Kvantelys muliggjør selvlysende optiske biosensorer

I helseverdenen får biosensorer betydelig oppmerksomhet som et diagnostisk verktøy. Disse elektriske enhetene måler biologiske eller kjemiske signaler og konverterer dem til elektriske signaler. 

De brukes i alt fra sykdomsovervåking og legemiddelforskning til ikke‑invasiv påvisning av mikroorganismer som forårsaker sykdommer og markører som indikerer virus i kroppsvæsker som svette, spytt, urin og blod.

Biosensorer finner også anvendelser i matinspeksjon og sikkerhet, landbruk, miljøstudier, bioteknologi og medisinsk nytte. Drevet av denne etterspørselen, det globale biosensormarkedet sikter allerede mot titalls milliarder årlig.

En typisk biosensor består av noen hovedkomponenter:

• Bio‑reseptor
• Transduser
• Analytt
• Display

Her er analytten et stoff av interesse som blir identifisert og målt. For eksempel, i en biosensor designet for å oppdage glukose, er glukose en analytt.

En bioreseptor er en biologisk komponent, som DNA, celler, enzymer eller antistoffer, som gjenkjenner analytten. Signalgenereringsprosessen skjer i form av varme, lys eller en endring ved interaksjonen mellom bioreseptoren og analytten, og kalles bio‑gjenkjenning.

Transduseren konverterer bio‑gjenkjenningshendelsen til et målbar optisk eller elektrisk signal. Display er ganske enkelt et bruker‑tolkningssystem som genererer data i grafisk, numerisk eller annen form som er forståelig for brukeren. 

Nå finnes det omtrent fire typer biosensorer basert på deres transduksjonsmetode, nemlig elektrokjemiske, termiske, piezoelektriske, magnetiske og optiske biosensorer. Hver av disse typene bruker en annen mekanisme for å konvertere en biologisk interaksjon til et målbar signal.

Når det gjelder optiske biosensorer, er de spesielt kjent for sine ekstra fordeler i sensoranvendelser på grunn av ekstrem følsomhet, selektivitet og raske målinger. De gir også sanntidsdeteksjon av biologiske og kjemiske stoffer på en spesifikk og kostnadseffektiv måte. 

Optiske biosensorer fungerer ved å konvertere lyssignaler til elektriske signaler, basert på interaksjonen mellom det optiske feltet og en bioreseptor eller bio‑gjenkjennings‑element.

Disse biosensorene klassifiseres som «label‑free», hvor signaler produseres direkte ved interaksjon mellom analyttmaterialet og transduseren, og «label‑based», hvor signaler forsterkes av luminescens‑, fluorescens‑ eller kolorimetriske metoder. 

Selv om de gir tydelige fordeler sammenlignet med tradisjonelle analytiske teknikker, krever optiske biosensorer eksterne lyskilder, noe som begrenser deres bruk til laboratorieinnstillinger og hindrer anvendelse i helse‑ og miljøovervåkningssituasjoner.

For å overvinne utfordringene i deres brede praktiske anvendelser, har forskere i Bionanophotonic Systems Laboratory ved EPFLs School of Engineering benyttet kvantefysikk for å oppdage biomolekyler uten behov for en ekstern lyskilde.

Presser grensene for optisk biosensing

For å oppdage biologiske analytter bruker optiske biosensorer lysbølger. Selv om bruk av nanofotoniske strukturer som «klemmer» lys på overflaten av en liten brikke for å fokusere lysbølgene ned til nanometerskala kan forbedre ytelsen betydelig, krever dette eksterne lyskilder, som innebærer tungt utstyr, og dermed hindrer bruk for raske diagnostikker og i punkt‑til‑pleie‑innstillinger.

Så, for å eliminere behovet for en ekstern lyskilde i en lysbasert biosensor, vendte forskerne seg til kvantefysikk. 

De har introdusert en plasmonisk sensor med en innebygd lyskilde, levert av kvante‑tunnel‑koblinger. 

Plasmoniske metallnanostrukturer har blitt aktivt undersøkt for optiske sensorer på grunn av deres unike evne til å støtte sterk optisk feltforsterkning samt dyp‑subbølgelengde lysinneslutning gjennom lokaliserte overflateplasmonresonanser og propagere overflateplasmonpolaritoner (SPP‑er).

LSPR er den kollektive oscillerende bevegelsen av ledningselektroner nær overflaten av nanostrukturerte edle metaller når de belyses av lys. Dette fører til dannelse av et lokalisert elektromagnetisk felt med særskilte optiske egenskaper.

SPP‑er er derimot elektromagnetiske overflatebølger som oppstår når eksiterte overflateplasmons kobles med fotoner og beveger seg langs grensesnittet mellom et metall og et dielektrisk materiale. 

Det er på grunnlag av disse at biosensorenheter har overgått deteksjonsytelsen til konvensjonelle optiske sensorer, og muliggjort deres brede bruk og kommersialisering. 

Faktisk har overflateplasmonresonans (SPR) biosensorer basert på flate metallfilmer blitt en av de standard label‑free teknikkene for sanntidsovervåking av biomolekylære interaksjoner.

Nanoplasmoniske biosensorer, som er en kombinasjon av nanomaterialer, LSPR eller SPR og optiske biosensorer, gjør det mulig å redusere nødvendige prøvevolumer, og muliggjør observasjon av sanntidssekresjon fra enkeltceller.

Fremskritt på feltet ser nå på kvante‑plasmoniske sensorsystemer som kan avdekke nye muligheter for forbedret enhetsytelse ned til enkelt‑molekyl‑deteksjon. Men til tross for all fremgangen innen nanofotonikk, er det fortsatt behov for en ekstern lyskilde for å excitere SPP‑er.

Kombinert med tungt utstyr som prismer eller gittere, som begrenser brukbarheten til plasmoniske sensorer. For å fremme bruken i biokjemisk forskning og medisinsk diagnostikk, trenger vi miniatyriserte og integrerte enheter.

Utnytte inelastisk elektron‑tunnelering for lysgenerering på brikken

Publisert i Nature Photonics i samarbeid med forskere ved ETH Zürich, ICFO og Yonsei University, har EPFL‑ingeniører demonstrert en på‑brikke label‑free optisk biosensor som er selvlysende og utnytter kvantetunnelering, et fenomen der en partikkel passerer gjennom en potensialenergi‑barriere som den klassisk sett ikke kan krysse.

Ved å utnytte inelastisk elektron‑tunnelering har forskerne laget en enhet som kun trenger en jevn strøm av elektroner i form av pålagt elektrisk spenning for både å lyse opp og identifisere molekyler. 

“Hvis du tenker på et elektron som en bølge, snarere enn en partikkel, har den bølgen en viss lav sannsynlighet for å ‘tunnele’ til den andre siden av en ekstremt tynn isolasjonsbarriere mens den emitterer et foton av lys. Det vi har gjort er å lage en nanostruktur som både utgjør en del av denne isolasjonsbarrieren og øker sannsynligheten for at lysutslipp vil finne sted.”

– Forsker Mikhail Masharin

For deres enhetsdesign har ingeniørene brukt en flerlagfilm hvor isolatoren er mellom to metaller. 

Her er gull (Au) nanotråder plassert på toppen av et tynt aluminiums‑lag, som er tunnel‑barrieren, og skiller dem fra et aluminium (Al)‑film i bunnen. 

Den øvre overflaten bruker en plasmonisk metasurface som tjener to formål, og utgjør kjernen i innovasjonen. Nanostrukturens gull‑lag fungerer som elektrisk kontakt for tunnel‑koblingen samt som et optisk grensesnitt for å lette koblingen av inelastisk kvante‑elektrontunnelering, ledsaget av lysutslipp, til fri‑rom‑stråling.

Dette betyr at metasurface viser spesielle egenskaper som skaper betingelsene for kvantetunnelering og styrer den resulterende lysutslipp.

Kontrollen muliggjøres av arrangementet av metasurface, som er i et nettverk av gull‑nanotråder. Disse fungerer som ‘nanoantenner’ for å konsentrere lyset i nanometer‑volumer som trengs for effektiv påvisning av biomolekyler.

Arrangementet påvirker den interne kvanteeffektiviteten til tunnelprosessen ved å forsterke den strålingskomponenten av den elektromagnetiske tettheten av optiske tilstander, og dermed forbedre strålings‑kvanteeffektiviteten og, som et resultat, forsterke det detekterte signalet.

Enklere sagt skaper nanostrukturen deres i hovedsak de rette betingelsene for at et elektron skal passere gjennom den og krysse en barriere av aluminiumoksid for å nå det ultratynne laget av gull (Au). I denne prosessen overføres noe av elektronens energi til den kollektive eksitasjonen (også kalt plasmon), som deretter emitterer et foton.

For å produsere en effektiv og romlig jevn LIET (lysutslipp fra inelastisk elektron‑tunnelering), brukte forskeren et fleksibelt metasurface‑design som var optimalisert for biosensing. Første forfatter, Jihye Lee, som er en tidligere forsker i Bionanophotonic Systems Lab og nå er ingeniør hos Samsung Electronics:

“Inelastisk elektron‑tunnelering er en svært lav‑sannsynlig prosess, men hvis du har en lav‑sannsynlig prosess som forekommer jevnt over et svært stort område, kan du fortsatt samle inn nok fotoner. Dette er hvor vi har fokusert vår optimalisering, og det viser seg å være en svært lovende ny strategi for biosensing.”

Enhetsdesignet sikrer at spekteret og intensiteten til lyset endres når det kommer i kontakt med biomolekyler, og gir en kraftig teknikk for label‑free sanntidsdeteksjon.

Kvantebiosensorer: Kompakte, skalerbare og i sanntid

Med den innovative, kompakte enheten har forskerne betydelig forbedret kapasiteten til sensorer som for tiden er tilgjengelige på markedet.

Når Hatice Altug, leder av Bionanophotonic Systems Laboratory, uttalte:

“Tester viste at vår selvlysende biosensor kan oppdage aminosyrer og polymerer ved pikogram‑konsentrasjoner – det er en billiondel av et gram – og konkurrerer med de mest avanserte sensorene som er tilgjengelige i dag.”

Et annet viktig poeng her er bruken av kvantemekanikk for å oppnå gjennombruddet, noe som i hovedsak tar det videre inn i den praktiske sfæren.

Mye har blitt utforsket om kvantemekanikk, en grunnleggende fysikkteori som omhandler egenskapene og oppførselen til partikler på atom- og subatomnivå, som ble introdusert for omtrent et århundre siden.

I løpet av denne tiden har kvantemekanikk bidratt til å fremme industrier ved å danne grunnlaget for mange moderne teknologier, inkludert halvledere for elektronikk, lasere og magnetisk resonansavbildning (MRI). Den baner også vei for fremtidige innovasjoner, som kvantedatabehandling og avansert cybersikkerhet.

Ifølge Julian Kelly, direktør for maskinvare hos Google Quantum AI, kan vi være omtrent «fem år fra et reelt gjennombrudd, en slags praktisk anvendelse som kun kan løses på en kvantedatamaskin».

Kvantemaskiner, ifølge ham, «kan få tilgang til hvordan universet fungerer på det mest grunnleggende nivået».

Nvidia (NVDA ) administrerende direktør Jensen Huang har en lignende oppfatning. Han mener kvantedatabehandling har potensial til å «gi ekstraordinær innvirkning», men la til at «teknologien er sinnsykt komplisert».

Midt i dette har EPFL‑ingeniører integrert kvante‑lyskilder direkte i chip‑skala enheter, og revolusjonert biosensing‑teknologi som kan brukes til industriell overvåking, inkludert vannprøving, luftkvalitetskontroll og matsikkerhet. Deres gjennombrudd kan også åpne for nye enheter innen kvantedeteksjon og smarte sensorer.

LIET‑sensorarkitekturen her gir faktisk en mindre enhetsfotavtrykk, på grunn av plasmoniske antenner som fungerer både som lyskilde og som sensorelement, sammenlignet med design som integrerer plasmoniske strukturer på toppen av fotodetektorer eller LED‑er.

Forskerne testet enheten med biomolekyler og nanometer‑tykke polymerer og fant at både intensiteten til det emitterte lyset og det spektrale profilet blir modulert av lokale endringer i brytningsindeksen som forårsakes av tilstedeværelsen av analytten. Dette betyr at LIET‑enheter kan brukes som kompakte og følsomme på‑brikke optiske biosensorer for punkt‑til‑pleie‑applikasjoner.

Sensorenheten, ifølge studien, har tilstrekkelig utsendt kraft til å fungere med de mest vanlige lysdetektorene. Den kvantebaserte plattformen er skalerbar og kompatibel med produksjonsmetoder for sensorer, noe som gjør den egnet for bred produksjon og distribusjon.

«Vårt arbeid leverer en fullt integrert sensor som kombinerer lysgenerering og deteksjon på en enkelt brikke. Med potensielle anvendelser fra punkt‑til‑pleie‑diagnostikk til påvisning av miljøforurensninger, representerer denne teknologien en ny front innen høy‑ytelses sensingsystemer», sa Bionanophotonic Systems Lab‑forsker Ivan Sinev.

Med mindre enn en kvadratmillimeter aktivt område nødvendig for sensing, kan designet absolutt åpne spennende muligheter for å realisere en praktisk elektro‑optisk biosensor og nye anvendelser.

I tillegg kan det potensielt føre til nye håndholdte enheter i motsetning til dagens bord‑oppsett, som passer perfekt inn i miljøer som legekontorer, sykehjem og fjerntliggende klinikker, hvor tungt laboratorieutstyr er upraktisk.

Dens label‑free natur og sanntids‑overvåkningskapasitet gjør kvantebiosensoren ytterligere ideell for sporing av biomarkører i sykdommer som infeksjoner, kreft og metabolske lidelser.

Utover alt dette kan plattformen bidra med grunnleggende vitenskapelige innsikter som kan fremme andre felt, inkludert nano‑optikk, materialvitenskap og kvantedatabehandling.

Click here to learn about the current state of quantum computing.

Topp investeringsmuligheter innen kvante‑biosensorer

Nå er det på tide å dykke dypt inn i investeringsalternativer, både etablerte og nye, innen feltet kvantedrevet biosensing.

Etablerte aktører og plattformer

Når det gjelder analytiske instrumenter og diagnostikk, er Agilent Technologies (A ) blant de bemerkelsesverdige navnene som potensielt kan integrere den nye teknologien i sine produktlinjer.

Selskapet skiller seg ut med sin spesialisering innen diagnostikk, livsvitenskap og anvendte markeder. Det tilbyr programvare og laboratorieautomatiseringsløsninger samt reagenser, instrumenter og forbruksvarer. I tillegg til aktive farmasøytiske ingredienser for oligo‑baserte terapier, tilbyr det også instrumenter og programvare for å identifisere, kvantifisere og analysere de biologiske egenskapene til stoffer.

Tidligere i år samarbeidet Agilent med ABB Robotics for å levere automatiserte laboratorieløsninger, noe som gjør prosesser som forskning og kvalitetskontroll raskere og mer effektive.

Med en markedsverdi på 33,45 milliarder dollar handles Agilent‑aksjene for øyeblikket til 117,76 dollar, ned 12,16 % år‑til‑dato (YTD), men ikke langt fra deres topp i 2021 på rundt 180 dollar. Den har en EPS (TTM) på $ 4,06 og en P/E (TTM) på 28,98, med en utbytteavkastning på 0,84 % også tilgjengelig.

Finansielt rapporterte selskapet nylig sine Q2‑2025‑resultater, som viste en vekst på 6 % i inntektene til 1,67 milliarder dollar, mens GAAP‑nettoinntekt var 215 millioner dollar og inntjening per aksje (EPS) var $0,75.

I fotonikk‑/optikk‑verdenen er det derimot AMS (AMS‑Osram) som kan ha nytte av nanoskalalevende lyselementer.

Det Østerrike‑baserte AMS designer og produserer integrerte analoge mikrokretser og tilbyr sine tjenester innen sensorer, sensor‑grensesnitt, strømstyring og mobilunderholdning i kommunikasjons‑, medisinsk‑teknologi‑ og bilmarkedene.

På Sensors Converge 2025 forrige måned presenterte AMS sin nyeste fler‑sone, direkte Time‑of‑Flight‑sensor som gir over 20 ganger så mange piksler som tidligere modeller, selv ved lavt strømforbruk, i en kompakt alt‑i‑ett‑modul.

Det milliard‑store selskapet, som tilbyr et full‑service foundry med spesialisering i sensor‑teknologier, har en EPS (TTM) på -1,51 og en P/E (TTM) på -6,82.

For Q1‑2025 registrerte det en inntekt på 820 millioner euro, samtidig som det rapporterte forbedret lønnsomhet og en fri kontantstrøm på over 100 millioner euro for FY25. På den tiden avslørte det også planer om å selge en del av virksomheten for å skaffe over en halv milliard dollar i kapital for å redusere selskapets gjeld.

Kvant‑ og nanotek‑spesialister

Hvis vi ser på kvanteområdet, er Applied Materials (AMAT ) kjent for å levere avsetnings‑ og nanofabrikasjon‑verktøy, noe som gjør systemene deres essensielle for å skalere produksjonen av biosensorer.

Materialteknologiselskapet opererer gjennom tre segmenter: Semiconductor Systems; som produserer et utvalg av primært 300 mm‑utstyr brukt til å fremstille halvlederbrikker eller IC‑er, Display; som hovedsakelig består av produkter for produksjon av LCD‑er, OLED‑er og andre teknologier for smarttelefoner, nettbrett, PC‑er, TV‑er, skjermer og bærbare, og Applied Global Services (AGS); som produserer 200 mm‑utstyr og leverer reservedeler og automatiseringsprogramvare til fabrikken.

Når det gjelder markedsprestasjonen til selskapet med en markedsverdi på 146 milliarder dollar, handles aksjene per skrivende stund til $182,10, opp 11,8 % YTD. EPS (TTM) er 8,21, og P/E (TTM) er 22,20. Utbytteavkastningen som aksjonærene kan tjene er over 1 %.

Når det gjelder økonomi, rapporterte selskapet en GAAP‑bruttomargin på 49,1 % for Q2‑2025 og en non‑GAAP‑bruttomargin på 49,2 %. Samtidig var rekord‑GAAP‑EPS $2,63, og non‑GAAP‑EPS var $2,39. Kontantstrøm fra driften i denne perioden var $1,57 milliarder, mens Applied Materials distribuerte $2 milliarder til aksjonærene, inkludert $1,67 milliarder i aksjetilbakekjøp og $325 millioner i utbytte.

CEO‑en, Gary Dickerson, tilskrev høy‑ytelses, energieffektiv AI‑databehandling som den dominerende driveren for innovasjon.

Tidlig‑fase og spin‑outs

I tidlig‑fase ventures er selskaper som Lux Capital kjent for å investere i fremvoksende teknologier, inkludert materialvitenskap, biokjemi, elektronikk, romfart og infrastruktur. Risikokapitalfirmaet har også hjulpet akademikere med å fremme teknologisk oppdagelse med planer om å investere minst $100 millioner for å støtte lovende forskning i sektorer som bioteknologi og AI.

Breakthrough Energy Ventures (BEV) er en annen som kan rette seg mot lignende kvante‑nanotek‑plattform‑selskaper.

Stiftet av Bill Gates, består BEV av tjue investorer fra hele verden. Fondet har investert i alt fra smarte sensorer, lagringsløsninger og bioteknologi til AI og bærekraft. Det har også forpliktet seg til å investere over en milliard dollar i nye teknologier gjennom Breakthrough Energy Coalition (BEC).

I fremtiden er det også mulig at vi vil se oppstartsbedrifter spin‑out fra EPFL, ETH eller ICFO med fokus på kvanteteknologi og bli kommersielle aktører. Dette er ikke noe nytt, selv om. Over årene har mange universitets‑spin‑offs dukket opp for å kommersialisere teknologiske oppfinnelser som ble utviklet fra forskningen ved deres universiteter.

For eksempel har Akamai, Boston Dynamics, OKCupid, Cambridge Mobile Telematics, iRobot , RSA Security, Nimble VR, Meraki og mange flere blitt spin‑offs fra Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Selv EPFL har sett mange spin‑outs som Bionomous, Dronistics, Hydromea, MindMaze, Sensars, SenseFly, Kandou, Nexthink og flere som spenner over ulike sektorer.

ETH Zürich har sett spin‑off‑selskaper innen AI, maskinlæring, bioteknologi, farmasøytisk industri og robotikk, mens minst ti firmaer har spin‑off fra ICFO, inkludert LuxQuanta, som bruker kvanteteknologier for å tilby datasikkerhet.

Konklusjon

Optiske biosensorer er viktige innen presis medisinsk diagnostikk, personlig medisin og miljøovervåking. Ved å gi oss en selvlysende plasmonisk biosensor, representerer den nyeste innovasjonen et skifte som kombinerer kvantetunnelering med fotonikk i en selvstendig brikke. 

Dette utfordrer ikke bare konvensjonell sensordesign, men fremstår også som en praktisk implementering av kvantemekanikk, som går utover eksperimentering til skalerbare teknologier med potensial til å oppnå bred adopsjon.

Ved å integrere kvante‑lyskilder direkte i chip‑skala enheter, har forskerne skapt en ny front innen biosensing‑teknologi, som lover allsidighet, kompaktitet og enestående følsomhet på tvers av sektorer.

Click here for a list of top quantum computing companies.

Studier referert til:

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