Salamat sa pagbisita sa Nature.com. Limitado ang suporta sa CSS sa bersyon ng browser na iyong ginagamit. Para sa pinakamahusay na karanasan, inirerekomenda namin na gumamit ka ng updated na browser (o i-disable ang Compatibility Mode sa Internet Explorer). Samantala, upang matiyak ang patuloy na suporta, ire-render namin ang site nang walang mga style at JavaScript.
Isang carousel na nagpapakita ng tatlong slide nang sabay-sabay. Gamitin ang mga button na Nakaraan at Susunod upang lumipat sa tatlong slide nang sabay-sabay, o gamitin ang mga button na slider sa dulo upang lumipat sa tatlong slide nang sabay-sabay.
Kamakailan lamang, isang platapormang antimicrobial na walang kemikal batay sa nanotechnology gamit ang artificial water nanostructures (EWNS) ang nabuo. Ang mga EWNS ay may mataas na surface charge at puspos ng reactive oxygen species (ROS) na maaaring makipag-ugnayan at mag-deactivate ng ilang mikroorganismo, kabilang ang mga pathogen na dala ng pagkain. Dito ipinapakita na ang kanilang mga katangian habang ginagawa ang synthesis ay maaaring pinuhin at i-optimize upang higit pang mapahusay ang kanilang potensyal na antibacterial. Ang platapormang laboratoryo ng EWNS ay dinisenyo upang pinuhin ang mga katangian ng EWNS sa pamamagitan ng pagbabago ng mga parameter ng synthesis. Pag-characterize ng mga katangian ng EWNS (charge, laki at nilalaman ng ROS) gamit ang mga modernong pamamaraan ng pagsusuri. Bukod pa rito, sinuri ang mga ito para sa kanilang potensyal na microbial inactivation laban sa mga mikroorganismo na dala ng pagkain tulad ng Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocuous, Mycobacterium paraaccidentum at Saccharomyces cerevisiae. Ang mga resultang ipinakita rito ay nagpapakita na ang mga katangian ng EWNS ay maaaring maayos habang ginagawa ang synthesis, na nagreresulta sa isang exponential na pagtaas sa kahusayan ng inactivation. Sa partikular, ang surface charge ay tumaas nang apat na beses at ang reactive oxygen species ay tumaas. Ang bilis ng pag-alis ng mikrobyo ay nakadepende sa mikrobyo at mula 1.0 hanggang 3.8 log pagkatapos ng 45 minutong pagkakalantad sa isang aerosol dose na 40,000 #/cc EWNS.
Ang kontaminasyon ng mikrobyo 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 pagpasok sa ospital, at 5,000 na pagkamatay bawat taon1. Bukod pa rito, tinatantya ng Kagawaran ng Agrikultura ng Estados Unidos (USDA) na ang pagtaas ng pagkonsumo ng sariwang ani ay responsable para sa 48% ng lahat ng naiulat na sakit na dala ng pagkain sa Estados Unidos2. Ang halaga ng sakit at kamatayan na dulot ng mga pathogen na dala ng pagkain sa Estados Unidos ay napakataas, na tinatantya ng Centers for Disease Control and Prevention (CDC) na mahigit US$15.6 bilyon bawat taon3.
Sa kasalukuyan, ang mga interbensyong antimicrobial na kemikal4, radiation5, at thermal6 upang matiyak ang kaligtasan ng pagkain ay kadalasang isinasagawa sa limitadong mga critical control point (CCP) sa kahabaan ng production chain (karaniwan ay pagkatapos ng pag-aani at/o habang nagbabalot) sa halip na tuluy-tuloy. Kaya naman, madali silang mahawaan ng cross-contamination. 7. Ang mas mahusay na pagkontrol sa mga sakit na dala ng pagkain at pagkasira ng pagkain ay nangangailangan ng mga interbensyong antimicrobial na maaaring mailapat sa buong farm-to-table continuum habang binabawasan ang epekto at gastos sa kapaligiran.
Kamakailan lamang, isang platapormang antimicrobial na walang kemikal at nakabatay sa nanotechnology ang nabuo na maaaring mag-deactivate ng mga bacteria sa ibabaw at nasa hangin gamit ang artipisyal na water nanostructures (EWNS). Ang EWNS ay na-synthesize gamit ang dalawang magkaparehong proseso, ang electrospray at water ionization (Fig. 1a). Ipinakita ng mga nakaraang pag-aaral na ang mga EWNS ay may natatanging hanay ng mga pisikal at biyolohikal na katangian8,9,10. Ang mga EWNS ay may average na 10 electron bawat istraktura at isang average na laki ng nanoscale na 25 nm (Fig. 1b,c)8,9,10. Bilang karagdagan, ipinakita ng electron spin resonance (ESR) na ang mga EWNS ay naglalaman ng malaking halaga ng reactive oxygen species (ROS), pangunahin na hydroxyl (OH•) at superoxide (O2-) radicals (Fig. 1c)8. Ang EVNS ay nasa hangin nang matagal at maaaring bumangga sa mga mikroorganismo na nakabitin sa hangin at naroroon sa ibabaw, na naghahatid ng kanilang ROS payload at nagiging sanhi ng pag-deactivate ng mga mikroorganismo (Fig. 1d). Ipinakita rin ng mga naunang pag-aaral na ito na ang EWNS ay maaaring makipag-ugnayan at magpawalang-bisa sa iba't ibang gram-negative at gram-positive bacteria, kabilang ang mycobacteria, sa mga ibabaw at sa hangin. Ipinakita ng transmission electron microscopy na ang pagiging hindi aktibo ay sanhi ng pagkagambala sa lamad ng cell. Bukod pa rito, ipinakita ng mga pag-aaral sa acute inhalation na ang mataas na dosis ng EWNS ay hindi nagdudulot ng pinsala o pamamaga sa baga 8.
(a) Nangyayari ang electrospray kapag ang isang mataas na boltahe ay inilalapat sa pagitan ng isang capillary tube na naglalaman ng likido at isang counter electrode. (b) Ang paglalapat ng mataas na presyon ay nagreresulta sa dalawang magkaibang penomena: (i) electrospraying ng tubig at (ii) pagbuo ng reactive oxygen species (ions) na nakulong sa EWNS. (c) Ang natatanging istruktura ng EWNS. (d) Dahil sa kanilang nanoscale na katangian, ang mga EWNS ay lubos na madaling ilipat at maaaring makipag-ugnayan sa mga pathogen na nasa hangin.
Kamakailan lamang ay naipakita ang kakayahan ng EWNS antimicrobial platform na i-deactivate ang mga foodborne microorganism sa ibabaw ng sariwang pagkain. Ipinakita rin na ang surface charge ng EWNS kasama ng electric field ay maaaring gamitin upang makamit ang targeted delivery. Bukod dito, ang mga paunang resulta para sa mga organic na kamatis pagkatapos ng 90 minutong pagkakalantad sa EWNS na humigit-kumulang 50,000 #/cm3 ay nakapagpapatibay, kung saan naobserbahan ang iba't ibang foodborne microorganism tulad ng E. coli at Listeria 11. Bukod pa rito, ang mga paunang organoleptic test ay hindi nagpakita ng anumang sensory effects kumpara sa mga control tomatoes. Bagama't ang mga paunang resulta ng inactivation na ito ay nakapagpapatibay para sa mga aplikasyon sa kaligtasan ng pagkain kahit na sa napakababang dosis ng EWNS na 50,000#/cc. tingnan, malinaw na ang mas mataas na inactivation potential 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 plataporma para sa pagbuo ng EWNS upang paganahin ang pinong pag-tune ng mga parameter ng synthesis at pag-optimize ng mga katangiang physicochemical ng EWNS upang mapahusay ang kanilang potensyal na antibacterial. Sa partikular, ang pag-optimize ay nakatuon sa pagpapataas ng kanilang surface charge (upang mapabuti ang naka-target na paghahatid) at nilalaman ng ROS (upang mapabuti ang kahusayan sa inactivation). Isaalang-alang ang mga na-optimize na katangiang physico-chemical (laki, charge at nilalaman ng ROS) gamit ang mga modernong pamamaraan ng pagsusuri at gamitin ang mga karaniwang mikroorganismo sa pagkain tulad ng E.
Ang EVNS ay na-synthesize sa pamamagitan ng sabay-sabay na electrospraying at ionization ng tubig na may mataas na kadalisayan (18 MΩ cm–1). Ang electric nebulizer 12 ay karaniwang ginagamit para sa atomization ng mga likido at ang synthesis ng mga polymer at ceramic particle 13 at mga fiber 14 na may kontroladong laki.
Gaya ng detalyadong inilarawan sa mga nakaraang publikasyon 8, 9, 10, 11, sa isang tipikal na eksperimento, isang mataas na boltahe ang inilapat sa pagitan ng isang metal capillary at isang grounded counter electrode. Sa prosesong ito, dalawang magkaibang penomena ang nagaganap: i) electrospray at ii) water ionization. Ang isang malakas na electric field sa pagitan ng dalawang electrodes ay nagdudulot ng pag-iipon ng mga negatibong karga sa ibabaw ng condensed water, na nagreresulta sa pagbuo ng Taylor cones. Bilang resulta, nabubuo ang mga highly charged water droplets, na patuloy na naghihiwa-hiwalay sa mas maliliit na particle, tulad ng sa Rayleigh theory16. Kasabay nito, ang malalakas na electric field ay nagdudulot ng paghihiwalay at pagtanggal ng mga electron sa ilang molekula ng tubig (ionize), na humahantong sa pagbuo ng malaking dami ng reactive oxygen species (ROS)17. Ang sabay-sabay na nabuong ROS18 ay isinama sa EWNS (Fig. 1c).
Sa fig. 2a ay ipinapakita ang sistema ng pagbuo ng EWNS na binuo at ginamit sa sintesis ng EWNS sa pag-aaral na ito. Ang pinadalisay na tubig na nakaimbak sa isang saradong bote ay ipinasok sa pamamagitan ng isang tubo ng Teflon (2 mm na panloob na diyametro) papunta sa isang 30G na karayom ​​na hindi kinakalawang na asero (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 nakakabit sa isang Teflon console at maaaring manu-manong i-adjust 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 pagkuha ng sample. Sa ibaba ng counter electrode ay isang aluminum sampling funnel, na konektado sa natitirang bahagi ng experimental setup sa pamamagitan ng isang sampling port (Fig. 2b). Upang maiwasan ang pag-iipon ng charge na maaaring makagambala sa operasyon ng sampler, lahat ng bahagi ng sampler ay naka-ground sa kuryente.
(a) Engineered Water Nanostructure Generation System (EWNS). (b) Cross-section ng sampler at electrospray, na nagpapakita ng pinakamahalagang mga parameter. (c) Eksperimental na setup para sa inactivation ng bacteria.
Ang sistemang panghenerasyon ng EWNS na inilarawan sa itaas ay may kakayahang baguhin ang mga pangunahing parameter ng pagpapatakbo upang mapadali ang pagpino ng mga katangian ng EWNS. Ayusin ang inilapat na boltahe (V), ang distansya sa pagitan ng karayom ​​at ng counter electrode (L), at ang daloy ng tubig (φ) sa pamamagitan ng capillary upang pino ang mga katangian ng EWNS. Simbolong ginagamit 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 diameter ng aperture ng counter electrode (D) ay pinanatili sa 0.5 pulgada (1.29 cm).
Dahil sa limitadong heometriya at kawalaan ng simetriya, ang lakas ng electric field ay hindi maaaring kalkulahin mula sa mga unang prinsipyo. Sa halip, ang QuickField™ software (Svendborg, Denmark)19 ang ginamit 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 value para sa iba't ibang mga configuration.
Sa panahon ng pag-aaral, ilang kombinasyon ng boltahe at distansya sa pagitan ng karayom ​​at ng counter electrode ang sinuri sa mga tuntunin ng pagbuo ng Taylor cone, katatagan ng Taylor cone, katatagan ng produksyon ng EWNS, at reproducibility. Iba't ibang kombinasyon ang ipinapakita sa Supplementary Table S1.
Ang output ng EWNS generation system ay direktang nakakonekta sa isang Scanning Mobility Particle Size Analyzer (SMPS, Model 3936, TSI, Shoreview, MN) para sa pagsukat ng konsentrasyon ng bilang ng particle, pati na rin sa isang Aerosol Faraday Electrometer (TSI, Model 3068B, Shoreview, MN). ) para sa mga aerosol current ay sinukat gaya ng inilarawan sa aming nakaraang publikasyon. Parehong ang SMPS at ang aerosol electrometer ay sinample sa flow rate na 0.5 L/min (kabuuang daloy ng sample 1 L/min). Ang konsentrasyon ng bilang ng mga particle at ang daloy ng aerosol ay sinukat sa loob ng 120 segundo. Ang pagsukat ay inulit nang 30 beses. Batay sa mga sukat ng kasalukuyang, ang kabuuang karga ng aerosol ay kinakalkula at ang average na karga ng EWNS ay tinatantya para sa isang ibinigay na kabuuang bilang ng mga napiling particle ng EWNS. Ang average na gastos ng EWNS ay maaaring kalkulahin gamit ang Equation (1):
kung saan ang IEl ay ang nasukat na kuryente, ang NSMPS ay ang digital na konsentrasyon na nasukat gamit ang SMPS, at ang φEl ay ang flow rate bawat electrometer.
Dahil ang relatibong halumigmig (RH) ay nakakaapekto sa karga sa ibabaw, ang temperatura at (RH) ay pinanatili na pare-pareho sa panahon ng eksperimento sa 21°C at 45%, ayon sa pagkakabanggit.
Ginamit ang atomic force microscopy (AFM), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Santa Barbara, CA) at AC260T probe (Olympus, Tokyo, Japan) upang sukatin ang laki at tagal ng 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 isinailalim sa 1st order image alignment gamit ang Asylum software (mask range 100 nm, threshold 100 pm).
Tinanggal ang test funnel at ang ibabaw ng mika ay inilagay sa layong 2.0 cm mula sa counter electrode sa loob ng average na oras na 120 segundo upang maiwasan ang pag-iipon ng mga particle at pagbuo ng mga irregular droplets sa ibabaw ng mika. Ang EWNS ay direktang inispray sa ibabaw ng bagong hiwang mika (Ted Pella, Redding, CA). Larawan ng ibabaw ng mika kaagad pagkatapos ng AFM sputtering. Ang contact angle ng ibabaw ng bagong hiwang 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 mga diffusing droplets ay direktang sinukat mula sa topograpiya ng AFM at ginamit upang kalkulahin ang domed diffusion volume ng EWNS gamit ang aming naunang napatunayang pamamaraan. Sa pag-aakalang ang mga onboard EWNS ay may parehong volume, ang katumbas na diameter ay maaaring kalkulahin gamit ang Equation (2):
Batay sa aming naunang binuong pamamaraan, isang electron spin resonance (ESR) spin trap ang ginamit upang matukoy ang presensya ng mga panandaliang radical intermediate sa EWNS. Ang mga aerosol ay pinabula sa pamamagitan ng isang 650 μm Midget sparger (Ace Glass, Vineland, NJ) na naglalaman ng 235 mM na solusyon ng DEPMPO(5-(diethoxyphosphoryl)-5-methyl-1-pyrroline-N-oxide) (Oxis International Inc.). Portland, Oregon). Ang lahat ng pagsukat 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 mangolekta at mag-analisa ng datos. Ang pagtukoy sa 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 sinukat gamit ang SMPS matapos isaalang-alang ang mga pagkawala ng EWNS sa impactor.
Ang mga antas ng ozone ay minanmanan gamit ang isang 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Boulder, Co)8,9,10.
Para sa lahat ng katangian ng EWNS, ang mean value ay ginagamit bilang halaga ng pagsukat, at ang standard deviation ay ginagamit bilang error sa pagsukat. Isinagawa ang mga T-test upang ihambing ang mga halaga ng mga na-optimize na katangian ng EWNS sa mga kaukulang halaga ng base EWNS.
Ipinapakita ng Figure 2c ang isang dati nang binuo at nailalarawang electrostatic precipitation (EPES) "pull" system na maaaring gamitin para sa naka-target na paghahatid ng EWNS sa ibabaw. Gumagamit ang EPES ng mga EVNS charge na maaaring "gabayan" nang direkta sa ibabaw ng target sa ilalim ng impluwensya ng isang malakas na electric field. Ang mga detalye ng sistemang EPES ay ipinakita sa isang kamakailang publikasyon nina Pyrgiotakis et al. 11. Kaya, ang EPES ay binubuo ng isang 3D printed PVC chamber na may tapered ends at naglalaman ng dalawang parallel stainless steel (304 stainless steel, mirror coated) metal plate sa gitna na may 15.24 cm ang pagitan. Ang mga board ay konektado sa isang external high voltage source (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY), ang bottom plate ay palaging konektado sa positive voltage, at ang top plate ay palaging konektado sa ground (floating ground). Ang mga dingding ng chamber ay natatakpan ng aluminum foil, na electrically grounded upang maiwasan ang pagkawala ng particle. Ang silid ay may selyadong pinto sa harap na nagbibigay-daan sa paglalagay ng mga ibabaw ng pagsubok sa mga plastik na patungan na nagtataas sa mga ito sa itaas ng pang-ibabang metal plate upang maiwasan ang mataas na boltahe na interference.
Ang kahusayan ng deposisyon ng EWNS sa EPES ay kinalkula ayon sa isang dating binuong protocol na detalyado sa Karagdagang Larawan S111.
Bilang isang control chamber, isang pangalawang cylindrical flow chamber ang konektado nang serye sa EPES system, kung saan ginamit ang isang intermediate HEPA filter upang alisin ang mga EWNS. Gaya ng ipinapakita sa Figure 2c, ang EWNS aerosol ay ibinomba sa dalawang built-in na chamber. 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 antas ng ozone.
Natuklasan na ang mahahalagang mikroorganismo 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), kahalili ng pathogenic Listeria monocytogenes, na nagmula sa ATCC (Manassas, VA) Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098), isang pamalit sa spoilage yeast, at isang mas lumalaban na inactivated bacterium, Mycobacterium paralucky (ATCC #19686).
Bumili ng mga kahon ng organikong kamatis na ubas mula sa inyong lokal na palengke at ilagay sa refrigerator sa 4°C hanggang sa gamitin (hanggang 3 araw). Ang mga eksperimental na kamatis ay pawang magkakapareho ang laki, mga 1/2 pulgada ang diyametro.
Ang mga protokol sa culture, inoculation, exposure, at colony count ay detalyado sa aming nakaraang publikasyon at detalyado sa Supplementary Data. Ang bisa ng EWNS ay sinuri sa pamamagitan ng paglalantad ng mga inoculated na kamatis sa 40,000 #/cm3 sa loob ng 45 minuto. Sa madaling salita, tatlong kamatis ang ginamit upang suriin ang mga nakaligtas na mikroorganismo sa oras na t = 0 min. Tatlong kamatis ang inilagay sa EPES at inilantad sa EWNS sa 40,000 #/cc (mga kamatis na nakalantad sa EWNS) at ang natitirang tatlo ay inilagay sa control chamber (mga kontrol na kamatis). Hindi isinagawa ang karagdagang pagproseso ng mga kamatis sa parehong grupo. Ang mga kamatis na nakalantad sa EWNS at mga kontrol na kamatis ay tinanggal pagkatapos ng 45 minuto upang suriin ang epekto ng EWNS.
Ang bawat eksperimento ay isinagawa nang tatluhang beses. Ang pagsusuri ng datos ay isinagawa ayon sa protokol na inilarawan sa Karagdagang Datos.
Ang mga mekanismo ng inactivation ay tinasa sa pamamagitan ng sedimentation ng mga nakalantad na sample ng EWNS (45 min sa 40,000 #/cm3 na konsentrasyon ng EWNS aerosol) at mga sample na hindi na-irradiated ng mga hindi nakakapinsalang bacteria na E. coli, Salmonella enterica at Lactobacillus. Ang mga particle ay na-fix 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 hugasan, i-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%, 70%, 90%, 100% na alkohol. Ang mga sample ay inilagay sa propylene oxide sa loob ng 1 oras at binabad sa 1:1 na pinaghalong propylene oxide at TAAP Epon (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA). Ang mga sample ay inilagay sa TAAB Epon at ni-polymerize sa 60°C sa loob ng 48 oras. Ang pinagaling na granular resin ay pinutol at nakita sa pamamagitan ng TEM gamit ang isang conventional transmission electron microscope na JEOL 1200EX (JEOL, Tokyo, Japan) na nilagyan ng AMT 2k CCD camera (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, Massachusetts, USA).
Ang lahat ng eksperimento ay isinagawa nang triplicate. Para sa bawat punto ng oras, ang mga bacterial wash ay inilagay nang triplicate, na nagresulta sa kabuuang siyam na punto ng datos bawat punto, kung saan ang average ay ginamit bilang konsentrasyon ng bakterya para sa partikular na mikroorganismo. Ang standard deviation ay ginamit bilang error sa pagsukat. Binibilang ang lahat ng punto.
Ang logaritmo ng pagbaba sa konsentrasyon ng bakterya kumpara sa t = 0 min ay kinalkula gamit ang sumusunod na pormula:
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 log reduction kumpara sa kontrol pagkatapos ng 45 minuto ay kinalkula rin tulad ng sumusunod:
kung saan ang Cn ay ang konsentrasyon ng bacteria sa control sample sa oras na n at ang Cn-Control ay ang konsentrasyon ng control bacteria sa oras na n. Ang datos ay ipinapakita bilang isang log reduction kumpara sa control (walang pagkakalantad sa EWNS).
Sa panahon ng pag-aaral, ilang kombinasyon ng boltahe at distansya sa pagitan ng karayom ​​at ng counter electrode ang sinuri sa mga tuntunin ng pagbuo ng Taylor cone, katatagan ng Taylor cone, katatagan ng produksyon ng EWNS, at kakayahang muling gawin. Iba't ibang kombinasyon ang ipinapakita sa Supplementary Table S1. Dalawang kaso na nagpapakita ng matatag at maaaring muling gawin na mga katangian (Taylor cone, pagbuo ng EWNS, at katatagan sa paglipas ng panahon) ang napili para sa komprehensibong pag-aaral. Sa fig., ipinapakita ng Figure 3 ang mga resulta para sa karga, laki, at nilalaman ng ROS sa parehong kaso. Ang mga resulta ay ipinapakita rin sa Table 1. Bilang sanggunian, parehong kasama sa Figure 3 at Table 1 ang mga katangian ng dating na-synthesize na hindi na-optimize na EWNS8, 9, 10, 11 (baseline-EWNS). Ang mga kalkulasyon ng istatistikal na kahalagahan gamit ang isang two-tailed t-test ay muling inilathala sa Supplementary Table S2. Bilang karagdagan, kasama sa karagdagang datos ang mga pag-aaral ng epekto ng counter electrode sampling hole diameter (D) at distansya sa pagitan ng ground electrode at tip (L) (Mga Supplementary Figures S2 at S3).
(ac) Distribusyon ng laki na sinusukat ng AFM. (df) Katangian ng karga sa ibabaw. (g) Paglalarawan ng ROS ng EPR.
Mahalaga ring tandaan na para sa lahat ng mga kondisyon sa itaas, ang nasukat na ionization current ay nasa pagitan ng 2 at 6 μA at boltahe sa pagitan ng -3.8 at -6.5 kV, na nagresulta sa pagkonsumo ng kuryente na mas mababa sa 50 mW para sa single EWNS generation contact module na ito. Bagama't ang EWNS ay na-synthesize sa ilalim ng mataas na presyon, ang mga antas ng ozone ay napakababa, na hindi kailanman lumalagpas sa 60 ppb.
Ipinapakita ng Karagdagang Larawan S4 ang mga kunwaring electric field para sa mga senaryo na [-6.5 kV, 4.0 cm] at [-3.8 kV, 0.5 cm], ayon sa pagkakabanggit. Para sa mga senaryo na [-6.5 kV, 4.0 cm] at [-3.8 kV, 0.5 cm], ang mga kalkulasyon ng field ay 2 × 105 V/m at 4.7 × 105 V/m, ayon sa pagkakabanggit. Inaasahan ito, dahil sa pangalawang kaso, ang voltage-distance ratio ay mas mataas.
Sa fig. 3a, b, ipinapakita ang diyametro ng EWNS na sinukat gamit ang AFM8. Ang kinalkulang average na diyametro ng EWNS ay 27 nm at 19 nm para sa mga iskemang [-6.5 kV, 4.0 cm] at [-3.8 kV, 0.5 cm], ayon sa pagkakabanggit. Para sa mga senaryo na [-6.5 kV, 4.0 cm] at [-3.8 kV, 0.5 cm], ang geometric 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 mean size at ang geometric standard deviation ay napakalapit sa baseline EWNS, sa 25 nm at 1.41, ayon sa pagkakabanggit. Sa fig. 3c, ipinapakita ang distribusyon ng laki ng base EWNS na sinukat gamit ang parehong pamamaraan sa ilalim ng parehong mga kondisyon.
Sa fig. 3d, ipinapakita ng e ang mga resulta ng paglalarawan ng karga. Ang datos ay mga karaniwang sukat ng 30 sabay-sabay na sukat ng konsentrasyon (#/cm3) at kuryente (I). Ipinapakita ng pagsusuri na ang karaniwang karga 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. Mayroon silang mas mataas na mga karga sa ibabaw kumpara sa baseline EWNS (10 ± 2 e-), dalawang beses na mas malaki kaysa sa senaryo ng [-6.5 kV, 4.0 cm] at apat na beses na mas malaki kaysa sa [-3 .8 kV, 0.5 cm]. Ipinapakita ng Fig. 3f ang datos ng karga para sa Baseline-EWNS.
Mula sa mga mapa ng konsentrasyon ng bilang ng EWNS (Mga Karagdagang Larawan S5 at S6), makikita na ang senaryo na [-6.5 kV, 4.0 cm] ay may mas maraming partikulo kaysa sa senaryo na [-3.8 kV, 0.5 cm]. Mahalaga ring tandaan na ang konsentrasyon ng bilang ng EWNS ay minanmanan hanggang 4 na oras (Mga Karagdagang Larawan S5 at S6), kung saan ang katatagan ng henerasyon ng EWNS ay nagpakita ng parehong antas ng konsentrasyon ng bilang ng partikulo sa parehong kaso.
Sa fig. 3g, makikita ang EPR spectrum pagkatapos ibawas ang na-optimize na EWNS control (background) sa [-6.5 kV, 4.0 cm2]. Ang ROS spectra ay inihambing din sa Baseline-EWNS scenario sa isang naunang nailathalang akda. Ang bilang ng EWNS na tumutugon sa mga spin trap ay kinalkula na 7.5 × 104 EWNS/s, na katulad ng naunang nailathalang Baseline-EWNS8. Malinaw na ipinakita ng EPR spectra ang pagkakaroon ng dalawang uri ng ROS, kung saan ang O2- ang pangunahing species at ang OH• ay hindi gaanong sagana. Bukod pa rito, ang 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 EWNS.
Sa pigura 4, ipinapakita ang kahusayan sa deposisyon ng EWNS sa EPES. Ang datos ay nakabuod din sa Talahanayan I at inihambing sa orihinal na datos ng EWNS. Para sa parehong kaso ng EUNS, ang deposisyon ay malapit sa 100% kahit na sa mababang boltahe na 3.0 kV. Kadalasan, ang 3.0 kV ay sapat na para sa 100% na deposisyon, anuman ang pagbabago sa karga sa ibabaw. Sa ilalim ng parehong mga kondisyon, ang kahusayan sa deposisyon ng Baseline-EWNS ay 56% lamang dahil sa kanilang mas mababang karga (average na 10 electron bawat EWNS).
Sa fig. 5 at sa talahanayan 2, ibinubuod ang inactivation value ng mga mikroorganismo na inoculated sa ibabaw ng mga kamatis pagkatapos malantad sa humigit-kumulang 40,000 #/cm3 EWNS sa loob ng 45 minuto sa optimum mode [-6.5 kV, 4.0 cm]. Ang inoculated na E. coli at Lactobacillus innocuous ay nagpakita ng makabuluhang pagbawas na 3.8 logs 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 micrograph (Larawan 6) ay naglalarawan ng mga pisikal na pagbabagong dulot ng EWNS sa mga hindi nakakapinsalang selula ng Escherichia coli, Streptococcus, at Lactobacillus na humantong sa kanilang pagka-inaktibo. Ang mga control bacteria ay may buo na lamad ng selula, habang ang mga nalantad na bakterya ay may napinsalang panlabas na lamad.
Ang electron microscopic imaging ng control at nakalantad na bacteria ay nagpakita ng pinsala sa lamad.
Ang datos sa mga katangiang pisiko-kemikal ng mga na-optimize na EWNS ay sama-samang nagpapakita na ang mga katangian (surface charge at nilalaman ng ROS) ng EWNS ay makabuluhang bumuti kumpara sa naunang nailathalang baseline data ng EWNS8,9,10,11. Sa kabilang banda, ang kanilang laki ay nanatili sa saklaw ng nanometer, halos kapareho ng mga resultang naiulat noon, 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, gaya ng detalyadong sinabi ni Nielsen et al. 22, ang mataas na surface charge ay binabawasan ang evaporation sa pamamagitan ng epektibong pagtaas ng surface energy/tension ng water drop. Sa aming nakaraang publikasyon8, ang teoryang ito ay kinumpirma sa eksperimento para sa mga microdroplet 22 at EWNS. Ang pagkawala ng charge sa panahon ng overtime ay maaari ring makaapekto sa laki at makapag-ambag sa naobserbahang distribusyon ng laki.