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 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 không có kiểu và JavaScript.
Một băng chuyền hiển thị ba trang trình bày cùng một lúc.Sử dụng các nút Trước và Tiếp theo để di chuyển qua ba trang chiếu cùng một lúc hoặc sử dụng các nút thanh trượt ở cuối để di chuyển qua ba trang chiếu cùng một lúc.
Gần đây, một nền tảng kháng khuẩn không dùng 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 được bão hòa với các loại oxy phản ứng (ROS) có thể tương tác và vô hiệu hóa một số vi sinh vật, bao gồm cả mầm bệnh từ thực phẩm.Ở đây cho thấy 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 khả năng kháng khuẩn của chúng.Nền tảng phòng thí nghiệm EWNS được thiết kế để tinh chỉnh các thuộc tính của EWNS bằng cách thay đổi các tham số tổng hợp.Đặc tính của các thuộc tính EWNS (điện tích, kích thước và hàm lượng ROS) bằng các phương pháp phân tích hiện đại.Ngoài ra, chúng còn được đánh giá về khả năng khử hoạt tính của vi sinh vật chống lại các vi sinh vật từ thực phẩm như Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria vô hại, Mycobacterium paraaccidentum và Saccharomyces cerevisiae.Các kết quả được trình bày ở đây chứng minh rằng các thuộc tính của EWNS có thể được tinh chỉnh trong quá trình tổng hợp, dẫn đến hiệu quả khử hoạt tính tăng theo cấp số nhân.Đặc biệt, điện tích bề mặt tăng gấp 4 lần và các loại oxy phản ứng tăng lên.Tỷ lệ loại bỏ vi sinh vật phụ thuộc vào vi sinh vật và nằm trong khoảng từ 1,0 đến 3,8 log sau 45 phút tiếp xúc với liều lượng sol khí là 40.000 #/cc EWNS.
Ô nhiễm vi sinh vật là nguyên nhân chính gây bệnh từ thực phẩm do 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 tiêu thụ sản phẩm tươi sống là nguyên nhân gây ra 48% tất cả các bệnh do thực phẩm được báo cáo ở Hoa Kỳ2.Chi phí cho bệnh tật và tử vong do mầm bệnh từ thực phẩm gây ra ở Hoa Kỳ là rất cao, theo ước tính của Trung tâm Kiểm soát và Phòng ngừa Dịch bệnh (CDC) là hơn 15,6 tỷ đô la Mỹ mỗi năm3.
Hiện tại, các biện pháp can thiệp kháng vi sinh vật bằng hóa chất4, bức xạ5 và nhiệt6 để đảm bảo an toàn thực phẩm hầu hết được thực hiện tại các điểm kiểm soát tới hạn (CCP) dọc theo chuỗi sản xuất (thường là sau khi thu hoạch và/hoặc trong quá trình đóng gói) chứ không được thực hiện liên tục.do đó, chúng dễ bị nhiễm chéo.7. Kiểm soát tốt hơn các bệnh do thực phẩm và hư hỏng thực phẩm đòi hỏi phải có các biện pháp can thiệp kháng vi sinh vật có khả năng được áp dụng trong chuỗi liên tục từ trang trại đến bàn ăn đồng thời giảm tác động và chi phí môi trường.
Gần đây, một nền tảng kháng khuẩn dựa trên công nghệ nano, không chứa hóa chất đã được phát triển có thể 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 cấp độ 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 phản ứng (ROS), chủ yếu là các gốc hydroxyl (OH•) và superoxide (O2-) (Hình 1c)8.EVNS ở trong không khí trong một thời gian dài và có thể va chạm với các vi sinh vật lơ lửng trong không khí và hiện diện trên bề mặt, mang theo tải trọng ROS của chúng và gây ra sự bất hoạt của vi sinh vật (Hình 1d).Những nghiên cứu ban đầu này cũng chỉ ra rằng EWNS có thể tương tác và vô hiệu hóa nhiều loại vi khuẩn gram âm và gram dương khác nhau, bao gồm cả vi khuẩn mycobacteria, trên các bề mặt và trong không khí.Kính hiển vi điện tử truyền qua cho thấy rằng sự bất hoạt là do sự phá vỡ màng tế bào.Ngoài ra, các nghiên cứu về đường hô hấp cấp tính đã chỉ ra rằng EWNS liều cao không gây tổn thương hoặc viêm phổi 8 .
(a) Phun điện xảy ra khi đặt một điện áp cao giữa một ống mao dẫn chứa chất lỏng và một điện cực đối.(b) Việc áp dụng áp suất cao dẫn đến hai hiện tượng khác nhau: (i) phun điện từ nước và (ii) hình thành các loại oxy phản ứng (ion) bị mắc kẹt trong EWNS.(c) Cấu trúc độc đáo của EWNS.(d) Do tính chất kích thước nano của chúng, EWNS có tính cơ động cao và có thể tương tác với mầm bệnh trong không khí.
Khả năng của nền tảng kháng khuẩn EWNS trong việc vô hiệu hóa các vi sinh vật từ thực phẩm trên bề mặt thực phẩm tươi sống gần đây cũng đã được chứng minh.Người ta cũng chứng minh rằng điện tích bề mặt của EWNS kết hợp với điện trường có thể được sử dụng để đạt được mục tiêu phân phối.Hơn nữa, kết quả sơ bộ đối với cà chua hữu cơ sau 90 phút tiếp xúc ở EWNS khoảng 50.000 #/cm3 rất đáng khích lệ, với nhiều vi sinh vật từ thực phẩm khác nhau như E. coli và Listeria 11 đã được quan sát.Ngoài ra, các thử nghiệm cảm quan sơ bộ cho thấy không có tác dụng cảm quan nào so với cà chua đối chứng.Mặc dù những kết quả khử hoạt tính ban đầu này rất đáng khích lệ đối với các ứng dụng an toàn thực phẩm ngay cả ở liều lượng EWNS rất thấp là 50.000#/cc.thấy, rõ ràng là khả năng khử hoạt tính cao hơn sẽ có lợi hơn trong việc giảm hơn nữa nguy cơ nhiễm trùng và hư hỏng.
Ở đây, chúng tôi sẽ tập trung nghiên cứu vào việc phát triển nền tảng tạo EWNS để cho phép tinh chỉnh các tham số tổng hợp và tối ưu hóa các đặc tính hóa lý của EWNS để tăng cường khả năng kháng khuẩn của chúng.Cụ thể, việc tối ưu hóa đã tập trung vào việc tăng điện tích bề mặt của chúng (để cải thiện khả năng phân phối được nhắm mục tiêu) và hàm lượng ROS (để cải thiện hiệu quả khử hoạt tính).Xác định đặc tính hóa lý 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. .
EVNS được tổng hợp bằng cách phun điện và ion hóa đồng thời nước có độ tinh khiết cao (18 MΩ cm–1).Máy phun sương điện 12 thường được sử dụng để nguyên tử hóa chất lỏng và tổng hợp polyme và các hạt gốm 13 và sợi 14 có kích thước được kiểm soát.
Như đã trình bày chi tiết trong các ấn phẩm trước 8, 9, 10, 11, trong một thí nghiệm điển hình, một điện áp cao được đặt giữa một mao quản kim loại và một điện cực đối được nối đất.Trong quá trình này, hai hiện tượng khác nhau xảy ra: i) phun điện và ii) ion hóa nước.Một điện trường mạnh giữa hai điện cực gây ra các điện tích âm tích tụ trên bề mặt nước ngưng tụ, dẫn đến sự hình thành nón Taylor.Kết quả là các giọt nước tích điện cao được hình thành, tiếp tục vỡ ra thành các hạt nhỏ hơn, như trong lý thuyết Rayleigh16.Đồng thời, điện trường mạnh khiến một số phân tử nước bị tách ra và tách ra khỏi các electron (ion hóa), dẫn đến sự hình thành một lượng lớn các loại oxy phản ứng (ROS)17.ROS18 được tạo đồng thời được gói gọn trong EWNS (Hình 1c).
Trên hình.Hình 2a cho thấy hệ thống tạo EWNS được phát triển và sử dụng trong quá trình tổng hợp EWNS trong nghiên cứu này.Nước tinh khiết chứa trong chai đậy kín được dẫn qua ống Teflon (đường kính trong 2 mm) vào kim thép không gỉ 30G (ống mao dẫn kim loại).Dòng nước được kiểm soát bởi áp suất không khí bên trong chai, như trong Hình 2b.Kim được gắn trên bảng điều khiển Teflon và có thể được điều chỉnh thủ công ở một khoảng cách nhất định so với điện cực đối diện.Điện cực đối là một đĩa nhôm được đánh bóng có lỗ ở giữa để lấy mẫu.Bên dưới điện cực đếm là phễu lấy mẫu bằng nhôm, được kết nối với phần còn lại của thiết lập thử nghiệm thông qua 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 bộ phận của bộ lấy mẫu đều được nối đất bằng điện.
(a) Hệ thống tạo cấu trúc nano nước được thiết kế (EWNS).(b) Mặt cắt ngang của dụng cụ lấy mẫu và phun điện, hiển thị các thông số quan trọng nhất.( c ) Thiết lập thí nghiệm để khử hoạt tính của vi khuẩn.
Hệ thống tạo EWNS được mô tả ở trên có khả năng thay đổi các tham số vận hành chính để tạo điều kiện tinh chỉnh các thuộc tính 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 quản để tinh chỉnh các đặc tính EWNS.Ký hiệu được sử dụng để thể hiện các kết hợp khác nhau: [V (kV), L (cm)].Điều chỉnh lưu lượng nước để có được hình nón Taylor ổn định của một bộ [V, L].Đối với mục đích của nghiên cứu này, đường kính khẩu độ của điện cực đối (D) được giữ ở mức 0,5 inch (1,29 cm).
Do giới hạn về hình học và tính không đối xứng, cường độ điện trường không thể tính được từ các nguyên tắc đầu tiên.Thay vào đó, phần mềm QuickField™ (Svendborg, Đan Mạch)19 được sử dụng để tính toán điện trường.Điện trường không đồng nhất, vì vậy giá trị của điện trường ở đầu mao quản 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 đã được đánh giá về mặt hình thành hình nón Taylor, độ ổn định hình nón Taylor, độ ổn định sản xuất EWNS và khả năng tái tạo.Các kết hợp khác nhau được hiển thị trong Bảng bổ trợ 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 lượng hạt, cũng như với Máy đo điện môi Faraday dạng khí dung (TSI, Model 3068B, Shoreview, MN).) đối với dòng sol khí được đo như mô tả trong ấn phẩm trước đây của chúng tôi.Cả SMPS và điện kế sol khí đều được lấy mẫu ở tốc độ dòng 0,5 L/phút (tổng lưu lượng mẫu 1 L/phút).Nồng độ số lượng của các hạt và lưu lượng sol khí được đo trong 120 giây.Phép đo được lặp lại 30 lần.Dựa trên các phép đo hiện tại, tổng điện tích sol khí được tính toán và điện tích EWNS trung bình được ước tính cho tổng số hạt EWNS đã chọn nhất định.Chi phí trung bình của EWNS có thể được tính bằng Công thức (1):
trong đó IEl là dòng điện đo được, NSMPS là nồng độ kỹ thuật số được đo 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 nên nhiệt độ và (RH) được giữ không đổi trong suốt quá trình thí nghiệm ở 21°C và 45% tương ứng.
Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Santa Barbara, CA) và đầu dò AC260T (Olympus, Tokyo, Nhật Bản) đã được sử dụng để đo kích thước và tuổi thọ của EWNS.Tần số quét AFM là 1 Hz, vùng 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 100nm, ngưỡng 100 chiều).
Phễu thử nghiệm được lấy ra và bề mặt mica được đặt ở khoảng cách 2,0 cm so với điện cực đối trong thời gian trung bình là 120 giây để tránh 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 phún xạ AFM.Góc tiếp xúc của bề mặt mica mới cắt chưa biến tính gần bằng 0° nên EVNS phân bố trên bề mặt mica dưới dạng vòm.Đường kính (a) và chiều cao (h) của các giọt khuếch tán được đo trực tiếp từ 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 đây của chúng tôi.Giả sử EWNS tích hợp có cùng thể tích, đường kính tương đương có thể được tính bằng Công thức (2):
Dựa trên phương pháp đã 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 có thời gian sống ngắn trong EWNS.Các sol khí được sủi bọt qua một bình xịt Midget 650 μm (Ace Glass, Vineland, NJ) chứa dung dịch DEPMPO(5-(diethoxyphosphoryl)-5-methyl-1-pyrroline-N-oxide) (Oxis International Inc.) 235 mM.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 ô phẳng.Phần mềm Acquisit (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) đã được sử dụng để thu thập và phân tích dữ liệu.Việc xác định các đặc tính của ROS chỉ được thực hiện đối với một tập hợp các điều kiện vận hành [-6,5 kV, 4,0 cm].Nồng độ EWNS được đo bằng SMPS sau khi tính toán tổn thất EWNS trong thiết bị va chạm.
Mức ôzôn được theo dõi bằng cách sử dụng 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Boulder, Co)8,9,10.
Đối với tất cả các thuộc tính EWNS, giá trị trung bình được sử dụng làm giá trị đo lường và độ lệch chuẩn được sử dụng làm lỗi đo lường.Các thử nghiệm T đã được thực hiện để so sánh các giá trị của 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 đặc trưng trước đây 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 của mục tiêu dưới tác động của điện trường mạnh.Chi tiết về hệ thống EPES được trình bày trong ấn phẩm gần đây của Pyrgiotakis et al.11 .Do đó, EPES bao gồm một buồng PVC được in 3D với các đầu thuôn nhọn và chứa hai tấm kim loại thép không gỉ (thép không gỉ 304, tráng gương) song song ở trung tâm cách nhau 15,24 cm.Các bảng được kết nối với nguồn điện áp cao bên ngoài (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY), tấm dưới cùng luôn được kết nối với điện áp dương và tấm trên cùng luôn được nối với đất (nền nổi).Các bức tường của buồng được phủ bằng lá nhôm, được nối đất bằng điện để tránh thất thoát hạt.Buồng có một cửa tải phía trước bịt kín cho phép đặt các bề mặt thử nghiệm trên các giá đỡ bằng nhựa nâng chúng lên trên tấm kim loại phía dưới để tránh nhiễu điện áp cao.
Hiệu quả lắng đọng của EWNS trong EPES được tính toán theo giao thức được phát triển trước đó được nêu chi tiết trong Hình bổ sung S111.
Là buồng điều khiển, buồng dòng chảy hình trụ thứ hai được kết nối nối tiếp với hệ thống EPES, trong đó bộ lọc HEPA trung gian được sử dụng để loại bỏ EWNS.Như được hiển thị trong Hình 2c, bình xịt EWNS được bơm qua hai buồng tích hợp.Bộ lọc giữa phòng điều khiển và EPES loại bỏ mọi EWNS còn lại dẫn đến cùng nhiệt độ (T), độ ẩm tương đối (RH) và mức ôzôn.
Các vi sinh vật quan trọng từ thực phẩm đã được phát hiện làm ô nhiễm thực phẩm tươi sống như E. coli (ATCC #27325), chất chỉ thị phân, Salmonella enterica (ATCC #53647), mầm bệnh truyền qua thực phẩm, Listeria vô hại (ATCC #33090), đại diện cho vi khuẩn Listeria monocytogenes gây bệnh, có nguồn gốc từ ATCC (Manassas, VA) Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098), một chất thay thế cho nấm men gây hư hỏng và một chất bất hoạt có khả năng kháng tốt hơn vi khuẩn, Mycobacterium paralucky (ATCC #19686).
Mua ngẫu nhiên các hộp cà chua nho hữu cơ từ chợ địa phương của bạn và để trong tủ lạnh ở 4°C cho đến khi sử dụng (tối đa 3 ngày).Những quả cà chua thí nghiệm đều có cùng kích thước, đường kính khoảng 1/2 inch.
Các giao thức nuôi cấy, cấy, phơi nhiễm và đếm khuẩn lạc được trình bày chi tiết trong ấn phẩm trước đây của chúng tôi và được trình bày chi tiết trong Dữ liệu bổ sung.Hiệu quả của EWNS được đánh giá bằng cách phơi nhiễm cà chua đã cấy với 40.000 #/cm3 trong 45 phút.Tóm lại, ba quả cà chua được sử dụng để đánh giá các 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 mức 40.000 #/cc (cà chua tiếp xúc với EWNS) và ba quả còn lại được đặt trong buồng đối chứng (cà chua đối chứng).Việc xử lý bổ sung cà chua ở cả hai nhóm đều không được thực hiện.Cà chua tiếp xúc với EWNS và cà chua đối chứng đã được loại bỏ sau 45 phút để đánh giá hiệu quả của EWNS.
Mỗi thí nghiệm được thực hiện trong ba lần.Phân tích dữ liệu được thực hiện theo giao thức được mô tả trong Dữ liệu bổ sung.
Các cơ chế khử hoạt tính được đánh giá bằng cách 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 E. coli, Salmonella enterica và Lactobacillus không chiếu xạ.Các hạt này được cố định trong 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 sau với 1% osmium tetroxide (OsO4)/1,5% kali ferrocyanide (KFeCN6) trong 2 giờ, rửa 3 lần trong nước và ủ trong 1% uranyl axetat trong 1 giờ, sau đó rửa hai lần trong nước, sau đó khử nước trong 10 phút trong cồn 50%, 70%, 90%, 100%.Sau đó, các mẫu được đặt trong propylene oxide trong 1 giờ và được ngâm tẩm với 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 được xử lý đã được cắt và hiển thị bằng TEM bằng kính hiển vi điện tử truyền qua thông thường JEOL 1200EX (JEOL, Tokyo, Nhật Bản) được trang bị máy ảnh AMT 2k CCD (Advanced Microscopy Techniques, Corp, Woburn, Massachusetts, USA).
Tất cả các thí nghiệm đã được thực hiện trong ba lần.Đối với mỗi thời điểm, quá trình rửa vi khuẩn được gieo ba lần, dẫn đến tổng cộng chín điểm dữ liệu trên mỗi điểm, mức 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 lường.Tất cả các điểm đều được tính.
Logarit của sự giảm nồng độ vi khuẩn so với t = 0 phút được tính theo 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 khô nhưng trước khi đưa vào tủ) và Cn là nồng độ vi khuẩn trên bề mặt sau n phút tiếp xúc.
Để giải thích cho sự phân hủy tự nhiên của vi khuẩn trong 45 phút tiếp xúc, log giảm so với đối chứng sau 45 phút cũng được tính toán 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 đối chứng tại thời điểm n.Dữ liệu được trình bày dưới dạng giảm nhật ký so với kiểm soát (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 đã được đánh giá về mặt hình thành hình nón Taylor, độ ổn định hình nón Taylor, độ ổn định sản xuất EWNS và khả năng tái tạo.Các kết hợp khác nhau được hiển thị trong Bảng bổ trợ S1.Hai trường hợp cho thấy các đặc tính ổn định và có thể tái sản xuất (hình nón Taylor, thế hệ EWNS và độ ổn định theo thời gian) đã được chọn để nghiên cứu toàn diện.Trên hình.Hình 3 cho thấy kết quả về điện tích, kích thước và nội dung của ROS trong cả hai trường hợp.Các kết quả cũng được thể hiện trong Bảng 1. Để tham khảo, cả Hình 3 và Bảng 1 đều bao gồm các thuộc tính của EWNS8, 9, 10, 11 (đường cơ sở-EWNS) không được tối ưu hóa trước đó.Các tính toán về ý nghĩa thống kê bằng cách sử dụng phép thử t hai đầu được xuất bản lại trong Bảng bổ trợ S2.Ngoài ra, dữ liệu bổ sung bao gồm các nghiên cứu về ảnh hưởng của đường kính lỗ lấy mẫu điện cực ngược (D) và khoảng cách giữa điện cực nối đất và đầu (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.
Cũng cần lưu ý rằng đối với 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 đối với mô-đun tiếp điểm tạo EWNS duy nhất này.Mặc dù EWNS được tổng hợp dưới áp suất cao, nồng độ ôzôn rất thấp, không bao giờ vượt quá 60 ppb.
Hình bổ sung S4 hiển thị điện trường 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], phép tính trường tương ứng là 2 × 105 V/m và 4,7 × 105 V/m.Điều này được mong đợi, vì trong trường hợp thứ hai, tỷ lệ điện áp-khoảng cách cao hơn nhiều.
Trên hình.Hình 3a,b cho thấy đường kính EWNS được đo bằng AFM8.Các đường kính EWNS trung bình được tính toán lần lượt là 27 nm và 19 nm cho sơ đồ [-6,5 kV, 4,0 cm] và [-3,8 kV, 0,5 cm].Đối với các kịch bản [-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 kích thước phân bố hẹp.Cả kích thước trung bình và độ lệch chuẩn hình học đều rất gần với EWNS cơ sở, lần lượt là 25 nm và 1,41.Trên hình.Hình 3c cho thấy sự phân bố kích thước của EWNS cơ sở được đo bằng cùng một phương pháp trong cùng điều kiện.
Trên hình.3d, e hiển thị kết quả mô tả đặc tính điện tích.Dữ liệu là số đo trung bình của 30 lần đo đồng thời nồng độ (#/cm3) và dòng điện (I).Phân tích cho thấy rằng điện tích trung bình trên EWNS lần lượt là 22 ± 6 e- và 44 ± 6 e- 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 sở (10 ± 2 e-), lớn hơn hai lần so với kịch bản [-6,5 kV, 4,0 cm] và lớn hơn bốn lần so với kịch bản [-3,8 kV, 0,5 cm].Hình 3f cho thấy điện tích.dữ liệu cho Baseline-EWNS.
Từ các bản đồ nồng độ của số EWNS (Hình bổ sung S5 và S6), có thể thấy rằng kịch bản [-6,5 kV, 4,0 cm] có nhiều hạt hơn đáng kể so với kịch bản [-3,8 kV, 0,5 cm].Điều đáng chú ý là nồng độ số EWNS được theo dõi trong tối đa 4 giờ (Hình bổ sung S5 và S6), trong đó độ ổn định của thế hệ EWNS cho thấy cùng một mức nồng độ số hạt trong cả hai trường hợp.
Trên hình.Hình 3g hiển thị phổ EPR sau khi loại bỏ điều khiển EWNS được tối ưu hóa (nền) ở [-6,5 kV, 4,0 cm].Phổ ROS cũng được so sánh với kịch bản Baseline-EWNS trong một tác phẩm đã xuất bản trước đó.Số lượng EWNS phản ứng với bẫy quay được tính toán là 7,5 × 104 EWNS/s, tương tự như Baseline-EWNS8 đã xuất bản trước đó.Phổ EPR cho thấy rõ sự hiện diện của hai loại ROS, với O2- là loài chiếm ưu thế và OH• ít hơn.Ngoài ra, so sánh trực tiếp cường độ cao nhất cho thấy EWNS được tối ưu hóa có hàm lượng ROS cao hơn đáng kể so với EWNS cơ sở.
Trên hình.Hình 4 cho thấy hiệu quả lắng đọng của EWNS trong EPES.Dữ liệu cũng được tóm tắt trong Bảng I và được so sánh với dữ liệu EWNS ban đầu.Đối với cả hai trường hợp EUNS, sự lắng đọng gần 100% ngay cả ở điện áp thấp 3,0 kV.Thông thường, 3,0 kV là đủ để lắng đọng 100%, bất kể sự thay đổi điện tích bề mặt.Trong cùng điều kiện, hiệu suất lắng đọng của Baseline-EWNS chỉ là 56% do điện tích thấp hơn (trung bình 10 electron trên mỗi EWNS).
Trên hình.5 và trong 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].E. coli và Lactobacillus vô hại được cấy cho thấy giảm đáng kể 3,8 log trong 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 việc chúng bị vô hiệu hóa.Vi khuẩn đối chứng có màng tế bào nguyên vẹn, trong khi vi khuẩn tiếp xúc có màng ngoài bị hư hại.
Hình ảnh hiển vi điện tử của kiểm soát và vi khuẩn tiếp xúc cho thấy tổn thương màng.
Dữ liệu về các đặc tính hóa lý của EWNS được tối ưu hóa chung cho thấy rằng các đặc tính (điện tích bề mặt và hàm lượng ROS) của EWNS đã được cải thiện đáng kể so với dữ liệu cơ sở EWNS đã công bố trước đó8,9,10,11.Mặt khác, kích thước của chúng vẫn nằm trong phạm vi nanomet, rất giống với kết quả được báo cáo trước đây, cho phép chúng tồn tại trong không khí trong thời gian dài.Tính đa tán quan sát được có thể được giải thích bằng sự thay đổi điện tích bề mặt xác định kích thước của EWNS, tính ngẫu nhiên của hiệu ứng Rayleigh và khả năng hợp nhất.Tuy nhiên, như chi tiết của Nielsen et al.22, 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 đây8 của chúng tôi, lý thuyết này đã được xác nhận bằng thực nghiệm đối với microdroplets 22 và EWNS.Mất điện tích trong thời gian làm thêm giờ cũng có thể ảnh hưởng đến kích thước và góp phần vào sự phân bố kích thước quan sát được.