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。

技术原理

  1. 非弹性电子隧穿效应
    该传感器基于非弹性电子隧穿（IET）这一量子现象，电子在穿过极薄的氧化铝绝缘层时，部分能量转化为光子。这一过程通常发生概率极低，但研究人员通过特殊设计的金-氧化铝纳米结构大幅提升了光发射效率13。

  2. 等离激元增强发光
    电子隧穿至超薄金层后，激发等离激元（等离子体振荡），进而释放光子。这些光子的光谱特性会因周围生物分子的存在而改变，从而实现无标记检测25。

技术优势

  • 无需外部光源：传统光学生物传感器依赖复杂激光设备，而该技术通过量子效应自主发光，极大简化了系统结构14。

  • 超高灵敏度：可检测皮克（万亿分之一克）级的分子，如氨基酸和聚合物，媲美现有最先进传感器3。

  • 实时、无标记检测：适用于动态监测生物过程，如蛋白质相互作用或环境污染物58。

应用前景

  • 医疗诊断：便携式家庭健康监测设备、偏远地区疾病筛查（如传染病、癌症标志物检测）26。

  • 环境监测：实时检测水质污染物（如重金属、有机毒素）18。

  • 科研工具：用于研究纳米尺度生物分子相互作用，推动精准医学发展35。

未来发展方向

研究人员计划优化该传感器的生物相容性和规模化生产，以推动其在可穿戴设备、即时诊断（POCT）等领域的商业化应用38。

这项突破标志着量子技术与生物传感的深度融合，有望催生新一代微型化、高性能检测设备，改变医疗和环境监测领域的现有格局16。