แสงควอนตัมช่วยให้ไบโอเซนเซอร์แบบออปติคัลสามารถส่องสว่างได้ด้วยตัวเอง

ในโลกแห่งการดูแลสุขภาพ ไบโอเซนเซอร์คือ ได้รับแรงฉุดอย่างมาก เป็นเครื่องมือวินิจฉัย อุปกรณ์ไฟฟ้าเหล่านี้จะวัดสัญญาณทางชีวภาพหรือเคมีแล้วแปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้า 

มีการใช้กันอย่างแพร่หลายตั้งแต่การติดตามโรคและการค้นพบยาไปจนถึงการตรวจจับจุลินทรีย์ที่ทำให้เกิดโรคแบบไม่รุกรานและเครื่องหมายที่ส่งสัญญาณไวรัสในของเหลวในร่างกาย เช่น เหงื่อ น้ำลาย ปัสสาวะ และเลือด

ไบโอเซนเซอร์ยังได้รับการนำไปใช้งานในด้านการตรวจสอบและความปลอดภัยของอาหาร การเกษตร การศึกษาด้านสิ่งแวดล้อม เทคโนโลยีชีวภาพ และสาธารณูปโภคทางการแพทย์ ด้วยความต้องการทั้งหมดนี้ ตลาดไบโอเซนเซอร์ระดับโลก ตั้งเป้าแตะหลักหมื่นล้านบาทต่อปีแล้ว

ไบโอเซนเซอร์ทั่วไปประกอบด้วยส่วนประกอบหลักไม่กี่ส่วน:

• ตัวรับชีวภาพ
• transducer
• นักวิเคราะห์
• แสดง

ในที่นี้ สารวิเคราะห์คือสารที่น่าสนใจซึ่งกำลังได้รับการระบุและวัด ตัวอย่างเช่น ในไบโอเซ็นเซอร์ที่ออกแบบมาเพื่อตรวจจับกลูโคส กลูโคสคือสารวิเคราะห์

ไบโอรีเซพเตอร์คือส่วนประกอบทางชีวภาพ เช่น ดีเอ็นเอ เซลล์ เอนไซม์ หรือแอนติบอดี ที่ทำหน้าที่จดจำสารวิเคราะห์ กระบวนการสร้างสัญญาณเกิดขึ้นในรูปแบบของความร้อน แสง หรือการเปลี่ยนแปลงเมื่อไบโอรีเซพเตอร์โต้ตอบกับสารวิเคราะห์ และเรียกว่า การจดจำทางชีวภาพ

ตัวแปลงสัญญาณจะแปลงเหตุการณ์การจดจำทางชีวภาพให้เป็นสัญญาณแสงหรือสัญญาณไฟฟ้าที่สามารถวัดได้ การแสดงผลเป็นเพียงระบบการตีความของผู้ใช้ที่สร้างข้อมูลในรูปแบบกราฟิก ตัวเลข หรือรูปแบบอื่นๆ ที่ผู้ใช้สามารถเข้าใจได้ 

ปัจจุบันมีไบโอเซนเซอร์อยู่ประมาณ 4 ประเภท โดยพิจารณาจากวิธีการถ่ายโอนข้อมูล ได้แก่ ไบโอเซนเซอร์แบบไฟฟ้าเคมี แบบความร้อน แบบเพียโซอิเล็กทริก แบบแม่เหล็ก และแบบออปติคัล ไบโอเซนเซอร์แต่ละประเภทใช้กลไกที่แตกต่างกันในการแปลงปฏิสัมพันธ์ทางชีวภาพเป็นสัญญาณที่วัดได้

เมื่อพูดถึงไบโอเซนเซอร์แบบออปติคัลโดยเฉพาะ ไบโอเซนเซอร์เป็นที่รู้จักในด้านประโยชน์เพิ่มเติมในการใช้งานด้านการตรวจจับ เนื่องจากมีความไวสูง การเลือกสรร และการวัดที่รวดเร็ว นอกจากนี้ ยังตรวจจับสารชีวภาพและสารเคมีแบบเรียลไทม์ในลักษณะเฉพาะและคุ้มต้นทุนอีกด้วย 

กลไกการทำงานของไบโอเซนเซอร์แบบออปติคัล คือการแปลงสัญญาณแสงให้เป็นสัญญาณไฟฟ้าที่มีกิจกรรมตามการโต้ตอบของสนามแสงกับตัวรับชีวภาพหรือองค์ประกอบการจดจำทางชีวภาพ

ไบโอเซนเซอร์เหล่านี้ได้รับการจัดประเภทเป็นแบบ "ไม่ติดฉลาก" โดยที่สัญญาณจะถูกผลิตขึ้นโดยตรงเมื่อมีการโต้ตอบระหว่างวัสดุวิเคราะห์กับตัวแปลงสัญญาณ และแบบ "ติดฉลาก" โดยที่สัญญาณที่สร้างขึ้นจะถูกขยายโดยวิธีเรืองแสง ฟลูออเรสเซนต์ หรือการวัดสี 

แม้ว่าจะมีข้อได้เปรียบที่ชัดเจนเมื่อเปรียบเทียบกับเทคนิคการวิเคราะห์แบบดั้งเดิม แต่ไบโอเซนเซอร์แบบออปติคัลก็ยังต้องใช้แหล่งกำเนิดแสงภายนอก ซึ่งจำกัดการใช้งานในห้องปฏิบัติการเท่านั้น และป้องกันไม่ให้นำไปใช้ในการดูแลสุขภาพและการติดตามสิ่งแวดล้อม

เพื่อเอาชนะความท้าทายในแอปพลิเคชันจริงที่แพร่หลาย นักวิจัยในห้องปฏิบัติการระบบไบโอนาโนโฟโตนิกในคณะวิศวกรรมศาสตร์ของ EPFL ได้ใช้ฟิสิกส์ควอนตัมเพื่อตรวจจับการมีอยู่ของไบโอโมเลกุลโดยไม่ต้องใช้แหล่งกำเนิดแสงภายนอก

การขยายขอบเขตของการตรวจจับทางชีวภาพด้วยแสง

เพื่อตรวจจับสารวิเคราะห์ทางชีวภาพ ไบโอเซนเซอร์แบบออปติคัลจะใช้คลื่นแสง ในขณะที่การใช้โครงสร้างนาโนโฟตอนิกส์ที่ "บีบ" แสงบนพื้นผิวของชิปขนาดเล็กเพื่อโฟกัสคลื่นแสงลงมาถึงระดับนาโนเมตรนั้นสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพได้อย่างมาก แต่ดังที่เราได้กล่าวไปแล้วข้างต้น การดำเนินการดังกล่าวต้องใช้แหล่งกำเนิดแสงภายนอก ซึ่งเกี่ยวข้องกับอุปกรณ์ขนาดใหญ่ จึงป้องกันการใช้งานในการวินิจฉัยอย่างรวดเร็วและในสถานที่ที่เป็นจุดบริการได้

ดังนั้น เพื่อขจัดความจำเป็นในการใช้แหล่งกำเนิดแสงภายนอกในไบโอเซนเซอร์ที่ใช้แสง นักวิจัยจึงหันมาใช้ฟิสิกส์ควอนตัม 

พวกเขาได้นำเสนอเซนเซอร์พลาสมอนิกที่มีแหล่งกำเนิดแสงแบบฝังจากรอยต่ออุโมงค์ควอนตัม 

โครงสร้างนาโนโลหะพลาสมอนิกได้รับการศึกษาอย่างจริงจังสำหรับเซนเซอร์ออปติคัล เนื่องจากความสามารถพิเศษในการรองรับการเพิ่มประสิทธิภาพของสนามออปติกที่แข็งแกร่ง รวมถึงการจำกัดแสงที่มีความยาวคลื่นต่ำกว่าระดับความลึกผ่านการสั่นพ้องพลาสมอนพื้นผิวเฉพาะที่และการแพร่กระจายโพลาริตอนพลาสมอนพื้นผิว (SPP)

LSPR คือการเคลื่อนที่แบบสั่นของอิเล็กตรอนตัวนำใกล้พื้นผิวของโลหะมีค่าที่มีโครงสร้างระดับนาโนเมื่อได้รับแสง ซึ่งนำไปสู่การสร้างสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเฉพาะจุดที่มีคุณสมบัติทางแสงที่แตกต่างกัน

ในขณะเดียวกัน SPP เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าพื้นผิวที่เกิดขึ้นเมื่อพลาสมอนพื้นผิวที่ถูกกระตุ้นจับคู่กับโฟตอนและเคลื่อนที่ไปตามอินเทอร์เฟซระหว่างโลหะและวัสดุไดอิเล็กตริก 

ปัจจัยเหล่านี้เองที่ทำให้อุปกรณ์ตรวจจับทางชีวภาพมีประสิทธิภาพในการตรวจจับที่เหนือกว่าเซ็นเซอร์ออปติคัลแบบเดิม และช่วยให้อุปกรณ์เหล่านี้ถูกนำไปใช้งานอย่างแพร่หลายและออกสู่ตลาดเชิงพาณิชย์ได้ง่ายขึ้น 

ในความเป็นจริง ไบโอเซนเซอร์ Surface Plasmon Resonance (SPR) ที่ใช้แผ่นโลหะแบน ได้กลายเป็นเทคนิคมาตรฐานที่ไม่ต้องใช้ฉลากในการตรวจสอบปฏิสัมพันธ์ทางชีวโมเลกุลแบบเรียลไทม์

ไบโอเซนเซอร์ระดับนาโนพลาสมอนิกส์ ซึ่งเป็นการผสมผสานระหว่างนาโนวัสดุ LSPR หรือ SPR และไบโอเซนเซอร์แบบออปติคัล ช่วยลดปริมาตรตัวอย่างที่จำเป็น ทำให้สามารถสังเกตการหลั่งของเซลล์เดี่ยวแบบเรียลไทม์ได้ 

ความก้าวหน้าในสาขาต่างๆ ในปัจจุบันกำลังมุ่งไปที่ระบบการตรวจจับพลาสมอนิกส์เชิงควอนตัมที่สามารถค้นพบโอกาสใหม่ๆ สำหรับการปรับปรุงประสิทธิภาพของอุปกรณ์ลงไปจนถึงระดับการตรวจจับโมเลกุลเดี่ยว แต่ถึงแม้จะมีความก้าวหน้ามากมายในสาขาของนาโนโฟโตนิกส์ แต่ยังคงมีความจำเป็นต้องใช้แหล่งกำเนิดแสงภายนอกเพื่อกระตุ้น SPP

เมื่อใช้ร่วมกับอุปกรณ์ขนาดใหญ่ เช่น ปริซึมหรือตะแกรง จะทำให้เซนเซอร์พลาสมอนิกส์ใช้งานไม่ได้ เราจึงจำเป็นต้องมีอุปกรณ์ขนาดเล็กและบูรณาการได้ เพื่อพัฒนาการใช้งานในงานวิจัยทางชีวเคมีและการวินิจฉัยทางการแพทย์

การใช้ประโยชน์จากอุโมงค์อิเล็กตรอนที่ไม่มีความยืดหยุ่นสำหรับการผลิตแสงบนชิป

ตีพิมพ์ใน Photonics ธรรมชาติ¹ โดยความร่วมมือกับนักวิจัยจาก ETH Zurich, ICFO และ Yonsei University วิศวกร EPFL ได้จัดแสดงไบโอเซนเซอร์แบบออปติคอลที่ไม่ติดป้ายบนชิป ซึ่งสามารถส่องสว่างได้ด้วยตัวเองและใช้ประโยชน์จากอุโมงค์ควอนตัม ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่อนุภาคสามารถผ่านทะลุกำแพงพลังงานศักย์ที่โดยทั่วไปแล้วไม่สามารถผ่านได้

โดยอาศัยการใช้ประโยชน์จากอุโมงค์อิเล็กตรอนที่ไม่มีความยืดหยุ่น นักวิจัยได้สร้างอุปกรณ์ที่ต้องการเพียงอิเล็กตรอนไหลคงที่ในรูปแบบของแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ในการส่องสว่างและระบุโมเลกุล 

“หากคุณคิดว่าอิเล็กตรอนเป็นคลื่น มากกว่าจะเป็นอนุภาค คลื่นนั้นจะมีความน่าจะเป็นต่ำในการ 'ทะลุผ่าน' ไปอีกด้านของฉนวนที่บางมากในขณะที่ปล่อยโฟตอนของแสง สิ่งที่เราทำคือสร้างโครงสร้างระดับนาโนที่ทั้งเป็นส่วนหนึ่งของฉนวนนี้และเพิ่มความน่าจะเป็นที่แสงจะถูกปล่อยออกมา”

– นักวิจัย มิคาอิล มาชาริน

สำหรับการออกแบบอุปกรณ์นี้ วิศวกรได้ใช้ฟิล์มหลายชั้นโดยที่ฉนวนจะอยู่ระหว่างโลหะสองชนิด 

ที่นี่ สายนาโนทองคำ (Au) จะถูกวางไว้ด้านบนของชั้นอลูมิเนียมบางๆ ซึ่งเป็นตัวกั้นอุโมงค์ โดยแยกสายนาโนออกจากฟิล์มอลูมิเนียม (Al) ที่ด้านล่าง 

พื้นผิวด้านบนใช้เมตาเซอร์เฟสพลาสมอนิกที่ทำหน้าที่สองประการ ซึ่งเป็นแกนหลักของนวัตกรรม ชั้นทองของโครงสร้างนาโนทำหน้าที่เป็นจุดสัมผัสไฟฟ้าสำหรับรอยต่ออุโมงค์ รวมถึงอินเทอร์เฟซออปติกเพื่ออำนวยความสะดวกในการเชื่อมโยงอุโมงค์อิเล็กตรอนควอนตัมที่ไม่มีความยืดหยุ่น ซึ่งมาพร้อมกับการปล่อยแสง เข้ากับรังสีในอวกาศอิสระ

สิ่งนี้หมายความว่าเมตาเซอร์เฟซแสดงคุณสมบัติพิเศษที่สร้างเงื่อนไขสำหรับอุโมงค์ควอนตัมและควบคุมการปล่อยแสงที่เกิดขึ้น 

การควบคุมทำได้โดยการจัดเรียงเมตาเซอร์เฟซซึ่งอยู่ในตาข่ายของนาโนไวร์ทองคำ ซึ่งทำหน้าที่เป็น "นาโนเสาอากาศ" เพื่อรวมแสงให้อยู่ในปริมาตรระดับนาโนเมตรที่จำเป็นสำหรับการตรวจจับไบโอโมเลกุลอย่างมีประสิทธิภาพ

การจัดเรียงนี้มีผลกระทบต่อประสิทธิภาพควอนตัมภายในของกระบวนการอุโมงค์โดยการเพิ่มองค์ประกอบการแผ่รังสีของความหนาแน่นแม่เหล็กไฟฟ้าของสถานะแสง ซึ่งจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพควอนตัมการแผ่รังสี และส่งผลให้สัญญาณที่ตรวจจับได้นั้นเพิ่มขึ้นด้วย 

หากพูดให้เข้าใจง่าย โครงสร้างระดับนาโนของอิเล็กตรอนจะสร้างเงื่อนไขที่เหมาะสมเพื่อให้อิเล็กตรอนสามารถผ่านทะลุผ่านชั้นกั้นอะลูมิเนียมออกไซด์เพื่อมาถึงชั้นทองคำบางพิเศษ (Au) ในกระบวนการนี้ พลังงานบางส่วนของอิเล็กตรอนจะถูกถ่ายโอนไปยังการกระตุ้นแบบรวม (หรือที่เรียกว่าพลาสมอน) ซึ่งจะปล่อยโฟตอนออกมา 

เพื่อที่จะผลิต LIET (การแผ่แสงจากอุโมงค์อิเล็กตรอนที่ไม่มีความยืดหยุ่น) ที่มีประสิทธิภาพและสม่ำเสมอในเชิงพื้นที่ นักวิจัยได้ใช้การออกแบบเมตาเซอร์เฟซแบบยืดหยุ่นที่ได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการตรวจจับทางชีวภาพ ผู้เขียนคนแรกคือ Jihye Lee ซึ่งเคยเป็นนักวิจัยของ Bionanophotonic Systems Lab และปัจจุบันเป็นวิศวกรที่ Samsung Electronics:

“การสร้างอุโมงค์อิเล็กตรอนที่ไม่มีความยืดหยุ่นเป็นกระบวนการที่มีความน่าจะเป็นต่ำมาก แต่หากคุณมีกระบวนการที่มีความน่าจะเป็นต่ำซึ่งเกิดขึ้นอย่างสม่ำเสมอในพื้นที่ขนาดใหญ่มาก คุณก็ยังสามารถรวบรวมโฟตอนได้เพียงพอ นี่คือจุดที่เราเน้นการเพิ่มประสิทธิภาพ และกลายเป็นกลยุทธ์ใหม่ที่มีแนวโน้มดีมากสำหรับการตรวจจับทางชีวภาพ” 

การออกแบบอุปกรณ์ทำให้แน่ใจว่าสเปกตรัมและความเข้มข้นของแสงจะเปลี่ยนไปเมื่อสัมผัสกับไบโอโมเลกุล โดยให้เทคนิคที่ทรงพลังสำหรับการตรวจจับแบบเรียลไทม์ที่ไม่ต้องติดฉลาก

ไบโอเซนเซอร์ควอนตัม: กะทัดรัด ปรับขนาดได้ และแบบเรียลไทม์

ด้วยอุปกรณ์ขนาดกะทัดรัดและเป็นนวัตกรรมใหม่นี้ นักวิจัยได้พัฒนาขีดความสามารถของเซ็นเซอร์ที่มีอยู่ในตลาดปัจจุบันให้ก้าวหน้าขึ้นอย่างมาก

ดังที่ Hatice Altug หัวหน้าห้องปฏิบัติการระบบไบโอนาโนโฟโตนิกกล่าวไว้ว่า:

“การทดสอบแสดงให้เห็นว่าไบโอเซนเซอร์ที่ส่องสว่างได้เองของเราสามารถตรวจจับกรดอะมิโนและโพลีเมอร์ได้ในความเข้มข้นระดับพิโกกรัม ซึ่งเท่ากับหนึ่งในล้านล้านกรัม ซึ่งเทียบได้กับเซนเซอร์ที่ล้ำหน้าที่สุดที่มีอยู่ในปัจจุบัน”

ประเด็นสำคัญอีกประการหนึ่งที่นี่คือการใช้กลศาสตร์ควอนตัมเพื่อให้เกิดความก้าวหน้าซึ่งเป็นการนำความก้าวหน้านั้นไปสู่ขอบเขตเชิงปฏิบัติอย่างแท้จริง

มีการสำรวจมากมายเกี่ยวกับกลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งเป็นทฤษฎีพื้นฐานของฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องกับคุณสมบัติและพฤติกรรมของอนุภาคในระดับอะตอมและอนุภาคย่อยอะตอม ซึ่งถูกนำเสนอครั้งแรกเมื่อประมาณหนึ่งศตวรรษที่ผ่านมา

ในช่วงเวลานี้ กลศาสตร์ควอนตัมได้ช่วยพัฒนาอุตสาหกรรมโดยสนับสนุนเทคโนโลยีสมัยใหม่มากมาย รวมถึง สารกึ่งตัวนำสำหรับอิเล็กทรอนิกส์เลเซอร์ และการถ่ายภาพด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (MRI) นอกจากนี้ยังช่วยปูทางไปสู่การสร้างสรรค์นวัตกรรมใหม่ๆ ในอนาคต เช่น คอมพิวเตอร์ควอนตัม และการรักษาความปลอดภัยทางไซเบอร์ขั้นสูง 

ตามที่ Julian Kelly ผู้อำนวยการด้านฮาร์ดแวร์ที่ Google Quantum AI ได้กล่าวไว้ว่า เราอาจต้องรออีกประมาณ 5 ปีจึงจะสามารถพัฒนาแอปพลิเคชันที่ใช้งานจริงที่ก้าวล้ำและสามารถแก้ไขได้บนคอมพิวเตอร์ควอนตัมเท่านั้น

คอมพิวเตอร์ควอนตัมตามที่เขากล่าว "สามารถเข้าถึงวิธีการทำงานของจักรวาลได้ในระดับพื้นฐานที่สุด"

Nvidia (NVDA ) ซีอีโอ เจนเซ่น หวง มีมุมมองที่คล้ายกัน เขาเชื่อว่า การคำนวณควอนตัม มีศักยภาพที่จะ “สร้างผลกระทบที่ไม่ธรรมดา” แต่ยังกล่าวเพิ่มเติมว่า “เทคโนโลยีนี้มีความซับซ้อนอย่างไม่น่าเชื่อ”

ท่ามกลางสิ่งนี้ วิศวกร EPFL ได้ฝังแหล่งกำเนิดแสงควอนตัมโดยตรงไว้ในอุปกรณ์ขนาดชิป ซึ่งเป็นการปฏิวัติเทคโนโลยีการตรวจจับทางชีวภาพที่สามารถใช้สำหรับการตรวจสอบทางอุตสาหกรรม เช่น การทดสอบน้ำ การควบคุมคุณภาพอากาศ และความปลอดภัยของอาหาร ความก้าวหน้าครั้งนี้ยังสามารถปลดล็อกอุปกรณ์ใหม่ๆ ในการตรวจจับด้วยควอนตัมและเซนเซอร์อัจฉริยะได้อีกด้วย

สถาปัตยกรรมเซนเซอร์ LIET นี้มีขนาดกะทัดรัดกว่าเนื่องจากเสาอากาศพลาสมอนิกส์ทำหน้าที่เป็นทั้งแหล่งกำเนิดแสงและองค์ประกอบการตรวจจับ เมื่อเปรียบเทียบกับการออกแบบที่ผสานโครงสร้างพลาสมอนิกส์ไว้ด้านบนของเครื่องตรวจจับแสงหรือ LED

นักวิจัยได้ทดสอบอุปกรณ์ของพวกเขาด้วยไบโอโมเลกุลและพอลิเมอร์ที่มีความหนาระดับนาโนเมตร และพบว่าทั้งความเข้มของแสงที่ปล่อยออกมาและโปรไฟล์สเปกตรัมถูกควบคุมโดยการเปลี่ยนแปลงดัชนีหักเหเฉพาะที่ที่เกิดจากการปรากฏตัวของสารวิเคราะห์ ซึ่งหมายความว่าอุปกรณ์ LIET สามารถใช้เป็นไบโอเซนเซอร์แบบออปติคัลบนชิปขนาดกะทัดรัดและมีความไวสูงสำหรับการใช้งาน ณ จุดดูแลผู้ป่วย

จากการศึกษาพบว่าอุปกรณ์ตรวจจับมีพลังงานที่ปล่อยออกมาเพียงพอที่จะทำงานกับเครื่องตรวจจับแสงที่ใช้กันทั่วไป แพลตฟอร์มควอนตัมสามารถปรับขนาดได้และเข้ากันได้กับวิธีการผลิตเซ็นเซอร์ ทำให้สามารถผลิตและจัดจำหน่ายในวงกว้างได้

“งานของเรานั้นได้ส่งมอบเซ็นเซอร์ที่บูรณาการอย่างเต็มรูปแบบซึ่งรวมการสร้างและการตรวจจับแสงไว้ในชิปตัวเดียว ด้วยการประยุกต์ใช้ที่เป็นไปได้ตั้งแต่การวินิจฉัยที่จุดบริการไปจนถึงการตรวจจับสารปนเปื้อนในสิ่งแวดล้อม เทคโนโลยีนี้จึงถือเป็นขอบเขตใหม่ของระบบการตรวจจับประสิทธิภาพสูง” Ivan Sinev นักวิจัยของ Bionanophotonic Systems Lab กล่าว

โดยที่ต้องใช้พื้นที่ใช้งานในการตรวจจับน้อยกว่าหนึ่งตารางมิลลิเมตร การออกแบบนี้สามารถเปิดโอกาสให้เกิดการพัฒนาไบโอเซนเซอร์แบบอิเล็กโทรออปติกที่ใช้งานได้จริงและการประยุกต์ใช้งานใหม่ๆ ได้อย่างแน่นอน 

นอกจากนี้ ยังอาจทำให้เกิดอุปกรณ์พกพาแบบใหม่ที่แตกต่างจากการติดตั้งแบบตั้งโต๊ะในปัจจุบัน ซึ่งเหมาะกับการใช้งานในสถานที่ต่างๆ เช่น สำนักงานแพทย์ บ้านพักคนชรา และคลินิกทางไกล ซึ่งอุปกรณ์ห้องแล็บขนาดใหญ่ไม่สามารถใช้งานได้จริง 

คุณสมบัติที่ปราศจากฉลากและความสามารถในการตรวจสอบแบบเรียลไทม์ทำให้ไบโอเซนเซอร์เชิงควอนตัมเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการติดตามไบโอมาร์กเกอร์ในโรคต่างๆ เช่น การติดเชื้อ มะเร็ง และความผิดปกติของการเผาผลาญ

นอกเหนือจากนี้ แพลตฟอร์มนี้ยังช่วยให้ข้อมูลเชิงวิทยาศาสตร์พื้นฐานที่สามารถช่วยพัฒนาสาขาอื่น ๆ ได้อีก เช่น นาโนออปติกส์ วิทยาศาสตร์วัสดุ และการคำนวณเชิงควอนตัม

คลิกที่นี่เพื่อเรียนรู้เกี่ยวกับสถานะปัจจุบันของการคำนวณควอนตัม

โอกาสการลงทุนด้านไบโอเซนเซอร์ควอนตัมชั้นนำ

ถึงเวลาที่จะเจาะลึกตัวเลือกการลงทุนทั้งที่ได้รับการยอมรับแล้วและที่กำลังเกิดใหม่ในสาขาการตรวจจับทางชีวภาพที่ขับเคลื่อนด้วยควอนตัม

ผู้เล่นและแพลตฟอร์มที่ได้รับการยอมรับ

เมื่อพูดถึงเครื่องมือวิเคราะห์และการวินิจฉัย เทคโนโลยี Agilent (A ) เป็นหนึ่งในชื่อที่มีชื่อเสียงที่มีศักยภาพในการผสานเทคโนโลยีใหม่เข้ากับสายผลิตภัณฑ์ของตนได้

บริษัทมีความโดดเด่นในด้านความเชี่ยวชาญด้านการวินิจฉัย วิทยาศาสตร์ชีวภาพ และตลาดประยุกต์ โดยเสนอ ซอฟต์แวร์และโซลูชันอัตโนมัติในห้องปฏิบัติการ รวมถึงสารเคมี เครื่องมือ และวัสดุสิ้นเปลือง นอกจากส่วนประกอบทางเภสัชกรรม ctive สำหรับการบำบัดแบบโอลิโก นอกจากนี้ยังมีเครื่องมือและซอฟต์แวร์สำหรับระบุ ปริมาณ และวิเคราะห์คุณสมบัติทางชีวภาพของสารต่างๆ

เมื่อต้นปีนี้ Agilent ได้ร่วมมือกับ ABB Robotics เพื่อนำเสนอโซลูชันห้องปฏิบัติการอัตโนมัติ ทำให้กระบวนการต่างๆ เช่น การวิจัยและการควบคุมคุณภาพ รวดเร็วและมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น

ด้วยมูลค่าตลาดที่ 33.45 ล้านดอลลาร์ หุ้นของ Agilent ซื้อขายอยู่ที่ 117.76 ดอลลาร์ ลดลง 12.16% ในรอบปี (YTD) แต่ไม่ห่างจากจุดสูงสุดในปี 2021 ที่ประมาณ 180 ดอลลาร์มากนัก หุ้นมี EPS (TTM) ที่ 4.06 ดอลลาร์ และ P/E (TTM) ที่ 28.98 โดยมีอัตราผลตอบแทนจากเงินปันผล 0.84% ​​เช่นกัน 

ในด้านการเงิน บริษัทเพิ่งรายงานผลประกอบการไตรมาสที่ 2 ปี 2025 ซึ่งแสดงให้เห็นการเติบโตของรายได้ 6% อยู่ที่ 1.67 พันล้านเหรียญสหรัฐ ในขณะที่รายได้สุทธิตามหลักบัญชี GAAP อยู่ที่ 215 ล้านเหรียญสหรัฐ และกำไรต่อหุ้น (EPS) อยู่ที่ 0.75 เหรียญสหรัฐ

ในโลกของโฟโตนิกส์/ออปติกส์ AMS (AMS-Osram) ถือเป็นตัวหนึ่งที่อาจได้รับประโยชน์จากส่วนประกอบเปล่งแสงในระดับนาโน

การขอ AMS ซึ่งมีฐานอยู่ในออสเตรีย ออกแบบและผลิตไมโครชิปอนาล็อกแบบบูรณาการ และเสนอบริการในด้านเซ็นเซอร์ อินเทอร์เฟซเซ็นเซอร์ การจัดการพลังงาน และความบันเทิงบนมือถือในด้านการสื่อสาร เทคโนโลยีทางการแพทย์ และตลาดยานยนต์

ในงาน Sensors Converge 2025 เมื่อเดือนที่แล้ว AMS ได้นำเสนอเซ็นเซอร์ Time-of-Flight แบบหลายโซนตัวใหม่ล่าสุด ซึ่งให้พิกเซลมากขึ้นกว่า 20 เท่าเมื่อเทียบกับเซ็นเซอร์รุ่นก่อนหน้า แม้จะใช้พลังงานต่ำก็ตาม โดยมาในโมดูลออลอินวันขนาดกะทัดรัด

บริษัทที่มีมูลค่าตลาดพันล้านดอลลาร์ ซึ่งเสนอบริการโรงหล่อครบวงจรที่เชี่ยวชาญด้านเทคโนโลยีเซ็นเซอร์ มี EPS (TTM) อยู่ที่ -1.51 และ P/E (TTM) อยู่ที่ -6.82

สำหรับไตรมาสที่ 1 ปี 2025 บริษัทบันทึกรายได้ 820 ล้านยูโร พร้อมรายงานผลกำไรที่ดีขึ้นและกระแสเงินสดอิสระที่คาดว่าจะสูงกว่า 100 ล้านยูโรสำหรับปีงบประมาณ 25 ในขณะนั้น บริษัทยังเปิดเผยแผนการขายส่วนหนึ่งของธุรกิจเพื่อสร้างทุนกว่าครึ่งพันล้านดอลลาร์เพื่อลดหนี้ของบริษัท

ผู้เชี่ยวชาญด้านควอนตัมและนาโนเทค

หากเรามองเข้าไปในอาณาจักรควอนตัม บริษัท Applied Materials (AMAT ) เป็นที่รู้จักในการจัดหาเครื่องมือการสะสมและการผลิตระดับนาโน ซึ่งทำให้ระบบเช่นของพวกเขาเป็นสิ่งจำเป็นต่อการขยายการผลิตไบโอเซนเซอร์ 

บริษัทโซลูชันด้านวิศวกรรมวัสดุดำเนินงานผ่านสามส่วน ได้แก่ ระบบเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งผลิตอุปกรณ์ขนาด 300 มม. เป็นหลัก ซึ่งใช้ในการผลิตชิปเซมิคอนดักเตอร์หรือไอซี จอแสดงผล ซึ่งประกอบไปด้วยผลิตภัณฑ์หลักสำหรับการผลิต LCD, OLED และเทคโนโลยีอื่นๆ สำหรับสมาร์ทโฟน แท็บเล็ต พีซี โทรทัศน์ จอภาพ และแล็ปท็อป และ Applied Global Services (AGS) ซึ่งผลิตขนาด 200 มม. และจัดหาอะไหล่และซอฟต์แวร์อัตโนมัติให้กับโรงงานผลิต

เมื่อพิจารณาถึงผลประกอบการทางการตลาดของบริษัทที่มีมูลค่าหลักทรัพย์ตามราคาตลาด 146 พันล้านดอลลาร์สหรัฐ หุ้นของบริษัทดังกล่าวซื้อขายอยู่ที่ 182.10 ดอลลาร์ เพิ่มขึ้น 11.8% YTD กำไรต่อหุ้น (TTM) อยู่ที่ 8.21 และอัตราส่วน P/E (TTM) อยู่ที่ 22.20 อัตราผลตอบแทนจากเงินปันผลที่ผู้ถือหุ้นสามารถรับได้อยู่เหนือ 1% 

ในส่วนของการเงิน บริษัทได้รายงานอัตรากำไรขั้นต้นตามหลักบัญชี GAAP ที่ 49.1% สำหรับไตรมาสที่ 2 ปี 2025 และอัตรากำไรขั้นต้นนอกหลักบัญชี GAAP ที่ 49.2% ในขณะเดียวกัน EPS ตามหลักบัญชี GAAP อยู่ที่ 2.63 ดอลลาร์ และ EPS นอกหลักบัญชี GAAP อยู่ที่ 2.39 ดอลลาร์ เงินสดจากการดำเนินงานที่เกิดขึ้นในช่วงเวลานี้อยู่ที่ 1.57 พันล้านดอลลาร์ ในขณะที่ Applied Materials จ่ายเงินปันผล 2 พันล้านดอลลาร์แก่ผู้ถือหุ้น รวมถึงการซื้อหุ้นคืนมูลค่า 1.67 พันล้านดอลลาร์ และเงินปันผล 325 ล้านดอลลาร์

Gary Dickerson ซีอีโอของบริษัท ระบุว่าการประมวลผล AI ที่มีประสิทธิภาพสูงและประหยัดพลังงานเป็นแรงขับเคลื่อนหลักของนวัตกรรม

ช่วงเริ่มต้นและช่วงแยกตัว

ในธุรกิจระยะเริ่มต้น บริษัทอย่าง Lux Capital เป็นที่รู้จักในด้านการลงทุนในเทคโนโลยีใหม่ ๆ เช่น วิทยาศาสตร์วัสดุ ชีวเคมี อิเล็กทรอนิกส์ อวกาศ และโครงสร้างพื้นฐาน บริษัทเงินร่วมลงทุน (VC) แห่งนี้ยังช่วยให้นักวิชาการก้าวหน้าในการค้นพบเทคโนโลยีด้วยแผนการลงทุนอย่างน้อย 100 ล้านดอลลาร์เพื่อสนับสนุนการวิจัยที่มีแนวโน้มดีในภาคส่วนต่าง ๆ เช่น เทคโนโลยีชีวภาพและปัญญาประดิษฐ์

Breakthrough Energy Ventures (BEV) เป็นอีกหนึ่งบริษัทที่อาจมุ่งเป้าไปที่บริษัทแพลตฟอร์มควอนตัม-นาโนเทคที่คล้ายคลึงกัน

BEV ก่อตั้งโดย Bill Gates ประกอบด้วยนักลงทุน 20 รายจากทั่วโลก กองทุนนี้ลงทุนในทุกสิ่งตั้งแต่เซ็นเซอร์อัจฉริยะ โซลูชันการจัดเก็บ และเทคโนโลยีชีวภาพ ไปจนถึง AI และความยั่งยืน นอกจากนี้ กองทุนยังมุ่งมั่นที่จะลงทุนกว่าพันล้านดอลลาร์ในเทคโนโลยีใหม่ผ่าน Breakthrough Energy Coalition (BEC)

ในอนาคต เราอาจเห็นสตาร์ทอัพแยกตัวออกมาจาก EPFL, ETH หรือ ICFO โดยเน้นที่เทคโนโลยีควอนตัมและกลายมาเป็นผู้เล่นเชิงพาณิชย์ ซึ่งไม่ใช่เรื่องใหม่แต่อย่างใด ตลอดหลายปีที่ผ่านมา มีสตาร์ทอัพแยกตัวออกมาจากมหาวิทยาลัยจำนวนมากที่ก่อตั้งขึ้นเพื่อเปลี่ยนแปลงสิ่งประดิษฐ์ทางเทคโนโลยีที่พัฒนาจากการวิจัยที่ดำเนินการในมหาวิทยาลัยของตน

ตัวอย่างเช่น Akamai, Boston Dynamics, OKCupid, Cambridge Mobile Telematics, iRobot, RSA Security, Nimble VR, Meraki และอื่นๆ อีกมากมาย ล้วนแยกตัวออกมาจากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ (MIT)

แม้แต่ EPFL ก็ยังมีบริษัทแยกตัวออกมาหลายแห่ง เช่น Bionomous, Dronistics, Hydromea, MindMaze, Sensars, SenseFly, Kandou, Nexthink และอื่นๆ อีกมากมายซึ่งครอบคลุมหลายภาคส่วน

ETH Zurich เคยเห็นบริษัทแยกตัวออกมาในหลายสาขาเช่น AI การเรียนรู้ของเครื่องจักร เทคโนโลยีชีวภาพ ยา และหุ่นยนต์ ขณะที่บริษัทอย่างน้อย 10 แห่งได้แยกตัวออกมาจาก ICFO ซึ่งรวมถึง LuxQuanta ซึ่งใช้เทคโนโลยีควอนตัมเพื่อให้การรักษาความปลอดภัยข้อมูล

สรุป

ไบโอเซนเซอร์แบบออปติคัลมีความสำคัญในด้านการวินิจฉัยทางการแพทย์ที่แม่นยำ ยาเฉพาะบุคคล และการตรวจสอบสิ่งแวดล้อม โดยการนำไบโอเซนเซอร์พลาสมอนิกส์ที่ส่องสว่างได้เองมาสู่เรา นวัตกรรมล่าสุดนี้ถือเป็นการเปลี่ยนแปลงที่ผสมผสานอุโมงค์ควอนตัมกับโฟโตนิกส์เข้าไว้ด้วยกันเป็นชิปที่ครบวงจร 

สิ่งนี้ไม่เพียงแต่เป็นการท้าทายการออกแบบเซ็นเซอร์แบบเดิมเท่านั้น แต่ยังโดดเด่นในฐานะการนำกลศาสตร์ควอนตัมไปใช้ในทางปฏิบัติ โดยก้าวข้ามการทดลองไปสู่เทคโนโลยีที่ปรับขนาดได้ซึ่งมีศักยภาพที่จะได้รับการนำไปใช้อย่างแพร่หลาย

ด้วยการฝังแหล่งกำเนิดแสงควอนตัมโดยตรงลงในอุปกรณ์ขนาดชิป นักวิจัยได้สร้างขอบเขตใหม่ในเทคโนโลยีการตรวจจับทางชีวภาพ ซึ่งสัญญาว่าจะมีความคล่องตัว มีความกะทัดรัด และความไวที่ไม่เคยมีมาก่อนในทุกภาคส่วน

คลิกที่นี่เพื่อดูรายชื่อบริษัทคอมพิวเตอร์ควอนตัมชั้นนำ

การศึกษาที่อ้างอิง:

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