自供电发光芯片利用量子隧穿效应检测万亿分之一克级物质

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？答案在于：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，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出一种生物传感器，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与检测。

"如果将电子视为波而非粒子，该波有极低的概率在穿过极薄绝缘势垒时'隧穿'到另一侧，同时发射一个光子。我们设计的纳米结构既构成该绝缘势垒的一部分，又提高了发光概率，"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

简言之，团队设计的纳米结构为向上穿行的电子创造了精确条件：跨越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给名为"等离激元"的集体激发态，随即激发光子发射。该设计确保光强与光谱随生物分子接触产生响应变化，从而实现超高灵敏度、实时、无标记的强力检测方法。

"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）的氨基酸和聚合物，性能比肩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。

这项与苏黎世联邦理工学院、西班牙光子科学研究所（ICFO）及韩国延世大学研究人员合作的研究成果已发表于《自然·光子学》。

双功能超表面

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，既能创造量子隧穿条件，又可调控所发光辐射。这种调控能力源于金纳米线网状结构——这些作为"纳米天线"的阵列将光聚焦至纳米级空间，从而高效检测生物分子。

"非弹性电子隧穿是极低概率事件，但若该过程在大面积上均匀发生，仍可收集足量光子。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全新策略，"论文第一作者、前生物纳米光子系统实验室研究员李智惠（现任三星电子工程师）指出。

除紧凑灵敏外，团队在EPFL微纳技术中心制造的量子平台兼具可扩展性及传感器制造工艺兼容性。其有效传感面积不足1平方毫米，为手持式生物传感器带来可能，与当前台式设备形成鲜明对比。

"我们的成果实现了光生成与检测功能完全集成的单芯片传感器。这项技术涵盖从床旁诊断到环境污染物检测等潜在应用领域，为高性能传感系统开辟了新前沿，"生物纳米光子系统实验室研究员伊万·西涅夫总结道。