Vă mulțumim că ați vizitat Nature.com.Versiunea de browser pe care o utilizați are suport limitat pentru CSS.Pentru cea mai bună experiență, vă recomandăm să utilizați un browser actualizat (sau să dezactivați Modul de compatibilitate în Internet Explorer).Între timp, pentru a asigura suport continuu, vom reda site-ul fără stiluri și JavaScript.
Un carusel care arată trei diapozitive în același timp.Utilizați butoanele Anterior și Următorul pentru a vă deplasa prin trei diapozitive simultan sau utilizați butoanele glisante de la sfârșit pentru a vă deplasa prin trei diapozitive simultan.
Recent, a fost dezvoltată o platformă antimicrobiană fără substanțe chimice bazată pe nanotehnologie care utilizează nanostructuri de apă artificială (EWNS).EWNS au o sarcină de suprafață mare și sunt saturate cu specii reactive de oxigen (ROS) care pot interacționa cu și inactiva o serie de microorganisme, inclusiv agenți patogeni de origine alimentară.Aici se arată că proprietățile lor în timpul sintezei pot fi reglate fin și optimizate pentru a spori și mai mult potențialul lor antibacterian.Platforma de laborator EWNS a fost concepută pentru a ajusta proprietățile EWNS prin modificarea parametrilor de sinteză.Caracterizarea proprietăților EWNS (încărcare, dimensiune și conținut ROS) folosind metode analitice moderne.În plus, au fost evaluați pentru potențialul lor de inactivare microbiană împotriva microorganismelor de origine alimentară, cum ar fi Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocuous, Mycobacterium paraaccidentum și Saccharomyces cerevisiae.Rezultatele prezentate aici demonstrează că proprietățile EWNS pot fi reglate fin în timpul sintezei, rezultând o creștere exponențială a eficienței de inactivare.În special, sarcina de suprafață a crescut cu un factor de patru și speciile reactive de oxigen au crescut.Rata de îndepărtare microbiană a fost dependentă de microbi și a variat de la 1,0 la 3,8 log după o expunere de 45 de minute la o doză de aerosoli de 40.000 #/cc EWNS.
Contaminarea microbiană este principala cauză a bolilor de origine alimentară cauzate de ingestia agenților patogeni sau a toxinelor acestora.Numai în Statele Unite, bolile de origine alimentară cauzează aproximativ 76 de milioane de îmbolnăviri, 325.000 de internări în spital și 5.000 de decese în fiecare an1.În plus, Departamentul pentru Agricultură al Statelor Unite (USDA) estimează că consumul crescut de produse proaspete este responsabil pentru 48% din toate bolile transmise prin alimente raportate în Statele Unite2.Costul bolilor și al decesului cauzat de agenții patogeni de origine alimentară în Statele Unite este foarte mare, estimat de Centrele pentru Controlul și Prevenirea Bolilor (CDC) la peste 15,6 miliarde USD pe an3.
În prezent, intervențiile antimicrobiene chimice4, radiologice5 și termice6 pentru a asigura siguranța alimentelor se desfășoară în mare parte în puncte critice de control limitate (CCP) de-a lungul lanțului de producție (de obicei după recoltare și/sau în timpul ambalării), mai degrabă decât în ​​mod continuu.astfel, ele sunt predispuse la contaminare încrucișată.7. Un control mai bun al bolilor de origine alimentară și al deteriorării alimentelor necesită intervenții antimicrobiene care pot fi aplicate potențial pe întregul continuum de la fermă la masă, reducând în același timp impactul și costurile asupra mediului.
Recent, a fost dezvoltată o platformă antimicrobiană fără substanțe chimice, bazată pe nanotehnologie, care poate inactiva bacteriile de suprafață și din aer folosind nanostructuri artificiale de apă (EWNS).EWNS a fost sintetizat folosind două procese paralele, electrospray și ionizare cu apă (Fig. 1a).Studiile anterioare au arătat că EWNS au un set unic de proprietăți fizice și biologice8,9,10.EWNS au o medie de 10 electroni pe structură și o dimensiune medie la scară nanometrică de 25 nm (Fig. 1b, c)8,9,10.În plus, rezonanța spinului electronic (ESR) a arătat că EWNS conține o cantitate mare de specii reactive de oxigen (ROS), în principal radicali hidroxil (OH•) și superoxid (O2-) (Fig. 1c)8.EVNS este în aer pentru o lungă perioadă de timp și se poate ciocni cu microorganismele suspendate în aer și prezente la suprafață, furnizând sarcina lor utilă de ROS și provocând inactivarea microorganismelor (Fig. 1d).Aceste studii timpurii au arătat, de asemenea, că EWNS poate interacționa cu și inactiva diverse bacterii gram-negative și gram-pozitive, inclusiv micobacterii, pe suprafețe și în aer.Microscopia electronică cu transmisie a arătat că inactivarea a fost cauzată de distrugerea membranei celulare.În plus, studiile de inhalare acută au arătat că dozele mari de EWNS nu provoacă leziuni pulmonare sau inflamații 8 .
(a) Electropulverizarea are loc atunci când se aplică o tensiune înaltă între un tub capilar care conține lichid și un contraelectrod.(b) Aplicarea presiunii înalte are ca rezultat două fenomene diferite: (i) electropulverizarea apei și (ii) formarea de specii reactive de oxigen (ioni) prinse în EWNS.(c) Structura unică a EWNS.(d) Datorită naturii lor la scară nanometrică, EWNS sunt foarte mobile și pot interacționa cu agenții patogeni din aer.
Recent a fost demonstrată și capacitatea platformei antimicrobiene EWNS de a inactiva microorganismele alimentare de pe suprafața alimentelor proaspete.De asemenea, s-a demonstrat că sarcina de suprafață a EWNS în combinație cu un câmp electric poate fi utilizată pentru a obține livrarea țintită.Mai mult, rezultatele preliminare pentru roșiile organice după o expunere de 90 de minute la un EWNS de aproximativ 50.000 #/cm3 au fost încurajatoare, cu diferite microorganisme de origine alimentară, cum ar fi E. coli și Listeria 11.În plus, testele organoleptice preliminare nu au arătat efecte senzoriale în comparație cu roșiile martor.Deși aceste rezultate inițiale de inactivare sunt încurajatoare pentru aplicațiile de siguranță alimentară chiar și la doze foarte mici de EWNS de 50.000#/cc.vezi, este clar că un potențial de inactivare mai mare ar fi mai benefic pentru a reduce și mai mult riscul de infecție și alterare.
Aici, ne vom concentra cercetările pe dezvoltarea unei platforme de generare EWNS pentru a permite reglarea fină a parametrilor de sinteză și optimizarea proprietăților fizico-chimice ale EWNS pentru a spori potențialul lor antibacterian.În special, optimizarea s-a concentrat pe creșterea încărcăturii lor de suprafață (pentru a îmbunătăți livrarea țintită) și a conținutului ROS (pentru a îmbunătăți eficiența de inactivare).Caracterizați proprietățile fizico-chimice optimizate (dimensiune, încărcătură și conținut de ROS) folosind metode analitice moderne și utilizați microorganisme alimentare comune, cum ar fi E. .
EVNS a fost sintetizat prin electropulverizare și ionizare simultană a apei de înaltă puritate (18 MΩ cm–1).Nebulizatorul electric 12 este utilizat în mod obișnuit pentru atomizarea lichidelor și sinteza particulelor de polimer și ceramică 13 și fibre 14 de dimensiune controlată.
După cum se detaliază în publicațiile anterioare 8, 9, 10, 11, într-un experiment tipic, a fost aplicată o tensiune înaltă între un capilar metalic și un contraelectrod împământat.În timpul acestui proces, apar două fenomene diferite: i) electrospray și ii) ionizarea apei.Un câmp electric puternic între cei doi electrozi determină acumularea de sarcini negative pe suprafața apei condensate, ducând la formarea conurilor Taylor.Ca rezultat, se formează picături de apă foarte încărcate, care continuă să se spargă în particule mai mici, ca în teoria Rayleigh16.În același timp, câmpurile electrice puternice fac ca unele molecule de apă să se scindeze și să elimine electronii (ionizarea), ceea ce duce la formarea unei cantități mari de specii reactive de oxigen (ROS)17.ROS18 generat simultan a fost încapsulat în EWNS (Fig. 1c).
Pe fig.2a prezintă sistemul de generare EWNS dezvoltat și utilizat în sinteza EWNS în acest studiu.Apa purificată stocată într-o sticlă închisă a fost alimentată printr-un tub de teflon (2 mm diametru interior) într-un ac de oțel inoxidabil de 30G (capilar metalic).Debitul de apă este controlat de presiunea aerului din interiorul sticlei, așa cum se arată în Figura 2b.Acul este montat pe o consolă de teflon și poate fi reglat manual la o anumită distanță de contraelectrodul.Contraelectrodul este un disc de aluminiu lustruit cu un orificiu în centru pentru prelevare.Sub contraelectrod este o pâlnie de eșantionare din aluminiu, care este conectată la restul configurației experimentale printr-un port de eșantionare (Fig. 2b).Pentru a evita acumularea de încărcare care ar putea perturba funcționarea prelevatorului, toate componentele eșantionului sunt împământate electric.
(a) Sistemul de generare a nanostructurilor de apă (EWNS).(b) Secțiunea transversală a eșantionului și a electrosprayului, arătând cei mai importanți parametri.(c) Configurare experimentală pentru inactivarea bacteriilor.
Sistemul de generare EWNS descris mai sus este capabil să modifice parametrii cheie de operare pentru a facilita reglarea fină a proprietăților EWNS.Reglați tensiunea aplicată (V), distanța dintre ac și contraelectrodul (L) și debitul de apă (φ) prin capilar pentru a regla fin caracteristicile EWNS.Simbol folosit pentru a reprezenta diferite combinații: [V (kV), L (cm)].Reglați debitul de apă pentru a obține un con Taylor stabil de un anumit set [V, L].În scopul acestui studiu, diametrul deschiderii contraelectrodului (D) a fost menținut la 0,5 inchi (1,29 cm).
Din cauza geometriei și asimetriei limitate, puterea câmpului electric nu poate fi calculată din primele principii.În schimb, software-ul QuickField™ (Svendborg, Danemarca)19 a fost folosit pentru a calcula câmpul electric.Câmpul electric nu este uniform, astfel încât valoarea câmpului electric de la vârful capilarului a fost folosită ca valoare de referință pentru diferite configurații.
În timpul studiului, au fost evaluate mai multe combinații de tensiune și distanță dintre ac și contraelectrod în ceea ce privește formarea conului Taylor, stabilitatea conului Taylor, stabilitatea producției EWNS și reproductibilitatea.Diverse combinații sunt prezentate în tabelul suplimentar S1.
Ieșirea sistemului de generare EWNS a fost conectată direct la un analizor de dimensiunea particulelor de mobilitate de scanare (SMPS, Model 3936, TSI, Shoreview, MN) pentru măsurarea concentrației numărului de particule, precum și la un electrometru Faraday cu aerosol (TSI, Model 3068B, Shoreview, MN).) pentru curenții de aerosoli a fost măsurat așa cum este descris în publicația noastră anterioară.Atât SMPS, cât și electrometrul cu aerosoli prelevați probe la un debit de 0,5 L/min (debit total de probă 1 L/min).Concentrația numărului de particule și debitul de aerosoli au fost măsurate timp de 120 de secunde.Măsurarea se repetă de 30 de ori.Pe baza măsurătorilor curente, se calculează încărcătura totală de aerosoli și se estimează încărcarea medie EWNS pentru un anumit număr total de particule EWNS selectate.Costul mediu al EWNS poate fi calculat folosind ecuația (1):
unde IEl este curentul măsurat, NSMPS este concentrația digitală măsurată cu SMPS și φEl este debitul pe electrometru.
Deoarece umiditatea relativă (RH) afectează sarcina de suprafață, temperatura și (RH) au fost menținute constante în timpul experimentului la 21°C și, respectiv, 45%.
Microscopia cu forță atomică (AFM), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Santa Barbara, CA) și sonda AC260T (Olympus, Tokyo, Japonia) au fost folosite pentru a măsura dimensiunea și durata de viață a EWNS.Frecvența de scanare AFM a fost de 1 Hz, zona de scanare a fost de 5 μm × 5 μm și 256 de linii de scanare.Toate imaginile au fost supuse alinierii imaginii de ordinul 1 folosind software-ul Asylum (gamă de măști 100 nm, pragul 100 pm).
Pâlnia de testare a fost îndepărtată și suprafața de mica a fost plasată la o distanță de 2,0 cm de contraelectrodul pentru un timp mediu de 120 s pentru a evita aglomerarea particulelor și formarea de picături neregulate pe suprafața de mica.EWNS a fost pulverizat direct pe suprafața mica proaspăt tăiată (Ted Pella, Redding, CA).Imagine a suprafeței mica imediat după pulverizarea AFM.Unghiul de contact al suprafeței micii proaspăt tăiate nemodificate este aproape de 0°, astfel încât EVNS este distribuit pe suprafața micii sub forma unui dom.Diametrul (a) și înălțimea (h) picăturilor care difuzează au fost măsurate direct din topografia AFM și utilizate pentru a calcula volumul de difuzie în formă de cupolă EWNS folosind metoda noastră validată anterior.Presupunând că EWNS la bord are același volum, diametrul echivalent poate fi calculat folosind ecuația (2):
Pe baza metodei noastre dezvoltate anterior, a fost utilizată o capcană de spin prin rezonanță electron spin (ESR) pentru a detecta prezența intermediarilor radicali de scurtă durată în EWNS.Aerosolii au fost barbotati printr-un sparger Midget de 650 μm (Ace Glass, Vineland, NJ) care conține o soluție 235 mM de DEPMPO (5-(dietoxifosforil)-5-metil-1-pirolină-N-oxid) (Oxis International Inc.).Portland, Oregon).Toate măsurătorile ESR au fost efectuate folosind un spectrometru Bruker EMX (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, SUA) și o celulă cu ecran plat.Software-ul Acquisit (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, SUA) a fost folosit pentru a colecta și analiza datele.Determinarea caracteristicilor ROS a fost efectuată numai pentru un set de condiții de funcționare [-6,5 kV, 4,0 cm].Concentrațiile EWNS au fost măsurate folosind SMPS după contabilizarea pierderilor EWNS în elementul de lovire.
Nivelurile de ozon au fost monitorizate folosind un monitor de ozon 205 Dual Beam™ (2B Technologies, Boulder, Co)8,9,10.
Pentru toate proprietățile EWNS, valoarea medie este utilizată ca valoare de măsurare, iar abaterea standard este utilizată ca eroare de măsurare.Au fost efectuate teste T pentru a compara valorile atributelor EWNS optimizate cu valorile corespunzătoare ale EWNS de bază.
Figura 2c prezintă un sistem de „tragere” de precipitare electrostatică (EPES) dezvoltat și caracterizat anterior, care poate fi utilizat pentru livrarea țintită a EWNS la suprafață.EPES folosește încărcături EVNS care pot fi „ghidate” direct la suprafața țintei sub influența unui câmp electric puternic.Detaliile sistemului EPES sunt prezentate într-o publicație recentă a lui Pyrgiotakis și colab.11 .Astfel, EPES constă dintr-o cameră din PVC imprimată 3D cu capete conice și conține două plăci metalice paralele din oțel inoxidabil (oțel inoxidabil 304, acoperite cu oglindă) în centru, la 15,24 cm una de cealaltă.Plăcile au fost conectate la o sursă externă de înaltă tensiune (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY), placa de jos a fost întotdeauna conectată la tensiune pozitivă, iar placa de sus a fost întotdeauna conectată la masă (sol plutitor).Pereții camerei sunt acoperiți cu folie de aluminiu, care este împământat electric pentru a preveni pierderea de particule.Camera are o ușă de încărcare frontală sigilată care permite suprafețelor de testare să fie plasate pe suporturi din plastic care le ridică deasupra plăcii de metal inferioară pentru a evita interferența de înaltă tensiune.
Eficiența depunerii EWNS în EPES a fost calculată conform unui protocol dezvoltat anterior, detaliat în Figura suplimentară S111.
Ca cameră de control, o a doua cameră de curgere cilindrică a fost conectată în serie la sistemul EPES, în care a fost folosit un filtru HEPA intermediar pentru a îndepărta EWNS.După cum se arată în Figura 2c, aerosolul EWNS a fost pompat prin două camere încorporate.Filtrul dintre camera de control și EPES elimină orice EWNS rămas, rezultând aceeași temperatură (T), umiditate relativă (RH) și niveluri de ozon.
S-a descoperit că microorganismele alimentare importante contaminează alimente proaspete, cum ar fi E. coli (ATCC #27325), indicator fecal, Salmonella enterica (ATCC #53647), patogen alimentar, Listeria inofensiv (ATCC #33090), surogat pentru patogenul Listeria monocytogenes, derivat din ATCC90, Manassas (cerevisia) un substitut pentru drojdia de alterare și o bacterie inactivată mai rezistentă, Mycobacterium paralucky (ATCC #19686).
Cumpărați la întâmplare cutii de roșii struguri organice de pe piața locală și lăsați-le la frigider la 4°C până la utilizare (până la 3 zile).Roșiile experimentale aveau toate aceeași dimensiune, aproximativ 1/2 inch în diametru.
Protocoalele de cultură, inoculare, expunere și numărarea coloniilor sunt detaliate în publicația noastră anterioară și detaliate în Datele suplimentare.Eficacitatea EWNS a fost evaluată prin expunerea roșiilor inoculate la 40.000 #/cm3 timp de 45 de minute.Pe scurt, trei roșii au fost folosite pentru a evalua microorganismele supraviețuitoare la momentul t = 0 min.Trei roșii au fost plasate în EPES și expuse la EWNS la 40.000 #/cc (roșii expuse EWNS) iar restul de trei au fost plasate în camera de control (rosii de control).Prelucrarea suplimentară a roșiilor în ambele grupuri nu a fost efectuată.Roșiile expuse la EWNS și roșiile martor au fost îndepărtate după 45 de minute pentru a evalua efectul EWNS.
Fiecare experiment a fost efectuat în trei exemplare.Analiza datelor a fost efectuată conform protocolului descris în Date suplimentare.
Mecanismele de inactivare au fost evaluate prin sedimentarea probelor EWNS expuse (45 min la concentrație de aerosoli EWNS de 40.000 #/cm3) și a probelor neiradiate de bacterii inofensive E. coli, Salmonella enterica și Lactobacillus.Particulele au fost fixate în glutaraldehidă 2,5%, paraformaldehidă 1,25% și acid picric 0,03% în tampon cacodilat de sodiu 0,1 M (pH 7,4) timp de 2 ore la temperatura camerei.După spălare, post-fix cu 1% tetroxid de osmiu (OsO4)/1,5% ferocianură de potasiu (KFeCN6) timp de 2 ore, se spală de 3 ori în apă și se incubează în acetat de uranil 1% timp de 1 oră, apoi se spală de două ori în apă, apoi se deshidratează timp de 10 minute în alcool 50%,090%, 0%, 90%.Probele au fost apoi plasate în propilenoxid timp de 1 oră şi impregnate cu un amestec 1:1 de propilenoxid şi TAAP Epon (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA).Probele au fost încorporate în TAAB Epon și polimerizate la 60°C timp de 48 de ore.Rășina granulară întărită a fost tăiată și vizualizată prin TEM utilizând un microscop electronic cu transmisie convențional JEOL 1200EX (JEOL, Tokyo, Japonia) echipat cu o cameră CCD AMT 2k (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, Massachusetts, SUA).
Toate experimentele au fost efectuate în trei exemplare.Pentru fiecare punct de timp, spălările bacteriene au fost însămânțate în trei exemplare, rezultând un total de nouă puncte de date per punct, a căror medie a fost utilizată ca concentrație bacteriană pentru acel microorganism particular.Deviația standard a fost utilizată ca eroare de măsurare.Toate punctele contează.
Logaritmul scăderii concentrației bacteriilor față de t = 0 min a fost calculat folosind următoarea formulă:
unde C0 este concentrația de bacterii din proba martor la momentul 0 (adică după ce suprafața s-a uscat dar înainte de a fi introdusă în cameră) și Cn este concentrația de bacterii de pe suprafață după n minute de expunere.
Pentru a ține seama de degradarea naturală a bacteriilor în timpul expunerii de 45 de minute, reducerea logarului comparativ cu controlul după 45 de minute a fost, de asemenea, calculată după cum urmează:
unde Cn este concentrația bacteriilor din proba de control la momentul n și Cn-Control este concentrația bacteriilor de control la momentul n.Datele sunt prezentate ca o reducere logartică comparativ cu controlul (fără expunere EWNS).
În timpul studiului, au fost evaluate mai multe combinații de tensiune și distanță dintre ac și contraelectrod în ceea ce privește formarea conului Taylor, stabilitatea conului Taylor, stabilitatea producției EWNS și reproductibilitatea.Diverse combinații sunt prezentate în tabelul suplimentar S1.Două cazuri care prezintă proprietăți stabile și reproductibile (conul Taylor, generarea EWNS și stabilitatea în timp) au fost selectate pentru un studiu cuprinzător.Pe fig.Figura 3 arată rezultatele pentru încărcarea, dimensiunea și conținutul ROS în ambele cazuri.Rezultatele sunt prezentate, de asemenea, în Tabelul 1. Pentru referință, atât Figura 3, cât și Tabelul 1 includ proprietățile EWNS8, 9, 10, 11 neoptimizate sintetizate anterior (linia de bază-EWNS).Calculele de semnificație statistică folosind un test t cu două cozi sunt republicate în tabelul suplimentar S2.În plus, datele suplimentare includ studii ale efectului diametrului găurii de eșantionare a contraelectrodului (D) și distanța dintre electrodul de împământare și vârf (L) (Figurile suplimentare S2 și S3).
(ac) Distribuția mărimii măsurată prin AFM.(df) Caracteristica sarcinii de suprafață.(g) caracterizarea ROS a EPR.
De asemenea, este important de reținut că pentru toate condițiile de mai sus, curentul de ionizare măsurat a fost între 2 și 6 μA și tensiunea între -3,8 și -6,5 kV, rezultând un consum de energie mai mic de 50 mW pentru acest modul de contact unic de generație EWNS.Deși EWNS a fost sintetizat la presiune ridicată, nivelurile de ozon au fost foarte scăzute, nu depășind niciodată 60 ppb.
Figura suplimentară S4 arată câmpurile electrice simulate pentru scenariile [-6,5 kV, 4,0 cm] și, respectiv, [-3,8 kV, 0,5 cm].Pentru scenariile [-6,5 kV, 4,0 cm] și [-3,8 kV, 0,5 cm], calculele de câmp sunt 2 × 105 V/m și, respectiv, 4,7 × 105 V/m.Acest lucru este de așteptat, deoarece în al doilea caz raportul tensiune-distanță este mult mai mare.
Pe fig.3a,b arată diametrul EWNS măsurat cu AFM8.Diametrele medii EWNS calculate au fost de 27 nm și 19 nm pentru schemele [-6,5 kV, 4,0 cm] și, respectiv, [-3,8 kV, 0,5 cm].Pentru scenariile [-6,5 kV, 4,0 cm] și [-3,8 kV, 0,5 cm], abaterile standard geometrice ale distribuțiilor sunt 1,41 și, respectiv, 1,45, indicând o distribuție îngustă a dimensiunilor.Atât dimensiunea medie, cât și deviația standard geometrică sunt foarte apropiate de EWNS de bază, la 25 nm și, respectiv, 1,41.Pe fig.3c arată distribuția de mărime a EWNS de bază măsurată folosind aceeași metodă în aceleași condiții.
Pe fig.3d,e arată rezultatele caracterizării sarcinii.Datele sunt măsurători medii a 30 de măsurători simultane ale concentrației (#/cm3) și curentului (I).Analiza arată că sarcina medie pe EWNS este de 22 ± 6 e- și 44 ± 6 e- pentru [-6,5 kV, 4,0 cm] și, respectiv, [-3,8 kV, 0,5 cm].Au sarcini de suprafață semnificativ mai mari în comparație cu EWNS de bază (10 ± 2 e-), de două ori mai mari decât scenariul [-6,5 kV, 4,0 cm] și de patru ori mai mari decât [-3,8 kV, 0,5 cm].Figura 3f prezintă sarcina.date pentru Baseline-EWNS.
Din hărțile de concentrație ale numărului EWNS (Figurile suplimentare S5 și S6), se poate observa că scenariul [-6,5 kV, 4,0 cm] are mult mai multe particule decât scenariul [-3,8 kV, 0,5 cm].De asemenea, este de remarcat faptul că concentrația numărului EWNS a fost monitorizată până la 4 ore (Figurile suplimentare S5 și S6), unde stabilitatea generării EWNS a arătat aceleași niveluri de concentrație a numărului de particule în ambele cazuri.
Pe fig.3g arată spectrul EPR după scăderea controlului EWNS optimizat (fond) la [-6,5 kV, 4,0 cm].Spectrele ROS au fost, de asemenea, comparate cu scenariul Baseline-EWNS într-o lucrare publicată anterior.Numărul de EWNS care reacționează cu capcanele de rotație a fost calculat a fi de 7,5 × 104 EWNS/s, ceea ce este similar cu Baseline-EWNS8 publicat anterior.Spectrele EPR au arătat clar prezența a două tipuri de ROS, cu O2- fiind specia predominantă și OH• fiind mai puțin abundent.În plus, o comparație directă a intensităților de vârf a arătat că EWNS optimizat a avut un conținut de ROS semnificativ mai mare în comparație cu EWNS de bază.
Pe fig.4 prezintă eficiența depunerii EWNS în EPES.Datele sunt, de asemenea, rezumate în Tabelul I și comparate cu datele originale EWNS.Pentru ambele cazuri de EUNS, depunerea este aproape de 100% chiar și la o tensiune joasă de 3,0 kV.De obicei, 3,0 kV este suficient pentru o depunere de 100%, indiferent de modificarea sarcinii de suprafață.În aceleași condiții, eficiența de depunere a Baseline-EWNS a fost de numai 56% datorită încărcării lor mai mici (în medie 10 electroni per EWNS).
Pe fig.5 și în tabel.2 rezumă valoarea de inactivare a microorganismelor inoculate pe suprafața roșiilor după expunerea la aproximativ 40.000 #/cm3 EWNS timp de 45 de minute la modul optim [-6,5 kV, 4,0 cm].E. coli și Lactobacillus inoculate inoculate au arătat o reducere semnificativă de 3,8 log în timpul expunerii de 45 de minute.În aceleași condiții, S. enterica a avut o scădere de 2,2 log, în timp ce S. cerevisiae și M. parafortutum au avut o scădere de 1,0 log.
Micrografiile electronice (Figura 6) descriu modificările fizice induse de EWNS asupra celulelor inofensive de Escherichia coli, Streptococcus și Lactobacillus care conduc la inactivarea acestora.Bacteriile de control aveau membrane celulare intacte, în timp ce bacteriile expuse aveau membranele exterioare deteriorate.
Imagistica microscopică electronică a bacteriilor de control și expuse a evidențiat deteriorarea membranei.
Datele privind proprietățile fizico-chimice ale EWNS optimizate arată în mod colectiv că proprietățile (sarcina de suprafață și conținutul de ROS) ale EWNS au fost îmbunătățite semnificativ în comparație cu datele de bază EWNS publicate anterior8,9,10,11.Pe de altă parte, dimensiunea lor a rămas în intervalul nanometric, foarte asemănătoare cu rezultatele raportate anterior, permițându-le să rămână în aer pentru perioade lungi de timp.Polidispersitatea observată poate fi explicată prin modificări ale sarcinii de suprafață care determină dimensiunea EWNS, caracterul aleatoriu al efectului Rayleigh și potențiala coalescență.Cu toate acestea, așa cum detaliază Nielsen și colab.22, sarcina mare de suprafață reduce evaporarea prin creșterea efectivă a energiei/tensiunii de suprafață a picăturii de apă.În publicația noastră anterioară8, această teorie a fost confirmată experimental pentru micropicăturile 22 și EWNS.Pierderea încărcăturii în timpul orelor suplimentare poate afecta, de asemenea, dimensiunea și poate contribui la distribuția mărimii observată.