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 đã 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.
Một băng chuyền hiển thị ba slide cùng lúc. Sử dụng các nút Trước và Tiếp theo để di chuyển qua ba slide cùng một lúc hoặc sử dụng các nút thanh trượt ở cuối để di chuyển qua ba slide cùng một lúc.
Gần đây, một nền tảng kháng khuẩn không hóa chất dựa trên công nghệ nano sử dụng các cấu trúc nano nước nhân tạo (EWNS) đã được phát triển. EWNS có điện tích bề mặt cao và được bão hòa với các loài oxy phản ứng (ROS) có thể tương tác và vô hiệu hóa một số vi sinh vật, bao gồm cả các tác nhân gây bệnh trong thực phẩm. Ở đây, có thể thấy rằng các đặc tính của chúng trong quá trình tổng hợp có thể được tinh chỉnh và tối ưu hóa để tăng cường thêm tiềm năng kháng khuẩn của chúng. Nền tảng phòng 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) bằng các phương pháp phân tích hiện đại. Ngoài ra, chúng được đánh giá về tiềm năng vô hiệu hóa vi khuẩn đối với các vi sinh vật trong thực phẩm như Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocuous, Mycobacterium paraaccidentum và Saccharomyces cerevisiae. Các kết quả trình bày ở đây chứng minh rằng các đặc tính của EWNS có thể được tinh chỉnh trong quá trình tổng hợp, dẫn đến hiệu quả vô hiệu hóa tăng theo cấp số nhân. Đặc biệt, điện tích bề mặt tăng gấp bốn lần và các loài oxy phản ứng cũng tăng lên. Tốc độ loại bỏ vi khuẩn phụ thuộc vào vi khuẩn và dao động từ 1,0 đến 3,8 log sau 45 phút tiếp xúc với liều lượng khí dung 40.000 #/cc EWNS.
Nhiễm khuẩn là nguyên nhân chính gây ra bệnh do thực phẩm gây ra 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% tổng số ca bệnh do thực phẩm được báo cáo tại Hoa Kỳ2. Chi phí cho bệnh tật và tử vong do mầm bệnh do thực phẩm gây ra tại Hoa Kỳ 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 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 tới hạn (CCP) hạn chế dọc theo chuỗi sản xuất (thường là sau khi thu hoạch và/hoặc trong quá trình đóng gói) thay vì liên tục. Do đó, chúng dễ bị nhiễm chéo. 7. Kiểm soát tốt hơn các bệnh do thực phẩm và tình trạng hư hỏng thực phẩm đòi hỏi các biện pháp can thiệp kháng khuẩn có khả năng áp dụng trên toàn bộ chuỗi từ trang trại đến bàn ăn đồng thời giảm tác động và chi phí cho môi trường.
Gần đây, một nền tảng kháng khuẩn không chứa hóa chất dựa trên công nghệ nano đã được phát triển, có thể vô hiệu hóa vi khuẩn trên bề mặt và trong không khí bằng cách sử dụng các 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 tính chất 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 loài oxy phản ứng (ROS), chủ yếu là các gốc hydroxyl (OH•) và superoxide (O2-) (Hình 1c)8. EVNS 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 hiện diện trên bề mặt, giải phóng tải trọng ROS của chúng và gây ra sự bất hoạt của các vi sinh vật (Hình 1d). Những nghiên cứu ban đầu này cũng cho thấy EWNS có thể tương tác và vô hiệu hóa 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 vô hiệu hóa này là do sự phá vỡ màng tế bào. Ngoài ra, các nghiên cứu về hít phải cấp tính đã chỉ ra rằng liều cao EWNS không gây tổn thương phổi hoặc viêm 8 .
(a) Hiện tượng phun điện xảy ra khi điện áp cao được áp dụng giữa ống mao dẫn chứa chất lỏng và 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 loài oxy phản ứng (ion) bị giữ lại trong EWNS. (c) Cấu trúc độc đáo của EWNS. (d) Do bản chất ở quy mô 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 trong thực phẩm trên bề mặt thực phẩm tươi sống cũng đã được chứng minh gần đây. Người ta cũng đã chỉ ra rằng điện tích bề mặt của EWNS kết hợp với trường điện 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 khả quan, với nhiều loại vi sinh vật trong thực phẩm như E. coli và Listeria 11 được quan sát thấy. Ngoài ra, các thử nghiệm cảm quan sơ bộ không cho thấy tác dụng cảm quan nào so với cà chua đối chứng. Mặc dù những kết quả bất hoạt ban đầu này rất khả quan đối với các ứng dụng an toàn thực phẩm ngay cả ở liều EWNS rất thấp là 50.000#/cc. xem, rõ ràng là tiềm năng bất hoạt cao hơn sẽ có lợi hơn để giảm thêm nguy cơ nhiễm trùng và hư hỏng.
Ở đây, chúng tôi sẽ tập trung nghiên cứu vào việc phát triển nền tảng tạo ra EWNS để có thể tinh chỉnh các thông số tổng hợp và tối ưu hóa các đặc tính lý hóa của EWNS để tăng cường tiềm năng kháng khuẩn của chúng. Đặc biệt, quá trình 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 đặc tính lý hóa 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 phương pháp phun điện đồng thời và ion hóa nước có độ tinh khiết cao (18 MΩ cm–1). Máy phun sương điện 12 thường được sử dụng để phun sương chất lỏng và tổng hợp các hạt polyme và gốm 13 và 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, một điện áp cao đã được áp dụng giữa một mao quản kim loại và một điện cực đối diện 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 khiến các điện tích âm tích tụ trên bề mặt của nước ngưng tụ, dẫn đến sự hình thành các nón Taylor. Kết quả là, các giọt nước tích điện cao được hình thành, tiếp tục vỡ thành các hạt nhỏ hơn, như trong lý thuyết Rayleigh16. Đồng thời, điện trường mạnh khiến một số phân tử nước tách ra và tách các electron (ion hóa), dẫn đến sự hình thành một lượng lớn các loài oxy phản ứng (ROS)17. ROS18 được tạo ra đồng thời được bao bọc trong EWNS (Hình 1c).
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 được lưu trữ trong một chai kín được đưa qua một ống Teflon (đường kính trong 2 mm) vào một kim thép không gỉ 30G (mao dẫn kim loại). Lưu lượng nước được kiểm soát bởi áp suất không khí bên trong chai, như thể hiện trong Hình 2b. Kim được gắn trên một bảng điều khiển 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 thử nghiệm thông qua một cổng lấy mẫu (Hình 2b). Để tránh tích tụ điện tích có thể làm gián đoạn hoạt động của máy lấy mẫu, tất cả các thành phần của máy lấy mẫu đều được nối đất bằng điện.
(a) Hệ thống tạo cấu trúc nano nước kỹ thuật (EWNS). (b) Mặt cắt ngang của máy lấy mẫu và điện phun, cho thấy các thông số quan trọng nhất. (c) Thiết lập thử 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 tạo điều kiện tinh chỉnh các đặc tính EWNS. Điều chỉnh điện áp được áp dụng (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 biểu diễn các kết hợp khác nhau: [V (kV), L (cm)]. Điều chỉnh lưu lượng nước để có được hình nón Taylor ổn định của một tập hợp nhất định [V, L]. Đối với mục đích của nghiên cứu này, đường kính khẩu độ của điện cực đối diện (D) được giữ ở mức 0,5 inch (1,29 cm).
Do hình học hạn chế và bất đối xứng, cường độ trường điện không thể tính toán từ các nguyên lý đầu tiên. Thay vào đó, phần mềm QuickField™ (Svendborg, Đan Mạch)19 đã được sử dụng để tính toán trường điện. Trường điện không đồng nhất, do đó giá trị của trường điện 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 kết hợp điện áp và khoảng cách giữa kim và điện cực đối diện đã được đánh giá về mặt hình thành nón Taylor, độ ổn định của nón Taylor, độ ổn định sản xuất EWNS và khả năng tái tạo. Các kết hợp khác nhau được thể hiện 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 lượng hạt, cũng như với Máy đo điện Faraday khí dung (TSI, Model 3068B, Shoreview, MN). ) đối với dòng khí dung được đo như mô tả trong ấn phẩm trước đây của chúng tôi. Cả SMPS và máy đo điện khí dung đều lấy mẫu ở tốc độ dòng chảy 0,5 L/phút (tổng lưu lượng mẫu 1 L/phút). Nồng độ số lượng 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 tổng số hạt EWNS đã chọn nhất định. Chi phí trung bình của EWNS có thể được tính bằng Phương trình (1):
trong đó IEl là dòng điện được đo, NSMPS là nồng độ kỹ thuật số được đo bằng SMPS và φEl là lưu lượng trên mỗi điện kế.
Do 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 thử nghiệm ở mức lần lượt là 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 tuổi thọ của EWNS. Tần số quét AFM là 1 Hz, diện tích quét là 5 μm × 5 μm và 256 dòng quét. Tất cả 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 lấy ra và bề mặt mica được đặt cách điện cực đối diện 2,0 cm trong thời gian trung bình là 120 giây để tránh hiện tượng 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 chưa biến tính mới cắt gần bằng 0°, do đó EVNS được phân bố trên bề mặt mica dưới dạng mái 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 thể tích khuếch tán mái vòm EWNS bằng phương pháp đã được chúng tôi xác thực trước đó. Giả sử các 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 phát triển trước đó của chúng tôi, bẫy spin cộng hưởng electron (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 khí dung được sục qua một máy phun 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 đều được thực hiện bằng máy quang phổ Bruker EMX (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, Hoa Kỳ) và một ô phẳng. Phần mềm Acquisit (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, Hoa Kỳ) đã được sử dụng để thu thập và phân tích dữ liệu. Việc xác định các đặc điểm 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 đến tổn thất EWNS trong máy va chạm.
Mức độ ôzôn được theo dõi bằng Máy theo dõi ôzôn chùm kép 205™ (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 kiểm định T 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" trực tiếp đến bề mặt của mục tiêu dưới tác động của một trường điện mạnh. Chi tiết về hệ thống EPES được trình bày trong một ấn phẩm gần đây của Pyrgiotakis và cộng sự. 11. Do đó, EPES bao gồm một buồng PVC in 3D với các đầu thon và chứa hai tấm kim loại bằng thép không gỉ (thép không gỉ 304, tráng gương) song song ở giữa cách nhau 15,24 cm. Các tấm 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 kết nối với mặt đất (mặt đất nổi). Các bức tường của buồng được phủ bằng lá nhôm, được nối đất bằng điện để ngăn ngừa mất hạt. Buồng thử nghiệm có cửa nạp kín phía trước cho phép đặt các bề mặt thử nghiệm trên giá đỡ bằng nhựa nâng chúng lên trên tấm kim loại phía dưới để tránh nhiễu điện áp cao.
Hiệu suất lắng đọng của EWNS trong EPES được tính toán theo giao thức đã phát triển trước đó được trình bày chi tiết trong Hình bổ sung S111.
Là một buồng điều khiển, một buồng dòng hình trụ thứ hai được kết nối nối tiếp với hệ thống EPES, trong đó một bộ lọc HEPA trung gian được sử dụng để loại bỏ EWNS. Như thể hiện trong Hình 2c, khí dung EWNS được bơm qua hai buồng tích hợp. Bộ lọc giữa phòng điều khiển và EPES loại bỏ bất kỳ EWNS nào còn lại, dẫn đến cùng nhiệt độ (T), độ ẩm tương đối (RH) và mức ôzôn.
Các vi sinh vật quan trọng trong thực phẩm đã được phát hiện làm ô nhiễm thực phẩm tươi như E. coli (ATCC #27325), chỉ thị phân, Salmonella enterica (ATCC #53647), tác nhân gây bệnh trong thực phẩm, Listeria vô hại (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 thuốc cao hơn, Mycobacterium paralucky (ATCC #19686).
Mua ngẫu nhiên hộp cà chua bi hữu cơ từ chợ địa phương và bảo quản trong tủ lạnh ở nhiệt độ 4°C cho đến khi sử dụng (tối đa 3 ngày). Tất cả các quả cà chua thí nghiệm đều có cùng kích thước, đường kính khoảng 1/2 inch.
Các giao thức nuôi cấy, tiêm chủng, tiếp xúc và đếm khuẩn lạc được trình bày chi tiết trong ấn phẩm trước đây của chúng tôi và được nêu chi tiết trong Dữ liệu bổ sung. Hiệu quả của EWNS đã được đánh giá bằng cách phơi cà chua đã tiêm chủng với 40.000 #/cm3 trong 45 phút. Tóm lại, ba quả cà chua đã được sử dụng để đánh giá các vi sinh vật sống sót tại thời điểm t = 0 phút. Ba quả cà chua đã 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 đã được đặt trong buồng đối chứng (cà chua đối chứng). Không tiến hành xử lý bổ sung cà chua ở cả hai nhóm. Cà chua tiếp xúc với EWNS và cà chua đối chứng đã 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 giao thức được mô tả trong Dữ liệu bổ sung.
Cơ chế bất hoạt được đánh giá bằng cách lắng các mẫu EWNS đã tiếp xúc (45 phút ở nồng độ khí dung EWNS là 40.000 #/cm3) và các mẫu vi khuẩn vô hại E. coli, Salmonella enterica và Lactobacillus không bị chiếu xạ. Các hạt được cố định trong 2,5% glutaraldehyde, 1,25% paraformaldehyde và 0,03% axit picric trong đệm natri cacodylate 0,1 M (pH 7,4) trong 2 giờ ở nhiệt độ phòng. Sau khi rửa, cố định sau bằng 1% osmium tetroxide (OsO4)/1,5% kali ferrocyanide (KFeCN6) trong 2 giờ, rửa 3 lần trong nước và ủ trong 1% uranyl acetate 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 tẩm hỗn hợp 1:1 của propylene oxide và TAAP Epon (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA). Các mẫu được nhúng trong TAAB Epon và trùng hợp ở 60°C trong 48 giờ. Nhựa dạng hạt đã lưu hóa được cắt và quan sát bằng TEM bằng 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 ba lần. Đối với mỗi thời điểm, các lần rửa vi khuẩn được gieo ba lần, tạo ra tổng cộng chín điểm dữ liệu cho mỗi 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 lỗi đo lường. Tất cả các điểm đều được tính.
Logarit của sự giảm nồng độ vi khuẩn so với thời điểm 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 đã khô nhưng trước khi đưa 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 quá trình tiếp xúc kéo dài 45 phút, sự giảm logarit so với 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 đối chứng tại thời điểm n. Dữ liệu được trình bày dưới dạng giảm logarit so với đối chứng (không tiếp xúc với EWNS).
Trong quá trình nghiên cứu, một số kết hợp điện áp và khoảng cách giữa kim và điện cực đối diện đã được đánh giá về mặt hình thành nón Taylor, độ ổn định của nón Taylor, độ ổn định của sản xuất EWNS và khả năng tái tạo. Nhiều kết 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. Trên hình. Hình 3 cho thấy kết quả về điện tích, kích thước và hàm lượng 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 đặc tính của EWNS8, 9, 10, 11 (EWNS cơ bản) chưa được tối ưu hóa đã tổng hợp trước đó. Các tính toán ý nghĩa thống kê sử dụng kiểm định t hai đuôi được công bố lại trong Bảng bổ sung S2. Ngoài ra, dữ liệu bổ sung bao gồm các nghiên cứu về tác động của đường kính lỗ lấy mẫu điện cực đối diện (D) và khoảng cách giữa điện cực 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.
Điều quan trọng cần lưu ý là 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 nằm trong khoảng từ -3,8 đến -6,5 kV, dẫn đến mức tiêu thụ điện năng dưới 50 mW cho mô-đun tiếp điểm tạo EWNS đơn này. Mặc dù EWNS được tổng hợp dưới áp suất cao, nhưng mức ozone rất thấp, không bao giờ vượt quá 60 ppb.
Hình bổ sung S4 cho thấy 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 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 3a, b cho thấy đường kính EWNS được đo bằng AFM8. Đường kính EWNS trung bình được tính toán là 27 nm và 19 nm cho các sơ đồ [-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], độ lệch chuẩn hình học của các phân phối lần lượt là 1,41 và 1,45, cho thấy phân phối kích thước 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 3c cho thấy phân phối kích thước của EWNS cơ sở được đo bằng cùng phương pháp trong cùng điều kiện.
Trên hình 3d,e cho thấy kết quả đặc trưng điện tích. Dữ liệu là các phép đo 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- cho [-6,5 kV, 4,0 cm] và [-3,8 kV, 0,5 cm], tương ứng. 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 [-3 .8 kV, 0,5 cm]. Hình 3f cho thấy dữ liệu điện tích cho EWNS cơ sở.
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]. Cũng đáng lưu ý rằng nồng độ số EWNS được theo dõi tới 4 giờ (Hình bổ sung S5 và S6), trong đó độ ổn định tạo ra EWNS cho thấy cùng mức nồng độ số hạt trong cả hai trường hợp.
Trên hình 3g cho thấy phổ EPR sau khi trừ đi đối chứng 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 công trình đã công bố trước đó. Số EWNS phản ứng với bẫy spin được tính toán là 7,5 × 104 EWNS/giây, tương tự như Baseline-EWNS8 đã công bố trước đó. Phổ EPR cho thấy rõ sự hiện diện của hai loại ROS, với 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 sở.
Trên hình 4 cho thấy hiệu suất lắng đọng của EWNS trong EPES. Dữ liệu cũng được tóm tắt trong Bảng I và so sánh với dữ liệu EWNS ban đầu. Đối với cả hai trường hợp của EUNS, quá trình 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 các vi sinh vật được tiêm 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 innocuous được tiêm chủng cho thấy sự giảm đáng kể 3,8 log trong thời gian tiếp xúc 45 phút. Trong cùng điều kiện, S. enterica giảm 2,2 log, trong khi S. cerevisiae và M. parafortutum giảm 1,0 log.
Các ảnh chụp bằng kính 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 bất hoạt. Các vi khuẩn đối chứng có màng tế bào nguyên vẹn, trong khi các vi khuẩn tiếp xúc có màng ngoài bị hỏng.
Hình ảnh chụp bằng kính 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 các tính chất (điện tích bề mặt và hàm lượng ROS) của EWNS 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 các kết quả đã báo cáo trước đó, cho phép chúng tồn tại trong không khí trong thời gian dài. Độ phân tán đa quan sát được có thể được giải thích bằng các 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 Nielsen và cộng sự đã trình bày chi tiết. 22, điện tích bề mặt cao làm giảm sự bay hơi bằng cách tăng hiệu quả năng lượng bề mặt/sức căng 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 nhỏ 22 và EWNS. Việc mất điện tích theo thời gian cũng có thể ảnh hưởng đến kích thước và góp phần vào sự phân bố kích thước đã quan sát được.