EPFL、初の自己発光バイオセンサを構築

July, 29, 2025, Lausanne--EPFLのエンジニアは量子物理学を利用して、外部光源を必要とせずに生体分子の存在を検出し、医療および環境モニタリング環境における光学バイオセンサの使用に対する大きな障害を克服した。

光バイオセンサは、分子を検出するためのプローブとして光波を使用し、正確な医療診断、個別化医療、環境モニタリングに不可欠である。小さなチップの表面で光を「絞り出す」ナノフォトニック構造を使用して、光波をナノメートルスケール(たとえば、タンパク質やアミノ酸を検出できるほど小さい)まで集束させることができれば、その性能は劇的に向上する。しかし、これらのナノフォトニックバイオセンサの光の生成と検出には、かさばる高価な機器が必要であり、迅速な診断やポイントオブケアの設定での使用が大幅に制限される。

すると、外部光源なしで光ベースのバイオセンサを作るにはどうすればよいか?答えは、量子物理学である。EPFL工学部のバイオナノフォトニックシステム研究所の研究チームは、非弾性電子トンネリングと呼ばれる量子現象を利用して、分子を照射し、同時に検出するために、印加電圧の形で電子の安定した流れのみを必要とするバイオセンサを作成した。

「電子を粒子ではなく波と考えると、その波は光子を放出しながら、非常に薄い絶縁障壁の反対側に「トンネリング」する確率が低い。われわれが行ったことは、この絶縁バリアの一部を形成し、発光が起こる可能性を高めるナノ構造を作成することである」と、バイオナノフォトニックシステム研究所の研究者Mikhail Masharinは説明している。

1兆分の1グラムの検出
要するに、チームのナノ構造の設計は、電子が酸化アルミニウムの障壁を通過して極薄の金の層に到達するためのちょうど良い条件を作り出す。その過程で、電子はそのエネルギーの一部をプラズモンと呼ばれる集団励起に伝達し、プラズモンは光子を放出す。その設計により、生体分子との接触に応じてこの光の強度とスペクトルが変化し、その結果、非常に高感度でリアルタイムのラベルフリー検出のための強力な方法が実現する。

「テストの結果、われわれの自己発光バイオセンサは、現在入手可能な最先端のセンサに匹敵するピコグラム濃度(1兆分の1グラム)でアミノ酸とポリマを検出できることが示された」と、バイオナノフォトニックシステム研究所の責任者であるHatice Altugはコメントしている。

この研究は、ETH-Zurich、ICFO(スペイン)、延世大学(韓国)の研究者と共同でNature Photonicsに掲載された。

デュアルパーパスメタサーフェス
チームのイノベーションの中心にあるのは、ナノ構造の金層がメタサーフェスであり、量子トンネリングの条件を作り出し、結果として生じる発光を制御する特別な特性を示すという二重の機能である。この制御は、メタサーフェスが金ナノワイヤのメッシュに配置されていることで可能になり、生体分子を効率的に検出するために必要なナノメートルの体積で光を集中させる「ナノアンテナ」として機能する。

ポイントオブケア診断から環境汚染物質の検出まで、幅広いアプリケーションが期待できるこの技術は、高性能センシングシステムの新たなフロンティアを表している(Bionanophotonic Systems Lab researcher Ivan Sinev)。

「非弾性電子トンネルは非常に低い確率のプロセスだが、非常に広い領域で一様に発生する低確率のプロセスがある場合でも、十分な光子を収集できる。これがわれわれが最適化に注力した分野であり、バイオセンシングのための非常に有望な新しい戦略であることがわかった」と、元Bionanophotonic Systems Labの研究者で筆頭著者であり、現在はSamsung ElectronicsのエンジニアであるJihye Leeは話している。

EPFLのマイクロナノテクノロジーセンタで製造されたチームの量子プラットフォームは、コンパクトで高感度であることに加えて、スケーラブルでセンサ製造方法と互換性がある。センシングに必要なアクティブエリアは1平方ミリメートル未満であり、現在の卓上セットアップとは対照的に、ハンドヘルドバイオセンサのエキサイティングな可能性を生み出す。

「われわれの研究は、光の生成と検出を1つのチップに組み合わせた完全に統合されたセンサである。ポイントオブケア(POC)診断から環境汚染物質の検出まで、様々なアプリケーションが考えられるこの技術は、高性能センシングシステムの新たなフロンティアを表している」とバイオナノフォトニックシステムラボの研究者、Ivan Sinevは要約している。