La Luz Cuántica Permite Biosensores Ópticos Autoincandescentes

En el mundo de la salud, los biosensores están ganando una tracción significativa como herramienta de diagnóstico. Estos dispositivos eléctricos miden señales biológicas o químicas y las convierten en señales eléctricas. 

Se utilizan en todo, desde el monitoreo de enfermedades y el descubrimiento de fármacos hasta la detección no invasiva de microorganismos que causan enfermedades y marcadores que indican virus en fluidos corporales como sudor, saliva, orina y sangre.

Los biosensores también están encontrando aplicaciones en la inspección y seguridad alimentaria, la agricultura, estudios medioambientales, biotecnología y utilidades médicas. Impulsado por toda esta demanda, el mercado global de biosensores ya apunta a decenas de miles de millones anuales.

Un biosensor típico consta de algunos componentes principales:

• Bio receptor
• Transductor
• Analito
• Pantalla

En este caso, el analito es una sustancia de interés que se está identificando y midiendo. Por ejemplo, en un biosensor diseñado para detectar glucosa, la glucosa es el analito.

Un bioreceptor es un componente biológico, como ADN, células, enzimas o anticuerpos, que reconoce el analito. El proceso de generación de señal ocurre en forma de calor, luz o un cambio al interactuar el bioreceptor con el analito, y se denomina bio‑reconocimiento.

El transductor convierte el evento de bio‑reconocimiento en una señal óptica o eléctrica medible. La pantalla es simplemente un sistema de interpretación del usuario que genera datos en forma gráfica, numérica o cualquier otra forma comprensible para el usuario. 

Ahora, existen aproximadamente cuatro tipos de biosensores según su método de transducción, a saber, biosensores electroquímicos, térmicos, piezoeléctricos, magnéticos y ópticos. Cada uno de estos tipos utiliza un mecanismo diferente para convertir una interacción biológica en una señal medible.

En lo que respecta a los biosensores ópticos, específicamente, son conocidos por su beneficio añadido en aplicaciones de detección debido a su extrema sensibilidad, selectividad y mediciones rápidas. También proporcionan detección en tiempo real de sustancias biológicas y químicas de manera específica y rentable. 

La forma en que los biosensores ópticos funcionan es convirtiendo señales de luz en señales eléctricas con actividad basada en la interacción del campo óptico con un bioreceptor o elemento de bio‑reconocimiento.

Estos biosensores se clasifican como “sin etiqueta”, donde las señales se producen directamente al interactuar el material del analito con el transductor, y “con etiqueta”, donde las señales generadas se amplifican mediante métodos luminiscentes, fluorescentes o colorimétricos. 

Aunque ofrecen ventajas distintas en comparación con técnicas analíticas tradicionales, los biosensores ópticos requieren fuentes de luz externas, lo que restringe su despliegue a entornos de laboratorio y evita su uso en entornos de monitoreo de salud y medio ambiente.

Para superar los desafíos en sus aplicaciones reales generalizadas, investigadores del Laboratorio de Sistemas Bionanofotónicos en la Escuela de Ingeniería de EPFL han utilizado la física cuántica para detectar la presencia de biomoléculas sin necesidad de una fuente de luz externa.

Empujando los Límites de la Detección Óptica

Para detectar analitos biológicos, los biosensores ópticos utilizan ondas de luz. Aunque el uso de estructuras nanofotónicas que ‘aprietan’ la luz en la superficie de un diminuto chip para enfocar las ondas de luz a nivel nanométrico puede mejorar su rendimiento de manera significativa, como señalamos antes, esto requiere fuentes de luz externas, lo que implica equipos voluminosos, impidiendo así su uso para diagnósticos rápidos y en entornos de atención puntual.

Por lo tanto, para eliminar la necesidad de una fuente de luz externa en un biosensor basado en luz, los investigadores recurrieron a la física cuántica. 

Han introducido un sensor plasmónico con una fuente de luz integrada, proporcionada por uniones de túnel cuántico. 

Las nanoestructuras metálicas plasmónicas han sido investigadas activamente para sensores ópticos debido a sus habilidades únicas para soportar una fuerte mejora del campo óptico así como una confinación de luz a sublongitudes de onda profundas mediante resonancias de plasmones de superficie localizados y polaritones de superficie plasmónicos (SPP).

LSPR es el movimiento oscilatorio colectivo de electrones de conducción cerca de la superficie de metales nobles nanostructurados cuando se iluminan con luz. Esto conduce a la creación de un campo electromagnético localizado con propiedades ópticas distintas.

Los SPP, por su parte, son ondas electromagnéticas superficiales que surgen cuando los plasmones de superficie excitados se acoplan con fotones y viajan a lo largo de la interfaz entre un metal y un material dieléctrico. 

Sobre esta base, los dispositivos de biosensado han superado el rendimiento de detección de los sensores ópticos convencionales, facilitando su uso generalizado y comercialización. 

De hecho, los biosensores de Resonancia de Plasmones de Superficie (SPR) basados en películas metálicas planas se han convertido en una de las técnicas estándar sin etiqueta para monitorear en tiempo real interacciones biomoleculares.

Los biosensores nanoplásmonicos, que combinan nanomateriales, LSPR o SPR, y biosensores ópticos, permiten a su vez una reducción del volumen de muestra requerido, habilitando la observación de secreción de una sola célula en tiempo real. 

Los avances en el campo están ahora explorando sistemas de detección plasmónicos cuánticos que pueden descubrir oportunidades novedosas para mejorar el rendimiento del dispositivo hasta el nivel de detección de una sola molécula. Pero a pesar de todo el progreso logrado en el campo de la nanofotónica, todavía se necesita una fuente de luz externa para excitar los SPP.

Combinado con equipos voluminosos como prismas o rejillas, lo que limita la usabilidad de los sensores plasmónicos. Para avanzar su uso en investigación bioquímica y diagnósticos médicos, necesitamos dispositivos miniaturizados e integrados.

Aprovechando el Túnel de Electrones Inelástico para la Generación de Luz en Chip

Publicado en Nature Photonics¹ en colaboración con investigadores de ETH Zurich, ICFO y Yonsei University, ingenieros de EPFL han presentado un biosensor óptico sin etiqueta en chip que es autoincandescente y aprovecha el túnel cuántico, un fenómeno en el cual una partícula atraviesa una barrera de energía potencial que clásicamente no puede cruzar.

Al aprovechar el túnel de electrones inelástico, los investigadores han creado un dispositivo que solo necesita un flujo constante de electrones en forma de voltaje eléctrico aplicado para iluminar e identificar moléculas. 

“Si piensas en un electrón como una onda, más que como una partícula, esa onda tiene una cierta baja probabilidad de ‘tunelizar’ al otro lado de una barrera aislante extremadamente delgada mientras emite un fotón de luz. Lo que hemos hecho es crear una nanoestructura que forma parte de esta barrera aislante y aumenta la probabilidad de que ocurra la emisión de luz.”

– Investigador Mikhail Masharin

Para el diseño de su dispositivo, los ingenieros han utilizado una película multicapa donde el aislante está entre dos metales. 

Aquí, nanohilos de oro (Au) se colocan sobre una fina capa de aluminio, que es la barrera de túnel, separándolos de una película de aluminio (Al) en la parte inferior. 

La superficie superior utiliza una metasuperficie plasmónica que sirve a dos propósitos, lo que constituye el núcleo de la innovación. La capa de oro de la nanoestructura sirve como contacto eléctrico para la unión de túnel así como una interfaz óptica para facilitar el acoplamiento del túnel cuántico de electrones inelástico, acompañado de emisión de luz, a la radiación en el espacio libre.

Esto significa que la metasuperficie muestra propiedades especiales que crean las condiciones para el túnel cuántico y controlan la emisión de luz resultante. 

El control se habilita mediante la disposición de la metasuperficie, que está en una malla de nanohilos de oro. Estos actúan como ‘nanoantenas’ para concentrar la luz en los volúmenes nanométricos necesarios para la detección eficiente de biomoléculas.

La disposición impacta la eficiencia cuántica interna del proceso de túnel al realzar el componente radiativo de la densidad de estados ópticos electromagnéticos, mejorando a su vez la eficiencia cuántica radiativa y, como resultado, aumentando la señal detectada. 

En términos más simples, su nanoestructura básicamente crea las condiciones adecuadas para que un electrón atraviese y cruce una barrera de óxido de aluminio hasta llegar a la capa ultrafina de oro (Au). En este proceso, parte de la energía del electrón se transfiere a la excitación colectiva (también conocida como plasmon), que luego emite un fotón. 

Para producir una LIET (emisión de luz por túnel de electrones inelástico) eficiente y espacialmente uniforme, el investigador utilizó un diseño de metasuperficie flexible que fue optimizado para biosensado. La primera autora, Jihye Lee, quien es ex‑investigadora del Laboratorio de Sistemas Bionanofotónicos y actualmente ingeniera en Samsung Electronics:

“El túnel de electrones inelástico es un proceso de muy baja probabilidad, pero si tienes un proceso de baja probabilidad que ocurre uniformemente sobre una área muy grande, aún puedes recolectar suficientes fotones. Aquí es donde hemos enfocado nuestra optimización, y resulta ser una estrategia muy prometedora para el biosensado.” 

El diseño del dispositivo asegura que el espectro y la intensidad de la luz cambien al entrar en contacto con biomoléculas, proporcionando una técnica poderosa para la detección sin etiqueta y en tiempo real.

Biosensores Cuánticos: Compactos, Escalables y en Tiempo Real

Con el dispositivo compacto e innovador, los investigadores han avanzado significativamente las capacidades de los sensores actualmente disponibles en el mercado.

Como afirmó Hatice Altug, directora del Laboratorio de Sistemas Bionanofotónicos:

“Las pruebas mostraron que nuestro biosensor autoincandescente puede detectar aminoácidos y polímeros a concentraciones de picogramos — eso es una billonésima parte de un gramo — rivalizando con los sensores más avanzados disponibles hoy.”

Otro punto importante aquí es el uso de la mecánica cuántica para lograr el avance, lo que esencialmente lo lleva más al ámbito práctico.

Se ha explorado mucho sobre la mecánica cuántica, una teoría fundamental de la física que trata las propiedades y el comportamiento de partículas a nivel atómico y subatómico, que se introdujo por primera vez hace aproximadamente un siglo.

Durante este tiempo, la mecánica cuántica ha ayudado a avanzar industrias al sustentar numerosas tecnologías modernas, incluidos semiconductores para electrónica, láseres y resonancia magnética (MRI). También está allanando el camino para futuras innovaciones, como la computación cuántica y la ciberseguridad avanzada. 

Según Julian Kelly, director de hardware en Google Quantum AI, podríamos estar a “cinco años de una verdadera ruptura, una aplicación práctica que solo se puede resolver en una computadora cuántica”.

Los computadores cuánticos, según él, “pueden acceder a la forma en que el universo funciona al nivel más fundamental”.

Nvidia (NVDA ) CEO Jensen Huang comparte una visión similar. Él cree que la computación cuántica tiene el potencial de “entregar un impacto extraordinario”, pero añadió que “la tecnología es increíblemente complicada”.

En medio de esto, ingenieros de EPFL han integrado fuentes de luz cuántica directamente en dispositivos a escala de chip, revolucionando la tecnología de biosensado que puede usarse para monitoreo industrial, incluyendo pruebas de agua, control de calidad del aire y seguridad alimentaria. Su avance también puede desbloquear nuevos dispositivos en detección cuántica y sensores inteligentes.

La arquitectura del sensor LIET aquí realmente ofrece una huella de dispositivo más pequeña, debido a que las antenas plasmónicas actúan tanto como fuente de luz como elemento de detección, en comparación con diseños que integran estructuras plasmónicas sobre fotodetectores o LEDs

Los investigadores probaron su dispositivo con biomoléculas y polímeros de espesor nanométrico y encontraron que tanto la intensidad de la luz emitida como el perfil espectral se modulan por los cambios locales en el índice de refracción producidos por la presencia del analito. Esto significa que los dispositivos LIET pueden usarse como biosensores ópticos compactos y sensibles en chip para aplicaciones de punto de atención.

El dispositivo de detección, según el estudio, tiene suficiente potencia emitida para operar con los detectores de luz más comunes. La plataforma cuántica es escalable y compatible con métodos de fabricación de sensores, lo que la hace factible para producción y distribución generalizadas.

“Nuestro trabajo entrega un sensor totalmente integrado que combina generación y detección de luz en un solo chip. Con aplicaciones potenciales que van desde diagnósticos punto de atención hasta la detección de contaminantes ambientales, esta tecnología representa una nueva frontera en sistemas de detección de alto rendimiento,” dijo el investigador del Laboratorio de Sistemas Bionanofotónicos Ivan Sinev.

Con menos de un milímetro cuadrado de área activa necesaria para la detección, el diseño ciertamente puede abrir perspectivas emocionantes para realizar un biosensor electro‑óptico práctico y nuevas aplicaciones. 

Además, podría conducir a nuevos dispositivos de mano en contraste con los actuales configuraciones de mesa, que encajarían perfectamente en entornos como consultorios médicos, hogares de ancianos y clínicas remotas, donde el equipo de laboratorio voluminoso es simplemente poco práctico. 

Su naturaleza sin etiqueta y capacidad de monitoreo en tiempo real lo hacen perfecto para rastrear biomarcadores en enfermedades como infecciones, cáncer y trastornos metabólicos.

Más allá de todo esto, la plataforma puede ayudar a proporcionar conocimientos científicos fundamentales que pueden impulsar otros campos, incluyendo nano‑óptica, ciencia de materiales y computación cuántica.

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Principales Oportunidades de Inversión en Biosensores Cuánticos

Ahora, es momento de profundizar en las opciones de inversión, tanto establecidas como emergentes, en el campo del biosensado impulsado por la mecánica cuántica.

Jugadores y Plataformas Establecidas

En lo que respecta a instrumentos analíticos y diagnósticos, Agilent Technologies (A ) está entre los nombres notables que pueden potencialmente integrar la nueva tecnología en sus líneas de productos.

La compañía se destaca por su especialización en diagnósticos, ciencias de la vida y mercados aplicados. Ofrece soluciones de software y automatización de laboratorio así como reactivos, instrumentos y consumibles. Además de ingredientes farmacéuticos activos para terapias basadas en oligómeros, también ofrece instrumentos y software para identificar, cuantificar y analizar las propiedades biológicas de sustancias.

Principios de este año, Agilent colaboró con ABB Robotics para ofrecer soluciones de laboratorio automatizadas, haciendo procesos como investigación y control de calidad más rápidos y eficientes.

Con una capitalización de mercado de $33.45 mil millones, las acciones de Agilent cotizan actualmente a $117.76, con una caída del 12.16% en lo que va del año (YTD), pero no muy lejos de su pico de 2021 de alrededor de $180. Tiene un EPS (TTM) de $4.06 y un P/E (TTM) de 28.98, con un rendimiento de dividendo del 0.84% también disponible. 

Financieramente, la compañía reportó recientemente sus resultados del Q2 2025, los cuales mostraron un crecimiento del 6% en ingresos a $1.67 mil millones mientras que la utilidad neta GAAP fue de $215 millones y las ganancias por acción (EPS) fueron $0.75.

En el mundo de la fotónica/óptica, mientras tanto, AMS (AMS-Osram) es la que podría beneficiarse de componentes emisores de luz a escala nanométrica.

La AMS, con sede en Austria, diseña y produce microchips analógicos integrados y ofrece sus servicios en áreas de sensores, interfaces de sensores, gestión de energía y entretenimiento móvil en los mercados de comunicaciones, tecnología médica y automotriz.

En Sensors Converge 2025 el mes pasado, AMS presentó su último sensor de tiempo de vuelo (Time-of-Flight) multizona directo que proporciona más de 20 veces el número de píxeles que los anteriores, incluso con bajo consumo, en un módulo compacto todo en uno.

La compañía, con capitalización de mercado de mil millones de dólares, que ofrece una fundición de servicio completo especializada en tecnologías de sensores, tiene un EPS (TTM) de -1.51 y un P/E (TTM) de -6.82.

Para el Q1 2025, registró ingresos de 820 millones de euros mientras reportaba una rentabilidad mejorada y una perspectiva de flujo de caja libre superior a 100 millones de euros para el FY25. En ese momento, también reveló planes para vender una parte de su negocio para generar más de medio mil millones de dólares en capital y reducir la deuda de la compañía.

Especialistas en Cuántica y Nanotecnología

Si miramos en el ámbito cuántico, Applied Materials (AMAT ) es conocida por proporcionar herramientas de deposición y nanofabricación, haciendo que sistemas como los suyos sean esenciales para escalar la producción de biosensores. 

La compañía de soluciones de ingeniería de materiales opera a través de tres segmentos: Sistemas de Semiconductores; que fabrica una gama de equipos principalmente de 300 mm utilizados para fabricar chips semiconductores o ICs, Display; que comprende principalmente productos para la fabricación de LCDs, OLEDs y otras tecnologías para smartphones, tablets, PC, televisores, monitores y laptops, y Servicios Globales Aplicados (AGS); que fabrica equipos de 200 mm y proporciona repuestos y software de automatización a la planta de fabricación.

En cuanto al desempeño del mercado de la compañía con capitalización de $146 mil millones, sus acciones al momento de escribir cotizan a $182.10, con un aumento del 11.8% YTD. Su EPS (TTM) es 8.21, y el P/E (TTM) es 22.20. El rendimiento de dividendo que los accionistas pueden obtener supera el 1%.

En cuanto a finanzas, la compañía reportó un margen bruto GAAP del 49.1% para el Q2 2025 y un margen bruto no GAAP del 49.2%. Mientras tanto, el EPS GAAP récord fue de $2.63, y el EPS no GAAP fue $2.39. El efectivo de operaciones generado durante este período fue de $1.57 mil millones mientras Applied Materials distribuyó $2 mil millones a los accionistas, incluyendo $1.67 mil millones en recompras de acciones y $325 millones en dividendos.

Su CEO, Gary Dickerson, atribuyó la computación de IA de alto rendimiento y eficiencia energética como el motor dominante de la innovación.

Etapas Tempranas y Spin‑Outs

En emprendimientos de etapa temprana, nombres como Lux Capital son conocidos por invertir en tecnologías emergentes, incluyendo ciencia de materiales, bioquímica, electrónica, aeroespacial e infraestructura. La firma de capital de riesgo (VC) también ha estado ayudando a académicos a avanzar en descubrimientos tecnológicos con planes de invertir al menos $100 millones para apoyar investigaciones prometedoras en sectores como biotecnología e IA.

Breakthrough Energy Ventures (BEV) es otra que podría apuntar a compañías de plataformas cuántico‑nanotecnológicas similares.

Fundada por Bill Gates, BEV está compuesta por veinte inversores de todo el mundo. El fondo ha invertido en todo, desde sensores inteligentes, soluciones de almacenamiento y biotecnología hasta IA y sostenibilidad. También se ha comprometido a invertir más de mil millones de dólares en nuevas tecnologías a través de la Coalición Breakthrough Energy (BEC).

En el futuro, también es posible que veamos startups surgidas de EPFL, ETH o ICFO con un enfoque en tecnología cuántica y que se conviertan en actores comerciales. Esto no es nada nuevo, sin embargo. A lo largo de los años, muchos spin‑offs universitarios han surgido para transformar invenciones tecnológicas desarrolladas a partir de la investigación que realizaron en sus universidades.

Por ejemplo, Akamai, Boston Dynamics, OKCupid, Cambridge Mobile Telematics, iRobot , RSA Security, Nimble VR, Meraki y muchos más se han originado en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT).

Incluso EPFL ha visto muchos spin‑outs como Bionomous, Dronistics, Hydromea, MindMaze, Sensars, SenseFly, Kandou, Nexthink y más, abarcando varios sectores.

ETH Zurich ha visto empresas spin‑off en áreas como IA, aprendizaje automático, biotecnología, farmacéutica y robótica, mientras que al menos diez firmas han surgido de ICFO, incluyendo LuxQuanta, que utiliza tecnologías cuánticas para proporcionar seguridad de datos.

Conclusión

Los biosensores ópticos son importantes en los campos de diagnósticos médicos precisos, medicina personalizada y monitoreo ambiental. Al traernos un biosensor plasmónico autoincandescente, la última innovación presenta un cambio que combina el túnel cuántico con la fotónica en un chip autónomo. 

Esto no solo desafía el diseño convencional de sensores, sino que también destaca como una implementación práctica de la mecánica cuántica, yendo más allá de la experimentación hacia tecnologías escalables con el potencial de lograr una adopción generalizada.

Al integrar fuentes de luz cuántica directamente en dispositivos a escala de chip, los investigadores han creado una nueva frontera en la tecnología de biosensado, prometiendo versatilidad, compacidad y una sensibilidad sin precedentes en varios sectores.

Haga clic aquí para una lista de las principales compañías de computación cuántica.

Estudios Referenciados:

1. Lee, J.; Wu, Y.; Sinev, I.; et al. Biosensor Plasmónico Habilitado por Túnel Cuántico Resonante. Nat. Photon. 2025. https://doi.org/10.1038/s41566-025-01708-y