La lumière quantique permet aux biocapteurs optiques auto-éclairants

Dans le monde de la santé, les biocapteurs sont gagner du terrain de manière significative comme outil de diagnostic. Ces appareils électriques mesurent des signaux biologiques ou chimiques et les convertissent en signaux électriques. 

Ils sont utilisés dans tous les domaines, depuis la surveillance des maladies et la découverte de médicaments jusqu'à la détection non invasive des micro-organismes responsables de maladies et des marqueurs qui signalent la présence de virus dans les fluides corporels comme la sueur, la salive, l'urine et le sang.

Les biocapteurs trouvent également des applications dans l'inspection et la sécurité des aliments, l'agriculture, les études environnementales, les biotechnologies et les services médicaux. Poussée par cette forte demande, la marché mondial des biocapteurs vise déjà des dizaines de milliards par an.

Un biocapteur typique se compose de quelques composants principaux :

• Biorécepteur
• Transducteur
• Analyte
• Écran

Ici, l'analyte est une substance d'intérêt identifiée et mesurée. Par exemple, dans un biocapteur conçu pour détecter le glucose, le glucose est un analyte.

Un biorécepteur est un composant biologique, tel que l'ADN, les cellules, les enzymes ou les anticorps, qui reconnaît l'analyte. Le processus de génération du signal se produit sous forme de chaleur, de lumière ou d'une modification lors de l'interaction du biorécepteur avec l'analyte ; c'est ce qu'on appelle la bioreconnaissance.

Le transducteur convertit l'événement de bioreconnaissance en un signal optique ou électrique mesurable. L'affichage est simplement un système d'interprétation utilisateur qui génère des données sous forme graphique, numérique ou toute autre forme compréhensible par l'utilisateur. 

Il existe aujourd'hui quatre types de biocapteurs, selon leur méthode de transduction : électrochimiques, thermiques, piézoélectriques, magnétiques et optiques. Chacun de ces types utilise un mécanisme différent pour convertir une interaction biologique en un signal mesurable.

Les biocapteurs optiques sont reconnus pour leur atout majeur dans les applications de détection grâce à leur extrême sensibilité, leur sélectivité et la rapidité de leurs mesures. Ils permettent également la détection en temps réel de substances biologiques et chimiques de manière précise et économique. 

Le fonctionnement des biocapteurs optiques consiste à convertir les signaux lumineux en signaux électriques dont l'activité est basée sur l'interaction du champ optique avec un biorécepteur ou un élément de bioreconnaissance.

Ces biocapteurs sont classés comme « sans marquage », où les signaux sont produits directement lors de l'interaction du matériau analyte avec le transducteur, et « basés sur le marquage », où les signaux générés sont amplifiés par des méthodes luminescentes, fluorescentes ou colorimétriques. 

Bien qu'offrant des avantages distincts par rapport aux techniques d'analyse traditionnelles, les biocapteurs optiques nécessitent des sources lumineuses externes, ce qui limite leur déploiement aux environnements de laboratoire et empêche leur utilisation dans les environnements de soins de santé et de surveillance environnementale.

Pour surmonter les défis liés à ses applications réelles à grande échelle, les chercheurs du Laboratoire de systèmes bionanophotoniques de la Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur de l'EPFL ont utilisé la physique quantique pour détecter la présence de biomolécules sans avoir besoin d'une source de lumière externe.

Repousser les limites de la biodétection optique

Pour détecter les analytes biologiques, les biocapteurs optiques utilisent des ondes lumineuses. Bien que l'utilisation de structures nanophotoniques qui « compriment » la lumière à la surface d'une minuscule puce pour focaliser les ondes lumineuses jusqu'au niveau nanométrique puisse améliorer considérablement leurs performances, comme nous l'avons noté ci-dessus, cela nécessite des sources de lumière externes, ce qui implique un équipement volumineux, empêchant ainsi son utilisation pour des diagnostics rapides et dans les points de service.

Ainsi, pour éliminer le besoin d’une source de lumière externe dans un biocapteur basé sur la lumière, les chercheurs se sont tournés vers la physique quantique. 

Ils ont introduit un capteur plasmonique avec une source de lumière intégrée, fournie par des jonctions tunnel quantiques. 

Les nanostructures métalliques plasmoniques ont en fait été activement étudiées pour les capteurs optiques en raison de leurs capacités uniques à prendre en charge une forte amélioration du champ optique ainsi qu'un confinement de la lumière à sous-longueur d'onde profonde grâce à des résonances plasmoniques de surface localisées et à des polaritons plasmoniques de surface se propageant (SPP).

La LSPR est le mouvement oscillatoire collectif des électrons de conduction près de la surface de métaux nobles nanostructurés lorsqu'ils sont éclairés par la lumière. Cela conduit à la création d'un champ électromagnétique localisé aux propriétés optiques distinctes.

Les SPP, quant à eux, sont des ondes de surface électromagnétiques qui apparaissent lorsque des plasmons de surface excités se couplent à des photons et se déplacent le long de l'interface entre un métal et un matériau diélectrique. 

C'est sur cette base que les dispositifs de biodétection ont surpassé les performances de détection des capteurs optiques conventionnels, facilitant ainsi leur utilisation et leur commercialisation à grande échelle. 

En fait, les biocapteurs à résonance plasmonique de surface (SPR) basés sur des films métalliques plats sont devenus l’une des techniques standard sans marquage pour surveiller en temps réel les interactions biomoléculaires.

Les biocapteurs nanoplasmoniques, qui sont la combinaison de nanomatériaux, LSPR ou SPR, et de biocapteurs optiques, permettent quant à eux de réduire les volumes d'échantillons requis, permettant l'observation de la sécrétion de cellules uniques en temps réel. 

Les avancées dans ce domaine s'intéressent désormais aux systèmes de détection plasmonique quantique, qui permettent d'explorer de nouvelles perspectives d'amélioration des performances des dispositifs, jusqu'à la détection de molécules uniques. Cependant, malgré tous les progrès réalisés dans le domaine de la nanophotonique, une source lumineuse externe pour exciter les SPP demeure nécessaire.

Associés à des équipements encombrants comme des prismes ou des réseaux, les capteurs plasmoniques limitent leur utilisation. Pour développer leur utilisation en recherche biochimique et en diagnostic médical, nous avons besoin de dispositifs miniaturisés et intégrés.

Exploiter le tunnel électronique inélastique pour la génération de lumière sur puce

Publié dans Nature Photonics¹ En collaboration avec des chercheurs de l'ETH Zurich, de l'ICFO et de l'Université Yonsei, des ingénieurs de l'EPFL ont présenté un biocapteur optique sans étiquette sur puce qui s'illumine automatiquement et exploite le tunnel quantique, un phénomène dans lequel une particule traverse une barrière d'énergie potentielle qu'elle ne peut classiquement pas franchir.

En exploitant l’effet tunnel électronique inélastique, les chercheurs ont créé un dispositif qui n’a besoin que d’un flux constant d’électrons sous forme de tension électrique appliquée pour éclairer et identifier les molécules. 

Si l'on considère un électron comme une onde plutôt que comme une particule, cette onde a une faible probabilité de traverser une barrière isolante extrêmement fine tout en émettant un photon lumineux. Nous avons créé une nanostructure qui fait partie intégrante de cette barrière isolante et augmente la probabilité d'émission de lumière.

– Chercheur Mikhaïl Masharine

Pour la conception de leur appareil, les ingénieurs ont utilisé un film multicouche où l'isolant se trouve entre deux métaux. 

Ici, des nanofils d'or (Au) sont placés sur une fine couche d'aluminium, qui constitue la barrière tunnel, les séparant d'un film d'aluminium (Al) en bas. 

La surface supérieure utilise une métasurface plasmonique à double fonction, qui constitue le cœur de l'innovation. La couche d'or de la nanostructure sert de contact électrique pour la jonction tunnel et d'interface optique pour faciliter le couplage de l'effet tunnel quantique inélastique des électrons, accompagné d'une émission lumineuse, au rayonnement en espace libre.

Cela signifie que la métasurface présente des propriétés spéciales qui créent les conditions de l’effet tunnel quantique et contrôlent l’émission de lumière qui en résulte. 

Le contrôle est assuré par la disposition de la métasurface, constituée d'un maillage de nanofils d'or. Ceux-ci agissent comme des « nanoantennes » pour concentrer la lumière aux volumes nanométriques nécessaires à la détection efficace des biomolécules.

L'agencement a un impact sur l'efficacité quantique interne du processus de tunnelisation en améliorant la composante radiative de la densité électromagnétique des états optiques, améliorant à son tour l'efficacité quantique radiative et, par conséquent, améliorant le signal détecté. 

En termes plus simples, leur nanostructure crée les conditions idéales pour qu'un électron la traverse et franchisse une barrière d'oxyde d'aluminium pour atteindre la couche ultrafine d'or (Au). Au cours de ce processus, une partie de l'énergie de l'électron est transférée à l'excitation collective (aussi appelée plasmon), qui émet alors un photon. 

Afin de produire une émission lumineuse par effet tunnel inélastique d'électrons (LIET) efficace et spatialement uniforme, le chercheur a utilisé une métasurface flexible optimisée pour la biodétection. La première auteure, Jihye Lee, ancienne chercheuse au Laboratoire des systèmes bionanophotoniques et actuellement ingénieure chez Samsung Electronics :

L'effet tunnel inélastique des électrons est un processus à très faible probabilité, mais si un tel processus se produit uniformément sur une très grande surface, il est possible de collecter suffisamment de photons. C'est sur ce point que nous avons concentré notre optimisation, et cela s'avère être une nouvelle stratégie très prometteuse pour la biodétection. 

La conception de l'appareil garantit que le spectre et l'intensité de la lumière changent lorsqu'elle entre en contact avec des biomolécules, offrant ainsi une technique puissante pour une détection en temps réel sans marquage.

Biocapteurs quantiques : compacts, évolutifs et en temps réel

Grâce à cet appareil innovant et compact, les chercheurs ont considérablement amélioré les capacités des capteurs actuellement disponibles sur le marché.

Comme l'a déclaré Hatice Altug, directrice du laboratoire des systèmes bionanophotoniques :

« Les tests ont montré que notre biocapteur auto-illuminant peut détecter des acides aminés et des polymères à des concentrations de l'ordre du picogramme – soit un billionième de gramme – rivalisant avec les capteurs les plus avancés disponibles aujourd'hui. »

Un autre point important ici est l’utilisation de la mécanique quantique pour réaliser cette percée, qui l’amène essentiellement plus loin dans le domaine pratique.

De nombreuses études ont été menées sur la mécanique quantique, une théorie fondamentale de la physique qui traite des propriétés et du comportement des particules aux niveaux atomique et subatomique, introduite pour la première fois il y a environ un siècle.

Au cours de cette période, la mécanique quantique a contribué à faire progresser les industries en soutenant de nombreuses technologies modernes, notamment semi-conducteurs pour l'électronique, les lasers et l'imagerie par résonance magnétique (IRM). Elle ouvre également la voie à des innovations futures, telles que l'informatique quantique et la cybersécurité avancée. 

Selon Julian Kelly, directeur du matériel chez Google Quantum AI, nous pourrions être à environ « cinq ans d’une véritable percée, d’une sorte d’application pratique que vous ne pouvez résoudre que sur un ordinateur quantique ».

Les ordinateurs quantiques, selon lui, « peuvent accéder à la façon dont l’univers fonctionne au niveau le plus fondamental ».

Nvidia (NVDA -0.27%) Le PDG Jensen Huang partage cet avis. Il estime l'informatique quantique a le potentiel de « produire un impact extraordinaire », mais a ajouté que « la technologie est incroyablement compliquée ».

Dans ce contexte, les ingénieurs de l'EPFL ont intégré des sources de lumière quantique directement dans des dispositifs à l'échelle d'une puce, révolutionnant ainsi la technologie de biodétection qui peut être utilisée pour la surveillance industrielle, notamment les tests de l'eau, le contrôle de la qualité de l'air et la sécurité alimentaire. Leur avancée pourrait également ouvrir la voie à de nouveaux dispositifs de détection quantique et de capteurs intelligents.

L'architecture du capteur LIET offre ici en fait une empreinte de dispositif plus petite, en raison des antennes plasmoniques agissant à la fois comme source de lumière et comme élément de détection, par rapport aux conceptions qui intègrent des structures plasmoniques au-dessus des photodétecteurs ou des LED.

Les chercheurs ont testé leur dispositif avec des biomolécules et des polymères de l'ordre du nanomètre et ont constaté que l'intensité de la lumière émise et le profil spectral sont modulés par les variations locales de l'indice de réfraction induites par la présence de l'analyte. Ainsi, les dispositifs LIET peuvent être utilisés comme biocapteurs optiques intégrés compacts et sensibles pour les applications au point de service.

Selon l'étude, le dispositif de détection dispose d'une puissance d'émission suffisante pour fonctionner avec les détecteurs de lumière les plus courants. La plateforme quantique est évolutive et compatible avec les méthodes de fabrication de capteurs, ce qui permet une production et une distribution à grande échelle.

« Nos travaux aboutissent à un capteur entièrement intégré combinant génération de lumière et détection sur une seule puce. Avec des applications potentielles allant du diagnostic au chevet du patient à la détection de contaminants environnementaux, cette technologie représente une nouvelle frontière pour les systèmes de détection haute performance », a déclaré Ivan Sinev, chercheur au Laboratoire des systèmes bionanophotoniques.

Avec moins d'un millimètre carré de surface active nécessaire à la détection, la conception peut certainement ouvrir des perspectives intéressantes pour réaliser un biocapteur électro-optique pratique et de nouvelles applications. 

En outre, cela peut potentiellement conduire à de nouveaux appareils portables, contrairement aux configurations de table actuelles, qui s'intègrent parfaitement dans des environnements tels que les cabinets médicaux, les maisons de retraite et les cliniques éloignées, où les équipements de laboratoire encombrants sont tout simplement peu pratiques. 

Sa nature sans étiquette et sa capacité de surveillance en temps réel rendent le biocapteur quantique parfait pour suivre les biomarqueurs dans des maladies telles que les infections, le cancer et les troubles métaboliques.

Au-delà de tout cela, la plateforme peut contribuer à fournir des informations scientifiques fondamentales qui peuvent contribuer à faire progresser d’autres domaines, notamment la nano-optique, la science des matériaux et l’informatique quantique.

Cliquez ici pour en savoir plus sur l'état actuel de l'informatique quantique.

Principales opportunités d'investissement dans les biocapteurs quantiques

Il est maintenant temps d’examiner en profondeur les options d’investissement, établies et émergentes, dans le domaine de la biodétection quantique.

Acteurs et plateformes établis

En ce qui concerne les instruments d’analyse et de diagnostic, Agilent Technologies (A + 1.96%) fait partie des noms notables qui peuvent potentiellement intégrer la nouvelle technologie dans leurs gammes de produits.

L'entreprise se distingue par sa spécialisation dans le diagnostic, les sciences de la vie et les marchés appliqués. Elle propose logiciels et solutions d'automatisation de laboratoire, ainsi que des réactifs, des instruments et des consommables. Outre uneIngrédients pharmaceutiques actifs pour les thérapies à base d'oligo-éléments, elle propose également des instruments et des logiciels pour identifier, quantifier et analyser les propriétés biologiques des substances.

Plus tôt cette année, Agilent a collaboré avec ABB Robotics pour fournir des solutions de laboratoire automatisées, rendant les processus tels que la recherche et le contrôle qualité plus rapides et plus efficaces.

Avec une capitalisation boursière de 33.45 milliards de dollars, l'action Agilent se négocie actuellement à 117.76 dollars, en baisse de 12.16 % depuis le début de l'année (YTD), mais proche de son pic de 2021, autour de 180 dollars. Le BPA (TTM) s'établit à 4.06 dollars et le PER (TTM) à 28.98 dollars, avec un rendement du dividende de 0.84 %. 

Sur le plan financier, la société a récemment publié ses résultats du deuxième trimestre 2, qui ont montré une croissance de 2025 % du chiffre d'affaires à 6 milliard de dollars tandis que le bénéfice net GAAP était de 1.67 millions de dollars et le bénéfice par action (BPA) était de 215 $.

Dans le monde de la photonique/optique, c'est AMS (AMS-Osram) qui pourrait bénéficier des composants électroluminescents à l'échelle nanométrique.

L'espace Basée en Autriche, AMS conçoit et produit des micropuces analogiques intégrées et propose ses services dans les domaines des capteurs, des interfaces de capteurs, de la gestion de l'énergie et du divertissement mobile.développement dans les marchés des communications, des technologies médicales et de l’automobile.

Lors du salon Sensors Converge 2025 le mois dernier, AMS a présenté son dernier capteur multizone à temps de vol direct qui fournit plus de 20 fois plus de pixels que les précédents, même à faible consommation, dans un module compact tout-en-un.

La société d'une capitalisation boursière d'un milliard de dollars, qui propose une fonderie à service complet spécialisée dans les technologies de capteurs, a un BPA (TTM) de -1.51 et un P/E (TTM) de -6.82.

Au premier trimestre 1, l'entreprise a enregistré un chiffre d'affaires de 2025 millions d'euros, tout en affichant une rentabilité améliorée et des perspectives de flux de trésorerie disponible supérieures à 820 millions d'euros pour l'exercice 100. À l'époque, elle avait également annoncé son intention de céder une partie de ses activités afin de générer plus d'un demi-milliard de dollars de capitaux propres et de réduire sa dette.

Spécialistes des technologies quantiques et nanotechnologiques

Si nous regardons dans le domaine quantique, Applied Materials (AMAT + 3.37%) est connu pour fournir des outils de dépôt et de nanofabrication, rendant des systèmes comme le leur essentiels pour faire évoluer la production de biocapteurs. 

L'entreprise de solutions d'ingénierie des matériaux opère à travers trois segments : Semiconductor Systems ; qui fabrique une gamme d'équipements principalement de 300 mm utilisés pour fabriquer des puces semi-conductrices ou des circuits intégrés, Display ; comprenant principalement des produits pour la fabrication d'écrans LCD, d'OLED et d'autres technologies pour smartphones, tablettes, PC, téléviseurs, moniteurs et ordinateurs portables, et Applied Global Services (AGS) ; qui fabrique des 200 mm et fournit des pièces de rechange et des logiciels d'automatisation à l'usine de fabrication.

Concernant la performance boursière de cette société de 146 milliards de dollars, son action s'échange à 182.10 dollars, en hausse de 11.8 % depuis le début de l'année. Son BPA (sur les 8.21 derniers mois) est de 22.20 et son PER (sur les 1 derniers mois) de XNUMX. Le rendement du dividende que les actionnaires peuvent percevoir est supérieur à XNUMX %. 

Sur le plan financier, la société a enregistré une marge brute PCGR de 49.1 % au deuxième trimestre 2 et une marge brute non PCGR de 2025 %. Parallèlement, le BPA PCGR a atteint un record de 49.2 $ et le BPA non PCGR de 2.63 $. La trésorerie d'exploitation générée au cours de cette période s'est élevée à 2.39 milliard de dollars, tandis qu'Applied Materials a distribué 1.57 milliards de dollars aux actionnaires, dont 2 milliard de dollars de rachats d'actions et 1.67 millions de dollars de dividendes.

Son PDG, Gary Dickerson, a attribué à l'informatique IA haute performance et économe en énergie le rôle principal de moteur de l'innovation.

Entreprises en phase de démarrage et spin-out

En phase de démarrage, des sociétés comme Lux Capital sont réputées pour leurs investissements dans les technologies émergentes, notamment la science des matériaux, la biochimie, l'électronique, l'aérospatiale et les infrastructures. Cette société de capital-risque accompagne également le monde universitaire dans la découverte technologique, avec un projet d'investissement d'au moins 100 millions de dollars pour soutenir la recherche prometteuse dans des secteurs comme la biotechnologie et l'IA.

Breakthrough Energy Ventures (BEV) est une autre entreprise qui pourrait cibler des sociétés de plateformes de nanotechnologie quantique similaires.

Fondé par Bill Gates, BEV est composé de vingt investisseurs du monde entier. Le fonds a investi dans des domaines aussi variés que les capteurs intelligents, les solutions de stockage, les biotechnologies, l'IA et le développement durable. Il s'est également engagé à investir plus d'un milliard de dollars dans les nouvelles technologies par l'intermédiaire de la Breakthrough Energy Coalition (BEC).

À l'avenir, il est également possible que des start-ups issues de l'EPFL, de l'ETH ou de l'ICFO, axées sur les technologies quantiques, deviennent des acteurs commerciaux. Ce n'est pourtant pas nouveau. Au fil des ans, de nombreuses spin-offs universitaires ont vu le jour pour transformer des inventions technologiques issues des recherches menées dans leurs universités.

Par exemple, Akamai, Boston Dynamics, OKCupid, Cambridge Mobile Telematics, iRobot, RSA Security, Nimble VR, Meraki et bien d’autres sont tous issus du Massachusetts Institute of Technology (MIT).

L'EPFL a également vu naître de nombreuses entreprises dérivées telles que Bionomous, Dronistics, Hydromea, MindMaze, Sensars, SenseFly, Kandou, Nexthink, et bien d'autres, couvrant divers secteurs.

L'ETH Zurich a vu naître des entreprises dans des domaines tels que l'IA, l'apprentissage automatique, la biotechnologie, les produits pharmaceutiques et la robotique, tandis qu'au moins dix entreprises sont issues de l'ICFO, dont LuxQuanta, qui utilise les technologies quantiques pour assurer la sécurité des données.

Conclusion

Les biocapteurs optiques jouent un rôle important dans les domaines du diagnostic médical précis, de la médecine personnalisée et de la surveillance environnementale. En proposant un biocapteur plasmonique auto-illuminant, cette dernière innovation marque une avancée majeure en combinant l'effet tunnel quantique et la photonique dans une puce autonome. 

Cela remet non seulement en question la conception conventionnelle des capteurs, mais constitue également une mise en œuvre pratique de la mécanique quantique, allant au-delà de l’expérimentation vers des technologies évolutives ayant le potentiel d’être largement adoptées.

En intégrant des sources de lumière quantique directement dans des dispositifs à l'échelle de la puce, les chercheurs ont créé une nouvelle frontière dans la technologie de biodétection, promettant polyvalence, compacité et sensibilité sans précédent dans tous les secteurs.

Cliquez ici pour obtenir une liste des principales entreprises d’informatique quantique.

Études référencées :

1. Lee, J. ; Wu, Y. ; Sinev, I. ; et al. Biocapteur plasmonique activé par effet tunnel quantique résonant. Nat. Photon. 2025. https://doi.org/10.1038/s41566-025-01708-y