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量子效應原理助力 科學家造出首個自發光生物傳感器
2025年07月01日 13:20:10
來源：化工儀器網 點擊量：4997
近日，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。
生物傳感器是利用生物物質作為識別元件，將生化反應轉變成可定量的物理、化學信號，從而能夠進行生命物質和化學物質檢測和監控的裝置。其具有快速、準確、簡便的特點，廣泛應用于生命科學研究、疾病診斷、環境監控、食品安全等領域。
近日，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。相關研究成果發表在《自然·光子學》雜志上。
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著關鍵作用。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，那么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復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。
針對上述難題，瑞士洛桑聯邦理工學院科學家提出一種創新解決方案：利用量子現象——非彈性電子隧穿，實現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，并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。
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”的集體電子振蕩，進而產生光子。這些光子的強度和光譜特性會隨著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、實時且無需標記。
這項突破性成果不僅簡化了光學生物傳感器的結構，還為資源有限地區或需便攜設備的應用開辟了新的前景，例如家庭健康監測、偏遠地區疾病篩查以及環境污染物快速識別等。未來，隨著技術不斷優化升級，基于量子物理機制的無光源生物傳感技術，有望促進新一代微型化、高性能生物檢測設備的研發。
素材來源：科技日報
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