光學(xué)生物傳感器利用光波作為探針檢測分子，在精準(zhǔn)醫(yī)療診斷、個性化醫(yī)療和環(huán)境監(jiān)測中不可或缺。

若能通過"壓縮"微型芯片表面光的納米光子結(jié)構(gòu)將光波聚焦至納米尺度（小到足以檢測蛋白質(zhì)或氨基酸），其性能將顯著提升。但為這些納米光子生物傳感器產(chǎn)生和探測光線需要笨重昂貴的設(shè)備，極大限制了其在快速診斷或即時診斷中的應(yīng)用。

如何制造無需外部光源的光學(xué)生物傳感器？答案在于量子物理學(xué)。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院工程學(xué)院的生物納米光子系統(tǒng)實驗室研究人員利用一種名為"非彈性電子隧穿"的量子現(xiàn)象，開發(fā)出僅需穩(wěn)定電子流（以施加電壓形式）即可同時實現(xiàn)分子發(fā)光與探測的生物傳感器。該成果與蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院、西班牙光子科學(xué)研究所及韓國延世大學(xué)合作發(fā)表于《自然·光子學(xué)》。

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生物納米光子系統(tǒng)實驗室研究員Mikhail Masharin解釋道："若將電子視為波而非粒子，該波有極低概率在發(fā)出光子時'隧穿'極薄絕緣屏障到達另一側(cè)。我們的創(chuàng)新在于設(shè)計出一種納米結(jié)構(gòu)，既能構(gòu)成絕緣屏障，又可提高發(fā)光概率。"研究團隊設(shè)計的納米結(jié)構(gòu)為向上穿行的電子創(chuàng)造了跨越氧化鋁屏障抵達超薄金層的理想條件。此過程中電子將部分能量轉(zhuǎn)移至名為"等離子激元"的集體激發(fā)態(tài)，后者隨即發(fā)射光子。

該設(shè)計確保光線強度與光譜隨生物分子接觸發(fā)生變化，從而實現(xiàn)超高靈敏度、實時、無標(biāo)記的檢測。實驗室負責(zé)人Hatice Altug表示："測試表明這款自發(fā)光生物傳感器可檢測皮克濃度（即萬億分之一克）的氨基酸與聚合物，性能媲美當(dāng)今最先進傳感器。"該創(chuàng)新的核心在于納米結(jié)構(gòu)的金層具有超表面特性：既能創(chuàng)造量子隧穿條件，又能調(diào)控發(fā)光。超表面由金納米線網(wǎng)格構(gòu)成，這些"納米天線"可將光聚焦至高效檢測生物分子所需的納米級空間。

論文第一作者、現(xiàn)三星電子工程師Jihye Lee指出："非彈性電子隧穿概率極低，但在大面積均勻發(fā)生時仍可收集足夠光子。我們的優(yōu)化策略為生物傳感開辟了新路徑。"該量子平臺由洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院微納技術(shù)中心制造，兼具緊湊靈敏、可擴展及兼容傳感器生產(chǎn)工藝等優(yōu)勢。其傳感區(qū)域小于1平方毫米，為手持式生物傳感器帶來可能，與當(dāng)前臺式設(shè)備形成鮮明對比。

研究員Ivan Sinev總結(jié)道："這項成果實現(xiàn)了單芯片集成光生成與探測的全集成傳感器。從即時診斷到環(huán)境污染物檢測，該技術(shù)代表了高性能傳感系統(tǒng)的新突破。"

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