科学家研制出首款自发光生物传感器

光学生物传感器利用光波作为探针检测分子，在精准医疗诊断、个性化医疗和环境监测中不可或缺。

若能通过"压缩"微型芯片表面光的纳米光子结构将光波聚焦至纳米尺度（小到足以检测蛋白质或氨基酸），其性能将显著提升。但为这些纳米光子生物传感器产生和探测光线需要笨重昂贵的设备，极大限制了其在快速诊断或即时诊断中的应用。

如何制造无需外部光源的光学生物传感器？答案在于量子物理学。瑞士洛桑联邦理工学院工程学院的生物纳米光子系统实验室研究人员利用一种名为"非弹性电子隧穿"的量子现象，开发出仅需稳定电子流（以施加电压形式）即可同时实现分子发光与探测的生物传感器。该成果与苏黎世联邦理工学院、西班牙光子科学研究所及韩国延世大学合作发表于《自然·光子学》。

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生物纳米光子系统实验室研究员Mikhail Masharin解释道："若将电子视为波而非粒子，该波有极低概率在发出光子时'隧穿'极薄绝缘屏障到达另一侧。我们的创新在于设计出一种纳米结构，既能构成绝缘屏障，又可提高发光概率。"研究团队设计的纳米结构为向上穿行的电子创造了跨越氧化铝屏障抵达超薄金层的理想条件。此过程中电子将部分能量转移至名为"等离子激元"的集体激发态，后者随即发射光子。

该设计确保光线强度与光谱随生物分子接触发生变化，从而实现超高灵敏度、实时、无标记的检测。实验室负责人Hatice Altug表示："测试表明这款自发光生物传感器可检测皮克浓度（即万亿分之一克）的氨基酸与聚合物，性能媲美当今最先进传感器。"该创新的核心在于纳米结构的金层具有超表面特性：既能创造量子隧穿条件，又能调控发光。超表面由金纳米线网格构成，这些"纳米天线"可将光聚焦至高效检测生物分子所需的纳米级空间。

论文第一作者、现三星电子工程师Jihye Lee指出："非弹性电子隧穿概率极低，但在大面积均匀发生时仍可收集足够光子。我们的优化策略为生物传感开辟了新路径。"该量子平台由洛桑联邦理工学院微纳技术中心制造，兼具紧凑灵敏、可扩展及兼容传感器生产工艺等优势。其传感区域小于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。

研究员Ivan Sinev总结道："这项成果实现了单芯片集成光生成与探测的全集成传感器。从即时诊断到环境污染物检测，该技术代表了高性能传感系统的新突破。"

相关链接：https://dx.doi.org/10.1038/s41566-025-01708-y