Quantumlicht maakt zelfverlichtende optische biosensoren mogelijk

In de gezondheidszorgwereld krijgen biosensoren aanzienlijke tractie als diagnostisch hulpmiddel. Deze elektrische apparaten meten biologische of chemische signalen en zetten ze om in elektrische signalen. 

Ze worden gebruikt voor alles, van ziektebewaking en geneesmiddelenontdekking tot niet‑invasieve detectie van micro‑organismen die ziekten veroorzaken en markers die virussen signaleren in lichaamsvloeistoffen zoals zweet, speeksel, urine en bloed.

Biosensoren vinden ook toepassingen in voedselinspectie en -veiligheid, landbouw, milieustudies, biotechnologie en medische hulpmiddelen. Gedreven door al deze vraag, is de wereldwijde biosensormarkt al gericht op tientallen miljarden per jaar.

Een typische biosensor bestaat uit een paar hoofdcomponenten:

• Bioreceptor
• Transducer
• Analyte
• Display

Hier is de analyte een stof van belang die wordt geïdentificeerd en gemeten. Bijvoorbeeld, in een biosensor die is ontworpen om glucose te detecteren, is glucose de analyte.

Een bioreceptor is een biologisch component, zoals DNA, cellen, enzymen of antilichamen, die de analyte herkent. Het proces van signaalgeneratie treedt op in de vorm van warmte, licht of een verandering bij de interactie van de bioreceptor met de analyte, en wordt bioherkenning genoemd.

De transducer zet het bioherkenningsgebeurtenis om in een meetbaar optisch of elektrisch signaal. Display is simpelweg een gebruikersinterpretatiesysteem dat gegevens genereert in grafische, numerieke of andere vormen die begrijpelijk zijn voor de gebruiker. 

Er zijn ongeveer vier soorten biosensoren op basis van hun transductiemethode, namelijk elektrochemische, thermische, piëzo‑elektrische, magnetische en optische biosensoren. Elk van deze types gebruikt een ander mechanisme om een biologische interactie om te zetten in een meetbaar signaal.

Als het gaat om optische biosensoren, staan ze bekend om hun extra voordeel in detectietoepassingen vanwege hun extreme gevoeligheid, selectiviteit en snelle metingen. Ze bieden ook realtime detectie van biologische en chemische stoffen op een specifieke en kosteneffectieve manier. 

De manier waarop optische biosensoren werken is door lichtsignalen om te zetten in elektrische signalen met activiteit gebaseerd op de interactie van het optische veld met een bioreceptor of bioherkenningselement.

Deze biosensoren worden geclassificeerd als “label‑vrij”, waarbij signalen direct worden geproduceerd bij de interactie van het analytemateriaal met de transducer, en “labelgebaseerd”, waarbij signalen worden versterkt door luminescente, fluorescerende of colorimetrische methoden. 

Hoewel ze duidelijke voordelen bieden ten opzichte van traditionele analytische technieken, vereisen optische biosensoren externe lichtbronnen, wat hun inzet beperkt tot laboratoriumomgevingen en hun gebruik in gezondheidszorg‑ en milieumonitoringinstellingen verhindert.

Om de uitdagingen in de brede real‑life toepassingen te overwinnen, hebben onderzoekers in het Bionanophotonic Systems Laboratory van de School of Engineering van EPFL quantumfysica gebruikt om de aanwezigheid van biomoleculen te detecteren zonder een externe lichtbron.

De Grenzen van Optische Biosensing Verleggen

Om biologische analyten te detecteren, gebruiken optische biosensoren lichtgolven. Terwijl nanofotonische structuren die ‘samendrukken’ op het oppervlak van een klein chip om de lichtgolven tot nanometerschaal te focussen hun prestaties aanzienlijk kunnen verbeteren, zoals hierboven opgemerkt, hebben ze externe lichtbronnen nodig, wat grootschalige apparatuur met zich meebrengt en daardoor het gebruik voor snelle diagnostiek en point‑of‑care omgevingen verhindert.

Dus, om de noodzaak van een externe lichtbron in een lichtgebaseerde biosensor te elimineren, wendden de onderzoekers zich tot quantumfysica. 

Ze hebben een plasmonische sensor geïntroduceerd met een ingebedde lichtbron, geleverd door quantum tunneljunctions. 

Plasmonische metaalnanostructuren zijn actief onderzocht voor optische sensoren vanwege hun unieke vermogen om sterke optische veldversterking te ondersteunen evenals diep‑subgolflengte lichtconfinement via gelokaliseerde oppervlakteplasmaresonanties en voortschrijdende oppervlakteplasmapolaritonen (SPP’s).

LSPR is de collectieve oscillerende beweging van geleidingselektronen nabij het oppervlak van nanogestructureerde edelmetalen wanneer ze worden belicht. Dit leidt tot de creatie van een gelokaliseerd elektromagnetisch veld met onderscheidende optische eigenschappen.

SPP’s zijn elektromagnetische oppervlaktegolven die ontstaan wanneer geëxciteerde oppervlakteplasmons koppelen met fotonen en langs de interface tussen een metaal en een dielektrisch materiaal reizen. 

Op basis hiervan hebben biosensorapparaten de detectieprestaties van conventionele optische sensoren overtroffen, waardoor hun brede gebruik en commercialisatie mogelijk is. 

In feite zijn Surface Plasmon Resonance (SPR) biosensoren gebaseerd op vlakke metaalplaten een van de standaard labelvrije technieken om biomoleculaire interacties realtime te monitoren.

Nanoplasmonische biosensoren, die de combinatie zijn van nanomaterialen, LSPR of SPR, en optische biosensoren, maken bovendien een vermindering van de benodigde monsterhoeveelheden mogelijk, waardoor realtime observatie van enkelcellig secretie mogelijk wordt. 

Vooruitgang in het veld richt zich nu op quantum‑plasmonische detectiesystemen die nieuwe kansen kunnen ontdekken voor verbeterde apparaatprestaties tot op het niveau van enkel‑molecuul detectie. Maar ondanks alle vooruitgang in het nanofotonica‑veld, is er nog steeds een externe lichtbron nodig om SPP’s te exciteren.

Gecombineerd met omvangrijke apparatuur zoals prisma’s of roosters, die de bruikbaarheid van plasmonische sensoren beperken. Om het gebruik in biochemisch onderzoek en medische diagnostiek te bevorderen, hebben we miniaturiseerde en geïntegreerde apparaten nodig.

Inelastisch Elektronentunnelen Benutten voor Lichtgeneratie op Chip

Gepubliceerd in Nature Photonics¹ in samenwerking met onderzoekers van ETH Zurich, ICFO en Yonsei University, hebben EPFL‑ingenieurs een on‑chip labelvrije optische biosensor getoond die zelfverlichtend is en quantum tunneling benut, een fenomeen waarbij een deeltje door een potentiële energiedrempel gaat die klassiek niet kan worden gekruist.

Door inelastisch elektronentunnelen te benutten, hebben de onderzoekers een apparaat gecreëerd dat alleen een constante stroom van elektronen in de vorm van aangelegde elektrische spanning nodig heeft om zowel te verlichten als moleculen te identificeren. 

“Als je een elektron als een golf beschouwt, in plaats van een deeltje, heeft die golf een bepaalde lage waarschijnlijkheid om te ‘tunnelen’ naar de andere kant van een extreem dunne isolerende barrière terwijl hij een foton licht uitzendt. Wat we hebben gedaan is een nanostructuur creëren die zowel deel uitmaakt van deze isolerende barrière als de waarschijnlijkheid vergroot dat lichtemissie plaatsvindt.”

– Onderzoeker Mikhail Masharin

Voor hun apparaatontwerp hebben de ingenieurs een meerlagige film gebruikt waarbij de isolator zich tussen twee metalen bevindt. 

Hier worden goud (Au) nanodraden geplaatst bovenop een dunne aluminiumlaag, die de tunneldrempel vormt, en scheiden ze van een aluminium (Al) film aan de onderkant. 

Het bovenvlak maakt gebruik van een plasmonische metasurface die dubbele doeleinden dient, en vormt de kern van de innovatie. De goudlaag van de nanostructuur dient als elektrisch contact voor de tunneljunction evenals als optische interface om de koppeling van inelastisch quantum elektronentunnelen, vergezeld van lichtemissie, naar vrije‑ruimte straling te faciliteren.

Dit betekent dat de metasurface speciale eigenschappen vertoont die de voorwaarden creëren voor quantum tunnelen en de resulterende lichtemissie regelen. 

De controle wordt mogelijk gemaakt door de rangschikking van de metasurface, die bestaat uit een raster van goudnanodraden. Deze fungeren als ‘nano‑antennes’ om het licht te concentreren in de nanometervolumes die nodig zijn voor de efficiënte detectie van biomoleculen.

De rangschikking beïnvloedt de interne kwantumefficiëntie van het tunnelingproces door het radiatieve component van de elektromagnetische dichtheid van optische toestanden te versterken, waardoor de radiatieve kwantumefficiëntie verbetert en, als gevolg, het gedetecteerde signaal wordt versterkt. 

In eenvoudigere termen creëert hun nanostructuur in feite de juiste voorwaarden zodat een elektron erdoorheen kan gaan en een barrière van aluminiumoxide kan doorkruisen om bij de ultradunne goudlaag (Au) te komen. In dit proces wordt een deel van de energie van het elektron overgedragen aan de collectieve excitatie (ook wel plasmon genoemd), die vervolgens een foton uitzendt. 

Om een efficiënte en ruimtelijk uniforme LIET (lichtemissie door inelastisch elektronentunnelen) te produceren, gebruikte de onderzoeker een flexibel metasurface‑ontwerp dat geoptimaliseerd is voor biosensing. De eerste auteur, Jihye Lee, die voormalig onderzoeker was in het Bionanophotonic Systems Lab en momenteel engineer is bij Samsung Electronics:

“Inelastisch elektronentunnelen is een proces met een zeer lage waarschijnlijkheid, maar als je een laag‑waarschijnlijkheidsproces uniform over een zeer groot gebied laat plaatsvinden, kun je nog steeds voldoende fotonen verzamelen. Dit is waar we onze optimalisatie op hebben gericht, en het blijkt een zeer veelbelovende nieuwe strategie voor biosensing te zijn.” 

Het apparaatontwerp zorgt ervoor dat het spectrum en de intensiteit van het licht veranderen wanneer het in contact komt met biomoleculen, waardoor een krachtige techniek voor labelvrije, realtime detectie ontstaat.

Quantumbiosensoren: Compact, Schaalbaar en Real‑Time

Met het innovatieve, compacte apparaat hebben de onderzoekers de mogelijkheden van sensoren die momenteel op de markt beschikbaar zijn aanzienlijk verbeterd.

Zoals Hatice Altug, hoofd van het Bionanophotonic Systems Laboratory, stelde:

“Tests toonden aan dat onze zelfverlichtende biosensor aminozuren en polymeren kan detecteren bij picogramconcentraties – dat is één biljoenste gram – en daarmee concurreert met de meest geavanceerde sensoren die vandaag beschikbaar zijn.”

Een ander belangrijk punt hier is het gebruik van quantummechanica om de doorbraak te realiseren, wat het praktisch maakt.

Er is veel onderzocht over quantummechanica, een fundamentele natuurkundetheorie die zich bezighoudt met de eigenschappen en het gedrag van deeltjes op atomair en subatomair niveau, die ongeveer een eeuw geleden werd geïntroduceerd.

In die tijd heeft quantummechanica industrieën geholpen te vooruit te stuwen door tal van moderne technologieën te ondersteunen, waaronder halfgeleiders voor elektronica, lasers en magnetische resonantiebeeldvorming (MRI). Het maakt ook de weg vrij voor toekomstige innovaties, zoals quantumcomputing en geavanceerde cyberbeveiliging. 

Volgens Julian Kelly, directeur hardware bij Google Quantum AI, kunnen we ongeveer “vijf jaar verwijderd zijn van een echte doorbraak, een soort praktische toepassing die alleen op een quantumcomputer kan worden opgelost.”

Quantumcomputers kunnen, volgens hem, “toegang krijgen tot de manier waarop het universum werkt op het meest fundamentele niveau.”

Nvidia (NVDA ) CEO Jensen Huang deelt een vergelijkbaar standpunt. Hij gelooft dat quantum computing de potentie heeft om “een buitengewone impact te leveren,” maar voegde toe dat “de technologie ongelooflijk complex is.”

Temidden hiervan hebben EPFL‑ingenieurs quantumlichtbronnen direct in chip‑schaal apparaten geïntegreerd, waardoor biosensingtechnologie wordt gerevolutioneerd die kan worden gebruikt voor industriële monitoring, inclusief wateranalyse, luchtkwaliteitscontrole en voedselveiligheid. Hun doorbraak kan ook nieuwe apparaten mogelijk maken in quantumdetectie en slimme sensoren. De LIET‑sensorarchitectuur biedt hier eigenlijk een kleinere apparaatvoetafdruk, doordat plasmonische antennes zowel als lichtbron als als detectie‑element fungeren, vergeleken met ontwerpen die plasmonische structuren integreren bovenop fotodetectoren of LED’s

De onderzoekers testten hun apparaat met biomoleculen en nanometer‑dikke polymeren en ontdekten dat zowel de intensiteit van het uitgezonden licht als het spectrale profiel worden gemoduleerd door de lokale brekingsindexveranderingen die door de aanwezigheid van de analyte worden veroorzaakt. Dit betekent dat LIET‑apparaten kunnen worden gebruikt als compacte en gevoelige on‑chip optische biosensoren voor point‑of‑care toepassingen.

Het detectieapparaat, volgens de studie, heeft voldoende uitgezonden vermogen om te werken met de meest gangbare lichtdetectoren. Het quantumplatform is schaalbaar en compatibel met sensorproductiemethoden, waardoor grootschalige productie en distributie haalbaar zijn.

“Ons werk levert een volledig geïntegreerde sensor die lichtgeneratie en detectie combineert op één enkele chip. Met potentiële toepassingen variërend van point‑of‑care diagnostiek tot het detecteren van milieuverontreinigingen, vertegenwoordigt deze technologie een nieuw front in hoog‑presterende detectiesystemen,” zei Bionanophotonic Systems Lab‑onderzoeker Ivan Sinev.

Met minder dan een vierkante millimeter actieve oppervlakte die nodig is voor detectie, kan het ontwerp zeker spannende perspectieven openen om een praktisch elektro‑optische biosensor te realiseren en nieuwe toepassingen. 

Het kan bovendien leiden tot nieuwe handheld apparaten in tegenstelling tot de huidige tafel‑topopstellingen, die perfect passen in omgevingen zoals dokterspraktijken, verpleeghuizen en afgelegen klinieken, waar omvangrijke laboratoriumapparatuur simpelweg onpraktisch is. 

De labelvrije aard en realtime monitoringscapaciteit maken de quantumbiosensor bovendien perfect voor het volgen van biomarkers in ziekten zoals infecties, kanker en metabole stoornissen.

Bovenal kan het platform fundamentele wetenschappelijke inzichten bieden die andere velden kunnen vooruithelpen, waaronder nano‑optica, materiaalkunde en quantumcomputing.

Klik hier om meer te leren over de huidige staat van quantumcomputing.

Top Quantum Biosensor Investeringskansen

Nu is het tijd om dieper in te gaan op investeringsopties, zowel gevestigde als opkomende, op het gebied van quantum‑gedreven biosensing.

Gevormde Spelers & Platforms

Als het gaat om analytische instrumenten en diagnostiek, is Agilent Technologies (A ) een van de opvallende namen die mogelijk de nieuwe technologie in hun productlijnen kunnen integreren.

Het bedrijf onderscheidt zich door zijn specialisatie in diagnostiek, life sciences en toegepaste markten. Het biedt software en laboratoriumautomatiseringsoplossingen evenals reagentia, instrumenten en verbruiksartikelen. In addition to active pharmaceutical ingredients for oligo‑based therapeutics, it also offers instruments and software to identify, quantify, and analyze the biological properties of substances.

Eerder dit jaar werkte Agilent samen met ABB Robotics om geautomatiseerde laboratoriumoplossingen te leveren, waardoor processen zoals onderzoek en kwaliteitscontrole sneller en efficiënter werden.

Met een marktkapitalisatie van $33,45 miljard worden Agilent‑aandelen momenteel verhandeld tegen $117,76, een daling van 12,16% jaar‑tot‑datum (YTD), maar nog niet ver van hun piek in 2021 van ongeveer $180. Het heeft een EPS (TTM) van $4,06 en een P/E (TTM) van 28,98, met een dividendrendement van 0,84% beschikbaar. 

Financieel rapporteerde het bedrijf recentelijk zijn Q2‑2025 resultaten, die een groei van 6% in omzet tot $1,67 miljard lieten zien, terwijl de GAAP‑nettowinst $215 miljoen bedroeg en de winst per aandeel (EPS) $0,75 was.

In de wereld van fotonica/optica is ondertussen AMS (AMS‑Osram) degene die kan profiteren van nanoschaal licht‑emitterende componenten.

Het in Oostenrijk gevestigde AMS ontwerpt en produceert geïntegreerde analoge microchips en biedt zijn diensten aan op het gebied van sensoren, sensorinterfaces, vermogensbeheer en mobiele entertainment in de communicatie‑, medische‑ en automobielmarkten.

Op de Sensors Converge 2025 vorige maand presenteerde AMS zijn nieuwste multi‑zone, directe Time‑of‑Flight sensor die meer dan 20 keer het aantal pixels biedt ten opzichte van eerdere versies, zelfs bij laag stroomverbruik, in een compact alles‑in‑één module.

Het bedrijf met een miljard‑dollar marktkapitalisatie, dat een full‑service foundry aanbiedt die gespecialiseerd is in sensortechnologieën, heeft een EPS (TTM) van -1,51 en een P/E (TTM) van -6,82.

Voor Q1‑2025 noteerde het een omzet van €820 miljoen terwijl het een verbeterde winstgevendheid rapporteerde en een vrije kasstroomvooruitzicht van meer dan €100 miljoen voor FY25. Tegelijkertijd onthulde het plannen om een deel van zijn bedrijf te verkopen om meer dan een half miljard dollar aan kapitaal te genereren om de schulden van het bedrijf te verminderen.

Quantum‑ & Nanotech‑Specialisten

Als we kijken naar het quantum‑domein, is Applied Materials (AMAT ) bekend om het leveren van depositie‑ en nanofabricatietools, waardoor systemen zoals die van hen essentieel zijn voor het opschalen van de productie van biosensoren. 

Het materiaal‑engineeringsoplossingsbedrijf opereert via drie segmenten: Semiconductor Systems; dat een reeks voornamelijk 300 mm‑apparatuur produceert die wordt gebruikt om halfgeleiderchips of IC’s te fabriceren, Display; dat voornamelijk producten omvat voor de productie van LCD’s, OLED’s en andere technologieën voor smartphones, tablets, pc’s, televisies, monitoren en laptops, en Applied Global Services (AGS); dat 200 mm‑apparatuur vervaardigt en reserveonderdelen en automatiseringssoftware levert aan de fabricage‑plant.

Wat betreft de marktprestaties van het bedrijf met een marktkapitalisatie van $146 miljard, worden de aandelen op het moment van schrijven verhandeld tegen $182,10, een stijging van 11,8% YTD. De EPS (TTM) is 8,21, en de P/E (TTM) is 22,20. Het dividendrendement dat aandeelhouders kunnen verdienen, ligt boven de 1%.

Wat de financiën betreft, rapporteerde het bedrijf een GAAP‑brutomarge van 49,1% voor Q2 2025 en een non‑GAAP‑brutomarge van 49,2%. Ondertussen kwam de record‑GAAP‑EPS uit op $2,63, en de non‑GAAP‑EPS was $2,39. De kasstroom uit operationele activiteiten gedurende deze periode bedroeg $1,57 miljard terwijl Applied Materials $2 miljard aan aandeelhouders uitkeerde, inclusief $1,67 miljard aan aandeleninkoop en $325 miljoen aan dividenden.

Zijn CEO, Gary Dickerson, schrijft de hoge‑prestaties en energie‑efficiënte AI‑computing toe als de dominante drijfveer van innovatie.

Vroeg‑fase & Spin‑Outs

In vroeg‑fase ondernemingen staat Lux Capital bekend om te investeren in opkomende technologieën, waaronder materiaalkunde, biochemie, elektronica, ruimtevaart en infrastructuur. Het venture‑capital (VC) fonds helpt ook academici bij het bevorderen van technologische ontdekkingen met plannen om minstens $100 miljoen te investeren ter ondersteuning van veelbelovend onderzoek in sectoren zoals biotech en AI.

Breakthrough Energy Ventures (BEV) is een andere die mogelijk soortgelijke quantum‑nanotech platformbedrijven targett.

Opgericht door Bill Gates, bestaat BEV uit twintig investeerders van over de hele wereld. Het fonds heeft geïnvesteerd in alles van slimme sensoren, opslagoplossingen en biotech tot AI en duurzaamheid. Het heeft zich ook gecommitteerd om meer dan een miljard dollar te investeren in nieuwe technologieën via de Breakthrough Energy Coalition (BEC).

In de toekomst is het ook mogelijk dat we startups zien die voortkomen uit EPFL, ETH of ICFO met een focus op quantumtechnologie en commerciële spelers worden. Dit is echter niets nieuws; in de loop der jaren zijn vele universiteit‑spin‑offs ontstaan om technologische uitvindingen die uit hun onderzoek voortkwamen te commercialiseren.

Zo zijn Akamai, Boston Dynamics, OKCupid, Cambridge Mobile Telematics, iRobot , RSA Security, Nimble VR, Meraki en vele anderen voortgekomen uit het Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Zelfs EPFL heeft vele spin‑outs gezien zoals Bionomous, Dronistics, Hydromea, MindMaze, Sensars, SenseFly, Kandou, Nexthink en meer, verspreid over diverse sectoren.

ETH Zurich heeft spin‑off bedrijven gezien op gebieden zoals AI, machine learning, biotechnologie, farmaceutica en robotica, terwijl ten minste tien bedrijven zijn voortgekomen uit ICFO, waaronder LuxQuanta, dat quantumtechnologieën gebruikt om databeveiliging te bieden.

Conclusie

Optische biosensoren zijn belangrijk in de gebieden van precieze medische diagnostiek, gepersonaliseerde geneeskunde en milieumonitoring. Door ons een zelfverlichtende plasmonische biosensor te bieden, vormt de nieuwste innovatie een verschuiving die quantum tunneling combineert met fotonica in een zelfvoorzienende chip. 

Dit daagt niet alleen het conventionele sensordesign uit, maar onderscheidt zich ook als een praktische implementatie van quantummechanica, die verder gaat dan experimenten naar schaalbare technologieën met het potentieel voor brede adoptie.

Door quantumlichtbronnen direct in chip‑schaal apparaten te integreren, hebben de onderzoekers een nieuw front in biosensingtechnologie gecreëerd, met belofte van veelzijdigheid, compactheid en ongekende gevoeligheid over sectoren heen.

Klik hier voor een lijst van top quantumcomputing bedrijven.

Gerefereerde Studies:

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