai uzlabotu mērķtiecīgu piegādi) un ROS satura palielināšanu (lai uzlabotu inaktivācijas efektivitāti). Raksturojiet optimizētās fizikāli ķīmiskās īpašības (izmēru, lādiņu un ROS saturu), izmantojot modernas analītiskās metodes un tādus izplatītus pārtikas mikroorganismus kā E.
EVNS tika sintezēts, vienlaikus izmantojot augstas tīrības pakāpes ūdens (18 MΩ cm–1) elektroizsmidzināšanu un jonizāciju. Elektrisko smidzinātāju 12 parasti izmanto šķidrumu atomizācijai un kontrolēta izmēra polimēru un keramikas daļiņu 13 un šķiedru 14 sintēzei.
Kā detalizēti aprakstīts iepriekšējās publikācijās 8, 9, 10, 11, tipiskā eksperimentā starp metāla kapilāru un iezemētu pretelektrodu tika pielikts augstspriegums. Šī procesa laikā notiek divas dažādas parādības: i) elektroizsmidzināšana un ii) ūdens jonizācija. Spēcīgs elektriskais lauks starp abiem elektrodiem izraisa negatīvu lādiņu uzkrāšanos uz kondensētā ūdens virsmas, kā rezultātā veidojas Teilora konusi. Rezultātā veidojas ļoti lādēti ūdens pilieni, kas turpina sadalīties mazākās daļiņās, kā tas ir Releja teorijā16. Tajā pašā laikā spēcīgi elektriskie lauki izraisa dažu ūdens molekulu sadalīšanos un elektronu atņemšanu (jonizāciju), kas noved pie liela daudzuma reaktīvo skābekļa sugu (ROS)17 veidošanās. Vienlaikus ģenerētais ROS18 tika iekapsulēts EWNS (1.c attēls).
2.a attēlā redzama šajā pētījumā izstrādātā un izmantotā EWNS ģenerēšanas sistēma. Attīrīts ūdens, kas uzglabāts slēgtā pudelē, tika padots caur teflona caurulīti (2 mm iekšējais diametrs) 30G nerūsējošā tērauda adatā (metāla kapilārā). Ūdens plūsmu kontrolē gaisa spiediens pudeles iekšpusē, kā parādīts 2.b attēlā. Adata ir uzstādīta uz teflona konsoles un to var manuāli noregulēt noteiktā attālumā no pretelektroda. Pretelektrods ir pulēts alumīnija disks ar caurumu centrā paraugu ņemšanai. Zem pretelektroda atrodas alumīnija paraugu ņemšanas piltuve, kas ir savienota ar pārējo eksperimentālo iekārtu caur paraugu ņemšanas portu (2.b attēls). Lai izvairītos no lādiņa uzkrāšanās, kas varētu traucēt paraugu ņemšanas ierīces darbību, visas paraugu ņemšanas ierīces sastāvdaļas ir elektriski iezemētas.
(a) Inženierijas ceļā iegūta ūdens nanostruktūras ģenerēšanas sistēma (EWNS). (b) Paraugu ņemšanas ierīces un elektrosmidzināšanas šķērsgriezums, kurā parādīti vissvarīgākie parametri. (c) Eksperimentāls baktēriju inaktivācijas iestatījums.
Iepriekš aprakstītā EWNS ģenerēšanas sistēma spēj mainīt galvenos darbības parametrus, lai atvieglotu EWNS īpašību precīzu regulēšanu. Pielāgojiet pielietoto spriegumu (V), attālumu starp adatu un pretelektrodu (L) un ūdens plūsmu (φ) caur kapilāru, lai precīzi noregulētu EWNS raksturlielumus. Simbols, kas izmantots dažādu kombināciju attēlošanai: [V (kV), L (cm)]. Pielāgojiet ūdens plūsmu, lai iegūtu stabilu Teilora konusu ar noteiktu kopu [V, L]. Šī pētījuma vajadzībām pretelektroda atveres diametrs (D) tika saglabāts 0,5 collas (1,29 cm).
Ierobežotās ģeometrijas un asimetrijas dēļ elektriskā lauka stiprumu nevar aprēķināt, pamatojoties uz pirmajiem principiem. Tā vietā elektriskā lauka aprēķināšanai tika izmantota QuickField™ programmatūra (Svendborga, Dānija)19. Elektriskais lauks nav vienmērīgs, tāpēc elektriskā lauka vērtība kapilāra galā tika izmantota kā atsauces vērtība dažādām konfigurācijām.
Pētījuma laikā tika novērtētas vairākas sprieguma un attāluma starp adatu un pretelektrodu kombinācijas, ņemot vērā Teilora konusa veidošanos, Teilora konusa stabilitāti, EWNS ražošanas stabilitāti un reproducējamību. Dažādas kombinācijas ir parādītas 1. papildtabulā.
EWNS ģenerēšanas sistēmas izeja tika tieši savienota ar skenējošās mobilitātes daļiņu izmēra analizatoru (SMPS, modelis 3936, TSI, Shoreview, MN) daļiņu skaita koncentrācijas mērīšanai, kā arī ar aerosola Faraday elektrometru (TSI, modelis 3068B, Shoreview, MN). ) aerosola strāvu mērīšanai tika veikta, kā aprakstīts mūsu iepriekšējā publikācijā. Gan SMPS, gan aerosola elektrometra paraugi tika ņemti ar plūsmas ātrumu 0,5 L/min (kopējā parauga plūsma 1 L/min). Daļiņu skaita koncentrācija un aerosola plūsma tika mērītas 120 sekundes. Mērījums tiek atkārtots 30 reizes. Pamatojoties uz strāvas mērījumiem, tiek aprēķināts kopējais aerosola lādiņš un novērtēts vidējais EWNS lādiņš dotajam kopējam atlasīto EWNS daļiņu skaitam. EWNS vidējās izmaksas var aprēķināt, izmantojot (1) vienādojumu:
kur IEl ir izmērītā strāva, NSMPS ir ar SMPS izmērītā digitālā koncentrācija un φEl ir plūsmas ātrums uz vienu elektrometru.
Tā kā relatīvais mitrums (RH) ietekmē virsmas lādiņu, temperatūra un (RH) eksperimenta laikā tika uzturēti nemainīgi attiecīgi 21 °C un 45 % apmērā.
EWNS izmēra un dzīves ilguma mērīšanai tika izmantota atomspēka mikroskopija (AFM), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Santa Barbara, Kalifornija) un AC260T zonde (Olympus, Tokija, Japāna). AFM skenēšanas frekvence bija 1 Hz, skenēšanas laukums bija 5 μm × 5 μm un 256 skenēšanas līnijas. Visiem attēliem tika veikta pirmās kārtas attēlu izlīdzināšana, izmantojot Asylum programmatūru (maskas diapazons 100 nm, slieksnis 100 pm).
Testa piltuve tika noņemta, un vizlas virsma tika novietota 2,0 cm attālumā no pretelektroda uz vidēji 120 s ilgu laiku, lai izvairītos no daļiņu aglomerācijas un neregulāru pilienu veidošanās uz vizlas virsmas. EWNS tika izsmidzināts tieši uz svaigi grieztas vizlas virsmas (Ted Pella, Redding, CA). Vizlas virsmas attēls tūlīt pēc AFM izsmidzināšanas. Svaigi grieztas nemodificētas vizlas virsmas saskares leņķis ir tuvu 0°, tāpēc EVNS ir izkliedēts uz vizlas virsmas kupola formā. Difūzējošo pilienu diametrs (a) un augstums (h) tika mērīti tieši no AFM topogrāfijas un izmantoti, lai aprēķinātu EWNS kupolveida difūzijas tilpumu, izmantojot mūsu iepriekš validēto metodi. Pieņemot, ka iebūvētajiem EWNS ir vienāds tilpums, ekvivalento diametru var aprēķināt, izmantojot (2) vienādojumu:
Balstoties uz mūsu iepriekš izstrādāto metodi, īslaicīgu radikāļu starpproduktu klātbūtnes noteikšanai EWNS tika izmantots elektronu spina rezonanses (ESR) spina slazds. Aerosoli tika burbuļoti caur 650 μm Midget izsmidzinātāju (Ace Glass, Vainlenda, Ņūdžersija), kas saturēja 235 mM DEPMPO(5-(dietoksifosforil)-5-metil-1-pirolīn-N-oksīda) (Oxis International Inc.) šķīdumu. Portlenda, Oregona). Visi ESR mērījumi tika veikti, izmantojot Bruker EMX spektrometru (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, ASV) un plakanā paneļa šūnu. Datu apkopošanai un analīzei tika izmantota Acquisit programmatūra (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, ASV). ROS raksturlielumu noteikšana tika veikta tikai noteiktam darbības apstākļu kopumam [-6,5 kV, 4,0 cm]. EWNS koncentrācijas tika mērītas, izmantojot SMPS, ņemot vērā EWNS zudumus impaktorā.
Ozona līmenis tika kontrolēts, izmantojot 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Boulder, Colorado)8,9,10.
Visiem EWNS atribūtiem vidējā vērtība tiek izmantota kā mērījuma vērtība, un standartnovirze tiek izmantota kā mērījuma kļūda. Lai salīdzinātu optimizēto EWNS atribūtu vērtības ar atbilstošajām bāzes EWNS vērtībām, tika veikti T-testi.
2.c attēlā redzama iepriekš izstrādāta un raksturota elektrostatiskās nogulsnēšanas (EPES) “vilkšanas” sistēma, ko var izmantot mērķtiecīgai EWNS piegādei uz virsmas. EPES izmanto EVNS lādiņus, kurus spēcīga elektriskā lauka ietekmē var “virzīt” tieši uz mērķa virsmu. Sīkāka informācija par EPES sistēmu ir sniegta nesenā Pyrgiotakis et al. publikācijā 11. Tādējādi EPES sastāv no 3D drukātas PVC kameras ar konusveida galiem un satur divas paralēlas nerūsējošā tērauda (304 nerūsējošā tērauda, ​​ar spoguļa pārklājumu) metāla plāksnes centrā 15,24 cm attālumā viena no otras. Plātnes bija savienotas ar ārēju augstsprieguma avotu (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY), apakšējā plāksne vienmēr bija savienota ar pozitīvu spriegumu, bet augšējā plāksne vienmēr bija savienota ar zemi (peldošu zemi). Kameras sienas ir pārklātas ar alumīnija foliju, kas ir elektriski iezemēta, lai novērstu daļiņu zudumu. Kamerai ir noslēgtas priekšējās ielādes durvis, kas ļauj novietot testa virsmas uz plastmasas statīviem, kas tās paceļ virs apakšējās metāla plāksnes, lai izvairītos no augstsprieguma traucējumiem.
EWNS nogulsnēšanās efektivitāte EPES tika aprēķināta saskaņā ar iepriekš izstrādātu protokolu, kas sīki aprakstīts S111. papildattēlā.
Kā vadības kamera EPES sistēmai virknē tika pievienota otra cilindriska plūsmas kamera, kurā EWNS likvidēšanai tika izmantots starpposma HEPA filtrs. Kā parādīts 2.c attēlā, EWNS aerosols tika sūknēts caur divām iebūvētām kamerām. Filtrs starp vadības telpu un EPES likvidē visus atlikušos EWNS, kā rezultātā tiek saglabāta tāda pati temperatūra (T), relatīvais mitrums (RH) un ozona līmenis.
Ir konstatēts, ka svaigus pārtikas produktus piesārņo svarīgi ar pārtiku saistīti mikroorganismi, piemēram, E. coli (ATCC #27325), fekāliju indikators Salmonella enterica (ATCC #53647), ar pārtiku saistīts patogēns Listeria harmless (ATCC #33090), patogēnās Listeria monocytogenes surogāts, kas iegūts no ATCC (Manassas, VA) Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098), bojāšanās rauga aizstājējs, un izturīgāka inaktivēta baktērija Mycobacterium paralucky (ATCC #19686).
Vietējā tirgū iegādājieties nejauši izvēlētas bioloģisko vīnogu tomātu kastes un līdz lietošanai (līdz 3 dienām) uzglabājiet ledusskapī 4°C temperatūrā. Eksperimenta tomāti visi bija vienāda izmēra, apmēram 1/2 collas diametrā.
Kultūras, inokulācijas, iedarbības un koloniju skaita protokoli ir detalizēti aprakstīti mūsu iepriekšējā publikācijā un sniegti Papildu datos. EWNS efektivitāte tika novērtēta, inokulētos tomātus 45 minūtes pakļaujot 40 000 #/cm3 koncentrācijai. Īsumā, trīs tomāti tika izmantoti, lai novērtētu izdzīvojušos mikroorganismus laikā t = 0 min. Trīs tomāti tika ievietoti EPES un pakļauti EWNS iedarbībai ar 40 000 #/cc (EWNS pakļautie tomāti), bet atlikušie trīs tika ievietoti kontroles kamerā (kontroles tomāti). Abās grupās tomātu papildu apstrāde netika veikta. Ar EWNS pakļautie tomāti un kontroles tomāti tika izņemti pēc 45 minūtēm, lai novērtētu EWNS ietekmi.
Katrs eksperiments tika veikts trīs eksemplāros. Datu analīze tika veikta saskaņā ar protokolu, kas aprakstīts Papildu datos.
Inaktivācijas mehānismi tika novērtēti, sedimentējot eksponētus EWNS paraugus (45 minūtes ar 40 000 #/cm3 EWNS aerosola koncentrāciju) un neapstarotus nekaitīgu baktēriju E. coli, Salmonella enterica un Lactobacillus paraugus. Daļiņas tika fiksētas 2,5% glutaraldehīdā, 1,25% paraformaldehīdā un 0,03% pikrīnskābē 0,1 M nātrija kakodilāta buferšķīdumā (pH 7,4) 2 stundas istabas temperatūrā. Pēc mazgāšanas veic papildu fiksāciju ar 1% osmija tetroksīdu (OsO4)/1,5% kālija ferocianīdu (KFeCN6) 2 stundas, 3 reizes mazgā ūdenī un inkubē 1% uranilacetātā 1 stundu, pēc tam divas reizes mazgā ūdenī, pēc tam dehidrē 10 minūtes 50%, 70%, 90%, 100% spirtā. Pēc tam paraugus uz 1 stundu ievietoja propilēnoksīdā un piesūcināja ar propilēnoksīda un TAAP Epon (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA) maisījumu attiecībā 1:1. Paraugus iestrādāja TAAB Epon un polimerizēja 60°C temperatūrā 48 stundas. Sacietējušos granulētos sveķus sagrieza un vizualizēja ar TEM, izmantojot parasto transmisijas elektronmikroskopu JEOL 1200EX (JEOL, Tokija, Japāna), kas aprīkots ar AMT 2k CCD kameru (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, Massachusetts, ASV).
Visi eksperimenti tika veikti trīs eksemplāros. Katram laika punktam baktēriju mazgāšanas paraugi tika iesēti trīs reizes, iegūstot kopumā deviņus datu punktus katrā punktā, kuru vidējais rādītājs tika izmantots kā baktēriju koncentrācija konkrētajam mikroorganismam. Standarta novirze tika izmantota kā mērījumu kļūda. Visi punkti tiek skaitīti.
Baktēriju koncentrācijas samazinājuma logaritms, salīdzinot ar t = 0 min, tika aprēķināts, izmantojot šādu formulu:
kur C0 ir baktēriju koncentrācija kontroles paraugā laika momentā 0 (t. i., pēc virsmas nožūšanas, bet pirms ievietošanas kamerā) un Cn ir baktēriju koncentrācija uz virsmas pēc n minūšu iedarbības.
Lai ņemtu vērā baktēriju dabisko degradāciju 45 minūšu iedarbības laikā, logaritmiskais samazinājums salīdzinājumā ar kontroli pēc 45 minūtēm tika aprēķināts arī šādi:
kur Cn ir baktēriju koncentrācija kontroles paraugā laikā n un Cn-Control ir kontroles baktēriju koncentrācija laikā n. Dati ir attēloti kā logaritmiska samazinājuma forma salīdzinājumā ar kontroli (bez EWNS iedarbības).
Pētījuma laikā tika novērtētas vairākas sprieguma un attāluma starp adatu un pretelektrodu kombinācijas, ņemot vērā Teilora konusa veidošanos, Teilora konusa stabilitāti, EWNS veidošanās stabilitāti un reproducējamību. Dažādas kombinācijas ir parādītas 1. papildtabulā. Visaptverošam pētījumam tika izvēlēti divi gadījumi, kuros bija stabilas un reproducējamas īpašības (Teilora konuss, EWNS veidošanās un stabilitāte laika gaitā). 3. attēlā parādīti ROS lādiņa, izmēra un satura rezultāti abos gadījumos. Rezultāti ir parādīti arī 1. tabulā. Atsaucei gan 3. attēlā, gan 1. tabulā ir iekļautas iepriekš sintezēto neoptimizēto EWNS8, 9, 10, 11 (bāzes līnija — EWNS) īpašības. Statistiskās nozīmības aprēķini, izmantojot divpusēju t-testu, ir atkārtoti publicēti 2. papildtabulā. Turklāt papildu dati ietver pētījumus par pretelektroda paraugu ņemšanas atveres diametra (D) un attāluma starp zemējuma elektrodu un galu (L) ietekmi (2. un 3. papildattēli).
(ac) Ar AFM izmērītais izmēru sadalījums. (df) Virsmas lādiņa raksturlielums. (g) EPR ROS raksturojums.
Svarīgi arī atzīmēt, ka visos iepriekš minētajos apstākļos izmērītā jonizācijas strāva bija no 2 līdz 6 μA un spriegums no -3,8 līdz -6,5 kV, kā rezultātā šī viena EWNS ģenerēšanas kontakta moduļa enerģijas patēriņš bija mazāks par 50 mW. Lai gan EWNS tika sintezēts augstā spiedienā, ozona līmenis bija ļoti zems, nekad nepārsniedzot 60 ppb.
Papildu S4. attēlā parādīti simulētie elektriskie lauki attiecīgi [-6,5 kV, 4,0 cm] un [-3,8 kV, 0,5 cm] scenārijiem. [-6,5 kV, 4,0 cm] un [-3,8 kV, 0,5 cm] scenārijiem lauka aprēķini ir attiecīgi 2 × 10⁶ V/m un 4,7 × 10⁶ V/m. Tas ir paredzams, jo otrajā gadījumā sprieguma un attāluma attiecība ir daudz lielāka.
3.a un 3.b attēlā redzams ar AFM8 izmērītais EWNS diametrs. Aprēķinātie vidējie EWNS diametri bija attiecīgi 27 nm un 19 nm shēmām [-6,5 kV, 4,0 cm] un [-3,8 kV, 0,5 cm]. Scenārijiem [-6,5 kV, 4,0 cm] un [-3,8 kV, 0,5 cm] sadalījumu ģeometriskās standartnovirzes ir attiecīgi 1,41 un 1,45, kas norāda uz šauru izmēru sadalījumu. Gan vidējais izmērs, gan ģeometriskā standartnovirze ir ļoti tuvas EWNS bāzes līnijai, attiecīgi 25 nm un 1,41. 3.c attēlā redzams EWNS bāzes līnijas izmēru sadalījums, kas izmērīts, izmantojot to pašu metodi un tādos pašos apstākļos.
3.d,e attēlā parādīti lādiņa raksturojuma rezultāti. Dati ir 30 vienlaicīgu koncentrācijas (#/cm3) un strāvas (I) mērījumu vidējie mērījumi. Analīze rāda, ka vidējais lādiņš uz EWNS ir 22 ± 6 e- un 44 ± 6 e- attiecīgi [-6,5 kV, 4,0 cm] un [-3,8 kV, 0,5 cm]. Tiem ir ievērojami lielāki virsmas lādiņi salīdzinājumā ar bāzes EWNS (10 ± 2 e-), divas reizes lielāki nekā [-6,5 kV, 4,0 cm] scenārijā un četras reizes lielāki nekā [-3,8 kV, 0,5 cm]. 3.f attēlā parādīti bāzes EWNS lādiņa dati.
No EWNS skaitļa koncentrācijas kartēm (S5. un S6. papildattēli) var redzēt, ka [-6,5 kV, 4,0 cm] scenārijā ir ievērojami vairāk daļiņu nekā [-3,8 kV, 0,5 cm] scenārijā. Jāatzīmē arī, ka EWNS skaitļa koncentrācija tika uzraudzīta līdz pat 4 stundām (S5. un S6. papildattēli), kur EWNS ģenerēšanas stabilitāte abos gadījumos uzrādīja vienādu daļiņu skaita koncentrācijas līmeni.
3.g attēlā redzams EPR spektrs pēc optimizētās EWNS kontroles (fona) atņemšanas pie [-6,5 kV, 4,0 cm]. ROS spektri tika salīdzināti arī ar Baseline-EWNS scenāriju iepriekš publicētā darbā. EWNS skaits, kas reaģē ar spinu slazdiem, tika aprēķināts kā 7,5 × 104 EWNS/s, kas ir līdzīgi iepriekš publicētajam Baseline-EWNS8. EPR spektri skaidri parādīja divu veidu ROS klātbūtni, kur O2- bija dominējošā suga un OH• bija mazāk izplatīts. Turklāt tieša pīķu intensitātes salīdzināšana parādīja, ka optimizētajam EWNS bija ievērojami augstāks ROS saturs salīdzinājumā ar bāzes EWNS.
4. attēlā redzama EWNS nogulsnēšanās efektivitāte EPES vidē. Dati ir apkopoti arī I tabulā un salīdzināti ar sākotnējiem EWNS datiem. Abos EUNS gadījumos nogulsnēšanās ir tuvu 100% pat pie zema 3,0 kV sprieguma. Parasti 3,0 kV ir pietiekams 100% nogulsnēšanās sasniegšanai neatkarīgi no virsmas lādiņa izmaiņām. Tādos pašos apstākļos Baseline-EWNS nogulsnēšanās efektivitāte bija tikai 56% to zemākā lādiņa dēļ (vidēji 10 elektroni uz EWNS).
5. attēlā un 2. tabulā ir apkopota mikroorganismu inaktivācijas vērtība, kas inokulēti uz tomātu virsmas pēc aptuveni 40 000 #/cm3 EWNS iedarbības 45 minūtes optimālajā režīmā [-6,5 kV, 4,0 cm]. Inokulētās E. coli un Lactobacillus innocuous 45 minūšu iedarbības laikā uzrādīja ievērojamu samazinājumu par 3,8 log. Tādos pašos apstākļos S. enterica samazinājās par 2,2 log, savukārt S. cerevisiae un M. parafortutum samazinājās par 1,0 log.
Elektronmikroskopiskie attēli (6. attēls) attēlo EWNS izraisītās fizikālās izmaiņas nekaitīgās Escherichia coli, Streptococcus un Lactobacillus šūnās, kas noved pie to inaktivācijas. Kontroles baktērijām bija neskartas šūnu membrānas, savukārt atklātajām baktērijām bija bojātas ārējās membrānas.
Kontroles un pakļauto baktēriju elektronmikroskopiskā attēlveidošana atklāja membrānas bojājumus.
Optimizēto EWNS fizikāli ķīmisko īpašību dati kopumā liecina, ka EWNS īpašības (virsmas lādiņš un ROS saturs) ir ievērojami uzlabojušās, salīdzinot ar iepriekš publicētajiem EWNS bāzes datiem8,9,10,11. No otras puses, to izmērs saglabājās nanometru diapazonā, kas ir ļoti līdzīgs iepriekš ziņotajiem rezultātiem, ļaujot tiem ilgstoši palikt gaisā. Novēroto polidispersitāti var izskaidrot ar virsmas lādiņa izmaiņām, kas nosaka EWNS izmēru, Releja efekta nejaušību un potenciālu koalescenci. Tomēr, kā detalizēti aprakstījis Nīlsens et al.22, augsts virsmas lādiņš samazina iztvaikošanu, efektīvi palielinot ūdens piliena virsmas enerģiju/spriegumu. Mūsu iepriekšējā publikācijā8 šī teorija tika eksperimentāli apstiprināta mikropilieniem22 un EWNS. Lādiņa zudums laika gaitā var arī ietekmēt izmēru un veicināt novēroto izmēru sadalījumu.