光學(xué)生物傳感器通常依賴光波作為探針來(lái)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(guò)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(lái)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(guò)一個(gè)極薄的絕緣層，并在此過(guò)程中釋放光子。雖然這種過(guò)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(guò)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(kāi)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(lái)，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。
本文鏈接：利用量子效應(yīng)原理，科學(xué)家造出首個(gè)自發(fā)光生物傳感器http://m.sq15.cn/show-11-22807-0.html
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