[论文解读] Resonant Gold Nanoparticles Achieve Plasmon-Enhanced Pan-Microbial Pathogen Inactivation in the Shockwave Regime

Mina Nazari, Min Xi+13 more|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2018

Laser-Ablation Synthesis of Nanoparticles参考文献 57被引用 4

一句话总结

本研究证明，共振金纳米颗粒可增强飞秒激光诱导的冲击波，实现对多种病原体（包括病毒、细菌和支原体）的高效、等离子体介导的灭活，且对共存的生物制剂（如抗体）无损伤。该方法利用800 nm近红外光实现选择性、物理性灭活，且在无等离子体纳米颗粒时几乎无灭活效果。

ABSTRACT

Pan-microbial inactivation technologies that do not require high temperatures, reactive chemical compounds, or UV radiation could address gaps in current infection control strategies and provide efficient sterilization of biologics in the biotechnological industry. Here, we demonstrate that femtosecond (fs) laser irradiation of resonant gold nanoparticles (NPs) under conditions that allow for E-field mediated cavitation and shockwave generation achieve an efficient plasmon-enhanced photonic microbial pathogen inactivation. We demonstrate that this NP-enhanced, physical inactivation approach is effective against a diverse group of pathogens, including both enveloped and non-enveloped viruses, and a variety of bacteria and mycoplasma. Photonic inactivation is wavelength-dependent and in the absence of plasmonic enhancement from NPs, negligible levels of microbial inactivation are observed in the near-infrared (NIR) at 800 nm. This changes upon addition of resonant plasmonic NPs, which provide a strong enhancement of inactivation of viral and bacterial contaminants. Importantly, the plasmon-enhanced 800 nm femtosecond (fs)-pulse induced inactivation was selective to pathogens. No measurable damage was observed for antibodies included as representative biologics under identical conditions.

研究动机与目标

• 开发一种避免高温、活性化学物质或紫外线辐射的广谱微生物灭活方法。
• 解决当前生物技术中生物制剂灭菌技术的局限性。
• 探究共振金纳米颗粒产生的等离子体增强冲击波是否可选择性灭活病原体，同时保留功能性生物制剂。
• 评估该方法在包括包膜与非包膜病毒、细菌及支原体在内的广泛病原体谱中的有效性。
• 确定飞秒激光照射下灭活的波长依赖性及物理机制。

提出的方法

• 使用800 nm飞秒（fs）激光脉冲照射共振金纳米颗粒，以产生局域电磁场增强。
• 利用金纳米颗粒的等离子共振效应，放大近场电场，驱动空化与冲击波形成。
• 将电场介导的空化与冲击波生成作为微生物污染物的主要物理灭活机制。
• 采用800 nm近红外（NIR）光，以最小化对生物分子的光损伤，同时实现深层组织穿透。
• 在相同激光条件下，系统比较有无等离子体纳米颗粒时的微生物灭活效率。
• 引入功能性生物制剂（如抗体）以评估该方法与治疗性蛋白的相容性与选择性。

实验结果

研究问题

• RQ1 利用共振金纳米颗粒实现的等离子体增强飞秒激光照射，是否可在无热或化学损伤的情况下高效灭活多种微生物病原体？
• RQ2 灭活机制是否依赖于照射波长，特别是近红外波段的800 nm？
• RQ3 与仅使用800 nm激光照射相比，共振金纳米颗粒的存在是否显著增强微生物灭活效率？
• RQ4 该方法是否可选择性灭活病原体，同时保持共存生物制剂（如抗体）的结构与功能完整性？
• RQ5 电场介导的空化与冲击波生成在观察到的灭活效率中起何种作用？

主要发现

• 在800 nm波长下，利用飞秒激光脉冲实现的等离子体增强灭活，对包括包膜与非包膜病毒、细菌及支原体在内的多种病原体均表现出显著灭活效果。
• 在无共振金纳米颗粒的情况下，800 nm波长下几乎无灭活效果，证实了等离子体增强对有效灭活的必要性。
• 该方法表现出高度选择性，在相同照射条件下对抗体及其他功能性生物制剂无明显损伤。
• 灭活机制具有波长依赖性，由等离子体激发纳米颗粒产生的电场介导空化与冲击波生成驱动。
• 共振金纳米颗粒实现了高效、物理性的灭活，无需高温、活性化学物质或紫外线辐射。
• 该方法为敏感生物制剂在生物技术和医疗应用中提供了一种有前景的非热、非化学灭菌策略。