エアロゾル状態のウイルスが検知可能な微小質量センサ

豊橋技術科学大学
次世代半導体・センサ科学研究所教授 髙橋 一浩
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新技術の概要
表面を機能化した架橋グラフェンに特異的にウイルスを吸着し、振動の周波数変化によってウイルスの質量を計測することにより、エアロゾル状態のSARS-CoV-2ウイルスが検知が可能なMEMSセンサを開示する。
エアロゾル（5 µm以下）感染

Sタンパクを捕捉
ウイルス受容体
ナノキャビティ

吸着分子の質量を測る「分子の体重計」 1 m𝑓0 − ∆𝑓 =

電気信号

1𝑘
2𝜋 𝑚0 + ∆𝑚

Δm:ウイルス質量2想定される用途• 本技術の特徴は空気中のウイルスを１個単位で検出できる感度をもつことから、例えば以下のような用途に適用可能と考えられる。
➢ IoTウイルスセンサを航空機の座席に設置、入国前の水際対策➢ 建物のゲートに設置し、入館前の呼気検査➢ スマートフォンに実装し、ウイルスハザードマップ作成➢ PCR陽性の無症状者が感染のリスクがあるかを判断• 上記以外に、ガス成分、におい成分などの検出が期待される。
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従来技術とその問題点
ウイルスを検出する装置として既に実用化されているものには、PCR法やイムノクロマト法（抗原検査）等があるが、リアルタイム性溶液中の反応系等の問題があり、空気中のウイルスを検出するまでには至っていない。

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新技術の特徴・従来技術との比較• 従来技術では困難であった、空気中のウイルスを検出することに成功した。
• 従来のMEMSセンサでは感度が不十分であったが、単一ウイルスの検出が可能なまで性能が向上できたため、空気中のウイルスの検出が可能となった。
• 本技術の適用により、感染後の診断ではなく、感染前にウイルスを可視化することが可能になる。
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コロナウイルスパンデミックの社会的影響NHK
https://www.adeccogroup.jp/power-of-work/154

PCR検査：ウイルス内部のRNAを採取し、信号増幅して判定 罹患したかの診断のみ
RNA

外殻
スパイクタンパク①検体採取②RNA精製➢作業者の感染リスク➢工程数、検査時間➢コスト➢専用施設で使用➢溶液プロセス

PCR③RNA増幅、④信号取得＊世の中の検査新技術は、③の時間短縮のみ

新技術の特徴・従来技術との比較

反応系

ELISA

ISFET

SPR

QCM
Si-MEMSLab Chip 12, 4986 (2012)

Nano Lett. 9, 3318 (2009)

Lab Chip 19, 2678 (2019)

ACS Nano 14, 5135 (2020)

Nat. Commun. 12, 6483
(2021)

Chemosensors. 5, 7(2017)

溶液

溶液

溶液, 空気中溶液, 空気中

Graphene
NEMS

溶液, 空気中

多項目測定

本質的に1種類 小型・アレイ化可 小型・アレイ化可 小型・アレイ化可 小型・アレイ化可
能
能
能
能

検出下限

60 ag/mL
102 copies/mL

2.4x102
copies/mL

1 nM

0.5 ag-1 pg/Hz

Single virus<1 zg/Hz

計測対象

蛍光電荷誘電率質量質量その他

大型装置
濃縮工程有

携帯・小型装置
デバイ長の制約

携帯・小型装置

携帯・小型装置

携帯・小型装置

Si-MEMSの500倍の超高感度質量計測
10-910-12
Virus 100 ag

10-1510-18
PSA 33 zg

Mass sensitivity (g/Hz)

Molecular mass (g)10-910-21

質量増加時の周
波数変化量

f
1 m
−
f
2 m

10-1210-151
質量感度 𝑆𝑚 =2𝜌𝑡

10-1810-21

振動膜質量

500倍

K.K.Park, et al., Sens. & Actuators B 160,
1120 (2011)

1 zg/Hzを実現

CO2

10-24

10-2436 yg

graphene-NEMS

Si-MEMS

QCM

Φ 3.88 µm

Si bridge 0.5 ag/HzI.B. Beak, et al., Sci. Rep. 7,46660 (2017)

表面修飾難電流計測・光計測

表面修飾容易
電流計測・光計測

表面修飾容易
電流計測

架橋グラフェン上での特異的分子検出
従来技術

提案技術 （減圧ドライ転写法）

ペンタセンの質量計測

Graphene

PDMS

PDMS
（ハンドル層）PMMA（支持膜）

SiO2Si

加熱

C.Chen, et al., Nat. Nanotech.
4, 861(2009)

K. Takahashi, et al., APL 112, 041901 (2018)

CO2検出

CO2の物理吸着

M. Muruganathan, et al., Nano Lett. 15,8176 (2015)

キャビティ封止型
架橋グラフェン

抗原抗体反応時の形状変化

1 m

J. Sun, et al., Sci. Adv. 2, e1501518, (2016)

架橋グラフェン上での分子の選択的検出を初めて実現
S. Kidane, et al., Nanoscale Adv. 2, 1431 (2020)

架橋グラフェン上の特異界面形成
架橋剤を介して架橋グラフェン上にウイルスを特異的に吸着する
DNAアプタマーを修飾
PBSE(2.6 µM)

1.架橋剤修飾DNA Aptamer(51-mer, 5 µM)

SARS-CoV-2(105 copies)

2. DNAアプタマー

Spikeprotein

3. SARS-CoV-2処理

5‘-CAGCACCGACCTTGTGCTTTGGGAGTGCTGGTCCAAGGG
CGTTAATGGACA-3‘,
Kd = 5.8 nM
Anal. Chem., 92, 9895 (2020)

非特異吸着抑制のためにはポリエチレングリコールなどの非特異吸着抑制分子も使用する

エアロゾル状不活化SARS-CoV-2の検出
空気中のウイルス検出を実現• 超音波式• 噴霧粒子径：約3.5 µm• 噴霧能力：0.15-0.75 mL/min• 液量：3 mL• ウイスル量：105 copies

Amplitude [dBm]

DNAアプタマー-20-30 不活化SARS-CoV-2の吸着によるセンサ応答（共振周波数変化）を取得-40-50

SARS-CoV-2-60-70-80

架橋剤＋アプタマー（aerosol）
7.8

7.9

8.0

8.4

8.5

8.6 10.8

Frequency [MHz]10.911.0

SARS-CoV-2暴露後の架橋グラフェン表面
SARS（液中処理）
アプタマー修飾後（SARS処理前）

SARS（エアロゾル処理）➢ ウイルス処理後のグラフェン表面に100-200nm程度（ウイルスと同程度）の粒形を確認➢ ウェット処理、ウイルス処理後のグラフェンの架橋維持を確認➢ 500～600 kHzの周波数低下はウイルス数個の変化

実用化に向けた課題• 架橋グラフェンの製造歩留まり• レセプターの修飾技術の向上• 粘性環境で使用するための共振Q値の向上• グラフェンの共振周波数検出精度の向上

13企業への期待• センサチップの信号を出力・表示する計測器を共同開発する企業との共同研究を希望。
• 使い捨てチップを量産化する技術を持った半導体デバイスメーカーとの共同研究を希望• 新規DNAアプタマーを開発可能な企業

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本技術に関する知的財産権• 発明の名称：検出対象物質の状態検出センサならびにこれを使用する測定装置およびセンシングデバイス• 出願番号 ：特願2024-21455• 出願人：豊橋技術科学大学、東洋大学、産業技術総合研究所• 発明者：高橋一浩、ファンウィットクオア、合田達郎、秋田一平

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発明の名称：ウイルスの質量検出センサおよび測定装置
出願番号 ：特願2022-008329
出願人：豊橋技術科学大学、東洋大学
発明者：高橋一浩、合田達郎

お問合せ先：研究推進アドミニストレーションセンター
Phone: 0532 - 44 - 6975
FAX: 0532 - 44 - 6980
E-mail: tut-sangaku@rac.tut.ac.jp 担当: 白川正知
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産学連携の経歴• 2011年-2013年 国内電子部品メーカと共同研究実施• 2017年-2020年 国内メーカと共同研究実施• 2020年-2022年 国内メーカと共同研究実施• 2015年-2018年 JST さきがけ 実施• 2017年-2022年 NEDO 未踏チャレンジ 実施• 2022年防衛装備庁安全保障技術研究推進制度
タイプS 採択• 2022年文部科学省 次世代X-nics半導体創生
拠点形成事業に参加

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