自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，如何在不使用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，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了一种生物传感器，它只需要稳定的电子流——以施加电压的形式——就能同时照亮并检测分子。

“如果你把电子想象成波而非粒子，这个波就有一定的低概率在发射一个光子的同时‘隧穿’到极薄绝缘屏障的另一侧。我们所做的是创造了一种纳米结构，它既是这个绝缘屏障的一部分，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。

万亿分之一克的检测能力

简而言之，该团队设计的纳米结构恰好为一个向上穿过的电子创造了跨越氧化铝屏障到达超薄金层的条件。在此过程中，电子将其部分能量转移给一种称为等离激元的集体激发，后者随后发射出一个光子。他们的设计确保此光线的强度和光谱在接触生物分子时发生变化，从而实现了一种极其灵敏、实时、无标记的检测方法。

“测试表明，我们的自发光生物传感器可以检测皮克浓度的氨基酸和聚合物——即一万亿分之一克——其性能可与当今最先进的传感器媲美。”生物纳米光子系统实验室负责人Hatice Altug表示。

该研究成果已发表于《自然·光子学》（Nature Photonics），是与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）的研究人员合作完成的。

双重功能的超颖表面

该团队创新的核心在于双重功能：其纳米结构的金层是一种超颖表面，这意味着它展现出特殊属性，既创造了量子隧穿的条件，又控制了由此产生的光发射。这种控制得益于超颖表面排列成金纳米线网格，这些纳米线作为‘纳米天线’，将光线聚焦于纳米级空间内，从而高效检测生物分子。

“非弹性电子隧穿是一个概率非常低的过程，但如果这个低概率过程在极大面积上均匀发生，你仍然可以收集到足够的光子。这正是我们优化工作的重点，事实证明这是生物传感领域一个极具前景的新策略。”前生物纳米光子系统实验室研究员、第一作者、现三星电子工程师Jihye Lee说道。

除了紧凑和灵敏之外，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小于一平方毫米，这为手持式生物传感器带来了激动人心的可能性，与当前台式设备形成鲜明对比。

“我们的工作提供了一个完全集成的传感器，它将光产生和检测集成在单一芯片上。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，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。