独立行政机构产业技术综合研究所[会长：中钵良二]（以下简称“AIST”）集成微系统研究中心[研究中心主任前田龙太郎]生命界面研究组研究组组长龟井敏博、AIST特别研究员住友惠子等人是表面发射微型器件LED激发光源，并且非晶硅・光电二极管到光学干涉滤光片的荧光检测传感器组成。来自表面发射微型 LED 的光非球面微透镜，我们成功地将光聚焦在微通道的宽度内，并实现了对微通道的低散射光照射。此外，微珠微流控生物芯片在免疫测定（免疫测定）是可能的。
这项技术需要在患者附近进行快速诊断，例如传染病的早期发现、家庭或床边的健康监测以及个性化医疗即时护理(POC) 诊断
详情将于 2014 年 3 月 17 日至 20 日在青山学院大学相模原校区（神奈川县相模原市）举行的第 61 届日本应用物理学会春季学术会议上公布。
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| 开发的超小型LED激发荧光检测装置的外观（外部尺寸40 x 40 x 20毫米） |
近年来，POC诊断由于现场诊断的便捷性和简单性而受到关注，特别是用于糖尿病患者的血糖传感器取得了巨大的商业成功，整个POC诊断市场正在快速增长。 POC诊断有助于疾病预防、健康促进，提高患者的生活质量（生活质量)的同时降低医疗费用，预计未来会进一步发展。 POC诊断包括医务人员进行的简单诊断和患者自己在家中进行的健康监测等自我诊断，但这两种情况都需要便携、快速和方便。
微流控生物芯片技术可以操纵微量流体，可以用少量样本进行高速诊断，具有实现POC诊断的理想特性。此外，基于使用微流控生物芯片分析基因、蛋白质和胆固醇等生物分子的疾病诊断系统的开发已经在全球范围内进行，这使得从微量血液和其他样本中快速、轻松地诊断疾病状态成为可能。然而，由于它是从微量样品中进行分析，因此具有很高的灵敏度。共焦激光激发荧光显微镜尽管微流控生物芯片很小，但作为分析设备，它们仍然很大。在AIST，我们将这种大型分析设备带到了POC诊断和可穿戴健康监测设备的“领域”，因此它是生物分析的核心方法，可用于继承针对各种物质和应用的大量分析方法和程序。荧光检测分析我们一直致力于设备的集成化和小型化。
到目前为止，我们已经开发出利用半导体微加工技术在非晶硅光电二极管上集成光学干涉滤光片的荧光检测传感器（图1），并且在使用外部激发光源的实验中，通过与PCR结合，我们已经达到了可以在单分子水平上检测DNA的检测极限。非晶硅可以在生物分析中使用的实用染料的几乎所有荧光波段内将光高效地转换为电流，并且噪声低，因此无需冷却即可高灵敏度地检测荧光。然而，为了实现真正集成的荧光检测装置，需要集成并实现激发光源，而这次我们使用廉价的表面发射micro-LED开发了一种超紧凑的荧光检测装置。
这项研究与开发是研究项目“微系统融合研究与开发（核心研究员：东北大学江佐正树）”的一部分，该项目由日本学术振兴会资助，根据科学技术政策委员会制定的尖端研究和开发支持计划（2009-2019）而进行。
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| 图1（A）使用集成荧光检测传感器的微流体生物芯片分析系统的横截面图，（B）从传感器单元顶部拍摄的光学显微照片 |
新开发的荧光检测模块的主要特点是激发光源和集成荧光检测传感器与微流控生物芯片同轴放置。这是通过在对可见光透明的玻璃基板上制造荧光检测传感器（如图 1 所示）并在传感器中心形成针孔以引入激发光来实现的。
此次使用的LED作为激发光源，价格约为半导体激光器的1/1000，有利于降低成本，但光的方向性低，难以聚焦。由于集成荧光检测装置不具备传统方法（共焦激光激发荧光显微镜）中使用的基于针孔的散射光屏蔽功能，因此将激发光聚焦在微流控生物芯片内的微通道宽度内并抑制来自微通道侧壁的散射就显得尤为重要。散射光成为荧光检测元件的背景光电流，检测系统的噪声水平由叠加在该背景光电流上的噪声水平决定。因此，降低检测系统噪声水平的唯一方法是抑制散射光。
在这项研究中，通过缩小 LED 发光表面并使用非球面微透镜来缩小聚焦光斑。我们成功地使用非球面微透镜将尺寸为250 x 300 µm至190 x 230 µm的表面发射micro-LED的光以短焦点（5 mm）聚焦，实现了向微通道的低散射光照射，同时确保了生物分析所需的光量。此外，通过使用小型 LED，可以将光聚焦到 100 µm 以下。
图2显示了新开发的超小型LED激发荧光检测装置的细节（外部尺寸：40 x 40 x 20 mm；参与荧光检测的心脏部分，如LED、荧光收集微透镜和集成荧光检测传感器为15 x 5 x 64 mm）和微通道沿流动方向的横截面结构。表面发射Micro-LED发出的光经过非球面微透镜聚焦，激发光的光学干涉滤光片选择性地仅提取特定波长范围内的光，然后通过集成荧光检测传感器照射到微流控生物芯片内的微通道。微通道中的荧光染料发射的荧光被荧光收集微透镜收集，并且仅荧光成分被光学干涉滤光片选择性地提取并被非晶硅光电二极管检测。使用该荧光检测装置抗体使用与荧光染料结合的蛋白质（荧光标记的蛋白质）进行检测。在微流控生物芯片内的微通道中形成坝结构，并填充并固定其上固定有抗体的聚苯乙烯微珠。
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| 图2 LED激发荧光检测装置结构及微通道沿流动方向的截面结构 |
在这种状态下，引入与固定在珠子上的抗体反应的荧光标记蛋白质，然后流动缓冲溶液，检测荧光随时间的变化（图3）。当荧光标记的蛋白质流动时，与珠子上的抗体的反应随着时间的推移而进行，并且荧光标记的蛋白质被捕获在珠子上，从而增加了荧光强度。然而，当切换到缓冲溶液时，反应停止并且观察到来自固定在珠子上的荧光标记蛋白质的荧光，因此荧光强度饱和。上述结果表明该荧光检测装置可以进行免疫分析，这在临床检测中具有重要意义。
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| 图3 由于与抗体反应导致的荧光强度的时间变化 |
新开发的超小型LED激发荧光检测装置可以说是一个全新的检测平台，让迄今为止仅限于实验室的微流控生物分析技术被带到了POC诊断、可穿戴健康监测设备等“领域”。
未来，我们将利用LED是面发光光源的特点，建立一种采用非常适合批量生产的安装技术来组装LED和微透镜的方法，并致力于实现进一步的小型化和更高的灵敏度。我们还在推进半导体激光器晶圆级封装技术的开发，希望能够快速将其部署到POC诊断中的实际应用。