独立行政机构国立产业技术综合研究所[理事长中钵良二]（以下简称“AIST”）电子与光子技术研究部[研究部主任原市聪]光学传感组研究组主任藤卷诚和柔性电子研究中心[研究中心主任 Toshihide Kamata] 先进功能表面处理团队研究员 Kenichi Nomura 和首席研究员 Nobuko Fukuda 检测附着在待检测生物材料上的荧光标记的发光信号表面等离子共振激发荧光增强(SPRF)功能，可以高灵敏度地检测目标生物材料。
这次，通过将微通道的横截面制成V形，我们创建了表达SPRF功能所需的光学棱镜表面等离子共振(SPR)激发层与流道一体构建。此外，通过将传感器的光学系统布置在一条直线上，我们实现了一种生物传感器系统，该系统结合了SPRF的高灵敏度和微通道的易于操作性。体内极少量疾病衍生物质（生物标志物）的定量检测可以使用几微升的极小样本来检测病毒，并且有望作为一种生物传感器系统，有助于日常健康管理以及临床环境中更准确的诊断。
这项研究的一部分是通过独立行政机构新能源和产业技术综合开发机构（NEDO）委托的项目获得的。
该成果发表在2013年12月12日出版的英国科学杂志上（英国时间）自然通讯
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| V型槽生物传感器芯片（左）和基于市售设备原型的V型槽生物传感器荧光检测装置（右） |
近年来，由于各种疾病而在体内出现的生物标志物已被识别，使得早期检测与生活方式相关的疾病（例如糖尿病和癌症）成为可能。此外，还发现，通过检测这些生物标志物，可以检测尚未患病但正在患病的状态，即症状前状态，并且作为可以预防人们患病的技术而受到关注。就传染病而言，如果能够在感染初期快速、灵敏地检测出极少量的细菌和病毒，我们就可以通过加快最初的治疗反应来期待早日康复，这也将有助于防止感染的蔓延。
实现这些的关键技术是超灵敏生物传感器技术。许多传感器技术已经投入实际应用，但问题是简单的测试无法提供足够的灵敏度或定量性能。另一方面，高灵敏度的检测方法操作复杂，难以在现场快速判定。目前，还没有能够在现场准确诊断症状前状况或感染早期阶段的技术，目前正在使用多种方法进行研究，包括改进传统技术和开发新技术。
AIST从2010年度到2011年度实施了内部项目“开发用于生活方式相关疾病早期诊断的多标记测量系统（项目负责人：健康工学研究部部长吉田浩一）”，目标是将国家医疗费用减少30%。为了预防和早期诊断糖尿病等生活方式相关疾病（占患者总数的 50% 以上），我们整合了 AIST 内各个研究单位的技术，开发了一组用于诊断症状前疾病的生物标记物（多标记物），以及可以同时快速测量和评估这些多标记物的系统。 V型槽生物传感器是该项目中发明和开发的传感器技术。之后，电子光子学研究部继续改进这项技术，优化V型槽形状并改进表面修饰方法，改进DNA检测。抗体成功检测到流感病毒。
目前，作为NEDO委托项目“针对社会问题的传感器系统开发项目（[4]包括研究和开发成果在内的其他领域的领先研究，2013年度）”的一部分，我们正在与松下电器产业株式会社和国立大学法人神户大学合作，进行利用该技术开发禽流感病毒监测系统的领先研究（可行性研究）。
传统的SPRF检测系统具有这样的结构：将带有SPR激发层的芯片紧密地附着在光学棱镜上，并且将用于保持样品的通道粘合到该芯片上。此外，在进入棱镜之前需要将激发光调整到预定角度（图1（a））。这使得其难以使用并且增加了装置的尺寸，因此尽管已知其具有高灵敏度，但尚未投入实际使用。因此，如图1（b）和（c）所示，我们设计了一种结构，其中通道本身具有棱镜功能，使用带有V形凹槽的微通道，其底面作为光进入的棱镜面，通道内表面有一层薄金（Au）薄膜作为SPR激发层。这使得以前被分为三部分的结构成为可能：棱镜、检测芯片和流路。另外，V型槽的顶角经过设定，使得激发光垂直入射到传感器芯片底部时就会激发SPR，因此不需要对入射角度进行复杂的调整，只需将芯片与从下方照射的激发光水平放置即可获得SPRF效果。
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图 1 (a) 用于 SPRF 激发的传统光学系统
通过将检测芯片与棱镜底部紧密接触并将流路连接到检测芯片的表面来进行测量。
(b) V 型槽生物传感器的概念图，该传感器通过旋转将两个传统棱镜部件结合在一起
(c)新开发的V型槽生物传感器芯片的横截面图
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图2显示了传感器系统的整体配置。注意，这里示出了使用LED作为光源的情况。用准直透镜准直 LED 发出的光后，偏光镜使光沿 SPR 激发所需的方向偏振。此外，带通滤波器使光接近单色后，垂直照射V型槽生物传感器的底部。注意，激光二极管(LD)也可以用作光源。来自 LD 的光几乎是单色且偏振的，因此不需要偏振器或带通滤光片。 SPR被V型槽内表面形成的Au薄膜表面的激发光激发，当标记有荧光染料的生物材料吸附到该表面时，会发出强烈的荧光，从而可以高灵敏度地检测生物材料。聚苯乙烯用作传感器芯片的材料。根据激发光波长、折射率和各种材料的厚度计算出V形槽顶角的最佳值为49°。另外，图2中的长通滤波器安装时仅允许荧光通过，并防止激发光直接进入CCD相机。
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| 图2 整个V型槽生物传感器系统的配置图 |
图3为流感病毒检测结果。这里使用的传感器V型槽的内表面有厚度为06 nm的铬（Cr）层作为粘合层，以及Au层作为SPR激发层。羧基 (-COOH) 连接在 Au 层的顶部。自组装单层 (自组装单层(SAM))A/乌冬/307/1972 病毒已被固定。与乙醇胺阻止反乌多恩添加抗体，然后添加荧光染料作为二抗Alexa-Fluor-700标记的抗体。图3(b)显示了流感病毒浓度与荧光强度之间的关系。测量时间为2分钟。 02HA 单位/mL的病毒可以显着地检测到噪声水平。除了流感病毒检测外，1 nM（M为摩尔/升）、生物素-链霉亲和素结合可以在 100 fM 的浓度下被检测到。
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| 图3(a)用V型槽生物传感器检测流感病毒时芯片表面的反应示意图和(b)流感病毒浓度与观察到的荧光强度之间的关系 |
目前，V型槽生物传感器获得的信号强度仍低于理论值的1%。我们认为这主要是由于V槽内表面的平缓凹凸造成的。传感器芯片采用模压制造，模具具有与V型槽相对应的三角凸形状。这次使用的模具在抛光过程中残留有间距为数十微米、高度为数百纳米的“起伏”，这些起伏反映在V形槽的内表面上。人们认为，由于这种波动，SPR 没有像理论上预期的那样被激发，导致灵敏度较低。通过提高模具的精度，预计灵敏度将提高一到两个数量级或更多。
作为 NEDO 委托项目，我们与松下公司和国立大学法人神户大学合作，利用新开发的技术，制作了用于禽流感病毒监测系统的 V 型槽生物传感器系统原型（图 4）。与2010年至2010年AIST内部项目中进行的原型机（长x宽x深，630 x 320 x 345毫米）相比，该原型机明显较小，为260 x 180 x 160毫米，体积约为九分之一。该原型机的荧光检测部分使用冷却CCD，但如果可以用光电二极管代替该部分，则可以实现进一步减小尺寸和重量。
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| 图 4 V 形槽生物传感器系统原型于 2013 年 11 月作为 NEDO 委托项目的一部分 |
V型槽生物传感器已经能够根据检测目标进行100fM量级的检测，并且已经实现了检测许多生物标志物的足够灵敏度，但估计为了检测感染人类之前环境（例如室内）中存在的微量病毒，需要将灵敏度比现有水平提高约三个数量级。未来，我们将改进传感器芯片制造工艺，实现更接近理想形状的V型槽形状，并添加将目标物质浓缩在V型槽中的技术，旨在实现更高的灵敏度来满足这些需求。此外，虽然目前使用移液器手动注入液体样品，但我们希望将微通道液体输送技术与小型泵相结合，以创建一个更容易检测的系统。目标是在两到三年内将其作为实验室级微量物质传感器系统商业化。在接下来的几年里，我们希望开发出一种可用于临床环境的系统。