Tailoring Infrared Light–Molecule Coupling for Highly Sensitive Cortisol Detection Employing Aptamer-Conjugated Gold Nanonails

化学 适体 共轭体系 红外线的 分子 联轴节(管道) 胶体金 纳米技术 光化学 纳米颗粒 光学 有机化学 聚合物 分子生物学 工程类 物理 生物 机械工程 材料科学
作者
Rong Chen,Linlong Tang,Guowei Li,Peng Luo,Yipei Wang,Xiaoqin Wu,Jinpeng Nong,Wei Wei
出处
期刊:Analytical Chemistry [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acs.analchem.4c03765
摘要

Chemically synthesized gold nanoantennas possess easy processability, low cost, and suitability for large-area fabrication, making them advantageous for surface-enhanced infrared (SEIRA) biosensing. Nevertheless, current gold nanoantennas face challenges with limited enhancement of biomolecular signals that hinder their practical applications. Here, we demonstrate that the coupling rate between antennas and molecules critically impacts the enhancement of molecular signals based on temporal coupled mode theory. To improve this coupling rate, we synthesized gold nanonails with sharp tips, significantly amplifying the localized electric fields of antenna resonance modes. Modulating the nanonail aspect ratio allows us to tailor antenna resonance frequencies to match molecular vibrational frequencies. Additionally, we introduced specific aptamers on antenna surfaces through solution exchange methods to control the antenna-molecule distances. These combined strategies enabled noninvasive, label-free detection with high sensitivity for the biomarker cortisol. Experiments revealed 3 orders of magnitude enhancement in cortisol detection levels upon increasing coupling efficiency, achieving a detection limit of 0.1 ng/mL, notably lower than the normal cortisol concentration in human saliva (0.398 ng/mL). In addition to demonstrating a novel strategy for cortisol detection, this study provides a viable approach to biomarker detection for future applications in disease diagnosis and human health monitoring.
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