La lumière quantique permet des biosenseurs optiques auto‑illuminés

Dans le domaine de la santé, les biosenseurs gagnent une traction importante en tant qu’outil de diagnostic. Ces dispositifs électriques mesurent des signaux biologiques ou chimiques et les convertissent en signaux électriques. 

Ils sont utilisés dans tout, du suivi des maladies et de la découverte de médicaments à la détection non invasive de micro‑organismes responsables de maladies et de marqueurs indiquant la présence de virus dans des fluides corporels tels que la sueur, la salive, l’urine et le sang.

Les biosenseurs trouvent également des applications dans l’inspection et la sécurité alimentaires, l’agriculture, les études environnementales, la biotechnologie et les utilités médicales. Portés par cette demande, le marché mondial des biosenseurs vise déjà des dizaines de milliards de dollars chaque année.

Un biosenseur typique comprend quelques composants principaux:

• Biorecepteur
• Transducteur
• Analyte
• Affichage

Ici, l’analyte est la substance d’intérêt qui est identifiée et mesurée. Par exemple, dans un biosenseur conçu pour détecter le glucose, le glucose est l’analyte.

Un biorecepteur est un composant biologique, tel que l’ADN, des cellules, des enzymes ou des anticorps, qui reconnaît l’analyte. Le processus de génération de signal se produit sous forme de chaleur, de lumière ou de changement lors de l’interaction du biorecepteur avec l’analyte, et il est appelé bio‑reconnaissance.

Le transducteur convertit l’événement de bio‑reconnaissance 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 environ quatre types de biosenseurs selon leur méthode de transduction, à savoir les biosenseurs électrochimiques, thermiques, piézoélectriques, magnétiques et optiques. Chacun de ces types utilise un mécanisme différent pour convertir une interaction biologique en un signal mesurable.

En ce qui concerne les biosenseurs optiques, ils sont reconnus pour leur avantage supplémentaire dans les applications de détection grâce à leur sensibilité extrême, leur sélectivité et leurs mesures rapides. Ils offrent également une détection en temps réel de substances biologiques et chimiques de manière spécifique et économique. 

Le fonctionnement des biosenseurs optiques repose sur la conversion des signaux lumineux en signaux électriques, l’activité étant basée sur l’interaction du champ optique avec un biorecepteur ou un élément de bio‑reconnaissance.

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

Bien qu’ils offrent des avantages distincts par rapport aux techniques analytiques traditionnelles, les biosenseurs optiques nécessitent des sources lumineuses externes, ce qui limite leur déploiement aux laboratoires et empêche leur utilisation dans les contextes de suivi de santé et d’environnement.

Pour surmonter les défis liés à leurs applications réelles généralisées, des chercheurs du Bionanophotonic Systems Laboratory de l’École d’ingénierie de l’EPFL ont exploité la physique quantique afin de détecter la présence de biomolécules sans source lumineuse externe.

Repousser les limites du biosensing optique

Pour détecter les analytes biologiques, les biosenseurs optiques utilisent des ondes lumineuses. L’utilisation de structures nanophotoniques qui « compressent » la lumière à la surface d’une puce minuscule afin de focaliser les ondes lumineuses au niveau nanométrique peut améliorer considérablement leurs performances, comme nous l’avons souligné précédemment, mais cela nécessite des sources lumineuses externes, impliquant un équipement encombrant, ce qui empêche leur usage pour des diagnostics rapides et en contexte de soins ponctuels.

Ainsi, pour éliminer le besoin d’une source lumineuse externe dans un biosenseur 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 de tunnel quantique. 

Les nanostructures métalliques plasmoniques ont en fait fait l’objet d’études actives pour les capteurs optiques en raison de leurs capacités uniques à soutenir une forte amélioration du champ optique ainsi qu’un confinement lumineux bien en dessous de la longueur d’onde grâce aux résonances de plasmons de surface localisés (LSPR) et aux polarons de surface plasmonique (SPP) propagants.

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

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

C’est sur la base de ces phénomènes que les dispositifs de biosensing ont dépassé les performances de détection des capteurs optiques conventionnels, facilitant leur adoption massive et leur commercialisation. 

En fait, les biosenseurs 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 biosenseurs nanoplasmoniques, qui combinent nanomatériaux, LSPR ou SPR et biosenseurs optiques, permettent quant à eux de réduire le volume d’échantillon requis, rendant possible l’observation en temps réel de la sécrétion d’une cellule unique. 

Les avancées du domaine s’orientent désormais vers des systèmes de détection plasmonique quantique capables de découvrir de nouvelles opportunités d’amélioration des performances des dispositifs, jusqu’au niveau de la détection de molécules uniques. Mais malgré tous les progrès réalisés dans le domaine de la nanophotonique, il reste nécessaire d’avoir une source lumineuse externe pour exciter les SPP.

Combinées à un équipement encombrant tel que des prismes ou des réseaux, ces exigences limitent l’utilisabilité des capteurs plasmoniques. Pour faire progresser leur usage en recherche biochimique et en diagnostics médicaux, nous avons besoin de dispositifs miniaturisés et intégrés.

Exploiter le tunnel d’électrons inélastiques 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 biosenseur optique sur puce sans marquage auto‑illuminé qui exploite le tunnel quantique, un phénomène où une particule traverse une barrière d’énergie potentielle qu’elle ne pourrait franchir classiquement.

En exploitant le tunnel d’électrons inélastique, les chercheurs ont créé un dispositif qui ne nécessite qu’un flux continu d’électrons sous forme de tension électrique appliquée pour à la fois éclairer et identifier les molécules. 

« Si vous pensez à un électron comme une onde plutôt qu’à une particule, cette onde a une faible probabilité de « tunneler » de l’autre côté d’une barrière isolante extrêmement fine tout en émettant un photon de lumière. Ce que nous avons fait, c’est créer une nanostructure qui fait à la fois partie de cette barrière isolante et augmente la probabilité que l’émission de lumière se produise. »

– Chercheur Mikhail Masharin

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

Ici, des nanofils d’or (Au) sont placés au-dessus d’une fine couche d’aluminium, qui constitue la barrière de tunnel, les séparant d’un film d’aluminium (Al) en dessous. 

La surface supérieure utilise une métasurface plasmonique qui remplit deux fonctions, constituant le cœur de l’innovation. La couche d’or de la nanostructure sert de contact électrique pour la jonction de tunnel ainsi que d’interface optique pour faciliter le couplage du tunnel d’électron quantique inélastique, accompagné d’une émission lumineuse, vers le rayonnement libre.

Cela signifie que la métasurface présente des propriétés spéciales qui créent les conditions nécessaires au tunnel quantique et contrôlent l’émission lumineuse résultante. 

Le contrôle est rendu possible par l’agencement de la métasurface, qui forme un maillage de nanofils d’or. Ceux‑ci agissent comme des « nano‑antennes » pour concentrer la lumière dans les volumes nanométriques requis pour la détection efficace des biomolécules.

Cet agencement influence l’efficacité quantique interne du processus de tunnel en renforçant la composante radiative de la densité d’états optiques électromagnétiques, améliorant ainsi l’efficacité quantique radiative et, par conséquent, le signal détecté. 

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

Afin de produire une émission lumineuse efficace et uniformément spatiale (LIET) provenant du tunnel d’électron inélastique, le chercheur a utilisé une conception de métasurface flexible optimisée pour le biosensing. La première auteure, Jihye Lee, ancienne chercheuse du Bionanophotonic Systems Lab et actuellement ingénieure chez Samsung Electronics :

« Le tunnel d’électrons inélastique est un processus à très faible probabilité, mais si vous avez un processus à faible probabilité qui se produit uniformément sur une très grande surface, vous pouvez tout de même collecter suffisamment de photons. C’est là que nous avons concentré notre optimisation, et il s’avère que c’est une stratégie très prometteuse pour le biosensing. »

La conception du dispositif veille à ce que le spectre et l’intensité de la lumière changent lorsqu’elle entre en contact avec des biomolécules, offrant ainsi une technique puissante pour la détection sans marquage et en temps réel.

Biosenseurs quantiques : compacts, évolutifs et en temps réel

Avec ce dispositif compact et innovant, les chercheurs ont considérablement amélioré les capacités des capteurs actuellement disponibles sur le marché.

Comme l’a déclaré Hatice Altug, responsable du Bionanophotonic Systems Laboratory :

« Les tests ont montré que notre biosenseur auto‑illuminé peut détecter des acides aminés et des polymères à des concentrations de picogrammes – soit un milliardième de gramme – rivalisant avec les capteurs les plus avancés disponibles aujourd’hui. »

Un autre point important est l’utilisation de la mécanique quantique pour réaliser cette percée, ce qui le rend concrètement plus applicable.

La mécanique quantique, théorie fondamentale de la physique qui traite des propriétés et du comportement des particules aux niveaux atomique et subatomique, a été introduite il y a environ un siècle.

Depuis, la mécanique quantique a contribué à faire progresser les industries en sous‑tendant de nombreuses technologies modernes, notamment les semi‑conducteurs pour l’électronique, les lasers et l’imagerie par résonance magnétique (IRM). Elle ouvre également la voie à de futures innovations, telles que l’informatique quantique et la cybersécurité avancée. 

Selon Julian Kelly, directeur du matériel chez Google Quantum AI, nous serions « à environ cinq ans d’une vraie percée, d’une application pratique que l’on ne peut 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 ) le PDG Jensen Huang partage cet avis. Il estime que l’informatique quantique a le potentiel de « produire un impact extraordinaire », mais ajoute que « la technologie est incroyablement compliquée. »

Dans ce contexte, des ingénieurs de l’EPFL ont intégré des sources de lumière quantiques directement dans des dispositifs à l’échelle de puce, révolutionnant la technologie de biosensing qui peut être utilisée pour la surveillance industrielle, y compris le test de l’eau, le contrôle de la qualité de l’air et la sécurité alimentaire. Cette percée peut également débloquer de nouveaux dispositifs en détection quantique et capteurs intelligents.

L’architecture du capteur LIET offre en fait une empreinte plus petite, grâce aux antennes plasmoniques qui servent à la fois de source lumineuse et d’élément de détection, comparée aux conceptions qui intègrent des structures plasmoniques au-dessus de photodétecteurs ou de LED.

Les chercheurs ont testé leur dispositif avec des biomolécules et des polymères d’épaisseur nanométrique et ont constaté que tant l’intensité de la lumière émise que le profil spectral sont modulés par les changements d’indice de réfraction locaux induits par la présence de l’analyte. Cela signifie que les dispositifs LIET peuvent être utilisés comme biosenseurs optiques compacts et sensibles sur puce pour des applications point‑de‑soin.

Selon l’étude, le dispositif de détection possède 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, la rendant viable pour une production et une distribution à grande échelle.

« Notre travail fournit un capteur entièrement intégré qui combine génération et détection de lumière sur une seule puce. Avec des applications potentielles allant du diagnostic point‑de‑soin à la détection de contaminants environnementaux, cette technologie représente une nouvelle frontière des systèmes de détection haute performance, » a déclaré le chercheur du Bionanophotonic Systems Lab, Ivan Sinev.

Avec moins d’un millimètre carré de surface active nécessaire pour la détection, la conception peut certainement ouvrir des perspectives passionnantes pour réaliser un biosenseur électro‑optique pratique et de nouvelles applications. 

De plus, elle pourrait conduire à de nouveaux appareils portables, contrairement aux configurations actuelles de laboratoire, qui s’intègrent parfaitement dans des environnements tels que les cabinets médicaux, les maisons de retraite et les cliniques éloignées, où l’équipement de laboratoire encombrant est tout simplement impraticable. 

Sa nature sans marquage et sa capacité de surveillance en temps réel en font également le biosenseur quantique idéal 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 aider à fournir des connaissances scientifiques fondamentales qui peuvent faire progresser d’autres domaines, notamment la nano‑optique, la science des matériaux et l’informatique quantique.

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Principales opportunités d’investissement dans les biosenseurs quantiques

Il est maintenant temps d’approfondir les options d’investissement, tant établies qu’émergentes, dans le domaine du biosensing piloté par le quantique.

Acteurs établis et plateformes

En ce qui concerne les instruments analytiques et le diagnostic, Agilent Technologies (A ) figure parmi les noms notables qui pourraient 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 des solutions logicielles et d’automatisation de laboratoire ainsi que des réactifs, instruments et consommables. En plus d’ingrédients pharmaceutiques actifs pour les thérapies oligonucléotidiques, elle offre 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, accélérant ainsi des processus tels que la recherche et le contrôle qualité.

Avec une capitalisation boursière de 33,45 milliards de dollars, les actions d’Agilent se négocient actuellement à 117,76 $, en baisse de 12,16 % depuis le début de l’année (YTD), mais restent proches de leur pic de 2021 d’environ 180 $. Elle affiche un BPA (TTM) de 4,06 $ et un PER (TTM) de 28,98, avec un rendement du dividende de 0,84 % également disponible. 

Financièrement, l’entreprise a récemment publié ses résultats du deuxième trimestre 2025, montrant une croissance de 6 % du chiffre d’affaires à 1,67 milliard de dollars, tandis que le résultat net GAAP était de 215 millions de dollars et le bénéfice par action (BPA) de 0,75 $.

Dans le domaine de la photonique/optique, AMS (AMS‑Osram) est celle qui pourrait bénéficier des composants lumineux à l’échelle nanométrique.

AMS, basée en Autriche, conçoit et produit des micro‑circuits analogiques intégrés et propose ses services dans les domaines des capteurs, des interfaces de capteurs, de la gestion d’énergie et du divertissement mobile dans les communications, la technologie médicale et les marchés automobiles.

Lors du Sensors Converge 2025 le mois dernier, AMS a présenté son dernier capteur Time‑of‑Flight multi‑zone direct, offrant plus de 20 fois le nombre de pixels des versions précédentes, même à faible consommation, dans un module tout‑en‑un compact.

L’entreprise, dont la capitalisation boursière atteint le milliard de dollars et qui propose une fonderie à service complet spécialisée dans les technologies de capteurs, affiche un BPA (TTM) de -1,51 et un PER (TTM) de -6,82.

Pour le premier trimestre 2025, elle a enregistré un chiffre d’affaires de 820 millions d’euros tout en annonçant une rentabilité améliorée et une trésorerie disponible supérieure à 100 millions d’euros pour l’exercice 2025. À ce moment, elle a également révélé des plans de vente d’une partie de ses activités afin de générer plus d’un demi‑milliard de dollars de capitaux pour réduire la dette de l’entreprise.

Spécialistes quantiques et nanotechnologies

Dans le domaine quantique, Applied Materials (AMAT ) est reconnue pour fournir des outils de dépôt et de nanofabrication, rendant leurs systèmes essentiels à l’industrialisation des biosenseurs. 

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

En ce qui concerne la performance boursière de l’entreprise dont la capitalisation s’élève à 146 milliards de dollars, ses actions s’échangent au moment de la rédaction à 182,10 $, en hausse de 11,8 % depuis le début de l’année. Son BPA (TTM) est de 8,21, et le PER (TTM) de 22,20. Le rendement du dividende offert aux actionnaires dépasse 1 %. 

Sur le plan financier, la société a déclaré une marge brute GAAP de 49,1 % pour le deuxième trimestre 2025 et une marge brute non GAAP de 49,2 %. Par ailleurs, le BPA GAAP record s’est élevé à 2,63 $, et le BPA non GAAP à 2,39 $. La trésorerie générée par les opérations durant cette période était de 1,57 milliard de dollars, tandis qu’Applied Materials a distribué 2 milliards de dollars aux actionnaires, incluant 1,67 milliard de dollars de rachats d’actions et 325 millions de dollars de dividendes.

Son PDG, Gary Dickerson, attribue l’innovation dominante à l’informatique IA haute performance et à faible consommation d’énergie.

Start‑ups en phase de démarrage et spin‑offs

Dans le domaine des entreprises en phase de démarrage, Lux Capital est connu pour investir dans les technologies émergentes, incluant la science des matériaux, la biochimie, l’électronique, l’aérospatiale et les infrastructures. Le fonds de capital‑risque aide également les universitaires à faire progresser la découverte technologique avec l’intention d’investir 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 entité qui pourrait cibler des entreprises similaires de plateformes quantiques‑nanotech.

Fondé par Bill Gates, le BEV regroupe vingt investisseurs du monde entier. Le fonds a investi dans tout, des capteurs intelligents, solutions de stockage, biotechnologies aux IA et à la durabilité. Il s’est également engagé à investir plus d’un milliard de dollars dans de nouvelles technologies via la Breakthrough Energy Coalition (BEC).

À l’avenir, il est également possible que nous voyions des start‑ups issues de l’EPFL, de l’ETH ou de l’ICFO se concentrer sur la technologie quantique et devenir des acteurs commerciaux. Ce n’est pas nouveau ; au fil des années, de nombreuses spin‑offs universitaires ont émergé pour transformer les inventions technologiques développées lors de leurs recherches.

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

Même l’EPFL a vu de nombreuses spin‑offs telles que Bionomous, Dronistics, Hydromea, MindMaze, Sensars, SenseFly, Kandou, Nexthink, et d’autres couvrant divers secteurs.

L’ETH Zurich a vu des sociétés dérivées dans des domaines comme l’IA, l’apprentissage automatique, la biotechnologie, la pharmacie et la robotique, tandis qu’au moins dix entreprises ont été créées à partir de l’ICFO, dont LuxQuanta, qui utilise les technologies quantiques pour fournir la sécurité des données.

Conclusion

Les biosenseurs optiques sont essentiels dans les domaines du diagnostic médical précis, de la médecine personnalisée et de la surveillance environnementale. En nous offrant un biosenseur plasmonique auto‑illuminé, la dernière innovation représente un tournant qui combine le tunnel quantique avec la photonique dans une puce autonome. 

Cela remet en question la conception conventionnelle des capteurs tout en se distinguant comme une mise en œuvre pratique de la mécanique quantique, allant au-delà de la simple expérimentation vers des technologies évolutives susceptibles d’être largement adoptées.

En intégrant des sources de lumière quantiques directement dans des dispositifs à l’échelle de puce, les chercheurs ont ouvert une nouvelle frontière dans la technologie de biosensing, promettant polyvalence, compacité et sensibilité sans précédent dans de multiples secteurs.

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

Études référencées :

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