Construyen el primer biosensor autoiluminado

Unos científicos han aprovechado la física cuántica para detectar la presencia de biomoléculas sin necesidad de una fuente de luz externa, superando de este modo una de las mayores trabas a la hora de usar biosensores ópticos en medicina y vigilancia medioambiental.

El logro es obra de un equipo internacional encabezado por Jihye Lee, de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL) en Suiza, y Yina Wu, del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) en Castelldefels, Barcelona, Cataluña, España. En el equipo también han trabajado, entre otros, Seunghwan Moon, de la Universidad Yonsei en Corea del Sur, y Javier García de Abajo, profesor del ICFO contratado por la Institución Catalana de Investigación y Estudios Avanzados (ICREA).

Los biosensores ópticos utilizan ondas de luz como sonda para detectar moléculas y son esenciales para el diagnóstico médico preciso, la medicina personalizada y la monitorización ambiental. Su rendimiento mejora drásticamente si pueden enfocar ondas de luz a escala nanométrica (suficientemente pequeñas para detectar proteínas o aminoácidos, por ejemplo) mediante estructuras nanofotónicas que concentran la luz en la superficie de un chip diminuto. Sin embargo, la generación y detección de luz para estos biosensores nanofotónicos requiere equipamiento voluminoso y costoso que limita considerablemente su uso en diagnósticos rápidos o en centros de atención inmediata.

Entonces, ¿cómo se crea un biosensor basado en luz sin una fuente de luz externa? La respuesta es: con física cuántica. Aprovechando un fenómeno cuántico llamado efecto túnel inelástico de electrones, el equipo de investigación y desarrollo ha creado un biosensor que solo requiere un flujo constante de electrones (en forma de voltaje eléctrico aplicado) para iluminar y detectar moléculas simultáneamente.

“Si consideramos que un electrón se comporta como una onda, esa onda tiene una baja probabilidad de atravesar una barrera aislante extremadamente delgada mientras emite un fotón de luz. Lo que hemos hecho es crear una nanoestructura que forma parte de esta barrera aislante y, a la vez, aumenta la probabilidad de emisión de luz”, explica Mijaíl Masharin, del Laboratorio de Sistemas Bionanofotónicos de la EPFL.

Detección de una billonésima de gramo

En resumen, la nanoestructura que diseñó el equipo crea las condiciones ideales para que un electrón, al ascender a través de ella, cruce una barrera de óxido de aluminio y llegue a una capa ultrafina de oro. En el proceso, el electrón transfiere parte de su energía a una excitación colectiva llamada plasmón, que emite un fotón. Este diseño garantiza que la intensidad y el espectro de esta luz cambien en respuesta al contacto con biomoléculas, lo que resulta en un método potente para la detección extremadamente sensible, en tiempo real y sin marcadores.

“Las pruebas demostraron que nuestro biosensor autoiluminado puede detectar aminoácidos y polímeros en concentraciones de picogramos (una billonésima parte de un gramo), rivalizando con los sensores más avanzados disponibles actualmente”, afirma Hatice Altug, directora del Laboratorio de Sistemas Bionanofotónicos.

"Este es un paso sólido hacia la integración de dispositivos plasmónicos al eliminar la necesidad de luz externa", destaca el profesor Javier García de Abajo.

Una metasuperficie de doble propósito

La innovación del equipo se basa en una doble funcionalidad: la capa de oro de su nanoestructura es una metasuperficie, lo que significa que presenta propiedades especiales que crean las condiciones para la tunelización cuántica y también controlan la emisión de luz resultante. Este control es posible gracias a la disposición de la metasuperficie en una malla de nanohilos de oro, que actúan como “nanoantenas” que concentran la luz en los volúmenes nanométricos necesarios para detectar biomoléculas de manera eficiente.

“El efecto túnel inelástico de electrones es un proceso de muy baja probabilidad, pero si se produce de manera uniforme sobre un área muy extensa, se pueden recolectar suficientes fotones. Aquí es donde hemos centrado nuestra optimización, y ha resultado ser una nueva estrategia muy prometedora para la biodetección”, afirma Jihye Lee, que ahora es ingeniera en Samsung Electronics.

Ilustración del biosensor autoiluminado. Una metasuperficie de nanohilos de oro impulsa la emisión de luz cuántica y concentra las ondas de luz resultantes para detectar biomoléculas. (Imagen: 2025 Ella Maru Studio / BIOS EPFL. CC BY-SA 4.0)

Además de ser compacta y sensible, la plataforma cuántica del equipo, fabricada en el Centro de MicroNanoTecnología de la EPFL, es adaptable para su uso a escala industrial y compatible con los métodos más comunes de fabricación de sensores. Se requiere menos de un milímetro cuadrado de área activa para la detección, lo que crea una interesante posibilidad para los biosensores portátiles, a diferencia de las configuraciones de sobremesa actuales.

“Nuestro trabajo ofrece un sensor totalmente integrado que combina la generación y la detección de luz en un solo chip. Con posibles aplicaciones que abarcan desde el diagnóstico inmediato hasta la detección de contaminantes ambientales, esta tecnología representa una nueva frontera en los sistemas de detección de alto rendimiento”, resume Ivan Sinev, investigador del Laboratorio de Sistemas Bionanofotónicos.

El equipo expone los detalles técnicos del nuevo sensor en la revista académica Nature Photonics, bajo el título “Plasmonic biosensor enabled by resonant quantum tunneling”. (Fuente: EPFL / ICFO)