Takk for at du besøker Nature.com.Nettleserversjonen du bruker har begrenset CSS-støtte.For den beste opplevelsen anbefaler vi at du bruker en oppdatert nettleser (eller deaktiverer kompatibilitetsmodus i Internet Explorer).I mellomtiden, for å sikre fortsatt støtte, vil vi gjengi nettstedet uten stiler og JavaScript.
En karusell som viser tre lysbilder samtidig.Bruk Forrige og Neste-knappene for å gå gjennom tre lysbilder om gangen, eller bruk skyveknappene på slutten for å gå gjennom tre lysbilder om gangen.
Nylig er det utviklet en kjemikaliefri antimikrobiell plattform basert på nanoteknologi ved bruk av kunstige vannnanostrukturer (EWNS).EWNS har en høy overflateladning og er mettet med reaktive oksygenarter (ROS) som kan interagere med og inaktivere en rekke mikroorganismer, inkludert matbårne patogener.Her vises det at egenskapene deres under syntese kan finjusteres og optimaliseres for ytterligere å forbedre deres antibakterielle potensial.EWNS-laboratorieplattformen ble designet for å finjustere egenskapene til EWNS ved å endre synteseparametrene.Karakterisering av EWNS-egenskaper (ladning, størrelse og innhold av ROS) ved bruk av moderne analytiske metoder.I tillegg ble de evaluert for deres mikrobielle inaktiveringspotensiale mot matbårne mikroorganismer som Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocuous, Mycobacterium paraaccidentum og Saccharomyces cerevisiae.Resultatene presentert her viser at egenskapene til EWNS kan finjusteres under syntese, noe som resulterer i en eksponentiell økning i inaktiveringseffektivitet.Spesielt økte overflateladningen med en faktor på fire og de reaktive oksygenartene økte.Den mikrobielle fjerningshastigheten var mikrobiell avhengig og varierte fra 1,0 til 3,8 log etter 45 minutters eksponering for en aerosoldose på 40 000 #/cc EWNS.
Mikrobiell forurensning er hovedårsaken til matbåren sykdom forårsaket av inntak av patogener eller deres giftstoffer.Bare i USA forårsaker matbåren sykdom omtrent 76 millioner sykdommer, 325 000 sykehusinnleggelser og 5000 dødsfall hvert år1.I tillegg anslår US Department of Agriculture (USDA) at økt forbruk av ferske råvarer er ansvarlig for 48 % av alle rapporterte matbårne sykdommer i USA2.Kostnadene for sykdom og død forårsaket av matbårne patogener i USA er svært høye, anslått av Centers for Disease Control and Prevention (CDC) til mer enn USD 15,6 milliarder per år3.
For tiden utføres kjemiske4, stråling5 og termiske6 antimikrobielle intervensjoner for å sikre matsikkerhet for det meste ved begrensede kritiske kontrollpunkter (CCPs) langs produksjonskjeden (vanligvis etter høsting og/eller under pakking) i stedet for kontinuerlig.dermed er de utsatt for krysskontaminering.7. Bedre kontroll av matbårne sykdommer og matødeleggelse krever antimikrobielle intervensjoner som potensielt kan brukes på tvers av jord-til-bord kontinuum samtidig som miljøpåvirkning og kostnader reduseres.
Nylig er det utviklet en kjemikaliefri, nanoteknologibasert antimikrobiell plattform som kan inaktivere overflate- og luftbårne bakterier ved hjelp av kunstige vannnanostrukturer (EWNS).EWNS ble syntetisert ved hjelp av to parallelle prosesser, elektrospray og vannionisering (fig. 1a).Tidligere studier har vist at EWNS har et unikt sett med fysiske og biologiske egenskaper8,9,10.EWNS har et gjennomsnitt på 10 elektroner per struktur og en gjennomsnittlig nanoskalastørrelse på 25 nm (Fig. 1b,c)8,9,10.I tillegg viste elektronspinnresonans (ESR) at EWNS inneholder en stor mengde reaktive oksygenarter (ROS), hovedsakelig hydroksyl (OH•) og superoksid (O2-) radikaler (Fig. 1c)8.EVNS er i luften i lang tid og kan kollidere med mikroorganismer suspendert i luften og tilstede på overflaten, levere deres ROS nyttelast og forårsake inaktivering av mikroorganismer (fig. 1d).Disse tidlige studiene viste også at EWNS kan samhandle med og inaktivere ulike gram-negative og gram-positive bakterier, inkludert mykobakterier, på overflater og i luften.Transmisjonselektronmikroskopi viste at inaktiveringen var forårsaket av forstyrrelse av cellemembranen.I tillegg har akutte inhalasjonsstudier vist at høye doser av EWNS ikke forårsaker lungeskade eller betennelse 8 .
(a) Elektrospray oppstår når en høy spenning påføres mellom et kapillarrør som inneholder væske og en motelektrode.(b) Påføring av høyt trykk resulterer i to forskjellige fenomener: (i) elektrospraying av vann og (ii) dannelse av reaktive oksygenarter (ioner) fanget i EWNS.(c) Den unike strukturen til EWNS.(d) På grunn av deres nanoskala natur, er EWNS svært mobile og kan samhandle med luftbårne patogener.
Evnen til den antimikrobielle EWNS-plattformen til å inaktivere matbårne mikroorganismer på overflaten av fersk mat har også nylig blitt demonstrert.Det er også vist at overflateladningen til EWNS i kombinasjon med et elektrisk felt kan brukes for å oppnå målrettet levering.Dessuten var foreløpige resultater for økologiske tomater etter 90 minutters eksponering ved en EWNS på ca. 50 000 #/cm3 oppmuntrende, med ulike matbårne mikroorganismer som E. coli og Listeria 11 observert.I tillegg viste foreløpige organoleptiske tester ingen sensoriske effekter sammenlignet med kontrolltomater.Selv om disse innledende inaktiveringsresultatene er oppmuntrende for matsikkerhetsapplikasjoner selv ved svært lave EWNS-doser på 50 000#/cc.se, det er klart at et høyere inaktiveringspotensial ville være mer fordelaktig for ytterligere å redusere risikoen for infeksjon og ødeleggelse.
Her vil vi fokusere vår forskning på utviklingen av en EWNS-generasjonsplattform for å muliggjøre finjustering av synteseparametere og optimalisering av de fysisk-kjemiske egenskapene til EWNS for å forbedre deres antibakterielle potensial.Spesielt har optimalisering fokusert på å øke overflateladingen deres (for å forbedre målrettet levering) og ROS-innholdet (for å forbedre inaktiveringseffektiviteten).Karakteriser optimaliserte fysisk-kjemiske egenskaper (størrelse, ladning og ROS-innhold) ved hjelp av moderne analysemetoder og bruk vanlige matmikroorganismer som E. .
EVNS ble syntetisert ved samtidig elektrospraying og ionisering av høyrent vann (18 MΩ cm–1).Den elektriske forstøveren 12 brukes typisk for atomisering av væsker og syntese av polymer- og keramiske partikler 13 og fibre 14 med kontrollert størrelse.
Som beskrevet i tidligere publikasjoner 8, 9, 10, 11, i et typisk eksperiment, ble en høy spenning påført mellom en metallkapillær og en jordet motelektrode.Under denne prosessen oppstår to forskjellige fenomener: i) elektrospray og ii) vannionisering.Et sterkt elektrisk felt mellom de to elektrodene får negative ladninger til å bygge seg opp på overflaten av det kondenserte vannet, noe som resulterer i dannelsen av Taylor-kjegler.Som et resultat dannes det høyt ladede vanndråper, som fortsetter å brytes opp i mindre partikler, som i Rayleigh-teorien16.Samtidig fører sterke elektriske felt til at noen vannmolekyler splitter og fjerner elektroner (ioniserer), noe som fører til dannelse av en stor mengde reaktive oksygenarter (ROS)17.Samtidig generert ROS18 ble innkapslet i EWNS (fig. 1c).
På fig.2a viser EWNS-generasjonssystemet utviklet og brukt i EWNS-syntesen i denne studien.Renset vann lagret i en lukket flaske ble matet gjennom et teflonrør (2 mm indre diameter) inn i en 30G rustfri stålnål (metallkapillær).Vannstrømmen styres av lufttrykket inne i flasken, som vist i figur 2b.Nålen er montert på en teflonkonsoll og kan justeres manuelt til en viss avstand fra motelektroden.Motelektroden er en polert aluminiumsskive med et hull i midten for prøvetaking.Under motelektroden er en prøvetakingstrakt av aluminium, som er koblet til resten av forsøksoppsettet via en prøvetakingsport (fig. 2b).For å unngå ladningsoppbygging som kan forstyrre prøvetakerens drift, er alle prøvetakerkomponenter elektrisk jordet.
(a) Engineered Water Nanostructure Generation System (EWNS).(b) Tverrsnitt av prøvetakeren og elektrosprayen, som viser de viktigste parameterne.(c) Eksperimentelt oppsett for bakterieinaktivering.
EWNS-genereringssystemet beskrevet ovenfor er i stand til å endre nøkkeloperasjonsparametere for å lette finjustering av EWNS-egenskapene.Juster den påførte spenningen (V), avstanden mellom nålen og motelektroden (L), og vannstrømmen (φ) gjennom kapillæren for å finjustere EWNS-karakteristikkene.Symbol som brukes til å representere forskjellige kombinasjoner: [V (kV), L (cm)].Juster vannstrømmen for å få en stabil Taylor-kjegle av et visst sett [V, L].For formålet med denne studien ble åpningsdiameteren til motelektroden (D) holdt på 0,5 tommer (1,29 cm).
På grunn av den begrensede geometrien og asymmetrien kan den elektriske feltstyrken ikke beregnes ut fra første prinsipper.I stedet ble QuickField™-programvaren (Svendborg, Danmark)19 brukt til å beregne det elektriske feltet.Det elektriske feltet er ikke ensartet, så verdien av det elektriske feltet på spissen av kapillæren ble brukt som referanseverdi for ulike konfigurasjoner.
I løpet av studien ble flere kombinasjoner av spenning og avstand mellom nålen og motelektroden evaluert med tanke på Taylor-kjegledannelse, Taylor-kjeglestabilitet, EWNS-produksjonsstabilitet og reproduserbarhet.Ulike kombinasjoner er vist i tilleggstabell S1.
Utgangen fra EWNS-generasjonssystemet ble koblet direkte til en Scanning Mobility Particle Size Analyzer (SMPS, Model 3936, TSI, Shoreview, MN) for måling av partikkeltallkonsentrasjon, samt til et Aerosol Faraday Electrometer (TSI, Model 3068B, Shoreview, MN).) for aerosolstrømmer ble målt som beskrevet i vår forrige publikasjon.Både SMPS-en og aerosolelektrometeret ble samplet med en strømningshastighet på 0,5 l/min (total prøvestrøm 1 l/min).Antall konsentrasjoner av partikler og aerosolstrømmen ble målt i 120 sekunder.Målingen gjentas 30 ganger.Basert på aktuelle målinger beregnes den totale aerosolladningen og den gjennomsnittlige EWNS-ladningen estimeres for et gitt totalt antall utvalgte EWNS-partikler.Den gjennomsnittlige kostnaden for EWNS kan beregnes ved å bruke ligning (1):
der IEl er den målte strømmen, NSMPS er den digitale konsentrasjonen målt med SMPS, og φEl er strømningshastigheten per elektrometer.
Fordi relativ fuktighet (RH) påvirker overflateladningen, ble temperaturen og (RH) holdt konstant under eksperimentet ved henholdsvis 21 °C og 45 %.
Atomkraftmikroskopi (AFM), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Santa Barbara, CA) og AC260T-sonde (Olympus, Tokyo, Japan) ble brukt til å måle størrelsen og levetiden til EWNS.AFM-skannefrekvensen var 1 Hz, skanningsområdet var 5 μm × 5 μm, og 256 skannelinjer.Alle bilder ble utsatt for 1. ordens bildejustering ved bruk av Asylum-programvare (maskeområde 100 nm, terskel 100 pm).
Testtrakten ble fjernet og glimmeroverflaten ble plassert i en avstand på 2,0 cm fra motelektroden i en gjennomsnittstid på 120 s for å unngå partikkelagglomerering og dannelse av uregelmessige dråper på glimmeroverflaten.EWNS ble sprayet direkte på overflaten av nykuttet glimmer (Ted Pella, Redding, CA).Bilde av glimmeroverflaten umiddelbart etter AFM-sputtering.Kontaktvinkelen på overflaten til nykuttet umodifisert glimmer er nær 0°, så EVNS er fordelt på glimmeroverflaten i form av en kuppel.Diameteren (a) og høyden (h) til de diffuserende dråpene ble målt direkte fra AFM-topografien og brukt til å beregne EWNS-kuppeldiffusjonsvolumet ved å bruke vår tidligere validerte metode.Forutsatt at de innebygde EWNS har samme volum, kan den ekvivalente diameteren beregnes ved å bruke ligning (2):
Basert på vår tidligere utviklede metode ble en spinnfelle for elektronspinnresonans (ESR) brukt for å oppdage tilstedeværelsen av kortvarige radikale mellomprodukter i EWNS.Aerosoler ble boblet gjennom en 650 μm Midget-spreder (Ace Glass, Vineland, NJ) som inneholdt en 235 mM løsning av DEPMPO(5-(dietokyfosforyl)-5-metyl-1-pyrrolin-N-oksid) (Oxis International Inc.).Portland, Oregon).Alle ESR-målinger ble utført ved bruk av et Bruker EMX-spektrometer (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) og en flatpanelcelle.Acquisit-programvaren (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) ble brukt til å samle inn og analysere dataene.Bestemmelse av egenskapene til ROS ble kun utført for et sett med driftsforhold [-6,5 kV, 4,0 cm].EWNS-konsentrasjoner ble målt ved bruk av SMPS etter å ha tatt hensyn til EWNS-tap i impactoren.
Ozonnivåer ble overvåket med en 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Boulder, Co)8,9,10.
For alle EWNS-egenskaper brukes middelverdien som måleverdi, og standardavviket brukes som målefeil.T-tester ble utført for å sammenligne verdiene til de optimaliserte EWNS-attributtene med de tilsvarende verdiene til basis-EWNS.
Figur 2c viser et tidligere utviklet og karakterisert elektrostatisk nedbør (EPES) "pull"-system som kan brukes for målrettet levering av EWNS på overflaten.EPES bruker EVNS-ladninger som kan "ledes" direkte til overflaten av målet under påvirkning av et sterkt elektrisk felt.Detaljer om EPES-systemet er presentert i en fersk publikasjon av Pyrgiotakis et al.11 .Dermed består EPES av et 3D-printet PVC-kammer med avsmalnende ender og inneholder to parallelle rustfritt stål (304 rustfritt stål, speilbelagt) metallplater i midten 15,24 cm fra hverandre.Platene ble koblet til en ekstern høyspenningskilde (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY), bunnplaten var alltid koblet til positiv spenning, og toppplaten var alltid koblet til jord (flytende jord).Kammerveggene er dekket med aluminiumsfolie, som er elektrisk jordet for å hindre partikkeltap.Kammeret har en forseglet frontlastdør som gjør at testflater kan plasseres på plaststativ som hever dem over bunnmetallplaten for å unngå høyspenningsinterferens.
Avsetningseffektiviteten til EWNS i EPES ble beregnet i henhold til en tidligere utviklet protokoll beskrevet i tilleggsfigur S111.
Som et kontrollkammer ble et andre sylindrisk strømningskammer koblet i serie til EPES-systemet, der et mellomliggende HEPA-filter ble brukt for å fjerne EWNS.Som vist i figur 2c ble EWNS-aerosolen pumpet gjennom to innebygde kamre.Filteret mellom kontrollrommet og EPES fjerner gjenværende EWNS som resulterer i samme temperatur (T), relativ fuktighet (RH) og ozonnivåer.
Viktige matbårne mikroorganismer har vist seg å forurense ferske matvarer som E. coli (ATCC #27325), fekal indikator, Salmonella enterica (ATCC #53647), matbåren patogen, Listeria ufarlig (ATCC #33090), surrogat for patogen Listeria monocytogenes, #CCC AT, CCCerevisasia (VA) 4098), en erstatning for ødeleggende gjær, og en mer resistent inaktivert bakterie, Mycobacterium paralucky (ATCC #19686).
Kjøp tilfeldige bokser med økologiske druetomater fra ditt lokale marked og avkjøl ved 4°C til bruk (opptil 3 dager).De eksperimentelle tomatene var alle like store, omtrent 1/2 tomme i diameter.
Protokollene for kultur, inokulering, eksponering og kolonitelling er detaljert i vår forrige publikasjon og detaljert i tilleggsdataene.Effektiviteten til EWNS ble evaluert ved å eksponere inokulerte tomater for 40 000 #/cm3 i 45 minutter.Kort fortalt ble tre tomater brukt for å evaluere de overlevende mikroorganismene til tiden t = 0 min.Tre tomater ble plassert i EPES og eksponert for EWNS ved 40 000 #/cc (EWNS-eksponerte tomater) og de resterende tre ble plassert i kontrollkammeret (kontrolltomater).Ytterligere behandling av tomater i begge grupper ble ikke utført.EWNS-eksponerte tomater og kontrolltomater ble fjernet etter 45 minutter for å evaluere effekten av EWNS.
Hvert eksperiment ble utført i tre eksemplarer.Dataanalyse ble utført i henhold til protokollen beskrevet i Supplerende data.
Inaktiveringsmekanismer ble vurdert ved sedimentering av eksponerte EWNS-prøver (45 minutter ved 40 000 #/cm3 EWNS-aerosolkonsentrasjon) og ikke-bestrålte prøver av ufarlige bakterier E. coli, Salmonella enterica og Lactobacillus.Partiklene ble fiksert i 2,5 % glutaraldehyd, 1,25 % paraformaldehyd og 0,03 % pikrinsyre i 0,1 M natriumkakodylatbuffer (pH 7,4) i 2 timer ved romtemperatur.Etter vask, postfiks med 1 % osmiumtetroksid (OsO4)/1,5 % kaliumferrocyanid (KFeCN6) i 2 timer, vask 3 ganger i vann og inkuber i 1 % uranylacetat i 1 time, vask deretter to ganger i vann, dehydrer deretter i 10 %, 900 % alkohol i 10 %, 90,0 %, 70 % alkohol i 10 %, 90,0 minutter.Prøvene ble deretter plassert i propylenoksid i 1 time og impregnert med en 1:1 blanding av propylenoksid og TAAP Epon (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA).Prøvene ble innebygd i TAAB Epon og polymerisert ved 60°C i 48 timer.Den herdede granulære harpiksen ble kuttet og visualisert av TEM ved bruk av et konvensjonelt transmisjonselektronmikroskop JEOL 1200EX (JEOL, Tokyo, Japan) utstyrt med et AMT 2k CCD-kamera (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, Massachusetts, USA).
Alle forsøk ble utført i tre eksemplarer.For hvert tidspunkt ble bakterievaskinger sådd i tre eksemplarer, noe som resulterte i totalt ni datapunkter per punkt, hvor gjennomsnittet ble brukt som bakteriekonsentrasjon for den aktuelle mikroorganismen.Standardavviket ble brukt som målefeil.Alle poeng teller.
Logaritmen for reduksjonen i konsentrasjonen av bakterier sammenlignet med t = 0 min ble beregnet ved å bruke følgende formel:
hvor C0 er konsentrasjonen av bakterier i kontrollprøven ved tidspunkt 0 (dvs. etter at overflaten har tørket, men før den plasseres i kammeret) og Cn er konsentrasjonen av bakterier på overflaten etter n minutters eksponering.
For å ta hensyn til den naturlige nedbrytningen av bakterier under eksponeringen på 45 minutter, ble logreduksjonen sammenlignet med kontrollen etter 45 minutter også beregnet som følger:
der Cn er konsentrasjonen av bakterier i kontrollprøven på tidspunkt n og Cn-kontroll er konsentrasjonen av kontrollbakterier på tidspunkt n.Data presenteres som en logreduksjon sammenlignet med kontroll (ingen EWNS-eksponering).
I løpet av studien ble flere kombinasjoner av spenning og avstand mellom nålen og motelektroden evaluert med tanke på Taylor-kjegledannelse, Taylor-kjeglestabilitet, EWNS-produksjonsstabilitet og reproduserbarhet.Ulike kombinasjoner er vist i tilleggstabell S1.To tilfeller som viser stabile og reproduserbare egenskaper (Taylor-kjegle, EWNS-generering og stabilitet over tid) ble valgt ut for omfattende studie.På fig.Figur 3 viser resultatene for ladning, størrelse og innhold av ROS i begge tilfeller.Resultatene er også vist i tabell 1. For referanse inkluderer både figur 3 og tabell 1 egenskapene til den tidligere syntetiserte ikke-optimaliserte EWNS8, 9, 10, 11 (baseline-EWNS).Statistiske signifikansberegninger ved bruk av en tosidet t-test er publisert på nytt i tilleggstabell S2.I tillegg inkluderer tilleggsdata studier av effekten av motelektrodesamplingshulldiameter (D) og avstand mellom jordelektrode og spiss (L) (tilleggsfigurer S2 og S3).
(ac) Størrelsesfordeling målt ved AFM.(df) Overflateladningskarakteristikk.(g) ROS-karakterisering av EPJ.
Det er også viktig å merke seg at for alle de ovennevnte forholdene var den målte ioniseringsstrømmen mellom 2 og 6 μA og spenning mellom -3,8 og -6,5 kV, noe som resulterte i et strømforbruk på mindre enn 50 mW for denne enkle EWNS-generasjonskontaktmodulen.Selv om EWNS ble syntetisert under høyt trykk, var ozonnivåene svært lave, og oversteg aldri 60 ppb.
Supplerende figur S4 viser de simulerte elektriske feltene for henholdsvis [-6,5 kV, 4,0 cm] og [-3,8 kV, 0,5 cm] scenariene.For scenariene [-6,5 kV, 4,0 cm] og [-3,8 kV, 0,5 cm] er feltberegningene henholdsvis 2 × 105 V/m og 4,7 × 105 V/m.Dette er forventet, siden i det andre tilfellet er spennings-avstandsforholdet mye høyere.
På fig.3a,b viser EWNS-diameteren målt med AFM8.De beregnede gjennomsnittlige EWNS-diametrene var 27 nm og 19 nm for henholdsvis [-6,5 kV, 4,0 cm] og [-3,8 kV, 0,5 cm] skjemaene.For scenariene [-6,5 kV, 4,0 cm] og [-3,8 kV, 0,5 cm] er de geometriske standardavvikene til fordelingene henholdsvis 1,41 og 1,45, noe som indikerer en smal størrelsesfordeling.Både gjennomsnittsstørrelsen og det geometriske standardavviket er svært nær grunnlinjen EWNS, ved henholdsvis 25 nm og 1,41.På fig.3c viser størrelsesfordelingen til basis-EWNS målt ved bruk av samme metode under samme forhold.
På fig.3d,e viser resultatene av ladningskarakterisering.Data er gjennomsnittsmålinger av 30 samtidige målinger av konsentrasjon (#/cm3) og strøm (I).Analysen viser at gjennomsnittlig ladning på EWNS er 22 ± 6 e- og 44 ± 6 e- for henholdsvis [-6,5 kV, 4,0 cm] og [-3,8 kV, 0,5 cm].De har betydelig høyere overflateladninger sammenlignet med baseline EWNS (10 ± 2 e-), to ganger større enn scenariet [-6,5 kV, 4,0 cm] og fire ganger større enn [-3 ,8 kV, 0,5 cm].Figur 3f viser ladningen.data for Baseline-EWNS.
Fra konsentrasjonskartene til EWNS-tallet (Supplerende figurer S5 og S6) kan man se at [-6,5 kV, 4,0 cm]-scenarioet har betydelig flere partikler enn [-3,8 kV, 0,5 cm]-scenarioet.Det er også verdt å merke seg at EWNS-tallkonsentrasjonen ble overvåket i opptil 4 timer (tilleggsfigurer S5 og S6), der EWNS-generasjonsstabiliteten viste de samme nivåene av partikkeltallkonsentrasjon i begge tilfeller.
På fig.3g viser EPR-spekteret etter subtraksjon av den optimaliserte EWNS-kontrollen (bakgrunn) ved [-6,5 kV, 4,0 cm].ROS-spektrene ble også sammenlignet med Baseline-EWNS-scenarioet i et tidligere publisert arbeid.Antall EWNS som reagerer med spinnfeller ble beregnet til å være 7,5 × 104 EWNS/s, som er lik den tidligere publiserte Baseline-EWNS8.EPR-spektrene viste tydelig tilstedeværelsen av to typer ROS, hvor O2- var den dominerende arten og OH• som var mindre rikelig.I tillegg viste en direkte sammenligning av toppintensitetene at den optimaliserte EWNS hadde et betydelig høyere ROS-innhold sammenlignet med baseline EWNS.
På fig.4 viser avsetningseffektiviteten til EWNS i EPES.Dataene er også oppsummert i tabell I og sammenlignet med de opprinnelige EWNS-dataene.For begge tilfeller av EUNS er avsetningen nær 100 % selv ved en lavspenning på 3,0 kV.Vanligvis er 3,0 kV tilstrekkelig for 100 % avsetning, uavhengig av overflateladningsendring.Under de samme forholdene var avsetningseffektiviteten til Baseline-EWNS bare 56 % på grunn av deres lavere ladning (gjennomsnittlig 10 elektroner per EWNS).
På fig.5 og i tabellen.2 oppsummerer inaktiveringsverdien til mikroorganismer inokulert på overflaten av tomater etter eksponering for ca. 40 000 #/cm3 EWNS i 45 minutter ved optimal modus [-6,5 kV, 4,0 cm].Inokulerte E. coli og Lactobacillus innocuous viste en signifikant reduksjon på 3,8 logger i løpet av 45 minutters eksponering.Under de samme forholdene hadde S. enterica en 2,2-log-reduksjon, mens S. cerevisiae og M. parafortutum hadde en 1,0-log-reduksjon.
Elektronmikrofotografiene (figur 6) viser de fysiske endringene indusert av EWNS på ufarlige Escherichia coli-, Streptococcus- og Lactobacillus-celler som fører til inaktivering av dem.Kontrollbakteriene hadde intakte cellemembraner, mens de eksponerte bakteriene hadde skadet ytre membraner.
Elektronmikroskopisk avbildning av kontroll og eksponerte bakterier avslørte membranskade.
Dataene om de fysisk-kjemiske egenskapene til den optimaliserte EWNS viser samlet at egenskapene (overflateladning og ROS-innhold) til EWNS ble betydelig forbedret sammenlignet med tidligere publiserte EWNS-grunnlinjedata8,9,10,11.På den annen side forble størrelsen deres i nanometerområdet, veldig lik resultatene tidligere rapportert, slik at de kan forbli i luften i lange perioder.Den observerte polydispersiteten kan forklares med overflateladningsendringer som bestemmer størrelsen på EWNS, tilfeldigheten til Rayleigh-effekten og potensiell koalescens.Imidlertid, som detaljert beskrevet av Nielsen et al.22, reduserer høy overflateladning fordampning ved å effektivt øke overflateenergien/spenningen til vanndråpen.I vår forrige publikasjon8 ble denne teorien eksperimentelt bekreftet for mikrodråper 22 og EWNS.Tap av ladning på overtid kan også påvirke størrelsen og bidra til den observerte størrelsesfordelingen.