Tack för att du besöker Nature.com. Webbläsarversionen du använder har begränsat CSS-stöd. För bästa möjliga upplevelse rekommenderar vi att du använder en uppdaterad webbläsare (eller inaktiverar kompatibilitetsläge i Internet Explorer). Under tiden, för att säkerställa fortsatt stöd, kommer vi att rendera webbplatsen utan stilar och JavaScript.
Nyligen har en kemikaliefri antimikrobiell plattform baserad på nanoteknik med hjälp av artificiella vattennanostrukturer (EWNS) utvecklats. EWNS har en hög ytladdning och är mättade med reaktiva syreradikaler (ROS) som kan interagera med och inaktivera ett antal mikroorganismer, inklusive livsmedelsburna patogener. Här visas att deras egenskaper under syntes kan finjusteras och optimeras för att ytterligare förbättra deras antibakteriella potential. EWNS laboratorieplattform utformades för att finjustera egenskaperna hos EWNS genom att ändra syntesparametrarna. Karakterisering av EWNS egenskaper (laddning, storlek och innehåll av ROS) med hjälp av moderna analysmetoder. Dessutom utvärderades de med avseende på deras mikrobiella inaktiveringspotential mot livsmedelsburna mikroorganismer såsom Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocuous, Mycobacterium paraaccidentum och Saccharomyces cerevisiae. Resultaten som presenteras här visar att egenskaperna hos EWNS kan finjusteras under syntes, vilket resulterar i en exponentiell ökning av inaktiveringseffektiviteten. I synnerhet ökade ytladdningen med en faktor fyra och de reaktiva syreradikalerna ökade. Den mikrobiella borttagningshastigheten var mikrobiellt beroende och varierade från 1,0 till 3,8 log efter 45 minuters exponering för en aerosoldos på 40 000 #/cc EWNS.
Mikrobiell kontaminering är den främsta orsaken till livsmedelsburna sjukdomar orsakade av intag av patogener eller deras gifter. Bara i USA orsakar livsmedelsburna sjukdomar cirka 76 miljoner sjukdomar, 325 000 sjukhusinläggningar och 5 000 dödsfall varje år1. Dessutom uppskattar USA:s jordbruksdepartement (USDA) att ökad konsumtion av färska produkter är ansvarig för 48 % av alla rapporterade livsmedelsburna sjukdomar i USA2. Kostnaden för sjukdomar och dödsfall orsakade av livsmedelsburna patogener i USA är mycket hög och uppskattas av Centers for Disease Control and Prevention (CDC) till mer än 15,6 miljarder USD per år3.
För närvarande utförs kemiska4, strålnings5 och termiska6 antimikrobiella ingrepp för att säkerställa livsmedelssäkerhet mestadels vid begränsade kritiska kontrollpunkter (CCP) längs produktionskedjan (vanligtvis efter skörd och/eller under förpackning) snarare än kontinuerligt. De är därför benägna att korskontaminera. 7. Bättre kontroll av livsmedelsburna sjukdomar och livsmedelsförstörelse kräver antimikrobiella ingrepp som potentiellt kan tillämpas i hela produktionskedjan från gård till bord, samtidigt som miljöpåverkan och kostnader minskas.
Nyligen har en kemikaliefri, nanoteknikbaserad antimikrobiell plattform utvecklats som kan inaktivera ytbakterier och luftburna bakterier med hjälp av artificiella vattennanostrukturer (EWNS). EWNS syntetiserades med hjälp av två parallella processer, elektrospray och vattenjonisering (Fig. 1a). Tidigare studier har visat att EWNS har en unik uppsättning fysikaliska och biologiska egenskaper8,9,10. EWNS har i genomsnitt 10 elektroner per struktur och en genomsnittlig nanoskalastorlek på 25 nm (Fig. 1b, c)8,9,10. Dessutom visade elektronspinnresonans (ESR) att EWNS innehåller en stor mängd reaktiva syreradikaler (ROS), främst hydroxylradikaler (OH•) och superoxidradikaler (O2-) (Fig. 1c)8. EVNS finns i luften under lång tid och kan kollidera med mikroorganismer som är svävande i luften och finns på ytan, leverera sin ROS-nyttolast och orsaka inaktivering av mikroorganismer (Fig. 1d). Dessa tidiga studier visade också att EWNS kan interagera med och inaktivera olika gramnegativa och grampositiva bakterier, inklusive mykobakterier, på ytor och i luften. Transmissionselektronmikroskopi visade att inaktiveringen orsakades av störningar i cellmembranet. Dessutom har studier på akut inhalation visat att höga doser av EWNS inte orsakar lungskador eller inflammation 8.
(a) Elektrosprayning sker när en hög spänning appliceras mellan ett kapillärrör som innehåller vätska och en motelektrod. (b) Applicering av högt tryck resulterar i två olika fenomen: (i) elektrosprayning av vatten och (ii) bildning av reaktiva syreradikaler (joner) som är instängda i EWNS. (c) EWNS unika struktur. (d) På grund av sin nanoskaliga natur är EWNS mycket rörliga och kan interagera med luftburna patogener.
EWNS antimikrobiella plattforms förmåga att inaktivera livsmedelsburna mikroorganismer på ytan av färska livsmedel har också nyligen demonstrerats. Det har också visats att ytladdningen hos EWNS i kombination med ett elektriskt fält kan användas för att uppnå riktad leverans. Dessutom var preliminära resultat för ekologiska tomater efter 90 minuters exponering vid en EWNS på cirka 50 000 #/cm3 uppmuntrande, med observationer av olika livsmedelsburna mikroorganismer som E. coli och Listeria 11. Dessutom visade preliminära organoleptiska tester inga sensoriska effekter jämfört med kontrolltomater. Även om dessa initiala inaktiveringsresultat är uppmuntrande för livsmedelssäkerhetstillämpningar även vid mycket låga EWNS-doser på 50 000 #/cm³, är det tydligt att en högre inaktiveringspotential skulle vara mer fördelaktig för att ytterligare minska risken för infektion och förstörelse.
Här kommer vi att fokusera vår forskning på utvecklingen av en EWNS-genereringsplattform för att möjliggöra finjustering av syntesparametrar och optimering av de fysikalisk-kemiska egenskaperna hos EWNS för att förbättra deras antibakteriella potential. Optimeringen har särskilt fokuserat på att öka deras ytladdning (för att förbättra riktad leverans) och ROS-innehåll (för att förbättra inaktiveringseffektiviteten). Karakterisera optimerade fysikalisk-kemiska egenskaper (storlek, laddning och ROS-innehåll) med hjälp av moderna analysmetoder och använda vanliga livsmedelsmikroorganismer såsom E. .
EVNS syntetiserades genom samtidig elektrosprayning och jonisering av högrent vatten (18 MΩ cm–1). Den elektriska nebulisatorn 12 används vanligtvis för finfördelning av vätskor och syntes av polymer- och keramiska partiklar 13 och fibrer 14 av kontrollerad storlek.
Som beskrivits i tidigare publikationer 8, 9, 10, 11, applicerades i ett typiskt experiment en hög spänning mellan en metallkapillär och en jordad motelektrod. Under denna process inträffar två olika fenomen: i) elektrospray och ii) vattenjonisering. Ett starkt elektriskt fält mellan de två elektroderna orsakar att negativa laddningar byggs upp på ytan av det kondenserade vattnet, vilket resulterar i bildandet av Taylor-koner. Som ett resultat bildas högladdade vattendroppar, som fortsätter att brytas upp i mindre partiklar, som i Rayleigh-teorin16. Samtidigt orsakar starka elektriska fält att vissa vattenmolekyler klyvs och skalar av elektroner (joniseras), vilket leder till bildandet av en stor mängd reaktiva syreradikaler (ROS)17. Samtidigt genererad ROS18 inkapslades i EWNS (Fig. 1c).
Figur 2a visar EWNS-genereringssystemet som utvecklats och använts i EWNS-syntesen i denna studie. Renat vatten förvarat i en sluten flaska matades genom ett teflonrör (2 mm innerdiameter) in i en 30G rostfri stålnål (metallkapillär). Vattenflödet styrs av lufttrycket inuti flaskan, såsom visas i figur 2b. Nålen är monterad på en teflonkonsol och kan manuellt justeras till ett visst avstånd från motelektroden. Motelektroden är en polerad aluminiumskiva med ett hål i mitten för provtagning. Under motelektroden finns en provtagningstratt i aluminium, som är ansluten till resten av experimentuppsättningen via en provtagningsport (figur 2b). För att undvika laddningsuppbyggnad som kan störa provtagarens drift är alla provtagarens komponenter elektriskt jordade.
(a) Konstruerat vattennanostrukturgenereringssystem (EWNS). (b) Tvärsnitt av provtagaren och elektrosprayen, som visar de viktigaste parametrarna. (c) Experimentell uppställning för bakterieinaktivering.
EWNS-genereringssystemet som beskrivs ovan kan ändra viktiga driftsparametrar för att underlätta finjustering av EWNS-egenskaperna. Justera den pålagda spänningen (V), avståndet mellan nålen och motelektroden (L) och vattenflödet (φ) genom kapillärröret för att finjustera EWNS-egenskaperna. Symbol som används för att representera olika kombinationer: [V (kV), L (cm)]. Justera vattenflödet för att få en stabil Taylor-kon med en viss uppsättning [V, L]. I denna studie hölls öppningsdiametern för motelektroden (D) på 0,5 tum (1,29 cm).
På grund av den begränsade geometrin och asymmetrin kan den elektriska fältstyrkan inte beräknas utifrån grundläggande principer. Istället användes QuickField™-programvaran (Svendborg, Danmark)19 för att beräkna det elektriska fältet. Det elektriska fältet är inte enhetligt, så värdet på det elektriska fältet vid kapillärens spets användes som referensvärde för olika konfigurationer.
Under studien utvärderades flera kombinationer av spänning och avstånd mellan nålen och motelektroden med avseende på Taylorkonbildning, Taylorkonstabilitet, EWNS-produktionsstabilitet och reproducerbarhet. Olika kombinationer visas i tilläggstabell S1.
Utgången från EWNS-genereringssystemet anslöts direkt till en Scanning Mobility Particle Size Analyzer (SMPS, modell 3936, TSI, Shoreview, MN) för mätning av partikelkoncentration, samt till en Aerosol Faraday-elektrometer (TSI, modell 3068B, Shoreview, MN). ) för aerosolströmmar mättes enligt beskrivningen i vår tidigare publikation. Både SMPS och aerosolelektrometern samplade med en flödeshastighet på 0,5 L/min (totalt provflöde 1 L/min). Antalet partiklar och aerosolflödet mättes i 120 sekunder. Mätningen upprepas 30 gånger. Baserat på strömmätningarna beräknas den totala aerosolladdningen och den genomsnittliga EWNS-laddningen uppskattas för ett givet totalt antal utvalda EWNS-partiklar. Den genomsnittliga kostnaden för EWNS kan beräknas med hjälp av ekvation (1):
där IEl är den uppmätta strömmen, NSMPS är den digitala koncentrationen mätt med SMPS och φEl är flödeshastigheten per elektrometer.
Eftersom relativ fuktighet (RH) påverkar ytladdningen hölls temperaturen och (RH) konstanta under experimentet vid 21 °C respektive 45 %.
Atomkraftsmikroskopi (AFM), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Santa Barbara, CA) och AC260T-sond (Olympus, Tokyo, Japan) användes för att mäta storleken och livslängden på EWNS. AFM-skanningsfrekvensen var 1 Hz, skanningsområdet var 5 μm × 5 μm och 256 skanningslinjer. Alla bilder utsattes för första ordningens bildjustering med hjälp av Asylum-programvara (maskintervall 100 nm, tröskelvärde 100 pm).
Testtratten togs bort och glimmerytan placerades på ett avstånd av 2,0 cm från motelektroden under en medelvärdestid på 120 s för att undvika partikelagglomerering och bildning av oregelbundna droppar på glimmerytan. EWNS sprayades direkt på ytan av nyskuren glimmer (Ted Pella, Redding, CA). Bild av glimmerytan omedelbart efter AFM-sputtring. Kontaktvinkeln för ytan av nyskuren omodifierad glimmer är nära 0°, så EVNS är fördelat på glimmerytan i form av en kupol. Diametern (a) och höjden (h) på de diffuserande dropparna mättes direkt från AFM-topografin och användes för att beräkna EWNS kupolformade diffusionsvolym med hjälp av vår tidigare validerade metod. Om man antar att de inbyggda EWNS har samma volym kan den ekvivalenta diametern beräknas med hjälp av ekvation (2):
Baserat på vår tidigare utvecklade metod användes en elektronspinnresonans (ESR) spinnfälla för att detektera närvaron av kortlivade radikalmellanprodukter i EWNS. Aerosoler bubblades genom en 650 μm Midget-spridare (Ace Glass, Vineland, NJ) innehållande en 235 mM lösning av DEPMPO(5-(dietoxifosforyl)-5-metyl-1-pyrrolin-N-oxid) (Oxis International Inc.). Portland, Oregon). Alla ESR-mätningar utfördes med en Bruker EMX-spektrometer (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) och en plattcell. Acquisit-programvaran (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) användes för att samla in och analysera data. Bestämning av ROS-egenskaperna utfördes endast för en uppsättning driftsförhållanden [-6,5 kV, 4,0 cm]. EWNS-koncentrationer mättes med SMPS efter att EWNS-förluster i impaktorn tagits med hänsyn till.
Ozonnivåerna övervakades med en 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Boulder, Colorado)8,9,10.
För alla EWNS-egenskaper används medelvärdet som mätvärde och standardavvikelsen som mätfel. T-tester utfördes för att jämföra värdena för de optimerade EWNS-attributen med motsvarande värden för bas-EWNS.
Figur 2c visar ett tidigare utvecklat och karakteriserat elektrostatisk utfällning (EPES) "pull"-system som kan användas för riktad leverans av EWNS vid ytan. EPES använder EVNS-laddningar som kan "styras" direkt till målets yta under påverkan av ett starkt elektriskt fält. Detaljer om EPES-systemet presenteras i en nyligen publicerad publikation av Pyrgiotakis et al. 11 . EPES består således av en 3D-printad PVC-kammare med avsmalnande ändar och innehåller två parallella metallplattor av rostfritt stål (304 rostfritt stål, spegelbelagda) i mitten med 15,24 cm mellanrum. Korten var anslutna till en extern högspänningskälla (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY), bottenplattan var alltid ansluten till positiv spänning och topplattan var alltid ansluten till jord (flytande jord). Kammarväggarna är täckta med aluminiumfolie, som är elektriskt jordad för att förhindra partikelförlust. Kammaren har en förseglad frontlucka som gör att testytor kan placeras på plaststativ som höjer dem över bottenmetallplattan för att undvika högspänningsstörningar.
Deponeringseffektiviteten för EWNS i EPES beräknades enligt ett tidigare utvecklat protokoll som beskrivs i kompletterande figur S111.
Som kontrollkammare seriekopplades en andra cylindrisk flödeskammare till EPES-systemet, där ett mellanliggande HEPA-filter användes för att avlägsna EWNS. Som visas i figur 2c pumpades EWNS-aerosolen genom två inbyggda kammare. Filtret mellan kontrollrummet och EPES avlägsnar eventuellt kvarvarande EWNS, vilket resulterade i samma temperatur (T), relativa fuktighet (RH) och ozonnivåer.
Viktiga livsmedelsburna mikroorganismer har visat sig kontaminera färska livsmedel såsom E. coli (ATCC #27325), fekal indikator, Salmonella enterica (ATCC #53647), livsmedelsburen patogen, Listeria harmless (ATCC #33090), surrogat för patogen Listeria monocytogenes, härledd från ATCC (Manassas, VA) Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098), en ersättning för jäst som orsakar förstörelse, och en mer resistent inaktiverad bakterie, Mycobacterium paralucky (ATCC #19686).
Köp slumpmässiga lådor med ekologiska druvetomater från din lokala marknad och förvara dem i kylskåp vid 4 °C tills de ska användas (upp till 3 dagar). Experimenttomaterna var alla lika stora, ungefär 1,25 cm i diameter.
Protokollen för kultur, inokulering, exponering och koloniräkning beskrivs i vår tidigare publikation och i kompletterande data. Effektiviteten av EWNS utvärderades genom att exponera inokulerade tomater för 40 000 #/cm3 i 45 minuter. Kortfattat användes tre tomater för att utvärdera de överlevande mikroorganismerna vid tidpunkten t = 0 min. Tre tomater placerades i EPES och exponerades för EWNS vid 40 000 #/cc (EWNS-exponerade tomater) och de återstående tre placerades i kontrollkammaren (kontrolltomater). Ytterligare bearbetning av tomater i båda grupperna utfördes inte. EWNS-exponerade tomater och kontrolltomater avlägsnades efter 45 minuter för att utvärdera effekten av EWNS.
Varje experiment utfördes i tre exemplar. Dataanalys utfördes enligt protokollet som beskrivs i kompletterande data.
Inaktiveringsmekanismer utvärderades genom sedimentation av exponerade EWNS-prover (45 min vid 40 000 #/cm3 EWNS-aerosolkoncentration) och icke-bestrålade prover av ofarliga bakterier E. coli, Salmonella enterica och Lactobacillus. Partiklarna fixerades i 2,5 % glutaraldehyd, 1,25 % paraformaldehyd och 0,03 % pikrinsyra i 0,1 M natriumkakodylatbuffert (pH 7,4) i 2 timmar vid rumstemperatur. Efter tvättning, efterfixera med 1 % osmiumtetroxid (OsO4)/1,5 % kaliumferrocyanid (KFeCN6) i 2 timmar, tvätta 3 gånger i vatten och inkubera i 1 % uranylacetat i 1 timme, tvätta sedan två gånger i vatten, dehydrera sedan i 10 minuter i 50 %, 70 %, 90 %, 100 % alkohol. Proverna placerades sedan i propylenoxid i 1 timme och impregnerades med en 1:1-blandning av propylenoxid och TAAP Epon (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA). Proverna bäddades in i TAAB Epon och polymeriserades vid 60 °C i 48 timmar. Det härdade granulära hartset skars och visualiserades med TEM med hjälp av ett konventionellt transmissionselektronmikroskop JEOL 1200EX (JEOL, Tokyo, Japan) utrustat med en AMT 2k CCD-kamera (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, Massachusetts, USA).
Alla experiment utfördes i triplikat. För varje tidpunkt såddes bakteriella tvättar i triplikat, vilket resulterade i totalt nio datapunkter per punkt, vars medelvärde användes som bakteriekoncentrationen för den specifika mikroorganismen. Standardavvikelsen användes som mätfel. Alla poäng räknas.
Logaritmen för minskningen av bakteriekoncentrationen jämfört med t = 0 min beräknades med följande formel:
där C0 är bakteriekoncentrationen i kontrollprovet vid tidpunkt 0 (dvs. efter att ytan har torkat men innan den placerats i kammaren) och Cn är bakteriekoncentrationen på ytan efter n minuters exponering.
För att ta hänsyn till den naturliga nedbrytningen av bakterier under 45 minuters exponering beräknades även logaritmiska reduktionen jämfört med kontrollen efter 45 minuter enligt följande:
där Cn är koncentrationen av bakterier i kontrollprovet vid tidpunkt n och Cn-Control är koncentrationen av kontrollbakterier vid tidpunkt n. Data presenteras som en logaritmisk reduktion jämfört med kontroll (ingen EWNS-exponering).
Under studien utvärderades flera kombinationer av spänning och avstånd mellan nålen och motelektroden med avseende på Taylorkonbildning, Taylorkonstabilitet, EWNS-produktionsstabilitet och reproducerbarhet. Olika kombinationer visas i tilläggstabell S1. Två fall som uppvisar stabila och reproducerbara egenskaper (Taylorkon, EWNS-generering och stabilitet över tid) valdes ut för en omfattande studie. Figur 3 visar resultaten för laddning, storlek och innehåll av ROS i båda fallen. Resultaten sammanfattas också i tabell 1. Som referens inkluderar både figur 3 och tabell 1 egenskaperna hos den tidigare syntetiserade icke-optimerade EWNS8, 9, 10, 11 (baslinje-EWNS). Statistiska signifikansberäkningar med ett tvåsidigt t-test publiceras på nytt i tilläggstabell S2. Dessutom inkluderar ytterligare data studier av effekten av motelektrodens samplingshålsdiameter (D) och avståndet mellan jordelektrod och spets (L) (kompletterande figurer S2 och S3).
(ac) Storleksfördelning mätt med AFM. (df) Ytladdningskarakteristik. (g) ROS-karakterisering av EPR.
Det är också viktigt att notera att för alla ovanstående förhållanden var den uppmätta joniseringsströmmen mellan 2 och 6 μA och spänningen mellan -3,8 och -6,5 kV, vilket resulterade i en effektförbrukning på mindre än 50 mW för denna enda EWNS-genererande kontaktmodul. Även om EWNS syntetiserades under högt tryck var ozonnivåerna mycket låga och översteg aldrig 60 ppb.
Kompletterande figur S4 visar de simulerade elektriska fälten för scenarierna [-6,5 kV, 4,0 cm] respektive [-3,8 kV, 0,5 cm]. För scenarierna [-6,5 kV, 4,0 cm] och [-3,8 kV, 0,5 cm] är fältberäkningarna 2 × 105 V/m respektive 4,7 × 105 V/m. Detta är förväntat, eftersom spännings-avståndsförhållandet är mycket högre i det andra fallet.
Figur 3a och 3b visar EWNS-diametern mätt med AFM8. De beräknade genomsnittliga EWNS-diametrarna var 27 nm och 19 nm för [-6,5 kV, 4,0 cm] respektive [-3,8 kV, 0,5 cm]-schemana. För scenarierna [-6,5 kV, 4,0 cm] och [-3,8 kV, 0,5 cm] är de geometriska standardavvikelserna för fördelningarna 1,41 respektive 1,45, vilket indikerar en smal storleksfördelning. Både medelstorleken och den geometriska standardavvikelsen ligger mycket nära baslinje-EWNS, vid 25 nm respektive 1,41. Figur 3c visar storleksfördelningen för bas-EWNS mätt med samma metod under samma förhållanden.
I figur 3d, e visas resultaten av laddningskarakteriseringen. Data är genomsnittliga mätningar av 30 samtidiga mätningar av koncentration (#/cm3) och ström (I). Analysen visar att den genomsnittliga laddningen på EWNS är 22 ± 6 e- och 44 ± 6 e- för [-6,5 kV, 4,0 cm] respektive [-3,8 kV, 0,5 cm]. De har betydligt högre ytladdningar jämfört med baslinje-EWNS (10 ± 2 e-), två gånger större än [-6,5 kV, 4,0 cm]-scenariot och fyra gånger större än [-3,8 kV, 0,5 cm]. Figur 3f visar laddningsdata för baslinje-EWNS.
Från koncentrationskartorna för EWNS-antalet (kompletterande figurer S5 och S6) kan man se att scenariot [-6,5 kV, 4,0 cm] har betydligt fler partiklar än scenariot [-3,8 kV, 0,5 cm]. Det är också värt att notera att EWNS-antalkoncentrationen övervakades i upp till 4 timmar (kompletterande figurer S5 och S6), där EWNS-generationsstabiliteten visade samma nivåer av partikelantalkoncentration i båda fallen.
Fig. 3g visar EPR-spektrumet efter subtraktion av den optimerade EWNS-kontrollen (bakgrund) vid [-6,5 kV, 4,0 cm]. ROS-spektra jämfördes också med Baseline-EWNS-scenariot i ett tidigare publicerat arbete. Antalet EWNS som reagerade med spinnfällor beräknades till 7,5 × 104 EWNS/s, vilket liknar det tidigare publicerade Baseline-EWNS8. EPR-spektra visade tydligt närvaron av två typer av ROS, där O2- var den dominerande arten och OH• var mindre riklig. Dessutom visade en direkt jämförelse av toppintensiteterna att den optimerade EWNS hade ett signifikant högre ROS-innehåll jämfört med baslinje-EWNS.
Figur 4 visar deponeringseffektiviteten för EWNS i EPES. Data sammanfattas också i tabell I och jämförs med ursprungliga EWNS-data. För båda fallen av EUNS är deponeringen nära 100 % även vid en låg spänning på 3,0 kV. Vanligtvis är 3,0 kV tillräckligt för 100 % deponering, oavsett förändring av ytladdning. Under samma förhållanden var deponeringseffektiviteten för Baseline-EWNS endast 56 % på grund av deras lägre laddning (i genomsnitt 10 elektroner per EWNS).
I figur 5 och tabell 2 sammanfattas inaktiveringsvärdet för mikroorganismer inokulerade på ytan av tomater efter exponering för cirka 40 000 #/cm3 EWNS i 45 minuter vid optimalt läge [-6,5 kV, 4,0 cm]. Inokulerade E. coli och Lactobacillus innocuous visade en signifikant minskning på 3,8 log under 45 minuters exponering. Under samma förhållanden hade S. enterica en minskning på 2,2 log, medan S. cerevisiae och M. parafortutum hade en minskning på 1,0 log.
Elektronmikroskopbilderna (Figur 6) visar de fysiska förändringar som EWNS inducerar på ofarliga Escherichia coli-, Streptococcus- och Lactobacillus-celler, vilket leder till deras inaktivering. Kontrollbakterierna hade intakta cellmembran, medan de exponerade bakterierna hade skadade yttre membran.
Elektronmikroskopisk avbildning av kontroll- och exponerade bakterier avslöjade membranskador.
Data om de fysikalisk-kemiska egenskaperna hos de optimerade EWNS visar sammantaget att egenskaperna (ytladdning och ROS-innehåll) hos EWNS förbättrades avsevärt jämfört med de tidigare publicerade EWNS-baslinjedata8,9,10,11. Å andra sidan förblev deras storlek inom nanometerområdet, mycket likt de resultat som tidigare rapporterats, vilket gjorde att de kunde stanna kvar i luften under långa perioder. Den observerade polydispersiteten kan förklaras av förändringar i ytladdning som bestämmer storleken på EWNS, slumpmässigheten hos Rayleigh-effekten och potentiell koalescens. Emellertid, som i detalj beskrivits av Nielsen et al.22, minskar hög ytladdning avdunstning genom att effektivt öka ytenergin/spänningen hos vattendroppen. I vår tidigare publikation8 bekräftades denna teori experimentellt för mikrodroppar22 och EWNS. Förlust av laddning under övertid kan också påverka storleken och bidra till den observerade storleksfördelningen.
Dessutom är laddningen per struktur cirka 22–44 e-, beroende på situationen, vilket är betydligt högre jämfört med den grundläggande EWNS, som har en genomsnittlig laddning på 10 ± 2 elektroner per struktur. Det bör dock noteras att detta är den genomsnittliga laddningen för EWNS. Seto et al. Det har visats att laddningen är inhomogen och följer en logaritmisk normalfördelning . Jämfört med vårt tidigare arbete fördubblar en fördubbling av ytladdningen depositionseffektiviteten i EPES-systemet till nästan 100 % .