Cảm ơn bạn đã ghé thăm Nature.com. Phiên bản trình duyệt bạn đang sử dụng có hỗ trợ CSS hạn chế. Để có trải nghiệm tốt nhất, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng trình duyệt được cập nhật (hoặc tắt Chế độ tương thích trong Internet Explorer). Trong thời gian chờ đợi, để đảm bảo hỗ trợ liên tục, chúng tôi sẽ hiển thị trang web mà không có kiểu dáng và JavaScript.
Gần đây, một nền tảng kháng khuẩn không hóa chất dựa trên công nghệ nano sử dụng cấu trúc nano nước nhân tạo (EWNS) đã được phát triển. EWNS có điện tích bề mặt cao và bão hòa với các loại oxy hoạt tính (ROS) có thể tương tác và làm bất hoạt một số vi sinh vật, bao gồm cả các tác nhân gây bệnh từ thực phẩm. Bài viết này chỉ ra rằng các đặc tính của chúng trong quá trình tổng hợp có thể được tinh chỉnh và tối ưu hóa để tăng cường hơn nữa tiềm năng kháng khuẩn. Nền tảng thí nghiệm EWNS được thiết kế để tinh chỉnh các đặc tính của EWNS bằng cách thay đổi các thông số tổng hợp. Đặc tính của EWNS (điện tích, kích thước và hàm lượng ROS) được xác định bằng các phương pháp phân tích hiện đại. Ngoài ra, chúng còn được đánh giá về tiềm năng làm bất hoạt vi sinh vật gây bệnh từ thực phẩm như Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocuous, Mycobacterium paraaccidentum và Saccharomyces cerevisiae. Kết quả trình bày ở đây cho thấy các đặc tính của EWNS có thể được tinh chỉnh trong quá trình tổng hợp, dẫn đến sự gia tăng theo cấp số nhân về hiệu quả làm bất hoạt. Cụ thể, điện tích bề mặt tăng lên gấp bốn lần và lượng oxy hoạt tính cũng tăng lên. Tốc độ loại bỏ vi sinh vật phụ thuộc vào loại vi sinh vật và dao động từ 1,0 đến 3,8 log sau 45 phút tiếp xúc với liều lượng sol khí 40.000 #/cc EWNS.
Ô nhiễm vi sinh vật là nguyên nhân chính gây ra bệnh do thực phẩm, xuất phát từ việc ăn phải mầm bệnh hoặc độc tố của chúng. Chỉ riêng tại Hoa Kỳ, bệnh do thực phẩm gây ra khoảng 76 triệu ca bệnh, 325.000 ca nhập viện và 5.000 ca tử vong mỗi năm¹. Ngoài ra, Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ (USDA) ước tính rằng việc tăng cường tiêu thụ rau quả tươi là nguyên nhân gây ra 48% tổng số ca bệnh do thực phẩm được báo cáo tại Hoa Kỳ². Chi phí cho bệnh tật và tử vong do mầm bệnh trong thực phẩm gây ra tại Hoa Kỳ rất cao, ước tính bởi Trung tâm Kiểm soát và Phòng ngừa Dịch bệnh (CDC) là hơn 15,6 tỷ đô la Mỹ mỗi năm³.
Hiện nay, các biện pháp can thiệp kháng khuẩn bằng hóa chất4, bức xạ5 và nhiệt6 để đảm bảo an toàn thực phẩm chủ yếu được thực hiện tại các điểm kiểm soát quan trọng (CCP) hạn chế dọc theo chuỗi sản xuất (thường là sau thu hoạch và/hoặc trong quá trình đóng gói) chứ không phải liên tục. Do đó, chúng dễ bị nhiễm chéo. 7. Việc kiểm soát tốt hơn bệnh do thực phẩm và hư hỏng thực phẩm đòi hỏi các biện pháp can thiệp kháng khuẩn có thể được áp dụng trên toàn bộ chuỗi từ trang trại đến bàn ăn, đồng thời giảm thiểu tác động đến môi trường và chi phí.
Gần đây, một nền tảng kháng khuẩn dựa trên công nghệ nano, không sử dụng hóa chất, đã được phát triển có khả năng vô hiệu hóa vi khuẩn trên bề mặt và trong không khí bằng cách sử dụng cấu trúc nano nước nhân tạo (EWNS). EWNS được tổng hợp bằng hai quy trình song song, phun điện và ion hóa nước (Hình 1a). Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng EWNS có một tập hợp các đặc tính vật lý và sinh học độc đáo8,9,10. EWNS có trung bình 10 electron trên mỗi cấu trúc và kích thước nano trung bình là 25 nm (Hình 1b,c)8,9,10. Ngoài ra, cộng hưởng spin electron (ESR) cho thấy EWNS chứa một lượng lớn các loại oxy hoạt tính (ROS), chủ yếu là các gốc hydroxyl (OH•) và superoxide (O2-) (Hình 1c)8. EWNS tồn tại trong không khí trong thời gian dài và có thể va chạm với các vi sinh vật lơ lửng trong không khí và có mặt trên bề mặt, truyền tải lượng ROS của chúng và gây vô hiệu hóa vi sinh vật (Hình 1d). Những nghiên cứu ban đầu này cũng cho thấy EWNS có thể tương tác và làm bất hoạt nhiều loại vi khuẩn gram âm và gram dương, bao gồm cả vi khuẩn lao, trên bề mặt và trong không khí. Kính hiển vi điện tử truyền qua cho thấy sự bất hoạt này là do sự phá vỡ màng tế bào. Ngoài ra, các nghiên cứu hít phải cấp tính đã chỉ ra rằng liều cao EWNS không gây tổn thương phổi hoặc viêm phổi 8.
(a) Hiện tượng phun điện xảy ra khi một điện áp cao được đặt giữa một ống mao dẫn chứa chất lỏng và một điện cực đối diện. (b) Việc áp dụng áp suất cao dẫn đến hai hiện tượng khác nhau: (i) phun điện nước và (ii) hình thành các loại oxy hoạt tính (ion) bị giữ lại trong EWNS. (c) Cấu trúc độc đáo của EWNS. (d) Do bản chất kích thước nano, EWNS có tính di động cao và có thể tương tác với các tác nhân gây bệnh trong không khí.
Khả năng của nền tảng kháng khuẩn EWNS trong việc vô hiệu hóa các vi sinh vật gây bệnh trên bề mặt thực phẩm tươi sống cũng đã được chứng minh gần đây. Người ta cũng đã chứng minh rằng điện tích bề mặt của EWNS kết hợp với điện trường có thể được sử dụng để đạt được sự phân phối mục tiêu. Hơn nữa, kết quả sơ bộ đối với cà chua hữu cơ sau 90 phút tiếp xúc với EWNS khoảng 50.000 #/cm3 rất khả quan, với việc quan sát thấy nhiều vi sinh vật gây bệnh như E. coli và Listeria II. Ngoài ra, các thử nghiệm cảm quan sơ bộ cho thấy không có tác động nào đến cảm quan so với cà chua đối chứng. Mặc dù những kết quả vô hiệu hóa ban đầu này rất đáng khích lệ cho các ứng dụng an toàn thực phẩm ngay cả ở liều lượng EWNS rất thấp là 50.000 #/cm3, rõ ràng là tiềm năng vô hiệu hóa cao hơn sẽ có lợi hơn để giảm thiểu hơn nữa nguy cơ nhiễm trùng và hư hỏng.
Tại đây, chúng tôi sẽ tập trung nghiên cứu vào việc phát triển nền tảng tạo EWNS để cho phép tinh chỉnh các thông số tổng hợp và tối ưu hóa các tính chất lý hóa của EWNS nhằm tăng cường tiềm năng kháng khuẩn của chúng. Cụ thể, việc tối ưu hóa tập trung vào việc tăng điện tích bề mặt (để cải thiện khả năng phân phối mục tiêu) và hàm lượng ROS (để cải thiện hiệu quả bất hoạt). Đặc trưng hóa các tính chất lý hóa đã được tối ưu hóa (kích thước, điện tích và hàm lượng ROS) bằng các phương pháp phân tích hiện đại và sử dụng các vi sinh vật thực phẩm phổ biến như E. coli.
EVNS được tổng hợp bằng phương pháp phun điện và ion hóa đồng thời nước tinh khiết cao (18 MΩ cm–1). Máy phun điện 12 thường được sử dụng để nguyên tử hóa chất lỏng và tổng hợp các hạt polymer và gốm 13 và các sợi 14 có kích thước được kiểm soát.
Như đã trình bày chi tiết trong các ấn phẩm trước đây 8, 9, 10, 11, trong một thí nghiệm điển hình, điện áp cao được đặt giữa một mao quản kim loại và một điện cực đối diện được nối đất. Trong quá trình này, hai hiện tượng khác nhau xảy ra: i) phun điện và ii) ion hóa nước. Điện trường mạnh giữa hai điện cực làm cho các điện tích âm tích tụ trên bề mặt nước ngưng tụ, dẫn đến sự hình thành các hình nón Taylor. Kết quả là, các giọt nước tích điện cao được hình thành, chúng tiếp tục phân tách thành các hạt nhỏ hơn, như trong lý thuyết Rayleigh16. Đồng thời, điện trường mạnh làm cho một số phân tử nước bị phân tách và tách electron (ion hóa), dẫn đến sự hình thành một lượng lớn các loại oxy phản ứng (ROS)17. ROS được tạo ra đồng thời18 được bao bọc trong EWNS (Hình 1c).
Hình 2a thể hiện hệ thống tạo EWNS được phát triển và sử dụng trong quá trình tổng hợp EWNS trong nghiên cứu này. Nước tinh khiết được chứa trong một chai kín được dẫn qua một ống Teflon (đường kính trong 2 mm) vào một kim thép không gỉ 30G (mao quản kim loại). Lưu lượng nước được điều khiển bằng áp suất không khí bên trong chai, như thể hiện trong Hình 2b. Kim được gắn trên một giá đỡ Teflon và có thể được điều chỉnh thủ công đến một khoảng cách nhất định so với điện cực đối diện. Điện cực đối diện là một đĩa nhôm được đánh bóng có một lỗ ở giữa để lấy mẫu. Bên dưới điện cực đối diện là một phễu lấy mẫu bằng nhôm, được kết nối với phần còn lại của thiết lập thí nghiệm thông qua một cổng lấy mẫu (Hình 2b). Để tránh tích tụ điện tích có thể làm gián đoạn hoạt động của bộ lấy mẫu, tất cả các thành phần của bộ lấy mẫu đều được nối đất.
(a) Hệ thống tạo cấu trúc nano trong nước (EWNS). (b) Mặt cắt ngang của thiết bị lấy mẫu và phun điện, thể hiện các thông số quan trọng nhất. (c) Thiết lập thí nghiệm để vô hiệu hóa vi khuẩn.
Hệ thống tạo EWNS được mô tả ở trên có khả năng thay đổi các thông số vận hành chính để tinh chỉnh các đặc tính của EWNS. Điều chỉnh điện áp đặt vào (V), khoảng cách giữa kim và điện cực đối diện (L), và lưu lượng nước (φ) qua mao dẫn để tinh chỉnh các đặc tính của EWNS. Ký hiệu được sử dụng để biểu thị các tổ hợp khác nhau: [V (kV), L (cm)]. Điều chỉnh lưu lượng nước để thu được hình nón Taylor ổn định với một tập hợp [V, L] nhất định. Trong nghiên cứu này, đường kính lỗ của điện cực đối diện (D) được giữ ở mức 0,5 inch (1,29 cm).
Do hình dạng hạn chế và tính bất đối xứng, cường độ điện trường không thể được tính toán từ các nguyên lý cơ bản. Thay vào đó, phần mềm QuickField™ (Svendborg, Đan Mạch)19 đã được sử dụng để tính toán điện trường. Điện trường không đồng nhất, vì vậy giá trị điện trường tại đầu mao dẫn được sử dụng làm giá trị tham chiếu cho các cấu hình khác nhau.
Trong quá trình nghiên cứu, một số tổ hợp điện áp và khoảng cách giữa kim và điện cực đối diện đã được đánh giá về khả năng hình thành nón Taylor, độ ổn định của nón Taylor, độ ổn định sản xuất EWNS và khả năng tái tạo. Các tổ hợp khác nhau được trình bày trong Bảng bổ sung S1.
Đầu ra của hệ thống tạo EWNS được kết nối trực tiếp với Máy phân tích kích thước hạt di động quét (SMPS, Model 3936, TSI, Shoreview, MN) để đo nồng độ số hạt, cũng như với Máy đo điện thế Faraday khí dung (TSI, Model 3068B, Shoreview, MN). ) để đo dòng khí dung được thực hiện như mô tả trong ấn phẩm trước đây của chúng tôi. Cả SMPS và máy đo điện thế khí dung đều lấy mẫu ở tốc độ dòng chảy 0,5 L/phút (tổng lưu lượng mẫu 1 L/phút). Nồng độ số hạt và lưu lượng khí dung được đo trong 120 giây. Phép đo được lặp lại 30 lần. Dựa trên các phép đo dòng điện, tổng điện tích khí dung được tính toán và điện tích EWNS trung bình được ước tính cho một tổng số hạt EWNS được chọn nhất định. Chi phí trung bình của EWNS có thể được tính bằng Phương trình (1):
trong đó IEl là dòng điện đo được, NSMPS là nồng độ kỹ thuật số đo được bằng SMPS, và φEl là tốc độ dòng chảy trên mỗi điện kế.
Vì độ ẩm tương đối (RH) ảnh hưởng đến điện tích bề mặt, nhiệt độ và độ ẩm tương đối được giữ không đổi trong suốt thí nghiệm ở mức 21°C và 45%.
Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Santa Barbara, CA) và đầu dò AC260T (Olympus, Tokyo, Nhật Bản) được sử dụng để đo kích thước và thời gian tồn tại của EWNS. Tần số quét AFM là 1 Hz, diện tích quét là 5 μm × 5 μm và 256 dòng quét. Tất cả các hình ảnh đều được căn chỉnh hình ảnh bậc 1 bằng phần mềm Asylum (phạm vi mặt nạ 100 nm, ngưỡng 100 pm).
Phễu thử nghiệm được tháo ra và bề mặt mica được đặt cách điện cực đối diện 2,0 cm trong thời gian trung bình 120 giây để tránh sự kết tụ hạt và hình thành các giọt không đều trên bề mặt mica. EWNS được phun trực tiếp lên bề mặt mica mới cắt (Ted Pella, Redding, CA). Hình ảnh bề mặt mica ngay sau khi phun AFM. Góc tiếp xúc của bề mặt mica mới cắt chưa được xử lý gần bằng 0°, do đó EVNS được phân bố trên bề mặt mica dưới dạng hình vòm. Đường kính (a) và chiều cao (h) của các giọt khuếch tán được đo trực tiếp từ hình ảnh địa hình AFM và được sử dụng để tính toán thể tích khuếch tán hình vòm EWNS bằng phương pháp đã được xác thực trước đó của chúng tôi. Giả sử EWNS trên bo mạch có cùng thể tích, đường kính tương đương có thể được tính bằng Phương trình (2):
Dựa trên phương pháp đã được phát triển trước đây của chúng tôi, một bẫy spin cộng hưởng spin điện tử (ESR) đã được sử dụng để phát hiện sự hiện diện của các chất trung gian gốc tự do tồn tại trong thời gian ngắn trong EWNS. Các sol khí được sục qua một bộ phân phối Midget 650 μm (Ace Glass, Vineland, NJ) chứa dung dịch DEPMPO (5-(diethoxyphosphoryl)-5-methyl-1-pyrroline-N-oxide) 235 mM (Oxis International Inc., Portland, Oregon). Tất cả các phép đo ESR được thực hiện bằng máy quang phổ Bruker EMX (Bruker Instruments Inc., Billerica, MA, USA) và một tế bào bảng phẳng. Phần mềm Acquisit (Bruker Instruments Inc., Billerica, MA, USA) được sử dụng để thu thập và phân tích dữ liệu. Việc xác định các đặc tính của ROS chỉ được thực hiện cho một tập hợp các điều kiện hoạt động [-6,5 kV, 4,0 cm]. Nồng độ EWNS được đo bằng SMPS sau khi đã tính đến tổn thất EWNS trong bộ phận va đập.
Nồng độ ôzôn được theo dõi bằng máy đo ôzôn chùm kép 205™ (2B Technologies, Boulder, Co)8,9,10.
Đối với tất cả các thuộc tính của EWNS, giá trị trung bình được sử dụng làm giá trị đo lường, và độ lệch chuẩn được sử dụng làm sai số đo lường. Các phép kiểm định T đã được thực hiện để so sánh các giá trị của các thuộc tính EWNS được tối ưu hóa với các giá trị tương ứng của EWNS cơ sở.
Hình 2c cho thấy một hệ thống “kéo” kết tủa tĩnh điện (EPES) đã được phát triển và mô tả trước đó, có thể được sử dụng để phân phối EWNS có mục tiêu trên bề mặt. EPES sử dụng các điện tích EVNS có thể được “dẫn hướng” trực tiếp đến bề mặt mục tiêu dưới tác động của một điện trường mạnh. Chi tiết về hệ thống EPES được trình bày trong một ấn phẩm gần đây của Pyrgiotakis et al. 11. Theo đó, EPES bao gồm một buồng PVC được in 3D với các đầu thon và chứa hai tấm kim loại thép không gỉ (thép không gỉ 304, phủ gương) song song ở giữa, cách nhau 15,24 cm. Các tấm được kết nối với nguồn điện cao áp bên ngoài (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY), tấm đáy luôn được kết nối với điện áp dương và tấm trên luôn được kết nối với đất (nối đất nổi). Các bức tường của buồng được phủ bằng giấy nhôm, được nối đất để ngăn ngừa mất hạt. Buồng thử nghiệm có cửa nạp liệu phía trước được bịt kín, cho phép đặt các bề mặt cần thử nghiệm lên các giá đỡ bằng nhựa để nâng chúng lên khỏi tấm kim loại phía dưới nhằm tránh nhiễu điện áp cao.
Hiệu suất lắng đọng của EWNS trong EPES được tính toán theo một quy trình đã được phát triển trước đó, được mô tả chi tiết trong Hình bổ sung S111.
Để làm buồng điều khiển, một buồng dẫn dòng hình trụ thứ hai được kết nối nối tiếp với hệ thống EPES, trong đó sử dụng bộ lọc HEPA trung gian để loại bỏ EWNS. Như thể hiện trong Hình 2c, sol khí EWNS được bơm qua hai buồng tích hợp. Bộ lọc giữa buồng điều khiển và hệ thống EPES loại bỏ bất kỳ EWNS nào còn sót lại, dẫn đến nhiệt độ (T), độ ẩm tương đối (RH) và nồng độ ozone không đổi.
Các vi sinh vật gây bệnh qua thực phẩm quan trọng đã được tìm thấy gây ô nhiễm thực phẩm tươi sống, chẳng hạn như E. coli (ATCC #27325), vi khuẩn chỉ thị phân, Salmonella enterica (ATCC #53647), tác nhân gây bệnh qua thực phẩm, Listeria harmless (ATCC #33090), chất thay thế cho Listeria monocytogenes gây bệnh, có nguồn gốc từ ATCC (Manassas, VA) Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098), chất thay thế cho nấm men gây hư hỏng, và một loại vi khuẩn bất hoạt có khả năng kháng cao hơn, Mycobacterium paralucky (ATCC #19686).
Mua ngẫu nhiên các hộp cà chua bi hữu cơ từ chợ địa phương và bảo quản lạnh ở 4°C cho đến khi sử dụng (tối đa 3 ngày). Tất cả các quả cà chua dùng trong thí nghiệm đều có cùng kích thước, đường kính khoảng 1/2 inch.
Các quy trình nuôi cấy, cấy giống, tiếp xúc và đếm khuẩn lạc được mô tả chi tiết trong ấn phẩm trước đây của chúng tôi và trong Dữ liệu bổ sung. Hiệu quả của EWNS được đánh giá bằng cách cho cà chua đã cấy giống tiếp xúc với mật độ 40.000 #/cm3 trong 45 phút. Tóm lại, ba quả cà chua được sử dụng để đánh giá số lượng vi sinh vật sống sót tại thời điểm t = 0 phút. Ba quả cà chua được đặt trong EPES và tiếp xúc với EWNS ở mật độ 40.000 #/cm3 (cà chua tiếp xúc với EWNS) và ba quả còn lại được đặt trong buồng đối chứng (cà chua đối chứng). Không thực hiện thêm bất kỳ quá trình xử lý nào đối với cà chua trong cả hai nhóm. Cà chua tiếp xúc với EWNS và cà chua đối chứng được lấy ra sau 45 phút để đánh giá tác dụng của EWNS.
Mỗi thí nghiệm được thực hiện ba lần. Phân tích dữ liệu được thực hiện theo quy trình được mô tả trong Dữ liệu bổ sung.
Các cơ chế bất hoạt được đánh giá bằng phương pháp lắng đọng các mẫu EWNS đã tiếp xúc (45 phút ở nồng độ sol khí EWNS 40.000 #/cm3) và các mẫu vi khuẩn vô hại không chiếu xạ như E. coli, Salmonella enterica và Lactobacillus. Các hạt được cố định trong dung dịch gồm 2,5% glutaraldehyde, 1,25% paraformaldehyde và 0,03% axit picric trong dung dịch đệm natri cacodylate 0,1 M (pH 7,4) trong 2 giờ ở nhiệt độ phòng. Sau khi rửa, cố định lại bằng 1% osmium tetroxide (OsO4)/1,5% kali ferrocyanide (KFeCN6) trong 2 giờ, rửa 3 lần bằng nước và ủ trong 1% uranyl acetate trong 1 giờ, sau đó rửa hai lần bằng nước, rồi khử nước trong 10 phút bằng cồn 50%, 70%, 90%, 100%. Các mẫu sau đó được đặt trong propylene oxide trong 1 giờ và được tẩm bằng hỗn hợp propylene oxide và TAAP Epon (Marivac Canada Inc., St. Laurent, CA) theo tỷ lệ 1:1. Các mẫu được nhúng trong TAAB Epon và trùng hợp ở 60°C trong 48 giờ. Nhựa dạng hạt đã đông cứng được cắt và quan sát bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua thông thường JEOL 1200EX (JEOL, Tokyo, Nhật Bản) được trang bị camera CCD AMT 2k (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, Massachusetts, Hoa Kỳ).
Tất cả các thí nghiệm đều được thực hiện lặp lại ba lần. Đối với mỗi thời điểm, dung dịch rửa vi khuẩn được cấy ba lần, dẫn đến tổng cộng chín điểm dữ liệu cho mỗi thời điểm, giá trị trung bình được sử dụng làm nồng độ vi khuẩn cho vi sinh vật cụ thể đó. Độ lệch chuẩn được sử dụng làm sai số đo. Tất cả các điểm đều được tính.
Logarit của sự giảm nồng độ vi khuẩn so với thời điểm t = 0 phút được tính bằng công thức sau:
trong đó C0 là nồng độ vi khuẩn trong mẫu đối chứng tại thời điểm 0 (tức là sau khi bề mặt đã khô nhưng trước khi được đặt vào buồng) và Cn là nồng độ vi khuẩn trên bề mặt sau n phút tiếp xúc.
Để tính đến sự phân hủy tự nhiên của vi khuẩn trong suốt 45 phút tiếp xúc, mức giảm logarit so với nhóm đối chứng sau 45 phút cũng được tính như sau:
Trong đó, Cn là nồng độ vi khuẩn trong mẫu đối chứng tại thời điểm n và Cn-Control là nồng độ vi khuẩn của mẫu đối chứng tại thời điểm n. Dữ liệu được trình bày dưới dạng mức giảm theo logarit so với mẫu đối chứng (không tiếp xúc với EWNS).
Trong quá trình nghiên cứu, một số tổ hợp điện áp và khoảng cách giữa kim và điện cực đối diện đã được đánh giá về sự hình thành nón Taylor, độ ổn định của nón Taylor, độ ổn định sản xuất EWNS và khả năng tái tạo. Các tổ hợp khác nhau được thể hiện trong Bảng bổ sung S1. Hai trường hợp cho thấy các đặc tính ổn định và có thể tái tạo (nón Taylor, tạo EWNS và độ ổn định theo thời gian) đã được chọn để nghiên cứu toàn diện. Hình 3 thể hiện kết quả về điện tích, kích thước và hàm lượng ROS trong cả hai trường hợp. Kết quả cũng được tóm tắt trong Bảng 1. Để tham khảo, cả Hình 3 và Bảng 1 đều bao gồm các đặc tính của EWNS8, 9, 10, 11 chưa được tối ưu hóa đã được tổng hợp trước đó (EWNS cơ bản). Các tính toán về ý nghĩa thống kê bằng cách sử dụng phép thử t hai phía được công bố lại trong Bảng bổ sung S2. Ngoài ra, dữ liệu bổ sung bao gồm các nghiên cứu về ảnh hưởng của đường kính lỗ lấy mẫu điện cực đối diện (D) và khoảng cách giữa điện cực nối đất và đầu kim (L) (Hình bổ sung S2 và S3).
(ac) Phân bố kích thước được đo bằng AFM. (df) Đặc tính điện tích bề mặt. (g) Đặc tính ROS của EPR.
Điều quan trọng cần lưu ý là trong tất cả các điều kiện trên, dòng điện ion hóa đo được nằm trong khoảng từ 2 đến 6 μA và điện áp từ -3,8 đến -6,5 kV, dẫn đến mức tiêu thụ điện năng dưới 50 mW cho mô-đun tiếp xúc tạo EWNS đơn này. Mặc dù EWNS được tổng hợp dưới áp suất cao, nồng độ ozone vẫn rất thấp, không bao giờ vượt quá 60 ppb.
Hình phụ S4 hiển thị các trường điện mô phỏng cho các kịch bản [-6,5 kV, 4,0 cm] và [-3,8 kV, 0,5 cm] tương ứng. Đối với các kịch bản [-6,5 kV, 4,0 cm] và [-3,8 kV, 0,5 cm], các giá trị tính toán trường lần lượt là 2 × 10⁵ V/m và 4,7 × 10⁵ V/m. Điều này là hợp lý, vì trong trường hợp thứ hai, tỷ lệ điện áp trên khoảng cách cao hơn nhiều.
Hình 3a,b thể hiện đường kính EWNS đo được bằng AFM8. Đường kính EWNS trung bình được tính toán là 27 nm và 19 nm lần lượt cho các phương án [-6,5 kV, 4,0 cm] và [-3,8 kV, 0,5 cm]. Đối với các trường hợp [-6,5 kV, 4,0 cm] và [-3,8 kV, 0,5 cm], độ lệch chuẩn hình học của các phân bố lần lượt là 1,41 và 1,45, cho thấy sự phân bố kích thước hẹp. Cả kích thước trung bình và độ lệch chuẩn hình học đều rất gần với EWNS cơ bản, lần lượt là 25 nm và 1,41. Hình 3c thể hiện sự phân bố kích thước của EWNS cơ bản được đo bằng cùng phương pháp trong cùng điều kiện.
Hình 3d,e thể hiện kết quả đặc trưng điện tích. Dữ liệu là giá trị trung bình của 30 phép đo đồng thời nồng độ (#/cm3) và dòng điện (I). Phân tích cho thấy điện tích trung bình trên EWNS là 22 ± 6 e- và 44 ± 6 e- lần lượt đối với [-6,5 kV, 4,0 cm] và [-3,8 kV, 0,5 cm]. Chúng có điện tích bề mặt cao hơn đáng kể so với EWNS cơ bản (10 ± 2 e-), gấp đôi so với trường hợp [-6,5 kV, 4,0 cm] và gấp bốn lần so với trường hợp [-3,8 kV, 0,5 cm]. Hình 3f thể hiện dữ liệu điện tích cho EWNS cơ bản.
Từ bản đồ nồng độ số lượng EWNS (Hình bổ sung S5 và S6), có thể thấy rằng kịch bản [-6,5 kV, 4,0 cm] có số lượng hạt nhiều hơn đáng kể so với kịch bản [-3,8 kV, 0,5 cm]. Điều đáng chú ý là nồng độ số lượng EWNS đã được theo dõi trong vòng 4 giờ (Hình bổ sung S5 và S6), trong đó sự ổn định của quá trình tạo EWNS cho thấy mức độ nồng độ hạt tương đương nhau trong cả hai trường hợp.
Hình 3g hiển thị phổ EPR sau khi trừ đi phổ nền của EWNS được tối ưu hóa ở [-6,5 kV, 4,0 cm]. Phổ ROS cũng được so sánh với kịch bản Baseline-EWNS trong một công trình đã được công bố trước đó. Số lượng EWNS phản ứng với bẫy spin được tính toán là 7,5 × 104 EWNS/s, tương tự như Baseline-EWNS8 đã được công bố trước đó. Phổ EPR cho thấy rõ sự hiện diện của hai loại ROS, trong đó O2- là loài chiếm ưu thế và OH• ít phổ biến hơn. Ngoài ra, so sánh trực tiếp cường độ đỉnh cho thấy EWNS được tối ưu hóa có hàm lượng ROS cao hơn đáng kể so với EWNS cơ bản.
Hình 4 thể hiện hiệu suất lắng đọng của EWNS trong EPES. Dữ liệu cũng được tóm tắt trong Bảng I và so sánh với dữ liệu EWNS gốc. Trong cả hai trường hợp EUNS, hiệu suất lắng đọng gần đạt 100% ngay cả ở điện áp thấp 3,0 kV. Thông thường, 3,0 kV là đủ để đạt hiệu suất lắng đọng 100%, bất kể sự thay đổi điện tích bề mặt. Trong cùng điều kiện, hiệu suất lắng đọng của Baseline-EWNS chỉ đạt 56% do điện tích thấp hơn của chúng (trung bình 10 electron trên mỗi EWNS).
Hình 5 và bảng 2 tóm tắt giá trị bất hoạt của vi sinh vật được cấy trên bề mặt cà chua sau khi tiếp xúc với khoảng 40.000 #/cm3 EWNS trong 45 phút ở chế độ tối ưu [-6,5 kV, 4,0 cm]. Vi khuẩn E. coli và Lactobacillus innocuous được cấy cho thấy sự giảm đáng kể 3,8 log trong suốt 45 phút tiếp xúc. Trong cùng điều kiện, S. enterica giảm 2,2 log, trong khi S. cerevisiae và M. parafortutum giảm 1,0 log.
Ảnh hiển vi điện tử (Hình 6) mô tả những thay đổi vật lý do EWNS gây ra trên các tế bào Escherichia coli, Streptococcus và Lactobacillus vô hại, dẫn đến sự bất hoạt của chúng. Vi khuẩn đối chứng có màng tế bào nguyên vẹn, trong khi vi khuẩn tiếp xúc với EWNS có màng ngoài bị hư hại.
Hình ảnh hiển vi điện tử của vi khuẩn đối chứng và vi khuẩn tiếp xúc cho thấy màng tế bào bị tổn thương.
Dữ liệu về các tính chất lý hóa của EWNS được tối ưu hóa cho thấy rằng các tính chất (điện tích bề mặt và hàm lượng ROS) của EWNS đã được cải thiện đáng kể so với dữ liệu cơ bản về EWNS đã được công bố trước đây8,9,10,11. Mặt khác, kích thước của chúng vẫn nằm trong phạm vi nanomet, rất giống với các kết quả đã được báo cáo trước đây, cho phép chúng tồn tại trong không khí trong thời gian dài. Sự phân bố kích thước không đồng đều được quan sát có thể được giải thích bằng sự thay đổi điện tích bề mặt quyết định kích thước của EWNS, tính ngẫu nhiên của hiệu ứng Rayleigh và khả năng kết tụ. Tuy nhiên, như Nielsen et al. 22 đã trình bày chi tiết, điện tích bề mặt cao làm giảm sự bay hơi bằng cách tăng hiệu quả năng lượng/sức căng bề mặt của giọt nước. Trong ấn phẩm trước đây của chúng tôi8, lý thuyết này đã được xác nhận bằng thực nghiệm đối với các giọt siêu nhỏ 22 và EWNS. Sự mất điện tích theo thời gian cũng có thể ảnh hưởng đến kích thước và góp phần vào sự phân bố kích thước được quan sát.
Ngoài ra, điện tích trên mỗi cấu trúc khoảng 22-44 e-, tùy thuộc vào tình huống, cao hơn đáng kể so với EWNS cơ bản, có điện tích trung bình là 10 ± 2 electron trên mỗi cấu trúc. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng đây là điện tích trung bình của EWNS. Seto et al. đã chỉ ra rằng điện tích không đồng nhất và tuân theo phân bố log-chuẩn21. So với công trình trước đây của chúng tôi, việc tăng gấp đôi điện tích bề mặt làm tăng gấp đôi hiệu suất lắng đọng trong hệ thống EPES lên gần 100%11.