Kvantljus möjliggör självlysande optiska biosensorer

I sjukvårdens värld får biosensorer betydande uppmärksamhet som ett diagnostiskt verktyg. 

De används i allt från sjukdomsövervakning och läkemedelsupptäckt till icke‑invasiv detektering av mikroorganismer som orsakar sjukdomar och markörer som signalerar virus i kroppsvätskor som svett, saliv, urin och blod.

Biosensorer hittar också tillämpningar inom livsmedelsinspektion och -säkerhet, jordbruk, miljöstudier, bioteknik och medicinska verktyg. Drivet av denna efterfrågan siktar den globala biosensormarknaden redan på tiotals miljarder per år.

En typisk biosensor består av några huvudkomponenter:

• Bioreceptor
• Transduktor
• Analytt
• Display

Här är analytten en substans av intresse som identifieras och mäts. Till exempel, i en biosensor som är avsedd att detektera glukos är glukos själva en analytt.

En bioreceptor är en biologisk komponent, såsom DNA, celler, enzymer eller antikroppar, som känner igen analytten. Signalgenereringsprocessen sker i form av värme, ljus eller en förändring vid interaktionen mellan bioreceptorn och analytten och kallas bio‑igenkänning.

Transduktorn omvandlar bio‑igenkännandeevenemanget till en mätbar optisk eller elektrisk signal. Display är helt enkelt ett användartolkningssystem som genererar data i grafisk, numerisk eller annan form som är förståelig för användaren. 

Nu finns det ungefär fyra typer av biosensorer baserade på deras transduktionsmetod, dvs. elektrokemiska, termiska, piezoelektriska, magnetiska och optiska biosensorer. Var och en av dessa typer använder en annan mekanism för att omvandla en biologisk interaktion till en mätbar signal.

När det gäller optiska biosensorer specifikt är de kända för sin extra fördel i sensortillämpningar på grund av deras extrema känslighet, selektivitet och snabba mätningar. De erbjuder också realtidsdetektering av biologiska och kemiska ämnen på ett specifikt och kostnadseffektivt sätt. 

Det sätt som optiska biosensorer fungerar på är genom att omvandla ljussignaler till elektriska signaler med aktivitet baserad på det optiska fältets interaktion med en bioreceptor eller bio‑igenkänningselement.

Dessa biosensorer klassificeras som “label‑free”, där signaler produceras direkt vid interaktionen mellan analyttmaterialet och transduktorn, och “label‑based”, där signaler förstärks av luminescerande, fluorescerande eller färgmässiga metoder. 

Trots att de erbjuder tydliga fördelar jämfört med traditionella analytiska tekniker kräver optiska biosensorer externa ljuskällor, vilket begränsar deras användning till laboratoriemiljöer och hindrar dem från att användas i sjukvårds‑ och miljöövervakningssammanhang.

För att övervinna dessa utmaningar i breda praktiska tillämpningar har forskare i Bionanophotonic Systems Laboratory vid EPFL:s School of Engineering utnyttjat kvantfysik för att detektera biomolekyler utan behov av en extern ljuskälla.

Pushing the Boundaries of Optical Biosensing

För att detektera biologiska analyter använder optiska biosensorer ljusvågor. Att använda nanofotoniska strukturer som “klämmer” ljus på ytan av ett litet chip för att fokusera ljusvågorna ner till nanometerskala kan förbättra deras prestanda avsevärt, men som vi nämnde ovan kräver detta externa ljuskällor, vilket innebär skrymmande utrustning och därmed hindrar användning för snabba diagnoser och i point‑of‑care‑miljöer.

Så, för att eliminera behovet av en extern ljuskälla i en ljusbaserad biosensor vände forskarna sig till kvantfysik. 

De har introducerat en plasmonisk sensor med en inbäddad ljuskälla, tillhandahållen av kvant‑tunneljunctioner. 

Plasmoniska metallnanostrukturer har aktivt undersökts för optiska sensorer på grund av deras unika förmåga att stödja stark förstärkning av det optiska fältet samt djup‑subvåglängds ljuskonfinering genom lokala ytplasmonresonanser och propaganderande ytplasmon‑polaritoner (SPP).

LSPR är den kollektiva oscillationsrörelsen hos lednings‑elektroner nära ytan av nanostrukturerade ädelmetaller när de belyses av ljus. Detta leder till skapandet av ett lokalt elektromagnetiskt fält med distinkta optiska egenskaper.

SPP är i sin tur elektromagnetiska ytvågor som uppstår när exciterade ytplasmons kopplas med fotoner och färdas längs gränssnittet mellan en metall och ett dielektriskt material. 

Det är på grundval av dessa fenomen som biosensoriska enheter har överträffat detekteringsprestandan hos konventionella optiska sensorer, vilket underlättar deras breda användning och kommersialisering. 

Faktum är att Surface Plasmon Resonance (SPR)‑biosensorer baserade på plana metallfilmer har blivit en av de standardiserade label‑free‑teknikerna för realtidsövervakning av biomolekylära interaktioner.

Nanoplasmoniska biosensorer, som kombinerar nanomaterial, LSPR eller SPR och optiska biosensorer, möjliggör dessutom en minskning av de nödvändiga provvolymerna, vilket möjliggör observation av realtidssekretion från enskilda celler. 

Framsteg inom området undersöker nu kvant‑plasmoniska sensorsystem som kan upptäcka nya möjligheter för förbättrad enhetsprestanda ner till nivåer av enskild‑molekyl‑detektion. Men trots all framgång inom nanofotonik finns fortfarande ett behov av en extern ljuskälla för att excitera SPP.

Kombinerat med skrymmande utrustning som prismor eller galler, vilket begränsar användbarheten av plasmoniska sensorer. För att främja deras användning i biokemisk forskning och medicinsk diagnostik behöver vi miniatyriserade och integrerade enheter.

Leveraging Inelastic Electron Tunneling for On-Chip Light Generation

Publicerad i Nature Photonics¹ i samarbete med forskare vid ETH Zürich, ICFO och Yonsei University har EPFL‑ingenjörer demonstrerat en on‑chip label‑free optisk biosensor som självlysande och utnyttjar kvanttunnling, ett fenomen där en partikel passerar genom en potentiell energibarriär som den klassiskt sett inte kan korsa.

Genom att utnyttja inelastisk elektrontunnling har forskarna skapat en enhet som endast behöver ett konstant flöde av elektroner i form av applicerad elektrisk spänning för både att belysa och identifiera molekyler. 

“Om du tänker på en elektron som en våg snarare än en partikel, har den vågen en viss låg sannolikhet att ‘tunnla’ till andra sidan av en extremt tunn isolerande barriär samtidigt som den avger en foton av ljus. Vad vi har gjort är att skapa en nanostruktur som både bildar en del av denna isolerande barriär och ökar sannolikheten för att ljusemission ska ske.”

– Forskare Mikhail Masharin

För sin enhetsdesign har ingenjörerna använt en flerskiktsfilm där isolatorn ligger mellan två metaller. 

Här placeras guld‑nanotrådar (Au) ovanpå ett tunt aluminium‑lager, som fungerar som tunnlingsbarriär, och separerar dem från ett aluminium‑film (Al) längst ner. 

Den övre ytan använder en plasmonisk metasurface som tjänar två syften och utgör kärnan i innovationen. Guldlagret i nanostrukturen fungerar både som elektrisk kontakt för tunneljunctionen och som optiskt gränssnitt för att underlätta kopplingen av inelastisk kvant‑elektrontunnling, med tillhörande ljusemission, till fri‑rum‑strålning.

Detta innebär att metasurfacet uppvisar speciella egenskaper som skapar förutsättningar för kvanttunnling och styr den resulterande ljusemissionen. 

Kontrollen möjliggörs av arrangemanget av metasurfacet, som är ett nätverk av guld‑nanotrådar. Dessa fungerar som ‘nanoantenner’ för att koncentrera ljuset i de nanometer‑volymer som behövs för effektiv detektion av biomolekyler.

Arrangemanget påverkar den interna kvant‑effektiviteten i tunnlingsprocessen genom att förstärka den radiativa komponenten av den elektromagnetiska densiteten av optiska tillstånd, vilket i sin tur förbättrar den radiativa kvant‑effektiviteten och därmed ökar den detekterade signalen. 

Enkelt uttryckt skapar deras nanostruktur i princip rätt förutsättningar för att en elektron ska passera genom den och korsa en barriär av aluminiumoxid för att nå det ultratunna guldlagret (Au). I denna process överförs en del av elektronens energi till den kollektiva excitationen (aka plasmon), som sedan avger en foton. 

För att producera en effektiv och rumsligt jämn LIET (light emission from inelastic electron tunneling) använde forskaren en flexibel metasurface‑design som optimerades för biosensorik. Författaren, Jihye Lee, som tidigare var forskare i Bionanophotonic Systems Lab och nu är ingenjör på Samsung Electronics:

“Inelastisk elektrontunnling är en mycket låg‑sannolikhetsprocess, men om du har en låg‑sannolikhetsprocess som sker jämnt över ett mycket stort område kan du ändå samla in tillräckligt med fotoner. Det är här vi har fokuserat vår optimering, och det visar sig vara en mycket lovande ny strategi för biosensorik.”

Enhetsdesignen säkerställer att spektrum och intensitet av ljuset förändras när det kommer i kontakt med biomolekyler, vilket ger en kraftfull teknik för label‑free, realtidsdetektion.

Quantum Biosensors: Compact, Scalable, and Real-Time

Med den innovativa, kompakta enheten har forskarna avsevärt förbättrat kapaciteten hos sensorer som för närvarande finns på marknaden.

Som Hatice Altug, chef för Bionanophotonic Systems Laboratory, uttalade:

“Tester visade att vår självlysande biosensor kan detektera aminosyror och polymerer vid picogramkoncentrationer – det är en biljondel av en gram – och konkurrerar med de mest avancerade sensorerna som finns idag.”

En annan viktig punkt är användningen av kvantmekanik för att uppnå genombrottet, vilket i praktiken tar tekniken närmare verkliga tillämpningar.

Mycket har utforskats kring kvantmekanik, en grundläggande fysikteori som behandlar partiklarnas egenskaper och beteende på atom‑ och subatomär nivå, och som först introducerades för ungefär ett sekel sedan.

Under denna period har kvantmekanik hjälpt till att driva industrier genom att ligga till grund för många moderna teknologier, inklusive semiconductor för elektronik, laser och magnetisk resonanstomografi (MRI). Den banar också vägen för framtida innovationer, såsom kvantdatorer och avancerad cybersäkerhet. 

Enligt Julian Kelly, chef för hårdvara på Google Quantum AI, kan vi vara “ungefär fem år från ett riktigt genombrott, en praktisk tillämpning som bara kan lösas på en kvantdator.”

Kvantdatorer, enligt honom, “kan nå hur universum fungerar på den mest grundläggande nivån.”

Nvidia (NVDA ) VD Jensen Huang har en liknande uppfattning. Han tror att kvantdatorer har potential att “leverera extraordinär påverkan”, men tillade att “teknologin är otroligt komplicerad.”

Mitt i detta har EPFL‑ingenjörer integrerat kvant‑ljuskällor direkt i chip‑skalade enheter, vilket revolutionerar biosensing‑teknologin som kan användas för industriell övervakning, inklusive vattentestning, luftkvalitetskontroll och livsmedelssäkerhet. Deras genombrott kan också låsa upp nya enheter inom kvantdetektion och smarta sensorer.

LIET‑sensorarkitekturen erbjuder faktiskt ett mindre enhetsavtryck, tack vare plasmoniska antenner som fungerar både som ljuskälla och som sensorelement, jämfört med designer som integrerar plasmoniska strukturer ovanpå fotodetektorer eller LED‑er.

Forskarnas tester med biomolekyler och nanometer‑tunna polymerer visade att både den utsända ljusintensiteten och det spektrala profilen moduleras av lokala förändringar i brytningsindex som orsakas av analyttens närvaro. Detta innebär att LIET‑enheter kan användas som kompakta och känsliga on‑chip optiska biosensorer för point‑of‑care‑applikationer.

Sensoren, enligt studien, har tillräcklig utsänd effekt för att fungera med de vanligaste ljusdetektorerna. Den kvanta plattformen är skalbar och kompatibel med sensor‑tillverkningsmetoder, vilket gör den möjlig för bred produktion och distribution.

“Vårt arbete levererar en fullt integrerad sensor som kombinerar ljusgenerering och detektion på ett enda chip. Med potentiella tillämpningar som sträcker sig från point‑of‑care‑diagnostik till detektering av miljöföroreningar, representerar denna teknik en ny gräns inom högpresterande sensorsystem,” sade Bionanophotonic Systems Lab‑forskaren Ivan Sinev.

Med mindre än en kvadratmillimeter aktiv yta som behövs för detektering kan designen definitivt öppna upp spännande möjligheter att realisera en praktisk elektro‑optisk biosensor och nya tillämpningar. 

Den kan också potentiellt leda till nya handhållna enheter i kontrast till nuvarande bänk‑stora uppställningar, som passar perfekt i miljöer som läkarpraktiker, äldreboenden och avlägsna kliniker, där skrymmande laboratorieutrustning helt enkelt är opraktisk. 

Dess label‑free‑natur och realtids‑övervakningskapacitet gör dessutom den kvanta biosensorn idealisk för att spåra biomarkörer i sjukdomar som infektioner, cancer och metabola störningar.

Utöver allt detta kan plattformen hjälpa till att ge grundläggande vetenskapliga insikter som kan driva fram andra fält, inklusive nano‑optik, materialvetenskap och kvantdatorer.

Klicka här för att lära dig mer om det aktuella tillståndet för kvantdatorer.

Top Quantum Biosensor Investment Opportunities

Nu är det dags att dyka djupt ner i investeringsalternativ, både etablerade och framväxande, inom området kvant‑driven biosensorik.

Established Players & Platforms

När det gäller analytiska instrument och diagnostik är Agilent Technologies (A ) ett av de framstående namnen som potentiellt kan integrera den nya tekniken i sina produktlinjer.

Företaget utmärker sig för sin specialisering inom diagnostik, livsvetenskaper och tillämpade marknader. Det erbjuder programvara och laboratorie‑automationslösningar samt reagenser, instrument och förbrukningsmaterial. Utöver aktiva farmaceutiska ingredienser för oligo‑baserade terapier erbjuder det även instrument och mjukvara för att identifiera, kvantifiera och analysera de biologiska egenskaperna hos substanser.

Tidigare i år samarbetade Agilent med ABB Robotics för att leverera automatiserade laboratorielösningar, vilket gjorde processer som forskning och kvalitetskontroll snabbare och mer effektiva.

Med ett börsvärde på 33,45 miljarder USD handlas Agilent‑aktier för närvarande till 117,76 USD, ner 12,16 % år‑till‑datum (YTD), men inte långt från deras topp 2021 på omkring 180 USD. Företaget har en EPS (TTM) på 4,06 USD och ett P/E (TTM) på 28,98, med en utdelningsavkastning på 0,84 %.

Finansiellt rapporterade företaget nyligen sina Q2 2025‑resultat, som visade en tillväxt på 6 % i omsättningen till 1,67 miljarder USD medan GAAP‑nettoresultatet var 215 miljoner USD och vinst per aktie (EPS) var 0,75 USD.

I fotonik‑/optikvärlden är AMS (AMS‑Osram) den som kan dra nytta av nanoskaliga ljusemitterande komponenter.

Det österrikiska AMS designar och producerar integrerade analoga mikrochip och erbjuder sina tjänster inom sensorer, sensor‑gränssnitt, strömhantering och mobil underhållning inom kommunikation, medicinteknik och fordonsmarknaden.

På Sensors Converge 2025 förra månaden presenterade AMS sin senaste multi‑zone, direkta Time‑of‑Flight‑sensor som ger över 20 gånger fler pixlar än tidigare modeller, även vid låg effekt, i en kompakt allt‑i‑ett‑modul.

Det miljard‑dollar‑stora börsvärdesföretaget, som erbjuder en full‑service foundry specialiserad på sensorteknik, har en EPS (TTM) på –1,51 och ett P/E (TTM) på –6,82.

För Q1 2025 registrerade de en omsättning på 820 miljoner EUR samtidigt som de rapporterade förbättrad lönsamhet och ett fritt kassaflöde på över 100 miljoner EUR för FY25. Samtidigt avslöjade de planer på att sälja en del av sin verksamhet för att generera över en halv miljard USD i kapital för att minska företagets skuld.

Quantum & Nanotech Specialists

Om vi ser på kvantområdet är Applied Materials (AMAT ) känt för att tillhandahålla deponering‑ och nanofabrikationsverktyg som gör deras system väsentliga för att skala produktionen av biosensorer. 

Materialteknik‑lösningsföretaget verkar genom tre segment: Semiconductor Systems; som tillverkar ett sortiment av främst 300 mm‑utrustning för att producera halvledarchip eller IC, Display; bestående främst av produkter för tillverkning av LCD‑, OLED‑ och andra teknologier för smartphones, surfplattor, PC‑, TV‑, monitor‑ och laptop‑marknaden, samt Applied Global Services (AGS); som tillverkar 200 mm‑utrustning och tillhandahåller reservdelar och automationsprogramvara till tillverkningsanläggningen.

När det gäller marknadsprestationen för det 146 miljarder USD‑stora börsvärdesföretaget handlas deras aktier vid skrivande stund till 182,10 USD, upp 11,8 % YTD. Deras EPS (TTM) är 8,21 och P/E (TTM) är 22,20. Utdelningsavkastningen för aktieägarna ligger över 1 %.

När det gäller finansiella siffror rapporterade företaget en GAAP‑bruttomarginal på 49,1 % för Q2 2025 och en non‑GAAP‑bruttomarginal på 49,2 %. Samtidigt nådde GAAP‑EPS rekord på 2,63 USD, och non‑GAAP‑EPS var 2,39 USD. Kassaflöde från verksamheten under perioden var 1,57 miljarder USD medan Applied Materials distribuerade 2 miljarder USD till aktieägarna, inklusive 1,67 miljarder USD i återköp av aktier och 325 miljoner USD i utdelning.

Dess VD, Gary Dickerson, tillskrev högpresterande, energieffektiv AI‑beräkning som den dominerande drivkraften för innovation.

Early-Stage & Spin-Outs

I tidiga ventures är namn som Lux Capital kända för att investera i framväxande teknologier, inklusive materialvetenskap, biokemi, elektronik, rymdteknik och infrastruktur. Riskkapitalfirman har också hjälpt akademiker att driva teknologisk upptäckt med planer på att investera minst 100 miljoner USD för att stödja lovande forskning inom sektorer som biotech och AI.

Breakthrough Energy Ventures (BEV) är en annan aktör som kan rikta in sig på liknande kvant‑nanoteknik‑plattformföretag.

Grundat av Bill Gates består BEV av tjugo investerare från hela världen. Fonden har investerat i allt från smarta sensorer, lagringslösningar och biotech till AI och hållbarhet. Den har också åtagit sig att investera över en miljard USD i ny teknik via Breakthrough Energy Coalition (BEC).

I framtiden är det också möjligt att vi ser startups som spin‑outs från EPFL, ETH eller ICFO med fokus på kvantteknik och blir kommersiella aktörer. Detta är inget nytt; under årens lopp har många universitets‑spin‑offs uppstått för att omvandla tekniska uppfinningar som utvecklats genom deras forskning.

Exempelvis har Akamai, Boston Dynamics, OKCupid, Cambridge Mobile Telematics, iRobot , RSA Security, Nimble VR, Meraki och många fler alla spin‑ats från Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Även EPFL har sett många spin‑outs såsom Bionomous, Dronistics, Hydromea, MindMaze, Sensars, SenseFly, Kandou, Nexthink och fler som spänner över olika sektorer.

ETH Zürich har sett spin‑off‑företag inom områden som AI, maskininlärning, bioteknik, läkemedel och robotik, medan minst tio företag har spin‑ats från ICFO, inklusive LuxQuanta, som använder kvantteknologier för att tillhandahålla datasäkerhet.

Conclusion

Optiska biosensorer är viktiga inom områden som exakt medicinsk diagnostik, personlig medicin och miljöövervakning. Genom att leverera en självlysande plasmonisk biosensor presenterar den senaste innovationen ett skifte som kombinerar kvanttunnling med fotonik i ett självförsörjande chip. 

Detta utmanar inte bara konventionell sensordesign utan framstår också som en praktisk implementering av kvantmekanik, som går bortom experimentering till skalbara teknologier med potential att få bred adoption.

Genom att integrera kvant‑ljuskällor direkt i chip‑skalade enheter har forskarna skapat en ny gräns inom biosensing‑teknik, med löfte om mångsidighet, kompakt design och oöverträffad känslighet över sektorer.

Klicka här för en lista över topp‑kvantdatorföretag.

Studies Referenced:

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