科技日?qǐng)?bào)記者 張夢(mèng)然

瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）科學(xué)家利用量子效應(yīng)原理，首次開發(fā)出一種無(wú)需外部光源的新型生物傳感器，為光學(xué)生物傳感技術(shù)在醫(yī)療診斷和環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用掃清了一大障礙。相關(guān)研究發(fā)表在最新一期《自然·光子學(xué)》雜志上。

光學(xué)生物傳感器通常依賴光波作為探針來檢測(cè)生物分子，在精準(zhǔn)醫(yī)療、個(gè)性化診療以及環(huán)境監(jiān)測(cè)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。如果能將光波聚焦到納米尺度——例如小到足以探測(cè)蛋白質(zhì)或氨基酸，那么這類傳感器的靈敏度將大幅提升。目前，科學(xué)家通過在芯片表面構(gòu)造納米光子結(jié)構(gòu)，可以將光“壓縮”至極小空間，從而增強(qiáng)檢測(cè)能力。然而，這種納米光子傳感器需要復(fù)雜的外部光學(xué)設(shè)備來提供探測(cè)光源，限制了其在便攜式檢測(cè)設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)快速診斷中的應(yīng)用。

為此，EPFL科學(xué)家提出了一種創(chuàng)新解決方案：利用量子現(xiàn)象——非彈性電子隧穿，實(shí)現(xiàn)了無(wú)需外部光源的生物檢測(cè)。這一量子效應(yīng)指的是電子像波動(dòng)一樣穿過一個(gè)極薄的絕緣層，并在此過程中釋放光子。雖然這種過程發(fā)生的概率非常低，但科學(xué)家設(shè)計(jì)了一種特殊的納米結(jié)構(gòu)，極大地提升了光發(fā)射的可能性。

具體而言，該結(jié)構(gòu)由一層極薄的氧化鋁絕緣層和超薄金層組成。當(dāng)電子在外加電壓的作用下穿過氧化鋁屏障到達(dá)金層時(shí)，它們的部分能量會(huì)激發(fā)被稱為“等離激元”的集體電子振蕩，進(jìn)而產(chǎn)生光子。這些光子的強(qiáng)度和光譜特性會(huì)隨著周圍環(huán)境中是否存在特定生物分子而變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)分子的檢測(cè)。這種檢測(cè)高度靈敏、實(shí)時(shí)且無(wú)需標(biāo)記。

這項(xiàng)突破性成果不僅簡(jiǎn)化了光學(xué)生物傳感器的結(jié)構(gòu)，也為其在資源有限地區(qū)或需要便攜設(shè)備的應(yīng)用中開辟了新的可能，如家庭健康監(jiān)測(cè)、偏遠(yuǎn)地區(qū)疾病篩查和環(huán)境污染物快速識(shí)別等。未來，這種基于量子物理機(jī)制的無(wú)光源生物傳感技術(shù)，有望推動(dòng)新一代微型化、高性能生物檢測(cè)設(shè)備的發(fā)展。

總編輯圈點(diǎn)

用光學(xué)生物傳感器做探測(cè)，就像在黑夜里找東西，必須打開手電筒，才能鎖定目標(biāo)分子。因?yàn)樘綔y(cè)靈敏度高，其配套的光源設(shè)備也就非常復(fù)雜，限制了這類傳感器的使用。此次，科研人員利用量子效應(yīng)，開發(fā)出了一種自帶“手電筒”的傳感器。特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)讓這類傳感器能夠自己產(chǎn)生光子，光子碰到目標(biāo)生物分子后，其強(qiáng)度和特性會(huì)發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)。擺脫復(fù)雜外部光源后，生物傳感器能小型化，或可催生新一代智能檢測(cè)設(shè)備。