Zirconium nitride (ZrN) nanoparticles (NPs) can offer appealing plasmonic properties for biomedical applications, but the synthesis of nontoxic, water-dispersible nanoformulations exhibiting plasmonic features in the biotransparency window presents a great challenge. Here, we report the synthesis, by methods of laser ablation, of small ZrN-based NPs, which are unique in combining photothermal heating and near-field enhancement in the transparency window. Depending on the synthesis environment, the formed ZrN-based NPs exhibit plasmonic absorption bands with maxima around 660–670 and 610–630 nm, which are largely red-shifted compared to what is expected from pure ZrN NPs. The observed shift is explained by the inclusion of zirconium oxide ZrOx (1 < x < 2) into NP composition and NP coating by naturally formed ZrOx. We then explored biophotonic applications of ZrN NPs. While pure NPs demonstrate their nontoxicity in vitro, their conjugation with anti-HER1 affibody ZHER1:1907 and subsequent photothermal heating with NIR-I laser cause 100% cancer cell death. In addition, profiting from the field enhancement, we demonstrate bioimaging functionality using a designed surface-enhanced Raman scattering probe based on an NP-conjugated azobenzene-CN-OH molecule as a Raman reporter. Combining a strong photothermal effect and the imaging option, laser-synthesized ZrN/ZrOx NPs promise a major advancement of theranostic modalities based on plasmonic nanomaterials.

Abstract Nanoparticles (NPs) can be conjugated with diverse biomolecules and employed in biosensing to detect target analytes in biological samples. This proven concept was primarily used during the COVID-19 pandemic with gold NPs-based lateral flow assays (LFAs). Considering the gold price and its worldwide depletion, here we show that novel plasmonic nanoparticles (NPs) based on inexpensive metals, titanium nitride (TiN) and copper covered with a gold shell (Cu@Au), perform comparable or even better than gold nanoparticles. After conjugation, these novel nanoparticles provided high figures of merit for LFA testing, such as high signals and specificity and robust naked-eye signal recognition. To the best of our knowledge, our study represents the 1st application of laser-ablation-fabricated nanoparticles (TiN) in the LFA and dot-blot biotesting. Since the main cost of the Au NPs in commercial testing kits is in the colloidal synthesis, our development with TiN is very exciting, offering potentially very inexpensive plasmonic nanomaterials for various bio-testing applications. Moreover, our machine learning study showed that the bio-detection with TiN is more accurate than that with Au.