Plasmonic metal nanostructures have emerged as a promising way to harness solar energy through the excitation of the surface plasmon resonance. They converse and transfer the solar energy through the energy or charge transfer, which can be utilized in the solar-to-fuel conversion or signal amplification. Here we present the plasmonic nanostructures based on the self-assembled polystyrene nanospheres as templates, for solar water splitting and DNA fluorescence sensing. First, we report sustainable photoelectrochemical water oxidation through the deposition of catalytic polyoxometaltates (POMs) onto a plasmonic Au/TiO$_2$ half-shell array photoanode, followed by the atomic layer deposition of a thin Al$_2$O$_3$ layer. The Al$_2$O$_3$ layer increased the photocurrent and delayed current attenuation by preventing the dissociation of Co$_4$POMs from the surface during the water oxidation. A thicker Al$_2$O$_3$ layer exhibited a higher protection effect on the POMs and also passivated the TiO$_2$ surface, improving electron transfer through the POMs/Au half-shell structure. Second, we propose a fast and sensitive DNA fluorescence sensing platform based on plasmon-based enhancing and quenching of the fluorescence using two kinds of plasmonic nanoparticles. As the enhancer, the Au half-shells on polystyrene nanosphere (Au/PS) exhibited 5-fold fluorescence enhancement when the Au/PS captured target and dye DNA via a sandwich hybridization. Then AuNPs, as the quencher, were introduced to the Au/PS with DNA solution for reducing the background fluorescence from the unhybridized dye DNA, improving the sensitivity 1,000 times (a limit of detection: 16 pM, within 1 h) with high specificity that discriminated the single-base difference. Target DNA was from the gene of the Klebsiella pneumoniae carbapenemase, one of the targets for pathogenic bacteria with drug resistance, showing the clinical applicability. These works suggest that the catalyst/plasmonic photoelectrode with a thin protection layer is a promising alternative to conventional semiconductor-based photoelectrodes for sustainable and efficient water oxidation and a novel DNA sensing platform using two kinds of plasmonic nanoparticles without an amplification, labeling, and purification step.
플라즈모닉 금속 나노구조체는 표면 플라즈몬 공명 여기를 통해 빛 에너지를 이용할 수 있는 유망한 방법으로 떠오르고 있다. 플라즈모닉 구조체는 에너지 혹은 전하 전달의 형태로 빛 에너지를 전환하여 태양 에너지-연료 전환이나 신호 증폭에 사용할 수 있다. 본 연구에서는 자가조립 폴리스타이렌 나노구를 주형으로 하는 플라즈모닉 나노구조체를 제작하고, 이를 광 물분해와 DNA 형광 센싱에 사용했다. 첫번째로 원자층 증착법으로 증착된 Al$_2$O$_3$ 층에 의해 표면의 폴리옥소메탈레이트 (POMs) 촉매가 보호되는 반구 대열 형태의 플라즈모닉 Au/Ti$_O$2 광음극을 이용하여 지속가능한 광전기화학적 물 산화 연구를 진행했다. Al$_2$O$_3$ 층은 Co$_4$POMs 촉매가 전극 표면에서 탈락하는 것을 방지하여 광전류를 증가시키고, 전류 감소 속도를 감소시켰다. 더 두꺼운 Al$_2$O$_3$ 층은 더 높은 POMs 촉매 보호 효과를 보였고, TiO$_2$ 층 또한 보호하여 광음극의 전하 전달을 개선시켰다. 두번째로 두 종류의 플라즈모닉 나노입자의 형광 강화 및 소광 효과를 기반으로 빠르고 민감한 DNA 형광 센싱 플랫폼 연구를 하였다. 폴리스타이렌 나노구 위의 Au 반구 형태를 가지는 Au/PS 입자는 형광 강화제로 표적 DNA및 염료 DNA의 샌드위치 혼성화를 통해 5배의 형광 강화를 나타냈다. 형광 소광제인 금 나노 입자 (AuNP)는 높은 소광 효과를 바탕으로 혼성화 되지 않은 잉여 염료 DNA로부터 나오는 배경 형광을 감소시켰고, 이를 이용해Au/PS 단독 센싱 플랫폼의 민감도를 1,000배 향상시켰다 (16 pM의 감지 한계, 1시간 내). 1개의 염기 서열 차이도 감지 가능한 높은 특이성 또한 확인되었다. 실험한 표적 DNA는 항생제 내성 박테리아의 중요한 표적 유전자인 Klebsiella pneumoniae carbapenemase 유전자였고, 이는 임상 응용의 가능성을 보여준다. 본 연구들은 자가 조립 나노구를 주형으로 한 플라즈모닉 나노 구조체들을 설계 및 제작하여 기존 연구들의 문제들을 해결한 지속 가능한 광 물분해, 그리고 높은 민감도와 간단한 방식의 DNA 형광 센싱을 제안하였다.
