Ďakujeme, že ste navštívili Nature.com.Verzia prehliadača, ktorú používate, má obmedzenú podporu CSS.Pre najlepší zážitok vám odporúčame použiť aktualizovaný prehliadač (alebo vypnúť režim kompatibility v programe Internet Explorer).Medzitým, aby sme zabezpečili nepretržitú podporu, vykreslíme stránku bez štýlov a JavaScriptu.
Kolotoč zobrazujúci tri snímky súčasne.Pomocou tlačidiel Predchádzajúci a Ďalší sa môžete pohybovať po troch snímkach naraz alebo pomocou posúvacích tlačidiel na konci môžete prechádzať tromi snímkami naraz.
Nedávno bola vyvinutá bezchemická antimikrobiálna platforma založená na nanotechnológii s použitím umelých vodných nanoštruktúr (EWNS).EWNS majú vysoký povrchový náboj a sú nasýtené reaktívnymi formami kyslíka (ROS), ktoré môžu interagovať a inaktivovať množstvo mikroorganizmov, vrátane potravinových patogénov.Tu sa ukazuje, že ich vlastnosti počas syntézy možno doladiť a optimalizovať, aby sa ešte viac zvýšil ich antibakteriálny potenciál.Laboratórna platforma EWNS bola navrhnutá tak, aby dolaďovala vlastnosti EWNS zmenou parametrov syntézy.Charakterizácia vlastností EWNS (náboj, veľkosť a obsah ROS) pomocou moderných analytických metód.Okrem toho boli hodnotené z hľadiska ich mikrobiálneho inaktivačného potenciálu proti potravinovým mikroorganizmom, ako sú Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocuous, Mycobacterium paraaccidentum a Saccharomyces cerevisiae.Tu prezentované výsledky demonštrujú, že vlastnosti EWNS možno doladiť počas syntézy, čo vedie k exponenciálnemu zvýšeniu účinnosti inaktivácie.Konkrétne sa povrchový náboj zvýšil štvornásobne a zvýšili sa reaktívne formy kyslíka.Rýchlosť odstraňovania mikroorganizmov bola mikrobiálne závislá a pohybovala sa od 1,0 do 3,8 log po 45 minútach expozície aerosólovej dávke 40 000 #/cc EWNS.
Mikrobiálna kontaminácia je hlavnou príčinou chorôb z potravín spôsobených požitím patogénov alebo ich toxínov.Len v Spojených štátoch amerických spôsobujú choroby spôsobené jedlom približne 76 miliónov chorôb, 325 000 hospitalizácií a 5 000 úmrtí ročne1.Okrem toho Ministerstvo poľnohospodárstva Spojených štátov amerických (USDA) odhaduje, že zvýšená spotreba čerstvých produktov je zodpovedná za 48 % všetkých hlásených chorôb prenášaných potravinami v Spojených štátoch2.Náklady na choroby a úmrtia spôsobené potravinovými patogénmi sú v Spojených štátoch veľmi vysoké, podľa odhadov Centra pre kontrolu a prevenciu chorôb (CDC) na viac ako 15,6 miliardy USD ročne3.
V súčasnosti sa chemické4, radiačné5 a tepelné6 antimikrobiálne zásahy na zaistenie bezpečnosti potravín väčšinou vykonávajú v obmedzených kritických kontrolných bodoch (CCP) pozdĺž výrobného reťazca (zvyčajne po zbere a/alebo počas balenia), a nie nepretržite.sú teda náchylné na krížovú kontamináciu.7. Lepšia kontrola chorôb prenášaných potravinami a kazenia potravín si vyžaduje antimikrobiálne zásahy, ktoré možno potenciálne uplatniť v rámci celého kontinua od farmy až po stôl pri súčasnom znížení vplyvu na životné prostredie a nákladov.
Nedávno bola vyvinutá bezchemická antimikrobiálna platforma založená na nanotechnológii, ktorá dokáže inaktivovať povrchové a vzdušné baktérie pomocou umelých vodných nanoštruktúr (EWNS).EWNS bol syntetizovaný pomocou dvoch paralelných procesov, elektrospreja a ionizácie vody (obr. 1a).Predchádzajúce štúdie ukázali, že EWNS má jedinečný súbor fyzikálnych a biologických vlastností8,9,10.EWNS majú priemerne 10 elektrónov na štruktúru a priemernú veľkosť nanometrov 25 nm (obr. 1b,c)8,9,10.Okrem toho elektrónová spinová rezonancia (ESR) ukázala, že EWNS obsahuje veľké množstvo reaktívnych foriem kyslíka (ROS), najmä hydroxylových (OH•) a superoxidových (O2-) radikálov (obr. 1c)8.EVNS je vo vzduchu po dlhú dobu a môže sa zraziť s mikroorganizmami suspendovanými vo vzduchu a prítomnými na povrchu, dodávať ich užitočné zaťaženie ROS a spôsobiť inaktiváciu mikroorganizmov (obr. 1d).Tieto skoré štúdie tiež ukázali, že EWNS môže interagovať a inaktivovať rôzne gramnegatívne a grampozitívne baktérie, vrátane mykobaktérií, na povrchoch a vo vzduchu.Transmisná elektrónová mikroskopia ukázala, že inaktivácia bola spôsobená porušením bunkovej membrány.Okrem toho štúdie akútnej inhalácie ukázali, že vysoké dávky EWNS nespôsobujú poškodenie pľúc alebo zápal 8 .
(a) Elektrosprej nastáva, keď sa medzi kapiláru obsahujúcu kvapalinu a protielektródu aplikuje vysoké napätie.b) Aplikácia vysokého tlaku má za následok dva rôzne javy: i) elektrosprejovanie vody a ii) tvorbu reaktívnych foriem kyslíka (iónov) zachytených v EWNS.c) Jedinečná štruktúra EWNS.d) Vzhľadom na svoju nanorozmerovú povahu sú EWNS vysoko mobilné a môžu interagovať s patogénmi prenášanými vzduchom.
Nedávno bola preukázaná aj schopnosť antimikrobiálnej platformy EWNS inaktivovať alimentárne mikroorganizmy na povrchu čerstvých potravín.Ukázalo sa tiež, že povrchový náboj EWNS v kombinácii s elektrickým poľom možno použiť na dosiahnutie cieleného dodania.Okrem toho predbežné výsledky pre organické paradajky po 90-minútovej expozícii pri EWNS približne 50 000 #/cm3 boli povzbudivé, pričom boli pozorované rôzne mikroorganizmy z potravín, ako napríklad E. coli a Listeria 11.Okrem toho predbežné organoleptické testy nepreukázali žiadne senzorické účinky v porovnaní s kontrolnými paradajkami.Hoci tieto počiatočné výsledky inaktivácie sú povzbudivé pre aplikácie v oblasti bezpečnosti potravín aj pri veľmi nízkych dávkach EWNS 50 000 #/cc.pozri, je jasné, že vyšší potenciál inaktivácie by bol prospešnejší na ďalšie zníženie rizika infekcie a znehodnotenia.
Tu zameriame náš výskum na vývoj generačnej platformy EWNS, ktorá umožní jemné doladenie parametrov syntézy a optimalizáciu fyzikálno-chemických vlastností EWNS na zvýšenie ich antibakteriálneho potenciálu.Optimalizácia sa zamerala najmä na zvýšenie ich povrchového náboja (na zlepšenie cieleného doručenia) a obsahu ROS (na zlepšenie účinnosti inaktivácie).Charakterizujte optimalizované fyzikálno-chemické vlastnosti (veľkosť, náboj a obsah ROS) pomocou moderných analytických metód a využite bežné potravinové mikroorganizmy ako E. .
EVNS bol syntetizovaný súčasným elektrosprejom a ionizáciou vysoko čistej vody (18 MΩ cm–1).Elektrický nebulizér 12 sa typicky používa na atomizáciu kvapalín a syntézu polymérnych a keramických častíc 13 a vlákien 14 riadenej veľkosti.
Ako je podrobne uvedené v predchádzajúcich publikáciách 8, 9, 10, 11, v typickom experimente sa medzi kovovú kapiláru a uzemnenú protielektródu aplikovalo vysoké napätie.Počas tohto procesu dochádza k dvom rôznym javom: i) elektrosprej a ii) ionizácia vody.Silné elektrické pole medzi dvoma elektródami spôsobuje nahromadenie záporných nábojov na povrchu kondenzovanej vody, čo vedie k vytvoreniu Taylorových kužeľov.V dôsledku toho sa vytvárajú vysoko nabité kvapky vody, ktoré sa ďalej rozpadajú na menšie častice, ako je to v Rayleighovej teórii16.Silné elektrické polia zároveň spôsobujú štiepenie niektorých molekúl vody a ich oddeľovanie elektrónov (ionizáciu), čo vedie k tvorbe veľkého množstva reaktívnych foriem kyslíka (ROS)17.Súčasne generovaný ROS18 bol zapuzdrený v EWNS (obr. 1c).
Na obr.2a ukazuje systém generovania EWNS vyvinutý a používaný pri syntéze EWNS v tejto štúdii.Vyčistená voda uložená v uzavretej fľaši sa privádzala cez teflónovú trubicu (vnútorný priemer 2 mm) do 30G ihly z nehrdzavejúcej ocele (kovová kapilára).Prúd vody je riadený tlakom vzduchu vo fľaši, ako je znázornené na obrázku 2b.Ihla je namontovaná na teflónovej konzole a možno ju manuálne nastaviť na určitú vzdialenosť od protielektródy.Protielektróda je leštený hliníkový disk s otvorom v strede na odber vzoriek.Pod protielektródou je hliníkový vzorkovací lievik, ktorý je pripojený k zvyšku experimentálnej zostavy cez vzorkovací port (obr. 2b).Aby sa predišlo hromadeniu náboja, ktorý by mohol narušiť činnosť vzorkovača, všetky komponenty vzorkovača sú elektricky uzemnené.
a) Systém generovania nanoštruktúry vody (EWNS).b) Prierez vzorkovačom a elektrosprejom s uvedením najdôležitejších parametrov.(c) Experimentálne nastavenie na inaktiváciu baktérií.
Vyššie opísaný systém generovania EWNS je schopný meniť kľúčové prevádzkové parametre, aby sa uľahčilo jemné ladenie vlastností EWNS.Upravte aplikované napätie (V), vzdialenosť medzi ihlou a protielektródou (L) a prietok vody (φ) cez kapiláru, aby ste doladili charakteristiky EWNS.Symbol používaný na reprezentáciu rôznych kombinácií: [V (kV), L (cm)].Upravte prietok vody, aby ste získali stabilný Taylorov kužeľ určitej sady [V, L].Na účely tejto štúdie bol priemer otvoru protielektródy (D) udržiavaný na 0,5 palca (1,29 cm).
Kvôli obmedzenej geometrii a asymetrii nemožno intenzitu elektrického poľa vypočítať z prvých princípov.Namiesto toho sa na výpočet elektrického poľa použil softvér QuickField™ (Svendborg, Dánsko)19.Elektrické pole nie je rovnomerné, takže hodnota elektrického poľa na špičke kapiláry bola použitá ako referenčná hodnota pre rôzne konfigurácie.
Počas štúdie sa hodnotilo niekoľko kombinácií napätia a vzdialenosti medzi ihlou a protielektródou z hľadiska tvorby Taylorovho kužeľa, stability Taylorovho kužeľa, stability produkcie EWNS a reprodukovateľnosti.Rôzne kombinácie sú uvedené v doplnkovej tabuľke S1.
Výstup systému generovania EWNS bol pripojený priamo k analyzátoru veľkosti častíc Scanning Mobility Particle Analyzer (SMPS, Model 3936, TSI, Shoreview, MN) na meranie koncentrácie počtu častíc, ako aj k Aerosol Faraday Electrometer (TSI, Model 3068B, Shoreview, MN).) pre aerosólové prúdy sa merali tak, ako je opísané v našej predchádzajúcej publikácii.SMPS aj aerosólový elektrometer sa odoberali pri prietoku 0,5 l/min (celkový prietok vzorky 1 l/min).Počet koncentrácií častíc a prietok aerosólu sa merali počas 120 sekúnd.Meranie sa opakuje 30-krát.Na základe aktuálnych meraní sa vypočíta celkový náboj aerosólu a odhadne sa priemerný náboj EWNS pre daný celkový počet vybraných častíc EWNS.Priemerné náklady na EWNS možno vypočítať pomocou rovnice (1):
kde IEl je nameraný prúd, NSMPS je digitálna koncentrácia nameraná pomocou SMPS a φEl je prietok na elektrometer.
Pretože relatívna vlhkosť (RH) ovplyvňuje povrchový náboj, teplota a (RH) sa počas experimentu udržiavali konštantné pri 21 °C a 45 %.
Na meranie veľkosti a životnosti EWNS sa použila mikroskopia atómovej sily (AFM), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Santa Barbara, CA) a sonda AC260T (Olympus, Tokio, Japonsko).Frekvencia skenovania AFM bola 1 Hz, plocha skenovania bola 5 μm x 5 μm a 256 riadkov skenovania.Všetky obrázky sa podrobili zarovnaniu obrázkov 1. rádu pomocou softvéru Asylum (rozsah masky 100 nm, prah 100 pm).
Testovací lievik sa odstránil a povrch sľudy sa umiestnil do vzdialenosti 2,0 cm od protielektródy na priemerný čas 120 s, aby sa zabránilo aglomerácii častíc a tvorbe nepravidelných kvapiek na povrchu sľudy.EWNS sa nastriekal priamo na povrch čerstvo narezanej sľudy (Ted Pella, Redding, CA).Obrázok sľudového povrchu bezprostredne po AFM naprašovaní.Kontaktný uhol povrchu čerstvo narezanej nemodifikovanej sľudy sa blíži k 0°, takže EVNS je na povrchu sľudy rozmiestnený vo forme kupoly.Priemer (a) a výška (h) difúznych kvapôčok sa merali priamo z topografie AFM a použili sa na výpočet klenutého difúzneho objemu EWNS pomocou našej predtým overenej metódy.Za predpokladu, že palubný EWNS má rovnaký objem, ekvivalentný priemer možno vypočítať pomocou rovnice (2):
Na základe našej predtým vyvinutej metódy sa na detekciu prítomnosti radikálových medziproduktov s krátkou životnosťou v EWNS použila spinová pasca elektrónovej spinovej rezonancie (ESR).Aerosóly boli prebublávané cez 650 um Midget rozprašovač (Ace Glass, Vineland, NJ) obsahujúci 235 mM roztok DEPMPO(5-(dietoxyfosforyl)-5-metyl-1-pyrolín-N-oxidu) (Oxis International Inc.).Portland, Oregon).Všetky merania ESR sa uskutočňovali s použitím spektrometra Bruker EMX (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) a plochého panelu.Na zber a analýzu údajov sa použil softvér Acquisit (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA).Stanovenie charakteristík ROS sa uskutočnilo len pre súbor prevádzkových podmienok [-6,5 kV, 4,0 cm].Koncentrácie EWNS sa merali pomocou SMPS po zohľadnení strát EWNS v impaktore.
Úrovne ozónu boli monitorované pomocou 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Boulder, Co)8,9,10.
Pre všetky vlastnosti EWNS sa ako hodnota merania používa stredná hodnota a ako chyba merania sa používa štandardná odchýlka.Boli vykonané T-testy na porovnanie hodnôt optimalizovaných atribútov EWNS so zodpovedajúcimi hodnotami základného EWNS.
Obrázok 2c zobrazuje predtým vyvinutý a charakterizovaný systém „pull“ elektrostatického zrážania (EPES), ktorý možno použiť na cielené dodávanie EWNS na povrch.EPES využíva EVNS náboje, ktoré je možné „naviesť“ priamo na povrch cieľa pod vplyvom silného elektrického poľa.Podrobnosti o systéme EPES sú uvedené v nedávnej publikácii od Pyrgiotakis a kol.11.EPES teda pozostáva z 3D tlačenej PVC komory so skosenými koncami a obsahuje dve paralelné kovové platne z nehrdzavejúcej ocele (nerezová oceľ 304, zrkadlovo potiahnutá) v strede vzdialené od seba 15,24 cm.Dosky boli pripojené k externému zdroju vysokého napätia (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY), spodná doska bola vždy pripojená na kladné napätie a horná doska bola vždy pripojená k zemi (plávajúca zem).Steny komory sú pokryté hliníkovou fóliou, ktorá je elektricky uzemnená, aby sa zabránilo strate častíc.Komora má utesnené predné plniace dvierka, ktoré umožňujú umiestniť testovacie povrchy na plastové stojany, ktoré ich zdvihnú nad spodnú kovovú platňu, aby sa zabránilo rušeniu vysokého napätia.
Účinnosť ukladania EWNS v EPES sa vypočítala podľa predtým vyvinutého protokolu podrobne opísaného na doplnkovom obrázku S111.
Ako kontrolná komora bola druhá valcová prietoková komora zapojená do série so systémom EPES, v ktorom sa na odstránenie EWNS použil medziľahlý HEPA filter.Ako je znázornené na obrázku 2c, aerosól EWNS bol čerpaný cez dve vstavané komory.Filter medzi riadiacou miestnosťou a EPES odstraňuje všetky zostávajúce EWNS, čo vedie k rovnakej teplote (T), relatívnej vlhkosti (RH) a hladinám ozónu.
Zistilo sa, že dôležité alimentárne mikroorganizmy kontaminujú čerstvé potraviny, ako je E. coli (ATCC #27325), fekálny indikátor, Salmonella enterica (ATCC #53647), potravinový patogén, Listeria neškodná (ATCC #33090), náhrada za patogénnu Listeria monocytogenes, odvodená z CCces,409Accharacessayat. ), náhrada za kaziace sa kvasinky a odolnejšia inaktivovaná baktéria, Mycobacterium paralucky (ATCC #19686).
Kúpte si náhodné krabice organických hroznových paradajok z vášho miestneho trhu a nechajte ich v chladničke pri teplote 4 °C až do použitia (až 3 dni).Všetky experimentálne paradajky mali rovnakú veľkosť, priemer asi 1/2 palca.
Protokoly kultivácie, očkovania, expozície a počtu kolónií sú podrobne uvedené v našej predchádzajúcej publikácii a podrobne uvedené v doplnkových údajoch.Účinnosť EWNS sa hodnotila vystavením naočkovaných paradajok 40 000 #/cm3 počas 45 minút.Stručne, tri paradajky sa použili na vyhodnotenie prežívajúcich mikroorganizmov v čase t = 0 min.Tri paradajky sa umiestnili do EPES a vystavili sa EWNS pri 40 000 #/cc (paradajky vystavené EWNS) a zvyšné tri sa umiestnili do kontrolnej komory (kontrolné paradajky).Dodatočné spracovanie paradajok v oboch skupinách nebolo vykonané.Paradajky vystavené EWNS a kontrolné paradajky boli odstránené po 45 minútach, aby sa vyhodnotil účinok EWNS.
Každý experiment sa uskutočnil trojmo.Analýza údajov sa uskutočnila podľa protokolu opísaného v Doplnkových údajoch.
Mechanizmy inaktivácie boli hodnotené sedimentáciou exponovaných vzoriek EWNS (45 minút pri koncentrácii aerosólu EWNS 40 000 #/cm3) a neožiarených vzoriek neškodných baktérií E. coli, Salmonella enterica a Lactobacillus.Častice boli fixované v 2,5 % glutaraldehyde, 1,25 % paraformaldehyde a 0,03 % kyseline pikrovej v 0,1 M pufri kakodylátu sodného (pH 7,4) počas 2 hodín pri teplote miestnosti.Po premytí post-fixujte s 1% oxidom osmičelým (OsO4)/1,5% ferokyanidem draselným (KFeCN6) počas 2 hodín, premyte 3-krát vo vode a inkubujte v 1% uranylacetáte počas 1 hodiny, potom dvakrát premyte vo vode, potom dehydratujte počas 10 minút v 50%, 70%, 1000% alkoholeVzorky sa potom umiestnili do propylénoxidu na 1 hodinu a impregnovali sa zmesou 1:1 propylénoxidu a TAAP Epon (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA).Vzorky boli vložené do TAAB Epon a polymerizované pri 60 °C počas 48 hodín.Vytvrdená granulovaná živica bola narezaná a vizualizovaná pomocou TEM s použitím bežného transmisného elektrónového mikroskopu JEOL 1200EX (JEOL, Tokio, Japonsko) vybaveného AMT 2k CCD kamerou (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, Massachusetts, USA).
Všetky experimenty sa uskutočnili trojmo.Pre každý časový bod boli bakteriálne výplachy naočkované trojmo, čo viedlo k celkovo deviatim dátovým bodom na bod, ktorých priemer sa použil ako bakteriálna koncentrácia pre tento konkrétny mikroorganizmus.Ako chyba merania bola použitá štandardná odchýlka.Všetky body sa počítajú.
Logaritmus poklesu koncentrácie baktérií v porovnaní s t = 0 min bol vypočítaný pomocou nasledujúceho vzorca:
kde C0 je koncentrácia baktérií v kontrolnej vzorke v čase 0 (tj po vysušení povrchu, ale pred umiestnením do komory) a Cn je koncentrácia baktérií na povrchu po n minútach expozície.
Aby sa zohľadnila prirodzená degradácia baktérií počas 45-minútovej expozície, logaritmické zníženie v porovnaní s kontrolou po 45 minútach sa vypočítalo aj takto:
kde Cn je koncentrácia baktérií v kontrolnej vzorke v čase n a Cn-Control je koncentrácia kontrolných baktérií v čase n.Údaje sú prezentované ako logaritmické zníženie v porovnaní s kontrolou (žiadna expozícia EWNS).
Počas štúdie sa hodnotilo niekoľko kombinácií napätia a vzdialenosti medzi ihlou a protielektródou z hľadiska tvorby Taylorovho kužeľa, stability Taylorovho kužeľa, stability produkcie EWNS a reprodukovateľnosti.Rôzne kombinácie sú uvedené v doplnkovej tabuľke S1.Na komplexnú štúdiu boli vybrané dva prípady vykazujúce stabilné a reprodukovateľné vlastnosti (Taylorov kužeľ, generácia EWNS a stabilita v priebehu času).Na obr.Obrázok 3 ukazuje výsledky pre náboj, veľkosť a obsah ROS v oboch prípadoch.Výsledky sú tiež uvedené v tabuľke 1. Na porovnanie, obrázok 3 aj tabuľka 1 zahŕňajú vlastnosti predtým syntetizovaného neoptimalizovaného EWNS8, 9, 10, 11 (základná hodnota-EWNS).Výpočty štatistickej významnosti pomocou dvojstranného t-testu sú znovu publikované v doplnkovej tabuľke S2.Okrem toho ďalšie údaje zahŕňajú štúdie účinku priemeru vzorkovacieho otvoru protielektródy (D) a vzdialenosti medzi uzemňovacou elektródou a hrotom (L) (doplnkové obrázky S2 a S3).
(ac) Distribúcia veľkosti meraná pomocou AFM.(df) Charakteristika povrchového náboja.g) ROS charakterizácia EPR.
Je tiež dôležité poznamenať, že pre všetky vyššie uvedené podmienky bol nameraný ionizačný prúd medzi 2 a 6 μA a napätie medzi -3,8 a -6,5 kV, čo malo za následok spotrebu energie menej ako 50 mW pre tento jediný kontaktný modul generácie EWNS.Hoci EWNS bol syntetizovaný pod vysokým tlakom, hladiny ozónu boli veľmi nízke, nikdy nepresiahli 60 ppb.
Doplnkový obrázok S4 zobrazuje simulované elektrické polia pre scenáre [-6,5 kV, 4,0 cm] a [-3,8 kV, 0,5 cm].Pre scenáre [-6,5 kV, 4,0 cm] a [-3,8 kV, 0,5 cm] sú výpočty v teréne 2 × 105 V/ma 4,7 × 105 V/m.To sa očakáva, pretože v druhom prípade je pomer napätia a vzdialenosti oveľa vyšší.
Na obr.3a,b znázorňuje priemer EWNS meraný pomocou AFM8.Vypočítané priemerné priemery EWNS boli 27 nm a 19 nm pre schémy [-6,5 kV, 4,0 cm] a [-3,8 kV, 0,5 cm].Pre scenáre [-6,5 kV, 4,0 cm] a [-3,8 kV, 0,5 cm] sú geometrické štandardné odchýlky distribúcie 1,41 a 1,45, čo naznačuje úzku distribúciu veľkosti.Priemerná veľkosť aj geometrická štandardná odchýlka sú veľmi blízke základnej hodnote EWNS pri 25 nm a 1,41.Na obr.3c ukazuje distribúciu veľkosti základného EWNS meraného pomocou rovnakej metódy za rovnakých podmienok.
Na obr.3d,e ukazuje výsledky charakterizácie náboja.Údaje sú priemerné merania 30 súčasných meraní koncentrácie (#/cm3) a prúdu (I).Analýza ukazuje, že priemerný náboj na EWNS je 22 ± 6 e- a 44 ± 6 e- pre [-6,5 kV, 4,0 cm] a [-3,8 kV, 0,5 cm].Majú výrazne vyššie povrchové náboje v porovnaní so základnými EWNS (10 ± 2 e-), dvakrát vyššie ako pri scenári [-6,5 kV, 4,0 cm] a štyrikrát vyššie ako pri [-3,8 kV, 0,5 cm].Obrázok 3f znázorňuje náboj.údaje pre Baseline-EWNS.
Z koncentračných máp čísla EWNS (doplnkové obrázky S5 a S6) možno vidieť, že scenár [-6,5 kV, 4,0 cm] má podstatne viac častíc ako scenár [-3,8 kV, 0,5 cm].Za zmienku tiež stojí, že koncentrácia počtu EWNS sa monitorovala až do 4 hodín (doplnkové obrázky S5 a S6), kde stabilita generácie EWNS vykazovala v oboch prípadoch rovnaké úrovne koncentrácie počtu častíc.
Na obr.3g ukazuje spektrum EPR po odčítaní optimalizovaného riadenia EWNS (pozadie) pri [-6,5 kV, 4,0 cm].Spektrá ROS boli tiež porovnané so scenárom Baseline-EWNS v predtým publikovanej práci.Počet EWNS reagujúcich s odstredivými pascami bol vypočítaný na 7, 5 × 104 EWNS / s, čo je podobné predtým publikovanej základnej línii EWNS8.EPR spektrá jasne ukázali prítomnosť dvoch typov ROS, pričom O2- je prevládajúcim druhom a OH• je menej hojný.Okrem toho priame porovnanie maximálnych intenzít ukázalo, že optimalizovaný EWNS mal výrazne vyšší obsah ROS v porovnaní so základným EWNS.
Na obr.4 ukazuje účinnosť depozície EWNS v EPES.Údaje sú tiež zhrnuté v tabuľke I a porovnané s pôvodnými údajmi EWNS.Pre oba prípady EUNS sa depozícia blíži k 100 % aj pri nízkom napätí 3,0 kV.Typicky 3,0 kV postačuje na 100% nanesenie bez ohľadu na zmenu povrchového náboja.Za rovnakých podmienok bola účinnosť depozície Baseline-EWNS iba 56% kvôli ich nižšiemu náboju (priemerne 10 elektrónov na EWNS).
Na obr.5 a v tabuľke.2 sumarizuje inaktivačnú hodnotu mikroorganizmov naočkovaných na povrch paradajok po vystavení účinkom asi 40 000 #/cm3 EWNS počas 45 minút v optimálnom režime [-6,5 kV, 4,0 cm].Inokulované E. coli a Lactobacillus neškodné vykazovali významné zníženie o 3,8 log počas 45 minútovej expozície.Za rovnakých podmienok S. enterica mala 2,2-log pokles, zatiaľ čo S. cerevisiae a M. parafortutum mali 1,0-log pokles.
Elektrónové mikrofotografie (obrázok 6) zobrazujú fyzikálne zmeny vyvolané EWNS na neškodných bunkách Escherichia coli, Streptococcus a Lactobacillus, ktoré vedú k ich inaktivácii.Kontrolné baktérie mali neporušené bunkové membrány, zatiaľ čo exponované baktérie mali poškodené vonkajšie membrány.
Zobrazovanie kontrolných a exponovaných baktérií elektrónovým mikroskopom odhalilo poškodenie membrány.
Údaje o fyzikálno-chemických vlastnostiach optimalizovaného EWNS súhrnne ukazujú, že vlastnosti (povrchový náboj a obsah ROS) EWNS sa výrazne zlepšili v porovnaní s predtým publikovanými základnými údajmi EWNS8,9,10,11.Na druhej strane ich veľkosť zostala v rozsahu nanometrov, čo je veľmi podobné výsledkom predtým oznámeným, čo im umožňuje zostať vo vzduchu po dlhú dobu.Pozorovanú polydisperzitu možno vysvetliť zmenami povrchového náboja, ktoré určujú veľkosť EWNS, náhodnosť Rayleighovho efektu a potenciálnu koalescenciu.Avšak, ako podrobne uvádza Nielsen et al.22, vysoký povrchový náboj znižuje odparovanie účinným zvýšením povrchovej energie/napätia kvapky vody.V našej predchádzajúcej publikácii8 bola táto teória experimentálne potvrdená pre mikrokvapôčky 22 a EWNS.Strata náboja počas nadčasov môže tiež ovplyvniť veľkosť a prispieť k pozorovanej distribúcii veľkosti.