Kvantelys muliggør selvlysende optiske biosensorer

I sundhedsverdenen får biosensorer opnår betydelig opmærksomhed som et diagnostisk værktøj. Disse elektriske enheder måler biologiske eller kemiske signaler og omdanner dem til elektriske signaler. 

De anvendes i alt fra sygdomsovervågning og lægemiddelforskning til ikke‑invasiv påvisning af mikroorganismer, der forårsager sygdomme, og markører, der indikerer vira i kropsvæsker som sved, spyt, urin og blod.

Biosensorer finder også anvendelse i fødevareinspektion og -sikkerhed, landbrug, miljøstudier, bioteknologi og medicinsk udnyttelse. Drevet af denne efterspørgsel sigter det globale biosensorsmarked allerede mod titusinder af milliarder årligt.

En typisk biosensor består af nogle få hovedkomponenter:

• Bioreceptor
• Transducer
• Analyte
• Display

Her er analytten et stof af interesse, som identificeres og måles. For eksempel er glukose en analyte i en biosensor, der er designet til at påvise glukose.

En bioreceptor er en biologisk komponent, såsom DNA, celler, enzymer eller antistoffer, der genkender analytten. Signalgenereringsprocessen forekommer i form af varme, lys eller en ændring ved interaktionen mellem bioreceptoren og analytten og kaldes bio‑genkendelse.

Transduceren omdanner bio‑genkendelsesbegivenheden til et målbare optisk eller elektrisk signal. Display er blot et brugerfortolkningssystem, der genererer data i grafisk, numerisk eller anden form, som er forståelig for brugeren. 

Der findes omkring fire typer biosensorer baseret på deres transduktionsmetode, nemlig elektrokemiske, termiske, piezoelektriske, magnetiske og optiske biosensorer. Hver af disse typer bruger en anden mekanisme til at omdanne en biologisk interaktion til et målbare signal.

Når det gælder optiske biosensorer, er de især kendt for deres ekstra fordele i sensorapplikationer på grund af deres ekstreme følsomhed, selektivitet og hurtige målinger. De giver også realtidsdetektion af biologiske og kemiske stoffer på en specifik og omkostningseffektiv måde.

Optiske biosensorer fungerer ved at omdanne lyssignaler til elektriske signaler, baseret på interaktionen mellem det optiske felt og en bioreceptor eller bio‑genkendelses‑element.

Disse biosensorer klassificeres som “label‑fri”, hvor signaler produceres direkte ved interaktionen mellem analyttmaterialet og transduceren, og “label‑baserede”, hvor de genererede signaler forstærkes af luminescens‑, fluorescens‑ eller kolorimetriske metoder. 

Selvom de tilbyder tydelige fordele i forhold til traditionelle analytiske teknikker, kræver optiske biosensorer eksterne lyskilder, hvilket begrænser deres anvendelse til laboratoriemiljøer og forhindrer brug i sundheds‑ og miljøovervågningssammenhænge.

For at overvinde udfordringerne i den brede anvendelse i virkeligheden har forskere i Bionanophotonic Systems Laboratory på EPFL’s School of Engineering anvendt kvantefysik til at påvise tilstedeværelsen af biomolekyler uden behov for en ekstern lyskilde.

Udvidelse af grænserne for optisk biosensorik

For at påvise biologiske analytter anvender optiske biosensorer lysbølger. Selvom brugen af nanofotoniske strukturer, der ‘klemmer’ lys på overfladen af en lille chip for at fokusere lysbølgerne ned til nanometerskala, kan forbedre deres ydeevne betydeligt, som vi nævnte ovenfor, kræver dette eksterne lyskilder, hvilket involverer omfangsrige udstyr og dermed forhindrer brug til hurtig diagnostik og i point‑of‑care‑miljøer.

Så for at fjerne behovet for en ekstern lyskilde i en lysbaseret biosensor vendte forskerne sig mod kvantefysik.

De har introduceret en plasmonisk sensor med en indlejret lyskilde, leveret af kvante‑tunnel‑junctions.

Plasmoniske metal‑nanostrukturer er blevet aktivt undersøgt til optiske sensorer på grund af deres unikke evner til at understøtte stærk optisk feltforstærkning samt dyb‑sub‑bølgelængde lysindespærring gennem lokaliserede overflade‑plasmon‑resonanser og udbredende overflade‑plasmon‑polaritoner (SPP’er).

LSPR er den kollektive oscillerende bevægelse af ledningselektroner nær overfladen af nanostrukturerede ædelmetaller, når de belyses af lys. Dette fører til dannelsen af et lokalt elektromagnetisk felt med særskilte optiske egenskaber.

SPP’er er derimod elektromagnetiske overflavebølger, der opstår når excitere overflade‑plasmoner kobles med fotoner og bevæger sig langs grænsefladen mellem et metal og et dielektrisk materiale.

Det er på grundlag af disse, at biosensor‑enheder har overgået detektionsydelsen af konventionelle optiske sensorer, hvilket muliggør deres udbredte brug og kommercialisering.

Faktisk er overflade‑plasmon‑resonans (SPR) biosensorer baseret på flade metal‑film blevet en af de standard‑label‑fri teknikker til realtidsmonitorering af biomolekylære interaktioner.

Nanoplasmoniske biosensorer, som kombinerer nanomaterialer, LSPR eller SPR og optiske biosensorer, muliggør derimod en reduktion i de nødvendige prøvevolumener, så realtidsobservation af enkelt‑celle‑sekretion kan udføres.

Fremskridt på området ser nu på kvante‑plasmoniske sensorsystemer, der kan opdage nye muligheder for forbedret enhedsydelse ned til enkelt‑molekyle‑detektion. Men på trods af al fremgangen inden for nanofotonik er der stadig behov for en ekstern lyskilde for at excitere SPP’er.

Kombineret med omfangsrigt udstyr som prismer eller gitter, som begrænser anvendeligheden af plasmoniske sensorer. For at fremme brugen i biokemisk forskning og medicinsk diagnostik har vi brug for miniaturiserede og integrerede enheder.

Udnyttelse af inelastisk elektron‑tunnelering til lysgenerering på chip

Udgivet i Nature Photonics¹ i samarbejde med forskere fra ETH Zürich, ICFO og Yonsei University har EPFL‑ingeniører demonstreret en label‑fri optisk biosensor på chip, der er selvlysende og udnytter kvantetunnelering, et fænomen hvor en partikel passerer gennem en potentiel energibarriere, som den klassisk ikke kan krydse.

Ved at udnytte den inelastiske elektron‑tunnelering har forskerne skabt en enhed, der kun behøver en konstant strøm af elektroner i form af påført elektrisk spænding for både at belyse og identificere molekyler. 

“Hvis du betragter en elektron som en bølge i stedet for en partikel, har den bølge en vis lav sandsynlighed for at ‘tunnelle’ til den anden side af en ekstremt tynd isolerende barriere, mens den udsender et foton af lys. Det, vi har gjort, er at skabe en nanostruktur, der både udgør en del af denne isolerende barriere og øger sandsynligheden for, at lysudsendelse finder sted.”

– Forsker Mikhail Masharin

Til deres enhedsdesign har ingeniørerne brugt en lagdelt film, hvor isolatoren er placeret mellem to metaller. 

Her er guld‑nanowires (Au) placeret oven på et tyndt aluminiums‑lag, som fungerer som tunnel‑barriere, og adskiller dem fra et aluminium‑film (Al) i bunden.

Den øverste overflade anvender en plasmonisk metasurface, der tjener to formål og udgør kernen i innovationen. Nanostrukturens guldlag fungerer som elektrisk kontakt til tunnel‑junctionen samt som en optisk grænseflade for at lette koblingen af inelastisk kvante‑elektron‑tunnelering, ledsaget af lysudsendelse, til fri‑rum‑stråling.

Dette betyder, at metasurface’en udviser særlige egenskaber, som skaber betingelserne for kvantetunnelering og styrer den resulterende lysudsendelse. 

Styringen muliggøres af metasurface‑arrangementet, som er et net af guld‑nanowires. Disse fungerer som ‘nanoantenner’ for at koncentrere lyset i de nanometer‑volumener, der er nødvendige for effektiv påvisning af biomolekyler.

Arrangementet påvirker den interne kvanteeffektivitet af tunnelprocessen ved at forstærke den radiative komponent af den elektromagnetiske tæthed af optiske tilstande, hvilket forbedrer den radiative kvanteeffektivitet og dermed forstærker det detekterede signal.

Kort sagt skaber deres nanostruktur grundlæggende de rette betingelser for, at en elektron kan passere igennem den og krydse en barriere af aluminiumoxid for at nå det ultratynde guldlag (Au). I denne proces overføres noget af elektronens energi til den kollektive excitation (aka plasmon), som derefter udsender et foton.

For at producere en effektiv og rumligt ensartet LIET (lysudsendelse fra inelastisk elektron‑tunnelering) anvendte forskeren et fleksibelt metasurface‑design, som var optimeret til biosensorik. Første forfatter, Jihye Lee, som er tidligere forsker i Bionanophotonic Systems Lab og nu er ingeniør hos Samsung Electronics:

“Inelastisk elektron‑tunnelering er en proces med meget lav sandsynlighed, men hvis du har en lav‑sandsynligheds‑proces, der forekommer ensartet over et meget stort område, kan du stadig indsamle nok fotoner. Det er her, vi har fokuseret vores optimering, og det viser sig at være en meget lovende ny strategi for biosensorik.”

Enhedsdesignen sikrer, at spektrummet og intensiteten af lyset ændres, når det kommer i kontakt med biomolekyler, hvilket giver en kraftfuld teknik til label‑fri, realtidsdetektion.

Kvantum‑biosensorer: kompakte, skalerbare og i realtid

Med den innovative, kompakte enhed har forskerne markant forbedret kapaciteterne for sensorer, der i øjeblikket er tilgængelige på markedet.

Som Hatice Altug, leder af Bionanophotonic Systems Laboratory, udtalte:

“Tests viste, at vores selvlysende biosensor kan påvise aminosyrer og polymerer ved pikogramkoncentrationer – det er en billiontedel af et gram – og konkurrerer med de mest avancerede sensorer, der findes i dag.”

Et andet vigtigt punkt her er brugen af kvantemekanik til at opnå gennembruddet, hvilket i bund og grund bringer det videre ind i den praktiske sfære.

Der er blevet udforsket meget om kvantemekanik, en grundlæggende fysikteori, der beskæftiger sig med partikelers egenskaber og adfærd på atom- og subatomart niveau, som først blev introduceret for omkring et århundrede siden.

I løbet af denne tid har kvantemekanik hjulpet med at fremme industrier ved at danne grundlag for adskillige moderne teknologier, herunder semiconductor til elektronik, lasere og magnetisk resonans‑billeddannelse (MRI). Den baner også vejen for fremtidige innovationer, såsom kvante‑computing og avanceret cybersikkerhed.

Ifølge Julian Kelly, direktør for hardware hos Google Quantum AI, kan vi være omkring “fem år fra et reelt gennembrud, en praktisk anvendelse, som kun kan løses på en kvantecomputer.”

Kvantum‑computere kan ifølge ham “tilgå den måde, universet fungerer på på det mest grundlæggende niveau.”

Nvidia (NVDA ) CEO Jensen Huang deler en lignende holdning. Han mener, at kvante‑computing har potentialet til at “levere ekstraordinær indflydelse”, men tilføjede at “teknologien er sindssygt kompliceret.”

Midt i dette har EPFL‑ingeniører indlejret kvante‑lyskilder direkte i chip‑skala enheder, hvilket revolutionerer biosensor‑teknologien, som kan anvendes til industriel overvågning, herunder vandtestning, luftkvalitetskontrol og fødevaresikkerhed. Deres gennembrud kan også åbne nye enheder inden for kvante‑detektion og smarte sensorer.

LIET‑sensorarkitekturen her giver faktisk et mindre enheds‑fodaftryk, da plasmoniske antenner fungerer både som lyskilde og som sensor‑element, sammenlignet med designs, der integrerer plasmoniske strukturer oven på fotodetektorer eller LED’er.

Forskerne testede deres enhed med biomolekyler og nanometer‑tykke polymerer og fandt, at både den udsendte lysintensitet og det spektrale profil blev moduleret af de lokale brydningsindeks‑ændringer, som analyttens tilstedeværelse forårsager. Dette betyder, at LIET‑enheder kan anvendes som kompakte og følsomme optiske biosensorer på chip til point‑of‑care‑applikationer.

Ifølge undersøgelsen har sensoren tilstrækkelig udsendt kraft til at fungere med de mest almindelige lyddetektorer. Den kvante‑baserede platform er skalerbar og kompatibel med sensor‑produktionsmetoder, hvilket gør den egnet til bred produktion og distribution.

“Vores arbejde leverer en fuldt integreret sensor, der kombinerer lysgenerering og -detektion på en enkelt chip. Med potentielle anvendelser, der spænder fra point‑of‑care‑diagnostik til påvisning af miljøforurening, repræsenterer denne teknologi en ny grænse inden for høj‑præstations‑sensorsystemer,” sagde Bionanophotonic Systems Lab‑forsker Ivan Sinev.

Med mindre end en kvadratmillimeter aktivt område nødvendigt for sensing kan designet helt sikkert åbne spændende perspektiver for at realisere en praktisk elektro‑optisk biosensor og nye anvendelser.

Desuden kan det potentielt føre til nye håndholdte enheder i modsætning til nuværende bord‑opsætninger, som passer perfekt ind i miljøer som lægekontorer, plejehjem og fjerntliggende klinikker, hvor omfangsrigt laboratorieudstyr simpelthen er upraktisk.

Dens label‑fri karakter og realtids‑monitorering gør kvante‑biosensoren yderligere ideel til sporing af biomarkører i sygdomme som infektioner, kræft og metaboliske lidelser.

Udover alt dette kan platformen bidrage med grundlæggende videnskabelige indsigter, som kan fremme andre felter, herunder nano‑optik, materialvidenskab og kvante‑computing.

Klik her for at lære om den aktuelle tilstand af kvante‑computing.

Top‑investeringer i kvante‑biosensorer

Nu er det tid til at dykke dybt ned i investeringsmuligheder, både etablerede og nye, inden for området kvante‑drevet biosensorik.

Etablerede aktører & platforme

Når det gælder analytiske instrumenter og diagnostik, er Agilent Technologies (A ) blandt de bemærkelsesværdige navne, der potentielt kan integrere den nye teknologi i deres produktlinjer.

Virksomheden skiller sig ud med sin specialisering inden for diagnostik, life sciences og anvendte markeder. Den tilbyder software og laboratorie‑automatiseringsløsninger samt reagenser, instrumenter og forbrugsvarer. Ud over aktive farmaceutiske ingredienser til oligo‑baserede terapier tilbyder den også instrumenter og software til at identificere, kvantificere og analysere de biologiske egenskaber af stoffer.

Tidligere i år samarbejdede Agilent med ABB Robotics om at levere automatiserede laboratorieløsninger, hvilket gjorde processer som forskning og kvalitetskontrol hurtigere og mere effektive.

Med en markedsværdi på 33,45 milliarder dollars handles Agilent‑aktier i øjeblikket til 117,76 dollars, ned 12,16 % år‑til‑dato (YTD), men ikke langt fra deres top i 2021 på omkring 180 dollars. Den har en EPS (TTM) på 4,06 dollars og en P/E (TTM) på 28,98, med et udbytte på 0,84 %.

Finansielt rapporterede virksomheden for nylig sine Q2‑2025‑resultater, som viste en vækst på 6 % i omsætning til 1,67 milliarder dollars, mens GAAP‑nettoindkomst var 215 millioner dollars og indtjening pr. aktie (EPS) var 0,75 dollars.

I fotonik/optik‑verdenen er det imidlertid AMS (AMS‑Osram), som kan drage fordel af nanoskalale lys‑udsendende komponenter.

Det østrigsbaserede AMS designer og producerer integrerede analoge mikrochips og tilbyder sine tjenester inden for sensorer, sensor‑grænseflader, strømstyring og mobilunderholdning i kommunikations‑, medicinteknik‑ og bilindustrimarkederne.

På Sensors Converge 2025 sidste måned fremviste AMS sin seneste multi‑zone, direkte Time‑of‑Flight‑sensor, som leverer over 20 gange flere pixel‑tal end tidligere modeller, selv ved lavt strømforbrug, i en kompakt alt‑i‑et‑modul.

Den milliard‑dollarkapitaliserede virksomhed, som tilbyder en fuld‑service foundry med speciale i sensorteknologier, har en EPS (TTM) på -1,51 og en P/E (TTM) på -6,82.

For Q1 2025 registrerede den en omsætning på 820 millioner euro, samtidig med at den rapporterede forbedret rentabilitet og en fri cash‑flow‑prognose på over 100 millioner euro for FY25. På det tidspunkt afslørede den også planer om at sælge en del af sin forretning for at generere over en halv milliard dollars i kapital for at reducere virksomhedens gæld.

Kvantum‑ & nanotek‑specialister

Hvis vi ser på kvanteområdet, er Applied Materials (AMAT ) kendt for at levere aflejrings‑ og nanofabrikations‑værktøjer, hvilket gør deres systemer essentielle for skalering af produktionen af biosensorer.

Materialeteknologivirksomheden opererer gennem tre segmenter: Semiconductor Systems; som fremstiller en række primært 300 mm‑udstyr til fremstilling af halvlederchips eller IC’er, Display; som primært omfatter produkter til fremstilling af LCD‑er, OLED‑er og andre teknologier til smartphones, tablets, PC‑er, tv‑er, monitorer og laptops, samt Applied Global Services (AGS); som producerer 200 mm‑udstyr og leverer reservedele og automatiseringssoftware til fremstillingsanlæg.

Når det gælder markedspræstationen for den 146 milliarder dollars store virksomhed, handles dens aktier på tidspunktet for skrivning til 182,10 dollars, op 11,8 % YTD. Dens EPS (TTM) er 8,21, og P/E (TTM) er 22,20. Udbytteafkastet for aktionærer er over 1 %.

Hvad angår finansielle tal rapporterede virksomheden en GAAP‑bruttomargin på 49,1 % for Q2 2025 og en non‑GAAP‑bruttomargin på 49,2 %. Samtidig var den rekord‑GAAP‑EPS 2,63 dollars, og non‑GAAP‑EPS var 2,39 dollars. Kontantstrøm fra driften i denne periode var 1,57 milliarder dollars, mens Applied Materials udbetalte 2 milliarder dollars til aktionærer, herunder 1,67 milliarder dollars i aktietilbagekøb og 325 millioner dollars i udbytte.

Dets administrerende direktør, Gary Dickerson, tilskrev høj‑ydeevne, energieffektiv AI‑computing som den dominerende driver for innovation.

Tidlige faser & spin‑outs

I tidlige ventures er virksomheder som Lux Capital kendt for at investere i fremspirende teknologier, herunder materialvidenskab, biokemi, elektronik, rumfart og infrastruktur. Venturekapitalfirmaet har også hjulpet akademikere med at fremme teknologisk opdagelse med planer om at investere mindst 100 millioner dollars i lovende forskning inden for sektorer som biotek og AI.

Breakthrough Energy Ventures (BEV) er en anden, der kan målrette lignende kvante‑nanotek‑platformselskaber.

Grundlagt af Bill Gates består BEV af tyve investorer fra hele verden. Fondet har investeret i alt fra smarte sensorer, lagringsløsninger og biotek til AI og bæredygtighed. Det har også forpligtet sig til at investere over en milliard dollars i nye teknologier gennem Breakthrough Energy Coalition (BEC).

I fremtiden er det også muligt, at vi vil se startups spin‑out fra EPFL, ETH eller ICFO med fokus på kvanteteknologi, som bliver kommercielle aktører. Dette er dog ikke nyt; gennem årene er mange universitets‑spin‑offs opstået for at kommercialisere teknologiske opfindelser, der blev udviklet i deres forskningsmiljøer.

For eksempel er Akamai, Boston Dynamics, OKCupid, Cambridge Mobile Telematics, iRobot , RSA Security, Nimble VR, Meraki og mange flere spin‑outs fra Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Selv EPFL har set mange spin‑outs som Bionomous, Dronistics, Hydromea, MindMaze, Sensars, SenseFly, Kandou, Nexthink og flere, der spænder over forskellige sektorer.

ETH Zürich har set spin‑off‑virksomheder inden for områder som AI, maskinlæring, bioteknologi, farmaceutik og robotteknik, mens mindst ti virksomheder er spin‑off fra ICFO, herunder LuxQuanta, som bruger kvanteteknologier til at levere datasikkerhed.

Konklusion

Optiske biosensorer er vigtige inden for præcis medicinsk diagnostik, personlig medicin og miljøovervågning. Ved at levere en selvlysende plasmonisk biosensor repræsenterer den seneste innovation et skift, der kombinerer kvantetunnelering med fotonik i en selvstændig chip. 

Dette udfordrer ikke kun konventionelt sensordesign, men fremstår også som en praktisk implementering af kvantemekanik, der går ud over eksperimenter til skalerbare teknologier med potentiale for bred adoption.

Ved at indlejre kvante‑lyskilder direkte i chip‑skala enheder har forskerne skabt en ny grænse inden for biosensor‑teknologi, som lover alsidighed, kompakthed og hidtil uset følsomhed på tværs af sektorer.

Klik her for en liste over top‑kvante‑computing‑virksomheder.

Refererede studier:

1. Lee, J.; Wu, Y.; Sinev, I.; et al. Plasmonic Biosensor Enabled by Resonant Quantum Tunnelling. Nat. Photon. 2025. https://doi.org/10.1038/s41566-025-01708-y