ABSTRACT Assays utilizing molecular fluorophores are common throughout life science research and diagnostic testing, although detection limits are generally limited by weak emission intensity, thus requiring many labeled target molecules to combine their output to achieve signal-to-noise greater than the background. Here, we describe how the synergistic coupling of plasmonic and photonic resonance modes can significantly boost the emission from fluorescent dye molecules without increasing the illumination intensity while utilizing a microscopy approach with a broad field of view. By optimally matching the resonant modes of a plasmonic fluor (PF) nanoparticle and a photonic crystal (PC) surface with the absorption and emission spectrum of the PF’s fluorescent dye, we observe a 52-fold improvement in signal intensity, enabling individual PFs to be observed and digitally counted, using an approach in which one PF tag represents detection of one target molecule. The photonic amplification from the PF can be attributed to the strong near-field enhancement due to the cavity-induced activation of the PF, PC band structure-mediated improvement in collection efficiency of emitted photons, and increased rate of spontaneous emission. We demonstrate the applicability of the method by dose-response characterization of a sandwich immunoassay for human interleukin-6, a biomarker commonly used to assist diagnosis of cancer, inflammation, sepsis, and autoimmune disease. We achieve a limit of detection of 10 fg/ml, representing a capability three orders of magnitude lower than standard immunoassays.

Abstract Nanotechnology-enabled neuromodulation, a rapidly growing technique, is a promising minimally-invasive tool in neuroscience and engineering for both fundamental studies as well as clinical applications. However, the nano-neuro interactions at different stages of maturation of a neural network and its implications on the nano-neuromodulation remain unclear. Here, we report heterogeneous to homogenous transformation of neuromodulation in a progressively maturing neural network. Utilizing plasmonic fluors as ultrabright fluorescent nanolabels, we reveal that negative surface charge of the nanoparticles renders selective nano-neuro interaction with a strong correlation between the maturation stage of the individual neurons in the neural network and the density of the nanoparticles bound on the neurons. In stark contrast to homogeneous neuromodulation in a mature neural network reported so far, the maturation-dependent density of the nanoparticles bound to neurons in a developing neural network resulted in a heterogeneous optical neuromodulation (i.e., simultaneous excitation and inhibition of neural network activity). This study advances our understanding of nano-neuro interactions and nano-neuromodulation with potential applications in minimally-invasive technologies for treating neuronal disorders in parts of mammalian brain where neurogenesis persists throughout aging.