Luz Quântica Permite Biossensores Ópticos Autoluminiscentes

No mundo da saúde, os biossensores estão ganhando tração significativa como ferramenta de diagnóstico. Esses dispositivos elétricos medem sinais biológicos ou químicos e os convertem em sinais elétricos. 

Eles são utilizados em tudo, desde monitoramento de doenças e descoberta de medicamentos até detecção não invasiva de microrganismos que causam doenças e marcadores que sinalizam vírus em fluidos corporais como suor, saliva, urina e sangue.

Biossensores também estão encontrando aplicações em inspeção e segurança alimentar, agricultura, estudos ambientais, biotecnologia e utilidades médicas. Impulsionado por toda essa demanda, o mercado global de biossensores já está mirando dezenas de bilhões anualmente.

Um biossensor típico consiste em alguns componentes principais:

• Bioreceptor
• Transdutor
• Analisado
• Display

Aqui, o analisado é a substância de interesse que está sendo identificada e medida. Por exemplo, em um biossensor projetado para detectar glicose, a glicose é o analisado.

Um bioreceptor é um componente biológico, como DNA, células, enzimas ou anticorpos, que reconhece o analisado. O processo de geração de sinal ocorre na forma de calor, luz ou mudança ao interagir o bioreceptor com o analisado, e é chamado de bio-reconhecimento.

O transdutor converte o evento de bio-reconhecimento em um sinal óptico ou elétrico mensurável. O display é simplesmente um sistema de interpretação do usuário que gera dados em forma gráfica, numérica ou qualquer outra forma compreensível ao usuário. 

Agora, existem cerca de quatro tipos de biossensores baseados em seu método de transdução, a saber, eletroquímicos, térmicos, piezoelétricos, magnéticos e ópticos. Cada um desses tipos usa um mecanismo diferente para converter uma interação biológica em um sinal mensurável.

Quando se trata de biossensores ópticos, especificamente, eles são conhecidos por seu benefício adicional em aplicações de detecção devido à sua extrema sensibilidade, seletividade e medições rápidas. Eles também fornecem detecção em tempo real de substâncias biológicas e químicas de maneira específica e econômica. 

A forma como os biossensores ópticos funcionam é convertendo sinais de luz em sinais elétricos com atividade baseada na interação do campo óptico com um bioreceptor ou elemento de bio-reconhecimento.

Esses biossensores são classificados como “sem rótulo”, onde os sinais são produzidos diretamente ao interagir o material do analisado com o transdutor, e “baseados em rótulo”, onde os sinais gerados são amplificados por métodos luminescentes, fluorescentes ou colorimétricos. 

Embora ofereçam vantagens distintas em comparação com técnicas analíticas tradicionais, os biossensores ópticos requerem fontes de luz externas, o que restringe sua implantação a ambientes de laboratório e impede seu uso em monitoramento de saúde e ambiental.

Para superar desafios em suas aplicações reais generalizadas, pesquisadores do Laboratório de Sistemas Bionanofotônicos na Escola de Engenharia da EPFL utilizaram a física quântica para detectar a presença de biomoléculas sem necessidade de uma fonte de luz externa.

Empurrando os Limites da Detecção Óptica de Biossensores

Para detectar analisados biológicos, os biossensores ópticos utilizam ondas de luz. Embora o uso de estruturas nanofotônicas que ‘espremem’ a luz na superfície de um pequeno chip para focar as ondas de luz até o nível nanométrico possa melhorar significativamente seu desempenho, como observamos acima, isso requer fontes de luz externas, que envolvem equipamentos volumosos, impedindo seu uso para diagnósticos rápidos e em ambientes de ponto de atendimento.

Portanto, para eliminar a necessidade de uma fonte de luz externa em um biossensor baseado em luz, os pesquisadores recorreram à física quântica. 

Eles introduziram um sensor plasmônico com uma fonte de luz embutida, fornecida por junções de tunelamento quântico. 

Estruturas de nanometais plasmônicos têm sido ativamente investigadas para sensores ópticos devido às suas habilidades únicas de suportar forte intensificação de campo óptico, bem como confinamento de luz subcomprimento de onda profundo por meio de ressonâncias de plasmões de superfície localizadas (LSPR) e polaritons de superfície plasmônica (SPPs) que se propagam.

LSPR é o movimento oscilatório coletivo de elétrons de condução próximos à superfície de metais nobres nanostruturados quando iluminados por luz. Isso leva à criação de um campo eletromagnético localizado com propriedades ópticas distintas.

SPPs, por sua vez, são ondas eletromagnéticas de superfície que surgem quando plasmões de superfície excitados se acoplam com fótons e viajam ao longo da interface entre um metal e um material dielétrico. 

É com base nisso que dispositivos de biossensoriamento têm superado o desempenho de detecção de sensores ópticos convencionais, facilitando seu uso generalizado e comercialização. 

De fato, sensores de Ressonância de Plasmão de Superfície (SPR) baseados em filmes metálicos planos tornaram-se uma das técnicas padrão sem rótulo para monitorar interações biomoleculares em tempo real.

Biossensores nanoplasmonônicos, que combinam nanomateriais, LSPR ou SPR, e biossensores ópticos, permitem a redução dos volumes de amostra necessários, possibilitando a observação da secreção de células individuais em tempo real. 

Avanços no campo agora estão investigando sistemas de detecção plasmônica quântica que podem descobrir oportunidades inéditas para melhorar o desempenho do dispositivo até o nível de detecção de molécula única. Mas, apesar de todo o progresso feito no campo da nanofotônica, ainda há necessidade de uma fonte de luz externa para excitar SPPs.

Combinado a equipamentos volumosos como prismas ou grades, o que limita a usabilidade dos sensores plasmônicos. Para avançar seu uso em pesquisa bioquímica e diagnóstico médico, precisamos de dispositivos miniaturizados e integrados.

Aproveitando o Tunelamento Inelástico de Elétrons para Geração de Luz no Chip

Publicado em Nature Photonics¹ em colaboração com pesquisadores da ETH Zurich, ICFO e Yonsei University, engenheiros da EPFL demonstraram um biossensor óptico sem rótulo on-chip que é autoluminiscente e aproveita o tunelamento quântico, um fenômeno no qual uma partícula atravessa uma barreira de energia potencial que classicamente não pode cruzar.

Ao aproveitar o tunelamento inelástico de elétrons, os pesquisadores criaram um dispositivo que só precisa de um fluxo constante de elétrons na forma de tensão elétrica aplicada para iluminar e identificar moléculas. 

“Se você pensa em um elétron como uma onda, em vez de uma partícula, essa onda tem uma certa baixa probabilidade de ‘tunelar’ para o outro lado de uma barreira isolante extremamente fina enquanto emite um fóton de luz. O que fizemos foi criar uma nanostrutura que tanto faz parte dessa barreira isolante quanto aumenta a probabilidade de que a emissão de luz ocorra.”

– Pesquisador Mikhail Masharin

Para o design do dispositivo, os engenheiros usaram um filme multicamadas onde o isolante está entre dois metais. 

Aqui, nanofios de ouro (Au) são colocados sobre uma fina camada de alumínio, que é a barreira de tunelamento, separando-os de um filme de alumínio (Al) na parte inferior. 

A superfície superior usa uma metasuperfície plasmônica que serve a dois propósitos, formando o núcleo da inovação. A camada de ouro da nanostrutura serve como contato elétrico para a junção de tunelamento, bem como interface óptica para facilitar o acoplamento do tunelamento quântico inelástico de elétrons, acompanhado de emissão de luz, à radiação de espaço livre.

O que isso significa é que a metasuperfície apresenta propriedades especiais que criam as condições para o tunelamento quântico e controlam a emissão de luz resultante. 

O controle é habilitado pelo arranjo da metasuperfície, que está em uma malha de nanofios de ouro. Estes atuam como ‘nanoantenas’ para concentrar a luz nos volumes nanométricos necessários para a detecção eficiente de biomoléculas.

O arranjo impacta a eficiência quântica interna do processo de tunelamento ao melhorar o componente radiativo da densidade de estados ópticos eletromagnéticos, melhorando assim a eficiência quântica radiativa e, como resultado, intensificando o sinal detectado. 

Em termos mais simples, sua nanostrutura basicamente cria as condições corretas para que um elétron passe por ela e atravesse uma barreira de óxido de alumínio para chegar à camada ultrafina de ouro (Au). Nesse processo, parte da energia do elétron é transferida para a excitação coletiva (também chamada de plasmão), que então emite um fóton. 

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“O tunelamento inelástico de elétrons é um processo de probabilidade muito baixa, mas se você tem um processo de baixa probabilidade ocorrendo uniformemente sobre uma área muito grande, ainda pode coletar fótons suficientes. Foi aqui que focamos nossa otimização, e isso se mostrou uma estratégia nova e muito promissora para biossensoriamento.” 

O design do dispositivo garante que o espectro e a intensidade da luz mudem ao entrar em contato com biomoléculas, proporcionando uma técnica poderosa para detecção sem rótulo e em tempo real.

Biossensores Quânticos: Compactos, Escaláveis e em Tempo Real

Com o dispositivo inovador e compacto, os pesquisadores avançaram significativamente as capacidades dos sensores atualmente disponíveis no mercado.

Como afirmou Hatice Altug, chefe do Laboratório de Sistemas Bionanofotônicos:

“Testes mostraram que nosso biossensor autoluminiscente pode detectar aminoácidos e polímeros em concentrações de picograma – isso é um trilionésimo de grama – rivalizando com os sensores mais avançados disponíveis hoje.”

Outro ponto importante aqui é o uso da mecânica quântica para alcançar a descoberta, o que essencialmente o leva mais para o reino prático.

Muito tem sido explorado sobre a mecânica quântica, uma teoria fundamental da física que trata das propriedades e do comportamento de partículas nos níveis atômico e subatômico, introduzida há cerca de um século.

Durante esse período, a mecânica quântica ajudou a avançar indústrias ao sustentar inúmeras tecnologias modernas, incluindo semicondutores para eletrônicos, lasers e ressonância magnética (MRI). Também está abrindo caminho para inovações futuras, como computação quântica e cibersegurança avançada. 

Segundo Julian Kelly, diretor de hardware da Google Quantum AI, podemos estar “cerca de cinco anos de um grande avanço, uma aplicação prática que só pode ser resolvida em um computador quântico.”

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Nvidia (NVDA ) CEO Jensen Huang tem visão semelhante. Ele acredita que a computação quântica tem o potencial de “gerar impacto extraordinário”, mas acrescentou que “a tecnologia é incrivelmente complicada.”

Em meio a isso, engenheiros da EPFL incorporaram fontes de luz quânticas diretamente em dispositivos em escala de chip, revolucionando a tecnologia de biossensoriamento que pode ser usada para monitoramento industrial, incluindo teste de água, controle de qualidade do ar e segurança alimentar. Sua descoberta também pode desbloquear novos dispositivos em detecção quântica e sensores inteligentes.

A arquitetura do sensor LIET aqui realmente oferece uma pegada de dispositivo menor, devido às antenas plasmônicas que atuam tanto como fonte de luz quanto como elemento de detecção, comparado a designs que integram estruturas plasmônicas sobre fotodetectores ou LEDs

Os pesquisadores testaram seu dispositivo com biomoléculas e polímeros de espessura nanométrica e descobriram que tanto a intensidade da luz emitida quanto o perfil espectral são modulados pelas mudanças no índice de refração local produzidas pela presença do analisado. Isso significa que dispositivos LIET podem ser usados como biossensores ópticos compactos e sensíveis on-chip para aplicações ponto de atendimento.

O dispositivo de detecção, conforme o estudo, tem potência emitida suficiente para operar com os detectores de luz mais comuns. A plataforma quântica é escalável e compatível com métodos de fabricação de sensores, tornando viável sua produção e distribuição em larga escala.

“Nosso trabalho entrega um sensor totalmente integrado que combina geração e detecção de luz em um único chip. Com aplicações potenciais que vão desde diagnósticos ponto de atendimento até detecção de contaminantes ambientais, esta tecnologia representa uma nova fronteira em sistemas de detecção de alto desempenho,” disse o pesquisador do Laboratório de Sistemas Bionanofotônicos Ivan Sinev.

Com menos de um milímetro quadrado de área ativa necessária para a detecção, o design pode certamente abrir perspectivas empolgantes para realizar um biossensor eletro‑óptico prático e novas aplicações. 

Além disso, pode potencialmente levar a novos dispositivos portáteis em contraste com as configurações atuais de bancada, que se encaixam perfeitamente em ambientes como consultórios médicos, casas de repouso e clínicas remotas, onde equipamentos de laboratório volumosos são simplesmente impraticáveis. 

Sua natureza sem rótulo e capacidade de monitoramento em tempo real tornam o biossensor quântico perfeito para rastrear biomarcadores em doenças como infecções, câncer e distúrbios metabólicos.

Além de tudo isso, a plataforma pode ajudar a fornecer insights científicos fundamentais que podem avançar outros campos, incluindo nano-óptica, ciência dos materiais e computação quântica.

Clique aqui para aprender sobre o estado atual da computação quântica.

Principais Oportunidades de Investimento em Biossensores Quânticos

Agora, é hora de mergulhar fundo nas opções de investimento, tanto estabelecidas quanto emergentes, no campo de biossensoriamento impulsionado por quantum.

Jogadores Estabelecidos & Plataformas

Quando se trata de instrumentos analíticos e diagnósticos, Agilent Technologies (A ) está entre os nomes notáveis que podem potencialmente integrar a nova tecnologia em suas linhas de produtos.

A empresa se destaca por sua especialização em diagnósticos, ciências da vida e mercados aplicados. Ela oferece software e soluções de automação de laboratório, bem como reagentes, instrumentos e consumíveis. Além de umtivo de ingredientes farmacêuticos ativos para terapias baseadas em oligômeros, também oferece instrumentos e software para identificar, quantificar e analisar as propriedades biológicas de substâncias.

No início deste ano, a Agilent colaborou com a ABB Robotics para fornecer soluções de laboratório automatizadas, tornando processos como pesquisa e controle de qualidade mais rápidos e eficientes.

Com uma capitalização de mercado de US$ 33,45 bilhões, as ações da Agilent estão atualmente cotadas a US$ 117,76, queda de 12,16% no ano (YTD), mas não muito longe de seu pico de 2021 de cerca de US$ 180. Possui um EPS (TTM) de US$ 4,06 e um P/E (TTM) de 28,98, com rendimento de dividendos de 0,84% também disponível. 

Financeiramente, a empresa relatou recentemente seus resultados do 2º trimestre de 2025, que mostraram um crescimento de 6% na receita, atingindo US$ 1,67 bilhão, enquanto o lucro líquido GAAP foi de US$ 215 milhões e o lucro por ação (EPS) foi de US$ 0,75.

No mundo da fotônica/óptica, entretanto, a AMS (AMS-Osram) é a que pode se beneficiar de componentes emissores de luz em escala nanométrica.

A AMS austríaca projeta e produz microchips analógicos integrados e oferece seus serviços nas áreas de sensores, interfaces de sensores, gerenciamento de energia e entretenimento móvel nas comunicações, tecnologia médica e mercados automotivos.

No Sensors Converge 2025 no mês passado, a AMS apresentou seu mais recente sensor de Tempo de Voo direto de múltiplas zonas que fornece mais de 20 vezes o número de pixels em relação aos anteriores, mesmo com baixo consumo, em um módulo compacto tudo-em-um.

A empresa de capitalização de mercado bilionária, que oferece uma fundição de serviço completo especializada em tecnologias de sensores, tem um EPS (TTM) de -1,51 e um P/E (TTM) de -6,82.

Para o 1º trimestre de 2025, registrou receita de 820 milhões de euros, reportando rentabilidade aprimorada e fluxo de caixa livre acima de 100 milhões de euros para o FY25. Na época, também revelou planos de vender parte de seus negócios para gerar mais de meio bilhão de dólares em capital para reduzir a dívida da empresa.

Especialistas em Quantum & Nanotech

Se olharmos para o reino quântico, Applied Materials (AMAT ) é conhecida por fornecer ferramentas de deposição e nanofabricação, tornando sistemas como os deles essenciais para escalar a produção de biossensores. 

A empresa de soluções de engenharia de materiais opera através de três segmentos: Sistemas de Semicondutores; que fabrica uma gama de equipamentos principalmente de 300 mm usados para fabricar chips semicondutores ou ICs, Display; compreendendo principalmente produtos para fabricação de LCDs, OLEDs e outras tecnologias para smartphones, tablets, PCs, televisores, monitores e laptops, e Serviços Globais Aplicados (AGS); que fabrica 200 mm e fornece peças de reposição e software de automação para a fábrica de fabricação.

Quanto ao desempenho de mercado da empresa de capitalização de US$ 146 bilhões, suas ações, ao momento da escrita, estão cotadas a US$ 182,10, alta de 11,8% YTD. Seu EPS (TTM) é 8,21, e o P/E (TTM) é 22,20. O rendimento de dividendos que os acionistas podem ganhar está acima de 1%. 

Em termos financeiros, a empresa reportou uma margem bruta GAAP de 49,1% no 2º trimestre de 2025 e uma margem bruta não GAAP de 49,2%. Enquanto isso, o recorde de EPS GAAP foi de US$ 2,63, e o EPS não GAAP foi de US$ 2,39. O caixa das operações gerado neste período foi de US$ 1,57 bilhão, enquanto a Applied Materials distribuiu US$ 2 bilhões aos acionistas, incluindo US$ 1,67 bilhão em recompra de ações e US$ 325 milhões em dividendos.

Seu CEO, Gary Dickerson, atribuiu a computação de IA de alto desempenho e eficiência energética como o principal motor de inovação.

Estágios Iniciais & Spin-Outs

Em empreendimentos de estágio inicial, nomes como Lux Capital são conhecidos por investir em tecnologias emergentes, incluindo ciência de materiais, bioquímica, eletrônica, aeroespacial e infraestrutura. A empresa de capital de risco (VC) também tem ajudado acadêmicos a avançar descobertas tecnológicas com planos de investir pelo menos US$ 100 milhões para apoiar pesquisas promissoras em setores como biotecnologia e IA.

Breakthrough Energy Ventures (BEV) é outra que pode mirar empresas de plataformas quânticas e nanotecnológicas semelhantes.

Fundada por Bill Gates, a BEV é composta por vinte investidores de todo o mundo. O fundo investiu em tudo, desde sensores inteligentes, soluções de armazenamento, biotecnologia até IA e sustentabilidade. Também se comprometeu a investir mais de um bilhão de dólares em novas tecnologias através da Breakthrough Energy Coalition (BEC).

No futuro, também é possível que vejamos startups surgidas da EPFL, ETH ou ICFO com foco em tecnologia quântica e que se tornem players comerciais. Isso não é nada novo, porém. Ao longo dos anos, muitas spin‑offs universitárias surgiram para transformar invenções tecnológicas desenvolvidas a partir da pesquisa que realizavam em suas universidades.

Por exemplo, Akamai, Boston Dynamics, OKCupid, Cambridge Mobile Telematics, iRobot , RSA Security, Nimble VR, Meraki e muitas outras surgiram como spin‑offs do Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Mesmo a EPFL viu muitas spin‑outs como Bionomous, Dronistics, Hydromea, MindMaze, Sensars, SenseFly, Kandou, Nexthink e mais, abrangendo vários setores.

A ETH Zurich viu empresas spin‑off em áreas como IA, aprendizado de máquina, biotecnologia, farmacêutica e robótica, enquanto ao menos dez empresas surgiram do ICFO, incluindo a LuxQuanta, que usa tecnologias quânticas para fornecer segurança de dados.

Conclusão

Biossensores ópticos são importantes nos campos de diagnóstico médico preciso, medicina personalizada e monitoramento ambiental. Ao nos trazer um biossensor plasmônico autoluminiscente, a mais recente inovação apresenta uma mudança que combina tunelamento quântico com fotônica em um chip autônomo. 

Isso não apenas desafia o design convencional de sensores, mas também se destaca como uma implementação prática da mecânica quântica, indo além da experimentação para tecnologias escaláveis com potencial de adoção ampla.

Ao incorporar fontes de luz quânticas diretamente em dispositivos em escala de chip, os pesquisadores criaram uma nova fronteira na tecnologia de biossensoriamento, prometendo versatilidade, compactação e sensibilidade sem precedentes em diversos setores.

Clique aqui para uma lista das principais empresas de computação quântica.

Estudos Referenciados:

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