国立产业技术综合研究所［中钵良二会长］（以下简称“AIST”）电子与光子技术研究部[研究部主任森雅彦]光学传感组藤卷诚研究组组长，安浦雅人研究员：污水二次处理水等等夹杂项生物材料无需去除杂质即可高灵敏度检测外力辅助近场照明生物传感器（EFA-NI生物传感器）
新开发的EFA-NI生物传感器适用于检测生物物质磁性粒子和附着在磁铁上的光散射细颗粒近场光创建“移动光点”并执行检测。通过使用传统方法中没有的称为“移动”的辨别方法，可以通过简单的操作从含有许多杂质的样品中检测出极低浓度的生物材料。采用这种方法，将炉渣添加到 200 微升 (μl) 城市污水二级处理水中。病毒样颗粒我们成功地从含有大约 80 个病毒样颗粒的样品中检测到病毒样颗粒（浓度约为 10 fg/ml），这表明即使省略洗涤步骤，检测的灵敏度也比传统方法高几个数量级。 EFA-NI生物传感器可以轻松检测环境中现有技术难以检测的微量病毒，有望为预防病毒感染做出贡献。
该结果详情请参阅学术期刊科学报告12月19日（英国时间）以电子版发布。
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| EFA-NI生物传感器的基本原理图（左）以及与传统方法所需步骤数的比较（右） |
| 左图中的红色渐变表示入射光在传感器芯片表面上的全反射产生的近场光。散射光的微粒（标记物）接收近场光并发射光信号。 |
随着全球物流和交通的扩大以及全球变暖，传染病爆发性传播和大范围食物中毒的风险不断增加。在熟悉的地方，季节性流感病毒和诺如病毒等传染病的蔓延之外，麻疹的死灰复燃以及登革热等新病毒感染的到来也正在成为日本的社会问题。此外，还需要进一步加强针对埃博拉病毒等高死亡率病毒的边境管控措施。另外，禽流感嘴蹄瘟疫也成为一个问题。为了预防病毒感染，需要一种能够在环境中的病毒被感染之前对其进行检测的技术。
用于检测极少数病毒颗粒聚合酶链反应法（PCR法）使用，但只能在洁净的实验室环境中使用。另外，免疫测定不够灵敏，无法检测少量病毒，酶联免疫吸附测定 (ELISA)存在使用环境水等样品时灵敏度不够、污染物干扰检测操作复杂等问题。
微量生物材料检测技术要求同时具有高灵敏度和高选择性。 AIST一直在推动使用新传感技术开发高灵敏度病毒传感器，该技术不同于利用传感器表面（二维）集中并提高检测目标灵敏度的传统传感。我们致力于这项开发，相信通过将检测区域设置在传感器表面附近几微米 (μm) 高度的空间（三维），我们既可以通过利用表面的浓度效应来提高灵敏度，又可以避免由于污染物的影响而导致灵敏度和选择性下降。
这项研究和开发的一部分得到了日本学术振兴会科学研究补助金（A）/使用时间分辨等离激元激发发光成像的诺如病毒检测系统研究（JP26246008）的支持。
EFA-NI生物传感器是一种生物传感器，它使用仅照亮距传感器几微米高度的空间的近场光和外部磁场来将目标检测为“移动光点”。在EFA-NI生物传感器中，针对待检测生物材料的抗体附着在磁性微粒和光信号微粒上，并且两者都附着在生物材料上。外部磁体可以选择性地移动附着有磁性颗粒的生物材料。当聚苯乙烯珠用作光信号的细颗粒时，它们会散射近场光，因此散射光被用作光信号。磁性颗粒的尺寸足够小，单独使用时不会散射近场光。另一方面，单独的聚苯乙烯珠不会因磁力而移动。因此，只有同时附着磁性微粒和聚苯乙烯珠的生物材料才会在近场光和外部磁铁的作用下变成“移动的光点”。在传统方法中，生物材料被捕获在传感器表面并固定不动，但EFA-NI生物传感器的最大特点是它用磁性颗粒捕获生物材料并移动它们。 （图1）
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| 图1如何使用传统方法捕获检测目标（左）和如何使用EFA-NI生物传感器捕获检测目标（右） |
这次，为了更清晰地观察到“移动的光点”，我们做了两点努力。一是强度可以提升100倍以上波导模式此方法使用采用激发机制的近场光。由于光强度被放大，因此可以观察到强散射光，并且可以将来自细颗粒的光信号的运动观察为运动图像。此外，通过波导模式激发机制增强的近场光可以到达距表面约1μm处，其强度大于入射光的强度，使得即使是稍微漂浮在表面上方的聚苯乙烯珠也可以观察到散射光。常用的近场光只能达到100纳米(nm)左右的距离。还有一点是，磁铁不仅放置在传感器芯片旁边，还放置在背面（底部）。下部磁体允许附着有磁性微粒和聚苯乙烯珠的生物材料被吸引到传感器表面并进入近场光范围，在那里它们可以被照亮。图2是用EFA-NI生物传感器观察到的图像示意图。附着有磁性颗粒和聚苯乙烯珠的检测目标通过外部磁铁移动，污垢、划痕和吸附在传感器表面的单个聚苯乙烯珠不会被磁铁移动，因此可以轻松区分。
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| 图2 EFA-NI生物传感器生物材料检测方法示意图 |
| 施加磁场之前（a）和之后（b）的观察图像示例。图中，PB为聚苯乙烯珠，MB为磁性微粒。通过施加磁场，由附着有PB和MB的检测目标产生的光点移动。 |
使用EFA-NI生物传感器对样品（浓度约10fg/ml）进行检测测试，其中将约40个诺如病毒病毒样颗粒添加到100μl样品中（图3）。将含有抗体包被的磁性颗粒和聚苯乙烯珠的溶液与样品混合，放入传感器中，施加磁场来拍摄图像。由单个聚苯乙烯珠子或表面上的划痕或污垢引起的噪音不会移动，但附着有磁性颗粒和聚苯乙烯珠子的病毒样颗粒被观察为“移动的光点”。
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| 图3诺如病毒类病毒颗粒的检测（磁场移动的光点轨迹以红色显示） |
| 虽然可以一次性观察到传感器上大约 25 x 20 毫米的区域，但该视野的一部分会被放大并显示。 |
此外，在200μl二级处理城市污水中混合的约80个病毒样颗粒样本中可检测到病毒样颗粒（浓度约10fg/ml）。污水二级处理含有许多杂质，这些杂质粘附在传感器表面并散射近场光，导致观察到许多噪声信号。然而，由于它们不随磁铁移动，因此可以清楚地识别附着有磁性微粒和聚苯乙烯珠的病毒样颗粒。此次检测到的诺如病毒样颗粒浓度比常规免疫层析法（约1ng/ml）或酶联免疫吸附法（约10pg/ml）可检测的浓度低3~5个数量级。此外，无需清洗即可检测受污染的病毒样颗粒，这表明EFA-NI生物传感器兼具高灵敏度和高便利性。
目前，我们正在制作EFA-NI生物传感器原型，计划在2017年春季左右推出一款可以单手携带的设备。目标是将灵敏度提高一个数量级，以检测样本中含有的少量病毒，从而预防高传染性病毒。我们还将致力于通过量化来提高绩效。目的是将其作为一种传感器系统投入实际应用，可以检测广泛领域的微量物质，包括血液中的生物标志物和环境中的污染物。