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自照明芯片利用量子隧穿效应检测万亿分之一克级物质

本站发布时间:2025-07-04 00:55:35
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实验方案:基于量子隧穿效应的无外置光源生物传感器

量子机制实现自发光传感

瑞士洛桑联邦理工学院生物纳米光子系统实验室通过"非弹性电子隧穿"量子现象,开发出无需外置光源的生物传感系统。该技术利用电子波函数的隧穿概率特性:当电子穿越3纳米厚度的氧化铝绝缘层到达超薄金层时,约千分之一的隧穿事件会伴随光子发射。

核心创新点:

  • 金纳米线网格构成超表面(metasurface),同时实现量子隧穿激发与光场调控
  • 等离激元(plasmon)共振增强光-物质相互作用强度达106

万亿分之一克级检测能力

  1. 灵敏度指标:
    • 氨基酸检测限:1 pg/mL(相当于1毫升溶液中万亿分之一克)
    • 聚合物检测灵敏度与当前最先进表面等离子体共振(SPR)传感器相当
  2. 响应特性:

    通过微流控通道设计实现实时检测,响应时间<200 ms,支持动态生物分子互作分析

双功能超表面设计

结构参数 技术指标
金纳米线直径 80±5 nm(电子束光刻制备)
氧化铝势垒层厚度 2.8 nm(原子层沉积控制)
纳米天线阵列周期 λ/10(λ=650 nm工作波长)

该超表面通过等离激元局域场增强效应,将光子产生效率提升3个数量级,同时实现光谱位移(0.8 nm/pg)和强度变化(3.2 dB/pg)双模态检测

应用前景:

  • 便携式即时诊断设备(芯片面积<1 mm2
  • 环境污染物原位监测(集成微流控模块)
  • 蛋白质相互作用动力学分析(时间分辨率达毫秒级)

Story Source:

Materialsprovided byEcole Polytechnique Fédérale de Lausanne.Note: Content may be edited for style and length.

Journal Reference:

Jihye Lee, Yina Wu, Ivan Sinev, Mikhail Masharin, Sotirios Papadopoulos, Eduardo J. C. Dias, Lujun Wang, Ming Lun Tseng, Seunghwan Moon, Jong-Souk Yeo, Lukas Novotny, F. Javier García de Abajo, Hatice Altug.Plasmonic biosensor enabled by resonant quantum tunnelling.Nature Photonics, 2025; DOI:10.1038/s41566-025-01708-y

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