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Nanosecond bacteria inactivation realized by locally enhanced electric field treatment

纳秒 电场 电穿孔 细菌 电极 材料科学 超短脉冲 纳米技术 细菌细胞结构 光电子学 化学 生物物理学 光学 激光器 生物 物理 生物化学 遗传学 量子力学 基因 物理化学
作者
Ting Wang,Xing Xie
标识
DOI:10.1038/s44221-022-00003-2
摘要

Bacterial contamination in water is still a critical threat to public health; seeking efficient water disinfection approaches is of great significance. Here we show that locally enhanced electric field treatment (LEEFT) by electrodes modified with nanoscale tip structures can induce ultrafast bacteria inactivation with nanosecond electrical pulses. A lab-on-a-chip device with gold nanowedges on the electrodes is developed for an operando investigation. Attributed to the lightning-rod effect, the bacteria at the nanowedge tips are inactivated by electroporation. A single 20 ns pulse at 55 kV cm−1 has achieved 26.6% bacteria inactivation, with ten pulses at 40 kV cm−1 resulting in 95.1% inactivation. LEEFT lowers the applied electric field by about 8 fold or shortens the treatment time by at least 106 fold, compared with the system without nanowedges. Both Gram-positive and Gram-negative bacteria, including antibiotic-resistant bacteria, are inactivated with nanosecond pulses by LEEFT. According to simulation, when the membrane of the cell located at the nanowedge tip is directly charged by the concentrated charges at the tip, it is charged much faster and to a much higher level, leading to instant electroporation and cell inactivation. Efficient ways to disinfect water from bacterial contamination are essential for public health. Locally enhanced electric field treatment can be used to induce ultrafast bacteria inactivation with nanosecond electrical pulses.
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