Kvantelys muliggjør selvbelysende optiske biosensorer

I helsevesenet er biosensorer får betydelig fotfeste som et diagnostisk verktøy. Disse elektriske apparatene måler biologiske eller kjemiske signaler og konverterer dem til elektriske signaler. 

De brukes i alt fra sykdomsovervåking og legemiddelutvikling til ikke-invasiv deteksjon av mikroorganismer som forårsaker sykdommer og markører som signaliserer virus i kroppsvæsker som svette, spytt, urin og blod.

Biosensorer finner også bruksområder innen matinspeksjon og -sikkerhet, landbruk, miljøstudier, bioteknologi og medisinske verktøy. Drevet av all denne etterspørselen, det globale biosensormarkedet sikter allerede mot titalls milliarder årlig.

En typisk biosensor består av noen få hovedkomponenter:

• Bioreseptor
• Svinger
• analytt
• Vise

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

En bioreseptor er en biologisk komponent, som DNA, celler, enzymer eller antistoffer, som gjenkjenner analytten. Prosessen med signalgenerering skjer i form av varme, lys eller en endring ved interaksjon mellom bioreseptoren og analytten, og kalles biogjenkjenning.

Transduseren konverterer den biologiske gjenkjenningshendelsen til et målbart optisk eller elektrisk signal. Display er rett og slett et brukertolkningssystem som genererer data i grafisk, numerisk eller annen form som er forståelig for brukeren. 

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

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

Måten optiske biosensorer fungerer på er ved å konvertere lyssignaler til elektriske signaler med aktivitet basert på det optiske feltets interaksjon med en bioreseptor eller et biogjenkjenningselement.

Disse biosensorene er klassifisert som «merkefrie», der signaler produseres direkte ved interaksjon mellom analyttmaterialet og transduseren, og «merkebaserte», der genererte signaler forsterkes ved hjelp av luminescerende, fluorescerende eller kolorimetriske metoder. 

Selv om de tilbyr klare fordeler sammenlignet med tradisjonelle analytiske teknikker, krever optiske biosensorer eksterne lyskilder, noe som begrenser utplasseringen deres til laboratoriemiljøer og forhindrer bruken deres i helsevesenet og miljøovervåkingsmiljøer.

For å overvinne utfordringer i de utbredte virkelige anvendelsene, har forskere ved Bionanophotonic Systems Laboratory ved EPFLs ingeniørhøyskole brukt kvantefysikk til å oppdage tilstedeværelsen av biomolekyler uten å trenge en ekstern lyskilde.

Flytter 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 nanometernivå, kan forbedre ytelsen deres betydelig, som vi nevnte ovenfor, krever dette eksterne lyskilder, noe som innebærer klumpete utstyr, og som sådan forhindrer bruk av det til rask diagnostikk og i pasientnære omgivelser.

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 kvantetunnelforbindelser. 

Plasmoniske metallnanostrukturer har faktisk blitt aktivt undersøkt for optiske sensorer på grunn av deres unike evner til å støtte sterk optisk feltforbedring samt lysinneslutning i dyp subbølgelengde gjennom lokaliserte overflateplasmonresonanser og forplantningsdyktige overflateplasmonpolaritoner (SPP-er).

LSPR er den kollektive oscillerende bevegelsen til ledningselektroner nær overflaten av nanostrukturerte edelmetaller når de belyses av lys. Dette fører til dannelsen av et lokalisert elektromagnetisk felt med distinkte optiske egenskaper.

SPP-er er i mellomtiden elektromagnetiske overflatebølger som oppstår når eksiterte overflateplasmoner kobler seg til fotoner og beveger seg langs grensesnittet mellom et metall og et dielektrisk materiale. 

Det er på grunnlag av disse at biosensorer har overgått deteksjonsytelsen til konvensjonelle optiske sensorer, noe som har muliggjort deres utbredte bruk og kommersialisering. 

Faktisk har Surface Plasmon Resonance (SPR) biosensorer basert på flate metallfilmer blitt en av de vanlige etikettfrie teknikkene for å overvåke biomolekylære interaksjoner i sanntid.

Nanoplasmoniske biosensorer, som er en kombinasjon av nanomaterialer, LSPR eller SPR, og optiske biosensorer, tillater samtidig en reduksjon i de nødvendige prøvevolumene, noe som muliggjør observasjon av enkeltcellesekresjon i sanntid. 

Fremskritt innen feltet ser nå på kvanteplasmoniske sensorsystemer som kan oppdage nye muligheter for forbedret enhetsytelse helt ned til nivået av enkeltmolekyldeteksjon. Men til tross for alle fremskrittene som er gjort innen nanofotonikkfeltet, er det fortsatt behov for en ekstern lyskilde for å eksitere SPP-er.

Kombinert med klumpete utstyr som prismer eller rister, noe som begrenser brukervennligheten til plasmoniske sensorer. For å fremme bruken i biokjemisk forskning og medisinsk diagnostikk, trenger vi miniatyriserte og integrerte enheter.

Utnyttelse av uelastisk elektrontunneling for generering av lys på brikken

Publisert i Nature Photonics¹ I samarbeid med forskere ved ETH Zürich, ICFO og Yonsei University har EPFL-ingeniører vist frem en etikettfri optisk biosensor på brikken som er selvbelysende og utnytter kvantetunneling, et fenomen der en partikkel passerer gjennom en potensiell energibarriere som den klassisk ikke kan krysse.

Ved å utnytte den uelastiske elektrontunnelingen har forskerne laget en enhet som bare trenger en jevn strøm av elektroner i form av påført elektrisk spenning for både å belyse 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 isolerende barriere mens den sender ut et foton av lys. Det vi har gjort er å lage en nanostruktur som både danner en del av denne isolerende barrieren og øker sannsynligheten for at lysemisjon vil finne sted.»

– Forsker Mikhail Masharin

For enhetsdesignet sitt har ingeniørene brukt en flerlagsfilm der isolatoren er mellom to metaller. 

Her plasseres gull (Au) nanotråder oppå et tynt aluminiumslag, som fungerer som tunnelbarriere og skiller dem fra en aluminiumsfilm (Al) nederst. 

Toppflaten bruker en plasmonisk metaoverflate som tjener to formål, og som danner kjernen i innovasjonen. Nanostrukturens gulllag fungerer som en elektrisk kontakt for tunnelforbindelsen, samt et optisk grensesnitt for å legge til rette for koblingen av uelastisk kvanteelektrontunneling, ledsaget av lysutslipp, til stråling i fritt rom.

Dette betyr at metaoverflaten viser spesielle egenskaper som skaper betingelsene for kvantetunneling og kontrollerer den resulterende lysutslippet. 

Kontrollen muliggjøres av arrangementet av metaoverflaten, som er i et nett av gullfargede nanotråder. Disse fungerer som «nanoantenner» for å konsentrere lyset ved nanometervolumene som trengs for effektiv deteksjon av biomolekyler.

Arrangementet påvirker den interne kvanteeffektiviteten til tunneleringsprosessen ved å forbedre strålingskomponenten i den elektromagnetiske tettheten av optiske tilstander, noe som igjen forbedrer strålingskvantumeffektiviteten og som et resultat forbedrer det detekterte signalet. 

Enklere sagt skaper nanostrukturen deres i utgangspunktet de rette forholdene for at et elektron skal passere gjennom den og krysse en barriere av aluminiumoksid for å komme til det ultratynne laget av gull (Au). I denne prosessen overføres noe av elektronets energi til den kollektive eksitasjonen (også kjent som plasmon), som deretter sender ut et foton. 

For å produsere en effektiv og romlig ensartet LIET (lysemisjon fra uelastisk elektrontunneling), brukte forskeren en fleksibel metasurface-design som var optimalisert for biosensing. Den første forfatteren, Jihye Lee, som er en tidligere forsker ved Bionanophotonic Systems Lab og for tiden er ingeniør hos Samsung Electronics:

«Uelastisk elektrontunnelering er en prosess med svært lav sannsynlighet, men hvis du har en prosess med lav sannsynlighet som forekommer jevnt over et veldig stort område, kan du fortsatt samle nok fotoner. Det er her vi har fokusert optimaliseringen vår, og det viser seg å være en svært lovende ny strategi for biosensing.» 

Enhetens design sørger for at lysets spektrum og intensitet endres når det kommer i kontakt med biomolekyler, noe som gir en kraftig teknikk for merkefri deteksjon i sanntid.

Kvantebiosensorer: Kompakte, skalerbare og sanntidsbaserte

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

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

«Tester viste at vår selvbelysende biosensor kan oppdage aminosyrer og polymerer ved pikogramkonsentrasjoner – det er en billiondel av et gram – og kan konkurrere med de mest avanserte sensorene som er tilgjengelige i dag.»

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

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

I løpet av denne tiden har kvantemekanikk bidratt til å fremme industrier ved å underbygge en rekke moderne teknologier, inkludert halvledere for elektronikk, lasere og magnetisk resonansavbildning (MR). Det baner også vei for fremtidige innovasjoner, som kvantedatamaskiner og avansert cybersikkerhet. 

Ifølge Julian Kelly, maskinvaredirektør hos Google Quantum AI, kan det hende vi er omtrent «fem år unna et virkelig gjennombrudd, en slags praktisk anvendelse som du bare kan løse på en kvantedatamaskin».

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

Nvidia (NVDA ) Administrerende direktør Jensen Huang har et lignende syn. Han mener kvanteberegning har potensial til å «gi ekstraordinær innvirkning», men la til at «teknologien er vanvittig komplisert».

Midt i dette har EPFL-ingeniører innebygd kvantelyskilder direkte i chip-skala enheter, noe som revolusjonerer biosensorteknologi som kan brukes til industriell overvåking, inkludert vanntesting, luftkvalitetskontroll og mattrygghet. Gjennombruddet deres kan også låse opp for nye enheter innen kvantedeteksjon og smarte sensorer.

LIET-sensorarkitekturen her tilbyr faktisk et mindre enhetsavtrykk, på grunn av plasmoniske antenner som fungerer både som en lyskilde og som et sensorelement, sammenlignet med design som integrerer plasmoniske strukturer oppå fotodetektorer eller LED-er.

Forskerne testet enheten sin med biomolekyler og nanometertykke polymerer og fant at både det utsendte lysets intensitet og den spektrale profilen moduleres av de lokale brytningsindeksendringene produsert av analyttens tilstedeværelse. Dette betyr at LIET-enheter kan brukes som kompakte og følsomme optiske biosensorer på brikken for pasientnære applikasjoner.

I følge studien har sensoren tilstrekkelig utsendt effekt til å fungere med de vanligste lysdetektorene. Kvanteplattformen er skalerbar og kompatibel med sensorproduksjonsmetoder, noe som gjør den mulig for utbredt produksjon og distribusjon.

«Arbeidet vårt leverer en fullstendig integrert sensor som kombinerer lysgenerering og -deteksjon på én enkelt brikke. Med potensielle bruksområder som spenner fra diagnostikk på pleie til å oppdage miljøforurensninger, representerer denne teknologien en ny grense innen høypresterende sensorsystemer», sa Ivan Sinev, forsker ved Bionanophotonic Systems Lab.

Med mindre enn en kvadratmillimeter aktivt areal som trengs for sensorering, kan designet absolutt åpne for spennende muligheter for å realisere en praktisk elektrooptisk biosensor og nye bruksområder. 

Det kan også potensielt føre til nye håndholdte enheter i motsetning til dagens bordmodeller, som passer perfekt inn i miljøer som legekontorer, sykehjem og eksterne klinikker, hvor klumpete laboratorieutstyr rett og slett er upraktisk. 

Dens etikettfrie natur og sanntidsovervåkingskapasitet gjør kvantebiosensoren ytterligere perfekt for sporing av biomarkører i sykdommer som infeksjoner, kreft og metabolske forstyrrelser.

Utover alt dette kan plattformen bidra til å gi grunnleggende vitenskapelig innsikt som kan bidra til å fremme andre felt, inkludert nanooptikk, materialvitenskap og kvantedatamaskiner.

Klikk her for å lære om den nåværende tilstanden til kvanteberegning.

Topp investeringsmuligheter for kvantebiosensorer

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

Etablerte spillere og plattformer

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

Selskapet skiller seg ut med sin spesialisering innen diagnostikk, biovitenskap og anvendte markeder. Det tilbyr programvare og laboratorieautomatiseringsløsninger samt reagenser, instrumenter og forbruksvarer. I tillegg til enaktiv farmasøytisk ingrediensliste for oligobaserte terapeutiske midler, og tilbyr også instrumenter og programvare for å identifisere, kvantifisere og analysere stoffers biologiske egenskaper.

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

Med en markedsverdi på 33.45 milliarder dollar handles Agilent-aksjene for tiden til 117.76 dollar, en nedgang på 12.16 % hittil i år (YTD), men ikke langt fra toppen i 2021 på rundt 180 dollar. Den har en EPS (TTM) på 4.06 dollar og en P/E (TTM) på 28.98, med et utbytte på 0.84 % også tilgjengelig. 

Finansielt rapporterte selskapet nylig resultatene for andre kvartal 2, som viste en vekst på 2025 % i omsetning til 6 milliarder dollar, mens GAAP-nettoinntekten var 1.67 millioner dollar og resultat per aksje (EPS) var 215 dollar.

I fotonikk/optikkens verden er det derimot AMS (AMS-Osram) som kan dra nytte av lysutstrålende komponenter på nanoskala.

Ocuco Det østerrikske selskapet AMS designer og produserer integrerte analoge mikrobrikker og tilbyr sine tjenester innen sensorer, sensorgrensesnitt, strømstyring og mobil underholdning.innen kommunikasjons-, medisinsk teknologi- og bilmarkedene.

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

Milliardselskapet med markedsverdi, som tilbyr et fullservice støperi som spesialiserer seg på sensorteknologi, har en EPS (TTM) på -1.51 og en P/E (TTM) på -6.82.

For første kvartal 1 registrerte selskapet en omsetning på 2025 millioner euro, samtidig som det ble rapportert forbedret lønnsomhet og en utsikt til fri kontantstrøm på over 820 millioner euro for regnskapsåret 100. Samtidig avslørte selskapet også planer om å selge en del av virksomheten for å generere over en halv milliard dollar i kapital for å redusere selskapets gjeld.

Spesialister på kvante- og nanoteknologi

Hvis vi ser på kvanteverdenen, Anvendte materialer (AMAT ) er kjent for å tilby verktøy for avsetning og nanofabrikasjon, noe som gjør systemer som deres avgjørende for å skalere produksjonen av biosensorer. 

Selskapet innen materialtekniske løsninger opererer gjennom tre segmenter: Semiconductor Systems; som produserer en rekke hovedsakelig 300 mm utstyr som brukes til å produsere halvlederbrikker eller IC-er, Display; som hovedsakelig består av produkter for produksjon av LCD-skjermer, OLED-er og annen teknologi for smarttelefoner, nettbrett, PC-er, TV-er, skjermer og bærbare datamaskiner, og Applied Global Services (AGS); som produserer 200 mm og leverer reservedeler og automatiseringsprogramvare til fabrikasjonsanlegget.

Når det gjelder markedsutviklingen til selskapet med markedsverdi på 146 milliarder dollar, handles aksjene per dags dato til 182.10 dollar, en økning på 11.8 % hittil i år. Resultat per aksje (EPS) (TTM) er 8.21, og P/E (TTM) er 22.20. Utbytteavkastningen som aksjonærene kan oppnå er over 1 %. 

Når det gjelder finans, rapporterte selskapet en GAAP-bruttomargin på 49.1 % for andre kvartal 2 og en ikke-GAAP-bruttomargin på 2025 %. Samtidig kom rekordhøy GAAP-resultat per aksje på 49.2 dollar, og ikke-GAAP-resultat per aksje på 2.63 dollar. Kontantstrøm fra driften generert i denne perioden var 2.39 milliarder dollar, mens Applied Materials utbetalte 1.57 milliarder dollar til aksjonærene, inkludert 2 milliarder dollar i tilbakekjøp av aksjer og 1.67 millioner dollar i utbytte.

Administrerende direktør, Gary Dickerson, tilskrev høy ytelse og energieffektiv AI-databehandling som den dominerende driveren for innovasjon.

Tidligfase og spin-outs

I tidligfaseforetak er selskaper som Lux Capital kjent for å investere i nye teknologier, inkludert materialvitenskap, biokjemi, elektronikk, luftfart og infrastruktur. Venturekapitalfirmaet (VC) har også hjulpet akademikere med å fremme teknologisk oppdagelse med planer om å investere minst 100 millioner dollar for å støtte lovende forskning i sektorer som bioteknologi og AI.

Breakthrough Energy Ventures (BEV) er et annet selskap som kan sikte seg inn på lignende selskaper innen kvante-nanoteknologiplattformer.

BEV ble grunnlagt av Bill Gates og består 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 ny teknologi gjennom Breakthrough Energy Coalition (BEC).

I fremtiden er det også mulig at vi kan se oppstartsbedrifter som spinnes ut fra EPFL, ETH eller ICFO med fokus på kvanteteknologi og blir kommersielle aktører. Dette er imidlertid ikke noe nytt. Gjennom årene har mange universitetsavknoppninger dukket opp for å transformere teknologiske oppfinnelser som ble utviklet fra forskningen de utførte ved universitetene deres.

For eksempel har Akamai, Boston Dynamics, OKCupid, Cambridge Mobile Telematics, iRobot, RSA Security, Nimble VR, Meraki og mange flere blitt skilt ut 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 avknoppningsselskaper innen områder som AI, maskinlæring, bioteknologi, legemidler og robotikk, mens minst ti firmaer har avknoppningsselskaper fra ICFO, inkludert LuxQuanta, som bruker kvanteteknologi for å tilby datasikkerhet.

Konklusjon

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

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

Ved å bygge inn kvantelyskilder direkte i chip-skala enheter, har forskerne skapt en ny grense innen biosensorteknologi, som lover allsidighet, kompakthet og enestående følsomhet på tvers av sektorer.

Klikk her for en liste over de beste kvantedatamaskinselskapene.

Referert til studier:

1. Lee, J.; Wu, Y.; Sinev, I.; et al. Plasmonisk biosensor muliggjort av resonant kvantetunneling. Nat. Photon. 2025. https://doi.org/10.1038/s41566-025-01708-y