Salamat sa pagbisita sa Nature.com. Gumagamit ka ng bersyon ng browser na may limitadong suporta sa CSS. Para sa pinakamahusay na karanasan, inirerekomenda namin na gumamit ka ng na-update na browser (o i-disable ang Compatibility Mode sa Internet Explorer). Bilang karagdagan, upang matiyak ang patuloy na suporta, ipinapakita namin ang site nang walang mga estilo at JavaScript.
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 mayaman sa reactive oxygen species (ROS) na maaaring makipag-ugnayan at mag-deactivate ng ilang mga mikroorganismo, kabilang ang mga pathogen na dala ng pagkain. Dito ipinapakita na ang kanilang mga katangian sa panahon ng synthesis ay maaaring pinuhin at i-optimize upang higit pang mapahusay ang kanilang potensyal na antibacterial. Ang plataporma ng laboratoryo ng EWNS ay dinisenyo upang pinuhin ang mga katangian ng EWNS sa pamamagitan ng pagbabago ng mga parameter ng synthesis. Ang paglalarawan ng mga katangian ng EWNS (charge, laki, at nilalaman ng ROS) ay isinagawa gamit ang mga modernong pamamaraan ng pagsusuri. Bilang karagdagan, ang mga mikroorganismo sa pagkain tulad ng Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocua, Mycobacterium para fortitum, at Saccharomyces cerevisiae ay itinanim sa ibabaw ng mga organikong kamatis na ubas upang suriin ang kanilang potensyal na microbial inactivation. Ang mga resultang ipinakita rito ay nagpapakita na ang mga katangian ng EWNS ay maaaring pinuhin habang 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 ROS content ay tumaas. Ang microbial removal rate ay nakadepende sa mikrobyo at mula 1.0 hanggang 3.8 log pagkatapos ng 45 minutong pagkakalantad sa aerosol dose na 40,000 #/cm3 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. Ang sakit na dala ng pagkain ay bumubuo sa humigit-kumulang 76 milyong sakit, 325,000 pagkakaospital, at 5,000 pagkamatay bawat taon sa Estados Unidos lamang1. 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 porsyento ng lahat ng sakit na dala ng pagkain na naiulat sa Estados Unidos2. Ang halaga ng sakit at kamatayan mula sa 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 pangunahing ipinapatupad sa mga limitadong critical control point (CCP) sa kadena ng produksyon (karaniwan ay pagkatapos ng pag-aani at/o habang nagbabalot) sa halip na patuloy na ipatupad sa paraang ang mga sariwang ani ay napapailalim sa cross-contamination 7. Kinakailangan ang mga interbensyong antimicrobial upang mas mahusay na makontrol ang mga sakit na dala ng pagkain at pagkasira ng pagkain at may potensyal na mailapat sa buong farm-to-table continuum. Mas kaunting epekto at gastos.
Isang nanotechnology-based chemical-free antimicrobial platform ang kamakailan lamang binuo upang i-deactivate ang bacteria sa mga ibabaw at sa hangin gamit ang artificial water nanostructures (EWNS). Para sa synthesis ng EVNS, dalawang parallel na proseso ang ginamit: electrospray at water ionization (Fig. 1a). Ang EWNS ay naipakita na dati nang mayroong natatanging hanay ng mga pisikal at biyolohikal na katangian8,9,10. Ang EWNS ay may average na 10 electron bawat istraktura at average na laki ng nanometer na 25 nm (Fig. 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 na ang hydroxyl (OH•) at superoxide (O2-) radicals (Fig. 1c)8. Ang EWNS ay nanatili sa hangin nang mahabang panahon at maaaring bumangga sa mga microbes na nakabitin sa hangin at naroroon sa mga ibabaw, na naghahatid ng kanilang ROS payload at nagiging sanhi ng microbial inactivation (Fig. 1d). Ipinakita rin ng mga naunang pag-aaral na ito na ang EWNS ay maaaring makipag-ugnayan at mag-deactivate ng iba't ibang gram-negative at gram-positive bacteria na mahalaga sa kalusugan ng publiko, kabilang ang mycobacteria, sa mga ibabaw at sa hangin8,9. Ipinakita ng transmission electron microscopy na ang inactivation ay sanhi ng pagkagambala sa cell membrane. Bukod pa rito, ipinakita ng mga acute inhalation studies na ang mataas na dosis ng EWNS ay hindi nagdudulot ng pinsala o pamamaga sa baga8.
(a) Nangyayari ang electrospray kapag ang isang mataas na boltahe ay inilalapat sa pagitan ng isang likidong naglalaman ng capillary at isang counter electrode. (b) Ang paglalapat ng mataas na boltahe 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) Ang mga EWNS ay lubos na madaling ilipat dahil sa kanilang nanoscale na katangian at maaaring makipag-ugnayan sa mga airborne pathogen.
Kamakailan lamang ay naipakita ang kakayahan ng EWNS antimicrobial platform na i-deactivate ang mga mikroorganismo na dala ng pagkain sa ibabaw ng sariwang pagkain. Ipinakita rin na ang EWNS surface charge ay maaaring gamitin kasama ng electric field para sa naka-target na paghahatid. Higit sa lahat, isang promising na unang resulta ng humigit-kumulang 1.4 log na pagbawas sa aktibidad ng organikong kamatis laban sa iba't ibang mikroorganismo sa pagkain tulad ng E. coli at Listeria ang naobserbahan sa loob ng 90 minuto ng pagkakalantad sa EWNS sa konsentrasyon na humigit-kumulang 50,000#/cm311. Bilang karagdagan, ang mga paunang pagsusuri sa organoleptic evaluation ay hindi nagpakita ng organoleptic effect kumpara sa control tomato. Bagama't ang mga paunang resulta ng inactivation na ito ay nangangako ng kaligtasan sa pagkain kahit na sa napakababang dosis ng EWNS na 50,000#/cc. tingnan, malinaw na ang mas mataas na potensyal ng inactivation 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 ng pagbuo ng EWNS upang pinuhin ang mga parameter ng synthesis at i-optimize ang 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). Pag-characterize ng mga na-optimize na katangiang physico-chemical (laki, charge at nilalaman ng ROS) gamit ang mga modernong pamamaraan ng pagsusuri at paggamit ng mga karaniwang mikroorganismo sa pagkain tulad ng E. coli, S. enterica, L. innocua, S. cerevisiae at M. parafortuitum.
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 atomizer 12 ay karaniwang ginagamit upang i-atomize ang mga likido at sintetikong polymer at ceramic particles 13 at fibers 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 inilalapat sa pagitan ng isang metal capillary at isang grounded counter electrode. Sa prosesong ito, dalawang magkaibang penomena ang nagaganap: 1) electrospray at 2) ionization ng tubig. 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, ayon sa Rayleigh theory16. Kasabay nito, ang isang malakas na electric field ay nagiging sanhi ng pagkahati at pagtanggal ng mga electron sa ilan sa mga molekula ng tubig (ionization), sa gayon ay bumubuo ng malaking halaga ng reactive oxygen species (ROS)17. Ang sabay-sabay na nabuong ROS18 packets 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) patungo sa isang 30G na karayom ​​na hindi kinakalawang na asero (metal capillary). Gaya ng ipinapakita sa Figure 2b, ang daloy ng tubig ay kinokontrol ng presyon ng hangin sa loob ng bote. Ang karayom ​​ay nakakabit sa isang Teflon console na 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 iba pang bahagi ng experimental setup sa pamamagitan ng isang sampling port (Fig. 2b). Ang lahat ng bahagi ng sampler ay electrically grounded upang maiwasan ang pagtaas ng charge na maaaring makasira sa particle sampling.
(a) Engineered Water Nanostructure Generation System (EWNS). (b) Cross section ng sampler at electrospray unit na nagpapakita ng pinakamahalagang mga parameter. (c) Eksperimental na setup para sa bacteria inactivation.
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. Ang mga simbolo na [V (kV), L (cm)] ay ginagamit upang magpahiwatig ng iba't ibang kumbinasyon. Ayusin ang daloy ng tubig upang makakuha ng isang matatag na Taylor cone na may isang tiyak na hanay [V, L]. Para sa mga layunin ng pag-aaral na ito, ang siwang ng counter electrode (D) ay itinakda 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 sistema ng pagbuo ng EWNS ay direktang konektado sa isang Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS, model 3936, TSI, Shoreview, Minnesota) upang sukatin ang konsentrasyon ng bilang ng particle at ginamit kasama ng isang Faraday aerosol electrometer (TSI, model 3068B, Shoreview, USA). MN) upang sukatin ang mga daloy ng aerosol, gaya ng inilarawan sa aming nakaraang publikasyon9. 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 mga konsentrasyon ng particle at aerosol fluxes ay sinukat sa loob ng 120 segundo. Ulitin ang pagsukat nang 30 beses. Ang kabuuang karga ng aerosol ay kinakalkula mula sa kasalukuyang mga sukat, at ang average na karga ng EWNS ay tinatantya mula sa kabuuang bilang ng mga particle ng EWNS na sinample. 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 bilang ng konsentrasyon na nasukat gamit ang SMPS, at ang φEl ay ang rate ng daloy papunta sa electrometer.
Dahil ang relatibong halumigmig (RH) ay nakakaapekto sa karga sa ibabaw, ang temperatura at (RH) ay pinanatili sa 21°C at 45%, ayon sa pagkakabanggit, sa panahon ng eksperimento.
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 AFM scan rate ay 1 Hz at ang scan area ay 5 µm×5 µm na may 256 scan lines. Ang lahat ng mga imahe ay isinailalim sa first order image alignment gamit ang Asylum software (mask na may range na 100 nm at threshold na 100 pm).
Tanggalin ang sampling funnel at ilagay ang ibabaw ng mika sa layong 2.0 cm mula sa counter electrode sa loob ng average na oras na 120 segundo upang maiwasan ang pagsasama-sama ng mga particle at pagbuo ng mga irregular na droplet sa ibabaw ng mika. Ang EWNS ay direktang inilapat sa mga bagong hiwa na ibabaw ng mika (Ted Pella, Redding, CA). Kaagad pagkatapos ng sputtering, ang ibabaw ng mika ay nakita gamit ang AFM. Ang anggulo ng pakikipag-ugnayan sa ibabaw ng bagong hiwa na hindi binagong mika ay malapit sa 0°, kaya ang EWNS ay kumakalat sa ibabaw ng mika sa isang hugis na may simboryo20. Ang diameter (a) at taas (h) ng mga diffusing droplet ay direktang sinukat mula sa topograpiya ng AFM at ginamit upang kalkulahin ang volume ng diffusion na may simboryo ng EWNS gamit ang aming naunang napatunayang pamamaraan8. Sa pag-aakalang ang onboard EVNS ay may parehong volume, ang katumbas na diameter ay maaaring kalkulahin mula sa equation (2):
Alinsunod 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 pinadaan sa isang solusyon na naglalaman ng 235 mM DEPMPO (5-(diethoxyphosphoryl)-5-methyl-1-pyrroline-N-oxide) (Oxis International Inc., Portland, Oregon). Ang lahat ng pagsukat ng EPR ay isinagawa gamit ang isang Bruker EMX spectrometer (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) at mga flat cell array. Ang Acquisit software (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) ay ginamit upang mangolekta at mag-analisa ng datos. Ang ROS characterization 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 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 halaga ng pagsukat ay ang mean ng mga sukat, at ang error sa pagsukat ay ang standard deviation. Isinagawa ang isang t-test upang ihambing ang halaga ng na-optimize na katangian ng EWNS sa katumbas na halaga ng base EWNS.
Ipinapakita ng Figure 2c ang isang dati nang binuo at nailalarawang Electrostatic Precipitation Pass Through System (EPES) na maaaring gamitin upang i-target ang EWNS11 sa mga ibabaw. Gumagamit ang EPES ng EWNS charge kasama ng isang malakas na electric field upang "ituro" nang direkta sa ibabaw ng target. 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 na naglalaman ng dalawang parallel stainless steel (304 stainless steel, mirror polished) 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 board ay palaging positibo at ang top board ay palaging grounded (lumulutang). Ang mga dingding ng chamber ay natatakpan ng aluminum foil, na electrically grounded upang maiwasan ang pagkawala ng particle. Ang chamber ay may selyadong front loading door na nagbibigay-daan sa mga test surface na mailagay sa mga plastic rack, inaangat ang mga ito mula sa bottom metal plate upang maiwasan ang high voltage 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, ang pangalawang daloy sa cylindrical chamber ay konektado nang sunud-sunod sa EPES system gamit ang isang intermediate HEPA filter upang alisin ang EWNS. Gaya ng ipinapakita sa fig. 2c, ang EWNS aerosol ay ibinomba sa dalawang chamber na konektado nang sunud-sunod. 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 produkto tulad ng Escherichia coli (ATCC #27325), isang indikasyon ng dumi, Salmonella enterica (ATCC #53647), isang pathogen na dala ng pagkain, Listeria innocua (ATCC #33090), isang alternatibo sa pathogenic na Listeria monocytogenes., Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098) bilang alternatibo sa spoilage yeast, at Mycobacterium parafortuitous (ATCC #19686) bilang isang mas lumalaban na live bacteria ay binili mula sa ATCC (Manassas, Virginia).
Bumili nang random ng mga kahon ng organikong kamatis na ubas mula sa iyong lokal na palengke at ilagay sa refrigerator sa 4°C hanggang sa gamitin (hanggang 3 araw). Pumili ng mga kamatis na susubukan sa isang sukat, mga 1/2 pulgada ang diyametro.
Ang mga protokol para sa incubation, inoculation, exposure at colony counting ay detalyado sa aming mga nakaraang publikasyon at ipinaliwanag nang detalyado sa Supplementary Data 11. Ang performance 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, sa oras na t = 0 min, tatlong kamatis ang ginamit upang suriin ang mga nakaligtas na mikroorganismo. Tatlong kamatis ang inilagay sa EPES at inilantad sa EWNS sa 40,000 #/cc (mga kamatis na nakalantad sa EWNS) at tatlo pa ang inilagay sa control chamber (mga kontrol na kamatis). Wala sa mga grupo ng kamatis ang isinailalim sa karagdagang pagproseso. Ang mga kamatis at kontrol na nakalantad sa EWNS 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 sample ng bacterial na E. coli, Enterobacter, at L. innocua na nalantad sa EWNS (45 min, konsentrasyon ng aerosol ng EWNS 40,000 #/cm3) at hindi nalantad ay hinaluan ng pellet upang masuri ang mga mekanismo ng inactivation. Ang precipitate ay inayos sa loob ng 2 oras sa temperatura ng silid sa 0.1 M sodium cacodylate solution (pH 7.4) na may fixative na 2.5% glutaraldehyde, 1.25% paraformaldehyde at 0.03% picric acid. Pagkatapos hugasan, inayos ang mga ito gamit ang 1% osmium tetroxide (OsO4)/1.5% potassium ferrocyanide (KFeCN6) sa loob ng 2 oras, hinugasan ng 3 beses gamit ang tubig at in-incubate sa 1% uranyl acetate sa loob ng 1 oras, pagkatapos ay hinugasan ng dalawang beses gamit ang tubig. Kasunod na dehydration, 10 minuto bawat isa gamit ang 50%, 70%, 90%, 100% alcohol. 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 cured granular resin ay pinutol at nakita sa pamamagitan ng TEM gamit ang isang JEOL 1200EX (JEOL, Tokyo, Japan), isang kumbensyonal na transmission electron microscope na nilagyan ng AMT 2k CCD camera (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, MA, 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 organismong iyon. 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 panahon ng pagkakalantad, ang Log-Reduction ay kinalkula rin kumpara sa kontrol sa loob ng 45 minuto 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 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 reproducibility. Iba't ibang kombinasyon ang ipinapakita sa Supplementary Table S1. Dalawang kaso ang napili para sa isang kumpletong pag-aaral na nagpapakita ng matatag at maaaring kopyahing mga katangian (Taylor cone, produksyon ng EWNS, at katatagan sa paglipas ng panahon). Sa fig. 3 ay ipinapakita ang mga resulta sa karga, laki at nilalaman ng ROS para sa dalawang kaso. Ang mga resulta ay nakabuod din sa Table 1. Bilang sanggunian, 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 statistical significance gamit ang two-tailed t-test ay muling inilathala sa Supplementary Table S2. Bilang karagdagan, kasama sa karagdagang datos ang mga pag-aaral sa epekto ng counter electrode sampling hole diameter (D) at ang distansya sa pagitan ng ground electrode at dulo ng karayom ​​(L) (Mga Supplementary Figures S2 at S3).
(a–c) Distribusyon ng laki ng AFM. (d – f) Katangian ng karga sa ibabaw. (g) Paglalarawan ng ROS at ESR.
Mahalaga ring tandaan na para sa lahat ng mga kondisyon sa itaas, ang nasukat na mga ionization current ay nasa hanay na 2-6 µA, at ang mga boltahe ay nasa hanay na -3.8 hanggang -6.5 kV, na nagresulta sa pagkonsumo ng kuryente para sa single-terminal EWNS na ito na mas mababa sa 50 mW. . na generation module. 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. Ang mga field ayon sa mga senaryo na [-6.5 kV, 4.0 cm] at [-3.8 kV, 0.5 cm] ay kinakalkula bilang 2 × 105 V/m at 4.7 × 105 V/m, ayon sa pagkakabanggit. Inaasahan ito, dahil ang ratio ng boltahe sa distansya ay mas mataas sa pangalawang kaso.
Sa fig. 3a at b, ipinapakita ang diyametro ng EWNS na sinukat gamit ang AFM8. Ang average na diyametro ng EWNS para sa mga senaryo na [-6.5 kV, 4.0 cm] at [-3.8 kV, 0.5 cm] ay kinalkula bilang 27 nm at 19 nm, ayon sa pagkakabanggit. Ang geometric standard deviations ng mga distribusyon para sa mga kaso na [-6.5 kV, 4.0 cm] at [-3.8 kV, 0.5 cm] ay 1.41 at 1.45, ayon sa pagkakabanggit, na nagpapahiwatig ng isang makitid na distribusyon ng laki. Ang mean size at geometric standard deviation ay parehong napakalapit sa baseline-EWNS, na 25 nm at 1.41, ayon sa pagkakabanggit. Sa fig. 3c, ipinapakita ang distribusyon ng laki ng baseline 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. Kung ikukumpara sa Baseline-EWNS (10 ± 2 e-), ang kanilang karga sa ibabaw ay mas mataas nang malaki, doble kaysa sa senaryo ng [-6.5 kV, 4.0 cm] at apat na beses kaysa sa [-3 .8 kV, 0.5 cm]. Ipinapakita ng 3f ang mga pangunahing datos ng pagbabayad ng EWNS.
Mula sa mga mapa ng konsentrasyon ng bilang ng EWNS (Mga Karagdagang Larawan S5 at S6), makikita na ang eksena na [-6.5 kV, 4.0 cm] ay may mas mataas na bilang ng mga partikulo kaysa sa eksena na [-3.8 kV, 0.5 cm]. Dapat ding tandaan na ang mga konsentrasyon ng bilang ng EWNS ay minanmanan nang 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.
Ipinapakita ng Figure 3g ang EPR spectrum pagkatapos ng control (background) subtraction para sa na-optimize na EWNS sa [-6.5 kV, 4.0 cm]. Ang ROS spectrum ay inihambing din sa baseline ng EWNS sa isang naunang nailathalang papel. Ang kinakalkulang bilang ng EWNS na tumutugon sa spin trap ay 7.5 × 104 EWNS/s, na katulad ng naunang nailathalang Baseline-EWNS8. Malinaw na ipinahiwatig ng EPR spectra ang pagkakaroon ng dalawang uri ng ROS, kung saan nangingibabaw ang O2-, habang ang OH• ay nasa mas maliit na dami. Bilang karagdagan, 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 ay 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 upang makamit ang 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 mas mababang karga (average na 10 electron bawat EWNS).
Ibinubuod ng Figure 5 at Table 2 ang antas ng inactivation 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 ilalim ng optimal scenario [-6.5 kV, 4.0 cm]. Ang mga inoculated na E. coli at L. innocua ay nagpakita ng makabuluhang pagbawas na 3.8 log pagkatapos ng 45 minuto ng pagkakalantad. Sa ilalim ng parehong mga kondisyon, ang S. enterica ay nagpakita ng mas mababang pagbawas ng log na 2.2 log, habang ang S. cerevisiae at M. parafortuitum ay nagpakita ng 1.0 log na pagbawas.
Mga electron micrograph (Larawan 6) na naglalarawan ng mga pisikal na pagbabagong dulot ng EWNS sa mga selula ng E. coli, Salmonella enterica, at L. innocua na humahantong sa pagka-inaktibo. Ang mga control bacteria ay nagpakita ng buo na mga lamad ng selula, habang ang mga nakalantad na bacteria ay may napinsalang mga 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 katangiang EWNS (surface charge at nilalaman ng ROS) 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, na halos kapareho ng mga naunang nailathalang resulta, 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 magnitude ng Rayleigh effect, randomness, at potensyal na pagsasama ng EWNS. Gayunpaman, gaya ng detalyadong sinabi ni Nielsen et al.22, ang mataas na surface charge ay binabawasan ang pagsingaw sa pamamagitan ng epektibong pagtaas ng surface energy/tension ng patak ng tubig. Ang teoryang ito ay kinumpirma sa eksperimento para sa mga microdroplet22 at EWNS sa aming nakaraang publikasyon8. Ang pagkawala ng overtime ay maaari ring makaapekto sa laki at makapag-ambag sa naobserbahang distribusyon ng laki.
Bukod pa rito, ang karga kada istruktura ay humigit-kumulang 22–44 e-, depende sa mga pangyayari, na mas mataas nang malaki kumpara sa pangunahing EWNS, na may average na karga na 10 ± 2 electron kada istruktura. Gayunpaman, dapat tandaan na ito ang average na karga ng EWNS. Seto et al. Ipinakita na ang karga ay hindi pare-pareho at sumusunod sa isang log-normal distribution21. Kung ikukumpara sa aming nakaraang gawain, ang pagdoble sa surface charge ay nagdodoble sa deposition efficiency sa EPES system sa halos 100%11.