洛桑联邦理工学院的科学家们发明了一种革命性的生物传感器，它不需要光源，而是利用量子隧穿效应自行发光。该传感器引导电子穿过金和氧化铝纳米结构，发出光并检测浓度极低的分子，低至万亿分之一克。无需笨重设备，它为强大而紧凑的诊断工具打开了大门，可用于从医院到偏远地区的任何地方。
自发光生物传感器示意图：金纳米线超表面驱动量子光发射，并将产生的光波汇聚起来以检测生物分子。图片来源：2025 Ella Maru Studio/BIOS EPFL CC BY SA 4.0
光学生物传感器的工作原理是将光照射到分子上并读取光的变化。它们是进行精准医学检测、根据个体情况制定治疗方案以及监测环境健康状况的重要工具。光被压缩得越小——精确到纳米级，大约相当于蛋白质的大小——检测就越清晰。然而，缩小光学元件通常需要体积庞大且成本高昂的激光装置和探测器，因此几乎不可能实现便携式或快速响应的测试。
如今，EPFL 的工程师们揭示了一个巧妙的解决方法：他们用量子力学取代了外部光源。他们的芯片利用了一种名为非弹性电子隧穿的现象。给设备施加一个微小的电压，电子就会跃过一层极薄的屏障，当场释放出光。同样的光脉冲会立即探测到传感器上的任何分子。
“如果你把电子看作波，而不是粒子，那么这种波在发射光子的同时，有相当低的概率‘隧穿’到极薄的绝缘层的另一侧。我们所做的就是创建一个纳米结构，它既构成了这层绝缘层的一部分，又增加了光发射的概率，”生物纳米光子系统实验室的研究员米哈伊尔·马沙林（Mikhail Masharin）解释道。
简而言之，该团队的纳米结构设计为电子向上穿过氧化铝屏障并到达超薄金层创造了恰到好处的条件。在此过程中，电子将部分能量转移到一种称为等离子体的集体激发态，然后等离子体发射出光子。他们的设计确保了这种光的强度和光谱会随着与生物分子的接触而发生变化，从而形成了一种极其灵敏、实时、无标记检测的强大方法。
生物纳米光子系统实验室负责人哈蒂斯·阿尔图格表示： “测试表明，我们的自发光生物传感器可以检测皮克浓度的氨基酸和聚合物——即万亿分之一克——可与当今最先进的传感器相媲美。”
该研究成果已发表在《自然光子学》杂志上，与苏黎世联邦理工学院、西班牙 ICFO 和韩国延世大学的研究人员合作发表。
该团队创新的核心在于双重功能：纳米结构的金层是一个超表面，这意味着它具有特殊的性质，能够为量子隧穿创造条件，并控制由此产生的光发射。这种控制得益于超表面排列成金纳米线网格，这些金纳米线充当“纳米天线”，将光聚焦到有效检测生物分子所需的纳米体积上。
“非弹性电子隧穿是一个概率极低的过程，但如果一个低概率过程均匀地发生在一个非常大的区域，你仍然可以收集到足够的光子。这正是我们优化的重点，事实证明，这是一种非常有前景的生物传感新策略，”前生物纳米光子系统实验室研究员、第一作者、现三星电子工程师 Jihye Lee 说道。
该团队的量子平台由洛桑联邦理工学院（EPFL）微纳米技术中心制造，不仅结构紧凑、灵敏度高，还具有可扩展性，并与传感器制造方法兼容。该平台所需的有效传感面积不到一平方毫米，与目前的桌面设备相比，这为手持式生物传感器创造了令人兴奋的可能性。
“我们的工作成果是一款完全集成的传感器，将光的生成和检测功能集成在单个芯片上。这项技术的潜在应用范围涵盖从即时诊断到环境污染物检测，它代表了高性能传感系统的全新前沿。”生物纳米光子系统实验室的研究员 Ivan Sinev 总结道。
编译自/scitechdaily