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量子效應(yīng)原理助力 科學(xué)家造出首個自發(fā)光生物傳感器
2025年07月01日 13:20:10
來源：化工儀器網(wǎng) 點擊量：719
近日，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(EPFL)科學(xué)家利用量子效應(yīng)原理，首次開發(fā)出一種無需外部光源的新型生物傳感器，為光學(xué)生物傳感技術(shù)在醫(yī)療診斷和環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用掃清了一大障礙。
生物傳感器是利用生物物質(zhì)作為識別元件，將生化反應(yīng)轉(zhuǎn)變成可定量的物理、化學(xué)信號，從而能夠進(jìn)行生命物質(zhì)和化學(xué)物質(zhì)檢測和監(jiān)控的裝置。其具有快速、準(zhǔn)確、簡便的特點，廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)研究、疾病診斷、環(huán)境監(jiān)控、食品安全等領(lǐng)域。
近日，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(EPFL)科學(xué)家利用量子效應(yīng)原理，首次開發(fā)出一種無需外部光源的新型生物傳感器，為光學(xué)生物傳感技術(shù)在醫(yī)療診斷和環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用掃清了一大障礙。相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然·光子學(xué)》雜志上。
光學(xué)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(zhǔn)醫(yī)療、個性化診療以及環(huán)境監(jiān)測中發(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)備來提供探測光源，限制了其在便攜式檢測設(shè)備和現(xiàn)場快速診斷中的應(yīng)用。
針對上述難題，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院科學(xué)家提出一種創(chuàng)新解決方案：利用量子現(xiàn)象——非彈性電子隧穿，實現(xiàn)無需外部光源的生物檢測。這一量子效應(yīng)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(fā)生的概率非常低，但科學(xué)家設(shè)計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。
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氧化鋁屏障到達(dá)金層時，它們的部分能量會激發(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)度和光譜特性會隨著周圍環(huán)境中是否存在特定生物分子而變化，從而實現(xiàn)對目標(biāo)分子的檢測。這種檢測高度靈敏、實時且無需標(biāo)記。
這項突破性成果不僅簡化了光學(xué)生物傳感器的結(jié)構(gòu)，還為資源有限地區(qū)或需便攜設(shè)備的應(yīng)用開辟了新的前景，例如家庭健康監(jiān)測、偏遠(yuǎn)地區(qū)疾病篩查以及環(huán)境污染物快速識別等。未來，隨著技術(shù)不斷優(yōu)化升級，基于量子物理機(jī)制的無光源生物傳感技術(shù)，有望促進(jìn)新一代微型化、高性能生物檢測設(shè)備的研發(fā)。
素材來源：科技日報
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