High-speed molecular diagnostics has attracted worldwide attention for rapid and accurate detection of diseases, preventing spread of infectious diseases and protecting public health. In particular, photothermal polymerase chain reaction (PCR) reduces the amplification procedure time by using the plasmonic photothermal (PPT) effect of specific nanomaterials, which generate localized heat. For example, various metallic nanomaterials are utilized to accelerate the PCR reactions such as Au nanoparticles, Au nanofilm, and Au nanoislands (AuNIs). However, the nanomaterial-based photothermal PCR still remains several problems, such as high nanoparticle concentrations and low optical absorption, causing the limited PCR efficiency. Here, we report a nanocavity-enhanced plasmonic thermal cycler for ultrafast thermocycling, which is composed of multilayer structures including ultrathin nanoislands film, dielectric layer and metallic film. Mirror on plasmonic nanoislands enables effective light trapping and generate interferences between the nanostructures, enhancing light absorption over the whole visible spectrum. The novel substrate allows enhanced light absorption and improved thermal control, resulting in highly efficient light-to-heat conversion from white light emitting diode (WLED) and providing great potential for a variety of applications in point-of-care molecular diagnostic technology.
고속 분자 진단은 질병의 신속하고 정확한 검출, 감염성 질병의 확산 방지 및 공중 보건 보호를 위해 전 세계적인 주목을 받고 있다. 특히 광열 중합효소 연쇄 반응은 특정 나노 물질의 플라스모닉 광열 효과를 사용하여 국부적인 열을 발생시켜 증폭 시간을 단축시킨다. 금나노입자, 금나노필름, 금나노섬 등 다양한 금속 나노 물질이 증폭을 가속화하는데 활용되고 있다. 그러나 나노 물질 기반 광열 중합효소 연쇄 반응은 여전히 높은 나노 입자 농도, 낮은 흡광도와 같은 몇 가지 한계점으로 인해 증폭 효율이 제한된다. 따라서 본 연구에서는 초박막 나노섬, 유전층 및 금속 필름을 포함한 다층 구조로 구성된 초고속 열 순환을 위한 나노공동 강화 플라스모닉 열순환기를 제안한다. 플라즈모닉 나노섬 위 거울은 효과적인 광 트래핑을 가능하게 하고 나노 공동구조 사이에 빛의 간섭을 발생시켜 가시광선 전파장대에 대한 흡광도를 향상시킨다. 해당 광열기판은 향상된 광 흡수와 개선된 열 제어를 가능하게 하여 백색광으로부터 매우 효율적인 광열 전환을 가능하게 하고 현장진단 분자진단 기술의 다양한 응용 분야에 큰 잠재력을 제공한다.
