自发光芯片利用量子隧穿效应可发现万亿分之一克级的物质

那么，如何在无需外部光源的情况下制造基于光的生物传感器？答案是：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创造出一种生物传感器，它只需稳定的电子流——以施加电压的形式——即可同时实现分子照明和检测。

“如果你将电子视为波而非粒子，该波有极低的概率在发射一个光子的同时‘隧穿’极薄绝缘屏障的另一侧。我们所做的是创建一种纳米结构，它既是该绝缘屏障的组成部分，又提高了光发射发生的概率，” 生物纳米光子系统实验室研究员 Mikhail Masharin 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向上穿行的电子穿越氧化铝屏障到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称为等离激元的集体激发态，随后等离激元发射光子。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，从而形成一种用于实现超高灵敏度、实时、无标记检测的有效方法。

“测试表明，我们的自照明生物传感器可检测皮克浓度（即一万亿分之一克）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，” 生物纳米光子系统实验室负责人 Hatice Altug 表示。

该成果由瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）、西班牙光子科学研究所（ICFO）和韩国延世大学的研究人员合作完成，已发表于Nature Photonics（《自然·光子学》）。

双功能超构表面

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种超构表面，这意味着它具有特殊属性，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，得益于超构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’，将光聚焦于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，但如果该过程在大面积上均匀发生，你仍能收集足够的光子。这正是我们优化的重点所在，事实证明这是生物传感领域极具前景的新策略，” 该论文第一作者、生物纳米光子系统实验室前研究员、现任三星电子工程师的 Jihye Lee 表示。

除了结构紧凑且灵敏度高之外，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，并与传感器制造方法兼容。传感所需的活性区域面积不足一平方毫米，这为手持式生物传感器创造了激动人心的可能性，与当前的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，它将光生成和检测结合在单个芯片上。从即时诊断到环境污染物检测，这项技术具有广泛的应用潜力，它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 Ivan Sinev 总结道。