Tack för att du besöker Nature.com. Du använder en webbläsarversion med begränsat CSS-stöd. För bästa möjliga upplevelse rekommenderar vi att du använder en uppdaterad webbläsare (eller inaktiverar kompatibilitetsläge i Internet Explorer). För att säkerställa fortsatt support visar vi dessutom 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 rika på 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. Karakteriseringen av EWNS egenskaper (laddning, storlek och ROS-innehåll) utfördes med moderna analysmetoder. Dessutom inokulerades livsmedelsmikroorganismer som Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocua, Mycobacterium para fortitum och Saccharomyces cerevisiae på ytan av ekologiska druvtomater för att utvärdera deras mikrobiella inaktiveringspotential. 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 ROS-innehållet 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 #/cm3 EWNS.
Mikrobiell kontaminering är den främsta orsaken till livsmedelsburna sjukdomar orsakade av intag av patogener eller deras gifter. Livsmedelsburna sjukdomar står för cirka 76 miljoner sjukdomar, 325 000 sjukhusinläggningar och 5 000 dödsfall varje år enbart i USA1. Dessutom uppskattar USA:s jordbruksdepartement (USDA) att ökad konsumtion av färska produkter är ansvarig för 48 procent av alla livsmedelsburna sjukdomar som rapporteras i USA2. Kostnaden för sjukdom och dödsfall från 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 implementeras kemiska4, strålnings5 och termiska6 antimikrobiella ingrepp för att säkerställa livsmedelssäkerhet huvudsakligen vid begränsade kritiska kontrollpunkter (CCP) i produktionskedjan (vanligtvis efter skörd och/eller under förpackning) snarare än att de implementeras kontinuerligt på ett sådant sätt att färska produkter utsätts för korskontaminering7. Antimikrobiella ingrepp behövs för att bättre kontrollera livsmedelsburna sjukdomar och livsmedelsförstörelse och har potential att tillämpas i hela produktionskedjan från gård till bord. Mindre påverkan och kostnad.
En nanoteknikbaserad kemikaliefri antimikrobiell plattform har nyligen utvecklats för att inaktivera bakterier på ytor och i luften med hjälp av artificiella vattennanostrukturer (EWNS). För syntesen av EVNS användes två parallella processer: elektrospray och vattenjonisering (Fig. 1a). EWNS har tidigare visat sig ha en unik uppsättning fysikaliska och biologiska egenskaper8,9,10. EWNS har i genomsnitt 10 elektroner per struktur och en genomsnittlig nanometerstorlek 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. EWNS stannade kvar i luften under lång tid och kunde kollidera med mikrober som svävade i luften och fanns på ytor, leverera sin ROS-nyttolast och orsaka mikrobiell inaktivering (Fig. 1d). Dessa tidigare studier visade också att EWNS kan interagera med och inaktivera olika gramnegativa och grampositiva bakterier av folkhälsomässig betydelse, inklusive mykobakterier, på ytor och i luften8,9. 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 inflammation8.
(a) Elektrosprayning sker när en hög spänning appliceras mellan en kapillär innehållande vätska och en motelektrod. (b) Appliceringen av hög spänning resulterar i två olika fenomen: (i) elektrosprayning av vatten och (ii) generering av reaktiva syreradikaler (joner) som är fångade i EWNS. (c) EWNS unika struktur. (d) EWNS är mycket rörliga på grund av sin nanoskaliga natur 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 EWNS ytladdning kan användas i kombination med ett elektriskt fält för riktad leverans. Ännu viktigare är att ett lovande initialt resultat på cirka 1,4 log-reduktion av organisk tomataktivitet mot olika livsmedelsmikroorganismer såsom E. coli och Listeria observerades inom 90 minuter efter exponering för EWNS vid en koncentration av cirka 50 000 #/cm311. Dessutom visade preliminära organoleptiska utvärderingstester ingen organoleptisk effekt jämfört med kontrolltomaten. Även om dessa initiala inaktiveringsresultat lovar livsmedelssäkerhet även vid mycket låga EWNS-doser på 50 000 #/cc. se, 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 finjustera syntesparametrarna och optimera de fysikalisk-kemiska egenskaperna hos EWNS för att förbättra deras antibakteriella potential. Speciellt har optimeringen fokuserat på att öka deras ytladdning (för att förbättra riktad leverans) och ROS-innehåll (för att förbättra inaktiveringseffektiviteten). Karakterisering av optimerade fysikalisk-kemiska egenskaper (storlek, laddning och ROS-innehåll) med hjälp av moderna analysmetoder och vanliga livsmedelsmikroorganismer som E. coli, S. enterica, L. innocua, S. cerevisiae och M. parafortuitum.
EVNS syntetiserades genom samtidig elektrosprayning och jonisering av vatten med hög renhet (18 MΩ cm–1). Den elektriska finfördelaren 12 används vanligtvis för att finfördela vätskor och syntetiska polymer- och keramiska partiklar 13 och fibrer 14 av kontrollerad storlek.
Som beskrivits i tidigare publikationer 8, 9, 10, 11, appliceras i ett typiskt experiment en hög spänning mellan en metallkapillär och en jordad motelektrod. Under denna process inträffar två olika fenomen: 1) elektrospray och 2) jonisering av vatten. 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, enligt Rayleigh-teorin16. Samtidigt orsakar ett starkt elektriskt fält att några av vattenmolekylerna klyvs och skalar av elektroner (jonisering), varigenom en stor mängd reaktiva syreradikaler (ROS)17 genereras. Samtidigt genererade ROS18-paket 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) till en 30G rostfri stålnål (metallkapillär). Som visas i figur 2b styrs vattenflödet av lufttrycket inuti flaskan. Nålen är fäst vid en teflonkonsol som manuellt kan 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). Alla provtagarens komponenter är elektriskt jordade för att undvika laddningsuppbyggnad som kan försämra partikelprovtagningen.
(a) Tekniskt utvecklat system för generering av vattennanostrukturer (EWNS). (b) Tvärsnitt av provtagare och elektrosprayenhet 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. Symbolerna [V (kV), L (cm)] används för att beteckna olika kombinationer. Justera vattenflödet för att få en stabil Taylor-kon med en viss uppsättning [V, L]. I denna studie ställdes motelektrodens (D) öppning in 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 Sizer (SMPS, modell 3936, TSI, Shoreview, Minnesota) för att mäta partikelkoncentrationen och användes med en Faraday-aerosolelektrometer (TSI, modell 3068B, Shoreview, USA). MN) för att mäta aerosolflöden, såsom beskrivs i vår tidigare publikation9. Både SMPS och aerosolelektrometern samplade med en flödeshastighet på 0,5 L/min (totalt provflöde 1 L/min). Partikelkoncentrationer och aerosolflöden mättes i 120 sekunder. Upprepa mätningen 30 gånger. Den totala aerosolladdningen beräknas från strömmätningar, och den genomsnittliga EWNS-laddningen uppskattas från det totala antalet samplade EWNS-partiklar. Den genomsnittliga kostnaden för EWNS kan beräknas med hjälp av ekvation (1):
där IEl är den uppmätta strömmen, NSMPS är den numeriska koncentrationen som mäts med SMPS och φEl är flödeshastigheten till elektrometern.
Eftersom relativ fuktighet (RH) påverkar ytladdningen hölls temperaturen och (RH) konstanta vid 21 °C respektive 45 % under experimentet.
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-skanningshastigheten är 1 Hz och skanningsområdet är 5 µm × 5 µm med 256 skanningslinjer. Alla bilder utsattes för första ordningens bildjustering med hjälp av Asylum-programvara (mask med ett intervall på 100 nm och ett tröskelvärde på 100 pm).
Ta bort provtagningstratten och placera glimmerytan på ett avstånd av 2,0 cm från motelektroden under en genomsnittlig tid av 120 sekunder för att undvika koalescens av partiklar och bildning av oregelbundna droppar på glimmerytan. EWNS applicerades direkt på nyskurna glimmerytor (Ted Pella, Redding, CA). Omedelbart efter sputtringen visualiserades glimmerytan med hjälp av AFM. Ytkontaktvinkeln för nyskuren omodifierad glimmer är nära 0°, så EWNS sprider sig över glimmerytan i en kupolform20. Diametern (a) och höjden (h) på de diffuserande dropparna mättes direkt från AFM-topografin och användes för att beräkna den kupolformade diffusionsvolymen EWNS med hjälp av vår tidigare validerade metod8. Om man antar att den inbyggda EVNS har samma volym kan den ekvivalenta diametern beräknas från ekvation (2):
I enlighet med vår tidigare utvecklade metod användes en elektronspinnresonans (ESR) spinnfälla för att detektera närvaron av kortlivade radikalmellanprodukter i EWNS. Aerosoler fick passera genom en lösning innehållande 235 mM DEPMPO (5-(dietoxifosforyl)-5-metyl-1-pyrrolin-N-oxid) (Oxis International Inc., Portland, Oregon). Alla EPR-mätningar utfördes med en Bruker EMX-spektrometer (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) och platta cellmatriser. Acquisit-programvaran (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) användes för att samla in och analysera data. ROS-karakteriseringen utfördes endast för en uppsättning driftsförhållanden [-6,5 kV, 4,0 cm]. EWNS-koncentrationer mättes med SMPS efter att ha tagit hänsyn till förlusten av EWNS i impaktorn.
Ozonnivåerna övervakades med en 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Boulder, Colorado)8,9,10.
För alla EWNS-egenskaper är mätvärdet medelvärdet av mätningarna och mätfelet är standardavvikelsen. Ett t-test utfördes för att jämföra värdet på det optimerade EWNS-attributet med motsvarande värde för bas-EWNS.
Figur 2c visar ett tidigare utvecklat och karakteriserat elektrostatiskt utfällningsgenomströmningssystem (EPES) som kan användas för att rikta EWNS11 mot ytor. EPES använder en EWNS-laddning i kombination med ett starkt elektriskt fält för att "peka" direkt mot målets yta. 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 som innehåller två parallella metallplattor av rostfritt stål (304 rostfritt stål, spegelpolerat) i mitten med 15,24 cm mellanrum. Korten var anslutna till en extern högspänningskälla (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY), bottenkortet var alltid positivt och toppkortet var alltid jordat (flytande). Kammarens väggar är täckta med aluminiumfolie, som är elektriskt jordad för att förhindra partikelförlust. Kammaren har en förseglad frontlucka som gör att testytor kan placeras på plastställ och lyftas av från bottenmetallplattan för att undvika högspänningsstörningar.
Deponeringseffektiviteten för EWNS i EPES beräknades enligt ett tidigare utvecklat protokoll som beskrivs i kompletterande figur S111.
Som kontrollkammare är det andra flödet genom den cylindriska kammaren seriekopplat med EPES-systemet med hjälp av ett mellanliggande HEPA-filter för att avlägsna EWNS. Som visas i figur 2c pumpades EWNS-aerosolen genom två seriekopplade kammare. Filtret mellan kontrollrummet och EPES avlägsnar eventuellt kvarvarande EWNS, vilket resulterar i samma temperatur (T), relativa fuktighet (RH) och ozonnivåer.
Viktiga livsmedelsburna mikroorganismer har visat sig kontaminera färska produkter, såsom Escherichia coli (ATCC #27325), en fekal indikator, Salmonella enterica (ATCC #53647), en livsmedelsburen patogen, Listeria innocua (ATCC #33090), ett alternativ till den patogena Listeria monocytogenes. Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098) som ett alternativ till jäst som fördärvar, och Mycobacterium parafortuitous (ATCC #19686) som en mer resistent levande bakterie köptes från ATCC (Manassas, Virginia).
Köp slumpmässigt lådor med ekologiska druvetomater från din lokala marknad och kyl dem vid 4 °C tills de ska användas (upp till 3 dagar). Välj ut tomater för att experimentera med en storlek, cirka 1,25 cm i diameter.
Protokollen för inkubation, inokulering, exponering och koloniräkning har beskrivits i våra tidigare publikationer och förklarats i detalj i kompletterande data 11. EWNS-prestanda utvärderades genom att exponera inokulerade tomater för 40 000 #/cm3 i 45 minuter. Kortfattat, vid tidpunkten t = 0 min, användes tre tomater för att utvärdera de överlevande mikroorganismerna. Tre tomater placerades i EPES och exponerades för EWNS vid 40 000 #/cc (EWNS-exponerade tomater) och tre andra placerades i kontrollkammaren (kontrolltomater). Ingen av tomatgrupperna utsattes för ytterligare bearbetning. EWNS-exponerade tomater och kontroller 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.
E. coli-, Enterobacter- och L. innocua-bakterieprover exponerade för EWNS (45 min, EWNS-aerosolkoncentration 40 000 #/cm3) och oexponerade pelleterades för att bedöma inaktiveringsmekanismer. Fällningen fixerades i 2 timmar vid rumstemperatur i 0,1 M natriumkakodylatlösning (pH 7,4) med ett fixativ av 2,5 % glutaraldehyd, 1,25 % paraformaldehyd och 0,03 % pikrinsyra. Efter tvättning fixerades de med 1 % osmiumtetroxid (OsO4)/1,5 % kaliumferrocyanid (KFeCN6) i 2 timmar, tvättades 3 gånger med vatten och inkuberades i 1 % uranylacetat i 1 timme, tvättades sedan två gånger med vatten. Efterföljande dehydrering 10 minuter vardera av 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 JEOL 1200EX (JEOL, Tokyo, Japan), ett konventionellt transmissionselektronmikroskop utrustat med en AMT 2k CCD-kamera (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, MA, USA).
Alla experiment utfördes i triplikat. För varje tidpunkt spreds bakterietvättar ut i triplikat, vilket resulterade i totalt nio datapunkter per punkt, vars medelvärde användes som bakteriekoncentration för den specifika organismen. 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 exponeringsperioden på 45 minuter beräknades även Log-reduktion 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 valdes ut för en komplett studie som visar stabila och reproducerbara egenskaper (Taylorkon, EWNS-produktion och stabilitet över tid). Figur 3 visar resultaten för laddning, storlek och innehåll av ROS för två fall. Resultaten sammanfattas också i tabell 1. Som referens inkluderar 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 om effekten av motelektrodens samplingshålsdiameter (D) och avståndet mellan jordelektroden och nålspetsen (L) (kompletterande figurer S2 och S3).
(a–c) AFM-storleksfördelning. (d–f) Ytladdningskarakteristik. (g) Karakterisering av ROS och ESR.
Det är också viktigt att notera att för alla ovanstående förhållanden låg de uppmätta joniseringsströmmarna i intervallet 2–6 µA och spänningarna låg i intervallet -3,8 till -6,5 kV, vilket resulterade i en effektförbrukning för denna enkelterminala EWNS på mindre än 50 mW. . generationsmodul. 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]. Fälten enligt scenarierna [-6,5 kV, 4,0 cm] och [-3,8 kV, 0,5 cm] beräknas som 2 × 105 V/m respektive 4,7 × 105 V/m. Detta är att förvänta sig, eftersom förhållandet mellan spänning och avstånd är mycket högre i det andra fallet.
Figur 3a och 3b visar EWNS-diametern mätt med AFM8. De genomsnittliga EWNS-diametrarna för scenarierna [-6,5 kV, 4,0 cm] och [-3,8 kV, 0,5 cm] beräknades till 27 nm respektive 19 nm. De geometriska standardavvikelserna för fördelningarna för fallen [-6,5 kV, 4,0 cm] och [-3,8 kV, 0,5 cm] är 1,41 respektive 1,45, vilket indikerar en smal storleksfördelning. Både medelstorleken och den geometriska standardavvikelsen ligger mycket nära baslinje-EWNS, 25 nm respektive 1,41. Figur 3c visar storleksfördelningen för baslinje-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]. Jämfört med Baseline-EWNS (10 ± 2 e-) är deras ytladdning betydligt högre, dubbelt så hög som i [-6,5 kV, 4,0 cm]-scenariot och fyra gånger så hög som i [-3,8 kV, 0,5 cm]. 3f visar grundläggande EWNS-betalningsdata.
Från EWNS-koncentrationskartorna (kompletterande figurer S5 och S6) kan man se att scenen [-6,5 kV, 4,0 cm] har ett signifikant högre antal partiklar än scenen [-3,8 kV, 0,5 cm]. Det bör också noteras att EWNS-koncentrationerna övervakades i upp till 4 timmar (kompletterande figurer S5 och S6), där EWNS-generationsstabiliteten visade samma nivåer av partikelkoncentrationer i båda fallen.
Figur 3g visar EPR-spektrumet efter subtraktion av kontroll (bakgrund) för optimerade EWNS vid [-6,5 kV, 4,0 cm]. ROS-spektrumet jämförs också med EWNS-baslinjen i en tidigare publicerad artikel. Det beräknade antalet EWNS som reagerar med spinnfällan är 7,5 × 104 EWNS/s, vilket liknar det tidigare publicerade Baseline-EWNS8. EPR-spektra indikerade tydligt närvaron av två typer av ROS, där O2- dominerade, medan OH• fanns i en mindre mängd. Dessutom visade en direkt jämförelse av toppintensiteterna att de 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 EUNS-fallen var deponeringen nära 100 % även vid en låg spänning på 3,0 kV. Vanligtvis är 3,0 kV tillräckligt för att uppnå 100 % deponering oavsett förändring av ytladdningen. Under samma förhållanden var deponeringseffektiviteten för Baseline-EWNS endast 56 % på grund av den lägre laddningen (i genomsnitt 10 elektroner per EWNS).
Figur 5 och tabell 2 sammanfattar inaktiveringsgraden av mikroorganismer inokulerade på ytan av tomater efter exponering för cirka 40 000 #/cm3 EWNS i 45 minuter under det optimala scenariot [-6,5 kV, 4,0 cm]. Inokulerade E. coli och L. innocua visade en signifikant minskning på 3,8 log efter 45 minuters exponering. Under samma förhållanden visade S. enterica en lägre log-reduktion på 2,2 log, medan S. cerevisiae och M. parafortuitum visade en reduktion på 1,0 log.
Elektronmikroskopbilder (Figur 6) som visar de fysiska förändringar som induceras av EWNS i E. coli-, Salmonella enterica- och L. innocua-celler vilket leder till inaktivering. Kontrollbakterier uppvisade intakta cellmembran, medan exponerade bakterier 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 EWNS-egenskaperna (ytladdning och ROS-innehåll) förbättrades avsevärt jämfört med de tidigare publicerade EWNS-baslinjedata8,9,10,11. Å andra sidan förblev deras storlek inom nanometerområdet, vilket är mycket likt tidigare publicerade resultat, vilket gör att de kan stanna i luften under en lång tid. Den observerade polydispersiteten kan förklaras av förändringar i ytladdningen, som bestämmer magnituden av Rayleigh-effekten, slumpmässighet och potentiell sammanslagning av EWNS. Emellertid, som beskrivits av Nielsen et al.22, minskar hög ytladdning avdunstning genom att effektivt öka ytenergin/spänningen hos vattendroppen. Denna teori bekräftades experimentellt för mikrodroppar22 och EWNS i vår tidigare publikation8. Förlusten av övertid kan också påverka storleken och bidra till den observerade storleksfördelningen.
Dessutom är laddningen per struktur cirka 22–44 e-, beroende på omständigheterna, 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 inte är enhetlig och följer en logaritmisk normalfördelning . Jämfört med vårt tidigare arbete fördubblar en fördubbling av ytladdningen depositionseffektiviteten i EPES-systemet till nästan 100 % .