Hatur nuhun parantos nganjang ka Nature.com. Anjeun nganggo vérsi browser anu dukungan CSSna terbatas. Pikeun pangalaman anu pangsaéna, kami nyarankeun anjeun nganggo browser anu diénggalan (atanapi mareuman Modeu Kompatibilitas dina Internet Explorer). Salian ti éta, pikeun mastikeun dukungan anu terus-terusan, kami nunjukkeun situs ieu tanpa gaya sareng JavaScript.
Anyar-anyar ieu, platform antimikroba bébas bahan kimia dumasar kana nanotéhnologi anu nganggo nanostruktur cai jieunan (EWNS) parantos dikembangkeun. EWNS gaduh muatan permukaan anu luhur sareng beunghar ku spésiés oksigén réaktif (ROS) anu tiasa berinteraksi sareng nganonaktipkeun sababaraha mikroorganisme, kalebet patogén anu ditularkeun ku dahareun. Di dieu dipidangkeun yén sipat-sipatna salami sintésis tiasa disaluyukeun sareng dioptimalkeun pikeun ningkatkeun poténsi antibakteri na. Platform laboratorium EWNS dirancang pikeun nyaluyukeun sipat-sipat EWNS ku cara ngarobih parameter sintésis. Karakterisasi sipat EWNS (muatan, ukuran, sareng eusi ROS) dilakukeun nganggo metode analitis modéren. Salaku tambahan, mikroorganisme dahareun sapertos Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocua, Mycobacterium para fortitum, sareng Saccharomyces cerevisiae diinokulasi kana permukaan tomat anggur organik pikeun meunteun poténsi inaktivasi mikroba na. Hasil anu dipidangkeun di dieu nunjukkeun yén sipat-sipat EWNS tiasa disaluyukeun salami sintésis, anu ngahasilkeun paningkatan éksponénsial dina efisiensi inaktivasi. Utamana, muatan permukaan ningkat ku faktor opat kali, sareng eusi ROS ningkat. Laju panyabutan mikroba gumantung kana mikroba sareng mimitian ti 1,0 dugi ka 3,8 log saatos 45 menit kakeunaan dosis aerosol 40.000 #/cm3 EWNS.
Kontaminasi mikroba mangrupikeun panyabab utama panyakit anu ditularkan ku dahareun anu disababkeun ku ngonsumsi patogén atanapi racunna. Panyakit anu ditularkan ku dahareun nyababkeun sakitar 76 juta panyakit, 325.000 rawat inap, sareng 5.000 maot unggal taun di Amérika Serikat nyalira1. Salaku tambahan, Departemen Pertanian Amérika Serikat (USDA) ngira-ngira yén paningkatan konsumsi hasil bumi seger tanggung jawab pikeun 48 persén tina sadaya panyakit anu ditularkan ku dahareun anu dilaporkeun di Amérika Serikat2. Biaya panyakit sareng maot tina patogén anu ditularkan ku dahareun di Amérika Serikat luhur pisan, diperkirakeun ku Pusat Pengendalian sareng Pencegahan Panyakit (CDC) langkung ti US$15,6 milyar per taun3.
Ayeuna, intervensi antimikroba kimiawi4, radiasi5 sareng termal6 pikeun mastikeun kaamanan pangan utamina dilaksanakeun dina titik kontrol kritis (CCP) anu kawates dina ranté produksi (biasana saatos panén sareng/atanapi salami pengemasan) tinimbang terus-terusan dilaksanakeun ku cara anu ngajantenkeun produk seger kakeunaan kontaminasi silang 7. Intervensi antimikroba diperyogikeun pikeun ngontrol panyakit anu ditularkan ku pangan sareng karusakan pangan anu langkung saé sareng gaduh poténsi pikeun diterapkeun di sakumna kontinum ti kebon ka méja. Dampak sareng biaya anu langkung sakedik.
Platform antimikroba bébas bahan kimia berbasis nanotéhnologi nembe dikembangkeun pikeun nganonaktipkeun baktéri dina permukaan sareng di udara nganggo nanostruktur cai jieunan (EWNS). Pikeun sintésis EVNS, dua prosés paralel dianggo: éléktrospray sareng ionisasi cai (Gambar 1a). EWNS sateuacanna parantos dipidangkeun gaduh sakumpulan sipat fisik sareng biologis anu unik8,9,10. EWNS gaduh rata-rata 10 éléktron per struktur sareng ukuran nanometer rata-rata 25 nm (Gambar 1b,c)8,9,10. Salaku tambahan, résonansi spin éléktron (ESR) nunjukkeun yén EWNS ngandung sajumlah ageung spésiés oksigén réaktif (ROS), utamina radikal hidroksil (OH•) sareng superoksida (O2-) (Gambar 1c)8. EWNS tetep aya di udara salami lami sareng tiasa tabrakan sareng mikroba anu ngagantung di udara sareng aya dina permukaan, nganteurkeun muatan ROSna sareng nyababkeun inaktivasi mikroba (Gambar 1d). Panilitian-panilitian samemehna ieu ogé nunjukkeun yén EWNS tiasa berinteraksi sareng nganonaktipkeun rupa-rupa baktéri gram-négatif sareng gram-positif anu penting pikeun kaséhatan masarakat, kalebet mikobaktéri, dina permukaan sareng di udara8,9. Mikroskopi éléktron transmisi nunjukkeun yén inaktivasi disababkeun ku gangguan mémbran sél. Salian ti éta, panilitian inhalasi akut nunjukkeun yén dosis EWNS anu luhur henteu nyababkeun karusakan paru-paru atanapi peradangan8.
(a) Electrospray lumangsung nalika tegangan tinggi diterapkeun antara cairan anu ngandung kapiler sareng éléktroda lawan. (b) Aplikasi tegangan tinggi ngahasilkeun dua fénoména anu béda: (i) electrospraying cai sareng (ii) generasi spésiés oksigén réaktif (ion) anu kajebak dina EWNS. (c) Struktur unik EWNS. (d) EWNS mobile pisan kusabab sipat nanoskala na sareng tiasa berinteraksi sareng patogén anu aya di udara.
Kamampuh platform antimikroba EWNS pikeun nganonaktipkeun mikroorganisme anu ditularkan ku dahareun dina permukaan dahareun seger ogé nembe dipidangkeun. Ogé parantos dipidangkeun yén muatan permukaan EWNS tiasa dianggo digabungkeun sareng medan listrik pikeun pangiriman anu dituju. Anu langkung penting, hasil awal anu ngajangjikeun nyaéta réduksi sakitar 1,4 log dina aktivitas tomat organik ngalawan rupa-rupa mikroorganisme dahareun sapertos E. coli sareng Listeria dititénan dina 90 menit saatos paparan EWNS dina konsentrasi sakitar 50.000#/cm311. Salaku tambahan, tés évaluasi organoleptik awal henteu nunjukkeun pangaruh organoleptik dibandingkeun sareng tomat kontrol. Sanaos hasil inaktivasi awal ieu jangji kaamanan pangan bahkan dina dosis EWNS anu handap pisan nyaéta 50.000#/cc. tingali, jelas yén poténsi inaktivasi anu langkung luhur bakal langkung mangpaat pikeun ngirangan résiko inféksi sareng karusakan.
Di dieu, urang bakal museurkeun panalungtikan urang kana pamekaran platform generasi EWNS pikeun ngaropea parameter sintésis sareng ngaoptimalkeun sipat fisikokimia EWNS pikeun ningkatkeun poténsi antibakteri na. Khususna, optimasi parantos fokus kana ningkatkeun muatan permukaanna (pikeun ningkatkeun pangiriman anu dituju) sareng eusi ROS (pikeun ningkatkeun efisiensi inaktivasi). Karakterisasi sipat fisikokimia anu dioptimalkeun (ukuran, muatan sareng eusi ROS) nganggo metode analitis modéren sareng nganggo mikroorganisme dahareun umum sapertos E. coli, S. enterica, L. innocua, S. cerevisiae sareng M. parafortuitum.
EVNS disintésis ku éléktrospraying sareng ionisasi cai murni anu luhur (18 MΩ cm–1) sacara simultan. Atomizer listrik 12 biasana dianggo pikeun atomisasi cairan sareng polimér sintétis sareng partikel keramik 13 sareng serat 14 anu ukuranana dikontrol.
Sakumaha anu dijelaskeun dina publikasi sateuacana 8, 9, 10, 11, dina ékspérimén has, tegangan tinggi diterapkeun antara kapiler logam sareng éléktroda lawan anu di-ground. Salila prosés ieu, dua fénoména anu béda lumangsung: 1) éléktrospray sareng 2) ionisasi cai. Médan listrik anu kuat antara dua éléktroda nyababkeun muatan négatip ngumpul dina permukaan cai anu dipadatkan, anu ngahasilkeun formasi kerucut Taylor. Hasilna, tetesan cai anu dieusi pisan kabentuk, anu teras-terasan ngarecah jadi partikel anu langkung alit, numutkeun téori Rayleigh16. Dina waktos anu sami, médan listrik anu kuat nyababkeun sababaraha molekul cai beulah sareng ngaleupaskeun éléktron (ionisasi), sahingga ngahasilkeun sajumlah ageung spésiés oksigén réaktif (ROS)17. Pakét ROS18 anu dihasilkeun sacara babarengan dienkapsulasi dina EWNS (Gambar 1c).
Dina gambar 2a nunjukkeun sistem generasi EWNS anu dikembangkeun sareng dianggo dina sintésis EWNS dina panilitian ieu. Cai murni anu disimpen dina botol anu ditutup dialirkeun ngaliwatan tabung Teflon (diaméter jero 2 mm) kana jarum stainless steel 30G (kapiler logam). Sakumaha anu dipidangkeun dina Gambar 2b, aliran cai dikontrol ku tekanan hawa di jero botol. Jarum dipasang kana konsol Teflon anu tiasa disaluyukeun sacara manual kana jarak anu tangtu ti éléktroda lawan. Éléktroda lawan nyaéta piringan aluminium anu dipoles kalayan liang di tengah pikeun sampling. Di handap éléktroda lawan aya corong sampling aluminium, anu disambungkeun ka sésa setelan ékspériméntal ngalangkungan port sampling (Gambar 2b). Sadaya komponén sampler di-ground sacara listrik pikeun nyingkahan akumulasi muatan anu tiasa ngaruksak sampling partikel.
(a) Sistem Pembangkitan Nanostruktur Cai Rekayasa (EWNS). (b) Penampang unit sampler sareng electrospray anu nunjukkeun parameter anu paling penting. (c) Setelan ékspériméntal pikeun inaktivasi baktéri.
Sistem generasi EWNS anu dijelaskeun di luhur sanggup ngarobih parameter operasi konci pikeun ngagampangkeun panyesuaian sipat EWNS. Saluyukeun tegangan anu diterapkeun (V), jarak antara jarum sareng éléktroda lawan (L), sareng aliran cai (φ) ngaliwatan kapiler pikeun nyaluyukeun karakteristik EWNS. Simbol [V (kV), L (cm)] dianggo pikeun nunjukkeun kombinasi anu béda. Saluyukeun aliran cai pikeun kéngingkeun kerucut Taylor anu stabil tina set anu tangtu [V, L]. Pikeun tujuan panilitian ieu, aperture éléktroda lawan (D) disetel dina 0,5 inci (1,29 cm).
Kusabab géométri sareng asimetri anu kawates, kakuatan médan listrik teu tiasa diitung tina prinsip kahiji. Sabalikna, parangkat lunak QuickField™ (Svendborg, Denmark)19 dianggo pikeun ngitung médan listrik. Médan listrik henteu seragam, janten nilai médan listrik di tungtung kapiler dianggo salaku nilai rujukan pikeun rupa-rupa konfigurasi.
Salila panilitian, sababaraha kombinasi tegangan sareng jarak antara jarum sareng éléktroda lawan dievaluasi dina hal formasi kerucut Taylor, stabilitas kerucut Taylor, stabilitas produksi EWNS, sareng reprodusibilitas. Rupa-rupa kombinasi dipidangkeun dina Tabel Tambahan S1.
Kaluaran tina sistem generasi EWNS disambungkeun langsung ka Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS, modél 3936, TSI, Shoreview, Minnesota) pikeun ngukur konsentrasi jumlah partikel sareng dianggo sareng éléktrométer aerosol Faraday (TSI, modél 3068B, Shoreview, USA). MN) pikeun ngukur aliran aerosol, sapertos anu dijelaskeun dina publikasi kami sateuacanna9. Duanana SMPS sareng éléktrométer aerosol disampel dina laju aliran 0,5 L/mnt (total aliran sampel 1 L/mnt). Konsentrasi partikel sareng fluks aerosol diukur salami 120 detik. Balikan pangukuran 30 kali. Total muatan aerosol diitung tina pangukuran ayeuna, sareng rata-rata muatan EWNS diperkirakeun tina total jumlah partikel EWNS anu disampel. Biaya rata-rata EWNS tiasa diitung nganggo Persamaan (1):
dimana IEl nyaéta arus anu diukur, NSMPS nyaéta konsentrasi angka anu diukur nganggo SMPS, sareng φEl nyaéta laju aliran ka éléktrométer.
Kusabab kalembaban relatif (RH) mangaruhan muatan permukaan, suhu sareng (RH) dijaga konstan dina 21°C sareng 45%, masing-masing, salami ékspérimén.
Mikroskopi gaya atom (AFM), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Santa Barbara, CA) sareng probe AC260T (Olympus, Tokyo, Jepang) dianggo pikeun ngukur ukuran sareng umur EWNS. Laju scan AFM nyaéta 1 Hz sareng daérah scan nyaéta 5 µm × 5 µm kalayan 256 garis scan. Sadaya gambar dijadikeun conto alignment gambar orde kahiji nganggo parangkat lunak Asylum (masker kalayan rentang 100 nm sareng ambang 100 pm).
Cabut corong sampling teras tempatkeun permukaan mika dina jarak 2,0 cm ti éléktroda lawan salami waktos rata-rata 120 detik pikeun nyingkahan koalesensi partikel sareng formasi tetesan anu henteu teratur dina permukaan mika. EWNS diterapkeun langsung kana permukaan mika anu nembé dipotong (Ted Pella, Redding, CA). Langsung saatos sputtering, permukaan mika divisualisasikeun nganggo AFM. Sudut kontak permukaan mika anu nembé dipotong caket kana 0°, janten EWNS nyebar di luhur permukaan mika dina bentuk kubah20. Diaméter (a) sareng jangkungna (h) tina tetesan anu nyebar diukur langsung tina topografi AFM sareng dianggo pikeun ngitung volume difusi kubah EWNS nganggo metode anu parantos divalidasi sateuacanna8. Anggap yén EVNS onboard gaduh volume anu sami, diaméter anu sami tiasa diitung tina persamaan (2):
Saluyu sareng metode anu parantos dikembangkeun sateuacanna, spin trap résonansi spin éléktron (ESR) dianggo pikeun ngadeteksi ayana zat antara radikal anu umurna pondok dina EWNS. Aerosol dialirkeun kana larutan anu ngandung 235 mM DEPMPO (5-(diethoxyphosphoryl)-5-methyl-1-pyrroline-N-oxide) (Oxis International Inc., Portland, Oregon). Sadaya pangukuran EPR dilakukeun nganggo spéktrométer Bruker EMX (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) sareng susunan sél datar. Parangkat lunak Acquisit (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) dianggo pikeun ngumpulkeun sareng nganalisis data. Karakterisasi ROS dilakukeun ngan ukur pikeun sakumpulan kaayaan operasi [-6,5 kV, 4,0 cm]. Konsentrasi EWNS diukur nganggo SMPS saatos merhatoskeun leungitna EWNS dina impactor.
Kadar ozon diawaskeun nganggo 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Boulder, Co)8,9,10.
Pikeun sadaya sipat EWNS, nilai pangukuran nyaéta rata-rata pangukuran, sareng kasalahan pangukuran nyaéta standar deviasi. Uji-t dilakukeun pikeun ngabandingkeun nilai atribut EWNS anu dioptimalkeun sareng nilai anu saluyu tina EWNS dasar.
Gambar 2c nunjukkeun Sistem Lewat Présipitasi Éléktrostatik (EPES) anu parantos dikembangkeun sareng dicirikeun sateuacanna anu tiasa dianggo pikeun narékahan EWNS11 kana permukaan. EPES nganggo muatan EWNS digabungkeun sareng médan listrik anu kuat pikeun "nunjuk" langsung kana permukaan target. Rincian sistem EPES dipidangkeun dina publikasi anyar ku Pyrgiotakis et al.11. Ku kituna, EPES diwangun ku rohangan PVC anu dicitak 3D kalayan tungtung anu meruncing anu ngandung dua pelat logam stainless steel paralel (304 stainless steel, dipoles eunteung) di tengahna kalayan jarak 15,24 cm. Papan-papan éta disambungkeun ka sumber tegangan tinggi éksternal (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY), papan handap salawasna positip sareng papan luhur salawasna di-ground (ngambang). Tembok rohangan ditutupan ku aluminium foil, anu di-ground sacara listrik pikeun nyegah leungitna partikel. Ruangan éta ngagaduhan panto pemuatan hareup anu disegel anu ngamungkinkeun permukaan uji disimpen dina rak plastik, ngangkatna tina pelat logam handap pikeun nyingkahan gangguan tegangan tinggi.
Efisiensi déposisi EWNS dina EPES diitung dumasar kana protokol anu parantos dikembangkeun sateuacanna anu dirinci dina Gambar Tambahan S111.
Salaku rohangan kontrol, aliran kadua ngaliwatan rohangan silinder disambungkeun sacara séri sareng sistem EPES nganggo filter HEPA antara pikeun miceun EWNS. Sakumaha anu dipidangkeun dina gambar 2c, aerosol EWNS dipompa ngaliwatan dua rohangan anu disambungkeun sacara séri. Filter antara rohangan kontrol sareng EPES miceun sésa-sésa EWNS anu ngahasilkeun suhu (T), kalembaban relatif (RH) sareng tingkat ozon anu sami.
Mikroorganisme anu penting anu ditularkan ku dahareun parantos kapendak ngotoran produk seger sapertos Escherichia coli (ATCC #27325), indikator tai, Salmonella enterica (ATCC #53647), patogén anu ditularkan ku dahareun, Listeria innocua (ATCC #33090), alternatif pikeun Listeria monocytogenes patogén., Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098) salaku alternatif pikeun ragi pembusuk, sareng Mycobacterium parafortuitous (ATCC #19686) salaku baktéri hirup anu langkung tahan dipésér ti ATCC (Manassas, Virginia).
Meuli sacara acak kotak tomat anggur organik ti pasar lokal anjeun teras simpen dina kulkas dina suhu 4°C dugi ka dianggo (dugi ka 3 dinten). Pilih tomat pikeun dicobian hiji ukuran, diaméterna sakitar 1/2 inci.
Protokol pikeun inkubasi, inokulasi, paparan sareng cacah koloni parantos dijelaskeun sacara rinci dina publikasi kami sateuacana sareng dijelaskeun sacara rinci dina Data Tambahan 11. Kinerja EWNS dievaluasi ku cara ngalaan tomat anu diinokulasi ka 40.000 #/cm3 salami 45 menit. Sacara singget, dina waktos t = 0 menit, tilu tomat dianggo pikeun meunteun mikroorganisme anu salamet. Tilu tomat disimpen dina EPES sareng kakeunaan EWNS dina 40.000 #/cc (tomat anu kakeunaan EWNS) sareng tilu anu sanésna disimpen dina ruang kontrol (tomat kontrol). Teu aya hiji ogé tina kelompok tomat anu diprosés tambahan. Tomat sareng kontrol anu kakeunaan EWNS dipiceun saatos 45 menit pikeun meunteun pangaruh EWNS.
Unggal ékspérimén dilaksanakeun tilu kali. Analisis data dilaksanakeun numutkeun protokol anu dijelaskeun dina Data Tambahan.
Sampel baktéri E. coli, Enterobacter, sareng L. innocua anu kakeunaan EWNS (45 menit, konsentrasi aerosol EWNS 40.000 #/cm3) sareng anu teu kakeunaan dipél pikeun meunteun mékanisme inaktivasi. Endapan difiksasi salami 2 jam dina suhu kamar dina larutan natrium kakodilat 0,1 M (pH 7,4) kalayan fiksatif 2,5% glutaraldehida, 1,25% paraformaldehida sareng 0,03% asam pikrat. Saatos dikumbah, aranjeunna difiksasi ku 1% osmium tetroksida (OsO4) / 1,5% kalium ferosianida (KFeCN6) salami 2 jam, dikumbah 3 kali ku cai sareng diinkubasi dina 1% uranil asetat salami 1 jam, teras dikumbah dua kali ku cai. Dehidrasi salajengna 10 menit masing-masing alkohol 50%, 70%, 90%, 100%. Sampel-sampel éta teras ditempatkeun dina propiléna oksida salami 1 jam teras diimpregnasi ku campuran 1:1 propiléna oksida sareng TAAP Epon (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA). Sampel-sampel éta dilebetkeun kana TAAB Epon teras dipolimerisasi dina suhu 60°C salami 48 jam. Résin granular anu parantos diubaran dipotong sareng divisualisasikeun ku TEM nganggo JEOL 1200EX (JEOL, Tokyo, Jepang), mikroskop éléktron transmisi konvensional anu dilengkepan kaméra CCD AMT 2k (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, MA, USA).
Sadaya ékspérimén dilaksanakeun dina rangkep tilu. Pikeun unggal titik waktu, pangumbahan baktéri dilapis dina rangkep tilu, ngahasilkeun total salapan titik data per titik, rata-rata dianggo salaku konsentrasi baktéri pikeun organisme khusus éta. Simpangan baku dianggo salaku kasalahan pangukuran. Sadaya titik diitung.
Logaritma tina panurunan konsentrasi baktéri dibandingkeun sareng t = 0 menit diitung nganggo rumus ieu:
dimana C0 nyaéta konsentrasi baktéri dina sampel kontrol dina waktos 0 (nyaéta saatos permukaan garing tapi sateuacan disimpen dina rohangan) sareng Cn nyaéta konsentrasi baktéri dina permukaan saatos n menit paparan.
Pikeun ngitung degradasi alami baktéri salami période paparan 45 menit, Log-Reduction ogé diitung dibandingkeun sareng kontrol dina 45 menit sapertos kieu:
dimana Cn nyaéta konsentrasi baktéri dina sampel kontrol dina waktos n sareng Cn-Kontrol nyaéta konsentrasi baktéri kontrol dina waktos n. Data dipidangkeun salaku réduksi log dibandingkeun sareng kontrol (henteu aya paparan EWNS).
Salila panilitian, sababaraha kombinasi tegangan sareng jarak antara jarum sareng éléktroda lawan dievaluasi dina hal formasi kerucut Taylor, stabilitas kerucut Taylor, stabilitas produksi EWNS, sareng reprodusibilitas. Rupa-rupa kombinasi dipidangkeun dina Tabel Tambahan S1. Dua kasus dipilih pikeun panilitian lengkep anu nunjukkeun sipat anu stabil sareng tiasa diulang (kerucut Taylor, produksi EWNS, sareng stabilitas kana waktosna). Dina gambar 3 nunjukkeun hasil dina muatan, ukuran sareng eusi ROS pikeun dua kasus. Hasilna ogé diringkeskeun dina Tabel 1. Pikeun rujukan, Gambar 3 sareng Tabel 1 kalebet sipat-sipat EWNS8, 9, 10, 11 anu disintésis sateuacanna (baseline-EWNS). Itungan signifikansi statistik nganggo uji-t dua sisi diterbitkeun deui dina Tabel Tambahan S2. Salaku tambahan, data tambahan kalebet panilitian ngeunaan pangaruh diaméter liang sampling éléktroda lawan (D) sareng jarak antara éléktroda taneuh sareng ujung jarum (L) (Gambar Tambahan S2 sareng S3).
(a–c) Sebaran ukuran AFM. (d – f) Ciri muatan permukaan. (g) Karakterisasi ROS sareng ESR.
Penting ogé pikeun dicatet yén pikeun sadaya kaayaan di luhur, arus ionisasi anu diukur aya dina kisaran 2-6 µA, sareng voltase aya dina kisaran -3,8 dugi ka -6,5 kV, anu ngahasilkeun konsumsi daya pikeun EWNS terminal tunggal ieu kirang ti 50 mW. . modul generasi. Sanaos EWNS disintésis dina tekenan anu luhur, tingkat ozon rendah pisan, henteu pernah ngaleuwihan 60 ppb.
Gambar Tambahan S4 nunjukkeun medan listrik simulasi pikeun skenario [-6,5 kV, 4,0 cm] sareng [-3,8 kV, 0,5 cm]. Medan numutkeun skenario [-6,5 kV, 4,0 cm] sareng [-3,8 kV, 0,5 cm] diitung salaku 2 × 105 V/m sareng 4,7 × 105 V/m. Ieu tiasa dipiharep, kumargi babandingan tegangan sareng jarak langkung luhur dina kasus anu kadua.
Dina gambar 3a, b nunjukkeun diaméter EWNS anu diukur nganggo AFM8. Diaméter EWNS rata-rata pikeun skenario [-6,5 kV, 4,0 cm] sareng [-3,8 kV, 0,5 cm] diitung masing-masing salaku 27 nm sareng 19 nm. Simpangan baku géométri tina distribusi pikeun kasus [-6,5 kV, 4,0 cm] sareng [-3,8 kV, 0,5 cm] masing-masing nyaéta 1,41 sareng 1,45, nunjukkeun distribusi ukuran anu sempit. Duanana ukuran rata-rata sareng simpangan baku géométri caket pisan sareng garis dasar-EWNS, masing-masing nyaéta 25 nm sareng 1,41. Dina gambar 3c nunjukkeun distribusi ukuran garis dasar EWNS anu diukur nganggo metode anu sami dina kaayaan anu sami.
Dina gambar 3d, e nunjukkeun hasil karakterisasi muatan. Data mangrupikeun pangukuran rata-rata tina 30 pangukuran konsentrasi (#/cm3) sareng arus (I) sacara simultan. Analisis nunjukkeun yén muatan rata-rata dina EWNS nyaéta 22 ± 6 e- sareng 44 ± 6 e- pikeun [-6,5 kV, 4,0 cm] sareng [-3,8 kV, 0,5 cm], masing-masing. Dibandingkeun sareng Baseline-EWNS (10 ± 2 e-), muatan permukaanna sacara signifikan langkung luhur, dua kali tibatan skénario [-6,5 kV, 4,0 cm] sareng opat kali tibatan skénario [-3,8 kV, 0,5 cm]. 3f nunjukkeun data pamayaran EWNS dasar.
Tina peta konsentrasi angka EWNS (Gambar Tambahan S5 sareng S6), tiasa katingali yén adegan [-6,5 kV, 4,0 cm] ngagaduhan jumlah partikel anu langkung luhur tibatan adegan [-3,8 kV, 0,5 cm]. Perlu dicatet ogé yén konsentrasi angka EWNS dipantau dugi ka 4 jam (Gambar Tambahan S5 sareng S6), dimana stabilitas generasi EWNS nunjukkeun tingkat konsentrasi angka partikel anu sami dina dua kasus éta.
Gambar 3g nunjukkeun spéktrum EPR saatos pangurangan kontrol (latar tukang) pikeun EWNS anu dioptimalkeun dina [-6,5 kV, 4,0 cm]. Spéktrum ROS ogé dibandingkeun sareng garis dasar EWNS dina makalah anu diterbitkeun sateuacanna. Jumlah EWNS anu diitung anu ngaréaksikeun sareng spin trap nyaéta 7,5 × 104 EWNS/s, anu sami sareng Baseline-EWNS8 anu diterbitkeun sateuacanna. Spéktrum EPR sacara jelas nunjukkeun ayana dua jinis ROS, dimana O2- didominasi, sedengkeun OH• aya dina jumlah anu langkung alit. Salaku tambahan, babandingan langsung tina inténsitas puncak nunjukkeun yén EWNS anu dioptimalkeun ngagaduhan eusi ROS anu langkung luhur dibandingkeun sareng EWNS garis dasar.
Dina gambar 4 nunjukkeun efisiensi déposisi EWNS dina EPES. Data ogé diringkeskeun dina Tabel I sareng dibandingkeun sareng data EWNS asli. Pikeun dua kasus EUNS, déposisi caket kana 100% bahkan dina tegangan rendah 3,0 kV. Biasana, 3,0 kV cekap pikeun ngahontal déposisi 100% henteu paduli parobahan muatan permukaan. Dina kaayaan anu sami, efisiensi déposisi Baseline-EWNS ngan ukur 56% kusabab muatan anu langkung handap (rata-rata 10 éléktron per EWNS).
Gambar 5 sareng Tabel 2 ngaruntuykeun tingkat inaktivasi mikroorganisme anu diinokulasi dina permukaan tomat saatos kakeunaan sakitar 40.000 #/cm3 EWNS salami 45 menit dina skénario optimal [-6,5 kV, 4,0 cm]. E. coli sareng L. innocua anu diinokulasi nunjukkeun réduksi anu signifikan nyaéta 3,8 log saatos 45 menit kakeunaan. Dina kaayaan anu sami, S. enterica nunjukkeun réduksi log anu langkung handap nyaéta 2,2 log, sedengkeun S. cerevisiae sareng M. parafortuitum nunjukkeun réduksi 1,0 log.
Mikrograf éléktron (Gambar 6) ngagambarkeun parobahan fisik anu diinduksi ku EWNS dina sél E. coli, Salmonella enterica, sareng L. innocua anu ngarah kana inaktivasi. Baktéri kontrol némbongkeun mémbran sél anu utuh, sedengkeun baktéri anu kakeunaan mémbran luarna ruksak.
Pencitraan mikroskopis éléktron tina baktéri kontrol sareng anu kakeunaan ngungkabkeun karusakan mémbran.
Data ngeunaan sipat fisikokimia tina EWNS anu dioptimalkeun sacara koléktif nunjukkeun yén sipat EWNS (muatan permukaan sareng eusi ROS) ningkat sacara signifikan dibandingkeun sareng data dasar EWNS anu diterbitkeun sateuacanna8,9,10,11. Di sisi anu sanés, ukuranana tetep dina kisaran nanometer, anu sami pisan sareng hasil anu diterbitkeun sateuacanna, anu ngamungkinkeun aranjeunna tetep di udara salami waktos anu lami. Polidispersitas anu dititénan tiasa dijelaskeun ku parobahan dina muatan permukaan, anu nangtukeun gedena pangaruh Rayleigh, randomness, sareng poténsi ngahiji EWNS. Nanging, sakumaha anu dijelaskeun ku Nielsen et al.22, muatan permukaan anu luhur ngirangan penguapan ku cara ningkatkeun énergi permukaan/tegangan tetesan cai sacara efektif. Téori ieu dikonfirmasi sacara ékspériméntal pikeun mikrodroplets22 sareng EWNS dina publikasi kami sateuacanna8. Leungitna lembur ogé tiasa mangaruhan ukuran sareng nyumbang kana distribusi ukuran anu dititénan.
Salian ti éta, muatan per struktur sakitar 22–44 e-, gumantung kana kaayaanana, anu sacara signifikan langkung luhur dibandingkeun sareng EWNS dasar, anu gaduh muatan rata-rata 10 ± 2 éléktron per struktur. Nanging, kedah dicatet yén ieu mangrupikeun muatan rata-rata EWNS. Seto et al. Parantos dipidangkeun yén muatanna henteu seragam sareng nuturkeun distribusi log-normal21. Dibandingkeun sareng padamelan kami sateuacana, ngagandakeun muatan permukaan ngagandakeun efisiensi déposisi dina sistem EPES janten ampir 100%11.