量子光が自己照明型光学バイオセンサーを実現

医療分野において、バイオセンサーは大きな注目を集めている診断ツールです。これらの電気デバイスは生体または化学信号を測定し、電気信号に変換します。

それらは、疾病モニタリングや薬剤開発から、病原体となる微生物の非侵襲的検出、汗、唾液、尿、血液などの体液中のウイルスを示すマーカーの検出まで、幅広く利用されています。

バイオセンサーは食品検査・安全性、農業、環境研究、バイオテクノロジー、医療用途にも応用が広がっています。この需要に牽引され、世界のバイオセンサ市場はすでに年間数百億ドル規模を目指しています。

典型的なバイオセンサーは以下の主要コンポーネントから構成されます:

• バイオレセプター
• トランスデューサー
• アナリト
• ディスプレイ

ここで、アナリトとは測定対象となる物質で、例えばグルコース検出用バイオセンサーではグルコースがアナリトです。

バイオレセプターはDNA、細胞、酵素、抗体などの生体成分で、アナリトを認識します。バイオレセプターとアナリトの相互作用により熱、光、または変化が生じる信号生成プロセスは「バイオ認識」と呼ばれます。

トランスデューサーはバイオ認識イベントを測定可能な光学または電気信号に変換します。ディスプレイは、ユーザーが理解できるグラフィック、数値、その他の形式でデータを生成するユーザーインターフェースです。

現在、トランスデューション方式に基づくバイオセンサーは、電気化学的、熱的、圧電的、磁気的、光学的の約4種類に分類されます。各タイプは生体相互作用を測定可能な信号に変換するメカニズムが異なります。

特に光学バイオセンサーは、極めて高い感度、選択性、迅速な測定が可能であるため、センシング応用において付加価値があります。また、特定かつコスト効果の高い方法で生体・化学物質のリアルタイム検出を提供します。

光学バイオセンサーは、光信号を電気信号に変換し、光場とバイオレセプターまたはバイオ認識要素との相互作用に基づいて動作します。

これらのバイオセンサーは「ラベルフリー」(アナリトとトランスデューサーの直接相互作用で信号が生成) と「ラベルベース」(蛍光、発光、比色法で信号が増幅) に分類されます。

従来の分析手法に比べて明確な利点があるものの、光学バイオセンサーは外部光源を必要とし、実験室以外での展開が制限され、医療や環境モニタリングへの利用が妨げられます。

この実用化の課題を克服するため、EPFL工学部のバイオナノフォトニックシステム研究室の研究者は、外部光源を不要にしてバイオ分子の存在を検出できる量子物理を活用しました。

Pushing the Boundaries of Optical Biosensing

生物学的アナリトを検出するために、光学バイオセンサーは光波を利用します。ナノフォトニック構造でチップ表面の光を「絞り」ナノメートルレベルに集中させることで性能が大幅に向上しますが、上述の通り外部光源が必要で、かさばる装置が必要となり、迅速な診断やポイントオブケアでの使用が阻まれます。

そこで、光ベースのバイオセンサーで外部光源の必要性を排除するために、研究者は量子物理に目を向けました。

彼らは量子トンネル接合によって提供される埋め込み光源を備えたプラズモニックセンサーを導入しました。

プラズモニック金属ナノ構造は、強い光場増強と局所表面プラズモン共鳴や伝搬表面プラズモン極性子（SPP）による深サブ波長光閉じ込めを実現できるため、光学センサーの研究対象となっています。

LSPRは、光照射によりナノ構造貴金属表面近くの伝導電子が集合的に振動する現象で、局所的な電磁場が生成され、独特の光学特性を示します。

一方、SPPは励起された表面プラズモンが光子と結合し、金属と誘電体の界面に沿って伝搬する電磁表面波です。

これらを基盤に、バイオセンシングデバイスは従来の光学センサーの検出性能を上回り、広範な商用化を促進しています。

実際、平坦金属膜を用いた表面プラズモン共鳴（SPR）バイオセンサーは、ラベルフリーでバイオ分子相互作用をリアルタイムにモニタリングする標準技術の一つとなっています。

ナノプラズモニックバイオセンサーは、ナノ材料、LSPRまたはSPR、光学バイオセンサーを組み合わせ、必要なサンプル量を削減し、リアルタイムの単一細胞分泌観測を可能にします。

分野の進展は、単一分子検出レベルまでデバイス性能を向上させる新たな機会を提供する量子プラズモニックセンシングシステムへと向かっています。しかし、ナノフォトニクス分野の進歩にもかかわらず、SPPを励起するための外部光源は依然として必要です。

プリズムや回折格子などのかさばる装置と組み合わせることで、プラズモニックセンサーの実用性が制限されます。生化学研究や医療診断への応用を進めるには、ミニチュア化・統合デバイスが必要です。

Leveraging Inelastic Electron Tunneling for On-Chip Light Generation

公開日 in Nature Photonics¹ に、ETHチューリッヒ、ICFO、延世大学の研究者と共同で、自己照明型ラベルフリー光学バイオセンサーを実証しました。このセンサーは量子トンネリングを利用しており、古典的には越えられないエネルギーバリアを粒子が通過する現象です。

非弾性電子トンネリングを活用することで、研究者は電圧で供給される安定した電子流だけで分子を照射し検出できるデバイスを作り出しました。

「電子を粒子ではなく波として考えると、極めて薄い絶縁バリアの向こう側へトンネルしながら光子を放出する確率が低いです。我々はこの絶縁バリアの一部を形成し、光放出確率を高めるナノ構造を作り出しました。」

– 研究者 Mikhail Masharin

デバイス設計では、絶縁層が2つの金属の間に挟まれた多層膜を使用しました。

ここで、金（Au）ナノワイヤは薄いアルミ層（トンネルバリア）の上に配置され、下部のアルミ（Al）フィルムと分離されています。

上部表面はプラズモニックメタサーフェスを使用し、二重機能を果たすことで本イノベーションの核となります。ナノ構造の金層はトンネル接合の電気接点であると同時に、非弾性量子電子トンネリングに伴う光放出を自由空間放射へ結合させる光学インターフェースでもあります。

つまり、メタサーフェスは量子トンネリングを起こす条件と光放出を制御する特性を示すということです。

この制御は金ナノワイヤのメッシュ構造によって実現され、これらは「ナノアンテナ」として機能し、バイオ分子の効率的検出に必要なナノメートルボリュームに光を集中させます。

配置は光学状態密度の放射成分を強化し、トンネリング過程の内部量子効率を向上させ、結果として検出信号を増幅します。

簡単に言えば、ナノ構造は電子がアルミナ酸化物バリアを通過し、超薄い金層（Au）へ到達する条件を整えます。この過程で電子エネルギーの一部が集合励起（プラズモン）に転移し、光子が放出されます。

効率的で空間的に均一な LIET（非弾性電子トンネリングによる光放出）を実現するため、研究者はバイオセンシングに最適化された柔軟なメタサーフェス設計を採用しました。第一著者の Jihye Lee は元 Bionanophotonic Systems Lab 研究者で、現在は Samsung Electronics のエンジニアです：

「非弾性電子トンネリングは確率が非常に低いプロセスですが、広い領域で均一に起これば十分な光子を収集できます。これが我々の最適化の焦点であり、バイオセンシングにとって非常に有望な新戦略であることが分かりました。」

デバイス設計により、光のスペクトルと強度がバイオ分子と接触した際に変化し、ラベルフリーかつリアルタイム検出の強力な手法を提供します。

Quantum Biosensors: Compact, Scalable, and Real-Time

この革新的でコンパクトなデバイスにより、研究者は市場に出回っているセンサーの性能を大幅に向上させました。

Bionanophotonic Systems Laboratory の責任者 Hatice Altug は次のように述べています:

「テストの結果、自己照明型バイオセンサーはアミノ酸やポリマーをピコグラム濃度（1兆分の1グラム）で検出でき、現在入手可能な最先端センサーに匹敵します。」

ここで重要なのは、量子力学を利用したブレークスルーが実用領域へとさらに踏み込んだ点です。

量子力学は、原子・亜原子レベルの粒子の性質と挙動を扱う基礎理論で、約1世紀前に提唱されました。

この間、量子力学は 電子用半導体、レーザー、磁気共鳴画像（MRI）など多数の現代技術の基盤となり、量子コンピューティングや高度なサイバーセキュリティといった将来のイノベーションへの道を開いています。

Google Quantum AI のハードウェア部門ディレクター Julian Kelly は、実用的なブレークスルーは「約5年後に本格的に量子コンピュータでしか解決できない課題が出てくる」と述べています。

同氏は、量子コンピュータは「宇宙が最も根本的なレベルで機能する方法にアクセスできる」と語っています。

Nvidia (NVDA ) の CEO Jensen Huang も同様の見解を示し、量子コンピューティング が「驚異的なインパクトをもたらす可能性」を持つ一方で「技術は極めて複雑」だと付け加えています。

このような状況の中、EPFL のエンジニアは量子光源をチップスケールデバイスに直接組み込み、産業モニタリング（例えば水質検査、空気品質管理、食品安全）に利用できるバイオセンシング技術を革命的に変えました。彼らのブレークスルーは量子検出やスマートセンサーの新デバイス創出も可能にします。

LIET センサーアーキテクチャは、プラズモニックアンテナが光源とセンシング要素の両方を担うことで、フォトディテクタや LED 上にプラズモニック構造を統合する従来設計に比べてデバイスフットプリントを小さくします。

研究者はバイオ分子やナノメートル厚のポリマーでデバイスをテストし、放出光の強度とスペクトルがアナリトの存在による屈折率変化で変調されることを確認しました。これにより、LIET デバイスはポイントオブケア向けのコンパクトで高感度なオンチップ光学バイオセンサーとして活用できることが示されました。

研究によれば、センサーは最も一般的な光検出器で動作するのに十分な放出光出力を持ち、量子プラットフォームはスケーラブルでセンサー製造プロセスと互換性があるため、広範な量産と流通が実現可能です。

「我々の研究は、光生成と検出を単一チップ上で統合した完全統合型センサーを提供します。ポイントオブケア診断から環境汚染物質検出まで幅広い応用が期待でき、この技術は高性能センシングシステムの新たなフロンティアです」と Bionanophotonic Systems Lab の研究者 Ivan Sinev は述べています。

アクティブ領域が 1 mm² 未満で済むため、実用的な電気光学バイオセンサーや新たな応用の実現に向けた期待が高まります。

また、現在のテーブルトップ装置に代わるハンドヘルドデバイスの実現も可能で、診療所、介護施設、遠隔診療クリニックなど、かさばる実験装置が実用的でない環境に最適です。

ラベルフリーでリアルタイムモニタリングが可能な点は、感染症、がん、代謝性疾患などのバイオマーカー追跡に最適です。

さらに、このプラットフォームはナノ光学、材料科学、量子コンピューティングなど他分野の基礎的科学的洞察を提供し、技術の進展を支援します。

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Top Quantum Biosensor Investment Opportunities

さて、量子駆動バイオセンシング分野における確立された企業と新興企業の投資オプションを詳しく見ていきましょう。

Established Players & Platforms

分析機器と診断の分野では、Agilent Technologies (A ) が新技術を自社製品ラインに統合できる有力候補の一つです。

同社は診断、ライフサイエンス、応用市場に特化しており、ソフトウェアとラボオートメーションソリューションに加えて試薬、機器、消耗品を提供しています。また、オリゴベース治療薬向けの活性医薬品成分に加えて、物質の生物学的特性を特定・定量・分析するための機器とソフトウェアも提供しています。

今年初め、Agilent は ABB Robotics と提携し、研究や品質管理などのプロセスを高速かつ効率的にする自動化ラボソリューションを提供しました。

時価総額は 334.5 億ドルで、株価は現在 117.76 ドル（年初来 -12.16%）で、2021 年の約 180 ドルのピークからはやや下落しています。EPS（TTM）は 4.06 ドル、P/E（TTM）は 28.98、配当利回りは 0.84% です。

財務面では、同社は最近 2025 年第2四半期決算を発表し、売上高は 16.7 億ドルで 6% 成長、GAAP 純利益は 2.15 億ドル、1 株当たり利益（EPS）は 0.75 ドルでした。

光子/光学分野では、AMS（AMS-Osram）がナノスケールの発光コンポーネントから恩恵を受ける可能性があります。

オーストリア拠点の AMS は統合アナログマイクロチップを設計・製造し、センサー、センサーインターフェース、電源管理、モバイルエンターテインメント（通信、医療技術、自動車市場向け）にサービスを提供しています。

先月開催された Sensors Converge 2025 で、AMS は最新のマルチゾーン・直接 Time-of-Flight センサーを披露し、従来製品の 20 倍以上のピクセル数を低消費電力で実現したコンパクトなオールインワンモジュールを示しました。

10 億ドル規模の時価総額を持つ同社は、センサー技術に特化したフルサービスファウンドリーを提供し、EPS（TTM）は -1.51、P/E（TTM）は -6.82 です。

2025 年第1四半期の売上高は 8.20 億ユーロで、収益性が改善し、2025 会計年度のフリーキャッシュフロー見通しは 1 億ユーロを超えました。また、同時期に事業の一部を売却し、5 億ドル超の資本を調達して負債削減を計画しています。

Quantum & Nanotech Specialists

量子領域を見ると、Applied Materials (AMAT ) はデポジションとナノファブリケーションツールを提供し、バイオセンサーの大量生産に不可欠なシステムを提供しています。

同社は 3 つのセグメントで事業を展開しています: Semiconductor Systems（主に 300 mm 設備で半導体チップや IC を製造）、Display（主にスマートフォン、タブレット、PC、テレビ、モニター、ラップトップ向け LCD、OLED などの製造製品）、Applied Global Services（AGS）（200 mm 設備の製造とファブリケーションプラント向け部品・自動化ソフトウェア）です。

時価総額 1,460 億ドルの同社は、執筆時点で株価は 182.10 ドル（年初来 +11.8%）で、EPS（TTM）は 8.21、P/E（TTM）は 22.20、配当利回りは 1% 超です。

財務面では、2025 年第2四半期の GAAP 粗利益率は 49.1%、非 GAAP 粗利益率は 49.2% でした。記録的な GAAP EPS は 2.63 ドル、非 GAAP EPS は 2.39 ドルです。期間中の営業キャッシュフローは 15.7 億ドルで、Applied Materials は株主に 20 億ドルを配分し、うち 16.7 億ドルが自社株買い、3.25 億ドルが配当でした。

CEO の Gary Dickerson は、高性能でエネルギー効率の高い AI コンピューティングがイノベーションの主要ドライバーであると述べました。

Early-Stage & Spin-Outs

初期段階のベンチャーでは、Lux Capital が材料科学、バイオ化学、エレクトロニクス、航空宇宙、インフラなどの新興技術への投資で知られています。このベンチャーキャピタル（VC）企業は、バイオテックや AI などの有望な研究を支援するために少なくとも 1 億ドルを投資する計画を持っています。

Breakthrough Energy Ventures（BEV）も同様に、量子・ナノテックプラットフォーム企業を対象とする可能性があります。

Bill Gates が設立した BEV は、世界中から集まった 20 名の投資家で構成され、スマートセンサー、ストレージソリューション、バイオテックから AI、サステナビリティまで幅広く投資しています。また、Breakthrough Energy Coalition（BEC）を通じて新技術に 10 億ドル超の投資を約束しています。

将来的には、EPFL、ETH、ICFO から量子技術に特化したスタートアップがスピンアウトし、商業プレーヤーになる可能性があります。これは新しいことではなく、過去に多くの大学スピンオフが研究成果を商業化する形で登場しています。

例えば、Akamai、Boston Dynamics、OKCupid、Cambridge Mobile Telematics、iRobot 、RSA Security、Nimble VR、Meraki など多数がマサチューセッツ工科大学（MIT）からスピンアウトしています。

EPFL でも Bionomous、Dronistics、Hydromea、MindMaze、Sensars、SenseFly、Kandou、Nexthink など多数のスピンアウトがさまざまなセクターで活躍しています。

ETH Zurich でも AI、機械学習、バイオテクノロジー、医薬品、ロボティクス分野のスピンオフ企業が生まれ、ICFO からは少なくとも 10 社がスピンアウトしており、LuxQuanta は量子技術でデータセキュリティを提供しています。

Conclusion

光学バイオセンサーは、正確な医療診断、パーソナライズド医療、環境モニタリングの分野で重要です。自己照明型プラズモニックバイオセンサーの登場により、量子トンネリングとフォトニクスを組み合わせた自己完結型チップへの転換が実現しました。

これは従来のセンサーデザインに挑戦するだけでなく、量子力学の実用的実装として際立ち、実験段階を超えてスケーラブルな技術へと進化し、広範な採用が期待されます。

量子光源をチップスケールデバイスに直接組み込むことで、研究者は多用途・小型・前例のない感度を持つ新たなバイオセンシング技術のフロンティアを切り開きました。

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Studies Referenced:

1. Lee, J.; Wu, Y.; Sinev, I.; et al. 共鳴量子トンネリングによって実現されたプラズモニックバイオセンサー. Nat. Photon. 2025. https://doi.org/10.1038/s41566-025-01708-y