Спасибо за посещение Nature.com. Вы используете версию браузера с ограниченной поддержкой CSS. Для наилучшего опыта мы рекомендуем вам использовать обновленный браузер (или отключить режим совместимости в Internet Explorer). Кроме того, для обеспечения постоянной поддержки мы показываем сайт без стилей и JavaScript.
Недавно была разработана антимикробная платформа без химикатов, основанная на нанотехнологиях с использованием искусственных водных наноструктур (EWNS). EWNS имеют высокий поверхностный заряд и богаты активными формами кислорода (ROS), которые могут взаимодействовать с рядом микроорганизмов, включая пищевые патогены, и инактивировать их. Здесь показано, что их свойства во время синтеза могут быть точно настроены и оптимизированы для дальнейшего повышения их антибактериального потенциала. Лабораторная платформа EWNS была разработана для тонкой настройки свойств EWNS путем изменения параметров синтеза. Характеристика свойств EWNS (заряд, размер и содержание ROS) была выполнена с использованием современных аналитических методов. Кроме того, пищевые микроорганизмы, такие как Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocua, Mycobacterium para fortitum и Saccharomyces cerevisiae, были инокулированы на поверхность органических виноградных томатов для оценки их потенциала микробной инактивации. Представленные здесь результаты показывают, что свойства EWNS можно точно настроить во время синтеза, что приводит к экспоненциальному увеличению эффективности инактивации. В частности, поверхностный заряд увеличился в четыре раза, а содержание ROS увеличилось. Скорость удаления микробов зависела от микробов и варьировалась от 1,0 до 3,8 log после 45 минут воздействия аэрозольной дозы 40 000 #/см3 EWNS.
Микробное загрязнение является основной причиной пищевых заболеваний, вызванных употреблением в пищу патогенов или их токсинов. Пищевые заболевания являются причиной около 76 миллионов заболеваний, 325 000 госпитализаций и 5 000 смертей ежегодно только в Соединенных Штатах1. Кроме того, Министерство сельского хозяйства США (USDA) оценивает, что повышенное потребление свежих продуктов является причиной 48 процентов всех пищевых заболеваний, зарегистрированных в Соединенных Штатах2. Стоимость болезней и смертей от пищевых патогенов в Соединенных Штатах очень высока и оценивается Центрами по контролю и профилактике заболеваний (CDC) более чем в 15,6 млрд долларов США в год3.
В настоящее время химические4, радиационные5 и термические6 антимикробные вмешательства для обеспечения безопасности пищевых продуктов в основном реализуются в ограниченных критических контрольных точках (ККТ) в производственной цепочке (обычно после сбора урожая и/или во время упаковки), а не реализуются постоянно таким образом, что свежие продукты подвергаются перекрестному загрязнению7. Антимикробные вмешательства необходимы для лучшего контроля пищевых заболеваний и порчи пищевых продуктов и имеют потенциал для применения на всем протяжении от фермы до стола. Меньше воздействия и затрат.
Недавно была разработана антимикробная платформа на основе нанотехнологий, не содержащая химикатов, для инактивации бактерий на поверхностях и в воздухе с использованием искусственных водных наноструктур (EWNS). Для синтеза EVNS использовались два параллельных процесса: электрораспыление и ионизация воды (рис. 1a). Ранее было показано, что EWNS обладают уникальным набором физических и биологических свойств8,9,10. EWNS имеет в среднем 10 электронов на структуру и средний размер нанометра 25 нм (рис. 1b,c)8,9,10. Кроме того, электронный спиновый резонанс (ESR) показал, что EWNS содержат большое количество активных форм кислорода (ROS), в основном гидроксильных (OH•) и супероксидных (O2-) радикалов (рис. 1c)8. EWNS оставались в воздухе в течение длительного времени и могли сталкиваться с микробами, взвешенными в воздухе и присутствующими на поверхностях, доставляя свою полезную нагрузку ROS и вызывая микробную инактивацию (рис. 1d). Эти более ранние исследования также показали, что EWNS может взаимодействовать с различными грамотрицательными и грамположительными бактериями, имеющими значение для общественного здравоохранения, включая микобактерии, и инактивировать их на поверхностях и в воздухе8,9. Трансмиссионная электронная микроскопия показала, что инактивация была вызвана нарушением клеточной мембраны. Кроме того, исследования острого вдыхания показали, что высокие дозы EWNS не вызывают повреждения или воспаления легких8.
(a) Электрораспыление происходит, когда высокое напряжение подается между капилляром, содержащим жидкость, и противоэлектродом. (b) Приложение высокого напряжения приводит к двум различным явлениям: (i) электрораспылению воды и (ii) образованию активных форм кислорода (ионов), удерживаемых в EWNS. (c) Уникальная структура EWNS. (d) EWNS очень мобильны из-за своей наномасштабной природы и могут взаимодействовать с патогенами, переносимыми по воздуху.
Недавно также была продемонстрирована способность антимикробной платформы EWNS инактивировать пищевые микроорганизмы на поверхности свежих продуктов. Также было показано, что поверхностный заряд EWNS может использоваться в сочетании с электрическим полем для целенаправленной доставки. Что еще более важно, многообещающий начальный результат приблизительно 1,4 log снижения активности органических томатов против различных пищевых микроорганизмов, таких как E. coli и Listeria, наблюдался в течение 90 минут воздействия EWNS в концентрации приблизительно 50 000 #/см311. Кроме того, предварительные органолептические оценочные тесты не показали органолептического эффекта по сравнению с контрольным томатом. Хотя эти начальные результаты инактивации обещают безопасность пищевых продуктов даже при очень низких дозах EWNS 50 000 #/см3, очевидно, что более высокий потенциал инактивации был бы более полезным для дальнейшего снижения риска заражения и порчи.
Здесь мы сосредоточим наши исследования на разработке платформы генерации EWNS для точной настройки параметров синтеза и оптимизации физико-химических свойств EWNS для повышения их антибактериального потенциала. В частности, оптимизация была сосредоточена на увеличении их поверхностного заряда (для улучшения целевой доставки) и содержания ROS (для повышения эффективности инактивации). Характеристика оптимизированных физико-химических свойств (размер, заряд и содержание ROS) с использованием современных аналитических методов и с использованием распространенных пищевых микроорганизмов, таких как E. coli, S. enterica, L. innocua, S. cerevisiae и M. parafortuitum.
EVNS был синтезирован путем одновременного электрораспыления и ионизации высокочистой воды (18 МОм см–1). Электрический распылитель 12 обычно используется для распыления жидкостей и синтетических полимерных и керамических частиц 13 и волокон 14 контролируемого размера.
Как подробно описано в предыдущих публикациях 8, 9, 10, 11, в типичном эксперименте высокое напряжение подается между металлическим капилляром и заземленным противоэлектродом. Во время этого процесса происходят два различных явления: 1) электрораспыление и 2) ионизация воды. Сильное электрическое поле между двумя электродами вызывает накопление отрицательных зарядов на поверхности конденсированной воды, что приводит к образованию конусов Тейлора. В результате образуются сильно заряженные капли воды, которые продолжают распадаться на более мелкие частицы, согласно теории Рэлея16. В то же время сильное электрическое поле заставляет некоторые молекулы воды расщепляться и отрывать электроны (ионизация), тем самым генерируя большое количество активных форм кислорода (ROS)17. Одновременно генерируемые пакеты ROS18 были инкапсулированы в EWNS (рис. 1c).
На рис. 2а показана система генерации EWNS, разработанная и использованная в синтезе EWNS в этом исследовании. Очищенная вода, хранящаяся в закрытой бутылке, подавалась через тефлоновую трубку (внутренний диаметр 2 мм) в иглу из нержавеющей стали 30G (металлический капилляр). Как показано на рис. 2б, поток воды контролируется давлением воздуха внутри бутылки. Игла прикреплена к тефлоновой консоли, которую можно вручную отрегулировать на определенное расстояние от противоэлектрода. Противоэлектрод представляет собой полированный алюминиевый диск с отверстием посередине для отбора проб. Под противоэлектродом находится алюминиевая воронка для отбора проб, которая соединена с остальной частью экспериментальной установки через порт отбора проб (рис. 2б). Все компоненты пробоотборника электрически заземлены, чтобы избежать накопления заряда, который может ухудшить отбор частиц.
(a) Система генерации инженерных водных наноструктур (EWNS). (b) Поперечное сечение пробоотборника и электрораспылительного блока, показывающее наиболее важные параметры. (c) Экспериментальная установка для инактивации бактерий.
Описанная выше система генерации EWNS способна изменять ключевые рабочие параметры для облегчения тонкой настройки свойств EWNS. Отрегулируйте приложенное напряжение (V), расстояние между иглой и противоэлектродом (L) и поток воды (φ) через капилляр для тонкой настройки характеристик EWNS. Символы [V (кВ), L (см)] используются для обозначения различных комбинаций. Отрегулируйте поток воды, чтобы получить стабильный конус Тейлора определенного набора [V, L]. Для целей данного исследования апертура противоэлектрода (D) была установлена ​​на уровне 0,5 дюйма (1,29 см).
Из-за ограниченной геометрии и асимметрии напряженность электрического поля не может быть рассчитана из первых принципов. Вместо этого для расчета электрического поля использовалось программное обеспечение QuickField™ (Свенборг, Дания)19. Электрическое поле не является однородным, поэтому значение электрического поля на кончике капилляра использовалось в качестве опорного значения для различных конфигураций.
В ходе исследования оценивались несколько комбинаций напряжения и расстояния между иглой и противоэлектродом с точки зрения формирования конуса Тейлора, стабильности конуса Тейлора, стабильности производства EWNS и воспроизводимости. Различные комбинации показаны в дополнительной таблице S1.
Выход системы генерации EWNS был напрямую подключен к сканирующему измерителю подвижности частиц (SMPS, модель 3936, TSI, Shoreview, Minnesota) для измерения концентрации частиц и использовался с аэрозольным электрометром Фарадея (TSI, модель 3068B, Shoreview, USA). MN) для измерения потоков аэрозолей, как описано в нашей предыдущей публикации9. Как SMPS, так и аэрозольный электрометр отбирали пробы со скоростью потока 0,5 л/мин (общий поток пробы 1 л/мин). Концентрации частиц и потоки аэрозолей измерялись в течение 120 с. Повторите измерение 30 раз. Общий заряд аэрозоля рассчитывается на основе текущих измерений, а средний заряд EWNS оценивается на основе общего количества отобранных частиц EWNS. Среднюю стоимость EWNS можно рассчитать с помощью уравнения (1):
где IEl — измеренный ток, NSMPS — числовая концентрация, измеренная с помощью SMPS, а φEl — скорость потока в электрометр.
Поскольку относительная влажность (RH) влияет на поверхностный заряд, во время эксперимента температура и (RH) поддерживались постоянными на уровне 21°C и 45% соответственно.
Для измерения размера и срока службы EWNS использовались атомно-силовая микроскопия (АСМ), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Санта-Барбара, Калифорния) и зонд AC260T (Olympus, Токио, Япония). Частота сканирования АСМ составляет 1 Гц, а область сканирования составляет 5 мкм×5 мкм с 256 линиями сканирования. Все изображения были подвергнуты выравниванию изображений первого порядка с использованием программного обеспечения Asylum (маска с диапазоном 100 нм и порогом 100 пм).
Удалите воронку для отбора проб и поместите поверхность слюды на расстоянии 2,0 см от противоэлектрода на среднее время 120 с, чтобы избежать коалесценции частиц и образования нерегулярных капель на поверхности слюды. EWNS наносили непосредственно на свежесрезанные поверхности слюды (Ted Pella, Redding, CA). Сразу после напыления поверхность слюды визуализировали с помощью АСМ. Угол контакта поверхности свежесрезанной немодифицированной слюды близок к 0°, поэтому EWNS распространяется по поверхности слюды в куполообразной форме20. Диаметр (a) и высота (h) диффундирующих капель измеряли непосредственно из топографии АСМ и использовали для расчета куполообразного диффузионного объема EWNS с использованием нашего ранее проверенного метода8. Предполагая, что бортовой EVNS имеет тот же объем, эквивалентный диаметр можно рассчитать из уравнения (2):
В соответствии с нашим ранее разработанным методом, для обнаружения присутствия короткоживущих радикальных промежуточных продуктов в EWNS использовалась спиновая ловушка электронного парамагнитного резонанса (ESR). Аэрозоли пропускались через раствор, содержащий 235 мМ DEPMPO (5-(диэтоксифосфорил)-5-метил-1-пирролин-N-оксид) (Oxis International Inc., Портленд, Орегон). Все измерения ЭПР проводились с использованием спектрометра Bruker EMX (Bruker Instruments Inc., Биллерика, Массачусетс, США) и плоских ячеистых матриц. Для сбора и анализа данных использовалось программное обеспечение Acquisit (Bruker Instruments Inc., Биллерика, Массачусетс, США). Характеристика ROS проводилась только для набора рабочих условий [-6,5 кВ, 4,0 см]. Концентрации EWNS измерялись с помощью SMPS после учета потери EWNS в импакторе.
Уровень озона контролировался с помощью двухлучевого озонового монитора 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Боулдер, Колорадо)8,9,10.
Для всех свойств EWNS значение измерения является средним значением измерений, а ошибка измерения является стандартным отклонением. Для сравнения значения оптимизированного атрибута EWNS с соответствующим значением базового EWNS был проведен t-тест.
На рисунке 2c показана ранее разработанная и охарактеризованная система пропускания электростатических осадков (EPES), которая может использоваться для нацеливания EWNS11 на поверхности. EPES использует заряд EWNS в сочетании с сильным электрическим полем, чтобы «направить» его непосредственно на поверхность цели. Подробная информация о системе EPES представлена ​​в недавней публикации Пиргиотакиса и др.11. Таким образом, EPES состоит из 3D-печатной камеры из ПВХ с коническими концами, содержащей две параллельные металлические пластины из нержавеющей стали (нержавеющая сталь 304, зеркально отполированная) посередине на расстоянии 15,24 см друг от друга. Платы были подключены к внешнему источнику высокого напряжения (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY), нижняя плата всегда была положительной, а верхняя плата всегда была заземлена (плавающей). Стенки камеры покрыты алюминиевой фольгой, которая электрически заземлена для предотвращения потери частиц. Камера оснащена герметичной передней загрузочной дверцей, которая позволяет размещать испытательные поверхности на пластиковых стойках, приподнимая их над нижней металлической пластиной, чтобы избежать помех высокого напряжения.
Эффективность осаждения EWNS в EPES рассчитывалась в соответствии с ранее разработанным протоколом, подробно описанным в дополнительном рисунке S111.
В качестве контрольной камеры второй поток через цилиндрическую камеру последовательно соединен с системой EPES с использованием промежуточного фильтра HEPA для удаления EWNS. Как показано на рис. 2c, аэрозоль EWNS прокачивался через две камеры, соединенные последовательно. Фильтр между контрольной комнатой и EPES удаляет любые оставшиеся EWNS, что приводит к той же температуре (T), относительной влажности (RH) и уровням озона.
Было обнаружено, что важные пищевые микроорганизмы загрязняют свежие продукты, такие как Escherichia coli (ATCC #27325), фекальный индикатор, Salmonella enterica (ATCC #53647), пищевой патоген, Listeria innocua (ATCC #33090), альтернатива патогенной Listeria monocytogenes. , Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098) как альтернатива дрожжам, вызывающим порчу, и Mycobacterium parafortuitous (ATCC #19686) как более устойчивая живая бактерия были приобретены в ATCC (Манассас, Вирджиния).
Случайным образом купите коробки органических виноградных томатов на местном рынке и поставьте в холодильник при температуре 4°C до использования (до 3 дней). Выберите помидоры для эксперимента одного размера, около 1/2 дюйма в диаметре.
Протоколы инкубации, инокуляции, воздействия и подсчета колоний были подробно описаны в наших предыдущих публикациях и подробно объяснены в Дополнительных данных 11. Эффективность EWNS оценивалась путем воздействия на инокулированные томаты 40 000 #/см3 в течение 45 минут. Вкратце, в момент времени t = 0 мин три томата использовались для оценки выживших микроорганизмов. Три томата были помещены в EPES и подвергнуты воздействию EWNS при 40 000 #/см3 (томаты, подвергнутые воздействию EWNS), а три других были помещены в контрольную камеру (контрольные томаты). Ни одна из групп томатов не подвергалась дополнительной обработке. Помидоры, подвергнутые воздействию EWNS, и контрольные образцы были удалены через 45 минут для оценки эффекта EWNS.
Каждый эксперимент проводился трижды. Анализ данных проводился в соответствии с протоколом, описанным в Дополнительных данных.
Образцы бактерий E. coli, Enterobacter и L. innocua, подвергнутые воздействию EWNS (45 мин, концентрация аэрозоля EWNS 40 000 #/см3) и не подвергнутые воздействию, были осаждены для оценки механизмов инактивации. Осадок фиксировали в течение 2 часов при комнатной температуре в 0,1 М растворе какодилата натрия (pH 7,4) с фиксатором 2,5% глутаральдегида, 1,25% параформальдегида и 0,03% пикриновой кислоты. После промывки их фиксировали 1% тетроксидом осмия (OsO4)/1,5% ферроцианидом калия (KFeCN6) в течение 2 часов, промывали 3 раза водой и инкубировали в 1% уранилацетате в течение 1 часа, затем дважды промывали водой. Последующее обезвоживание по 10 минут в 50%, 70%, 90%, 100% спирте. Образцы затем помещали в пропиленоксид на 1 час и пропитывали смесью пропиленоксида и TAAP Epon в соотношении 1:1 (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA). Образцы заливали в TAAB Epon и полимеризовали при 60°C в течение 48 часов. Отвержденную гранулированную смолу разрезали и визуализировали с помощью просвечивающего электронного микроскопа с использованием JEOL 1200EX (JEOL, Tokyo, Japan), обычного просвечивающего электронного микроскопа, оснащенного камерой AMT 2k CCD (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, MA, USA).
Все эксперименты проводились в трех повторах. Для каждой временной точки бактериальные промывки высевали в трех повторах, что давало в общей сложности девять точек данных на точку, среднее значение которых использовалось в качестве концентрации бактерий для данного конкретного организма. Стандартное отклонение использовалось в качестве ошибки измерения. Все точки учитываются.
Логарифм снижения концентрации бактерий по сравнению с t = 0 мин рассчитывали по следующей формуле:
где C0 — концентрация бактерий в контрольном образце в момент времени 0 (т.е. после высыхания поверхности, но до помещения ее в камеру), а Cn — концентрация бактерий на поверхности после n минут воздействия.
Для учета естественной деградации бактерий в течение 45-минутного периода воздействия также рассчитывался логарифм снижения по сравнению с контрольным образцом через 45 минут следующим образом:
Где Cn — концентрация бактерий в контрольном образце в момент времени n, а Cn-Control — концентрация контрольных бактерий в момент времени n. Данные представлены в виде логарифмического снижения по сравнению с контролем (без воздействия EWNS).
В ходе исследования оценивались несколько комбинаций напряжения и расстояния между иглой и противоэлектродом с точки зрения формирования конуса Тейлора, стабильности конуса Тейлора, стабильности продукции EWNS и воспроизводимости. Различные комбинации показаны в Дополнительной таблице S1. Для полного исследования, демонстрирующего стабильные и воспроизводимые свойства (конус Тейлора, продукция EWNS и стабильность с течением времени), были выбраны два случая. На рис. 3 показаны результаты по заряду, размеру и содержанию ROS для двух случаев. Результаты также суммированы в Таблице 1. Для справки, Рисунок 3 и Таблица 1 включают свойства ранее синтезированных неоптимизированных EWNS8, 9, 10, 11 (базовый EWNS). Расчеты статистической значимости с использованием двустороннего t-критерия повторно опубликованы в Дополнительной таблице S2. Кроме того, дополнительные данные включают исследования по влиянию диаметра отверстия для отбора проб противоэлектрода (D) и расстояния между заземляющим электродом и кончиком иглы (L) (дополнительные рисунки S2 и S3).
(a–c) Распределение размеров АСМ. (d–f) Характеристика поверхностного заряда. (g) Характеристика ROS и ESR.
Также важно отметить, что для всех вышеперечисленных условий измеренные ионизационные токи находились в диапазоне 2-6 мкА, а напряжения находились в диапазоне от -3,8 до -6,5 кВ, что приводит к энергопотреблению этого однотерминального EWNS менее 50 мВт. . модуль генерации. Хотя EWNS был синтезирован под высоким давлением, уровни озона были очень низкими, никогда не превышая 60 ppb.
Дополнительный рисунок S4 показывает моделируемые электрические поля для сценариев [-6,5 кВ, 4,0 см] и [-3,8 кВ, 0,5 см] соответственно. Поля согласно сценариям [-6,5 кВ, 4,0 см] и [-3,8 кВ, 0,5 см] рассчитываются как 2 × 105 В/м и 4,7 × 105 В/м соответственно. Этого и следовало ожидать, поскольку отношение напряжения к расстоянию во втором случае намного выше.
На рис. 3a,b показан диаметр EWNS, измеренный с помощью AFM8. Средние диаметры EWNS для сценариев [-6,5 кВ, 4,0 см] и [-3,8 кВ, 0,5 см] были рассчитаны как 27 нм и 19 нм соответственно. Геометрические стандартные отклонения распределений для случаев [-6,5 кВ, 4,0 см] и [-3,8 кВ, 0,5 см] составляют 1,41 и 1,45 соответственно, что указывает на узкое распределение размеров. Как средний размер, так и геометрическое стандартное отклонение очень близки к базовому EWNS, составляя 25 нм и 1,41 соответственно. На рис. 3c показано распределение размеров базового EWNS, измеренное с использованием того же метода в тех же условиях.
На рис. 3d,e показаны результаты характеризации заряда. Данные представляют собой средние измерения 30 одновременных измерений концентрации (#/см3) и тока (I). Анализ показывает, что средний заряд на EWNS составляет 22 ± 6 e- и 44 ± 6 e- для [-6,5 кВ, 4,0 см] и [-3,8 кВ, 0,5 см] соответственно. По сравнению с Baseline-EWNS (10 ± 2 e-), их поверхностный заряд значительно выше, в два раза больше, чем в сценарии [-6,5 кВ, 4,0 см] и в четыре раза больше, чем в сценарии [-3 ,8 кВ, 0,5 см]. На рис. 3f показаны основные данные по оплате EWNS.
Из карт концентрации числа EWNS (дополнительные рисунки S5 и S6) видно, что сцена [-6,5 кВ, 4,0 см] имеет значительно большее количество частиц, чем сцена [-3,8 кВ, 0,5 см]. Следует также отметить, что концентрации числа EWNS контролировались в течение 4 часов (дополнительные рисунки S5 и S6), где стабильность генерации EWNS показала одинаковые уровни концентрации числа частиц в обоих случаях.
На рисунке 3g показан спектр ЭПР после вычитания контроля (фона) для оптимизированного EWNS при [-6,5 кВ, 4,0 см]. Спектр ROS также сравнивается с базовым уровнем EWNS в ранее опубликованной статье. Расчетное количество EWNS, реагирующих со спиновой ловушкой, составляет 7,5 × 104 EWNS/с, что аналогично ранее опубликованному базовому уровню-EWNS8. Спектры ЭПР четко указывают на присутствие двух типов ROS, где преобладает O2-, в то время как OH• присутствует в меньшем количестве. Кроме того, прямое сравнение интенсивностей пиков показало, что оптимизированный EWNS имел значительно более высокое содержание ROS по сравнению с базовым уровнем EWNS.
На рис. 4 показана эффективность осаждения EWNS в EPES. Данные также суммированы в Таблице I и сравнены с исходными данными EWNS. Для обоих случаев EUNS осаждение было близко к 100% даже при низком напряжении 3,0 кВ. Обычно 3,0 кВ достаточно для достижения 100% осаждения независимо от изменения поверхностного заряда. При тех же условиях эффективность осаждения Baseline-EWNS составила всего 56% из-за более низкого заряда (в среднем 10 электронов на EWNS).
Рисунок 5 и таблица 2 суммируют степень инактивации микроорганизмов, инокулированных на поверхности томатов после воздействия приблизительно 40 000 #/см3 EWNS в течение 45 минут при оптимальном сценарии [-6,5 кВ, 4,0 см]. Инокулированные E. coli и L. innocua показали значительное снижение на 3,8 log после 45 минут воздействия. В тех же условиях S. enterica показала более низкое снижение на 2,2 log, в то время как S. cerevisiae и M. parafortuitum показали снижение на 1,0 log.
Электронные микрофотографии (рисунок 6), иллюстрирующие физические изменения, вызванные EWNS в клетках E. coli, Salmonella enterica и L. innocua, приводящие к инактивации. Контрольные бактерии показали неповрежденные клеточные мембраны, в то время как у подвергшихся воздействию бактерий были повреждены внешние мембраны.
Электронно-микроскопическое исследование контрольных и подвергшихся воздействию бактерий выявило повреждение мембраны.
Данные о физико-химических свойствах оптимизированных EWNS в совокупности показывают, что свойства EWNS (поверхностный заряд и содержание ROS) были значительно улучшены по сравнению с ранее опубликованными базовыми данными EWNS8,9,10,11. С другой стороны, их размер остался в нанометровом диапазоне, что очень похоже на ранее опубликованные результаты, что позволяет им оставаться в воздухе в течение длительного периода времени. Наблюдаемая полидисперсность может быть объяснена изменениями поверхностного заряда, которые определяют величину эффекта Рэлея, случайность и потенциальное слияние EWNS. Однако, как подробно описано Нильсеном и др.22, высокий поверхностный заряд снижает испарение, эффективно увеличивая поверхностную энергию/натяжение капли воды. Эта теория была экспериментально подтверждена для микрокапель22 и EWNS в нашей предыдущей публикации8. Потеря сверхурочного времени также может влиять на размер и вносить вклад в наблюдаемое распределение размеров.
Кроме того, заряд на структуру составляет около 22–44 е-, в зависимости от обстоятельств, что значительно выше по сравнению с базовой EWNS, которая имеет средний заряд 10 ± 2 электронов на структуру. Однако следует отметить, что это средний заряд EWNS. Сето и др. Было показано, что заряд не является однородным и следует логнормальному распределению21. По сравнению с нашей предыдущей работой, удвоение поверхностного заряда удваивает эффективность осаждения в системе EPES почти до 100%11.