自发光芯片利用量子隧穿技术检测万亿分之一克级物质

那么，怎样才能制造一种无需外部光源的光学生物传感器？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制造出一种生物传感器，它仅需稳定的电子流——以施加电压的形式——即可同时实现分子的照明与检测。

生物纳米光子系统实验室研究员米哈伊尔·马沙林解释道："如果你将电子视为波而非粒子，该波在穿越极薄绝缘屏障时具有较低的'隧穿'概率，同时会发射一个光子。我们的创新在于构建了一种纳米结构，这种结构既是绝缘屏障的组成部分，又能显著提升光子发射的概率。"

万亿分之一克的检测极限

简而言之，该团队设计的纳米结构为电子向上穿越氧化铝屏障抵达超薄金层创造了理想条件。在此过程中，电子将部分能量转移给名为等离子体激元的集体激发态，后者随即发射光子。其设计确保该光源的强度和光谱会随生物分子接触而改变，从而形成一种高灵敏度、实时、无标记的强效检测方法。

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检测皮克浓度（即万亿分之一克）的氨基酸和聚合物，其性能可与当今最先进的传感器相媲美。"

该项研究成果已发表于《自然·光子学》期刊，合作机构包括瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）、西班牙光子科学研究所（ICFO）以及韩国延世大学（Yonsei University）。

双功能超表面

该团队创新的核心在于双重功能性：其纳米结构的金层构成超表面，这意味着它具备特殊属性，既能创造量子隧穿条件，又可调控生成的光发射。这种调控通过超表面金纳米线网状结构实现，这些纳米线作为'纳米天线'将光聚焦于纳米级空间，从而高效检测生物分子。

本论文第一作者、三星电子现任职工程师李智惠（原生物纳米光子系统实验室研究员）指出："非弹性电子隧穿是概率极低的过程，但若该过程能在大面积区域内均匀发生，仍可收集充足光子。这正是我们优化策略的焦点所在，事实证明这是生物传感领域极具前景的全新解决方案。"

该量子平台不仅结构紧凑、灵敏度高，且在洛桑联邦理工学院微纳米技术中心制造，兼具可扩展性与传感器制造工艺兼容性。传感所需有效区域面积小于1平方毫米，相比当前台式设备，为手持式生物传感器创造了广阔前景。

生物纳米光子系统实验室研究员伊万·西涅夫总结道："我们的成果实现了全集成传感器，将光生成与检测功能集成于单一芯片。这项技术应用前景涵盖即时诊断至环境污染物检测，代表着高性能传感系统的新前沿。"