Dziękujemy za odwiedzenie Nature.com.Wersja przeglądarki, której używasz, ma ograniczoną obsługę CSS.Aby uzyskać najlepsze wrażenia, zalecamy korzystanie ze zaktualizowanej przeglądarki (lub wyłączenie trybu zgodności w Internet Explorerze).W międzyczasie, aby zapewnić ciągłe wsparcie, będziemy renderować witrynę bez stylów i języka JavaScript.
Karuzela wyświetlająca jednocześnie trzy slajdy.Użyj przycisków Wstecz i Dalej, aby przechodzić między trzema slajdami jednocześnie, lub użyj przycisków suwaków na końcu, aby przechodzić między trzema slajdami jednocześnie.
Niedawno opracowano wolną od chemikaliów platformę przeciwdrobnoustrojową opartą na nanotechnologii wykorzystującej nanostruktury sztucznej wody (EWNS).EWNS mają wysoki ładunek powierzchniowy i są nasycone reaktywnymi formami tlenu (ROS), które mogą oddziaływać i dezaktywować wiele mikroorganizmów, w tym patogeny przenoszone przez żywność.Tutaj pokazano, że ich właściwości podczas syntezy można precyzyjnie dostroić i zoptymalizować, aby jeszcze bardziej zwiększyć ich potencjał przeciwbakteryjny.Platforma laboratoryjna EWNS została zaprojektowana w celu dostrojenia właściwości EWNS poprzez zmianę parametrów syntezy.Charakterystyka właściwości EWNS (ładunek, wielkość i zawartość ROS) z wykorzystaniem nowoczesnych metod analitycznych.Ponadto oceniono ich potencjał inaktywacji drobnoustrojów w stosunku do mikroorganizmów przenoszonych przez żywność, takich jak Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocuous, Mycobacterium paraaccidentum i Saccharomyces cerevisiae.Przedstawione tutaj wyniki pokazują, że właściwości EWNS można precyzyjnie dostroić podczas syntezy, co skutkuje wykładniczym wzrostem wydajności inaktywacji.W szczególności ładunek powierzchniowy wzrósł czterokrotnie, a reaktywne formy tlenu wzrosły.Szybkość usuwania drobnoustrojów była zależna od drobnoustrojów i wahała się od 1,0 do 3,8 logarytmów po 45-minutowej ekspozycji na dawkę aerozolu 40 000 #/cc EWNS.
Zanieczyszczenia mikrobiologiczne są główną przyczyną chorób przenoszonych przez żywność, spowodowanych spożyciem patogenów lub ich toksyn.W samych Stanach Zjednoczonych choroby przenoszone drogą pokarmową są przyczyną około 76 milionów zachorowań, 325 000 przyjęć do szpitali i 5000 zgonów rocznie1.Ponadto Departament Rolnictwa Stanów Zjednoczonych (USDA) szacuje, że zwiększone spożycie świeżych produktów jest odpowiedzialne za 48% wszystkich zgłoszonych chorób przenoszonych drogą pokarmową w Stanach Zjednoczonych2.Koszty chorób i zgonów spowodowanych przez patogeny przenoszone przez żywność w Stanach Zjednoczonych są bardzo wysokie, oszacowane przez Centrum Kontroli i Zapobiegania Chorobom (CDC) na ponad 15,6 mld USD rocznie3.
Obecnie chemiczne4, radiacyjne55 i termiczne6 interwencje przeciwdrobnoustrojowe mające na celu zapewnienie bezpieczeństwa żywności są najczęściej przeprowadzane w ograniczonych krytycznych punktach kontroli (CCP) wzdłuż łańcucha produkcji (zwykle po zbiorach i/lub podczas pakowania), a nie w sposób ciągły.w związku z tym są podatne na zanieczyszczenie krzyżowe.7. Lepsza kontrola chorób przenoszonych przez żywność i psucia się żywności wymaga interwencji antybakteryjnych, które można potencjalnie zastosować w całym kontinuum od pola do stołu, przy jednoczesnym zmniejszeniu wpływu na środowisko i kosztów.
Niedawno opracowano wolną od chemikaliów, opartą na nanotechnologii platformę przeciwdrobnoustrojową, która może dezaktywować bakterie powierzchniowe i przenoszone drogą powietrzną za pomocą nanostruktur sztucznej wody (EWNS).EWNS zsyntetyzowano przy użyciu dwóch równoległych procesów, elektrorozpylania i jonizacji wody (ryc. 1a).Wcześniejsze badania wykazały, że EWNS mają unikalny zestaw właściwości fizycznych i biologicznych8,9,10.EWNS mają średnio 10 elektronów na strukturę i średni rozmiar w nanoskali 25 nm (ryc. 1b, c)8,9,10.Ponadto elektronowy rezonans spinowy (ESR) wykazał, że EWNS zawiera dużą ilość reaktywnych form tlenu (ROS), głównie rodniki hydroksylowe (OH•) i ponadtlenkowe (O2-) (ryc. 1c)8.EVNS jest w powietrzu przez długi czas i może zderzać się z mikroorganizmami zawieszonymi w powietrzu i obecnymi na powierzchni, dostarczając swój ładunek ROS i powodując inaktywację mikroorganizmów (ryc. 1d).Te wczesne badania wykazały również, że EWNS może wchodzić w interakcje i inaktywować różne bakterie Gram-ujemne i Gram-dodatnie, w tym mykobakterie, na powierzchniach iw powietrzu.Transmisyjna mikroskopia elektronowa wykazała, że ​​inaktywacja była spowodowana przerwaniem błony komórkowej.Ponadto badania ostrej inhalacji wykazały, że wysokie dawki EWNS nie powodują uszkodzenia płuc ani stanu zapalnego 8 .
(a) Elektrorozpylanie występuje, gdy wysokie napięcie zostanie przyłożone między rurką kapilarną zawierającą ciecz a przeciwelektrodą.(b) Zastosowanie wysokiego ciśnienia skutkuje dwoma różnymi zjawiskami: (i) elektrorozpylaniem wody oraz (ii) tworzeniem reaktywnych form tlenu (jonów) uwięzionych w EWNS.(c) Unikalna struktura EWNS.(d) Ze względu na swój nanoskalowy charakter EWNS są wysoce mobilne i mogą wchodzić w interakcje z patogenami przenoszonymi drogą powietrzną.
Niedawno wykazano również zdolność antybakteryjnej platformy EWNS do inaktywacji mikroorganizmów przenoszonych przez żywność na powierzchni świeżej żywności.Wykazano również, że ładunek powierzchniowy EWNS w połączeniu z polem elektrycznym można wykorzystać do osiągnięcia ukierunkowanego dostarczania.Co więcej, wstępne wyniki dla pomidorów ekologicznych po 90-minutowej ekspozycji przy EWNS około 50 000 #/cm3 były zachęcające, przy czym zaobserwowano różne mikroorganizmy przenoszone przez żywność, takie jak E. coli i Listeria 11.Ponadto wstępne testy organoleptyczne nie wykazały efektów sensorycznych w porównaniu z pomidorami kontrolnymi.Chociaż te wstępne wyniki inaktywacji są zachęcające do zastosowań związanych z bezpieczeństwem żywności, nawet przy bardzo niskich dawkach EWNS wynoszących 50 000 #/cc.patrz, jasne jest, że wyższy potencjał inaktywacji byłby bardziej korzystny dla dalszego zmniejszenia ryzyka infekcji i psucia się.
Tutaj skoncentrujemy nasze badania na opracowaniu platformy generacji EWNS, aby umożliwić precyzyjne dostrojenie parametrów syntezy i optymalizację właściwości fizykochemicznych EWNS w celu zwiększenia ich potencjału antybakteryjnego.W szczególności optymalizacja skupiła się na zwiększeniu ich ładunku powierzchniowego (w celu poprawy ukierunkowanego dostarczania) i zawartości ROS (w celu poprawy skuteczności dezaktywacji).Scharakteryzuj zoptymalizowane właściwości fizykochemiczne (wielkość, ładunek i zawartość ROS) przy użyciu nowoczesnych metod analitycznych i wykorzystaj popularne mikroorganizmy spożywcze, takie jak E. .
EVNS zsyntetyzowano przez jednoczesne elektrorozpylanie i jonizację wody o wysokiej czystości (18 MΩ cm-1).Elektryczny nebulizator 12 jest typowo używany do rozpylania cieczy i syntezy cząstek polimerowych i ceramicznych 13 oraz włókien 14 o kontrolowanej wielkości.
Jak wyszczególniono w poprzednich publikacjach 8, 9, 10, 11, w typowym eksperymencie wysokie napięcie zostało przyłożone między metalową kapilarą a uziemioną przeciwelektrodą.Podczas tego procesu zachodzą dwa różne zjawiska: i) elektrorozpylanie i ii) jonizacja wody.Silne pole elektryczne między dwiema elektrodami powoduje gromadzenie się ładunków ujemnych na powierzchni skroplonej wody, co powoduje powstawanie stożków Taylora.W rezultacie powstają silnie naładowane kropelki wody, które dalej rozpadają się na mniejsze cząstki, jak w teorii Rayleigha16.Jednocześnie silne pola elektryczne powodują rozszczepienie niektórych cząsteczek wody i oderwanie elektronów (jonizację), co prowadzi do powstania dużej ilości reaktywnych form tlenu (ROS)17.Jednocześnie wygenerowany ROS18 został zamknięty w EWNS (ryc. 1c).
na ryc.2a przedstawia system generowania EWNS opracowany i wykorzystany w syntezie EWNS w tym badaniu.Oczyszczoną wodę przechowywaną w zamkniętej butelce wprowadzano przez rurkę teflonową (średnica wewnętrzna 2 mm) do igły ze stali nierdzewnej 30G (kapilarka metalowa).Przepływ wody jest kontrolowany przez ciśnienie powietrza wewnątrz butelki, jak pokazano na rysunku 2b.Igła jest zamontowana na teflonowej konsoli i może być ręcznie ustawiana w określonej odległości od przeciwelektrody.Przeciwelektroda to polerowany aluminiowy dysk z otworem pośrodku do pobierania próbek.Poniżej przeciwelektrody znajduje się aluminiowy lejek do pobierania próbek, który jest połączony z resztą zestawu eksperymentalnego przez port do pobierania próbek (ryc. 2b).Aby uniknąć gromadzenia się ładunku, który mógłby zakłócić działanie samplera, wszystkie elementy samplera są uziemione elektrycznie.
(a) Inżynieryjny System Generowania Nanostruktur Wody (EWNS).(b) Przekrój próbnika i elektrorozpylacza, pokazujący najważniejsze parametry.(c) Układ doświadczalny do inaktywacji bakterii.
Opisany powyżej system generowania EWNS może zmieniać kluczowe parametry operacyjne w celu ułatwienia precyzyjnego dostrajania właściwości EWNS.Dostosuj przyłożone napięcie (V), odległość między igłą a przeciwelektrodą (L) oraz przepływ wody (φ) przez kapilarę, aby precyzyjnie dostroić charakterystykę EWNS.Symbol używany do przedstawienia różnych kombinacji: [V (kV), L (cm)].Dostosuj przepływ wody, aby uzyskać stabilny stożek Taylora o określonym zbiorze [V, L].Dla celów tego badania średnicę otworu przeciwelektrody (D) utrzymywano na poziomie 0,5 cala (1,29 cm).
Ze względu na ograniczoną geometrię i asymetrię natężenia pola elektrycznego nie można obliczyć z podstawowych zasad.Zamiast tego do obliczenia pola elektrycznego wykorzystano oprogramowanie QuickField™ (Svendborg, Dania)19.Pole elektryczne nie jest jednorodne, dlatego jako wartość odniesienia dla różnych konfiguracji przyjęto wartość pola elektrycznego na końcu kapilary.
Podczas badania oceniono kilka kombinacji napięcia i odległości między igłą a przeciwelektrodą pod względem formowania stożka Taylora, stabilności stożka Taylora, stabilności produkcji EWNS i powtarzalności.Różne kombinacje przedstawiono w tabeli dodatkowej S1.
Wyjście systemu generowania EWNS zostało podłączone bezpośrednio do skanującego analizatora wielkości cząstek ruchomych (SMPS, model 3936, TSI, Shoreview, MN) w celu pomiaru stężenia liczbowego cząstek, a także do aerozolowego elektrometru Faradaya (TSI, model 3068B, Shoreview, MN).) dla prądów aerozolowych zmierzono w sposób opisany w naszej poprzedniej publikacji.Zarówno SMPS, jak i elektrometr aerozolowy pobierały próbki przy natężeniu przepływu 0,5 l/min (całkowity przepływ próbki 1 l/min).Liczbowe stężenie cząstek i przepływ aerozolu mierzono przez 120 sekund.Pomiar powtarza się 30 razy.Na podstawie bieżących pomiarów obliczany jest całkowity ładunek aerozolu oraz szacowany jest średni ładunek EWNS dla danej sumarycznej liczby wybranych cząstek EWNS.Średni koszt EWNS można obliczyć za pomocą równania (1):
gdzie IEl to zmierzony prąd, NSMPS to cyfrowe stężenie zmierzone za pomocą SMPS, a φEl to natężenie przepływu na elektrometr.
Ponieważ wilgotność względna (RH) wpływa na ładunek powierzchniowy, temperatura i (RH) były utrzymywane na stałym poziomie podczas eksperymentu odpowiednio na poziomie 21°C i 45%.
Mikroskopia sił atomowych (AFM), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Santa Barbara, CA) i sonda AC260T (Olympus, Tokio, Japonia) zostały użyte do pomiaru rozmiaru i czasu życia EWNS.Częstotliwość skanowania AFM wynosiła 1 Hz, obszar skanowania wynosił 5 μm × 5 μm i 256 linii skanowania.Wszystkie obrazy poddano wyrównaniu obrazu pierwszego rzędu przy użyciu oprogramowania Asylum (zakres maski 100 nm, próg 100 µm).
Lejek testowy usunięto, a powierzchnię miki umieszczono w odległości 2,0 cm od przeciwelektrody na czas uśredniania wynoszący 120 s, aby uniknąć aglomeracji cząstek i tworzenia się nieregularnych kropelek na powierzchni miki.EWNS rozpylono bezpośrednio na powierzchnię świeżo ściętej miki (Ted Pella, Redding, CA).Obraz powierzchni miki zaraz po napylaniu AFM.Kąt zwilżania powierzchni świeżo ściętej niemodyfikowanej miki jest bliski 0°, więc EVNS rozkłada się na powierzchni miki w postaci kopuły.Średnicę ( a ) i wysokość ( h ) dyfuzyjnych kropel zmierzono bezpośrednio z topografii AFM i wykorzystano do obliczenia objętości dyfuzji kopuły EWNS przy użyciu naszej wcześniej zatwierdzonej metody.Zakładając, że pokładowe EWNS mają taką samą objętość, równoważną średnicę można obliczyć za pomocą równania (2):
W oparciu o naszą wcześniej opracowaną metodę, pułapka spinowa elektronowego rezonansu spinowego (ESR) została wykorzystana do wykrycia obecności krótkożyciowych rodników pośrednich w EWNS.Aerozole przepuszczano przez bełkotkę Midget 650 μm (Ace Glass, Vineland, NJ) zawierającą 235 mM roztwór DEPMPO (5-(dietoksyfosforylo)-5-metylo-1-pirolino-N-tlenku) (Oxis International Inc.).Portland, Oregon).Wszystkie pomiary ESR przeprowadzono przy użyciu spektrometru Bruker EMX (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) i płaskiej komórki panelowej.Do zbierania i analizy danych wykorzystano oprogramowanie Acquisit (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA).Wyznaczanie charakterystyk ROS przeprowadzono tylko dla zestawu warunków pracy [-6,5 kV, 4,0 cm].Stężenia EWNS mierzono za pomocą SMPS po uwzględnieniu strat EWNS w impaktorze.
Poziomy ozonu monitorowano za pomocą 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Boulder, Co)8,9,10.
Dla wszystkich właściwości EWNS wartość średnia jest używana jako wartość pomiaru, a odchylenie standardowe jako błąd pomiaru.Wykonano testy t w celu porównania wartości zoptymalizowanych atrybutów EWNS z odpowiadającymi im wartościami bazowego EWNS.
Rysunek 2c przedstawia wcześniej opracowany i scharakteryzowany system „ciągnięcia” wytrącania elektrostatycznego (EPES), który można wykorzystać do ukierunkowanego dostarczania EWNS na powierzchnię.EPES wykorzystuje ładunki EVNS, które mogą być „naprowadzane” bezpośrednio na powierzchnię celu pod wpływem silnego pola elektrycznego.Szczegóły systemu EPES przedstawiono w niedawnej publikacji Pyrgiotakis et al.11 .Tak więc EPES składa się z drukowanej w 3D komory PVC ze zwężającymi się końcami i zawiera dwie równoległe metalowe płytki ze stali nierdzewnej (stal nierdzewna 304, pokryta lustrzanym odbiciem) pośrodku w odległości 15,24 cm od siebie.Płytki były podłączone do zewnętrznego źródła wysokiego napięcia (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY), płyta dolna była zawsze podłączona do napięcia dodatniego, a płyta górna była zawsze podłączona do masy (pływającej ziemi).Ściany komory są pokryte folią aluminiową, która jest uziemiona elektrycznie, aby zapobiec utracie cząstek.Komora ma uszczelnione przednie drzwiczki załadunkowe, które umożliwiają umieszczenie powierzchni testowych na plastikowych podstawkach, które podnoszą je ponad dolną metalową płytkę, aby uniknąć zakłóceń wysokiego napięcia.
Wydajność osadzania EWNS w EPES obliczono zgodnie z wcześniej opracowanym protokołem wyszczególnionym na rysunku dodatkowym S111.
Jako komorę kontrolną drugą cylindryczną komorę przepływową połączono szeregowo z układem EPES, w którym zastosowano pośredni filtr HEPA do usuwania EWNS.Jak pokazano na rysunku 2c, aerozol EWNS przepompowano przez dwie wbudowane komory.Filtr między sterownią a EPES usuwa wszelkie pozostałe EWNS, co skutkuje taką samą temperaturą (T), wilgotnością względną (RH) i poziomami ozonu.
Stwierdzono, że ważne mikroorganizmy przenoszone przez żywność zanieczyszczają świeżą żywność, taką jak E. coli (ATCC #27325), wskaźnik kałowy, Salmonella enterica (ATCC #53647), patogen przenoszony przez żywność, Listeria nieszkodliwa (ATCC #33090), substytut patogennej Listeria monocytogenes, pochodzący z ATCC (Manassas, VA) Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098), substytut zepsucia starzejące się drożdże i bardziej oporną inaktywowaną bakterię, Mycobacterium paralucky (ATCC #19686).
Kup losowe pudełka ekologicznych pomidorów gronowych z lokalnego rynku i przechowuj je w lodówce w temperaturze 4°C do momentu użycia (do 3 dni).Wszystkie eksperymentalne pomidory były tego samego rozmiaru, około 1/2 cala średnicy.
Protokoły hodowli, inokulacji, ekspozycji i liczenia kolonii są szczegółowo opisane w naszej poprzedniej publikacji i wyszczególnione w danych uzupełniających.Skuteczność EWNS oceniono poddając zaszczepione pomidory działaniu 40 000 #/cm3 przez 45 minut.W skrócie, trzy pomidory wykorzystano do oceny mikroorganizmów, które przeżyły w czasie t = 0 min.Trzy pomidory umieszczono w EPES i wystawiono na działanie EWNS przy 40 000 #/cc (pomidory poddane działaniu EWNS), a pozostałe trzy umieszczono w komorze kontrolnej (pomidory kontrolne).W obu grupach nie prowadzono dodatkowej obróbki pomidorów.Pomidory eksponowane na EWNS i pomidory kontrolne usunięto po 45 minutach, aby ocenić wpływ EWNS.
Każde doświadczenie przeprowadzono w trzech powtórzeniach.Analizę danych przeprowadzono zgodnie z protokołem opisanym w danych uzupełniających.
Mechanizmy inaktywacji oceniano poprzez sedymentację eksponowanych próbek EWNS (45 min przy stężeniu aerozolu EWNS 40 000 #/cm3) oraz nienaświetlonych próbek nieszkodliwych bakterii E. coli, Salmonella enterica i Lactobacillus.Cząstki utrwalano w 2,5% aldehydzie glutarowym, 1,25% paraformaldehydzie i 0,03% kwasie pikrynowym w 0,1 M buforze kakodylanu sodu (pH 7,4) przez 2 godziny w temperaturze pokojowej.Po umyciu utrwalić 1% czterotlenkiem osmu (OsO4)/1,5% żelazocyjankiem potasu (KFeCN6) przez 2 godziny, przemyć 3 razy w wodzie i inkubować w 1% octanie uranylu przez 1 godzinę, następnie przemyć dwukrotnie w wodzie, następnie odwodnić przez 10 minut w 50%, 70%, 90%, 100% alkoholu.Następnie próbki umieszczono w tlenku propylenu na 1 godzinę i impregnowano mieszaniną 1:1 tlenku propylenu i TAAP Epon (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA).Próbki zatopiono w TAAB Epon i polimeryzowano w temperaturze 60°C przez 48 godzin.Utwardzoną granulowaną żywicę pocięto i zwizualizowano za pomocą TEM przy użyciu konwencjonalnego transmisyjnego mikroskopu elektronowego JEOL 1200EX (JEOL, Tokio, Japonia) wyposażonego w kamerę AMT 2k CCD (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, Massachusetts, USA).
Wszystkie doświadczenia przeprowadzono w trzech powtórzeniach.Dla każdego punktu czasowego popłuczyny bakteryjne wysiano w trzech powtórzeniach, uzyskując w sumie dziewięć punktów danych na punkt, z których średnią zastosowano jako stężenie bakterii dla tego konkretnego mikroorganizmu.Jako błąd pomiaru przyjęto odchylenie standardowe.Liczą się wszystkie punkty.
Logarytm spadku stężenia bakterii w porównaniu do t = 0 min obliczono ze wzoru:
gdzie C0 to stężenie bakterii w próbce kontrolnej w czasie 0 (tj. po wyschnięciu powierzchni, ale przed umieszczeniem w komorze), a Cn to stężenie bakterii na powierzchni po n minutach ekspozycji.
Aby uwzględnić naturalną degradację bakterii podczas 45-minutowej ekspozycji, logarytm redukcji w porównaniu z kontrolą po 45 minutach również obliczono w następujący sposób:
gdzie Cn to stężenie bakterii w próbce kontrolnej w czasie n, a Cn-Control to stężenie bakterii kontrolnych w czasie n.Dane przedstawiono jako logarytm redukcji w porównaniu z kontrolą (bez ekspozycji na EWNS).
Podczas badania oceniono kilka kombinacji napięcia i odległości między igłą a przeciwelektrodą pod względem formowania stożka Taylora, stabilności stożka Taylora, stabilności produkcji EWNS i powtarzalności.Różne kombinacje przedstawiono w tabeli dodatkowej S1.Do kompleksowych badań wybrano dwa przypadki wykazujące stabilne i powtarzalne właściwości (stożek Taylora, generowanie EWNS i stabilność w czasie).na ryc.Rysunek 3 przedstawia wyniki dla ładunku, wielkości i zawartości ROS w obu przypadkach.Wyniki przedstawiono również w Tabeli 1. Dla odniesienia, zarówno Figura 3, jak i Tabela 1 zawierają właściwości wcześniej zsyntetyzowanej niezoptymalizowanej EWNS8, 9, 10, 11 (podstawowa EWNS).Obliczenia istotności statystycznej przy użyciu dwustronnego testu t zostały ponownie opublikowane w tabeli dodatkowej S2.Ponadto dodatkowe dane obejmują badania wpływu średnicy otworu do pobierania próbek przeciwelektrody (D) i odległości między elektrodą uziemiającą a końcówką (L) (rysunki uzupełniające S2 i S3).
(ac) Dystrybucja wielkości mierzona za pomocą AFM.(df) Charakterystyka ładunku powierzchniowego.(g) Charakterystyka ROS EPR.
Należy również zauważyć, że dla wszystkich powyższych warunków zmierzony prąd jonizacji wynosił od 2 do 6 μA, a napięcie od -3,8 do -6,5 kV, co skutkowało poborem mocy mniejszym niż 50 mW dla tego pojedynczego modułu kontaktowego generacji EWNS.Chociaż EWNS zsyntetyzowano pod wysokim ciśnieniem, poziomy ozonu były bardzo niskie, nigdy nie przekraczając 60 ppb.
Rysunek dodatkowy S4 pokazuje symulowane pola elektryczne odpowiednio dla scenariuszy [-6, 5 kV, 4, 0 cm] i [-3, 8 kV, 0, 5 cm].Dla scenariuszy [-6,5 kV, 4,0 cm] i [-3,8 kV, 0,5 cm] obliczenia pola wynoszą odpowiednio 2 × 105 V/m i 4,7 × 105 V/m.Jest to oczekiwane, ponieważ w drugim przypadku stosunek napięcia do odległości jest znacznie wyższy.
na ryc.3a,b pokazuje średnicę EWNS zmierzoną za pomocą AFM8.Obliczone średnie średnice EWNS wynosiły odpowiednio 27 nm i 19 nm dla schematów [-6,5 kV, 4,0 cm] i [-3,8 kV, 0,5 cm].Dla scenariuszy [-6,5 kV, 4,0 cm] i [-3,8 kV, 0,5 cm] geometryczne odchylenia standardowe rozkładów wynoszą odpowiednio 1,41 i 1,45, co wskazuje na wąski rozkład wielkości.Zarówno średni rozmiar, jak i geometryczne odchylenie standardowe są bardzo zbliżone do linii bazowej EWNS, odpowiednio przy 25 nm i 1,41.na ryc.3c przedstawia rozkład wielkości podstawowego EWNS zmierzony przy użyciu tej samej metody w tych samych warunkach.
na ryc.3d,e przedstawia wyniki charakteryzacji ładunku.Dane to średnie pomiary z 30 jednoczesnych pomiarów stężenia (#/cm3) i prądu (I).Z analizy wynika, że ​​średni ładunek na EWNS wynosi odpowiednio 22 ± 6 e- i 44 ± 6 e- dla [-6,5 kV, 4,0 cm] i [-3,8 kV, 0,5 cm].Mają znacznie wyższe ładunki powierzchniowe w porównaniu z podstawowym EWNS (10 ± 2 e-), dwa razy większe niż w scenariuszu [-6,5 kV, 4,0 cm] i cztery razy większe niż w scenariuszu [-3,8 kV, 0,5 cm].Rysunek 3f przedstawia ładunek.dane dla linii bazowej-EWNS.
Z map stężeń numeru EWNS (rysunki uzupełniające S5 i S6) widać, że scenariusz [-6, 5 kV, 4, 0 cm] ma znacznie więcej cząstek niż scenariusz [-3, 8 kV, 0, 5 cm].Warto również zauważyć, że stężenie liczby EWNS monitorowano do 4 godzin (rysunki uzupełniające S5 i S6), gdzie stabilność generacji EWNS wykazała te same poziomy stężenia liczby cząstek w obu przypadkach.
na ryc.3g pokazuje widmo EPR po odjęciu zoptymalizowanej kontroli EWNS (tło) przy [-6,5 kV, 4,0 cm].Widma ROS porównano również ze scenariuszem Baseline-EWNS we wcześniej opublikowanej pracy.Liczba EWNS reagujących z pułapkami spinowymi została obliczona na 7,5 × 104 EWNS / s, co jest podobne do wcześniej opublikowanej linii bazowej-EWNS8.Widma EPR wyraźnie wykazały obecność dwóch typów RFT, przy czym O2- jest dominującym gatunkiem, a OH• występuje w mniejszej ilości.Ponadto bezpośrednie porównanie intensywności pików wykazało, że zoptymalizowany EWNS miał znacznie wyższą zawartość ROS w porównaniu z podstawowym EWNS.
na ryc.4 przedstawia wydajność osadzania EWNS w EPES.Dane podsumowano również w Tabeli I i porównano z oryginalnymi danymi EWNS.W obu przypadkach EUNS osadzanie jest bliskie 100% nawet przy niskim napięciu 3,0 kV.Zwykle 3,0 kV wystarcza do 100% osadzania, niezależnie od zmiany ładunku powierzchniowego.W tych samych warunkach wydajność osadzania Baseline-EWNS wyniosła zaledwie 56% ze względu na ich niższy ładunek (średnio 10 elektronów na EWNS).
na ryc.5 i w tabeli.2 podsumowuje wartość inaktywacji mikroorganizmów zaszczepionych na powierzchni pomidorów po ekspozycji na około 40 000 #/cm3 EWNS przez 45 minut w trybie optymalnym [-6,5 kV, 4,0 cm].Zaszczepione E. coli i Lactobacillus innocuous wykazały znaczną redukcję o 3,8 log podczas 45-minutowej ekspozycji.W tych samych warunkach S. enterica miała spadek o 2,2 log, podczas gdy S. cerevisiae i M. parafortutum miały spadek o 1,0 log.
Mikrografie elektronowe (ryc. 6) przedstawiają fizyczne zmiany wywołane przez EWNS na nieszkodliwych komórkach Escherichia coli, Streptococcus i Lactobacillus, prowadzące do ich inaktywacji.Bakterie kontrolne miały nienaruszone błony komórkowe, podczas gdy eksponowane bakterie miały uszkodzone błony zewnętrzne.
Obrazowanie pod mikroskopem elektronowym bakterii kontrolnych i eksponowanych ujawniło uszkodzenie błony.
Dane dotyczące właściwości fizykochemicznych zoptymalizowanego EWNS łącznie pokazują, że właściwości (ładunek powierzchniowy i zawartość ROS) EWNS uległy znacznej poprawie w porównaniu z poprzednio opublikowanymi danymi podstawowymi EWNS8,9,10,11.Z drugiej strony, ich rozmiar pozostawał w zakresie nanometrów, bardzo podobny do wcześniej zgłaszanych wyników, co pozwalało im pozostawać w powietrzu przez długi czas.Obserwowaną polidyspersyjność można wytłumaczyć zmianami ładunku powierzchniowego, które determinują wielkość EWNS, losowością efektu Rayleigha i potencjalną koalescencją.Jednakże, jak szczegółowo opisali Nielsen i in.22, wysoki ładunek powierzchniowy zmniejsza parowanie, skutecznie zwiększając energię powierzchniową/napięcie kropli wody.W naszej poprzedniej publikacji8 teoria ta została potwierdzona eksperymentalnie dla mikrokropelek 22 i EWNS.Utrata ładunku w godzinach nadliczbowych może również wpłynąć na rozmiar i przyczynić się do obserwowanego rozkładu rozmiaru.