革命性量子生物感測器：自發光偵測兆分之一克分子

瑞士洛桑聯邦理工學院(EPFL)的科學家研發出突破性的生物感測器，這項創新技術無需外部光源，而是透過量子穿隧效應自行發光。這款感測器運用金與氧化鋁製成的奈米結構引導電子，不僅能自主發光，更能偵測到濃度僅有兆分之一克的分子。其輕巧的設計讓強大診斷工具不再受限於實驗室，從醫院到偏遠地區都能使用。

傳統光學生物感測器工作原理是照射光線到分子上，再分析光線變化。這類儀器在精準醫療檢測、個人化治療和環境監測中扮演關鍵角色。當光源能壓縮到僅有蛋白質大小的奈米級時，檢測靈敏度將大幅提升。但現有技術需要龐大的雷射裝置和偵測器，高昂成本使可攜式或快速檢測難以實現。

EPFL工程團隊提出巧妙解決方案：用量子力學取代外部光源。他們的晶片利用「非彈性電子穿隧」現象，只需施加微小電壓，電子就能穿越超薄屏障並立即釋放光子。這些光子隨即用於探測感測器上的分子。

「若將電子視為波而非粒子，這種波在穿越極薄絕緣屏障時有極低機率會發射光子。我們設計的奈米結構不僅構成絕緣屏障，更提高發光機率。」生物奈米光子系統實驗室研究員Mikhail Masharin解釋。

研究團隊設計的奈米結構能讓電子向上穿越氧化鋁屏障到達超薄金層，過程中部分能量轉換為集體激發的電漿子，進而釋放光子。這種設計確保光線強度和光譜會因接觸生物分子而改變，實現超高靈敏度的即時無標記檢測。

「測試顯示我們的自發光生物感測器可偵測皮克級濃度的胺基酸和聚合物（相當於兆分之一克），效能媲美當今最先進的感測器。」實驗室主任Hatice Altug表示。這項研究已與蘇黎世聯邦理工學院、西班牙ICFO及韓國延世大學合作，發表於《自然光子學》期刊。

該技術的核心創新在於雙重功能：金層奈米結構既是能產生量子穿隧條件的超穎表面，又能控制發射光線。透過將金奈米線排列成網狀「奈米天線」，可將光線聚焦到偵測生物分子所需的奈米級體積。

「非彈性電子穿隧雖是低機率過程，但在大面積均勻發生時仍能收集足夠光子。我們專注最佳化這點，結果證明這是生物感測極具潛力的新策略。」論文第一作者、現任三星電子工程師Jihye Lee說明。

這套量子平臺不僅輕巧靈敏，更具備量產潛力。在EPFL微奈米技術中心製造的感測器，所需有效感測面積不到1平方毫米，為手持式生物感測器開創可能，徹底改變現有桌上型裝置的侷限。

「我們開發出將光源和偵測整合於單一晶片的完整感測系統。從即時診斷到環境汙染物檢測，這項技術代表高效能感測系統的新里程碑。」研究員Ivan Sinev總結道。