科學家造出首個自發光生物傳感器

科技日報北京6月30日電 （記者張夢然）瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）科學家利用量子效應原理，首次開發出一種無需外部光源的新型生物傳感器，為光學生物傳感技術在醫療診斷和環境監測中的應用掃清了一大障礙。相關研究發表在最新一期《自然·光子學》雜誌上。

光學生物傳感器通常依賴光波作為探針來檢測生物分子，在精準醫療、個性化診療以及環境監測中發揮着關鍵作用。如果能將光波聚焦到納米尺度——例如小到足以探測蛋白質或氨基酸，那麼這類傳感器的靈敏度將大幅提升。目前，科學家通過在芯片表面構造納米光子結構，可以將光“壓縮”至極小空間，從而增強檢測能力。然而，這種納米光子傳感器需要複雜的外部光學設備來提供探測光源，限制了其在便攜式檢測設備和現場快速診斷中的應用。

為此，EPFL科學家提出了一種創新解決方案：利用量子現象——非彈性電子隧穿，實現了無需外部光源的生物檢測。這一量子效應指的是電子像波動一樣穿過一個極薄的絕緣層，並在此過程中釋放光子。雖然這種過程發生的概率非常低，但科學家設計了一種特殊的納米結構，極大地提升了光發射的可能性。

具體而言，該結構由一層極薄的氧化鋁絕緣層和超薄金層組成。當電子在外加電壓的作用下穿過氧化鋁屏障到達金層時，它們的部分能量會激發被稱為“等離激元”的集體電子振盪，進而產生光子。這些光子的強度和光譜特性會隨着周圍環境中是否存在特定生物分子而變化，從而實現對目標分子的檢測。這種檢測高度靈敏、即時且無需標記。

這項突破性成果不僅簡化了光學生物傳感器的結構，也為其在資源有限地區或需要便攜設備的應用中開闢了新的可能，如家庭健康監測、偏遠地區疾病篩查和環境污染物快速識別等。未來，這種基於量子物理機制的無光源生物傳感技術，有望推動新一代微型化、高性能生物檢測設備的發展。

【總編輯圈點】

用光學生物傳感器做探測，就像在黑夜裏找東西，必須打開手電筒，才能鎖定目標分子。因為探測靈敏度高，其配套的光源設備也就非常複雜，限制了這類傳感器的使用。此次，科研人員利用量子效應，開發出了一種自帶“手電筒”的傳感器。特殊的結構設計讓這類傳感器能夠自己產生光子，光子碰到目標生物分子後，其強度和特性會發生變化，從而實現即時檢測。擺脱複雜外部光源後，生物傳感器能小型化，或可催生新一代智能檢測設備。