[論文レビュー] The Impact of Bacteria Exposure on the Plasmonic Response of Silver Nanostructured Surfaces

Giuseppe M. Paternò, Aaron M. Ross+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Nanoparticles: synthesis and applications参考文献 58被引用数 14

ひとこと要約

本研究では、*エシュェリチア・コリ*（*Escherichia coli*）への露出が銀ナノ構造表面のプラズモン応答に与える影響を調査し、細菌との相互作用が酸化的溶解、粒子の丸み、凝集を引き起こすことを明らかにした。超短パルスポンプ・プローブ分光法により、局所表面プラズモン共鳴（LSPR）に青シフトが生じ、電子・フォノン結合時間は短縮され、一貫性のある振動は減衰することが観測された—これらは自由電子密度の増加および形態的変化と関連する重要な特徴である。これらの発見により、プラズモンダイナミクスがナノシルバー-バイオ相互作用を感受性に検出するためのプローブとして有効であることが示された。

ABSTRACT

Silver, especially in the form of nanostructures, is widely employed as an antimicrobial agent in a large range of commercial products. The origin of the biocidal mechanism has been elucidated in the last decades, and most likely originates from silver cation release due to oxidative dissolution followed by cellular uptake of silver ions, a process that causes a severe disruption of bacterial metabolism and eventually leads to eradication. Despite the large number of works dealing with the effects of nanosilver shape/size on the antibacterial mechanism and on the (bio)physical chemistry pathways that drive bacterial eradication, little effort has been devoted to the investigation of the silver NPs plasmon response upon interaction with bacteria. Here we present a detailed investigation of the bacteria-induced changes of the plasmon spectral and dynamical features after exposure to one of the most studied bacterial models, Escherichia Coli. Ultrafast pump-probe measurements indicate that the dramatic changes on particle size/shape and crystallinity, which stem from a bacteria-induced oxidative dissolution process, translate into a clear modification of the plasmon spectral and dynamical features. This study may open innovative new avenues in the field of biophysics of bio-responsive materials, with the aim of providing new and reliable biophysical signatures of the interaction of these materials with complex biological environments.

研究の動機と目的

• 細菌への露出が銀ナノ構造のプラズモン分光的およびダイナミカルな特徴にどのように影響を与えるかを理解すること。
• 酸化的溶解や形態的変換といった物理的・化学的メカニズムが、プラズモン応答の変化を引き起こすメカニズムを同定すること。
• プラズモンシグネチャーが、ナノシルバー-細菌相互作用をリアルタイムかつラベルフリーでモニタリングするためのバイオ物理的センサーとしての可能性を検討すること。
• Ag+の放出と細胞内への取り込みが、銀ナノ粒子の構造的および光学的変化を引き起こす役割を定量すること。
• 超短パルスポンプ・プローブ分光法と誘電関数モデリングを用いて、理論的モデルによるプラズモン応答変化の妥当性を検証すること。

提案手法

• 一時的微分透過率を測定し、プラズモン緩和ダイナミクスを抽出するために超短パルスポンプ・プローブ分光法を実施した。
• 光励起後の電子温度および格子温度の変化を計算するために二温度モデルを用いた。
• 温度および体積変化の補正を加えたドレーブおよび帯間遷移寄与を含む誘電関数モデルを適用した。
• ドレーブモデルおよび誘電応答方程式を用いて、プラズマ周波数および電子密度の変化を計算した。
• 環境誘電率効果を組み込んだガウス分布を用いた楕円体幾何学的形状を用いて、銀ナノプレートレットの極効率をモデル化した。
• 不均一な粒子分布の平均化を用いて微分透過スペクトルをシミュレートし、実験データと比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 E. coliへの露出が、銀ナノ構造における局所表面プラズモン共鳴（LSPR）ピーク位置にどのように影響を与えるか？
• RQ2 丸み、収縮、凝集といった形態的変化と、自由電子密度の変化といった電子的変化が、観測されたプラズモンシフトに果たす寄与は何か？
• RQ3 細胞膜透過性を高める薬剤の存在がプラズモン応答に与える影響は何か？ これによりAg+イオン放出の役割がどのように明らかになるか？
• RQ4 誘電応答および温度依存的変化の理論的モデリングが、実験的ポンプ・プローブ信号をどの程度再現できるか？
• RQ5 環境誘電率の変化、プラズマ周波数のシフト、幾何的再配置が、観測されたLSPR青シフトに及ぼす相対的影響は何か？

主な発見

• E. coliへの露出により、LSPRピークに顕著な青シフトが生じ、これは粒子の丸み、収縮、および酸化的溶解に起因する自由電子密度の増加に起因する。
• 超短パルスポンプ・プローブ測定により、細菌への露出に伴い電子密度が25％増加（プラズマ周波数が12％上昇に相当）することが判明し、電子供与または体積の減少と整合的であった。
• 電子・フォノン結合時間は顕著に短縮され、自由電子密度の増加および構造的無秩序性の増大に起因する電子散乱の増加を示している。
• 一貫性のあるプラズモン振動は減衰しており、これは細菌との相互作用後に銀ナノ粒子のアモルファス化および結晶性の喪失と相関している。
• 細胞膜透過性を高める薬剤の使用により、すべてのプラズモン的変化が強化され、Ag+イオンの放出および取り込みが形態的および光学的進化の中心的役割を果たしていることを確認した。
• モデリング結果から、プラズマ周波数が1.7 eV上昇（7.4 eVから9.1 eVに）することで、観測されたLSPR青シフトを再現でき、電子密度の増加および幾何的再配置の役割を裏付けた。