Takk for at du besøker Nature.com. Du bruker en nettleserversjon med begrenset CSS-støtte. For best mulig opplevelse anbefaler vi at du bruker en oppdatert nettleser (eller deaktiverer kompatibilitetsmodus i Internet Explorer). I tillegg, for å sikre kontinuerlig støtte, viser vi nettstedet uten stiler og JavaScript.
Nylig er det utviklet en kjemikaliefri antimikrobiell plattform basert på nanoteknologi som bruker kunstige vann-nanostrukturer (EWNS). EWNS har en høy overflateladning og er rike på reaktive oksygenarter (ROS) som kan samhandle 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. Karakteriseringen av EWNS-egenskaper (ladning, størrelse og ROS-innhold) ble utført ved hjelp av moderne analytiske metoder. I tillegg ble matmikroorganismer som Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocua, Mycobacterium para fortitum og Saccharomyces cerevisiae inokulert på overflaten av økologiske druetomater for å evaluere deres mikrobielle inaktiveringspotensial. Resultatene som presenteres 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 ROS-innholdet økte. Fjerningshastigheten for mikrober var mikrobielt avhengig og varierte fra 1,0 til 3,8 log etter 45 minutters eksponering for en aerosoldose på 40 000 #/cm3 EWNS.
Mikrobiell forurensning er hovedårsaken til matbårne sykdommer forårsaket av inntak av patogener eller deres giftstoffer. Matbårne sykdommer står for omtrent 76 millioner sykdommer, 325 000 sykehusinnleggelser og 5000 dødsfall hvert år bare i USA1. I tillegg anslår det amerikanske landbruksdepartementet (USDA) at økt forbruk av ferske råvarer er ansvarlig for 48 prosent av alle rapporterte matbårne sykdommer i USA2. Kostnaden for sykdom og død fra matbårne patogener i USA er svært høy, anslått av Centers for Disease Control and Prevention (CDC) til mer enn 15,6 milliarder amerikanske dollar per år3.
For tiden implementeres kjemiske4, stråling5 og termiske6 antimikrobielle tiltak for å sikre mattrygghet hovedsakelig ved begrensede kritiske kontrollpunkter (KKP-er) i produksjonskjeden (vanligvis etter innhøsting og/eller under pakking), i stedet for kontinuerlig implementert på en slik måte at ferske råvarer er utsatt for krysskontaminering7. Antimikrobielle tiltak er nødvendige for å bedre kontrollere matbåren sykdom og matforringelse, og har potensial til å bli brukt på tvers av hele gård-til-bord-kontinuumet. Mindre innvirkning og kostnader.
En nanoteknologibasert, kjemikaliefri antimikrobiell plattform er nylig utviklet for å inaktivere bakterier på overflater og i luften ved hjelp av kunstige vann-nanostrukturer (EWNS). For syntesen av EVNS ble to parallelle prosesser brukt: elektrospray og vannionisering (fig. 1a). EWNS har tidligere vist seg å ha et unikt sett med fysiske og biologiske egenskaper8,9,10. EWNS har et gjennomsnitt på 10 elektroner per struktur og en gjennomsnittlig nanometerstørrelse på 25 nm (fig. 1b,c)8,9,10. I tillegg viste elektronspinnresonans (ESR) at EWNS inneholder en stor mengde reaktive oksygenarter (ROS), hovedsakelig hydroksylradikaler (OH•) og superoksidradikaler (O2-) (fig. 1c)8. EWNS forble i luften i lang tid og kunne kollidere med mikrober som var suspendert i luften og tilstede på overflater, og dermed levere ROS-nyttelasten sin og forårsake mikrobiell inaktivering (fig. 1d). Disse tidligere studiene viste også at EWNS kan samhandle med og inaktivere ulike gramnegative og grampositive bakterier av folkehelsemessig betydning, inkludert mykobakterier, på overflater og i luften8,9. Transmisjonselektronmikroskopi viste at inaktiveringen var forårsaket av forstyrrelse av cellemembranen. I tillegg har studier av akutt inhalasjon vist at høye doser av EWNS ikke forårsaker lungeskade eller betennelse8.
(a) Elektrospray oppstår når en høy spenning påføres mellom en kapillær som inneholder væske og en motelektrode. (b) Påføring av høy spenning resulterer i to forskjellige fenomener: (i) elektrospraying av vann og (ii) generering av reaktive oksygenarter (ioner) fanget i EWNS. (c) Den unike strukturen til EWNS. (d) EWNS er svært mobile på grunn av sin nanoskala-natur og kan samhandle med luftbårne patogener.
Evnen til EWNS antimikrobielle plattform til å inaktivere matbårne mikroorganismer på overflaten av fersk mat har også nylig blitt demonstrert. Det har også blitt vist at EWNS-overflateladningen kan brukes i kombinasjon med et elektrisk felt for målrettet levering. Enda viktigere er det at et lovende initialt resultat på omtrent 1,4 log-reduksjon i organisk tomataktivitet mot ulike matmikroorganismer som E. coli og Listeria ble observert innen 90 minutter etter eksponering for EWNS ved en konsentrasjon på omtrent 50 000 #/cm311. I tillegg viste foreløpige organoleptiske evalueringstester ingen organoleptisk effekt sammenlignet med kontrolltomaten. Selv om disse initiale inaktiveringsresultatene lover mattrygghet selv ved svært lave EWNS-doser på 50 000 #/cc. se, er det tydelig at et høyere inaktiveringspotensial ville være mer fordelaktig for å ytterligere redusere risikoen for infeksjon og forringelse.
Her vil vi fokusere forskningen vår på utviklingen av en genereringsplattform for EWNS for å finjustere synteseparametrene og optimalisere de fysisk-kjemiske egenskapene til EWNS for å forbedre deres antibakterielle potensial. Spesielt har optimaliseringen fokusert på å øke overflateladningen (for å forbedre målrettet levering) og ROS-innholdet (for å forbedre inaktiveringseffektiviteten). Karakterisering av optimaliserte fysisk-kjemiske egenskaper (størrelse, ladning og ROS-innhold) ved hjelp av moderne analytiske metoder og bruk av vanlige matmikroorganismer som E. coli, S. enterica, L. innocua, S. cerevisiae og M. parafortuitum.
EVNS ble syntetisert ved samtidig elektrospraying og ionisering av vann med høy renhet (18 MΩ cm–1). Den elektriske forstøveren 12 brukes vanligvis til å forstøve væsker og syntetiske polymer- og keramiske partikler 13 og fibre 14 med kontrollert størrelse.
Som beskrevet i tidligere publikasjoner 8, 9, 10, 11, påføres det i et typisk eksperiment en høy spenning mellom en metallkapillær og en jordet motelektrode. Under denne prosessen oppstår to forskjellige fenomener: 1) elektrospray og 2) ionisering av vann. Et sterkt elektrisk felt mellom de to elektrodene forårsaker at negative ladninger bygger 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, i henhold til Rayleigh-teorien16. Samtidig forårsaker et sterkt elektrisk felt at noen av vannmolekylene splittes og stripper av elektroner (ionisering), og dermed genererer en stor mengde reaktive oksygenarter (ROS)17. Samtidig genererte ROS18-pakker ble innkapslet i EWNS (fig. 1c).
Figur 2a viser EWNS-genereringssystemet som er 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) til en 30G nål i rustfritt stål (metallkapillær). Som vist i figur 2b styres vannstrømmen av lufttrykket inne i flasken. Nålen er festet til en teflonkonsoll som kan justeres manuelt til en viss avstand fra motelektroden. Motelektroden er en polert aluminiumsskive med et hull i midten for prøvetaking. Under motelektroden er det en prøvetakingstrakt i aluminium, som er koblet til resten av det eksperimentelle oppsettet via en prøvetakingsport (figur 2b). Alle prøvetakerkomponenter er elektrisk jordet for å unngå ladningsoppbygging som kan forringe partikkelprøvetakingen.
(a) Konstruert vann-nanostrukturgenereringssystem (EWNS). (b) Tverrsnitt av prøvetaker og elektrosprayenhet som viser de viktigste parameterne. (c) Eksperimentelt oppsett for bakterieinaktivering.
EWNS-genereringssystemet beskrevet ovenfor er i stand til å endre viktige driftsparametere for å legge til rette for finjustering av EWNS-egenskapene. Juster den påførte spenningen (V), avstanden mellom nålen og motelektroden (L) og vannstrømmen (φ) gjennom kapillærrøret for å finjustere EWNS-karakteristikkene. Symbolene [V (kV), L (cm)] brukes til å betegne forskjellige kombinasjoner. Juster vannstrømmen for å få en stabil Taylor-kjegle med et visst sett [V, L]. I denne studien ble åpningen til motelektroden (D) satt til 0,5 tommer (1,29 cm).
På grunn av begrenset geometri og asymmetri kan ikke den elektriske feltstyrken beregnes ut fra grunnprinsipper. 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 kapillærrøret 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-genereringssystemet ble direkte koblet til en Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS, modell 3936, TSI, Shoreview, Minnesota) for å måle partikkelantallkonsentrasjonen og ble brukt med et Faraday aerosolelektrometer (TSI, modell 3068B, Shoreview, USA). MN) for å måle aerosolstrømmer, som beskrevet i vår tidligere publikasjon9. Både SMPS og aerosolelektrometeret tok prøver med en strømningshastighet på 0,5 L/min (total prøvestrøm 1 L/min). Partikkelkonsentrasjoner og aerosolstrømmer ble målt i 120 sekunder. Gjenta målingen 30 ganger. Den totale aerosolladningen beregnes fra strømmålinger, og den gjennomsnittlige EWNS-ladningen estimeres fra det totale antallet EWNS-partikler som ble tatt prøver av. Den gjennomsnittlige kostnaden for EWNS kan beregnes ved hjelp av ligning (1):
der IEl er den målte strømmen, NSMPS er tallkonsentrasjonen målt med SMPS, og φEl er strømningshastigheten til elektrometeret.
Fordi relativ fuktighet (RH) påvirker overflateladningen, ble temperaturen og (RH) holdt konstante på henholdsvis 21 °C og 45 % under eksperimentet.
Atomkraftmikroskopi (AFM), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Santa Barbara, CA) og AC260T-probe (Olympus, Tokyo, Japan) ble brukt til å måle størrelsen og levetiden til EWNS. AFM-skannehastigheten er 1 Hz og skanneområdet er 5 µm × 5 µm med 256 skannelinjer. Alle bildene ble utsatt for førsteordens bildejustering ved hjelp av Asylum-programvare (maske med et område på 100 nm og en terskel på 100 pm).
Fjern prøvetakingstrakten og plasser glimmeroverflaten i en avstand på 2,0 cm fra motelektroden i en gjennomsnittlig tid på 120 sekunder for å unngå koalesens av partikler og dannelse av uregelmessige dråper på glimmeroverflaten. EWNS ble påført direkte på nykuttede glimmeroverflater (Ted Pella, Redding, CA). Umiddelbart etter sputtering ble glimmeroverflaten visualisert ved hjelp av AFM. Overflatekontaktvinkelen til nykuttet umodifisert glimmer er nær 0°, slik at EWNS forplanter seg over glimmeroverflaten i en kuppelform20. Diameteren (a) og høyden (h) til de diffuserende dråpene ble målt direkte fra AFM-topografien og brukt til å beregne det kuppelformede diffusjonsvolumet EWNS ved hjelp av vår tidligere validerte metode8. Forutsatt at den innebygde EVNS har samme volum, kan den ekvivalente diameteren beregnes fra ligning (2):
I samsvar med vår tidligere utviklede metode ble en elektronspinnresonans (ESR) spinnfelle brukt til å detektere tilstedeværelsen av kortlivede radikalmellomprodukter i EWNS. Aerosoler ble ført gjennom en løsning som inneholdt 235 mM DEPMPO (5-(dietoksyfosforyl)-5-metyl-1-pyrrolin-N-oksid) (Oxis International Inc., Portland, Oregon). Alle EPR-målinger ble utført ved hjelp av et Bruker EMX-spektrometer (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) og flatcellearrayer. Acquisit-programvaren (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) ble brukt til å samle inn og analysere dataene. ROS-karakteriseringen ble kun utført for et sett med driftsforhold [-6,5 kV, 4,0 cm]. EWNS-konsentrasjoner ble målt ved hjelp av SMPS etter å ha tatt hensyn til tapet av EWNS i impaktoren.
Ozonnivåene ble overvåket ved hjelp av en 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Boulder, Colorado)8,9,10.
For alle EWNS-egenskaper er måleverdien gjennomsnittet av målingene, og målefeilen er standardavviket. En t-test ble utført for å sammenligne verdien av det optimaliserte EWNS-attributtet med den tilsvarende verdien av basis-EWNS.
Figur 2c viser et tidligere utviklet og karakterisert elektrostatisk nedbørsgjennomstrømningssystem (EPES) som kan brukes til å målrette EWNS11 mot overflater. EPES bruker en EWNS-ladning i kombinasjon med et sterkt elektrisk felt for å "peke" direkte mot målets overflate. Detaljer om EPES-systemet presenteres i en nylig publikasjon av Pyrgiotakis et al.11. EPES består dermed av et 3D-printet PVC-kammer med koniske ender som inneholder to parallelle metallplater i rustfritt stål (304 rustfritt stål, speilpolert) i midten, 15,24 cm fra hverandre. Kortene var koblet til en ekstern høyspenningskilde (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY), bunnkortet var alltid positivt og toppkortet var alltid jordet (flytende). Kammerveggene er dekket med aluminiumsfolie, som er elektrisk jordet for å forhindre partikkeltap. Kammeret har en forseglet frontdør som gjør at testflater kan plasseres på plaststativer, og løftes av bunnmetallplaten for å unngå høyspenningsforstyrrelser.
Avsetningseffektiviteten til EWNS i EPES ble beregnet i henhold til en tidligere utviklet protokoll beskrevet i tilleggsfigur S111.
Som et kontrollkammer er den andre strømmen gjennom det sylindriske kammeret koblet i serie med EPES-systemet ved hjelp av et mellomliggende HEPA-filter for å fjerne EWNS. Som vist i figur 2c ble EWNS-aerosolen pumpet gjennom to kamre koblet i serie. Filteret mellom kontrollrommet og EPES fjerner eventuelle gjenværende EWNS, noe som resulterer i samme temperatur (T), relativ fuktighet (RH) og ozonnivåer.
Viktige matbårne mikroorganismer har vist seg å forurense ferske råvarer, som Escherichia coli (ATCC #27325), en fekal indikator, Salmonella enterica (ATCC #53647), en matbåren patogen, Listeria innocua (ATCC #33090), et alternativ til den patogene Listeria monocytogenes, Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098) som et alternativ til fordervelsesgjær, og Mycobacterium parafortuitous (ATCC #19686) som en mer resistent levende bakterie ble kjøpt fra ATCC (Manassas, Virginia).
Kjøp tilfeldige esker med økologiske cherrytomater fra ditt lokale marked og oppbevar dem i kjøleskap ved 4 °C frem til bruk (opptil 3 dager). Velg tomater for å eksperimentere med én størrelse, omtrent 1,25 cm i diameter.
Protokollene for inkubasjon, inokulering, eksponering og kolonitelling er beskrevet i våre tidligere publikasjoner og forklart i detalj i tilleggsdata 11. EWNS-ytelsen ble evaluert ved å eksponere inokulerte tomater for 40 000 #/cm3 i 45 minutter. Kort fortalt ble tre tomater brukt til å evaluere de overlevende mikroorganismene ved tid t = 0 min. Tre tomater ble plassert i EPES og eksponert for EWNS ved 40 000 #/cc (EWNS-eksponerte tomater), og tre andre ble plassert i kontrollkammeret (kontrolltomater). Ingen av tomatgruppene ble utsatt for ytterligere prosessering. EWNS-eksponerte tomater og kontrollgrupper 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 tilleggsdata.
E. coli-, Enterobacter- og L. innocua-bakterieprøver eksponert for EWNS (45 min, EWNS-aerosolkonsentrasjon 40 000 #/cm3) og ueksponerte ble pelletert for å vurdere inaktiveringsmekanismer. Bunnfallet ble fiksert i 2 timer ved romtemperatur i 0,1 M natriumkakodylatløsning (pH 7,4) med et fikseringsmiddel av 2,5 % glutaraldehyd, 1,25 % paraformaldehyd og 0,03 % pikrinsyre. Etter vask ble de fiksert med 1 % osmiumtetroksid (OsO4)/1,5 % kaliumferrocyanid (KFeCN6) i 2 timer, vasket 3 ganger med vann og inkubert i 1 % uranylacetat i 1 time, deretter vasket to ganger med vann. Deretter dehydrering i 10 minutter hver av 50 %, 70 %, 90 %, 100 % alkohol. 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 innstøpt i TAAB Epon og polymerisert ved 60 °C i 48 timer. Den herdede granulære harpiksen ble kuttet og visualisert ved TEM ved bruk av et JEOL 1200EX (JEOL, Tokyo, Japan), et konvensjonelt transmisjonselektronmikroskop utstyrt med et AMT 2k CCD-kamera (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, MA, USA).
Alle eksperimentene ble utført i tre eksemplarer. For hvert tidspunkt ble bakterievasker plassert i tre eksemplarer, noe som resulterte i totalt ni datapunkter per punkt, hvor gjennomsnittet ble brukt som bakteriekonsentrasjon for den spesifikke organismen. Standardavviket ble brukt som målefeil. Alle poeng teller.
Logaritmen til reduksjonen i bakteriekonsentrasjonen sammenlignet med t = 0 min ble beregnet ved hjelp av følgende formel:
hvor C0 er bakteriekonsentrasjonen i kontrollprøven ved tid 0 (dvs. etter at overflaten har tørket, men før den plasseres i kammeret) og Cn er bakteriekonsentrasjonen på overflaten etter n minutters eksponering.
For å ta hensyn til den naturlige nedbrytningen av bakterier i løpet av eksponeringsperioden på 45 minutter, ble Log-reduksjon også beregnet sammenlignet med kontrollen etter 45 minutter som følger:
Der Cn er konsentrasjonen av bakterier i kontrollprøven ved tidspunkt n og Cn-kontroll er konsentrasjonen av kontrollbakterier ved tidspunkt n. Data presenteres som en logaritmisk reduksjon 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 ble valgt ut for en komplett studie som viser stabile og reproduserbare egenskaper (Taylor-kjegle, EWNS-produksjon og stabilitet over tid). Figur 3 viser resultatene for ladning, størrelse og innhold av ROS for to tilfeller. Resultatene er også oppsummert i tabell 1. Som referanse inkluderer figur 3 og tabell 1 egenskapene til den tidligere syntetiserte ikke-optimaliserte EWNS8, 9, 10, 11 (baseline-EWNS). Statistiske signifikansberegninger ved bruk av en tosidig t-test er publisert på nytt i tilleggstabell S2. I tillegg inkluderer tilleggsdata studier av effekten av motelektrodens prøvetakingshulldiameter (D) og avstanden mellom jordelektroden og nålespissen (L) (tilleggsfigurer S2 og S3).
(a–c) AFM-størrelsesfordeling. (d–f) Overflateladningskarakteristikk. (g) Karakterisering av ROS og ESR.
Det er også viktig å merke seg at for alle de ovennevnte forholdene var de målte ioniseringsstrømmene i området 2–6 µA, og spenningene var i området -3,8 til -6,5 kV, noe som resulterte i et strømforbruk for denne enkeltterminale EWNS-en på mindre enn 50 mW. . generasjonsmodulen. Selv om EWNS ble syntetisert under høyt trykk, var ozonnivåene svært lave og oversteg aldri 60 ppb.
Tilleggsfigur S4 viser de simulerte elektriske feltene for henholdsvis scenarioene [-6,5 kV, 4,0 cm] og [-3,8 kV, 0,5 cm]. Feltene i henhold til scenarioene [-6,5 kV, 4,0 cm] og [-3,8 kV, 0,5 cm] er beregnet som henholdsvis 2 × 105 V/m og 4,7 × 105 V/m. Dette er forventet, siden forholdet mellom spenning og avstand er mye høyere i det andre tilfellet.
Figur 3a og 3b viser EWNS-diameteren målt med AFM8. Gjennomsnittlige EWNS-diametre for scenarioene [-6,5 kV, 4,0 cm] og [-3,8 kV, 0,5 cm] ble beregnet til henholdsvis 27 nm og 19 nm. De geometriske standardavvikene for fordelingene for tilfellene [-6,5 kV, 4,0 cm] og [-3,8 kV, 0,5 cm] er henholdsvis 1,41 og 1,45, noe som indikerer en smal størrelsesfordeling. Både gjennomsnittsstørrelsen og det geometriske standardavviket er svært nær baseline-EWNS, og er henholdsvis 25 nm og 1,41. Figur 3c viser størrelsesfordelingen til baseline-EWNS målt med samme metode under de samme forholdene.
I figur 3d og e vises resultatene av ladningskarakteriseringen. Dataene er gjennomsnittsmålinger av 30 samtidige målinger av konsentrasjon (#/cm3) og strøm (I). Analysen viser at den gjennomsnittlige ladningen 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]. Sammenlignet med Baseline-EWNS (10 ± 2 e-) er overflateladningen betydelig høyere, dobbelt så høy som i [-6,5 kV, 4,0 cm]-scenariet og fire ganger så høy som i [-3,8 kV, 0,5 cm]. 3f viser grunnleggende EWNS-betalingsdata.
Fra EWNS-tallkonsentrasjonskartene (tilleggsfigurene S5 og S6) kan man se at scenen [-6,5 kV, 4,0 cm] har et betydelig høyere antall partikler enn scenen [-3,8 kV, 0,5 cm]. Det bør også bemerkes at EWNS-tallkonsentrasjonene ble overvåket i opptil 4 timer (tilleggsfigurene S5 og S6), hvor EWNS-generasjonsstabiliteten viste de samme nivåene av partikkeltallkonsentrasjoner i begge tilfeller.
Figur 3g viser EPR-spekteret etter kontroll- (bakgrunns-) subtraksjon for optimaliserte EWNS ved [-6,5 kV, 4,0 cm]. ROS-spekteret er også sammenlignet med EWNS-baseline i en tidligere publisert artikkel. Det beregnede antallet EWNS som reagerer med spinnfellen er 7,5 × 104 EWNS/s, noe som tilsvarer den tidligere publiserte Baseline-EWNS8. EPR-spektrene indikerte tydelig tilstedeværelsen av to typer ROS, hvor O2- dominerte, mens OH• var tilstede i en mindre mengde. I tillegg viste en direkte sammenligning av toppintensitetene at de optimaliserte EWNS hadde et betydelig høyere ROS-innhold sammenlignet med baseline EWNS.
Figur 4 viser avsetningseffektiviteten til EWNS i EPES. Dataene er også oppsummert i tabell I og sammenlignet med de opprinnelige EWNS-dataene. For begge EUNS-tilfellene var avsetningen nær 100 % selv ved en lav spenning på 3,0 kV. Typisk er 3,0 kV tilstrekkelig for å oppnå 100 % avsetning uavhengig av endring i overflateladning. Under de samme forholdene var avsetningseffektiviteten til Baseline-EWNS bare 56 % på grunn av den lavere ladningen (gjennomsnittlig 10 elektroner per EWNS).
Figur 5 og tabell 2 oppsummerer graden av inaktivering av mikroorganismer inokulert på overflaten av tomater etter eksponering for omtrent 40 000 #/cm3 EWNS i 45 minutter under det optimale scenarioet [-6,5 kV, 4,0 cm]. Inokulerte E. coli og L. innocua viste en signifikant reduksjon på 3,8 log etter 45 minutters eksponering. Under de samme forholdene viste S. enterica en lavere log-reduksjon på 2,2 log, mens S. cerevisiae og M. parafortuitum viste en reduksjon på 1,0 log.
Elektronmikroskopbilder (figur 6) som viser de fysiske endringene indusert av EWNS i E. coli-, Salmonella enterica- og L. innocua-celler som fører til inaktivering. Kontrollbakterier viste intakte cellemembraner, mens eksponerte bakterier hadde skadede ytre membraner.
Elektronmikroskopisk avbildning av kontroll- og eksponerte bakterier avdekket membranskader.
Dataene om de fysisk-kjemiske egenskapene til de optimaliserte EWNS-ene viser samlet sett at EWNS-egenskapene (overflateladning og ROS-innhold) ble betydelig forbedret sammenlignet med de tidligere publiserte EWNS-basislinjedataene8,9,10,11. På den annen side forble størrelsen deres i nanometerområdet, noe som er veldig likt tidligere publiserte resultater, slik at de kunne holde seg i luften over lengre tid. Den observerte polydispersiteten kan forklares med endringer i overflateladningen, som bestemmer størrelsen på Rayleigh-effekten, tilfeldighet og potensiell sammensmelting av EWNS. Imidlertid, som beskrevet av Nielsen et al.22, reduserer høy overflateladning fordampning ved effektivt å øke overflateenergien/spenningen til vanndråpen. Denne teorien ble eksperimentelt bekreftet for mikrodråper22 og EWNS i vår forrige publikasjon8. Tap av overtid kan også påvirke størrelsen og bidra til den observerte størrelsesfordelingen.
I tillegg er ladningen per struktur omtrent 22–44 e-, avhengig av omstendighetene, noe som er betydelig høyere sammenlignet med den grunnleggende EWNS, som har en gjennomsnittlig ladning på 10 ± 2 elektroner per struktur. Det bør imidlertid bemerkes at dette er den gjennomsnittlige ladningen til EWNS. Seto et al. Det har blitt vist at ladningen ikke er jevn og følger en logaritmisk normalfordeling . Sammenlignet med vårt tidligere arbeid, dobler en dobling av overflateladningen avsetningseffektiviteten i EPES-systemet til nesten 100 % .