自发光芯片利用量子隧穿效应检测万亿分之一克物质

那么，如何在没有外部光源的情况下制造基于光的生物传感器？答案是：利用量子物理学。通过利用一种称为非弹性电子隧穿的量子现象，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）工程学院生物纳米光子系统实验室的研究人员开发了一种生物传感器，仅需稳定的电子流（以施加的电压形式）即可同时实现分子照明和检测。

“如果将电子视为波而非粒子，该波有极低的概率在穿越极薄的绝缘屏障时发生'隧穿'，同时发射出一个光子。我们所做的是创建一种纳米结构，它既是该绝缘屏障的一部分，又提高了光发射发生的可能性，”生物纳米光子系统实验室研究员米哈伊尔·马沙林解释道。

万亿分之一克的检测能力

简而言之，该团队纳米结构的设计恰好为向上穿过的电子创造了穿越氧化铝屏障并到达超薄金层的条件。在此过程中，电子将其部分能量转移给一种称为等离子体激元的集体激发态，后者随后发射出一个光子。他们的设计确保此光的强度和光谱在接触生物分子时发生变化，从而形成了一种用于极灵敏、实时、无标记检测的强大方法。

“测试表明，我们的自发光生物传感器可以检测皮克浓度（即万亿分之一克）的氨基酸和聚合物，性能媲美当今最先进的传感器，”生物纳米光子系统实验室负责人哈蒂斯·阿尔图格表示。

该研究成果已与苏黎世联邦理工学院（瑞士）、ICFO研究所（西班牙）和延世大学（韩国）的研究人员合作发表在《自然·光子学》杂志上。

双功能超表面

该团队创新的核心在于双重功能性：其纳米结构的金层是一个超表面，这意味着它具有特殊性质，既能创造量子隧穿的条件，又能控制产生的光发射。这种控制得以实现，得益于超表面被排列成金纳米线网状结构，这些纳米线充当“纳米天线”，将光聚焦在高效检测生物分子所需的纳米级体积内。

“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在非常大的面积上均匀地进行，你仍然可以收集到足够的光子。这正是我们优化工作的重点所在，它被证明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、现三星电子工程师、论文第一作者李智惠表示。

除了紧凑和灵敏之外，该团队在EPFL微纳技术中心制造的量子平台还具有可扩展性，并且与传感器制造方法兼容。传感所需的活性面积小于1平方毫米，这为手持式生物传感器带来了令人兴奋的可能性，与目前的大型台式设备形成鲜明对比。

“我们的工作交付了一个完全集成的传感器，它将光产生和检测整合在单一芯片上。潜在应用范围从即时诊断到环境污染物检测，这项技术代表了高性能传感系统的新前沿，”生物纳米光子系统实验室研究员伊万·西涅夫总结道。