Plasmonic Single‐Molecule Affinity Detection at 10 <sup>−20</sup> Molar

E Eleonora Macchia C Cinzia Di Franco (CNR IFN Bari 70125 Italy) C Cecilia Scandurra (Dipartimento di Chimica Università degli Studi di Bari Aldo Moro Bari 70125 Italy) L Lucia Sarcina (Dipartimento di Chimica Università degli Studi di Bari Aldo Moro Bari 70125 Italy) M Matteo Piscitelli (Dipartimento Interateneo di Fisica Università degli Studi di Bari Aldo Moro Bari 70125 Italy) M Michele Catacchio (Dipartimento di Farmacia‐Scienze del Farmaco Università degli Studi di Bari Aldo Moro Bari 70125 Italy) M Mariapia Caputo (Dipartimento di Farmacia‐Scienze del Farmaco Università degli Studi di Bari Aldo Moro Bari 70125 Italy) P Paolo Bollella (Dipartimento di Chimica Università degli Studi di Bari Aldo Moro Bari 70125 Italy) G Gaetano Scamarcio (Dipartimento Interateneo di Fisica Università degli Studi di Bari Aldo Moro Bari 70125 Italy) L Luisa Torsi (Dipartimento di Chimica Università degli Studi di Bari Aldo Moro Bari 70125 Italy)

Abstract

Abstract DNA can be readily amplified through replication, enabling the detection of a single‐target copy. A comparable performance for proteins in immunoassays has yet to be fully assessed. Surface‐plasmon‐resonance (SPR) serves as a probe capable of performing assays at concentrations typically around 10⁻⁹ molar. In this study, plasmonic single‐molecule assays for both proteins and DNA are demonstrated, achieving limits‐of‐detections (LODs) as low as 10⁻ 2 ⁰ molar (1 ± 1 molecule in 0.1 mL), even in human serum, in 1 h. This represents an improvement in typical SPR LODs by eleven orders‐of‐magnitude. The single‐molecule SPR assay is achieved with a millimeter‐wide surface functionalized with a physisorbed biolayer comprising trillions of recognition‐elements (antibodies or protein–probe complexes) which undergo an acidic or alkaline pH‐conditioning. Potentiometric and surface‐probing imaging experiments reveal the phenomenon underlying this extraordinary performance enhancement. The data suggest an unexplored amplification process within the biomaterial, where pH‐conditioning, driving the biolayer in a metastable state, induces a self‐propagating aggregation of partially misfolded proteins, following single‐affinity binding. This process triggers an electrostatic rearrangement, resulting in the displacement of a charge equivalent to 1.5e per 10 2 recognition elements. Such findings open new opportunities for reliable SPR‐based biosensing at the physical detection limits, with promising applications in point‐of‐care plasmonic systems.

Article Details

Volume / Issue Vol. 37, Issue 9
Published March 01, 2025
ISSN 0935-9648
Publisher Unknown Publisher

Journal Info

Advanced Materials

Unknown Publisher

ISSN: 0935-9648 Physical Sciences

Authors (10)

E

Eleonora Macchia

C

Cinzia Di Franco

CNR IFN Bari 70125 Italy

C

Cecilia Scandurra

Dipartimento di Chimica Università degli Studi di Bari Aldo Moro Bari 70125 Italy

L

Lucia Sarcina

Dipartimento di Chimica Università degli Studi di Bari Aldo Moro Bari 70125 Italy

M

Matteo Piscitelli

Dipartimento Interateneo di Fisica Università degli Studi di Bari Aldo Moro Bari 70125 Italy

M

Michele Catacchio

Dipartimento di Farmacia‐Scienze del Farmaco Università degli Studi di Bari Aldo Moro Bari 70125 Italy

M

Mariapia Caputo

Dipartimento di Farmacia‐Scienze del Farmaco Università degli Studi di Bari Aldo Moro Bari 70125 Italy

P

Paolo Bollella

Dipartimento di Chimica Università degli Studi di Bari Aldo Moro Bari 70125 Italy

G

Gaetano Scamarcio

Dipartimento Interateneo di Fisica Università degli Studi di Bari Aldo Moro Bari 70125 Italy

L

Luisa Torsi

Dipartimento di Chimica Università degli Studi di Bari Aldo Moro Bari 70125 Italy