利用量子效应原理 科学家造出首个自发光生物传感器

瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）科学家利用量子效应原理，首次开发出一种无需外部光源的新型生物传感器，为光学生物传感技术在医疗诊断和环境监测中的应用扫清了一大障碍。相关研究发表在最新一期《自然·光子学》杂志上。

光学生物传感器通常依赖光波作为探针来检测生物分子，在精准医疗、个性化诊疗以及环境监测中发挥着关键作用。如果能将光波聚焦到纳米尺度——例如小到足以探测蛋白质或氨基酸，那么这类传感器的灵敏度将大幅提升。目前，科学家通过在芯片表面构造纳米光子结构，可以将光“压缩”至极小空间，从而增强检测能力。然而，这种纳米光子传感器需要复杂的外部光学设备来提供探测光源，限制了其在便携式检测设备和现场快速诊断中的应用。

为此，EPFL科学家提出了一种创新解决方案：利用量子现象——非弹性电子隧穿，实现了无需外部光源的生物检测。这一量子效应指的是电子像波动一样穿过一个极薄的绝缘层，并在此过程中释放光子。虽然这种过程发生的概率非常低，但科学家设计了一种特殊的纳米结构，极大地提升了光发射的可能性。

具体而言，该结构由一层极薄的氧化铝绝缘层和超薄金层组成。当电子在外加电压的作用下穿过氧化铝屏障到达金层时，它们的部分能量会激发被称为“等离激元”的集体电子振荡，进而产生光子。这些光子的强度和光谱特性会随着周围环境中是否存在特定生物分子而变化，从而实现对目标分子的检测。这种检测高度灵敏、实时且无需标记。

这项突破性成果不仅简化了光学生物传感器的结构，也为其在资源有限地区或需要便携设备的应用中开辟了新的可能，如家庭健康监测、偏远地区疾病筛查和环境污染物快速识别等。未来，这种基于量子物理机制的无光源生物传感技术，有望推动新一代微型化、高性能生物检测设备的发展。