Terima kasih kerana melayari Nature.com. Anda menggunakan versi pelayar dengan sokongan CSS yang terhad. Untuk pengalaman terbaik, kami mengesyorkan anda menggunakan pelayar yang dikemas kini (atau melumpuhkan Mod Keserasian dalam Internet Explorer). Di samping itu, untuk memastikan sokongan berterusan, kami memaparkan laman web tanpa gaya dan JavaScript.
Baru-baru ini, platform antimikrob bebas kimia berdasarkan nanoteknologi menggunakan struktur nano air buatan (EWNS) telah dibangunkan. EWNS mempunyai cas permukaan yang tinggi dan kaya dengan spesies oksigen reaktif (ROS) yang boleh berinteraksi dengan dan menyahaktifkan beberapa mikroorganisma, termasuk patogen bawaan makanan. Di sini ditunjukkan bahawa sifatnya semasa sintesis boleh ditala halus dan dioptimumkan untuk meningkatkan lagi potensi antibakterianya. Platform makmal EWNS direka bentuk untuk menyempurnakan sifat EWNS dengan mengubah parameter sintesis. Pencirian sifat EWNS (cas, saiz dan kandungan ROS) dilakukan menggunakan kaedah analisis moden. Di samping itu, mikroorganisma makanan seperti Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocua, Mycobacterium para fortitum dan Saccharomyces cerevisiae telah diinokulasi ke permukaan tomato anggur organik untuk menilai potensi penyahaktifan mikrobnya. Keputusan yang dibentangkan di sini menunjukkan bahawa sifat EWNS boleh ditala halus semasa sintesis, menghasilkan peningkatan eksponen dalam kecekapan penyahaktifan. Khususnya, cas permukaan meningkat sebanyak empat kali ganda, dan kandungan ROS meningkat. Kadar penyingkiran mikrob bergantung kepada mikrob dan berada dalam julat 1.0 hingga 3.8 log selepas 45 minit pendedahan kepada dos aerosol 40,000 #/cm3 EWNS.
Pencemaran mikrob merupakan punca utama penyakit bawaan makanan yang disebabkan oleh pengambilan patogen atau toksinnya. Penyakit bawaan makanan menyumbang kepada kira-kira 76 juta penyakit, 325,000 kemasukan ke hospital, dan 5,000 kematian setiap tahun di Amerika Syarikat sahaja1. Di samping itu, Jabatan Pertanian Amerika Syarikat (USDA) menganggarkan bahawa peningkatan penggunaan hasil segar bertanggungjawab untuk 48 peratus daripada semua penyakit bawaan makanan yang dilaporkan di Amerika Syarikat2. Kos penyakit dan kematian akibat patogen bawaan makanan di Amerika Syarikat adalah sangat tinggi, dianggarkan oleh Pusat Kawalan dan Pencegahan Penyakit (CDC) pada lebih daripada US$15.6 bilion setahun3.
Pada masa ini, intervensi antimikrob kimia4, radiasi5 dan terma6 untuk memastikan keselamatan makanan terutamanya dilaksanakan pada titik kawalan kritikal (CCP) yang terhad dalam rantaian pengeluaran (biasanya selepas penuaian dan/atau semasa pembungkusan) dan bukannya dilaksanakan secara berterusan sedemikian rupa sehingga hasil segar terdedah kepada pencemaran silang 7. Intervensi antimikrob diperlukan untuk mengawal penyakit bawaan makanan dan kerosakan makanan dengan lebih baik dan berpotensi untuk digunakan merentasi kontinum dari ladang ke meja. Impak dan kos yang lebih rendah.
Satu platform antimikrob bebas kimia berasaskan nanoteknologi baru-baru ini telah dibangunkan untuk menyahaktifkan bakteria pada permukaan dan di udara menggunakan struktur nano air tiruan (EWNS). Untuk sintesis EVNS, dua proses selari telah digunakan: penyemburan elektro dan pengionan air (Rajah 1a). EWNS sebelum ini telah terbukti mempunyai satu set sifat fizikal dan biologi yang unik8,9,10. EWNS mempunyai purata 10 elektron setiap struktur dan saiz nanometer purata 25 nm (Rajah 1b,c)8,9,10. Di samping itu, resonans spin elektron (ESR) menunjukkan bahawa EWNS mengandungi sejumlah besar spesies oksigen reaktif (ROS), terutamanya radikal hidroksil (OH•) dan superoksida (O2-) (Rajah 1c)8. EWNS kekal di udara untuk masa yang lama dan boleh berlanggar dengan mikrob yang terampai di udara dan terdapat pada permukaan, menghantar muatan ROS mereka dan menyebabkan penyahaktifan mikrob (Rajah 1d). Kajian-kajian terdahulu ini juga menunjukkan bahawa EWNS boleh berinteraksi dengan dan menyahaktifkan pelbagai bakteria gram-negatif dan gram-positif yang penting untuk kesihatan awam, termasuk mikobakteria, pada permukaan dan di udara8,9. Mikroskopi elektron penghantaran menunjukkan bahawa penyahaktifan itu disebabkan oleh gangguan membran sel. Di samping itu, kajian penyedutan akut telah menunjukkan bahawa dos EWNS yang tinggi tidak menyebabkan kerosakan atau keradangan paru-paru8.
(a) Semburan elektro berlaku apabila voltan tinggi dikenakan antara cecair yang mengandungi kapilari dan elektrod balas. (b) Penggunaan voltan tinggi menghasilkan dua fenomena berbeza: (i) penyemburan elektro air dan (ii) penjanaan spesies oksigen reaktif (ion) yang terperangkap dalam EWNS. (c) Struktur unik EWNS. (d) EWNS sangat mudah alih kerana sifat nanonya dan boleh berinteraksi dengan patogen bawaan udara.
Keupayaan platform antimikrob EWNS untuk menyahaktifkan mikroorganisma bawaan makanan pada permukaan makanan segar juga baru-baru ini telah ditunjukkan. Ia juga telah ditunjukkan bahawa cas permukaan EWNS boleh digunakan dalam kombinasi dengan medan elektrik untuk penghantaran yang disasarkan. Lebih penting lagi, hasil awal yang menjanjikan iaitu pengurangan kira-kira 1.4 log dalam aktiviti tomato organik terhadap pelbagai mikroorganisma makanan seperti E. coli dan Listeria diperhatikan dalam masa 90 minit selepas terdedah kepada EWNS pada kepekatan kira-kira 50,000#/cm311. Di samping itu, ujian penilaian organoleptik awal tidak menunjukkan kesan organoleptik berbanding tomato kawalan. Walaupun keputusan penyahaktifan awal ini menjanjikan keselamatan makanan walaupun pada dos EWNS yang sangat rendah iaitu 50,000#/cc, lihat, adalah jelas bahawa potensi penyahaktifan yang lebih tinggi akan lebih bermanfaat untuk mengurangkan lagi risiko jangkitan dan kerosakan.
Di sini, kami akan memfokuskan penyelidikan kami pada pembangunan platform penjanaan EWNS untuk memperhalusi parameter sintesis dan mengoptimumkan sifat fizikokimia EWNS bagi meningkatkan potensi antibakterianya. Khususnya, pengoptimuman telah memberi tumpuan kepada peningkatan cas permukaannya (untuk meningkatkan penghantaran yang disasarkan) dan kandungan ROS (untuk meningkatkan kecekapan penyahaktifan). Pencirian sifat fizikokimia yang dioptimumkan (saiz, cas dan kandungan ROS) menggunakan kaedah analisis moden dan menggunakan mikroorganisma makanan biasa seperti E. coli, S. enterica, L. innocua, S. cerevisiae dan M. parafortuitum.
EVNS disintesis melalui penyemburan elektro dan pengionan air ketulenan tinggi (18 MΩ cm–1) serentak. Pengabut elektrik 12 biasanya digunakan untuk mengatomkan cecair dan polimer sintetik serta zarah seramik 13 dan gentian 14 yang bersaiz terkawal.
Seperti yang diperincikan dalam penerbitan terdahulu 8, 9, 10, 11, dalam eksperimen biasa, voltan tinggi dikenakan antara kapilari logam dan elektrod balas yang dibumikan. Semasa proses ini, dua fenomena berbeza berlaku: 1) penyemburan elektro dan 2) pengionan air. Medan elektrik yang kuat antara kedua-dua elektrod menyebabkan cas negatif terkumpul di permukaan air yang terkondensasi, mengakibatkan pembentukan kon Taylor. Akibatnya, titisan air yang bercas tinggi terbentuk, yang terus pecah menjadi zarah yang lebih kecil, menurut teori Rayleigh16. Pada masa yang sama, medan elektrik yang kuat menyebabkan beberapa molekul air berpecah dan menanggalkan elektron (pengionan), sekali gus menghasilkan sejumlah besar spesies oksigen reaktif (ROS)17. Paket ROS18 yang dihasilkan secara serentak telah dikapsulkan dalam EWNS (Rajah 1c).
Pada rajah 2a, sistem penjanaan EWNS yang dibangunkan dan digunakan dalam sintesis EWNS dalam kajian ini menunjukkan. Air yang telah ditulenkan yang disimpan dalam botol tertutup telah disalurkan melalui tiub Teflon (diameter dalam 2 mm) ke jarum keluli tahan karat 30G (kapilari logam). Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2b, aliran air dikawal oleh tekanan udara di dalam botol. Jarum dipasang pada konsol Teflon yang boleh dilaraskan secara manual pada jarak tertentu dari elektrod balas. Elektrod balas ialah cakera aluminium yang digilap dengan lubang di tengah untuk pensampelan. Di bawah elektrod balas ialah corong pensampelan aluminium, yang disambungkan ke persediaan eksperimen yang lain melalui port pensampelan (Rajah 2b). Semua komponen pensampelan dibumikan secara elektrik untuk mengelakkan pengumpulan cas yang boleh merendahkan pensampelan zarah.
(a) Sistem Penjanaan Nanostruktur Air Kejuruteraan (EWNS). (b) Keratan rentas unit pensampel dan penyembur elektro yang menunjukkan parameter yang paling penting. (c) Persediaan eksperimen untuk penyahaktifan bakteria.
Sistem penjanaan EWNS yang diterangkan di atas mampu mengubah parameter operasi utama untuk memudahkan penalaan halus sifat EWNS. Laraskan voltan yang dikenakan (V), jarak antara jarum dan elektrod balas (L), dan aliran air (φ) melalui kapilari untuk menala halus ciri-ciri EWNS. Simbol [V (kV), L (cm)] digunakan untuk menunjukkan kombinasi yang berbeza. Laraskan aliran air untuk mendapatkan kon Taylor yang stabil pada set tertentu [V, L]. Untuk tujuan kajian ini, apertur elektrod balas (D) ditetapkan pada 0.5 inci (1.29 cm).
Disebabkan geometri dan asimetri yang terhad, kekuatan medan elektrik tidak dapat dikira daripada prinsip pertama. Sebaliknya, perisian QuickField™ (Svendborg, Denmark)19 telah digunakan untuk mengira medan elektrik. Medan elektrik tidak seragam, jadi nilai medan elektrik di hujung kapilari telah digunakan sebagai nilai rujukan untuk pelbagai konfigurasi.
Semasa kajian, beberapa kombinasi voltan dan jarak antara jarum dan elektrod balas telah dinilai dari segi pembentukan kon Taylor, kestabilan kon Taylor, kestabilan penghasilan EWNS dan kebolehulangan. Pelbagai kombinasi ditunjukkan dalam Jadual Tambahan S1.
Output sistem penjanaan EWNS disambungkan secara langsung kepada Pengukur Zarah Mobiliti Pengimbas (SMPS, model 3936, TSI, Shoreview, Minnesota) untuk mengukur kepekatan bilangan zarah dan digunakan dengan elektrometer aerosol Faraday (TSI, model 3068B, Shoreview, USA). MN) untuk mengukur aliran aerosol, seperti yang diterangkan dalam penerbitan kami sebelum ini9. Kedua-dua SMPS dan elektrometer aerosol disampel pada kadar aliran 0.5 L/min (jumlah aliran sampel 1 L/min). Kepekatan zarah dan fluks aerosol diukur selama 120 saat. Ulangi pengukuran sebanyak 30 kali. Jumlah cas aerosol dikira daripada ukuran semasa, dan purata cas EWNS dianggarkan daripada jumlah zarah EWNS yang disampel. Kos purata EWNS boleh dikira menggunakan Persamaan (1):
dengan IEl ialah arus yang diukur, NSMPS ialah kepekatan nombor yang diukur dengan SMPS dan φEl ialah kadar aliran ke elektrometer.
Oleh kerana kelembapan relatif (RH) mempengaruhi cas permukaan, suhu dan (RH) dikekalkan malar pada 21°C dan 45%, masing-masing, semasa eksperimen.
Mikroskopi daya atom (AFM), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Santa Barbara, CA) dan prob AC260T (Olympus, Tokyo, Jepun) telah digunakan untuk mengukur saiz dan jangka hayat EWNS. Kadar imbasan AFM ialah 1 Hz dan kawasan imbasan ialah 5 µm×5 µm dengan 256 garisan imbasan. Semua imej telah menjalani penjajaran imej tertib pertama menggunakan perisian Asylum (topeng dengan julat 100 nm dan ambang 100 pm).
Tanggalkan corong pensampelan dan letakkan permukaan mika pada jarak 2.0 cm dari elektrod balas untuk purata masa 120 s untuk mengelakkan penggabungan zarah dan pembentukan titisan yang tidak sekata pada permukaan mika. EWNS telah digunakan terus pada permukaan mika yang baru dipotong (Ted Pella, Redding, CA). Sejurus selepas percikan, permukaan mika divisualisasikan menggunakan AFM. Sudut sentuhan permukaan mika yang baru dipotong dan tidak diubah suai adalah hampir dengan 0°, jadi EWNS merambat ke atas permukaan mika dalam bentuk berkubah20. Diameter (a) dan ketinggian (h) titisan yang meresap diukur terus dari topografi AFM dan digunakan untuk mengira isipadu resapan berkubah EWNS menggunakan kaedah yang telah disahkan sebelum ini8. Dengan mengandaikan bahawa EVNS onboard mempunyai isipadu yang sama, diameter setara boleh dikira daripada persamaan (2):
Selaras dengan kaedah yang telah kami bangunkan sebelum ini, perangkap spin resonans spin elektron (ESR) telah digunakan untuk mengesan kehadiran perantaraan radikal jangka pendek dalam EWNS. Aerosol telah dialirkan melalui larutan yang mengandungi 235 mM DEPMPO (5-(dietoksifosforil)-5-metil-1-pirolin-N-oksida) (Oxis International Inc., Portland, Oregon). Semua pengukuran EPR telah dilakukan menggunakan spektrometer Bruker EMX (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) dan susunan sel rata. Perisian Acquisit (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) telah digunakan untuk mengumpul dan menganalisis data. Pencirian ROS hanya dilakukan untuk satu set keadaan operasi [-6.5 kV, 4.0 cm2]. Kepekatan EWNS telah diukur menggunakan SMPS selepas mengambil kira kehilangan EWNS dalam impaktor.
Tahap ozon dipantau menggunakan 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Boulder, Co)8,9,10.
Bagi semua sifat EWNS, nilai pengukuran ialah min bagi pengukuran, dan ralat pengukuran ialah sisihan piawai. Ujian-t telah dilakukan untuk membandingkan nilai atribut EWNS yang dioptimumkan dengan nilai EWNS asas yang sepadan.
Rajah 2c menunjukkan Sistem Laluan Pemendakan Elektrostatik (EPES) yang telah dibangunkan dan dicirikan sebelum ini yang boleh digunakan untuk menyasarkan EWNS11 ke permukaan. EPES menggunakan cas EWNS digabungkan dengan medan elektrik yang kuat untuk "menunjuk" terus ke permukaan sasaran. Butiran sistem EPES dibentangkan dalam penerbitan terbaru oleh Pyrgiotakis et al.11. Oleh itu, EPES terdiri daripada ruang PVC bercetak 3D dengan hujung tirus yang mengandungi dua plat logam keluli tahan karat selari (keluli tahan karat 304, digilap cermin) di bahagian tengah dengan jarak 15.24 cm. Papan disambungkan kepada sumber voltan tinggi luaran (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY), papan bawah sentiasa positif dan papan atas sentiasa dibumikan (terapung). Dinding ruang ditutup dengan kerajang aluminium, yang dibumikan secara elektrik untuk mengelakkan kehilangan zarah. Ruang ini mempunyai pintu pemuatan hadapan yang tertutup yang membolehkan permukaan ujian diletakkan di atas rak plastik, mengangkatnya dari plat logam bawah untuk mengelakkan gangguan voltan tinggi.
Kecekapan pemendapan EWNS dalam EPES dikira mengikut protokol yang dibangunkan sebelum ini yang diperincikan dalam Rajah Tambahan S111.
Sebagai ruang kawalan, aliran kedua melalui ruang silinder disambungkan secara bersiri dengan sistem EPES menggunakan penapis HEPA perantaraan untuk menyingkirkan EWNS. Seperti yang ditunjukkan dalam rajah 2c, aerosol EWNS dipam melalui dua ruang yang disambungkan secara bersiri. Penapis antara bilik kawalan dan EPES menyingkirkan sebarang EWNS yang tinggal yang menghasilkan suhu (T), kelembapan relatif (RH) dan tahap ozon yang sama.
Mikroorganisma bawaan makanan yang penting telah didapati mencemari hasil segar seperti Escherichia coli (ATCC #27325), penunjuk najis, Salmonella enterica (ATCC #53647), patogen bawaan makanan, Listeria innocua (ATCC #33090), alternatif kepada Listeria monocytogenes patogenik., Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098) sebagai alternatif kepada yis pembusuk, dan Mycobacterium parafortuitous (ATCC #19686) sebagai bakteria hidup yang lebih tahan telah dibeli daripada ATCC (Manassas, Virginia).
Beli secara rawak kotak tomato anggur organik dari pasar tempatan anda dan sejukkan pada suhu 4°C sehingga digunakan (sehingga 3 hari). Pilih tomato untuk bereksperimen dengan satu saiz, kira-kira 1/2 inci diameter.
Protokol untuk pengeraman, inokulasi, pendedahan dan pengiraan koloni telah diperincikan dalam penerbitan kami sebelum ini dan dijelaskan secara terperinci dalam Data Tambahan 11. Prestasi EWNS dinilai dengan mendedahkan tomato yang diinokulasi kepada 40,000 #/cm3 selama 45 minit. Secara ringkas, pada masa t = 0 min, tiga biji tomato digunakan untuk menilai mikroorganisma yang terselamat. Tiga biji tomato diletakkan di dalam EPES dan didedahkan kepada EWNS pada 40,000 #/cc (tomato yang terdedah kepada EWNS) dan tiga biji tomato lain diletakkan di dalam ruang kawalan (tomato kawalan). Tiada satu pun daripada kumpulan tomato yang menjalani pemprosesan tambahan. Tomato dan kawalan yang terdedah kepada EWNS telah dikeluarkan selepas 45 minit untuk menilai kesan EWNS.
Setiap eksperimen dijalankan dalam tiga kali ganda. Analisis data dilakukan mengikut protokol yang diterangkan dalam Data Tambahan.
Sampel bakteria E. coli, Enterobacter, dan L. innocua yang terdedah kepada EWNS (45 minit, kepekatan aerosol EWNS 40,000 #/cm3) dan yang tidak terdedah telah dipel untuk menilai mekanisme penyahaktifan. Endapan telah difiksasi selama 2 jam pada suhu bilik dalam larutan natrium kakodilat 0.1 M (pH 7.4) dengan fiksatif 2.5% glutaraldehida, 1.25% paraformaldehid dan 0.03% asid pikrik. Selepas dibasuh, ia difiksasi dengan 1% osmium tetroksida (OsO4)/1.5% kalium ferosianda (KFeCN6) selama 2 jam, dibasuh 3 kali dengan air dan diinkubasi dalam 1% uranil asetat selama 1 jam, kemudian dibasuh dua kali dengan air. Dehidrasi berikutnya selama 10 minit setiap satu dengan alkohol 50%, 70%, 90%, 100%. Sampel kemudiannya diletakkan di dalam propilena oksida selama 1 jam dan diresapi dengan campuran 1:1 propilena oksida dan TAAP Epon (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA). Sampel dibenamkan dalam TAAB Epon dan dipolimerisasi pada suhu 60°C selama 48 jam. Resin berbutir yang telah diawet dipotong dan divisualisasikan oleh TEM menggunakan JEOL 1200EX (JEOL, Tokyo, Jepun), mikroskop elektron penghantaran konvensional yang dilengkapi dengan kamera CCD AMT 2k (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, MA, USA).
Semua eksperimen dijalankan dalam tiga kali ganda. Bagi setiap titik masa, cucian bakteria disalut dalam tiga kali ganda, menghasilkan sejumlah sembilan titik data setiap titik, yang puratanya digunakan sebagai kepekatan bakteria untuk organisma tertentu tersebut. Sisihan piawai digunakan sebagai ralat pengukuran. Semua titik dikira.
Logaritma penurunan kepekatan bakteria berbanding t = 0 min dikira menggunakan formula berikut:
di mana C0 ialah kepekatan bakteria dalam sampel kawalan pada masa 0 (iaitu selepas permukaan kering tetapi sebelum diletakkan di dalam ruang) dan Cn ialah kepekatan bakteria di permukaan selepas n minit pendedahan.
Untuk mengambil kira degradasi semula jadi bakteria semasa tempoh pendedahan 45 minit, Pengurangan Log juga dikira berbanding kawalan pada 45 minit seperti berikut:
Di mana Cn ialah kepekatan bakteria dalam sampel kawalan pada masa n dan Cn-Kawalan ialah kepekatan bakteria kawalan pada masa n. Data dibentangkan sebagai pengurangan log berbanding kawalan (tiada pendedahan EWNS).
Semasa kajian, beberapa kombinasi voltan dan jarak antara jarum dan elektrod balas telah dinilai dari segi pembentukan kon Taylor, kestabilan kon Taylor, kestabilan penghasilan EWNS, dan kebolehulangan. Pelbagai kombinasi ditunjukkan dalam Jadual Tambahan S1. Dua kes telah dipilih untuk kajian lengkap yang menunjukkan sifat stabil dan boleh dihasilkan semula (kon Taylor, penghasilan EWNS, dan kestabilan dari semasa ke semasa). Pada rajah 3, keputusan mengenai cas, saiz dan kandungan ROS untuk dua kes. Keputusan juga diringkaskan dalam Jadual 1. Untuk rujukan, Rajah 3 dan Jadual 1 merangkumi sifat EWNS8, 9, 10, 11 yang tidak dioptimumkan yang disintesis sebelum ini (garis dasar-EWNS). Pengiraan kepentingan statistik menggunakan ujian-t dua hujung diterbitkan semula dalam Jadual Tambahan S2. Di samping itu, data tambahan merangkumi kajian mengenai kesan diameter lubang persampelan elektrod balas (D) dan jarak antara elektrod pembumian dan hujung jarum (L) (Rajah Tambahan S2 dan S3).
(a–c) Taburan saiz AFM. (d – f) Ciri cas permukaan. (g) Pencirian ROS dan ESR.
Penting juga untuk diperhatikan bahawa bagi semua keadaan di atas, arus pengionan yang diukur adalah dalam julat 2-6 µA, dan voltan berada dalam julat -3.8 hingga -6.5 kV, menghasilkan penggunaan kuasa untuk EWNS terminal tunggal ini kurang daripada 50 mW. . modul penjanaan. Walaupun EWNS disintesis di bawah tekanan tinggi, tahap ozon adalah sangat rendah, tidak pernah melebihi 60 ppb.
Rajah Tambahan S4 menunjukkan medan elektrik simulasi untuk senario [-6.5 kV, 4.0 cm] dan [-3.8 kV, 0.5 cm]. Medan mengikut senario [-6.5 kV, 4.0 cm] dan [-3.8 kV, 0.5 cm] dikira masing-masing sebagai 2 × 105 V/m dan 4.7 × 105 V/m. Ini dijangkakan, kerana nisbah voltan kepada jarak adalah jauh lebih tinggi dalam kes kedua.
Pada rajah 3a, b menunjukkan diameter EWNS yang diukur dengan AFM8. Purata diameter EWNS untuk senario [-6.5 kV, 4.0 cm] dan [-3.8 kV, 0.5 cm] dikira masing-masing sebagai 27 nm dan 19 nm. Sisihan piawai geometri bagi taburan untuk kes [-6.5 kV, 4.0 cm] dan [-3.8 kV, 0.5 cm] masing-masing ialah 1.41 dan 1.45, menunjukkan taburan saiz yang sempit. Kedua-dua saiz min dan sisihan piawai geometri adalah sangat hampir dengan garis dasar-EWNS, iaitu masing-masing 25 nm dan 1.41. Pada rajah 3c menunjukkan taburan saiz garis dasar EWNS yang diukur menggunakan kaedah yang sama di bawah keadaan yang sama.
Pada rajah 3d, e menunjukkan keputusan pencirian cas. Data adalah ukuran purata bagi 30 ukuran kepekatan (#/cm3) dan arus (I) serentak. Analisis menunjukkan bahawa cas purata pada EWNS masing-masing ialah 22 ± 6 e- dan 44 ± 6 e- untuk [-6.5 kV, 4.0 cm] dan [-3.8 kV, 0.5 cm]. Berbanding dengan Baseline-EWNS (10 ± 2 e-), cas permukaannya jauh lebih tinggi, dua kali ganda daripada senario [-6.5 kV, 4.0 cm] dan empat kali ganda daripada senario [-3 .8 kV, 0.5 cm]. 3f menunjukkan data pembayaran EWNS asas.
Daripada peta kepekatan nombor EWNS (Rajah Tambahan S5 dan S6), dapat dilihat bahawa pemandangan [-6.5 kV, 4.0 cm] mempunyai bilangan zarah yang jauh lebih tinggi daripada pemandangan [-3.8 kV, 0.5 cm]. Perlu juga diperhatikan bahawa kepekatan nombor EWNS dipantau sehingga 4 jam (Rajah Tambahan S5 dan S6), di mana kestabilan penjanaan EWNS menunjukkan tahap kepekatan nombor zarah yang sama dalam kedua-dua kes.
Rajah 3g menunjukkan spektrum EPR selepas penolakan kawalan (latar belakang) untuk EWNS yang dioptimumkan pada [-6.5 kV, 4.0 cm]. Spektrum ROS juga dibandingkan dengan garis dasar EWNS dalam kertas kerja yang diterbitkan sebelum ini. Bilangan EWNS yang dikira bertindak balas dengan perangkap spin ialah 7.5 × 104 EWNS/s, yang serupa dengan Baseline-EWNS8 yang diterbitkan sebelum ini. Spektrum EPR jelas menunjukkan kehadiran dua jenis ROS, di mana O2- didominasi, manakala OH• hadir dalam jumlah yang lebih kecil. Di samping itu, perbandingan langsung keamatan puncak menunjukkan bahawa EWNS yang dioptimumkan mempunyai kandungan ROS yang jauh lebih tinggi berbanding EWNS garis dasar.
Rajah 4 menunjukkan kecekapan pemendapan EWNS dalam EPES. Data tersebut juga diringkaskan dalam Jadual I dan dibandingkan dengan data EWNS asal. Bagi kedua-dua kes EUNS, pemendapan adalah hampir 100% walaupun pada voltan rendah 3.0 kV. Biasanya, 3.0 kV mencukupi untuk mencapai pemendapan 100% tanpa mengira perubahan cas permukaan. Di bawah keadaan yang sama, kecekapan pemendapan Baseline-EWNS hanya 56% disebabkan oleh cas yang lebih rendah (purata 10 elektron setiap EWNS).
Rajah 5 dan Jadual 2 meringkaskan tahap penyahaktifan mikroorganisma yang diinokulasi pada permukaan tomato selepas terdedah kepada kira-kira 40,000 #/cm3 EWNS selama 45 minit di bawah senario optimum [-6.5 kV, 4.0 cm]. E. coli dan L. innocua yang diinokulasi menunjukkan pengurangan ketara sebanyak 3.8 log selepas 45 minit pendedahan. Di bawah keadaan yang sama, S. enterica menunjukkan pengurangan log yang lebih rendah iaitu 2.2 log, manakala S. cerevisiae dan M. parafortuitum menunjukkan pengurangan 1.0 log.
Mikrograf elektron (Rajah 6) menggambarkan perubahan fizikal yang disebabkan oleh EWNS dalam sel E. coli, Salmonella enterica, dan L. innocua yang membawa kepada penyahaktifan. Bakteria kawalan menunjukkan membran sel yang utuh, manakala bakteria yang terdedah mempunyai membran luar yang rosak.
Pengimejan mikroskop elektron bagi bakteria kawalan dan bakteria yang terdedah mendedahkan kerosakan membran.
Data mengenai sifat fizikokimia EWNS yang dioptimumkan secara kolektif menunjukkan bahawa sifat EWNS (cas permukaan dan kandungan ROS) telah bertambah baik dengan ketara berbanding data asas EWNS yang diterbitkan sebelum ini8,9,10,11. Sebaliknya, saiznya kekal dalam julat nanometer, yang sangat serupa dengan keputusan yang diterbitkan sebelum ini, membolehkannya kekal di udara untuk jangka masa yang lama. Polidispersiti yang diperhatikan boleh dijelaskan oleh perubahan dalam cas permukaan, yang menentukan magnitud kesan Rayleigh, kerawakan, dan potensi penggabungan EWNS. Walau bagaimanapun, seperti yang diperincikan oleh Nielsen et al.22, cas permukaan yang tinggi mengurangkan penyejatan dengan meningkatkan tenaga/ketegangan permukaan titisan air secara berkesan. Teori ini telah disahkan secara eksperimen untuk mikrotitisan22 dan EWNS dalam penerbitan kami sebelum ini8. Kehilangan masa lampau juga boleh menjejaskan saiz dan menyumbang kepada taburan saiz yang diperhatikan.
Di samping itu, cas setiap struktur adalah kira-kira 22–44 e-, bergantung pada keadaan, yang jauh lebih tinggi berbanding EWNS asas, yang mempunyai cas purata 10 ± 2 elektron setiap struktur. Walau bagaimanapun, perlu diingatkan bahawa ini adalah cas purata EWNS. Seto et al. Telah ditunjukkan bahawa cas tersebut tidak seragam dan mengikuti taburan log-normal21. Berbanding dengan kajian kami sebelum ini, penggandaan cas permukaan menggandakan kecekapan pemendapan dalam sistem EPES kepada hampir 100%11.