Salamat sa pagbisita sa Nature.com.Ang bersyon ng browser na iyong ginagamit ay may limitadong suporta sa CSS.Para sa pinakamagandang karanasan, inirerekomenda namin na gumamit ka ng na-update na browser (o huwag paganahin ang Compatibility Mode sa Internet Explorer).Pansamantala, upang matiyak ang patuloy na suporta, ire-render namin ang site nang walang mga istilo at JavaScript.
Isang carousel na nagpapakita ng tatlong slide sa parehong oras.Gamitin ang Nakaraang at Susunod na mga pindutan upang lumipat sa tatlong mga slide sa isang pagkakataon, o gamitin ang mga pindutan ng slider sa dulo upang lumipat sa tatlong mga slide sa isang pagkakataon.
Kamakailan, isang chemical-free antimicrobial platform batay sa nanotechnology gamit ang artificial water nanostructures (EWNS) ay binuo.Ang EWNS ay may mataas na surface charge at puspos ng reactive oxygen species (ROS) na maaaring makipag-ugnayan at mag-inactivate ng ilang microorganism, kabilang ang foodborne pathogens.Dito ipinapakita na ang kanilang mga katangian sa panahon ng synthesis ay maaaring maayos at ma-optimize upang higit pang mapahusay ang kanilang potensyal na antibacterial.Ang platform ng laboratoryo ng EWNS ay idinisenyo upang i-fine-tune ang mga katangian ng EWNS sa pamamagitan ng pagbabago ng mga parameter ng synthesis.Pagkilala sa mga katangian ng EWNS (singil, laki at nilalaman ng ROS) gamit ang mga makabagong pamamaraan ng pagsusuri.Bilang karagdagan, nasuri ang mga ito para sa kanilang potensyal na hindi aktibo sa microbial laban sa mga mikroorganismo na dala ng pagkain tulad ng Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocuous, Mycobacterium paraaccidentum at Saccharomyces cerevisiae.Ang mga resulta na ipinakita dito ay nagpapakita na ang mga katangian ng EWNS ay maaaring maayos sa panahon ng synthesis, na nagreresulta sa isang exponential na pagtaas sa inactivation na kahusayan.Sa partikular, tumaas ang surface charge ng apat na factor at tumaas ang reactive oxygen species.Ang microbial removal rate ay microbially dependent at mula 1.0 hanggang 3.8 log pagkatapos ng 45 minutong pagkakalantad sa isang aerosol na dosis na 40,000 #/cc EWNS.
Ang kontaminasyon ng mikrobyo ay ang pangunahing sanhi ng sakit na dala ng pagkain na dulot ng paglunok ng mga pathogen o ng kanilang mga lason.Sa Estados Unidos lamang, ang sakit na dala ng pagkain ay nagdudulot ng humigit-kumulang 76 milyong sakit, 325,000 na admission sa ospital, at 5,000 namamatay bawat taon1.Bilang karagdagan, tinatantya ng Departamento ng Agrikultura ng Estados Unidos (USDA) na ang pagtaas ng pagkonsumo ng sariwang ani ay responsable para sa 48% ng lahat ng naiulat na mga sakit na dala ng pagkain sa Estados Unidos2.Ang halaga ng sakit at kamatayan na dulot ng foodborne pathogens sa United States ay napakataas, na tinatantya ng Centers for Disease Control and Prevention (CDC) na higit sa US$15.6 bilyon bawat taon3.
Sa kasalukuyan, ang chemical4, radiation5 at thermal6 na mga antimicrobial na interbensyon upang matiyak ang kaligtasan ng pagkain ay kadalasang isinasagawa sa limitadong mga kritikal na control point (CCP) sa kahabaan ng kadena ng produksyon (karaniwan ay pagkatapos ng pag-aani at/o sa panahon ng packaging) sa halip na patuloy.kaya, sila ay madaling kapitan ng cross-contamination.7. Ang mas mahusay na kontrol sa sakit na dala ng pagkain at pagkasira ng pagkain ay nangangailangan ng mga antimicrobial na interbensyon na posibleng mailapat sa kabuuan ng farm-to-table continuum habang binabawasan ang epekto at gastos sa kapaligiran.
Kamakailan, isang chemical-free, nanotechnology-based na antimicrobial platform ay binuo na maaaring mag-inactivate ng surface at airborne bacteria gamit ang artificial water nanostructures (EWNS).Na-synthesize ang EWNS gamit ang dalawang parallel na proseso, electrospray at water ionization (Fig. 1a).Ipinakita ng mga nakaraang pag-aaral na ang EWNS ay may natatanging hanay ng mga pisikal at biyolohikal na katangian8,9,10.Ang EWNS ay may average na 10 electron bawat istraktura at isang average na laki ng nanoscale na 25 nm (Larawan 1b, c) 8,9,10.Bilang karagdagan, ipinakita ng electron spin resonance (ESR) na ang EWNS ay naglalaman ng malaking halaga ng reactive oxygen species (ROS), pangunahin ang hydroxyl (OH•) at superoxide (O2-) radicals (Fig. 1c)8.Ang EVNS ay nasa hangin sa loob ng mahabang panahon at maaaring bumangga sa mga microorganism na nasuspinde sa hangin at naroroon sa ibabaw, na naghahatid ng kanilang ROS payload at nagiging sanhi ng hindi aktibo na mga microorganism (Fig. 1d).Ang mga unang pag-aaral na ito ay nagpakita rin na ang EWNS ay maaaring makipag-ugnayan at mag-inactivate ng iba't ibang gram-negative at gram-positive bacteria, kabilang ang mycobacteria, sa ibabaw at sa hangin.Ipinakita ng transmission electron microscopy na ang inactivation ay sanhi ng pagkagambala ng cell membrane.Bilang karagdagan, ipinakita ng mga pag-aaral ng talamak na paglanghap na ang mataas na dosis ng EWNS ay hindi nagdudulot ng pinsala sa baga o pamamaga 8 .
(a) Ang electrospray ay nangyayari kapag ang isang mataas na boltahe ay inilapat sa pagitan ng isang capillary tube na naglalaman ng likido at isang counter electrode.(b) Ang paggamit ng mataas na presyon ay nagreresulta sa dalawang magkaibang phenomena: (i) electrospraying ng tubig at (ii) pagbuo ng reactive oxygen species (ions) na nakulong sa EWNS.(c) Ang natatanging istraktura ng EWNS.(d) Dahil sa kanilang nanoscale na kalikasan, ang EWNS ay lubos na gumagalaw at maaaring makipag-ugnayan sa mga pathogen na nasa hangin.
Ang kakayahan ng EWNS antimicrobial platform na i-inactivate ang foodborne microorganism sa ibabaw ng sariwang pagkain ay ipinakita rin kamakailan.Ipinakita rin na ang pang-ibabaw na singil ng EWNS kasama ng isang electric field ay maaaring gamitin upang makamit ang naka-target na paghahatid.Bukod dito, ang mga paunang resulta para sa mga organikong kamatis pagkatapos ng 90 minutong pagkakalantad sa isang EWNS na humigit-kumulang 50,000 #/cm3 ay nakapagpapatibay, na may iba't ibang microorganism na dala ng pagkain tulad ng E. coli at Listeria 11 na naobserbahan.Bilang karagdagan, ang mga paunang pagsusuri sa organoleptic ay hindi nagpakita ng mga epekto ng pandama kumpara sa mga kontrol na kamatis.Bagama't ang mga paunang resulta ng inactivation na ito ay naghihikayat para sa mga aplikasyon para sa kaligtasan ng pagkain kahit na sa napakababang dosis ng EWNS na 50,000#/cc.tingnan, malinaw na ang mas mataas na potensyal na hindi aktibo ay magiging mas kapaki-pakinabang upang higit pang mabawasan ang panganib ng impeksyon at pagkasira.
Dito, itutuon namin ang aming pananaliksik sa pagbuo ng isang platform ng henerasyon ng EWNS upang paganahin ang fine tuning ng mga parameter ng synthesis at pag-optimize ng mga katangian ng physicochemical ng EWNS upang mapahusay ang kanilang potensyal na antibacterial.Sa partikular, ang pag-optimize ay nakatuon sa pagtaas ng kanilang surface charge (upang mapabuti ang target na paghahatid) at ROS na nilalaman (upang mapabuti ang inactivation na kahusayan).Ilarawan ang mga na-optimize na katangian ng physico-kemikal (laki, singil at nilalaman ng ROS) gamit ang mga modernong analytical na pamamaraan at gumamit ng mga karaniwang mikroorganismo sa pagkain tulad ng E. .
Ang EVNS ay na-synthesize sa pamamagitan ng sabay-sabay na electrospraying at ionization ng mataas na kadalisayan ng tubig (18 MΩ cm–1).Ang electric nebulizer 12 ay karaniwang ginagamit para sa atomization ng mga likido at ang synthesis ng polymer at ceramic particle 13 at fibers 14 na may kontroladong laki.
Tulad ng detalyado sa mga nakaraang publikasyon 8, 9, 10, 11, sa isang tipikal na eksperimento, isang mataas na boltahe ang inilapat sa pagitan ng isang metal na capillary at isang grounded na counter electrode.Sa prosesong ito, dalawang magkaibang phenomena ang nagaganap: i) electrospray at ii) water ionization.Ang isang malakas na patlang ng kuryente sa pagitan ng dalawang electrodes ay nagiging sanhi ng mga negatibong singil na naipon sa ibabaw ng condensed na tubig, na nagreresulta sa pagbuo ng mga Taylor cone.Bilang resulta, ang mga patak ng tubig na may mataas na sisingilin ay nabubuo, na patuloy na nahahati sa mas maliliit na partikulo, tulad ng sa teoryang Rayleigh16.Kasabay nito, ang malalakas na patlang ng kuryente ay nagdudulot ng pagkahati at pagtanggal ng ilang mga molekula ng tubig sa mga electron (ionize), na humahantong sa pagbuo ng isang malaking halaga ng reactive oxygen species (ROS)17.Ang sabay-sabay na nabuong ROS18 ay na-encapsulated sa EWNS (Larawan 1c).
Sa fig.Ipinapakita ng 2a ang EWNS generation system na binuo at ginamit sa EWNS synthesis sa pag-aaral na ito.Ang dalisay na tubig na nakaimbak sa isang saradong bote ay ipinakain sa pamamagitan ng isang Teflon tube (2 mm inner diameter) sa isang 30G stainless steel na karayom ​​(metal capillary).Ang daloy ng tubig ay kinokontrol ng presyon ng hangin sa loob ng bote, tulad ng ipinapakita sa Figure 2b.Ang karayom ​​ay naka-mount sa isang Teflon console at maaaring manu-manong iakma sa isang tiyak na distansya mula sa counter electrode.Ang counter electrode ay isang pinakintab na aluminum disk na may butas sa gitna para sa sampling.Sa ibaba ng counter electrode ay isang aluminyo sampling funnel, na konektado sa iba pang pang-eksperimentong setup sa pamamagitan ng sampling port (Fig. 2b).Upang maiwasan ang pagtaas ng singil na maaaring makagambala sa pagpapatakbo ng sampler, ang lahat ng mga bahagi ng sampler ay electrically grounded.
(a) Engineered Water Nanostructure Generation System (EWNS).(b) Cross-section ng sampler at electrospray, na nagpapakita ng pinakamahalagang parameter.(c) Eksperimental na pag-setup para sa hindi aktibo na bakterya.
Ang sistema ng henerasyon ng EWNS na inilarawan sa itaas ay may kakayahang baguhin ang mga pangunahing parameter ng pagpapatakbo upang mapadali ang fine tuning ng mga katangian ng EWNS.Ayusin ang inilapat na boltahe (V), ang distansya sa pagitan ng karayom ​​at ang counter electrode (L), at ang daloy ng tubig (φ) sa pamamagitan ng capillary upang maayos ang mga katangian ng EWNS.Simbolo na ginamit upang kumatawan sa iba't ibang kumbinasyon: [V (kV), L (cm)].Ayusin ang daloy ng tubig upang makakuha ng isang matatag na Taylor cone ng isang tiyak na hanay [V, L].Para sa mga layunin ng pag-aaral na ito, ang aperture diameter ng counter electrode (D) ay pinanatili sa 0.5 pulgada (1.29 cm).
Dahil sa limitadong geometry at kawalaan ng simetrya, ang lakas ng electric field ay hindi maaaring kalkulahin mula sa mga unang prinsipyo.Sa halip, ginamit ang QuickField™ software (Svendborg, Denmark)19 upang kalkulahin ang electric field.Ang electric field ay hindi pare-pareho, kaya ang halaga ng electric field sa dulo ng capillary ay ginamit bilang isang reference na halaga para sa iba't ibang mga configuration.
Sa panahon ng pag-aaral, ilang mga kumbinasyon ng boltahe at distansya sa pagitan ng karayom ​​at ang counter electrode ay nasuri sa mga tuntunin ng Taylor cone formation, Taylor cone stability, EWNS production stability, at reproducibility.Ang iba't ibang mga kumbinasyon ay ipinapakita sa Karagdagang Talahanayan S1.
Ang output ng EWNS generation system ay direktang konektado sa isang Scanning Mobility Particle Size Analyzer (SMPS, Model 3936, TSI, Shoreview, MN) para sa pagsukat ng konsentrasyon ng numero ng particle, pati na rin sa isang Aerosol Faraday Electrometer (TSI, Model 3068B, Shoreview, MN).) para sa aerosol currents ay sinusukat tulad ng inilarawan sa aming nakaraang publikasyon.Parehong ang SMPS at ang aerosol electrometer ay na-sample sa rate ng daloy na 0.5 L/min (kabuuang sample na daloy 1 L/min).Ang bilang ng konsentrasyon ng mga particle at ang daloy ng aerosol ay sinusukat sa loob ng 120 segundo.Ang pagsukat ay paulit-ulit ng 30 beses.Batay sa kasalukuyang mga sukat, kinakalkula ang kabuuang singil ng aerosol at tinatantya ang average na singil sa EWNS para sa isang partikular na kabuuang bilang ng mga napiling particle ng EWNS.Ang average na halaga ng EWNS ay maaaring kalkulahin gamit ang Equation (1):
kung saan ang IEl ay ang sinusukat na kasalukuyang, ang NSMPS ay ang digital na konsentrasyon na sinusukat sa SMPS, at ang φEl ay ang daloy ng rate sa bawat electrometer.
Dahil ang relative humidity (RH) ay nakakaapekto sa surface charge, ang temperatura at (RH) ay pinananatiling pare-pareho sa panahon ng eksperimento sa 21°C at 45%, ayon sa pagkakabanggit.
Ang atomic force microscopy (AFM), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Santa Barbara, CA) at AC260T probe (Olympus, Tokyo, Japan) ay ginamit upang sukatin ang laki at buhay ng EWNS.Ang dalas ng pag-scan ng AFM ay 1 Hz, ang lugar ng pag-scan ay 5 μm × 5 μm, at 256 na linya ng pag-scan.Ang lahat ng mga imahe ay sumailalim sa 1st order image alignment gamit ang Asylum software (mask range 100 nm, threshold 100 pm).
Ang test funnel ay inalis at ang ibabaw ng mika ay inilagay sa layo na 2.0 cm mula sa counter electrode para sa isang average na oras na 120 s upang maiwasan ang pagtitipon ng butil at pagbuo ng mga hindi regular na droplet sa ibabaw ng mika.Ang EWNS ay direktang na-spray sa ibabaw ng bagong hiwa na mika (Ted Pella, Redding, CA).Larawan ng ibabaw ng mika kaagad pagkatapos ng AFM sputtering.Ang contact angle ng ibabaw ng bagong hiwa na hindi nabagong mika ay malapit sa 0°, kaya ang EVNS ay ipinamamahagi sa ibabaw ng mika sa anyo ng isang simboryo.Ang diameter (a) at taas (h) ng nagkakalat na mga droplet ay direktang sinusukat mula sa topograpiya ng AFM at ginamit upang kalkulahin ang dami ng pagsasabog ng EWNS domed gamit ang aming naunang na-validate na pamamaraan.Ipagpalagay na ang onboard EWNS ay may parehong volume, ang katumbas na diameter ay maaaring kalkulahin gamit ang Equation (2):
Batay sa aming naunang binuo na pamamaraan, ginamit ang isang electron spin resonance (ESR) spin trap upang makita ang pagkakaroon ng mga panandaliang radical intermediate sa EWNS.Ang mga aerosol ay nabulabog sa pamamagitan ng isang 650 μm Midget sparger (Ace Glass, Vineland, NJ) na naglalaman ng isang 235 mM na solusyon ng DEPMPO(5-(diethoxyphosphoryl)-5-methyl-1-pyrroline-N-oxide) (Oxis International Inc.).Portland, Oregon).Ang lahat ng mga sukat ng ESR ay isinagawa gamit ang isang Bruker EMX spectrometer (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) at isang flat panel cell.Ang Acquisit software (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) ay ginamit upang kolektahin at pag-aralan ang data.Ang pagpapasiya ng mga katangian ng ROS ay isinagawa lamang para sa isang hanay ng mga kondisyon ng pagpapatakbo [-6.5 kV, 4.0 cm].Ang mga konsentrasyon ng EWNS ay sinusukat gamit ang SMPS pagkatapos ng accounting para sa mga pagkalugi ng EWNS sa impactor.
Ang mga antas ng ozone ay sinusubaybayan gamit ang isang 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Boulder, Co)8,9,10.
Para sa lahat ng property ng EWNS, ginagamit ang mean value bilang value ng pagsukat, at ginagamit ang standard deviation bilang error sa pagsukat.Ang mga T-test ay isinagawa upang ihambing ang mga halaga ng mga na-optimize na katangian ng EWNS sa kaukulang mga halaga ng base EWNS.
Ipinapakita ng Figure 2c ang isang dati nang binuo at nailalarawan na electrostatic precipitation (EPES) na "pull" na sistema na maaaring magamit para sa naka-target na paghahatid ng EWNS sa ibabaw.Gumagamit ang EPES ng mga singil sa EVNS na maaaring "gabayan" nang direkta sa ibabaw ng target sa ilalim ng impluwensya ng isang malakas na electric field.Ang mga detalye ng sistema ng EPES ay ipinakita sa isang kamakailang publikasyon ni Pyrgiotakis et al.11 .Kaya, ang EPES ay binubuo ng isang 3D printed PVC chamber na may tapered na dulo at naglalaman ng dalawang magkatulad na stainless steel (304 stainless steel, mirror coated) na mga metal plate sa gitna na 15.24 cm ang layo.Ang mga board ay konektado sa isang panlabas na mapagkukunan ng mataas na boltahe (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY), ang ilalim na plato ay palaging konektado sa positibong boltahe, at ang tuktok na plato ay palaging konektado sa lupa (floating ground).Ang mga dingding ng silid ay natatakpan ng aluminum foil, na kung saan ay pinagbabatayan ng kuryente upang maiwasan ang pagkawala ng butil.Ang silid ay may selyadong pintuan sa harap na naglo-load na nagbibigay-daan sa mga test surface na ilagay sa mga plastic stand na itinataas ang mga ito sa itaas ng ilalim na metal plate upang maiwasan ang mataas na boltahe na interference.
Ang kahusayan ng pag-deposito ng EWNS sa EPES ay kinakalkula ayon sa isang naunang binuo na protocol na detalyado sa Karagdagang Larawan S111.
Bilang control chamber, ang pangalawang cylindrical flow chamber ay konektado sa serye sa EPES system, kung saan ginamit ang intermediate HEPA filter para alisin ang EWNS.Tulad ng ipinapakita sa Figure 2c, ang EWNS aerosol ay pumped sa pamamagitan ng dalawang built-in na silid.Ang filter sa pagitan ng control room at EPES ay nag-aalis ng anumang natitirang EWNS na nagreresulta sa parehong temperatura (T), relative humidity (RH) at mga antas ng ozone.
Napag-alaman na ang mahahalagang microorganism na dala ng pagkain ay nakakahawa sa mga sariwang pagkain tulad ng E. coli (ATCC #27325), fecal indicator, Salmonella enterica (ATCC #53647), foodborne pathogen, Listeria harmless (ATCC #33090), surrogate para sa pathogenic Listeria monocytogenes, derived mula sa ATCC (Manaccae9 substitute, ATCC 9 substitutes, access at 9. spoilage yeast, at isang mas lumalaban na inactivated na bacterium, Mycobacterium paralucky (ATCC #19686).
Bumili ng mga random na kahon ng organic grape tomatoes mula sa iyong lokal na merkado at palamigin sa 4°C hanggang gamitin (hanggang 3 araw).Ang mga pang-eksperimentong kamatis ay pareho ang laki, mga 1/2 pulgada ang lapad.
Ang kultura, inoculation, exposure, at colony count protocols ay nakadetalye sa aming nakaraang publikasyon at nakadetalye sa Karagdagang Data.Ang pagiging epektibo ng EWNS ay nasuri sa pamamagitan ng paglalantad ng mga inoculated na kamatis sa 40,000 #/cm3 sa loob ng 45 minuto.Sa madaling sabi, tatlong kamatis ang ginamit upang suriin ang mga nakaligtas na mikroorganismo sa oras na t = 0 min.Tatlong kamatis ang inilagay sa EPES at nalantad sa EWNS sa 40,000 #/cc (EWNS exposed tomatoes) at ang natitirang tatlo ay inilagay sa control chamber (control tomatoes).Ang karagdagang pagproseso ng mga kamatis sa parehong grupo ay hindi natupad.Ang mga kamatis na nakalantad sa EWNS at mga kamatis na kontrol ay inalis pagkatapos ng 45 minuto upang suriin ang epekto ng EWNS.
Ang bawat eksperimento ay isinagawa sa triplicate.Ang pagsusuri ng data ay isinagawa ayon sa protocol na inilarawan sa Karagdagang Data.
Ang mga mekanismo ng inactivation ay nasuri sa pamamagitan ng sedimentation ng mga nakalantad na sample ng EWNS (45 min sa 40,000 #/cm3 EWNS aerosol concentration) at mga non-irradiated na sample ng hindi nakakapinsalang bacteria E. coli, Salmonella enterica at Lactobacillus.Ang mga particle ay naayos sa 2.5% glutaraldehyde, 1.25% paraformaldehyde at 0.03% picric acid sa 0.1 M sodium cacodylate buffer (pH 7.4) sa loob ng 2 oras sa temperatura ng silid.Pagkatapos maghugas, mag-post-fix gamit ang 1% osmium tetroxide (OsO4)/1.5% potassium ferrocyanide (KFeCN6) sa loob ng 2 oras, hugasan ng 3 beses sa tubig at i-incubate sa 1% uranyl acetate sa loob ng 1 oras, pagkatapos ay hugasan ng dalawang beses sa tubig, pagkatapos ay i-dehydrate sa loob ng 10 minuto sa 50%, 10%, 90% alkohol.Ang mga sample ay inilagay sa propylene oxide sa loob ng 1 oras at pinapagbinhi ng 1:1 na halo ng propylene oxide at TAAP Epon (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA).Ang mga sample ay naka-embed sa TAAB Epon at polymerized sa 60 ° C sa loob ng 48 oras.Ang cured granular resin ay pinutol at na-visualize ng TEM gamit ang isang conventional transmission electron microscope JEOL 1200EX (JEOL, Tokyo, Japan) na nilagyan ng AMT 2k CCD camera (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, Massachusetts, USA).
Ang lahat ng mga eksperimento ay isinagawa sa triplicate.Para sa bawat punto ng oras, ang mga bacterial wash ay na-seed sa triplicate, na nagreresulta sa kabuuang siyam na data point bawat punto, ang average nito ay ginamit bilang bacterial concentration para sa partikular na microorganism na iyon.Ang standard deviation ay ginamit bilang error sa pagsukat.Lahat ng puntos ay binibilang.
Ang logarithm ng pagbaba sa konsentrasyon ng bakterya kumpara sa t = 0 min ay kinakalkula gamit ang sumusunod na formula:
kung saan ang C0 ay ang konsentrasyon ng bakterya sa control sample sa oras na 0 (ibig sabihin, pagkatapos matuyo ang ibabaw ngunit bago ilagay sa silid) at ang Cn ay ang konsentrasyon ng bakterya sa ibabaw pagkatapos ng n minuto ng pagkakalantad.
Upang isaalang-alang ang natural na pagkasira ng bakterya sa loob ng 45 minutong pagkakalantad, ang pagbabawas ng log kumpara sa kontrol pagkatapos ng 45 minuto ay kinakalkula din bilang mga sumusunod:
kung saan ang Cn ay ang konsentrasyon ng bakterya sa control sample sa oras n at ang Cn-Control ay ang konsentrasyon ng control bacteria sa oras n.Ang data ay ipinakita bilang isang pagbabawas ng log kumpara sa kontrol (walang pagkakalantad sa EWNS).
Sa panahon ng pag-aaral, ilang mga kumbinasyon ng boltahe at distansya sa pagitan ng karayom ​​at ang counter electrode ay nasuri sa mga tuntunin ng Taylor cone formation, Taylor cone stability, EWNS production stability, at reproducibility.Ang iba't ibang mga kumbinasyon ay ipinapakita sa Karagdagang Talahanayan S1.Dalawang kaso na nagpapakita ng stable at reproducible properties (Taylor cone, EWNS generation, at stability sa paglipas ng panahon) ang napili para sa komprehensibong pag-aaral.Sa fig.Ipinapakita ng Figure 3 ang mga resulta para sa singil, laki, at nilalaman ng ROS sa parehong mga kaso.Ang mga resulta ay ipinapakita din sa Talahanayan 1. Para sa sanggunian, ang parehong Figure 3 at Talahanayan 1 ay kinabibilangan ng mga katangian ng dati nang na-synthesize na hindi na-optimize na EWNS8, 9, 10, 11 (baseline-EWNS).Ang mga kalkulasyon ng kahalagahan ng istatistika gamit ang isang two-tailed t-test ay muling nai-publish sa Karagdagang Talahanayan S2.Bilang karagdagan, ang karagdagang data ay kinabibilangan ng mga pag-aaral ng epekto ng counter electrode sampling hole diameter (D) at distansya sa pagitan ng ground electrode at tip (L) (Mga Pandagdag na Larawan S2 at S3).
(ac) Distribusyon ng laki na sinusukat ng AFM.(df) Katangian ng surface charge.(g) ROS na katangian ng EPR.
Mahalaga rin na tandaan na para sa lahat ng mga kondisyon sa itaas, ang sinusukat na ionization current ay nasa pagitan ng 2 at 6 μA at boltahe sa pagitan ng -3.8 at -6.5 kV, na nagreresulta sa paggamit ng kuryente na mas mababa sa 50 mW para sa solong EWNS generation contact module na ito.Kahit na ang EWNS ay na-synthesize sa ilalim ng mataas na presyon, ang mga antas ng ozone ay napakababa, hindi lalampas sa 60 ppb.
Ipinapakita ng Karagdagang Larawan S4 ang mga simulate na electric field para sa [-6.5 kV, 4.0 cm] at [-3.8 kV, 0.5 cm] na mga senaryo, ayon sa pagkakabanggit.Para sa mga [-6.5 kV, 4.0 cm] at [-3.8 kV, 0.5 cm] na mga senaryo, ang mga kalkulasyon sa field ay 2 × 105 V/m at 4.7 × 105 V/m, ayon sa pagkakabanggit.Inaasahan ito, dahil sa pangalawang kaso ang ratio ng boltahe-distansya ay mas mataas.
Sa fig.Ipinapakita ng 3a, b ang diameter ng EWNS na sinusukat gamit ang AFM8.Ang kinakalkula na average na diameter ng EWNS ay 27 nm at 19 nm para sa [-6.5 kV, 4.0 cm] at [-3.8 kV, 0.5 cm] na mga scheme, ayon sa pagkakabanggit.Para sa mga [-6.5 kV, 4.0 cm] at [-3.8 kV, 0.5 cm] na mga senaryo, ang geometric na standard deviations ng mga distribusyon ay 1.41 at 1.45, ayon sa pagkakabanggit, na nagpapahiwatig ng isang makitid na distribusyon ng laki.Parehong ang ibig sabihin ng laki at ang geometric na standard deviation ay napakalapit sa baseline EWNS, sa 25 nm at 1.41, ayon sa pagkakabanggit.Sa fig.Ipinapakita ng 3c ang laki ng pamamahagi ng base EWNS na sinusukat gamit ang parehong pamamaraan sa ilalim ng parehong mga kondisyon.
Sa fig.Ipinapakita ng 3d,e ang mga resulta ng characterization ng singil.Ang data ay mga average na sukat ng 30 sabay-sabay na pagsukat ng konsentrasyon (#/cm3) at kasalukuyang (I).Ipinapakita ng pagsusuri na ang average na singil sa EWNS ay 22 ± 6 e- at 44 ± 6 e- para sa [-6.5 kV, 4.0 cm] at [-3.8 kV, 0.5 cm], ayon sa pagkakabanggit.Ang mga ito ay may mas mataas na singil sa ibabaw kumpara sa baseline na EWNS (10 ± 2 e-), dalawang beses na mas malaki kaysa sa [-6.5 kV, 4.0 cm] na senaryo at apat na beses na mas malaki kaysa sa [-3 .8 kV, 0.5 cm].Ipinapakita ng Figure 3f ang singil.data para sa Baseline-EWNS.
Mula sa mga mapa ng konsentrasyon ng numero ng EWNS (Mga Pandagdag na Larawan S5 at S6), makikita na ang senaryo ng [-6.5 kV, 4.0 cm] ay may makabuluhang mas maraming mga particle kaysa sa senaryo ng [-3.8 kV, 0.5 cm].Kapansin-pansin din na ang konsentrasyon ng numero ng EWNS ay sinusubaybayan hanggang 4 na oras (Mga Karagdagang Mga Figure S5 at S6), kung saan ang katatagan ng henerasyon ng EWNS ay nagpakita ng parehong mga antas ng konsentrasyon ng numero ng butil sa parehong mga kaso.
Sa fig.Ipinapakita ng 3g ang EPR spectrum pagkatapos ng pagbabawas ng na-optimize na kontrol ng EWNS (background) sa [-6.5 kV, 4.0 cm].Ang spectra ng ROS ay inihambing din sa senaryo ng Baseline-EWNS sa isang naunang nai-publish na gawain.Ang bilang ng EWNS na tumutugon sa mga spin traps ay kinakalkula na 7.5 × 104 EWNS/s, na katulad ng naunang nai-publish na Baseline-EWNS8.Malinaw na ipinakita ng spectra ng EPR ang pagkakaroon ng dalawang uri ng ROS, na ang O2- ang nangingibabaw na species at ang OH• ay hindi gaanong sagana.Bilang karagdagan, ang isang direktang paghahambing ng mga peak intensity ay nagpakita na ang na-optimize na EWNS ay may mas mataas na nilalaman ng ROS kumpara sa baseline na EWNS.
Sa fig.Ipinapakita ng 4 ang kahusayan ng pagdedeposito ng EWNS sa EPES.Binubuod din ang data sa Talahanayan I at inihambing sa orihinal na data ng EWNS.Para sa parehong mga kaso ng EUNS, ang deposition ay malapit sa 100% kahit na sa isang mababang boltahe ng 3.0 kV.Karaniwan, ang 3.0 kV ay sapat para sa 100% na pagdeposito, anuman ang pagbabago sa singil sa ibabaw.Sa ilalim ng parehong mga kondisyon, ang kahusayan ng pag-deposito ng Baseline-EWNS ay 56% lamang dahil sa kanilang mas mababang singil (average na 10 electron bawat EWNS).
Sa fig.5 at sa talahanayan.2 ay nagbubuod sa inactivation value ng mga microorganism na inoculated sa ibabaw ng mga kamatis pagkatapos ng exposure sa humigit-kumulang 40,000 #/cm3 EWNS sa loob ng 45 minuto sa pinakamainam na mode [-6.5 kV, 4.0 cm].Ang inoculated E. coli at Lactobacillus innocuous ay nagpakita ng makabuluhang pagbawas ng 3.8 log sa loob ng 45 minutong pagkakalantad.Sa ilalim ng parehong mga kondisyon, ang S. enterica ay nagkaroon ng 2.2-log na pagbaba, habang ang S. cerevisiae at M. parafortutum ay nagkaroon ng 1.0-log na pagbaba.
Ang mga electron micrographs (Figure 6) ay naglalarawan ng mga pisikal na pagbabago na dulot ng EWNS sa hindi nakakapinsalang Escherichia coli, Streptococcus, at Lactobacillus na mga cell na humahantong sa kanilang hindi aktibo.Ang control bacteria ay may buo na mga lamad ng cell, habang ang nakalantad na bakterya ay nasira ang mga panlabas na lamad.
Ang electron microscopic imaging ng kontrol at nakalantad na bakterya ay nagsiwalat ng pinsala sa lamad.
Ang data sa physicochemical properties ng na-optimize na EWNS ay sama-samang nagpapakita na ang mga katangian (surface charge at ROS content) ng EWNS ay makabuluhang napabuti kumpara sa naunang nai-publish na EWNS baseline data8,9,10,11.Sa kabilang banda, ang kanilang laki ay nanatili sa hanay ng nanometer, na halos kapareho sa mga resulta na naunang iniulat, na nagpapahintulot sa kanila na manatili sa hangin sa mahabang panahon.Ang naobserbahang polydispersity ay maaaring ipaliwanag sa pamamagitan ng mga pagbabago sa surface charge na tumutukoy sa laki ng EWNS, ang randomness ng Rayleigh effect, at potensyal na coalescence.Gayunpaman, tulad ng detalyado ni Nielsen et al.22, ang mataas na singil sa ibabaw ay binabawasan ang pagsingaw sa pamamagitan ng epektibong pagtaas ng enerhiya sa ibabaw/tension ng patak ng tubig.Sa aming nakaraang publikasyon8 ang teoryang ito ay eksperimento na nakumpirma para sa microdroplets 22 at EWNS.Ang pagkawala ng singil sa panahon ng overtime ay maaari ding makaapekto sa laki at makapag-ambag sa naobserbahang pamamahagi ng laki.