米乐m6官方网站 (AIST) 电子与光子研究所光学传感组 Makoto Fujimaki（组长：原一聪；所长：中钵良二）、柔性电子研究中心先进表面处理团队野村健一（研究员）和福田信子（高级研究员）（所长：Toshihide） AIST的Kamata）开发了V形截面微流体通道型传感器（V型沟槽生物传感器）。 V-trench生物传感器利用表面等离子体共振场增强荧光（SPRF）来增强附着在生物目标物质上的荧光标签发出的光信号，可以高灵敏度地检测目标生物物质。

通过将微流体通道的横截面形成为V形，流体通道已与体现SPRF功能所需的光学棱镜和表面等离子体共振（SPR）激发层集成。此外，通过将传感器光学系统排列成直线，实现了兼具SPRF的高灵敏度和微流体通道的易操作性的生物传感器系统。可以用小至几μl的微量样品对体内微量生物标志物和病毒进行定量检测，除了能够在临床现场实现更准确的诊断外，预计还可作为日常健康管理的生物传感器系统做出贡献。

本研究的部分成果是在新能源产业技术综合开发机构（NEDO）委托项目下获得的。

详细结果将发表在英国科学杂志《》上自然通讯”，2013 年 12 月 12 日（英国时间）。

V型沟槽生物传感器芯片（左）和基于商业产品的用于V型沟槽生物传感器的荧光检测系统（右）

近年来，人们正在鉴定各种疾病在体内产生的各种生物标志物，从而可以检测癌症的早期发作和与生活方式相关的疾病（例如糖尿病）。此外，现在发现这些生物标志物的检测可用于检测尚未显现的疾病（患病前状态），即人尚未患病但即将患病的状态。 ill此外，如果能够在极早期阶段以高灵敏度快速检测出微量细菌或病毒，那么通过尽早开始初始治疗以及防止传染病传播，可以预期更快地康复。

实现这一目标的关键技术是超高灵敏度生物传感器技术。许多传感器技术已经商业化，但在简化测试下仍然面临灵敏度和定量性能不足的问题。另一方面，高灵敏度检测方法操作复杂，现场快速判断困难。目前，还没有准确诊断病前状态或早期感染的现场技术，并且正在通过各种方法进行研究以实现其实现，以改进传统技术和开发新技术的形式。

AIST 在 2010 财年和 2011 财年开展了一项题为“开发用于生活方式相关疾病早期诊断的多标记测量系统”的内部研究项目（项目负责人：健康研究所所长吉田康和），旨在预防和早期诊断糖尿病等生活方式相关疾病，这些疾病目前占国家医疗保健费用的 30% 或更多。通过整合AIST各个研究单位的技术，AIST开发了一组用于诊断病前状态的生物标记物（多标记物）以及同时快速测量和评估这些多标记物的系统。 V型沟槽生物传感器是本项目构思和开发的传感器技术。此后，产业技术研究院电子光子学研究所不断对该技术进行改进，优化了V型沟槽的形状，并改进了表面改性方法。该研究所已成功利用抗体检测 DNA 和流感病毒。

在 NEDO 委托项目“开发传感器系统以解决社会问题的项目（[4]其他领域研发成果的可行性研究，2013 财年）”下，目前正在与松下公司和神户大学合作，进行一项将该技术应用于开发禽流感监测系统的可行性研究。

传统的 SPRF 检测系统的结构包括一个通道，其中包含粘合在芯片顶部的样品，并且 SPR 激发层固定在光学棱镜上。还需要将激发光的入射角调整到与棱镜的设定角度（图1（a））。这导致可用性差和设备尺寸大，虽然其高灵敏度得到认可，但并未投入实际使用。为了克服这些问题，设计了如图1（b）和（c）所示的V形微流体通道结构。微流通道的底部作为棱镜的光入射面，通道本身具有棱镜功能，通道内表面镀有一层薄金（Au）薄膜，形成SPR激发层。这使得分成三个单元的棱镜、检测芯片和流体通道能够组合成一个装置。 V型沟槽的顶角已设置好，以便当激发光垂直进入传感器芯片底部时，它将激发SPR。这样就无需繁琐的入射角调节，只需将芯片水平放置在从下方投射的激发光上即可获得 SPRF 效果。

图 1：(a) 用于 SPRF 激发的传统光学系统 检测芯片贴在棱镜底部；流体通道粘合在检测芯片表面进行测量。 (b) V 型沟槽生物传感器在构思时结合两个常规旋转和组装棱镜的概念图 (c) 开发的V型沟槽生物传感器芯片的横截面

传感器系统的整体配置如图2所示。在所示情况下使用LED作为光源。使用准直透镜将 LED 发出的光调节为平行光后，使用偏振器将其偏振至 SPR 激发所需的方向。然后，光穿过带通滤光片以接近单色光，并垂直投射到 V 型沟槽生物传感器的底部。激光二极管（LD）也可以用作光源。由于其光线几乎是单色且偏振的，如果使用LD，则不需要偏振器和带通滤光片。 SPR将被激发光激发在V型沟槽内表面上形成的Au薄膜表面上。当荧光染料标记的生物物质被该表面吸附时，会发出强烈的荧光，从而实现对生物物质的高灵敏度检测。聚苯乙烯用作传感器芯片的材料。根据激发光的波长以及每种材料的折射率和厚度计算出顶角的最佳值为49°。图2中安装的长通滤光片仅允许荧光通过，同时防止激发光直接进入CCD相机。

图2：V型沟槽生物传感器系统的总体图

图3显示流感病毒检测结果。对于本例中使用的传感器，在 V 型沟槽内表面上的 06 nm 铬 (Cr) 粘合层顶部形成了 Au 层作为 SPR 激发层。在 Au 层上形成羧基封端（-COOH）自组装单层（SAM）。 A/Udorn/307/1971 病毒，一种 A 型流感病毒，被固定在单层表面上。用乙醇胺封闭后，加入抗Udorn抗体，然后加入荧光染料Alexa-Fluor-700标记的抗体作为二抗。图3(b)表示流感病毒浓度与荧光强度之间的关系。测量时间设定为2分钟。如图所示，检测到 02 HA 单位/ml 的病毒浓度，与噪声水平相比具有显着性。除了检测流感病毒外，还可以检测浓度为 1 nM (M = mol/l) 和 100 fM 的 DNA 生物素-链霉亲和素键。

图3：(a)使用V-trench生物传感器检测流感病毒时芯片表面发生的反应示意图 (b)流感病毒浓度与荧光强度的关系

此时，从V型沟槽生物传感器获得的信号强度为其理论值的1%或更小。这被认为主要是由V型沟槽表面的波状粗糙度造成的。传感器芯片采用金属模具形成，金属模具具有与V沟槽相对应的凸三角形形状。金属模具在抛光后仍残留有间距为数十微米、高度为数百纳米的起伏，这反映在V形沟槽的内表面上。这种波动被认为是SPR没有像理论预测的那样被激发并降低灵敏度的原因。提高金属模具的精度有望将灵敏度提高至少一两个数量级。

作为 NEDO 的委托项目，与松下公司和神户大学合作，利用所开发的技术，制作了用于禽流感病毒监测系统的 V 型沟槽生物传感器系统原型（图 4）。与2010财年和2011财年在AIST内部项目中制作的原型生物传感器系统（长×宽×深：630×320×345毫米）相比，新的原型生物传感器系统的体积已大大缩小至约九分之一，尺寸仅为260×180×160毫米。新原型系统的荧光检测单元采用冷却CCD，但如果可以用光电二极管代替该单元，则可以进一步缩小系统尺寸并减轻系统重量。

图4：V型沟槽生物传感器系统原型于2013年11月在NEDO委托项目下

V-trench生物传感器能够根据检测目标检测100 fM量级的物质，并且在许多生物标志物的检测中取得了令人满意的灵敏度。然而，为了在人类感染之前检测到环境中（例如房间内）中存在的微量病毒，估计需要将灵敏度从目前的水平提高三个数量级。为了满足这些需求的高灵敏度，将改进传感器制造工艺以实现更理想形状的V型沟槽，并将应用将目标物质集中在V型沟槽内的技术。此外，目前液体样品是使用移液管手动注入的。另一个目标是将系统与微流通道液体传输技术相结合，并为其配备小型泵，以建立一个使检测更加容易的系统。我们的目标是在两到三年内将其商业化为实验室级微量物质传感系统，同时目标是在几年内生产出可用于临床场所的系统。