La luce quantistica consente biosensori ottici autoilluminanti

Nel mondo sanitario, i biosensori stanno acquisendo un notevole interesse come strumento diagnostico. Questi dispositivi elettrici misurano segnali biologici o chimici e li convertono in segnali elettrici. 

Sono utilizzati in tutto, dal monitoraggio delle malattie e la scoperta di farmaci alla rilevazione non invasiva di microrganismi che causano malattie e marcatori che segnalano virus nei fluidi corporei come sudore, saliva, urina e sangue.

I biosensori trovano applicazioni anche nell’ispezione e sicurezza alimentare, agricoltura, studi ambientali, biotecnologia e utilità mediche. Spinti da questa domanda, il mercato globale dei biosensori punta già a decine di miliardi all’anno.

Un tipico biosensore è composto da alcuni componenti principali:

• Biorecettore
• Trasduttore
• Analita
• Display

Qui, l’analita è una sostanza di interesse che viene identificata e misurata. Per esempio, in un biosensore progettato per rilevare il glucosio, il glucosio è un’analita.

Un biorecettore è un componente biologico, come DNA, cellule, enzimi o anticorpi, che riconosce l’analita. Il processo di generazione del segnale avviene sotto forma di calore, luce o un cambiamento a seguito dell’interazione del biorecettore con l’analita, ed è chiamato bio-riconoscimento.

Il trasduttore converte l’evento di bio-riconoscimento in un segnale ottico o elettrico misurabile. Il display è semplicemente un sistema di interpretazione per l’utente che genera dati in forma grafica, numerica o qualsiasi altra forma comprensibile dall’utente. 

Attualmente esistono circa quattro tipologie di biosensori in base al loro metodo di trasduzione, vale a dire biosensori elettrochimici, termici, piezoelettrici, magnetici e ottici. Ognuna di queste tipologie utilizza un meccanismo diverso per convertire un’interazione biologica in un segnale misurabile.

Per quanto riguarda i biosensori ottici, in particolare, sono noti per il vantaggio aggiuntivo nelle applicazioni di rilevamento grazie alla loro estrema sensibilità, selettività e rapidità di misurazione. Forniscono anche una rilevazione in tempo reale di sostanze biologiche e chimiche in modo specifico ed economico. 

Il funzionamento dei biosensori ottici avviene convertendo i segnali luminosi in segnali elettrici, basandosi sull’interazione del campo ottico con un biorecettore o elemento di bio-riconoscimento.

Questi biosensori sono classificati come “label-free”, dove i segnali sono prodotti direttamente dall’interazione del materiale analita con il trasduttore, e “label-based”, dove i segnali generati sono amplificati mediante metodi luminescenti, fluorescenti o colorimetrici. 

Pur offrendo vantaggi distinti rispetto alle tecniche analitiche tradizionali, i biosensori ottici richiedono sorgenti luminose esterne, il che limita il loro impiego a contesti di laboratorio e ne impedisce l’uso in ambiti sanitari e di monitoraggio ambientale.

Per superare le sfide nella loro diffusione in applicazioni reali, i ricercatori del Laboratorio di Sistemi Bionanofotonici della Scuola di Ingegneria dell’EPFL hanno impiegato la fisica quantistica per rilevare la presenza di biomolecole senza necessità di una sorgente luminosa esterna.

Spingere i Confini del Rilevamento Ottico

Per rilevare gli analiti biologici, i biosensori ottici utilizzano onde luminose. Mentre l’uso di strutture nanofotoniche che ‘schiacciano’ la luce sulla superficie di un piccolo chip per focalizzare le onde luminose a livello nanometrico può migliorare significativamente le loro prestazioni, come abbiamo osservato sopra, ciò richiede sorgenti luminose esterne, che comportano apparecchiature ingombranti, impedendo così il loro utilizzo per diagnosi rapide e in contesti point-of-care.

Quindi, per eliminare la necessità di una sorgente luminosa esterna in un biosensore basato sulla luce, i ricercatori si sono rivolti alla fisica quantistica. 

Hanno introdotto un sensore plasmonico con una sorgente di luce integrata, fornita da giunzioni di tunnel quantistico. 

Le nanostrutture metalliche plasmoniche sono state effettivamente studiate intensamente per i sensori ottici grazie alle loro capacità uniche di supportare un forte potenziamento del campo ottico e un confinamento della luce a scala sublunghezza d’onda attraverso risonanze di plasmoni di superficie localizzati e polaritoni di plasmoni di superficie propaganti (SPP).

LSPR è il movimento oscillatorio collettivo degli elettroni di conduzione vicino alla superficie di metalli nobili nanostrutturati quando sono illuminati dalla luce. Questo porta alla creazione di un campo elettromagnetico localizzato con proprietà ottiche distinte.

Gli SPP, nel frattempo, sono onde elettromagnetiche di superficie che si generano quando i plasmoni di superficie eccitati si accoppiano con i fotoni e viaggiano lungo l’interfaccia tra un metallo e un materiale dielettrico. 

È sulla base di questi che i dispositivi di biosensing hanno superato le prestazioni di rilevamento dei sensori ottici convenzionali, facilitandone l’uso diffuso e la commercializzazione. 

In effetti, i biosensori a Risonanza di Plasmoni di Superficie (SPR) basati su film metallici piatti sono diventati una delle tecniche standard senza etichetta per monitorare in tempo reale le interazioni biomolecolari.

I biosensori nanoplasmonici, che combinano nanomateriali, LSPR o SPR e biosensori ottici, consentono al contempo una riduzione dei volumi di campione richiesti, permettendo l’osservazione in tempo reale della secrezione di singole cellule. 

I progressi nel settore stanno ora guardando a sistemi di rilevamento plasmonico quantistico che possono scoprire nuove opportunità per migliorare le prestazioni dei dispositivi fino al livello di rilevamento di singole molecole. Tuttavia, nonostante tutti i progressi compiuti nel campo della nanofotonica, è ancora necessaria una sorgente luminosa esterna per eccitare gli SPP.

Combinati con apparecchiature ingombranti come prismi o reticoli, che limitano l’usabilità dei sensori plasmonici. Per avanzare il loro utilizzo nella ricerca biochimica e nelle diagnosi mediche, sono necessari dispositivi miniaturizzati e integrati.

Sfruttare il Tunnelamento Elettronico Inelastico per la Generazione di Luce On-Chip

Pubblicato su Nature Photonics¹ in collaborazione con ricercatori di ETH Zurich, ICFO e Yonsei University, gli ingegneri dell’EPFL hanno presentato un biosensore ottico on-chip senza etichetta, autoilluminante e basato sul tunnelamento quantistico, un fenomeno in cui una particella attraversa una barriera di energia potenziale che classicamente non può superare.

Sfruttando il tunnelamento elettronico inelastico, i ricercatori hanno creato un dispositivo che necessita solo di un flusso costante di elettroni sotto forma di tensione elettrica applicata per illuminare e identificare le molecole. 

“Se si considera un elettrone come un’onda, piuttosto che una particella, quell’onda ha una certa bassa probabilità di ‘tunnelare’ dall’altro lato di una barriera isolante estremamente sottile emettendo un fotone di luce. Ciò che abbiamo fatto è creare una nanostruttura che fa parte di questa barriera isolante e aumenta la probabilità che l’emissione di luce avvenga.”

– Ricercatore Mikhail Masharin

Per il design del loro dispositivo, gli ingegneri hanno utilizzato un film multistrato in cui l’isolante è situato tra due metalli. 

Qui, i nanofili d’oro (Au) sono posizionati sopra uno strato sottile di alluminio, che funge da barriera di tunnel, separandoli da un film di alluminio (Al) nella parte inferiore. 

La superficie superiore utilizza una metasuperficie plasmonica che svolge una duplice funzione, costituendo il nucleo dell’innovazione. Lo strato d’oro della nanostruttura funge da contatto elettrico per la giunzione di tunnel e da interfaccia ottica per facilitare l’accoppiamento del tunnelamento elettronico quantistico inelastico, accompagnato dall’emissione di luce, alla radiazione nello spazio libero.

Ciò significa che la metasuperficie presenta proprietà speciali che creano le condizioni per il tunnelamento quantistico e controllano l’emissione di luce risultante. 

Il controllo è abilitato dalla disposizione della metasuperficie, che è una rete di nanofili d’oro. Questi agiscono come ‘nanoantenne’ per concentrare la luce nei volumi nanometrici necessari per la rilevazione efficiente delle biomolecole.

La disposizione influisce sull’efficienza quantistica interna del processo di tunnelamento migliorando la componente radiante della densità elettromagnetica degli stati ottici, migliorando così l’efficienza quantistica radiante e, di conseguenza, potenziando il segnale rilevato. 

In termini più semplici, la loro nanostruttura crea le condizioni ideali affinché un elettrone la attraversi e superi una barriera di ossido di alluminio per raggiungere lo strato ultrafine d’oro (Au). In questo processo, parte dell’energia dell’elettrone viene trasferita all’eccitazione collettiva (nota anche come plasmon), che poi emette un fotone. 

Per produrre un’emissione LIET (emissione di luce da tunnelamento elettronico inelastico) efficiente e spazialmente uniforme, il ricercatore ha utilizzato un design di metasuperficie flessibile ottimizzato per il biosensing. La prima autrice, Jihye Lee, ex ricercatrice del Laboratorio di Sistemi Bionanofotonici e attualmente ingegnere presso Samsung Electronics:

“Il tunnelamento elettronico inelastico è un processo a probabilità molto bassa, ma se si ha un processo a bassa probabilità che si verifica uniformemente su un’area molto ampia, è comunque possibile raccogliere un numero sufficiente di fotoni. È qui che abbiamo concentrato la nostra ottimizzazione, e si è rivelata una nuova strategia molto promettente per il biosensing.” 

Il design del dispositivo assicura che lo spettro e l’intensità della luce cambino a contatto con le biomolecole, fornendo una tecnica potente per la rilevazione senza etichetta e in tempo reale.

Biosensori Quantistici: Compatti, Scalabili e in Tempo Reale

Con il dispositivo innovativo e compatto, i ricercatori hanno notevolmente avanzato le capacità dei sensori attualmente disponibili sul mercato.

Come ha dichiarato Hatice Altug, responsabile del Laboratorio di Sistemi Bionanofotonici:

“I test hanno mostrato che il nostro biosensore autoilluminante può rilevare aminoacidi e polimeri a concentrazioni di picogrammi – cioè un trilionesimo di grammo – eguagliando i sensori più avanzati disponibili oggi.”

Un altro punto importante è l’uso della meccanica quantistica per raggiungere la scoperta, che la porta sostanzialmente nel regno pratico.

Molto è stato esplorato sulla meccanica quantistica, una teoria fondamentale della fisica che tratta le proprietà e il comportamento delle particelle a livello atomico e subatomico, introdotta per la prima volta circa un secolo fa.

Durante questo periodo, la meccanica quantistica ha contribuito a far progredire le industrie fornendo le basi per numerose tecnologie moderne, tra cui semiconduttori per l’elettronica, laser e risonanza magnetica (MRI). Sta inoltre aprendo la strada a future innovazioni, come il calcolo quantistico e la cybersecurity avanzata. 

Secondo Julian Kelly, direttore hardware di Google Quantum AI, potremmo essere a “cinque anni da una vera svolta, una sorta di applicazione pratica che si può risolvere solo su un computer quantistico.”

I computer quantistici, secondo lui, “possono accedere al funzionamento dell’universo al livello più fondamentale.”

Nvidia (NVDA ) CEO Jensen Huang condivide un’opinione simile. Crede che il calcolo quantistico abbia il potenziale di “offrire un impatto straordinario”, ma aggiunge che “la tecnologia è incredibilmente complessa.”

In questo contesto, gli ingegneri dell’EPFL hanno integrato sorgenti di luce quantistica direttamente nei dispositivi a scala chip, rivoluzionando la tecnologia di biosensing che può essere utilizzata per il monitoraggio industriale, inclusi test dell’acqua, controllo della qualità dell’aria e sicurezza alimentare. Il loro progresso può anche sbloccare nuovi dispositivi nella rilevazione quantistica e nei sensori intelligenti.

L’architettura del sensore LIET offre in realtà un ingombro del dispositivo più piccolo, grazie alle antenne plasmoniche che fungono sia da sorgente luminosa sia da elemento di rilevamento, rispetto ai design che integrano strutture plasmoniche sopra fotodetectori o LED

I ricercatori hanno testato il loro dispositivo con biomolecole e polimeri spessi pochi nanometri e hanno scoperto che sia l’intensità della luce emessa sia il profilo spettrale sono modulati dalle variazioni dell’indice di rifrazione locale prodotte dalla presenza dell’analita. Ciò significa che i dispositivi LIET possono essere usati come biosensori ottici on-chip compatti e sensibili per applicazioni point-of-care.

Il dispositivo di rilevamento, secondo lo studio, ha una potenza emessa sufficiente per funzionare con i più comuni detector di luce. La piattaforma quantistica è scalabile e compatibile con i metodi di produzione dei sensori, rendendola fattibile per una produzione e distribuzione su larga scala.

“Il nostro lavoro fornisce un sensore completamente integrato che combina generazione e rilevazione della luce su un unico chip. Con potenziali applicazioni che vanno dalla diagnostica point-of-care al rilevamento di contaminanti ambientali, questa tecnologia rappresenta una nuova frontiera nei sistemi di rilevamento ad alte prestazioni,” ha dichiarato il ricercatore del Laboratorio di Sistemi Bionanofotonici Ivan Sinev.

Con meno di un millimetro quadrato di area attiva necessaria per il rilevamento, il design può sicuramente aprire prospettive entusiasmanti per realizzare un biosensore elettro-ottico pratico e nuove applicazioni. 

Inoltre, può potenzialmente portare a nuovi dispositivi portatili rispetto alle attuali configurazioni da tavolo, che si adattano perfettamente a contesti come studi medici, case di riposo e cliniche remote, dove le apparecchiature di laboratorio ingombranti sono semplicemente poco pratiche. 

La sua natura senza etichetta e la capacità di monitoraggio in tempo reale lo rendono inoltre perfetto per tracciare biomarcatori in malattie come infezioni, cancro e disturbi metabolici.

Al di là di tutto ciò, la piattaforma può fornire approfondimenti scientifici fondamentali che possono contribuire a far progredire altri settori, tra cui nano-ottica, scienza dei materiali e calcolo quantistico.

Clicca qui per saperne di più sullo stato attuale del calcolo quantistico.

Migliori Opportunità di Investimento in Biosensori Quantistici

Ora, è il momento di approfondire le opzioni di investimento, sia consolidate che emergenti, nel campo del biosensing guidato dalla tecnologia quantistica.

Operatori Consolidati e Piattaforme

Per quanto riguarda gli strumenti analitici e le diagnosi, Agilent Technologies (A ) è tra i nomi notevoli che potrebbero integrare la nuova tecnologia nelle loro linee di prodotto.

La società si distingue per la sua specializzazione in diagnostica, scienze della vita e mercati applicati. Offre soluzioni software e di automazione di laboratorio, nonché reagenti, strumenti e consumabili. Oltre a ingredienti farmaceutici attivi per terapie basate su oligoni, offre anche strumenti e software per identificare, quantificare e analizzare le proprietà biologiche delle sostanze.

All’inizio di quest’anno, Agilent ha collaborato con ABB Robotics per fornire soluzioni di laboratorio automatizzate, rendendo più rapidi ed efficienti processi come la ricerca e il controllo di qualità.

Con una capitalizzazione di mercato di 33,45 miliardi di dollari, le azioni Agilent attualmente scambiano a 117,76 $, in calo del 12,16 % dall’inizio dell’anno (YTD), ma non lontane dal loro picco del 2021 di circa 180 $. Ha un EPS (TTM) di 4,06 $ e un P/E (TTM) di 28,98, con un rendimento da dividendo dello 0,84 % disponibile. 

Dal punto di vista finanziario, la società ha recentemente riportato i risultati del Q2 2025, che hanno mostrato una crescita del 6 % dei ricavi a 1,67 miliardi di dollari, mentre l’utile netto GAAP è stato di 215 milioni di dollari e l’utile per azione (EPS) è stato di 0,75 $.

Nel mondo della fotonica/ottica, nel frattempo, AMS (AMS-Osram) è quella che potrebbe beneficiare di componenti emettitori di luce su scala nanometrica.

La AMS con sede in Austria progetta e produce microchip analogici integrati e offre i suoi servizi nei settori di sensori, interfacce per sensori, gestione dell’energia e intrattenimento mobile nelle comunicazioni, tecnologia medica e mercati automobilistici.

Al Sensors Converge 2025 del mese scorso, AMS ha presentato il suo più recente sensore Time-of-Flight multi-zona e diretto, che offre più di 20 volte il numero di pixel rispetto ai precedenti, anche a basso consumo, in un modulo compatto tutto-in-uno.

L’azienda, con una capitalizzazione di mercato di un miliardo di dollari, che offre una fonderia a servizio completo specializzata in tecnologie per sensori, ha un EPS (TTM) di -1,51 e un P/E (TTM) di -6,82.

Per il Q1 2025, ha registrato un fatturato di 820 milioni di euro, segnalando una redditività migliorata e una prospettiva di flusso di cassa libero superiore a 100 milioni di euro per l’anno fiscale 25. All’epoca, ha anche rivelato piani per vendere una parte della sua attività per generare oltre mezzo miliardo di dollari di capitale per ridurre il debito dell’azienda.

Specialisti in Quantum e Nanotecnologia

Se guardiamo al regno quantistico, Applied Materials (AMAT ) è nota per fornire strumenti di deposizione e nanofabbricazione, rendendo sistemi come i loro essenziali per scalare la produzione di biosensori. 

L’azienda di soluzioni di ingegneria dei materiali opera attraverso tre segmenti: Semiconductor Systems, che produce una gamma di apparecchiature principalmente da 300 mm utilizzate per fabbricare chip o IC semiconduttori; Display, che comprende principalmente prodotti per la produzione di LCD, OLED e altre tecnologie per smartphone, tablet, PC, televisori, monitor e laptop; e Applied Global Services (AGS), che produce da 200 mm e fornisce ricambi e software di automazione per lo stabilimento di fabbricazione.

Per quanto riguarda le performance di mercato dell’azienda con una capitalizzazione di 146 miliardi di dollari, le sue azioni al momento della stesura sono scambiate a 182,10 $, in rialzo dell’11,8 % YTD. Il suo EPS (TTM) è 8,21 e il P/E (TTM) è 22,20. Il rendimento da dividendo che gli azionisti possono ottenere è superiore all’1 %.

Per quanto riguarda i dati finanziari, l’azienda ha riportato un margine lordo GAAP del 49,1 % per il Q2 2025 e un margine lordo non-GAAP del 49,2 %. Nel frattempo, l’EPS GAAP record è stato di 2,63 $, e l’EPS non-GAAP è stato di 2,39 $. Il flusso di cassa operativo generato in questo periodo è stato di 1,57 miliardi di dollari, mentre Applied Materials ha distribuito 2 miliardi di dollari agli azionisti, inclusi 1,67 miliardi di riacquisti di azioni e 325 milioni di dividendi.

Il suo CEO, Gary Dickerson, ha attribuito il computing AI ad alte prestazioni ed efficiente dal punto di vista energetico come il principale motore dell’innovazione.

Stadi Iniziali e Spin-Out

Nelle iniziative in fase precoce, realtà come Lux Capital sono note per investire in tecnologie emergenti, tra cui scienza dei materiali, biochimica, elettronica, aerospazio e infrastrutture. La società di venture capital (VC) ha inoltre aiutato gli accademici a far progredire la scoperta tecnologica con piani di investimento di almeno 100 milioni di dollari per sostenere ricerche promettenti in settori come biotech e AI.

Breakthrough Energy Ventures (BEV) è un altro soggetto che potrebbe puntare a società di piattaforme quantistiche e nanotech simili.

Fondata da Bill Gates, BEV è composta da venti investitori provenienti da tutto il mondo. Il fondo ha investito in tutto, dai sensori intelligenti, soluzioni di archiviazione e biotech all’AI e alla sostenibilità. Ha inoltre impegnato più di un miliardo di dollari in nuove tecnologie tramite la Breakthrough Energy Coalition (BEC).

In futuro, è anche possibile che vedremo startup spin-out da EPFL, ETH o ICFO con un focus sulla tecnologia quantistica e che diventino attori commerciali. Tuttavia, non è nulla di nuovo. Negli anni, molte spin-off universitarie sono emerse per trasformare invenzioni tecnologiche sviluppate dalla ricerca svolta nelle loro università.

Ad esempio, Akamai, Boston Dynamics, OKCupid, Cambridge Mobile Telematics, iRobot , RSA Security, Nimble VR, Meraki e molte altre sono tutte spin-off del Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Anche l’EPFL ha visto molte spin-out come Bionomous, Dronistics, Hydromea, MindMaze, Sensars, SenseFly, Kandou, Nexthink e altre, che coprono vari settori.

L’ETH Zurich ha visto aziende spin-off in ambiti come AI, machine learning, biotecnologia, farmaceutica e robotica, mentre almeno dieci imprese sono state spin-off da ICFO, tra cui LuxQuanta, che utilizza tecnologie quantistiche per fornire sicurezza dei dati.

Conclusione

I biosensori ottici sono importanti nei campi della diagnostica medica precisa, della medicina personalizzata e del monitoraggio ambientale. Portando un biosensore plasmonico autoilluminante, l’ultima innovazione rappresenta un cambiamento che combina il tunnelamento quantistico con la fotonica in un chip autonomo. 

Ciò non solo sfida il design dei sensori convenzionali, ma si distingue anche come un’implementazione pratica della meccanica quantistica, andando oltre la sperimentazione verso tecnologie scalabili con il potenziale di una diffusione capillare.

Integrando direttamente sorgenti di luce quantistica nei dispositivi a scala chip, i ricercatori hanno creato una nuova frontiera nella tecnologia di biosensing, promettendo versatilità, compattezza e una sensibilità senza precedenti in vari settori.

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Studi Citati:

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