[논문 리뷰] The Impact of Bacteria Exposure on the Plasmonic Response of Silver Nanostructured Surfaces

Giuseppe M. Paternò, Aaron M. Ross외 9명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 01.

Nanoparticles: synthesis and applications참고 문헌 58인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 *Escherichia coli* 노출이 silver 나노구조 표면의 플라스모닉 응답에 미치는 영향을 조사하며, 박테리아 상호작용이 산화적 용해, 입자 둥글기, 응집을 유도함을 밝혀낸다. 초고속 펌프-프로브 분광법은 국소 표면 플라스몬 공명(LSPR)의 파란 이동, 전자-음향파 결합 시간 감소, 위상 일관성 진동 감쇠를 보여주며, 이는 자유 전자 밀도 증가와 형태 변화와 관련된 핵심 징후이다. 이러한 발견들은 플라스모닉 역학이 나노은-생물 상호작용을 민감하게 탐지할 수 있는 수단임을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 박테리아 노출이 은 나노구조의 플라스모닉 스펙트럼 및 동적 특성에 미치는 영향을 이해하기 위해.
• 산화적 용해 및 형태 변화와 같은 물리적·화학적 메커니즘이 플라스모닉 응답 변화를 이끄는 방식을 규명하기 위해.
• 플라스모닉 서명이 나노은-박테리아 상호작용을 실시간, 레이블 프리 방식으로 모니터링할 수 있는 생물물리적 센서로의 잠재력을 탐색하기 위해.
• Ag+ 방출 및 세포 내 침착이 은 나노입자에서 기하학적 및 광학적 변화를 유도하는 데 기여하는 정도를 정량화하기 위해.
• 초고속 펌프-프로브 분광법과 유전율 모델링을 통해 플라스모닉 응답 변화의 이론적 모델을 검증하기 위해.

제안 방법

• 순간적 비율 투과도를 측정하고 플라스몬 회복 역학을 추출하기 위해 초고속 펌프-프로브 분광법을 수행하였다.
• 광자 excitation 이후 전자 및 격자 온도 변화를 계산하기 위해 이중 온도 모델을 사용하였다.
• 온도 및 부피 변화 보정을 포함한 Drude 및 인터밴드 기여를 반영한 유전율 함수 모델을 적용하였다.
• Drude 모델 및 유전율 반응 방정정식을 사용하여 플라즈마 주파수 및 전자 밀도 변화를 계산하였다.
• 환경 유전율 효과를 포함한 가우시안 크기 분포를 가진 타원형 기하학을 사용하여 Ag 나노플레이트렛의 분극율을 모델링하였다.
• 비균일한 입자 분포에 대한 평균화된 차등 투과 스펙트럼을 시뮬레이션하고 실험 데이터와 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 *E. coli* 노출이 은 나노구조에서 국소 표면 플라스몬 공명(LSPR) 피크 위치에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 형태 변화(예: 둥글기, 위축, 응집)와 전자적 변화(예: 자유 전자 밀도)가 관측된 플라스모닉 이동에 기여하는 정도는 어떠한가?
• RQ3 플라즈마 막 투과성 증가제가 플라스모닉 응답에 미치는 영향은 무엇이며, 이는 Ag+ 이온 방출의 역할을 어떻게 드러내는가?
• RQ4 유전율 반응 및 온도 의존적 변화의 이론적 모델링이 실험적 펌프-프로브 신호를 어느 정도 재현할 수 있는가?
• RQ5 환경 유전율 변화, 플라즈마 주파수 이동, 기하학적 재구성 중 어떤 것이 관측된 LSPR의 파란 이동에 가장 큰 영향을 미치는가?

주요 결과

• *E. coli* 노출은 입자 둥글기, 위축, 산화적 용해로 인한 자유 전자 밀도 증가로 인해 LSPR 피크에 명백한 파란 이동을 유도한다.
• 초고속 펌프-프로브 측정 결과, 박테리아 노출 시 전자 밀도가 25% 증가했으며(플라즈마 주파수 12% 상승과 등가), 이는 전자 기여 또는 부피 감소와 일치한다.
• 전자-음향파 결합 시간이著격히 감소하여 자유 전자 밀도 증가 및 구조적 무질서로 인한 전자 산산조각 나기 증가를 나타낸다.
• 일관된 플라스몬 진동이 감쇠되며, 이는 박테리아 상호작용 후 은 나노입자에서 비정질화 및 결정성 손실과 관련이 있다.
• 플라즈마 막 투과성 증가제 사용 시 모든 플라스모닉 변화가 강화되어 Ag+ 이온 방출 및 침착이 형태 및 광학적 진화의 핵심임을 확인한다.
• 모델링 결과, 플라즈마 주파수 1.7 eV 상승(7.4 eV에서 9.1 eV로)이 관측된 LSPR 파란 이동을 재현하며, 전자 밀도 증가 및 기하학적 재구성의 역할을 뒷받침한다.