Bedankt voor uw bezoek aan Nature.com.De browserversie die u gebruikt heeft beperkte CSS-ondersteuning.Voor de beste ervaring raden we u aan een bijgewerkte browser te gebruiken (of Compatibiliteitsmodus uit te schakelen in Internet Explorer).In de tussentijd zullen we, om voortdurende ondersteuning te garanderen, de site weergeven zonder stijlen en JavaScript.
Een carrousel met drie dia's tegelijk.Gebruik de knoppen Vorige en Volgende om door drie dia's tegelijk te bladeren, of gebruik de schuifknoppen aan het einde om door drie dia's tegelijk te bladeren.
Onlangs is een chemicaliënvrij antimicrobieel platform ontwikkeld op basis van nanotechnologie met behulp van kunstmatige water nanostructuren (EWNS).EWNS hebben een hoge oppervlaktelading en zijn verzadigd met reactieve zuurstofspecies (ROS) die kunnen interageren met een aantal micro-organismen en deze kunnen inactiveren, waaronder door voedsel overgedragen ziekteverwekkers.Hier wordt aangetoond dat hun eigenschappen tijdens de synthese kunnen worden verfijnd en geoptimaliseerd om hun antibacteriële potentieel verder te verbeteren.Het EWNS-laboratoriumplatform is ontworpen om de eigenschappen van EWNS te verfijnen door de syntheseparameters te wijzigen.Karakterisering van EWNS-eigenschappen (lading, grootte en inhoud van ROS) met behulp van moderne analytische methoden.Bovendien werden ze beoordeeld op hun microbiële inactiveringspotentieel tegen door voedsel overgedragen micro-organismen zoals Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocuous, Mycobacterium paraaccidentum en Saccharomyces cerevisiae.De hier gepresenteerde resultaten tonen aan dat de eigenschappen van EWNS kunnen worden verfijnd tijdens de synthese, wat resulteert in een exponentiële toename van de inactiveringsefficiëntie.Met name de oppervlaktelading nam toe met een factor vier en de reactieve zuurstofsoorten namen toe.De microbiële verwijderingssnelheid was microbieel afhankelijk en varieerde van 1,0 tot 3,8 log na 45 minuten blootstelling aan een aërosoldosis van 40.000 #/cc EWNS.
Microbiële besmetting is de belangrijkste oorzaak van door voedsel overgedragen ziekten die worden veroorzaakt door de inname van ziekteverwekkers of hun toxines.Alleen al in de Verenigde Staten veroorzaken door voedsel overgedragen ziekten elk jaar ongeveer 76 miljoen ziekten, 325.000 ziekenhuisopnames en 5.000 sterfgevallen1.Bovendien schat het Amerikaanse ministerie van landbouw (USDA) dat de toegenomen consumptie van verse producten verantwoordelijk is voor 48% van alle gerapporteerde door voedsel overgedragen ziekten in de Verenigde Staten2.De kosten van ziekte en overlijden veroorzaakt door door voedsel overgedragen ziekteverwekkers in de Verenigde Staten zijn zeer hoog, geschat door de Centers for Disease Control and Prevention (CDC) op meer dan 15,6 miljard dollar per jaar3.
Momenteel worden chemische4, straling5 en thermische6 antimicrobiële interventies om de voedselveiligheid te waarborgen meestal uitgevoerd op beperkte kritische controlepunten (CCP's) langs de productieketen (meestal na de oogst en/of tijdens het verpakken) in plaats van continu.dus zijn ze vatbaar voor kruisbesmetting.7. Een betere beheersing van door voedsel overgedragen ziekten en voedselbederf vereist antimicrobiële interventies die mogelijk kunnen worden toegepast in het gehele van-boer-tot-bord-continuüm, terwijl de impact op het milieu en de kosten worden verminderd.
Onlangs is een chemicaliënvrij, op nanotechnologie gebaseerd antimicrobieel platform ontwikkeld dat bacteriën aan het oppervlak en in de lucht kan inactiveren met behulp van kunstmatige waternanostructuren (EWNS).EWNS werd gesynthetiseerd met behulp van twee parallelle processen, elektrospray en waterionisatie (figuur 1a).Eerdere studies hebben aangetoond dat EWNS een unieke reeks fysieke en biologische eigenschappen hebben8,9,10.EWNS hebben gemiddeld 10 elektronen per structuur en een gemiddelde nanoschaalgrootte van 25 nm (Fig. 1b, c) 8,9,10.Bovendien toonde elektronenspinresonantie (ESR) aan dat EWNS een grote hoeveelheid reactieve zuurstofspecies (ROS) bevat, voornamelijk hydroxyl (OH•) en superoxide (O2-) radicalen (Fig. 1c)8.EVNS hangt lange tijd in de lucht en kan in botsing komen met micro-organismen die in de lucht zweven en op het oppervlak aanwezig zijn, waardoor hun ROS-lading wordt afgegeven en micro-organismen worden geïnactiveerd (Fig. 1d).Deze vroege onderzoeken toonden ook aan dat EWNS kan interageren met en verschillende gramnegatieve en grampositieve bacteriën, waaronder mycobacteriën, op oppervlakken en in de lucht kan inactiveren.Transmissie-elektronenmicroscopie toonde aan dat de inactivatie werd veroorzaakt door verstoring van het celmembraan.Bovendien hebben acute inhalatiestudies aangetoond dat hoge doses EWNS geen longbeschadiging of -ontsteking veroorzaken 8 .
(a) Electrospray treedt op wanneer een hoge spanning wordt aangelegd tussen een capillaire buis die vloeistof bevat en een tegenelektrode.(b) De toepassing van hoge druk resulteert in twee verschillende fenomenen: (i) electrospraying van water en (ii) vorming van reactieve zuurstofspecies (ionen) gevangen in de EWNS.(c) De unieke structuur van EWNS.(d) Vanwege hun aard op nanoschaal zijn EWNS zeer mobiel en kunnen ze interageren met ziekteverwekkers in de lucht.
Het vermogen van het EWNS-antimicrobiële platform om door voedsel overgedragen micro-organismen op het oppervlak van vers voedsel te inactiveren, is onlangs ook aangetoond.Ook is aangetoond dat de oppervlaktelading van EWNS in combinatie met een elektrisch veld kan worden gebruikt om gerichte afgifte te bereiken.Bovendien waren de voorlopige resultaten voor biologische tomaten na een blootstelling van 90 minuten aan een EWNS van ongeveer 50.000 #/cm3 bemoedigend, waarbij verschillende door voedsel overgedragen micro-organismen zoals E. coli en Listeria 11 werden waargenomen.Bovendien toonden voorlopige organoleptische tests geen sensorische effecten aan in vergelijking met controletomaten.Hoewel deze aanvankelijke inactiveringsresultaten bemoedigend zijn voor voedselveiligheidstoepassingen, zelfs bij zeer lage EWNS-doses van 50.000#/cc.zie, het is duidelijk dat een hoger inactiveringspotentieel gunstiger zou zijn om het risico op infectie en bederf verder te verminderen.
Hier zullen we ons onderzoek richten op de ontwikkeling van een EWNS-generatieplatform om fijnafstemming van syntheseparameters en optimalisatie van de fysisch-chemische eigenschappen van EWNS mogelijk te maken om hun antibacteriële potentieel te verbeteren.Optimalisatie is met name gericht op het vergroten van hun oppervlaktelading (om gerichte levering te verbeteren) en ROS-inhoud (om de inactiveringsefficiëntie te verbeteren).Karakteriseer geoptimaliseerde fysisch-chemische eigenschappen (grootte, lading en ROS-gehalte) met behulp van moderne analytische methoden en gebruik gewone voedselmicro-organismen zoals E. .
EVNS werd gesynthetiseerd door gelijktijdige elektrospraying en ionisatie van zeer zuiver water (18 MΩ cm-1).De elektrische vernevelaar 12 wordt typisch gebruikt voor het verstuiven van vloeistoffen en de synthese van polymeer- en keramische deeltjes 13 en vezels 14 van gecontroleerde grootte.
Zoals beschreven in eerdere publicaties 8, 9, 10, 11, werd in een typisch experiment een hoog voltage aangelegd tussen een metalen capillair en een geaarde tegenelektrode.Tijdens dit proces doen zich twee verschillende verschijnselen voor: i) electrospray en ii) waterionisatie.Een sterk elektrisch veld tussen de twee elektroden veroorzaakt negatieve ladingen op het oppervlak van het gecondenseerde water, wat resulteert in de vorming van Taylor-kegels.Hierdoor ontstaan ​​sterk geladen waterdruppeltjes, die steeds weer uiteenvallen in kleinere deeltjes, zoals in de Rayleigh-theorie16.Tegelijkertijd zorgen sterke elektrische velden ervoor dat sommige watermoleculen splitsen en elektronen afstoten (ioniseren), wat leidt tot de vorming van een grote hoeveelheid reactieve zuurstofspecies (ROS)17.Gelijktijdig gegenereerde ROS18 werd ingekapseld in EWNS (figuur 1c).
Op afb.2a toont het EWNS-generatiesysteem dat in deze studie is ontwikkeld en gebruikt in de EWNS-synthese.Gezuiverd water opgeslagen in een gesloten fles werd door een teflonbuis (2 mm binnendiameter) in een 30G roestvrijstalen naald (metalen capillair) gevoerd.De waterstroom wordt geregeld door de luchtdruk in de fles, zoals weergegeven in figuur 2b.De naald is gemonteerd op een Teflon-console en kan handmatig op een bepaalde afstand van de tegenelektrode worden ingesteld.De tegenelektrode is een gepolijste aluminium schijf met een gat in het midden voor bemonstering.Onder de tegenelektrode bevindt zich een aluminium bemonsteringstrechter, die via een bemonsteringspoort is verbonden met de rest van de experimentele opstelling (fig. 2b).Om ladingsopbouw te voorkomen die de werking van de sampler zou kunnen verstoren, zijn alle onderdelen van de sampler elektrisch geaard.
(a) Engineered Water Nanostructure Generation System (EWNS).(b) Dwarsdoorsnede van de sampler en electrospray, met de belangrijkste parameters.(c) Experimentele opzet voor inactivering van bacteriën.
Het hierboven beschreven EWNS-generatiesysteem is in staat belangrijke bedrijfsparameters te wijzigen om fijnafstemming van de EWNS-eigenschappen te vergemakkelijken.Pas de aangelegde spanning (V), de afstand tussen de naald en de tegenelektrode (L) en de waterstroom (φ) door het capillair aan om de EWNS-kenmerken nauwkeurig af te stemmen.Symbool gebruikt om verschillende combinaties weer te geven: [V (kV), L (cm)].Pas de waterstroom aan om een ​​stabiele Taylor-kegel van een bepaalde set [V, L] te krijgen.Voor deze studie werd de apertuurdiameter van de tegenelektrode (D) op 0,5 inch (1,29 cm) gehouden.
Vanwege de beperkte geometrie en asymmetrie kan de elektrische veldsterkte niet uit de eerste principes worden berekend.In plaats daarvan werd de QuickField™-software (Svendborg, Denemarken)19 gebruikt om het elektrische veld te berekenen.Het elektrische veld is niet uniform, dus de waarde van het elektrische veld aan de punt van het capillair werd gebruikt als referentiewaarde voor verschillende configuraties.
Tijdens het onderzoek werden verschillende combinaties van spanning en afstand tussen de naald en de tegenelektrode geëvalueerd in termen van Taylor-kegelvorming, Taylor-kegelstabiliteit, EWNS-productiestabiliteit en reproduceerbaarheid.Verschillende combinaties worden getoond in aanvullende tabel S1.
De uitvoer van het EWNS-generatiesysteem was rechtstreeks verbonden met een Scanning Mobility Particle Size Analyzer (SMPS, Model 3936, TSI, Shoreview, MN) voor het meten van de deeltjesaantalconcentratie, evenals met een Aerosol Faraday Electrometer (TSI, Model 3068B, Shoreview, MN).) voor aërosolstromen werd gemeten zoals beschreven in onze vorige publicatie.Zowel de SMPS als de aerosol-elektrometer bemonsterden met een stroomsnelheid van 0,5 l/min (totale monsterstroom 1 l/min).Gedurende 120 seconden werden de aantal deeltjesconcentratie en de aërosolstroom gemeten.De meting wordt 30 keer herhaald.Op basis van huidige metingen wordt de totale aerosollading berekend en wordt de gemiddelde EWNS-lading geschat voor een gegeven totaal aantal geselecteerde EWNS-deeltjes.De gemiddelde kosten van EWNS kunnen worden berekend met vergelijking (1):
waarbij IEl de gemeten stroom is, NSMPS de digitale concentratie gemeten met de SMPS en φEl het debiet per elektrometer.
Omdat de relatieve vochtigheid (RH) de oppervlaktelading beïnvloedt, werden de temperatuur en (RH) tijdens het experiment constant gehouden op respectievelijk 21°C en 45%.
Atomic force microscopy (AFM), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Santa Barbara, CA) en AC260T-sonde (Olympus, Tokyo, Japan) werden gebruikt om de grootte en levensduur van de EWNS te meten.De AFM-scanfrequentie was 1 Hz, het scangebied was 5 μm × 5 μm en 256 scanlijnen.Alle afbeeldingen werden onderworpen aan beelduitlijning van de eerste orde met behulp van Asylum-software (maskerbereik 100 nm, drempel 100 pm).
De testtrechter werd verwijderd en het mica-oppervlak werd gedurende een gemiddelde tijd van 120 s op een afstand van 2,0 cm van de tegenelektrode geplaatst om agglomeratie van deeltjes en de vorming van onregelmatige druppeltjes op het mica-oppervlak te voorkomen.EWNS werd direct op het oppervlak van vers gesneden mica gesproeid (Ted Pella, Redding, CA).Afbeelding van het mica-oppervlak direct na AFM-sputteren.De contacthoek van het oppervlak van vers gesneden ongewijzigd mica is bijna 0 °, dus EVNS wordt verdeeld over het mica-oppervlak in de vorm van een koepel.De diameter (a) en hoogte (h) van de diffunderende druppeltjes werden rechtstreeks gemeten vanuit de AFM-topografie en gebruikt om het EWNS-koepelvormige diffusievolume te berekenen met behulp van onze eerder gevalideerde methode.Ervan uitgaande dat de EWNS aan boord hetzelfde volume hebben, kan de equivalente diameter worden berekend met behulp van vergelijking (2):
Op basis van onze eerder ontwikkelde methode werd een elektronenspinresonantie (ESR) spintrap gebruikt om de aanwezigheid van kortlevende radicale tussenproducten in EWNS te detecteren.Aerosolen werden door een 650 urn Midget sparger (Ace Glass, Vineland, NJ) geborreld die een 235 mM oplossing van DEPMPO(5-(diethoxyfosforyl)-5-methyl-1-pyrroline-N-oxide) (Oxis International Inc.) bevatte.Portland, Oregon).Alle ESR-metingen werden uitgevoerd met behulp van een Bruker EMX-spectrometer (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, VS) en een flatpanelcel.De Acquisit-software (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, VS) werd gebruikt om de gegevens te verzamelen en te analyseren.Bepaling van de kenmerken van de ROS werd alleen uitgevoerd voor een reeks bedrijfsomstandigheden [-6,5 kV, 4,0 cm].EWNS-concentraties werden gemeten met behulp van de SMPS na verrekening van EWNS-verliezen in de impactor.
Ozonniveaus werden gecontroleerd met behulp van een 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Boulder, Co)8,9,10.
Voor alle EWNS-eigenschappen wordt de gemiddelde waarde gebruikt als meetwaarde en de standaarddeviatie als meetfout.Er zijn T-testen uitgevoerd om de waarden van de geoptimaliseerde EWNS-attributen te vergelijken met de overeenkomstige waarden van de basis-EWNS.
Figuur 2c toont een eerder ontwikkeld en gekarakteriseerd elektrostatisch neerslag (EPES) "pull" -systeem dat kan worden gebruikt voor gerichte afgifte van EWNS aan de oppervlakte.EPES maakt gebruik van EVNS-ladingen die onder invloed van een sterk elektrisch veld rechtstreeks naar het oppervlak van het doel kunnen worden "geleid".Details van het EPES-systeem worden gepresenteerd in een recente publicatie van Pyrgiotakis et al.11 .EPES bestaat dus uit een 3D-geprinte PVC-kamer met taps toelopende uiteinden en bevat twee parallelle roestvrijstalen (304 roestvrij staal, spiegelgecoate) metalen platen in het midden op een afstand van 15,24 cm.De platen waren aangesloten op een externe hoogspanningsbron (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY), de bodemplaat was altijd verbonden met positieve spanning en de bovenplaat was altijd verbonden met aarde (zwevende grond).De kamerwanden zijn bedekt met aluminiumfolie, die elektrisch geaard is om deeltjesverlies te voorkomen.De kamer heeft een verzegelde laaddeur aan de voorkant waardoor testoppervlakken op plastic standaards kunnen worden geplaatst die ze boven de onderste metalen plaat brengen om interferentie door hoogspanning te voorkomen.
De afzettingsefficiëntie van EWNS in EPES werd berekend volgens een eerder ontwikkeld protocol dat wordt beschreven in aanvullende figuur S111.
Als controlekamer werd een tweede cilindrische stroomkamer in serie aangesloten op het EPES-systeem, waarin een HEPA-tussenfilter werd gebruikt om EWNS te verwijderen.Zoals weergegeven in figuur 2c, werd de EWNS-aerosol door twee ingebouwde kamers gepompt.Het filter tussen de controlekamer en EPES verwijdert alle resterende EWNS, wat resulteert in dezelfde temperatuur (T), relatieve vochtigheid (RH) en ozonniveaus.
Er is gevonden dat belangrijke door voedsel overgedragen micro-organismen vers voedsel besmetten, zoals E. coli (ATCC #27325), fecale indicator, Salmonella enterica (ATCC #53647), door voedsel overgedragen ziekteverwekker, Listeria onschadelijk (ATCC #33090), surrogaat voor pathogene Listeria monocytogenes, afgeleid van ATCC (Manassas, VA) Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098), een substituut voor bederfgist, en een meer resistente geïnactiveerde bacterie, Mycobacterium paralucky (ATCC #19686).
Koop willekeurige dozen biologische pruimtomaten van uw lokale markt en koel bij 4°C tot gebruik (maximaal 3 dagen).De experimentele tomaten waren allemaal even groot, ongeveer 1/2 inch in diameter.
De protocollen voor cultuur, inenting, blootstelling en kolonietelling worden gedetailleerd beschreven in onze vorige publicatie en gedetailleerd beschreven in de aanvullende gegevens.De effectiviteit van EWNS werd geëvalueerd door geïnoculeerde tomaten gedurende 45 minuten bloot te stellen aan 40.000 #/cm3.In het kort werden drie tomaten gebruikt om de overlevende micro-organismen op tijdstip t = 0 min te evalueren.Drie tomaten werden in EPES geplaatst en blootgesteld aan EWNS bij 40.000 #/cc (met EWNS blootgestelde tomaten) en de resterende drie werden in de controlekamer geplaatst (controletomaten).Extra verwerking van tomaten in beide groepen werd niet uitgevoerd.EWNS-blootgestelde tomaten en controletomaten werden na 45 minuten verwijderd om het effect van EWNS te evalueren.
Elk experiment werd in drievoud uitgevoerd.Gegevensanalyse werd uitgevoerd volgens het protocol beschreven in aanvullende gegevens.
Inactivatiemechanismen werden beoordeeld door sedimentatie van blootgestelde EWNS-monsters (45 min bij 40.000 #/cm3 EWNS-aerosolconcentratie) en niet-bestraalde monsters van onschadelijke bacteriën E. coli, Salmonella enterica en Lactobacillus.De deeltjes werden gefixeerd in 2,5% glutaaraldehyde, 1,25% paraformaldehyde en 0,03% picrinezuur in 0,1 M natriumcacodylaatbuffer (pH 7,4) gedurende 2 uur bij kamertemperatuur.Na het wassen post-fixeren met 1% osmiumtetroxide (OsO4)/1,5% kaliumferrocyanide (KFeCN6) gedurende 2 uur, 3 keer wassen in water en incuberen in 1% uranylacetaat gedurende 1 uur, daarna tweemaal wassen in water, daarna uitdrogen gedurende 10 minuten in 50%, 70%, 90%, 100% alcohol.De monsters werden vervolgens gedurende 1 uur in propyleenoxide geplaatst en geïmpregneerd met een 1:1 mengsel van propyleenoxide en TAAP Epon (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA).De monsters werden ingebed in TAAB Epon en gedurende 48 uur bij 60°C gepolymeriseerd.De uitgeharde granulaire hars werd gesneden en gevisualiseerd door TEM met behulp van een conventionele transmissie-elektronenmicroscoop JEOL 1200EX (JEOL, Tokyo, Japan) uitgerust met een AMT 2k CCD-camera (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, Massachusetts, VS).
Alle experimenten werden in drievoud uitgevoerd.Voor elk tijdspunt werden bacteriële wassingen in triplo gezaaid, resulterend in een totaal van negen gegevenspunten per punt, waarvan het gemiddelde werd gebruikt als de bacteriële concentratie voor dat specifieke micro-organisme.Als meetfout werd de standaarddeviatie gebruikt.Alle punten tellen.
De logaritme van de afname van de concentratie van bacteriën in vergelijking met t = 0 min werd berekend met behulp van de volgende formule:
waarbij C0 de concentratie van bacteriën in het controlemonster is op tijdstip 0 (dwz nadat het oppervlak is opgedroogd maar voordat het in de kamer wordt geplaatst) en Cn de concentratie van bacteriën op het oppervlak is na n minuten blootstelling.
Om rekening te houden met de natuurlijke afbraak van bacteriën tijdens de blootstelling van 45 minuten, werd de logreductie ten opzichte van de controle na 45 minuten ook als volgt berekend:
waarbij Cn de concentratie van bacteriën in het controlemonster op tijdstip n is en Cn-Control de concentratie van controlebacteriën op tijdstip n is.Gegevens worden gepresenteerd als een log-reductie in vergelijking met controle (geen EWNS-blootstelling).
Tijdens het onderzoek werden verschillende combinaties van spanning en afstand tussen de naald en de tegenelektrode geëvalueerd in termen van Taylor-kegelvorming, Taylor-kegelstabiliteit, EWNS-productiestabiliteit en reproduceerbaarheid.Verschillende combinaties worden getoond in aanvullende tabel S1.Twee gevallen die stabiele en reproduceerbare eigenschappen vertoonden (Taylor-kegel, EWNS-generatie en stabiliteit in de loop van de tijd) werden geselecteerd voor uitgebreid onderzoek.Op afb.Figuur 3 toont de resultaten voor de lading, grootte en inhoud van ROS in beide gevallen.De resultaten worden ook getoond in tabel 1. Ter referentie bevatten zowel figuur 3 als tabel 1 de eigenschappen van de eerder gesynthetiseerde niet-geoptimaliseerde EWNS8, 9, 10, 11 (baseline-EWNS).Statistische significantieberekeningen met behulp van een tweezijdige t-toets worden opnieuw gepubliceerd in aanvullende tabel S2.Bovendien omvatten aanvullende gegevens onderzoeken naar het effect van de diameter van het bemonsteringsgat van de tegenelektrode (D) en de afstand tussen de aardelektrode en de punt (L) (aanvullende figuren S2 en S3).
(ac) Grootteverdeling gemeten door AFM.(df) Karakteristiek van de oppervlaktelading.(g) ROS-karakterisering van het EPR.
Het is ook belangrijk op te merken dat voor alle bovenstaande omstandigheden de gemeten ionisatiestroom tussen 2 en 6 μA lag en de spanning tussen -3,8 en -6,5 kV, wat resulteerde in een stroomverbruik van minder dan 50 mW voor deze enkele EWNS-generatie contactmodule.Hoewel EWNS onder hoge druk werd gesynthetiseerd, waren de ozonniveaus erg laag, nooit hoger dan 60 ppb.
Aanvullend figuur S4 toont de gesimuleerde elektrische velden voor respectievelijk de scenario's [-6,5 kV, 4,0 cm] en [-3,8 kV, 0,5 cm].Voor de scenario's [-6,5 kV, 4,0 cm] en [-3,8 kV, 0,5 cm] zijn de veldberekeningen respectievelijk 2 × 105 V/m en 4,7 × 105 V/m.Dit wordt verwacht, aangezien in het tweede geval de spanning-afstandverhouding veel hoger is.
Op afb.3a,b toont de EWNS-diameter gemeten met de AFM8.De berekende gemiddelde EWNS-diameters waren respectievelijk 27 nm en 19 nm voor de schema's [-6,5 kV, 4,0 cm] en [-3,8 kV, 0,5 cm].Voor de scenario's [-6,5 kV, 4,0 cm] en [-3,8 kV, 0,5 cm] zijn de geometrische standaarddeviaties van de verdelingen respectievelijk 1,41 en 1,45, wat wijst op een smalle grootteverdeling.Zowel de gemiddelde grootte als de geometrische standaarddeviatie liggen zeer dicht bij de baseline EWNS, respectievelijk bij 25 nm en 1,41.Op afb.3c toont de grootteverdeling van de basis EWNS, gemeten met dezelfde methode onder dezelfde omstandigheden.
Op afb.3d,e toont de resultaten van ladingskarakterisering.Gegevens zijn gemiddelde metingen van 30 gelijktijdige metingen van concentratie (#/cm3) en stroom (I).Uit de analyse blijkt dat de gemiddelde lading op het EWNS 22 ± 6 e- en 44 ± 6 e- is voor respectievelijk [-6,5 kV, 4,0 cm] en [-3,8 kV, 0,5 cm].Ze hebben aanzienlijk hogere oppervlakteladingen in vergelijking met basislijn EWNS (10 ± 2 e-), twee keer groter dan het [-6,5 kV, 4,0 cm]-scenario en vier keer groter dan het [-3,8 kV, 0,5 cm].Figuur 3f toont de lading.gegevens voor Baseline-EWNS.
Uit de concentratiekaarten van het EWNS-nummer (aanvullende figuren S5 en S6) blijkt dat het [-6,5 kV, 4,0 cm]-scenario significant meer deeltjes bevat dan het [-3,8 kV, 0,5 cm]-scenario.Het is ook vermeldenswaard dat de EWNS-nummerconcentratie tot 4 uur werd gevolgd (aanvullende figuren S5 en S6), waarbij de EWNS-generatiestabiliteit in beide gevallen dezelfde niveaus van deeltjesaantalconcentratie vertoonde.
Op afb.3g toont het EPR-spectrum na aftrek van de geoptimaliseerde EWNS-regeling (achtergrond) bij [-6,5 kV, 4,0 cm].De ROS-spectra werden ook vergeleken met het Baseline-EWNS-scenario in een eerder gepubliceerd werk.Het aantal EWNS dat reageert met spin-traps werd berekend als 7,5 × 104 EWNS/s, wat vergelijkbaar is met de eerder gepubliceerde Baseline-EWNS8.De EPR-spectra toonden duidelijk de aanwezigheid van twee soorten ROS, waarbij O2- de overheersende soort is en OH• minder overvloedig.Bovendien toonde een directe vergelijking van de piekintensiteiten aan dat de geoptimaliseerde EWNS een significant hoger ROS-gehalte had in vergelijking met de baseline EWNS.
Op afb.4 toont de afzettingsefficiëntie van EWNS in EPES.De gegevens zijn ook samengevat in tabel I en vergeleken met de originele EWNS-gegevens.Voor beide gevallen van EUNS is de depositie bijna 100%, zelfs bij een lage spanning van 3,0 kV.Gewoonlijk is 3,0 kV voldoende voor 100% depositie, ongeacht de verandering van de oppervlaktelading.Onder dezelfde omstandigheden was de depositie-efficiëntie van Baseline-EWNS slechts 56% vanwege hun lagere lading (gemiddeld 10 elektronen per EWNS).
Op afb.5 en in tabel.2 vat de inactiveringswaarde samen van micro-organismen die op het oppervlak van tomaten zijn geïnoculeerd na blootstelling aan ongeveer 40.000 #/cm3 EWNS gedurende 45 minuten in de optimale modus [-6,5 kV, 4,0 cm].Geïnoculeerde E. coli en Lactobacillus innocuous vertoonden een significante vermindering van 3,8 logs tijdens de blootstelling van 45 minuten.Onder dezelfde omstandigheden had S. enterica een afname van 2,2 log, terwijl S. cerevisiae en M. parafortutum een ​​afname van 1,0 log hadden.
De elektronenmicrofoto's (Figuur 6) geven de fysieke veranderingen weer die worden veroorzaakt door EWNS op onschadelijke Escherichia coli-, Streptococcus- en Lactobacillus-cellen die leiden tot hun inactivatie.De controlebacteriën hadden intacte celmembranen, terwijl de blootgestelde bacteriën beschadigde buitenmembranen hadden.
Elektronenmicroscopische beeldvorming van controle- en blootgestelde bacteriën onthulde membraanbeschadiging.
De gegevens over de fysisch-chemische eigenschappen van de geoptimaliseerde EWNS laten gezamenlijk zien dat de eigenschappen (oppervlaktelading en ROS-inhoud) van de EWNS significant verbeterd waren in vergelijking met de eerder gepubliceerde EWNS-basisgegevens8,9,10,11.Aan de andere kant bleef hun grootte in het nanometerbereik, zeer vergelijkbaar met de eerder gerapporteerde resultaten, waardoor ze lange tijd in de lucht konden blijven.De waargenomen polydispersiteit kan worden verklaard door oppervlakteladingsveranderingen die de grootte van EWNS bepalen, de willekeur van het Rayleigh-effect en mogelijke samensmelting.Echter, zoals beschreven door Nielsen et al.22, vermindert een hoge oppervlaktelading de verdamping door de oppervlakte-energie/spanning van de waterdruppel effectief te verhogen.In onze vorige publicatie8 werd deze theorie experimenteel bevestigd voor microdruppels 22 en EWNS.Ladingsverlies tijdens overwerk kan ook van invloed zijn op de grootte en bijdragen aan de waargenomen grootteverdeling.