[论文解读] 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 14

一句话总结

本研究探讨了暴露于*大肠杆菌*（*Escherichia coli*）如何改变银纳米结构表面的等离子体响应，发现细菌相互作用会引发氧化溶解、颗粒圆化及团聚。超快泵浦-探测光谱显示局域表面等离子体共振（LSPR）发生蓝移，电子-声子耦合时间缩短，相干振荡被阻尼——这些是自由电子密度增加和形貌变化的关键特征。这些发现确立了等离子体动力学作为纳米银-生物相互作用的高灵敏探针。

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.

研究动机与目标

• 理解细菌暴露如何改变银纳米结构的局域表面等离子体共振（LSPR）光谱与动力学特性。
• 识别驱动等离子体响应变化的物理与化学机制，如氧化溶解和形貌转变。
• 探索等离子体信号作为实时、无标记生物物理传感器的潜力，用于监测纳米银-细菌相互作用。
• 量化Ag+释放与细胞摄取在诱导银纳米颗粒结构与光学性质变化中的作用。
• 通过超快泵浦-探测光谱与介电建模，验证等离子体响应变化的理论模型。

提出的方法

• 采用超快泵浦-探测光谱测量瞬态差分透射率，并提取等离子体弛豫动力学。
• 利用双温模型计算光激发后电子与晶格温度的变化。
• 应用包含Drude项与带间跃迁贡献的介电函数模型，对温度与体积变化进行修正。
• 利用Drude模型与介电响应方程，计算等离子体频率与电子密度的变化。
• 采用椭球几何模型结合高斯尺寸分布，模拟银纳米片的极化率，并引入环境介电效应。
• 通过平均非均质粒子分布的差分透射光谱，并与实验数据对比，实现模拟。

实验结果

研究问题

• RQ1 暴露于*E. coli*如何改变银纳米结构的局域表面等离子体共振（LSPR）峰位置？
• RQ2 形貌变化（如圆化、收缩、团聚）与电子变化（如自由电子密度）对观测到的等离子体位移有何贡献？
• RQ3 存在血浆膜通透剂时，等离子体响应如何变化？这揭示了Ag+离子释放的何种作用？
• RQ4 介电响应与温度依赖性变化的理论建模在多大程度上可再现实验的泵浦-探测信号？
• RQ5 环境介电常数变化、等离子体频率位移与几何重构对观测到的LSPR蓝移的相对影响如何？

主要发现

• 暴露于*E. coli*导致LSPR峰显著蓝移，归因于颗粒圆化、收缩以及氧化溶解引起的自由电子密度增加。
• 超快泵浦-探测测量显示，细菌暴露后电子密度增加约25%（等效于等离子体频率上升12%），与电子供给或体积减小一致。
• 电子-声子耦合时间显著缩短，表明自由电子密度增加与结构无序化导致电子散射增强。
• 相干等离子体振荡被阻尼，与细菌相互作用后银纳米颗粒发生非晶化及结晶度降低相关。
• 使用血浆膜通透剂可增强所有等离子体响应变化，证实Ag+离子释放与摄取是形貌与光学演化中的核心机制。
• 建模结果表明，等离子体频率增加1.7 eV（从7.4 eV增至9.1 eV）可重现观测到的LSPR蓝移，支持电子密度增加与几何重构在其中的作用。