Cahaya Kuantum Memungkinkan Biosensor Optik yang Menyala Sendiri

Di dunia perawatan kesehatan, biosensor sedang mendapatkan perhatian signifikan sebagai alat diagnostik. Perangkat listrik ini mengukur sinyal biologis atau kimia dan mengubahnya menjadi sinyal listrik. 

Mereka digunakan dalam segala hal mulai dari pemantauan penyakit dan penemuan obat hingga deteksi non-invasif mikroorganisme yang menyebabkan penyakit dan penanda yang menandakan virus dalam cairan tubuh seperti keringat, air liur, urin, dan darah.

Biosensor juga menemukan aplikasi dalam inspeksi dan keamanan makanan, pertanian, studi lingkungan, bioteknologi, dan utilitas medis. Didorong oleh semua permintaan ini, pasar biosensor global sudah menargetkan puluhan miliar dolar setiap tahun.

Sebuah biosensor tipikal terdiri dari beberapa komponen utama:

• Bio reseptor
• Transduser
• Analit
• Tampilan

Di sini, analit adalah zat yang menjadi fokus yang diidentifikasi dan diukur. Misalnya, dalam biosensor yang dirancang untuk mendeteksi glukosa, glukosa adalah analit.

Bioreseptor adalah komponen biologis, seperti DNA, sel, enzim, atau antibodi, yang mengenali analit. Proses menghasilkan sinyal terjadi dalam bentuk panas, cahaya, atau perubahan saat interaksi bioreseptor dengan analit, dan disebut bio-pengenalan.

Transduser mengubah peristiwa bio-pengenalan menjadi sinyal optik atau listrik yang dapat diukur. Tampilan hanyalah sistem interpretasi pengguna yang menghasilkan data dalam bentuk grafik, numerik, atau bentuk lain yang dapat dipahami oleh pengguna. 

Saat ini, ada sekitar empat jenis biosensor berdasarkan metode transduksinya, yaitu biosensor elektrokimia, termal, piezoelektrik, magnetik, dan optik. Setiap jenis ini menggunakan mekanisme berbeda untuk mengubah interaksi biologis menjadi sinyal yang dapat diukur.

Ketika berbicara tentang biosensor optik, khususnya, mereka dikenal karena manfaat tambahan dalam aplikasi sensor berkat sensitivitas ekstrem, selektivitas, dan pengukuran cepat. Mereka juga menyediakan deteksi waktu nyata zat biologis dan kimia secara spesifik dan biaya-efektif.

Cara kerja biosensor optik adalah dengan mengubah sinyal cahaya menjadi sinyal listrik dengan aktivitas yang didasarkan pada interaksi bidang optik dengan bioreseptor atau elemen bio-pengenalan.

Biosensor ini diklasifikasikan sebagai “tanpa label,” di mana sinyal dihasilkan langsung saat material analit berinteraksi dengan transduser, dan “berlabel,” di mana sinyal yang dihasilkan diperkuat oleh metode luminesen, fluoresen, atau kolorimetri.

Meskipun menawarkan keunggulan yang jelas dibandingkan teknik analitis tradisional, biosensor optik memerlukan sumber cahaya eksternal, yang membatasi penerapannya pada lingkungan laboratorium dan mencegah penggunaannya dalam pengawasan kesehatan dan lingkungan.

Untuk mengatasi tantangan dalam penerapan luas di dunia nyata, peneliti di Laboratorium Sistem Bionanofotonik di Sekolah Teknik EPFL telah memanfaatkan fisika kuantum untuk mendeteksi keberadaan biomolekul tanpa memerlukan sumber cahaya eksternal.

Mendorong Batasan Biosensing Optik

Untuk mendeteksi analit biologis, biosensor optik memanfaatkan gelombang cahaya. Sementara penggunaan struktur nanofotonik yang ‘memampatkan’ cahaya pada permukaan chip kecil untuk memfokuskan gelombang cahaya hingga tingkat nanometer dapat meningkatkan kinerjanya secara signifikan, seperti yang kami catat di atas, hal ini memerlukan sumber cahaya eksternal, yang melibatkan peralatan besar, sehingga mencegah penggunaannya untuk diagnostik cepat dan di pengaturan point-of-care.

Jadi, untuk menghilangkan kebutuhan akan sumber cahaya eksternal pada biosensor berbasis cahaya, para peneliti beralih ke fisika kuantum. 

Mereka memperkenalkan sensor plasmonik dengan sumber cahaya terintegrasi, yang disediakan oleh sambungan terowongan kuantum.

Nanostruktur logam plasmonik sebenarnya telah banyak diteliti untuk sensor optik karena kemampuan unik mereka dalam mendukung peningkatan medan optik yang kuat serta pengkonfinan cahaya sub-wavelength dalam melalui resonansi plasmon permukaan terlokalisasi dan polaron plasmon permukaan yang merambat (SPP).

LSPR adalah gerakan osilasi kolektif elektron konduksi di dekat permukaan logam mulia berstruktur nano ketika disinari cahaya. Hal ini menghasilkan medan elektromagnetik terlokalisasi dengan sifat optik yang khas.

SPP, di sisi lain, adalah gelombang permukaan elektromagnetik yang muncul ketika plasmon permukaan yang terexcite berpasangan dengan foton dan merambat sepanjang antarmuka antara logam dan bahan dielektrik.

Berdasarkan hal ini, perangkat biosensing telah melampaui kinerja deteksi sensor optik konvensional, memfasilitasi penggunaan luas dan komersialisasinya.

Faktanya, biosensor Resonansi Plasmon Permukaan (SPR) berbasis film logam datar telah menjadi salah satu teknik tanpa label standar untuk memantau interaksi biomolekul secara waktu nyata.

Biosensor nanoplasmonik, yang merupakan kombinasi nanomaterial, LSPR atau SPR, dan biosensor optik, sekaligus memungkinkan pengurangan volume sampel yang diperlukan, memungkinkan pengamatan sekresi sel tunggal secara waktu nyata.

Kemajuan di bidang ini kini meneliti sistem sensor plasmonik kuantum yang dapat menemukan peluang baru untuk meningkatkan kinerja perangkat hingga tingkat deteksi molekul tunggal. Namun meskipun semua kemajuan dalam bidang nanofotonik, masih diperlukan sumber cahaya eksternal untuk mengexcite SPP.

Bersama dengan peralatan besar seperti prisma atau kisi, yang membatasi kegunaan sensor plasmonik. Untuk memajukan penggunaannya dalam riset biokimia dan diagnostik medis, kita membutuhkan perangkat yang miniatur dan terintegrasi.

Memanfaatkan Tunneling Elektron Inelastik untuk Generasi Cahaya pada Chip

Dipublikasikan di Nature Photonics¹ bekerja sama dengan peneliti di ETH Zurich, ICFO, dan Universitas Yonsei, insinyur EPFL telah menampilkan biosensor optik tanpa label pada chip yang menyala sendiri dan memanfaatkan tunneling kuantum, sebuah fenomena di mana partikel melewati penghalang energi potensial yang secara klasik tidak dapat dilalui.

Dengan memanfaatkan tunneling elektron inelastik, para peneliti telah menciptakan perangkat yang hanya memerlukan aliran elektron stabil dalam bentuk tegangan listrik yang diterapkan untuk sekaligus menerangi dan mengidentifikasi molekul.

“Jika Anda menganggap elektron sebagai gelombang, bukan partikel, gelombang tersebut memiliki probabilitas rendah untuk ‘menembus’ ke sisi lain dari penghalang isolasi yang sangat tipis sambil memancarkan foton cahaya. Apa yang kami lakukan adalah menciptakan nanostruktur yang sekaligus menjadi bagian dari penghalang isolasi tersebut dan meningkatkan probabilitas terjadinya emisi cahaya.”

– Peneliti Mikhail Masharin

Untuk desain perangkat mereka, insinyur menggunakan film berlapis multilayer di mana isolator berada di antara dua logam. 

Di sini, nanowire emas (Au) ditempatkan di atas lapisan tipis aluminium, yang berfungsi sebagai penghalang tunneling, memisahkannya dari film aluminium (Al) di bagian bawah. 

Permukaan atas menggunakan metasurface plasmonik yang melayani dua tujuan, yang menjadi inti inovasi. Lapisan emas pada nanostruktur berfungsi sebagai kontak listrik untuk sambungan terowongan serta antarmuka optik untuk memfasilitasi penggabungan tunneling elektron kuantum inelastik, disertai emisi cahaya, ke radiasi ruang bebas.

Artinya, metasurface menunjukkan sifat khusus yang menciptakan kondisi untuk tunneling kuantum dan mengendalikan emisi cahaya yang dihasilkan.

Kontrol ini diaktifkan oleh susunan metasurface, yang berupa jaring nanowire emas. Ini berfungsi sebagai ‘nanoantenna’ untuk memusatkan cahaya pada volume nanometer yang dibutuhkan untuk deteksi biomolekul yang efisien.

Susunan ini memengaruhi efisiensi kuantum internal proses tunneling dengan meningkatkan komponen radiasi dari kepadatan keadaan optik elektromagnetik, yang pada gilirannya meningkatkan efisiensi kuantum radiasi dan, sebagai hasilnya, memperkuat sinyal yang terdeteksi.

Dengan istilah yang lebih sederhana, nanostruktur mereka pada dasarnya menciptakan kondisi yang tepat bagi elektron untuk melewati dan menembus penghalang aluminium oksida hingga mencapai lapisan tipis emas (Au). Dalam proses ini, sebagian energi elektron ditransfer ke eksitasi kolektif (dikenal sebagai plasmon), yang kemudian memancarkan foton.

Untuk menghasilkan LIET (emisi cahaya dari tunneling elektron inelastik) yang efisien dan seragam secara spasial, peneliti menggunakan desain metasurface fleksibel yang dioptimalkan untuk biosensing. Penulis pertama, Jihye Lee, yang merupakan mantan peneliti di Laboratorium Sistem Bionanofotonik dan kini insinyur di Samsung Electronics:

“Tunneling elektron inelastik adalah proses dengan probabilitas sangat rendah, tetapi jika Anda memiliki proses berprobabilitas rendah yang terjadi secara merata di area yang sangat luas, Anda masih dapat mengumpulkan cukup foton. Inilah fokus optimasi kami, dan ternyata ini menjadi strategi baru yang sangat menjanjikan untuk biosensing.” 

Desain perangkat memastikan bahwa spektrum dan intensitas cahaya berubah saat bersentuhan dengan biomolekul, memberikan teknik yang kuat untuk deteksi tanpa label secara waktu nyata.

Quantum Biosensors: Compact, Scalable, and Real-Time

Dengan perangkat inovatif yang kompak, para peneliti telah secara signifikan meningkatkan kemampuan sensor yang saat ini tersedia di pasar.

Seperti yang disatakan Hatice Altug, kepala Laboratorium Sistem Bionanofotonik:

“Pengujian menunjukkan bahwa biosensor menyala sendiri kami dapat mendeteksi asam amino dan polimer pada konsentrasi picogram – yaitu satu triliun gram – bersaing dengan sensor paling canggih yang tersedia saat ini.”

Poin penting lainnya di sini adalah penggunaan mekanika kuantum untuk mencapai terobosan, yang pada dasarnya membawanya lebih jauh ke ranah praktis.

Banyak hal telah dieksplorasi tentang mekanika kuantum, teori fundamental fisika yang membahas sifat dan perilaku partikel pada tingkat atom dan subatom, yang pertama kali diperkenalkan sekitar satu abad yang lalu.

Selama periode ini, mekanika kuantum telah membantu memajukan industri dengan menjadi dasar bagi banyak teknologi modern, termasuk semikonduktor untuk elektronik, laser, dan pencitraan resonansi magnetik (MRI). Ini juga membuka jalan bagi inovasi masa depan, seperti komputasi kuantum dan keamanan siber tingkat lanjut. 

Menurut Julian Kelly, direktur perangkat keras di Google Quantum AI, kita mungkin berada “lima tahun dari terobosan nyata, aplikasi praktis yang hanya dapat diselesaikan pada komputer kuantum.”

Komputer kuantum, menurutnya, “dapat mengakses cara kerja alam semesta pada tingkat paling fundamental.”

Nvidia (NVDA ) CEO Jensen Huang memiliki pandangan serupa. Ia percaya komputasi kuantum memiliki potensi untuk “memberikan dampak luar biasa,” namun menambahkan bahwa “teknologinya sangat rumit.”

Di tengah hal ini, insinyur EPFL telah menyematkan sumber cahaya kuantum langsung ke dalam perangkat berukuran chip, merevolusi teknologi biosensing yang dapat digunakan untuk pemantauan industri, termasuk pengujian air, kontrol kualitas udara, dan keamanan makanan. Terobosan mereka juga dapat membuka perangkat baru dalam deteksi kuantum dan sensor pintar.

Arsitektur sensor LIET di sini sebenarnya menawarkan jejak perangkat yang lebih kecil, karena antena plasmonik berfungsi sekaligus sebagai sumber cahaya dan elemen sensor, dibandingkan dengan desain yang mengintegrasikan struktur plasmonik di atas fotodetektor atau LED.

Para peneliti menguji perangkat mereka dengan biomolekul dan polimer setebal nanometer dan menemukan bahwa baik intensitas cahaya yang dipancarkan maupun profil spektralnya dimodulasi oleh perubahan indeks bias lokal yang dihasilkan oleh keberadaan analit. Ini berarti perangkat LIET dapat digunakan sebagai biosensor optik pada chip yang kompak dan sensitif untuk aplikasi point-of-care.

Perangkat sensor, menurut studi, memiliki daya emis yang cukup untuk beroperasi dengan detektor cahaya paling umum. Platform kuantum ini skalabel dan kompatibel dengan metode manufaktur sensor, menjadikannya layak untuk produksi dan distribusi luas.

“Pekerjaan kami menghasilkan sensor terintegrasi penuh yang menggabungkan generasi cahaya dan deteksi pada satu chip. Dengan aplikasi potensial mulai dari diagnostik point-of-care hingga deteksi kontaminan lingkungan, teknologi ini mewakili frontier baru dalam sistem sensor berperforma tinggi,” kata peneliti Laboratorium Sistem Bionanofotonik Ivan Sinev.

Dengan area aktif kurang dari satu milimeter persegi yang dibutuhkan untuk sensing, desain ini tentu dapat membuka prospek menarik untuk mewujudkan biosensor elektro-optik praktis dan aplikasi baru.

Selain itu, ia berpotensi menghasilkan perangkat genggam baru dibandingkan dengan pengaturan meja saat ini, yang cocok untuk lingkungan seperti kantor dokter, panti jompo, dan klinik terpencil, di mana peralatan laboratorium besar tidak praktis.

Sifatnya yang tanpa label dan kemampuan pemantauan waktu nyata lebih menjadikan biosensor kuantum ini sempurna untuk melacak biomarker dalam penyakit seperti infeksi, kanker, dan gangguan metabolik.

Selain semua itu, platform ini dapat membantu memberikan wawasan ilmiah fundamental yang dapat memajukan bidang lain, termasuk nano-optik, ilmu material, dan komputasi kuantum.

Klik di sini untuk mempelajari tentang keadaan terkini komputasi kuantum.

Peluang Investasi Biosensor Kuantum Teratas

Sekarang, waktunya menyelami secara mendalam opsi investasi, baik yang sudah mapan maupun yang sedang berkembang, di bidang biosensing berbasis kuantum.

Pemain & Platform yang Sudah Dikenal

Ketika berbicara tentang instrumen analitik dan diagnostik, Agilent Technologies (A ) termasuk nama-nama penting yang berpotensi mengintegrasikan teknologi baru ke dalam lini produk mereka.

Perusahaan ini menonjol karena spesialisasinya dalam diagnostik, ilmu hayat, dan pasar terapan. Ia menawarkan perangkat lunak dan solusi otomasi laboratorium serta reagen, instrumen, dan bahan habis pakai. Selain bahan farmasi aktif untuk terapeutik berbasis oligo, ia juga menawarkan instrumen dan perangkat lunak untuk mengidentifikasi, mengkuantifikasi, dan menganalisis sifat biologis zat.

Awal tahun ini, Agilent berkolaborasi dengan ABB Robotics untuk menyediakan solusi laboratorium otomatis, membuat proses seperti riset dan kontrol kualitas lebih cepat dan lebih efisien.

Dengan kapitalisasi pasar sebesar $33,45 miliar, saham Agilent saat ini diperdagangkan pada $117,76, turun 12,16% tahun-ke-tahun (YTD), namun tidak jauh dari puncak 2021 sekitar $180. Ia memiliki EPS (TTM) sebesar $4,06 dan P/E (TTM) sebesar 28,98, dengan dividen yield 0,84% juga tersedia.

Secara finansial, perusahaan baru-baru ini melaporkan hasil Q2 2025, yang menunjukkan pertumbuhan 6% dalam pendapatan menjadi $1,67 miliar sementara laba bersih GAAP sebesar $215 juta dan laba per saham (EPS) sebesar $0,75.

Di dunia fotonik/optik, sementara itu, AMS (AMS-Osram) adalah yang mungkin mendapat manfaat dari komponen pemancar cahaya berskala nano.

AMS berbasis Austria merancang dan memproduksi mikrochip analog terintegrasi serta menawarkan layanannya di bidang sensor, antarmuka sensor, manajemen daya, dan hiburan seluler dalam komunikasi, teknologi medis, dan pasar otomotif.

Pada Sensors Converge 2025 bulan lalu, AMS menampilkan sensor Time-of-Flight multi-zona langsung terbaru yang menyediakan lebih dari 20 kali jumlah piksel dibandingkan sebelumnya, bahkan dengan daya rendah, dalam modul all-in-one yang kompak.

Perusahaan dengan kapitalisasi pasar miliaran dolar ini, yang menawarkan foundry layanan penuh yang berspesialisasi dalam teknologi sensor, memiliki EPS (TTM) sebesar -1,51 dan P/E (TTM) sebesar -6,82.

Untuk Q1 2025, ia mencatat pendapatan EUR 820 juta sambil melaporkan profitabilitas yang meningkat dan outlook arus kas bebas di atas EUR 100 juta untuk FY25. Pada saat itu, ia juga mengungkapkan rencana menjual sebagian bisnisnya untuk menghasilkan lebih dari setengah miliar dolar dalam modal guna mengurangi utang perusahaan.

Spesialis Kuantum & Nanoteknologi

Jika kita melihat ke ranah kuantum, Applied Materials (AMAT ) dikenal karena menyediakan alat deposisi dan nanofabrikasi, menjadikan sistem mereka penting untuk meningkatkan produksi biosensor.

Perusahaan solusi rekayasa material ini beroperasi melalui tiga segmen: Sistem Semikonduktor; yang memproduksi berbagai peralatan 300 mm utama yang digunakan untuk membuat chip semikonduktor atau IC, Display; yang mencakup produk utama untuk memproduksi LCD, OLED, dan teknologi lain untuk smartphone, tablet, PC, televisi, monitor, dan laptop, serta Layanan Global Applied (AGS); yang memproduksi 200 mm dan menyediakan suku cadang serta perangkat lunak otomasi untuk pabrik fabrikasi.

Mengenai kinerja pasar perusahaan dengan kapitalisasi $146 miliar ini, sahamnya pada saat penulisan diperdagangkan pada $182,10, naik 11,8% YTD. EPS (TTM) nya 8,21, dan P/E (TTM) 22,20. Dividen yield yang dapat diperoleh pemegang saham di atas 1%.

Mengenai keuangan, perusahaan melaporkan margin kotor GAAP sebesar 49,1% untuk Q2 2025 dan margin kotor non-GAAP sebesar 49,2%. Sementara itu, EPS GAAP tercatat $2,63, dan EPS non-GAAP $2,39. Kas dari operasi selama periode ini sebesar $1,57 miliar sementara Applied Materials mendistribusikan $2 miliar kepada pemegang saham, termasuk $1,67 miliar dalam pembelian kembali saham dan $325 juta dalam dividen.

CEO-nya, Gary Dickerson, mengaitkan komputasi AI berperforma tinggi dan hemat energi sebagai pendorong utama inovasi.

Tahap Awal & Spin-Out

Dalam usaha tahap awal, Lux Capital dikenal karena berinvestasi dalam teknologi emerging, termasuk ilmu material, biokimia, elektronik, kedirgantaraan, dan infrastruktur. Firma modal ventura (VC) ini juga membantu akademisi mengembangkan penemuan teknologi dengan rencana menginvestasikan setidaknya $100 juta untuk mendukung riset menjanjikan di sektor seperti biotech dan AI.

Breakthrough Energy Ventures (BEV) adalah satu lagi yang mungkin menargetkan perusahaan platform kuantum-nanoteknologi serupa.

Didirikan oleh Bill Gates, BEV terdiri dari dua puluh investor dari seluruh dunia. Dana ini telah berinvestasi dalam segala hal mulai dari sensor pintar, solusi penyimpanan, dan biotech hingga AI dan keberlanjutan. Ia juga berkomitmen untuk menginvestasikan lebih dari satu miliar dolar dalam teknologi baru melalui Breakthrough Energy Coalition (BEC).

Di masa depan, juga mungkin kita akan melihat startup yang diputar keluar dari EPFL, ETH, atau ICFO dengan fokus pada teknologi kuantum dan menjadi pemain komersial. Ini bukan hal baru, meskipun. Selama bertahun-tahun, banyak spin-off universitas muncul untuk mengubah penemuan teknologi yang dikembangkan dari riset mereka di universitas.

Misalnya, Akamai, Boston Dynamics, OKCupid, Cambridge Mobile Telematics, iRobot , RSA Security, Nimble VR, Meraki, dan banyak lagi telah semua diputar keluar dari Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Bahkan EPFL telah melihat banyak spin-out seperti Bionomous, Dronistics, Hydromea, MindMaze, Sensars, SenseFly, Kandou, Nexthink, dan lainnya yang mencakup berbagai sektor.

ETH Zurich telah melihat perusahaan spin-off di bidang AI, pembelajaran mesin, bioteknologi, farmasi, dan robotika, sementara setidaknya sepuluh perusahaan telah diputar keluar dari ICFO, termasuk LuxQuanta, yang menggunakan teknologi kuantum untuk menyediakan keamanan data.

Kesimpulan

Biosensor optik penting dalam bidang diagnostik medis yang presisi, kedokteran pribadi, dan pemantauan lingkungan. Dengan memperkenalkan biosensor plasmonik yang menyala sendiri, inovasi terbaru ini menghadirkan pergeseran yang menggabungkan tunneling kuantum dengan fotonik ke dalam chip yang mandiri. 

Ini tidak hanya menantang desain sensor konvensional tetapi juga menonjol sebagai implementasi praktis mekanika kuantum, melampaui eksperimen menuju teknologi skalabel dengan potensi adopsi luas.

Dengan menyematkan sumber cahaya kuantum langsung ke dalam perangkat berukuran chip, para peneliti telah menciptakan frontier baru dalam teknologi biosensing, menjanjikan fleksibilitas, kompak, dan sensitivitas yang belum pernah terjadi sebelumnya di berbagai sektor.

Klik di sini untuk daftar perusahaan komputasi kuantum teratas.

Studi yang Dirujuk:

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