自发光芯片采用量子隧穿技术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。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利用一种称为非弹性电子隧穿的量子现象，开发出一种生物传感器。该传感器仅需稳定的电子流——以施加电压的形式——即可同时实现分子照明与检测。

"如果将电子视为波而非粒子，该波在穿越极薄绝缘势垒时具有极低的'隧穿'概率，同时会发射光子。我们的创新在于设计了一种纳米结构，它既是该绝缘势垒的组成部分，又显著提高了光发射的发生概率，"生物纳米光子系统实验室研究员米哈伊尔·马沙林解释道。

万亿分之一克级检测

简而言之，该团队设计的纳米结构为电子向上穿越提供了理想条件：电子穿过氧化铝势垒，抵达超薄金层。在此过程中，电子将部分能量转移至名为等离激元的集体激发态，继而发射光子。该设计确保此光的强度与光谱在接触生物分子时产生响应性变化，从而形成一种高灵敏度、实时、无标记的强效检测方法。

"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）的氨基酸与聚合物，其性能可与当今最先进的传感器相媲美，"生物纳米光子系统实验室负责人哈蒂斯·阿尔图格表示。

此项研究已与苏黎世联邦理工学院、西班牙光子科学研究所（ICFO）及韩国延世大学的研究人员合作发表于《自然·光子学》。

双功能超表面

该团队创新的核心在于双重功能：其纳米结构的金层构成超表面，这种特殊结构既创造了量子隧穿条件，又能调控产生的光发射。这种调控能力源于超表面采用的金纳米线网状排布结构，这些纳米线如同'纳米天线'，能将光聚焦于纳米级空间，从而高效检测生物分子。

"非弹性电子隧穿是极低概率事件，但当该过程在大面积区域内均匀发生时，仍可收集足够光子。这正是我们优化的重点，事实证明这是生物传感领域极具前景的新策略，"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解释道。

除具备紧凑性与高灵敏度外，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，并能兼容传感器制造工艺。其传感所需有效面积不足1平方毫米，为手持式生物传感器创造了激动人心的可能性，与当前台式设备形成鲜明对比。

"我们的研究实现了一种全集成传感器，将光生成与检测功能整合于单一芯片。从即时诊断到环境污染物检测，这项技术具有广阔应用前景，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。