Paldies, ka apmeklējāt vietni Nature.com.Jūsu izmantotajai pārlūkprogrammas versijai ir ierobežots CSS atbalsts.Lai nodrošinātu vislabāko pieredzi, ieteicams 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 pārvietotos pa trim slaidiem vienlaikus, vai izmantojiet slīdņa pogas, kas atrodas beigās, lai pārvietotos pa trim slaidiem vienlaikus.
Nesen tika izstrādāta ķīmiski nesaturoša pretmikrobu 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 un inaktivēt vairākus mikroorganismus, tostarp pārtikas izraisītājus.Šeit tiek 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 (ROS lādiņa, lieluma un satura) raksturojums, izmantojot mūsdienīgas analītiskās metodes.Turklāt tiem tika novērtēts to mikrobu inaktivācijas potenciāls pret pārtikas izraisītiem 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 reaktīvās skābekļa sugas.Mikrobu izvadīšanas ātrums bija atkarīgs no mikrobiem un svārstījās no 1,0 līdz 3,8 log pēc 45 minūšu ilgas iedarbības ar aerosola devu 40 000 #/cc EWNS.
Mikrobu piesārņojums ir galvenais pārtikas izraisītu slimību cēlonis, ko izraisa patogēnu vai to toksīnu uzņemšana.Amerikas Savienotajās Valstīs vien 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 izraisītajām slimībām Amerikas Savienotajās Valstīs2.Pārtikas izraisītu patogēnu izraisītu slimību un nāves izmaksas Amerikas Savienotajās Valstīs ir ļoti augstas, un Slimību kontroles un profilakses centrs (CDC) lēš, ka tās ir vairāk nekā 15,6 miljardi ASV dolāru gadā3.
Pašlaik ķīmiskās4, radiācijas5 un termiskās6 pretmikrobu iejaukšanās, lai nodrošinātu pārtikas nekaitīgumu, galvenokārt tiek veiktas ierobežotos kritiskajos kontroles punktos (CCP) visā ražošanas ķēdē (parasti pēc ražas novākšanas un/vai iepakošanas laikā), nevis nepārtraukti.tādējādi tie ir pakļauti savstarpējai inficēšanai.7. Labākai pārtikas izraisītu slimību un pārtikas bojāšanās kontrolei ir nepieciešama pretmikrobu iejaukšanās, ko potenciāli var izmantot visā saimniecības līdz galdam, vienlaikus samazinot ietekmi uz vidi un izmaksas.
Nesen ir izstrādāta uz nanotehnoloģiju nesaturoša pretmikrobu platforma, kas var inaktivēt virsmas un gaisā esošās baktērijas, izmantojot mākslīgās ūdens nanostruktūras (EWNS).EWNS tika sintezēts, izmantojot divus paralēlus procesus, elektrosmidzināšanu un ūdens jonizāciju (1.a att.).Iepriekšējie pētījumi ir parādījuši, ka EWNS ir unikāls fizisko un bioloģisko īpašību kopums8,9,10.EWNS vienā struktūrā ir vidēji 10 elektroni, un vidējais nanomēroga izmērs ir 25 nm (1.b,c att.)8,9,10.Turklāt elektronu griešanās rezonanse (ESR) parādīja, ka EWNS satur lielu daudzumu reaktīvo skābekļa sugu (ROS), galvenokārt hidroksila (OH•) un superoksīda (O2-) radikāļu (1.c att.)8.EVNS atrodas gaisā ilgu laiku un var sadurties ar gaisā suspendētiem un uz virsmas esošajiem mikroorganismiem, nogādājot to ROS slodzi un izraisot mikroorganismu inaktivāciju (1.d attēls).Šie agrīnie pētījumi arī parādīja, ka EWNS var mijiedarboties un inaktivēt dažādas gramnegatīvas un grampozitīvas baktērijas, tostarp mikobaktērijas, uz virsmām un gaisā.Transmisijas elektronu mikroskopija parādīja, ka inaktivāciju izraisīja šūnas membrānas traucējumi.Turklāt akūtu inhalāciju pētījumi liecina, ka lielas EWNS devas neizraisa plaušu bojājumus vai iekaisumu 8 .
a) Elektrosmidzināšana notiek, ja starp kapilāru cauruli, kurā ir šķidrums, un pretelektrodu tiek pielikts augsts spriegums.(b) Augsta spiediena izmantošana izraisa divas dažādas parādības: (i) ūdens elektroizsmidzināšanu un (ii) reaktīvo skābekļa sugu (jonu) veidošanos, kas iesprostoti EWNS.c) EWNS unikālā struktūra.d) to nanomēroga rakstura dēļ EWNS ir ļoti mobilas un var mijiedarboties ar gaisā esošiem patogēniem.
Nesen tika pierādīta arī EWNS pretmikrobu platformas spēja inaktivēt pārtikas mikroorganismus uz svaigas pārtikas virsmas.Ir arī pierādīts, ka EWNS virsmas lādiņu kombinācijā ar elektrisko lauku var izmantot, lai sasniegtu mērķtiecīgu piegādi.Turklāt provizoriskie rezultāti par bioloģiskajiem tomātiem pēc 90 minūšu ekspozīcijas pie EWNS aptuveni 50 000 #/cm3 bija iepriecinoši, jo tika novēroti dažādi pārtikas izraisīti mikroorganismi, piemēram, E. coli un Listeria 11.Turklāt sākotnējie organoleptiskie testi neliecināja par maņu 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.redz, ir skaidrs, ka lielāks inaktivācijas potenciāls būtu izdevīgāks, lai vēl vairāk samazinātu infekcijas un bojāšanās risku.
Šeit mēs koncentrēsimies uz EWNS paaudzes platformas izstrādi, lai ļautu precīzi pielāgot sintēzes parametrus un optimizēt EWNS fizikāli ķīmiskās īpašības, lai uzlabotu to antibakteriālo potenciālu.Jo īpaši optimizācija ir vērsta uz to virsmas uzlādes palielināšanu (lai uzlabotu mērķtiecīgu piegādi) un ROS saturu (lai uzlabotu inaktivācijas efektivitāti).Raksturojiet optimizētas fizikāli ķīmiskās īpašības (izmēru, lādiņu un ROS saturu), izmantojot modernas analītiskās metodes, un izmantojiet tādus izplatītus pārtikas mikroorganismus kā E. .
EVNS tika sintezēts, vienlaikus veicot augstas tīrības ūdens (18 MΩ cm–1) elektrosmidzināšanu un jonizāciju.Elektrisko smidzinātāju 12 parasti izmanto šķidrumu izsmidzināšanai un kontrolēta izmēra polimēru un keramikas daļiņu 13 un šķiedru 14 sintēzei.
Kā aprakstīts iepriekšējās publikācijās 8, 9, 10, 11, tipiskā eksperimentā starp metāla kapilāru un iezemētu pretelektrodu tika pielietots augsts spriegums.Šī procesa laikā notiek divas dažādas parādības: i) elektrosmidzināšana un ii) ūdens jonizācija.Spēcīgs elektriskais lauks starp diviem elektrodiem izraisa negatīvu lādiņu veidošanos uz kondensētā ūdens virsmas, kā rezultātā veidojas Teilora konusi.Tā rezultātā veidojas ļoti uzlādēti ūdens pilieni, kas turpina sadalīties mazākās daļiņās, kā tas ir Rayleigh teorijā16.Tajā pašā laikā spēcīgi elektriskie lauki izraisa dažu ūdens molekulu sadalīšanos un elektronu atdalīšanu (jonizāciju), kā rezultātā veidojas liels daudzums reaktīvo skābekļa sugu (ROS)17.Vienlaikus ģenerētais ROS18 tika iekapsulēts EWNS (1.c att.).
Uz att.2.a attēlā parādīta EWNS ģenerēšanas sistēma, kas izstrādāta un izmantota EWNS sintēzē šajā pētījumā.Attīrīts ūdens, kas tika uzglabāts slēgtā pudelē, tika ievadīts caur teflona cauruli (2 mm iekšējais diametrs) 30 G 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 iestatījumu, izmantojot paraugu ņemšanas portu (2.b attēls).Lai izvairītos no lādiņa uzkrāšanās, kas varētu traucēt paraugu ņemšanas darbību, visas paraugu ņemšanas sastāvdaļas ir elektriski iezemētas.
a) inženiertehniskā ūdens nanostruktūras ģenerēšanas sistēma (EWNS).b) paraugu ņemšanas ierīces un elektrosmidzināšanas šķērsgriezums, norādot svarīgākos parametrus.(c) Eksperimentāla iestatīšana baktēriju inaktivācijai.
Iepriekš aprakstītā EWNS ģenerēšanas sistēma spēj mainīt galvenos darbības parametrus, lai atvieglotu EWNS īpašību precizēšanu.Noregulējiet pielietoto spriegumu (V), attālumu starp adatu un pretelektrodu (L) un ūdens plūsmu (φ) caur kapilāru, lai precīzi noregulētu EWNS raksturlielumus.Simbols, ko izmanto dažādu kombināciju apzīmēšanai: [V (kV), L (cm)].Pielāgojiet ūdens plūsmu, lai iegūtu stabilu Teilora konusu ar noteiktu kopu [V, L].Šī pētījuma vajadzībām pretelektroda (D) atvēruma diametrs tika turēts 0, 5 collas (1, 29 cm).
Ierobežotās ģeometrijas un asimetrijas dēļ elektriskā lauka intensitāti nevar aprēķināt pēc pirmajiem principiem.Tā vietā elektriskā lauka aprēķināšanai tika izmantota programmatūra QuickField™ (Svendborg, 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 kombinācijas starp adatu un pretelektrodu, ņemot vērā Teilora konusa veidošanos, Teilora konusa stabilitāti, EWNS ražošanas stabilitāti un reproducējamību.Papildu tabulā S1 ir parādītas dažādas kombinācijas.
EWNS paaudzes sistēmas izeja tika tieši savienota ar skenēšanas mobilitātes daļiņu izmēru analizatoru (SMPS, modelis 3936, TSI, Shoreview, MN) daļiņu skaita koncentrācijas mērīšanai, kā arī ar aerosola Faraday elektrometru (TSI, modelis 3068B, Shoreview, MN).) aerosola strāvas tika mērītas, kā aprakstīts mūsu iepriekšējā publikācijā.Gan SMPS, gan aerosola elektrometrs ņēma paraugus ar plūsmas ātrumu 0,5 l/min (kopējā parauga plūsma 1 l/min).Daļiņu skaita koncentrācija un aerosola plūsma tika mērīta 120 sekundes.Mērījumu atkārto 30 reizes.Pamatojoties uz pašreizējiem mērījumiem, tiek aprēķināts kopējais aerosola lādiņš un tiek aprēķināts vidējais EWNS lādiņš noteiktam kopējam atlasīto EWNS daļiņu skaitam.EWNS vidējās izmaksas var aprēķināt, izmantojot vienādojumu (1):
kur IEl ir izmērītā strāva, NSMPS ir digitālā koncentrācija, kas izmērīta ar SMPS, un φEl ir plūsmas ātrums uz elektrometru.
Tā kā relatīvais mitrums (RH) ietekmē virsmas lādiņu, temperatūra un (RH) eksperimenta laikā tika uzturēti nemainīgi attiecīgi 21°C un 45%.
Lai izmērītu EWNS izmēru un kalpošanas laiku, tika izmantota atomu spēka mikroskopija (AFM), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Santa Barbara, CA) un AC260T zonde (Olympus, Tokija, Japāna).AFM skenēšanas frekvence bija 1 Hz, skenēšanas laukums bija 5 μm × 5 μm un 256 skenēšanas līnijas.Visi attēli tika pakļauti pirmās kārtas attēlu izlīdzināšanai, izmantojot programmatūru Asylum (maskas diapazons 100 nm, slieksnis 100 pm).
Testa piltuve tika noņemta un vizlas virsma tika novietota 2, 0 cm attālumā no pretelektroda vidēji 120 s, 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 tiek izplatīts uz vizlas virsmas kupola veidā.Izkliedējošo pilienu diametrs (a) un augstums (h) tika mērīti tieši no AFM topogrāfijas un tika izmantoti, lai aprēķinātu EWNS kupolveida difūzijas tilpumu, izmantojot mūsu iepriekš apstiprināto metodi.Pieņemot, ka iebūvētajām EWNS ir vienāds tilpums, ekvivalento diametru var aprēķināt, izmantojot (2) vienādojumu:
Pamatojoties uz mūsu iepriekš izstrādāto metodi, elektronu spin rezonanses (ESR) spin slazds tika izmantots, lai noteiktu īslaicīgu radikāļu starpproduktu klātbūtni EWNS.Aerosoli tika izpūsti caur 650 μm Midget smidzinātāju (Ace Glass, Vineland, NJ), kas satur 235 mM DEPMPO (5-(dietoksifosforil)-5-metil-1-pirolīna-N-oksīda) šķīdumu (Oxis International Inc.).Portlenda, Oregona).Visi ESR mērījumi tika veikti, izmantojot Bruker EMX spektrometru (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, ASV) un plakano paneli.Datu vākšanai un analīzei tika izmantota programmatūra Acquisit (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, ASV).ROS raksturlielumu noteikšana tika veikta tikai darbības apstākļu kopumam [-6,5 kV, 4,0 cm].EWNS koncentrācijas tika mērītas, izmantojot SMPS, pēc tam, kad tika ņemti vērā EWNS zudumi triecienelementā.
Ozona līmenis tika uzraudzīts, izmantojot 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Boulder, Co)8,9,10.
Visām EWNS īpašībām vidējā vērtība tiek izmantota kā mērījuma vērtība, bet standarta novirze tiek izmantota kā mērījuma kļūda.T-testi tika veikti, lai salīdzinātu optimizēto EWNS atribūtu vērtības ar atbilstošajām bāzes EWNS vērtībām.
2.c attēlā parādīta iepriekš izstrādāta un raksturota elektrostatiskās nokrišņu (EPES) “vilkšanas” sistēma, ko var izmantot mērķtiecīgai EWNS piegādei uz virsmas.EPES izmanto EVNS lādiņus, kurus spēcīga elektriskā lauka ietekmē var “novadīt” tieši uz mērķa virsmu.Sīkāka informācija par EPES sistēmu ir sniegta nesen publicētajā Pyrgiotakis et al.11 .Tādējādi EPES sastāv no 3D drukātas PVC kameras ar koniskiem galiem un satur divas paralēlas nerūsējošā tērauda (304 nerūsējošā tērauda, ​​ar spoguļa pārklājumu) metāla plāksnes centrā 15,24 cm attālumā viena no otras.Plātnes tika savienotas ar ārēju augstsprieguma avotu (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY), apakšējā plāksne vienmēr bija savienota ar pozitīvu spriegumu, un augšējā plāksne vienmēr bija savienota ar zemi (peldošā zeme).Kameras sienas ir pārklātas ar alumīnija foliju, kas ir elektriski iezemēta, lai novērstu daļiņu zudumu.Kamerai ir noslēgtas priekšējās iekraušanas durvis, kas ļauj novietot testa virsmas uz plastmasas statīviem, kas paceļ tās virs apakšējās metāla plāksnes, lai izvairītos no augstsprieguma traucējumiem.
EWNS nogulsnēšanās efektivitāte EPES tika aprēķināta saskaņā ar iepriekš izstrādātu protokolu, kas detalizēti aprakstīts S111 papildu attēlā.
Kā vadības kamera EPES sistēmai sērijveidā tika savienota otrā cilindriskā plūsmas kamera, kurā EWNS noņemšanai tika izmantots starpposma HEPA filtrs.Kā parādīts 2.c attēlā, EWNS aerosols tika sūknēts caur divām iebūvētām kamerām.Filtrs starp vadības telpu un EPES noņem visus atlikušos EWNS, kas rada tādu pašu temperatūru (T), relatīvo mitrumu (RH) un ozona līmeni.
Ir konstatēts, ka svarīgi pārtikas izraisīti mikroorganismi piesārņo svaigus pārtikas produktus, piemēram, E. coli (ATCC #27325), fekāliju indikatoru, Salmonella enterica (ATCC #53647), pārtikas izraisītu patogēnu, Listeria nekaitīgu (ATCC #33090), patogēnās Listeria monocytogenes surogātu, kas iegūts no ATCC, VACCe, VACCev (#90) bojājuma rauga aizstājējs un izturīgāka inaktivēta baktērija Mycobacterium paralucky (ATCC #19686).
Iegādājieties nejaušas kastes ar bioloģisko vīnogu tomātu no vietējā tirgus un atdzesējiet 4°C līdz lietošanai (līdz 3 dienām).Visi eksperimentālie tomāti bija vienāda izmēra, apmēram 1/2 collas diametrā.
Kultūras, inokulācijas, ekspozīcijas un koloniju skaitīšanas protokoli ir detalizēti aprakstīti mūsu iepriekšējā publikācijā un detalizēti Papildu datos.EWNS efektivitāte tika novērtēta, pakļaujot inokulētos tomātus 40 000 #/cm3 45 minūtes.Īsumā, tika izmantoti trīs tomāti, lai novērtētu izdzīvojušos mikroorganismus laikā t = 0 min.Trīs tomāti tika ievietoti EPES un pakļauti EWNS iedarbībai pie 40 000 #/cc (EWNS pakļauti tomāti), bet atlikušie trīs tika ievietoti kontroles kamerā (kontroles tomāti).Tomātu papildu apstrāde abās grupās netika veikta.EWNS pakļautie tomāti un kontroles tomāti tika noņemti pēc 45 minūtēm, lai novērtētu EWNS iedarbību.
Katrs eksperiments tika veikts trīs eksemplāros.Datu analīze tika veikta saskaņā ar protokolu, kas aprakstīts sadaļā Papildu dati.
Inaktivācijas mehānismi tika novērtēti, sedimentējot eksponētos EWNS paraugus (45 min pie 40 000 #/cm3 EWNS aerosola koncentrācijas) un neapstarotos nekaitīgo baktēriju E. coli, Salmonella enterica un Lactobacillus paraugus.Daļiņas fiksēja 2,5% glutaraldehīda, 1,25% paraformaldehīda un 0,03% pikrīnskābes 0,1 M nātrija kakodilāta buferšķīdumā (pH 7,4) 2 stundas istabas temperatūrā.Pēc mazgāšanas pēcfiksējiet ar 1% osmija tetroksīdu (OsO4)/1,5% kālija ferocianīdu (KFeCN6) 2 stundas, mazgājiet 3 reizes ūdenī un inkubējiet 1% uranilacetātā 1 stundu, pēc tam mazgājiet divas reizes ūdenī, pēc tam dehidrējiet 5%, 0% 10%, 0%, 0% 0%.Pēc tam paraugi tika ievietoti propilēna oksīdā uz 1 stundu un piesūcināti ar propilēna oksīda un TAAP Epon (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA) maisījumu attiecībā 1:1.Paraugi tika iestrādāti TAAB Epon un polimerizēti 60 ° C temperatūrā 48 stundas.Cietinātie granulētie sveķi tika sagriezti un vizualizēti ar TEM, izmantojot parasto transmisijas elektronu mikroskopu JEOL 1200EX (JEOL, Tokija, Japāna), kas aprīkots ar AMT 2k CCD kameru (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, Masačūsetsa, ASV).
Visi eksperimenti tika veikti trīs eksemplāros.Katram laika punktam baktēriju mazgāšanas līdzekļi tika iesēti trīs eksemplāros, kā rezultātā katrā punktā tika iegūti deviņi datu punkti, kuru vidējā vērtība tika izmantota kā baktēriju koncentrācija konkrētajam mikroorganismam.Standarta novirze tika izmantota kā mērījumu kļūda.Visi punkti tiek skaitīti.
Baktēriju koncentrācijas samazināšanās logaritms salīdzinājumā ar t = 0 min tika aprēķināts, izmantojot šādu formulu:
kur C0 ir baktēriju koncentrācija kontroles paraugā laikā 0 (ti, pēc virsmas izžūšanas, bet pirms ievietošanas kamerā) un Cn ir baktēriju koncentrācija uz virsmas pēc n minūšu iedarbības.
Lai ņemtu vērā baktēriju dabisko noārdīšanos 45 minūšu ekspozīcijas laikā, logaritma 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 brīdī n.Dati tiek parādīti kā log samazinājums salīdzinājumā ar kontroli (bez EWNS iedarbības).
Pētījuma laikā tika novērtētas vairākas sprieguma un attāluma kombinācijas starp adatu un pretelektrodu, ņemot vērā Teilora konusa veidošanos, Teilora konusa stabilitāti, EWNS ražošanas stabilitāti un reproducējamību.Papildu tabulā S1 ir parādītas dažādas kombinācijas.Visaptverošam pētījumam tika atlasīti divi gadījumi, kas parāda stabilas un reproducējamas īpašības (Taylor konuss, EWNS paaudze un stabilitāte laika gaitā).Uz att.3. attēlā parādīti rezultāti par ROS uzlādi, izmēru un saturu abos gadījumos.Rezultāti ir parādīti arī 1. tabulā. Uzziņai gan 3. attēlā, gan 1. tabulā ir iekļautas iepriekš sintezētās neoptimizētās EWNS8, 9, 10, 11 (bāzes līnijas EWNS) īpašības.Statistiskā nozīmīguma aprēķini, izmantojot divpusēju t-testu, ir atkārtoti publicēti S2 papildu tabulā.Turklāt papildu dati ietver pētījumus par pretelektroda paraugu ņemšanas cauruma diametra (D) un attāluma starp zemējuma elektrodu un galu (L) ietekmi (papildu S2 un S3 attēli).
ac) izmēru sadalījums, ko mēra ar AFM.df) virsmas lādiņa raksturlielums.g) EPR ROS raksturojums.
Ir arī svarīgi atzīmēt, ka visos iepriekšminētajos apstākļos izmērītā jonizācijas strāva bija no 2 līdz 6 μA un spriegums no -3,8 līdz -6,5 kV, kā rezultātā šī viena EWNS paaudzes 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 attēlā S4 parādīti simulētie elektriskie lauki attiecīgi [-6,5 kV, 4,0 cm] un [-3,8 kV, 0,5 cm] scenārijiem.Scenārijiem [-6,5 kV, 4,0 cm] un [-3,8 kV, 0,5 cm] lauka aprēķini ir attiecīgi 2 × 105 V/m un 4,7 × 105 V/m.Tas ir sagaidāms, jo otrajā gadījumā sprieguma un attāluma attiecība ir daudz lielāka.
Uz att.3a, b parāda EWNS diametru, kas izmērīts ar AFM8.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 standarta novirze ir ļoti tuvu EWNS bāzes līnijai, attiecīgi pie 25 nm un 1, 41.Uz att.3c parāda bāzes EWNS izmēru sadalījumu, kas izmērīts, izmantojot to pašu metodi tādos pašos apstākļos.
Uz att.3d,e parāda lādiņu raksturojuma rezultātus.Dati ir vidējie mērījumi no 30 vienlaicīgiem koncentrācijas (#/cm3) un strāvas (I) mērījumiem.Analīze rāda, ka EWNS vidējais lādiņš ir attiecīgi 22 ± 6 e- un 44 ± 6 e- attiecīgi [-6,5 kV, 4,0 cm] un [-3,8 kV, 0,5 cm].Tiem ir ievērojami augstāki virsmas lādiņi, salīdzinot ar sākotnējo EWNS (10 ± 2 e-), divas reizes lielākas nekā [-6,5 kV, 4,0 cm] scenārijā un četras reizes lielākas nekā [-3,8 kV, 0,5 cm].3.f attēlā parādīts lādiņš.dati par Baseline-EWNS.
No EWNS skaitļa koncentrācijas kartēm (papildu S5 un S6 attēli) var redzēt, ka [-6, 5 kV, 4, 0 cm] scenārijā ir ievērojami vairāk daļiņu nekā [-3, 8 kV, 0, 5 cm] scenārijā.Ir arī vērts atzīmēt, ka EWNS skaita koncentrācija tika uzraudzīta līdz 4 stundām (papildu attēli S5 un S6), kur EWNS paaudzes stabilitāte abos gadījumos uzrādīja tādus pašus daļiņu skaita koncentrācijas līmeņus.
Uz att.3g parāda EPR spektru pēc optimizētās EWNS vadības (fona) atņemšanas pie [-6,5 kV, 4,0 cm].ROS spektri tika salīdzināti arī ar Baseline-EWNS scenāriju iepriekš publicētā darbā.Tika aprēķināts, ka EWNS skaits, kas reaģē ar griešanās slazdiem, ir 7, 5 × 104 EWNS / s, kas ir līdzīgs iepriekš publicētajam Baseline-EWNS8.EPR spektri skaidri liecināja par divu veidu ROS klātbūtni, kur dominējošā suga ir O2, un OH• bija mazāk izplatīta.Turklāt tiešs pīķa intensitātes salīdzinājums parādīja, ka optimizētajai EWNS bija ievērojami augstāks ROS saturs salīdzinājumā ar sākotnējo EWNS.
Uz att.4 parāda EWNS nogulsnēšanās efektivitāti EPES.Dati ir arī apkopoti I tabulā un salīdzināti ar sākotnējiem EWNS datiem.Abos EUNS gadījumos nogulsnēšanās ir tuvu 100% pat pie zema sprieguma 3,0 kV.Parasti 100% nogulsnēšanai pietiek ar 3,0 kV neatkarīgi no virsmas lādiņa izmaiņām.Tādos pašos apstākļos Baseline-EWNS nogulsnēšanās efektivitāte bija tikai 56% to zemākā lādiņa dēļ (vidēji 10 elektroni uz EWNS).
Uz att.5 un tabulā.2. attēlā ir apkopota to mikroorganismu inaktivācijas vērtība, kas inokulēti uz tomātu virsmas pēc aptuveni 40 000 #/cm3 EWNS 45 minūšu iedarbības optimālā režīmā [-6,5 kV, 4,0 cm].Inokulētie E. coli un Lactobacillus innocuous uzrādīja ievērojamu samazinājumu par 3,8 baļķiem 45 minūšu ekspozīcijas laikā.Tādos pašos apstākļos S. enterica bija 2,2 log samazinājums, bet S. cerevisiae un M. parafortutum bija 1,0 log samazinājums.
Elektronu mikrogrāfijās (6. attēls) ir attēlotas EWNS izraisītās fiziskās izmaiņas uz nekaitīgām Escherichia coli, Streptococcus un Lactobacillus šūnām, kas izraisa to inaktivāciju.Kontroles baktērijām bija neskartas šūnu membrānas, savukārt pakļautajām baktērijām bija bojātas ārējās membrānas.
Kontroles un pakļauto baktēriju elektronu mikroskopiskā attēlveidošana atklāja membrānas bojājumus.
Dati par optimizētās EWNS fizikāli ķīmiskajām īpašībām kopumā parāda, ka EWNS īpašības (virsmas lādiņš un ROS saturs) tika ievērojami uzlabotas, salīdzinot ar iepriekš publicētajiem EWNS bāzes datiem 8, 9, 10, 11.No otras puses, to izmērs palika nanometru diapazonā, kas ir ļoti līdzīgs iepriekš ziņotajiem rezultātiem, ļaujot tiem palikt gaisā ilgu laiku.Novēroto polidispersitāti var izskaidrot ar virsmas lādiņu izmaiņām, kas nosaka EWNS lielumu, Reilija efekta nejaušību un iespējamo saplūšanu.Tomēr, kā sīki izklāstījis Nielsens et al.22, augsts virsmas lādiņš samazina iztvaikošanu, efektīvi palielinot ūdens piliena virsmas enerģiju/spriegumu.Mūsu iepriekšējā publikācijā8 šī teorija tika eksperimentāli apstiprināta mikropilieniem 22 un EWNS.Uzlādes zudums virsstundu laikā var ietekmēt arī izmēru un veicināt novēroto izmēru sadalījumu.