Ausgehend
von letzterem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, ein verbessertes Verfahren anzugeben, das die Erfassung
auch kleinster lokaler Magnetfelder ermöglicht, so dass insbesondere
von magnetischen Beads erzeugte Streufelder erfasst und somit die
Magnet-Beads lokalisiert werden können.
Die
Aufgabe ist erfindungsgemäß durch
ein Verfahren mit der Abfolge der Maßnahme des Patentanspruchs
1 gelöst.
Eine zugehörige
Einrichtung ist zur Durchführung
des Verfahrens im Anspruch 7 angegeben. Weiterbildungen des Verfahrens
und der zugehörigen
Einrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei
der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens ein magnetoresistives
Element umfassend eine hartmagnetische Referenzschicht und eine weichmagnetische
Sensorschicht, deren Magnetisierung gegenüber der Referenzschichtmagnetisierung in
eine parallele oder antiparallele Stellung dazu drehbar ist, verwendet
wird, dessen abgreifbares Ausgangssignal von der Stellung der Sensorschichtmagnetisierung
zur Referenzschichtmagnetisierung abhängig ist, wobei die Magnetisierung
der Sensorschicht durch ein externes Sättigungsfeld in einer Richtung
senkrecht zur Referenzschichtmagnetisierung gesättigt wird, wonach das Magnetfeld
soweit reduziert oder abgeschal tet wird, so dass die Magnetisierung
der Sensorschicht aus der Sättigung
kommend einen kritischen Punkt durchläuft, in welchem die Drehrichtung
der Sensorschichtmagnetisierung über
ein vorhandenes zu messendes lokales Magnetfeld beeinflussbar ist.
Beim
erfindungsgemäßen Verfahren
wird zum einen ein magnetoresistives Sensorelement verwendet, bestehend
aus einer hartmagnetischen Referenzschicht, deren Magnetisierung
in einer ausgezeichneten Richtung feststeht, sowie einer weichmagnetischen
Sensorschicht mit einer über
ein externes Feld drehbaren Magnetisierung. Der Widerstand über diese
Schichtfolge hängt
von der Stellung der beiden Magnetisierungen relativ zueinander
ab. Bei Parallelstellung beider Schichtmagnetisierungen ist der
Widerstand klein, bei antiparalleler Stellung ist er groß. Dementsprechend ändert sich
also abhängig von
der Magnetisierungsstellung der Elementwiderstand, was bedeutet,
dass bei Anlegen einer Spannung an die magnetresistive Struktur
abhängig
ein den jeweiligen Zustand eindeutig definierendes Signal abgegriffen
werden kann.
Vorteilhafterweise
wird bei der Erfindung der Vorgang der Felderzeugung zum Magnetisieren
des magnetresistiven Elements von dem der eigentlichen Streufelddetektion
entkoppelt. Erfindungsgemäß wird durch
Anlegen eines externen Sättigungsmagnetfelds
die weichmagnetische Sensorschicht gesättigt, und zwar in einer Richtung
senkrecht zur Referenzschichtmagnetisierung. Dies bedeutet, dass
das Sättigungsmagnetfeld
am Ort der Sensorschicht eine Feldkomponente aufweist, welche die
weichmagnetische Schichtmagnetisierung in eine Richtung senkrecht
zur Referenzschichtmagnetisierung dreht. Diese Richtung ist gleichzeitig
so gewählt,
dass sie die schwere Richtung der magnetischen Anisotropie darstellt.
Die Sättigungsmagnetfeldstärke wird
so stark gewählt,
dass die Sensorschicht in jedem Fall in die Sättigung läuft. Anschließend wird
das Sättigungsmagnetfeld
reduziert oder vollständig
abgeschaltet, was dazu führt,
dass die Sensorschichtmagnetisierung aus der Sättigung kommend in einen energetisch
günstigeren
Zustand dreht. Dieser ist aufgrund der magnetischen Anisotropie
die parallele oder antiparallele Stellung zur Referenzschichtmagnetisierung.
Dabei wird ein so genannter kritischer Punkt durchlaufen, bei welchem
der gesättigte
Zustand mit zwei anderen Zuständen,
nämlich
denjenigen mit einer Richtungskomponente in jeweils einer der beiden leichten
Richtungen, also parallel oder antiparallel zur Referenzschichtmagnetisierung,
im thermodynamischen Gleichgewicht steht. Dieser kritische oder instabile
Punkt wird auch als Triple-Punkt bezeichnet.
In
diesem Zustand reicht eine kleinste Feldstärkevariation aus, das entscheidende
Moment für eine
Drehung der Sensorschichtmagnetisierung in die parallele oder in
die antiparallele Stellung zu liefern. Damit hängt auch das resultierende
abgreifbare Sensorsignal entscheidend davon ab, ob eine solche lokale
Feldstärkevariation
gegeben ist oder nicht.
Beim
erfindungsgemäßen Verfahren
wird nun dieses Phänomen
dadurch ausgenutzt, das man ein magnetoresistives Sensorelement,
z. B. eine magnetoresistive TMR-Zelle derart magnetisiert, dass sie
einen kritischen Punkt durchläuft.
Der Magnetisierungszustand und damit der Widerstandswert über das
Sensorelement ist in diesem Punkt kritisch von kleinsten magnetischen
Störungen
beeinflussbar. Wenn diese Störung
durch ein lokales Streufeld beispielsweise eines Magnet-Bead herrührt, ist
folglich der Endzustand, also der resultierende Widerstandswert
und damit das abgreifbare Sensorsignal entscheidend vom Vorhandensein
eines solchen Partikels abhängig.
Ein
Sensor, der entsprechend aufgebaut ist bzw. in der erfindungsgemäßen Verfahrensweise
betrieben wird, ist infolgedessen um ein Vielfaches empfindlicher
als ein flächig
ausgeführter
statischer Sensor.
Als
magnetoresistives Element werden erfindungsgemäß Strukturen verwendet, die
z. B. aufgrund ihrer Formanisotropie lediglich einen Magnetisierungszustand
erlauben, also bevorzugt als Eindomänenelemente in Form kleiner
Ellipsen oder langer schmaler Streifen ausgebildet sind. Der Endzustand, also
die Einstellung der Schichtmagnetisierung in die eine oder andere
Richtung und damit einhergehend der eine oder der andere Widerstandseffekt,
hängt demzufolge
entscheidend mit den Zuständen
bzw. der Feldverteilung am kritischen Punkt zusammen und kann folglich
als Maß für diese
Zustände
oder Feldverteilung herangezogen werden.
Das
Sättigungsmagnetfeld
kann mit beliebigen Frequenzen, die > 1 kHz sein können, angelegt und reduziert
oder abgeschaltet werden, so dass pro Zeiteinheit möglichst
viele Messzyklen durchlaufen werden. Üblicherweise werden mehrere
Messzyklen nacheinander durchlaufen und der sich jeweils hierbei
einstellende Zustand bzw. das sich hier einstellende Sensorsignal
erfasst, wobei sich im Mittel ein quasi-stabiles Sensorsignal abgreifen
lässt,
je nachdem, wie im Mittel die resultierende Endstellung der sich
aus der Sättigung
zurückdrehenden
Sensorschichtmagnetisierung einstellt. Ist jedoch ein Magnet-Bead
gebunden, so ergibt sich aufgrund der vom Magnet-Bead resultierenden Feldkomponente im
kritischen Punkt eine bevorzugte Drehrichtung, so dass sich zwangsläufig im
Mittel das abgegriffene Sensorsignal ändert und eindeutig das Vorhandensein
eines Magnet-Beads detektiert werden kann.
Die
Sensorschicht selbst kann bevorzugt innerhalb eines Messzyklus durch
Veränderung
des Sättigungsmagnetfelds
abwechselnd in beide möglichen
senkrechten Richtungen bezüglich
der Referenzschichtmagnetisierung gesättigt werden, das heißt, das
Sättigungsmagnetfeld
wird so variiert, dass die gesamte Hysteresekurve der weichmagnetischen
Sensorschicht bis in die jeweilige Sättigung durchlaufen wird. Während eines
Zyklus werden also zwei kritische Punkte durchlaufen, nachdem die
Sensorschichtmagnetisierung während
eines Zyklus in der einen wie auch in der entgegengesetzten Richtung
gesättigt
wird.
Erfindungsgemäß ist es
weiterhin vorteilhaft, wenn zur Lagefixierung eines beweglichen,
das zu messende kleinste lokale Magnetfeld erzeugenden Teils, insbesondere
des Magnet-Beads, ein externes Stabilisationsmagnetfeld erzeugt
wird, das senkrecht zur Ebene der Referenzschicht- und Sensorschichtmagnetisierung
steht. Über
dieses Stabilisationsmagnetfeld wird beispielsweise das Magnet-Bead
in eine bevorzugte Stellung bezüglich
des magnetoresistiven Sensorelements gezwungen. Nachdem dieses Stabilisationsmagnetfeld
senkrecht zur Referenz- und Sensorschichtmagnetisierung steht, mithin also
keine Feldkomponente aufweist, die in der Schichtebene liegt und
mithin einen Drehimpuls auf die Sensorschichtmagnetisierung ausüben würde, beeinflusst
das Stabilisationsmagnetfeld das Sensorsignal nicht. Das magnetoresistive
Element ist für
das Stabilisationsmagnetfeld deshalb nicht empfindlich. Gleichwohl
wird über
dieses Stabilisationsmagnetfeld das Magnet-Bead in eine vorbestimmte Lage gezwungen,
in welcher die Streufeldmagnetisierung des Beads mit ihrer Magnetisierungskomponente, die
in der Ebene der Sensorschichtmagnetisierung liegt und mithin für die Drehung
desselben ursächlich ist,
optimal positioniert ist.
Vorteilhaft
ist ferner, wenn zur Magnetfeldmessung wenigstens eine Sensorbrücke umfassend vier
in einer Brückenschaltung
geschaltete magnetoresistive Elemente verwendet wird. Das Vorhandensein
z. B. eines Magnet-Beads kann in diesem Fall durch eine Verstimmung
der Sensorbrücke
erfasst werden.
Als
ein magnetoresistives Element, das entweder als separates Messelement
verwendet wird, oder in einer Brückenschaltung
unter Bildung einer Sensorbrücke
integriert ist, kann beispielsweise AMR-Element (AMR = anisotrop-magneto-resistive), ein
GMR-Element (GMR = giant-magneto-resistive) oder ein TMR-Element (TMR = tunnel-magneto-resistive)
verwendet werden.
Bei
der erfindungsgemäßen Einrichtung
zur Durchführung
des Verfahrens ist wenigstens ein magnetoresistives Element umfassend
eine hartmagnetische Referenzschicht und eine weichmagnetische Sensorschicht,
deren Magnetisierung gegenüber
der Referenzschichtmagnetisierung in eine parallele oder antiparallele
Stellung dazu drehbar ist, und dessen abgreifbares Ausgangssignal
von der Stellung der Sensorschichtmagnetisierung zur Referenzschichtmagnetisierung
abhängig
ist, vorhanden sowie wenigstens eine mit einer Stromversorgung gekoppelte
oder koppelbare und derart benachbart zum magnetoresistiven Element
geführte
Leiterbahn, dass über
sie bei variierender Bestromung ein senkrecht zur Referenzschichtmagnetisierung
stehendes, die Sensorschichtmagnetisierung sättigendes Sättigungsmagnetfeld variierend
erzeugbar ist.
Die
Leiterbahn muss zwingend derart angeordnet sein, dass ein senkrecht
zur Referenzschichtmagnetisierung stehendes Sättigungsmagnetfeld erzeugt
werden kann, das aber auch nur lokal in diesem Bereich wirkt, um
etwaige benachbarte Einrichtungen oder Elemente nicht zu beeinflussen.
Bevorzugt
wird wenigstens eine Sensorbrücke
bestehend aus vier in einer Brückenschaltung geschalteten
Elementen vorgesehen, der eine gemeinsame Leiterbahn zugeordnet
ist, oder der gegebenenfalls mehrere Leiterbahnen zugeordnet sind, die
dann aber gemeinsam und homogen bestromt werden. Die eine oder die
mehreren Leiterbahnen werden bevorzugt unterhalb des oder der magnetoresistiven
Elemente verlaufend angeordnet.
Weiterhin
kann wenigstens eine zur wenigstens einen ersten Leiterbahn senkrecht
verlaufende, mit einer Stromquelle gekoppelte oder koppelbare weitere
Leiterbahn vorgesehen und derart angeordnet sein, dass über sie
bei Bestromung ein Stabilisationsmagnetfeld zur Lagefixierung eines
beweglichen, das zu messende kleinste lokale Magnetfeld erzeugenden
Teils, insbesondere eines Beads, erzeugbar ist, welches Stabilisationsmagnetfeld
senkrecht zur Ebene der Referenz- und Sensorschichtmagnetisierung
steht. Bevorzugt sind zwei parallel verlaufende weitere Leiterbahnen
vorgesehen, zwischen denen das oder die magnetoresistiven Sensorelemente
angeordnet sind, so dass sich zwei homogene, einander ergänzende Stabilisationsmagnetfelder
erzeugen lassen, und sich ein Gesamt-Stabilisationsfeld, das symmetrisch
bezüglich
des oder der magnetoresistiven Elemente ist, erzeugen lässt.
Vorzugsweise
weist die Einrichtung mehrere magnetoresistive Elemente oder Sensorbrücken auf, die
nach Art eines Arrays über
eine Fläche
verteilt angeordnet sind, wobei jedes Element oder jede Sensorbrücke ein
separates Ausgangssignal liefert.
Die
Einrichtung, die bevorzugt als Chip ausgebildet ist oder an einem
Chip vorgesehen ist, stellt also einen flächigen Sensor dar, der aufgrund
der Arrayanordnung der magnetoresistiven Elemente oder der Sensorbrücken lokal
aufgelöst
die Erfassung etwaiger lokal vorhandener und fixierter Magnet-Beads bzw. deren
Streufelder ermöglicht.
Die Ausbildung der Einrichtung als Chip oder die Anordnung derselben
an einem Chip ist aus produktionstechnischer Sicht zweckmäßig, insbesondere
lässt sich
die Einrichtung ohne weiteres mit einem Drittgegenstand, an oder
in dem beispielsweise eine zu untersuchende, Magnet-Beads enthaltende
Flüssigkeit
enthalten ist, koppeln. Einen solchen Drittgegenstand stellt insbesondere
eine Cartridge zur DNA- oder Protein-Analyse dar, welche Cartridge
bevorzugt die Größe einer
Scheckkarte aufweist. Eine solche Cartridge ist beispielsweise in
der nicht vorveröffentlichten deutschen
Patentanmeldung
DE 10 2004
021 822 dem Grunde nach beschrieben, wobei die erfindungsgemäße Einrichtung
cartridge-seitig an einer Stelle angeordnet wird, wo eine Erfassung
lokal fixierter Magnet-Beads, die über die eingangs beschriebenen,
lokal festgelegten DNA-Fängermoleküle lokal
fixiert sein können,
möglich
ist.
Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der im Folgenden beschriebenen Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen
sowie anhand der Zeichnungen in Verbindung mit den Patentansprüchen.
Es
zeigen:
1 eine
Prinzipdarstellung zweier magnetoresistiver Elemente bei Anliegen
eines Sättigungsfelds,
2 eine
Darstellung entsprechend 1 bei ausgeschaltetem Sättigungsfeld,
3 ein
Diagramm zur Darstellung einer typischen Magnetisierungskurve der
weichmagnetischen Schicht eines magnetoresistiven Elements mit Darstellung
der kritischen Punkte,
4 eine
Prinzipdarstellung der Zustände bei
Vorhandensein eines magnetischen Partikels (Magnet-Bead),
5 eine
Prinzipdarstellung einer Sensorbrücke unter Verwendung von vier
magnetoresistiven Elementen in der Sättigung,
6 die
Sensorbrücke
aus 5 bei Vorhandensein eines magnetischen Partikels
(Magnet-Beads) nach Abschalten des Sättigungsfeld,
7 eine
Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Einrichtung, gekoppelt
mit einer Cartridge, enthaltend Magnet-Beads, und
8 eine
Prinzipdarstellung eines Sensorbrückenarrays einer erfindungsgemäßen Einrichtung in
Form eines Chips.
1 zeigt
in Form einer Prinzipdarstellung zwei magnetoresistive Elemente 1,
umfassend jeweils eine Referenzschicht 2 mit einer harten
Referenzschichtmagnetisierung 3, sowie eine weichmagnetische
Sensorschicht 4 mit einer über ein externes Feld relativ
zur Referenzschichtmagnetisierung 3 drehbaren Magnetisierung 5.
Die weiteren üblicherweise
vorgesehenen Schichten sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt.
Die
beiden magnetoresistiven Elemente 1, 2 in 1 bilden
ein typisches Paar aus Spinventilen und sind in dem Zustand gezeigt,
in dem die weichmagnetische Magnetisierung 5 entlang der
schweren Richtung, also senkrecht zur Referenzschichtmagnetisierung 3 gesättigt ist.
Hierzu liegt ein externes Sättigungsmagnetfeld
HSätt an,
das senkrecht zur Referenzschichtmagnetisierung 3 gerichtet
ist und die drehbare weichmagnetische Schichtmagnetisierung 5 in
eine ebenfalls senkrechte Po sition dreht. Der elektrische Widerstand
dieser Struktur, der über
den Schichtstapel gegeben ist, findet sich hier in einem mittleren
Bereich. Der Widerstand wird insgesamt in seiner absoluten Größe über die
Relativstellung der Schichtmagnetisierung 5 bezüglich der
Referenzschichtmagnetisierung 3 bestimmt.
Wird
nun das externe Sättigungsfeld
abgeschaltet, wie in 2 dargestellt ist, wo HSätt =
0 ist, so drehen die Schichtmagnetisierungen 5 zurück in die
leichte Richtung, unterstützt
durch die Formanisotropie KF sowie die uniaxiale
Anisotropie Ku. Die leichte Achse liegt
dann kolinear zur Referenzschichtmagnetisierung.
Es
können
sich zwei gleichberechtigte Endzustände einstellen, nämlich ein
Endzustand, in dem die weichmagnetische Schichtmagnetisierung 5 parallel
zur Referenzschichtmagnetisierung steht. Der Widerstand über diese
Schichtstruktur wäre
niedrig. Der zweite gleichberechtigte Zustand ist bei antiparalleler
Stellung der weichmagnetischen Schichtmagnetisierung zur Referenzschichtmagnetisierung
gegeben, wobei der Elementwiderstand in diesem Fall hoch ist.
Welcher
Zustand während
der Rückdrehung bei
abgeschaltetem Sättigungsfeld
in der Regel eingenommen wird, ist nun von lokalen Feldkomponenten
abhängig.
An lokalen Feldbeiträgen
können
zum einen die zu einer parallelen Ausrichtung führende Neel-Kopplung zwischen
Messschicht und Referenzschicht und zum anderen die zu einer antiparallelen Ausrichtung
führende
Streufeldkopplung zwischen Messschicht und Referenzschicht wirksam
sein. Beide Beiträge
sind jedoch näherungsweise
in beiden Elementen gleich, so dass ihr Beitrag vernachlässigt werden
kann. Treten jedoch andere lokale Feldunterschiede auf, beispielsweise
durch ein magnetisches Bead, so wird deren Effekt in den beiden
Elementen unterschiedlich sein.
Der
Aufbau eines magnetoresistiven Elements, egal ob es sich um ein
AMR-, ein GMR- oder ein TMR-Element handelt, ist vom Stand der Technik bekannt
und bedarf keiner näheren
Erläuterung.
Bei den in allen Figuren gezeigten Elementen handelt es sich lediglich
um Prinzipdarstellungen, die lediglich das grundsätzliche
Funktionsprinzip verdeutlichen sollen.
Die
Vorgänge,
wie sie in den 1 und 2 dargestellt
sind, werden anhand von 3 und der dort gezeigten typischen
Magnetisierungskurve m(H) eines einachsigen Materials entlang der schweren
Richtung nochmals dargestellt. Bei den erfindungsgemäß zu verwendenden
magnetoresistiven Elementen werden bevorzugt Strukturen verwendet, die
lediglich einen einzigen Magnetisierungszustand erlauben, was primär durch
die entsprechende Formgebung und die daraus resultierende Formanisotropie
realisiert werden kann. Dabei handelt es sich um Eindomänelemente
in Form kleiner Ellipsen oder langer Streifen. In 3 ist
auf der Abszisse das externe Sättigungsfeld
HSätt und
auf der Ordinate die Magnetisierung m(H) dargestellt, jeweils bezogen
auf die Magnetisierung der weichmagnetischen Schicht 4 des
Aufbaus gemäß 1.
Ausgehend
von einem Sättigungsfeld
HSätt = 0
wird das externe Sättigungsfeld
angelegt, die Magnetisierung stellt sich also entlang beispielsweise
der ausgezogenen Magnetisierungs- oder Hysteresekurve ein und wird
aus ihrer beispielsweise parallelen Stellung zur Referenzschichtmagnetisierung
herausgedreht. Mit Erreichen der Anisotropiefeld HK geht
die weichmagnetische Schicht 4 in die Sättigung über, das heißt, sie
ist senkrecht zur Referenzschichtmagnetisierung und damit parallel
zum Sättigungsfeld HSätt ausgerichtet.
Eine weitere Erhöhung
der Sättigungsfeldstärke ändert nichts
mehr an der Magnetisierungsausrichtung.
Wird
nun das Sättigungsfeld
abgeschaltet, so durchläuft
die Magnetisierung einen kritischen Punkt bei Erreichen des Anisotropiefelds
HK. Genau in diesem kritischen Punkt bzw.
bei diesem Feld ist der gesättigte
Zustand mit zwei anderen Zuständen, nämlich den
Zuständen
mit jeweils einer Komponente in jeweils einer der beiden leichten
Richtungen parallel bzw. antiparallel zur Referenzschichtmagnetisierung
im thermodynamischen Gleichgewicht, es liegt also ein instabiler
Magnetisierungszustand vor.
Die
einander gleichwertigen Zustände
oder Phasen im kritischen Punkt sind in 3 mit a,
b und c dargestellt. Welcher der Zustände b bzw. c sich nun bei weiterer
Abnahme des Feldes einstellt, ist – wie vorstehend ausgeführt – letztlich
abhängig
von den intrinsischen kopplungsbedingten Phänomenen, nämlich der sog. Neel-Kopplung
und der Streufeldkopplung. Entsprechendes ergibt sich auch dann, wenn
das Sättigungsmagnetfeld
negativ wird, also in entgegengesetzter Richtung angelegt wird,
das heißt,
der Stromfluss über
eine dieses Feld erzeugende Leiterbahn wird umgekehrt. Die weichmagnetische
Schichtmagnetisierung 5 würde, ausgehend von 1,
in die entgegengesetzte Richtung gesättigt. Auch hier ergibt sich
gemäß der Hysterekurve gemäß 3 bei
dem Anisotropiefeld – HK der instabile kritische Punkt mit den drei
im Gleichgewicht stehenden Magnetisierungszuständen. Eine weitere Feldreduzierung
führt dazu,
dass sich auch hier die weichmagnetische Schichtmagnetisierung 5 in
die energetisch bevorzugte parallele oder antiparallele Stellung
bezüglich
der Referenzschichtmagnetisierung 3 zurückdreht.
Die
Instabilität
der Magnetisierungszustände an
einem solchen kritischen oder instabilen Punkt wird nun zur Erfassung
kleinster lokaler Magnetfelder genutzt. 4 zeigt
exemplarisch die beiden Elemente 1 aus den 1 und 2,
oberhalb welcher ein magnetischer Partikel in Form eines Magnet-Beads 6 liegt.
Der Magnet-Bead 6 erzeugt ein Streufeld HS,
das zu erfassen ist. Dazu wird der Magnet-Bead 6 über ein
externes Stabilisationsfeld HStab, das senkrecht
zu den Referenz- und Sensorschichtebenen steht, in einer bestimmten
Position bezüglich
der Elemente 1 fixiert. Das Streufeld HS des
Magnet-Beads 6 weist
ersichtlich in der Ebene der Sensorschicht 4 eine horizontale
Feldkomponente auf, die eine Drehung der Schichtmagnetisierung 5 bewirken
kann.
Wird
nun nach vorangehender Sättigung
das Sättigungsmagnetfeld
HSätt abgeschaltet,
so steht zunächst
die Schichtmagnetisierung 5 jeder weichmagnetischen Sensorschicht 4 orthogonal
zur Referenzschichtmagnetisierung 3. Mit Abklingen des
externen Feldes wird der kritische Punkt K auf der Magnetisierungskurve
gemäß 3 erreicht,
es stellt sich also der kritische bzw. instabile Zustand ein. In
diesem Zustand ist die wenngleich extrem kleine Magnetfeldkomponente
des Streufelds HS des Magnet-Beads 6 ausreichend,
der Schichtmagnetisierung 5 jeder Sensorschicht 4 einen
geringen, jedoch ausreichenden Drehimpuls zu verleihen, so dass
die jeweilige Schichtmagnetisierung in eine bestimmte Stellung bezüglich der
Referenzschichtmagnetisierung zurückdreht. Während beispielsweise ohne vorhandenem
Magnet-Bead 6 die beiden Schichtmagnetisierungen 5 aus
der Sättigung
kommend sich jeweils parallel zur Referenzschichtmagnetisierung
stellen, so ergibt sich entsprechend 4 bei Vorhandensein des
Magnet-Beads 6 aufgrund
seines Streufelds HS ein veränderter,
asymmetrischer Zustand.
In 4 steht
die Schichtmagnetisierung 5 des linken magnetoresistiven
Elements 1 parallel zur Referenzschichtmagnetisierung 3,
während
bedingt durch den Streufeldimpuls bzw. die in-plane-Komponente des
Streufelds HS die Schichtmagnetisierung 5 des
rechten Elements 1 antiparallel zur Referenzschichtmagnetisierung
steht. Die Widerstände
der beiden Elemente 1 sind folglich unterschiedlich, mithin
kann also aus diesem Unterschied eindeutig bestimmt werden, dass
eine die Einstellung der Magnetisierungsverhältnisse ohne Sättigungsfeld
aktiv beeinflussende Feldinhomogenität, also ein Magnet-Bead, am Messort
gegeben ist.
Theoretisch
ist zur Erfassung eines solchen Magnet-Beads bereits ein einziges
magnetoresistives Element, das entsprechend in seinem Magnetisierungsverhalten über das
Sättigungsfeld
variiert wird, ausreichend. Gleichermaßen ist aber auch eine Ausgestaltung
der Sensoreinrichtung in Form einer Brücke möglich. Die 5 und 6 zeigen
eine solche Brücke 7.
Das Vorhandensein eines Magnet-Beads kann durch eine streufeldbedingte
Verstimmung der Sensorbrücke
ausgelesen werden.
In
der Brücke 7 sind
vier magnetoresistive Elemente, die mit R1,
R2, R3 und R4 gekennzeichnet sind, zu einer Brücke verschaltet.
An die Brücke
wird eine Versorgungsspannung V1,2 angelegt,
wobei das an den Abgriffen S1, S2 abgreifbare Ausgangssignal 0 ist, wenn
alle magnetoresistiven Brückenelemente R1–4 identisch
im Widerstand sind, wenn also mithin die jeweilige Stellung der
jeweiligen Sensorschichtmagnetisierung 5 zur jeweiligen
Referenzschichtmagnetisierung 3 gleich ist. Verändern sich
nun die Widerstände
der Elemente R1, R3 jeweils
gegengleich zu denen der Elemente R2, R4, so ergibt sich die maximale Verstimmung
der Brücke 7,
das heißt,
das größtmögliche Signal
S1,2 kann abgegriffen werden.
5 zeigt
den Zustand bei anliegendem Sättigungsfeld
HSätt.
Die Schichtmagnetisierungen 5 aller Elemente R1–4 stehen
senkrecht zu den jeweils parallel ausgerichteten Referenzschichtmagnetisierungen 3 aller
Elemente.
Wird
nun das Sättigungsfeld
HSätt abgeschaltet,
und befindet sich oberhalb der Sensorbrücke bzw. in deren Messbereich
ein Magnet-Bead 6, wie durch die gepunktete Linie in 6 dargestellt
ist, so stellt sich am Ort der jeweiligen Elemente R1–4 eine Bead-Streufeldkomponente
entlang der jeweiligen leichten Achse der weichmagnetischen Schichten 4 aller
Elemente ein. Diese Bead-Streufeldkomponente ist in 6 durch
die Pfeile SK dargestellt und bewirkt im
kritischen Punkt K, dass sich die jeweils mit dieser Streufeldkomponente
beaufschlagte Schichtmagnetisierung 5 in dieser vorgegebenen
Richtung einstellt. Ersichtlich stehen die Schichtmagnetisierungen 5 der
Elemente R1, R3 antiparallel
zur Referenzschichtmagnetisierung 3, während die Schichtmagnetisierung 5 der
Elemente R2, R4 parallel
zur jeweiligen Referenzschichtmagnetisierung 3 stehen. Es
ergibt sich also im Remanenzfall eine Widerstandsänderung über die
gesamte Brücke,
die in einer Änderung
des abgegriffenen Signals S1,2 resultiert.
In 6 wird
die Brücke
also allein aufgrund der in-plane-Komponente des Bead-Streufelds HS am jeweiligen Ort der Brückenelemente
verstimmt. Wäre
kein Magnet-Bead vorhanden, würde
sich eine rein statistische Verteilung ergeben, im Mittel wäre die Brücke im Gleichgewicht.
Geht man idealisiert davon aus, dass die entsprechenden Kopplungseffekte in
allen Brückenelementen
identisch sind, sollten sich im Idealfall mit jedem zyklischen Durchlauf
durch die Hysterekurve gemäß 3 im
Remanenzfall stets dieselben Widerstände einstellen. Eine eindeutige Verstimmung
ergibt sich aber dann, wenn wie beschrieben ein Magnet-Bead im Messbereich
vorhanden ist, da dann das Gleichgewicht der Brücke zwingend gestört wird.
7 zeigt
eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Einrichtung 8,
die als Sensoreinrichtung bevorzugt als Chip ausgebildet ist, der
als separates Bauteil an oder in einer Cartridge 18, die einer
DNA-Analyse dient, verwendet werden kann. Im Rahmen einer solchen
DNA-Analyse können
die beschriebenen Magnet-Beads zum Einsatz kommen und dazu dienen
aufgeschlossene DNA-Stränge,
die nach dem Aufbrechen der Zellen vorliegen, zu binden. Die chipartige
Einrichtung 8 ist hier nur ausschnittsweise dargestellt,
bevorzugt weist sie eine größerflächige Sensorfläche auf.
Es handelt sich hier lediglich um eine Prinzipdarstellung, in der
lediglich die funktionalen Komponenten gezeigt sind, wobei etwaige
isolierende Schichten zwischen Leiterbahnen etc. der Übersichtlichkeit
halber nicht näher
dargestellt sind.
Die
chipartige Einrichtung 8 umfasst einen Träger 9,
auf dem im gezeigten Beispiel eine erste Leiterbahn 10 aufgebracht
ist. Diese Leiterbahn 10 läuft beispielsweise unterhalb
und symmetrisch zu einer Sensorbrücke 7, wie in 5 gestrichelt
dargestellt ist. Oberhalb der Leiterbahn 10, bezüglich dieser
natürlich
elektrisch isoliert, befindet sich die Sensorbrücke 7, wobei hier
nur zwei Elemente 1 dieser Sensorbrücke dargestellt sind. Beispielsweise
handelt es sich hierbei um die Elemente R1 und
R3 aus 5. Benachbart
zu den Ele menten, orthogonal zur Leiterbahn 10 verlaufend
und bezüglich
dieser selbstverständlich
ebenfalls isoliert, sind in 7 zwei weitere
Leiterbahnen 11 dargestellt, wobei es sich hier um eine
Leiterschleife handelt, die um die Sensorbrücke 7 herumgeführt ist.
Diese Leiterbahn dient zum Erzeugen eines Stabilisationsmagnetfelds HStab, das der Ausrichtung eines Magnet-Beads
dient.
Die
chipartige Einrichtung 8 ist im in 7 gezeigten
Beispiel – wie
vorstehend bereits beschrieben – an
einer Cartridge 18 angeordnet, in welcher ein Raum 12 vorgesehen
ist, in dem eine Suspension 13 enthaltend eine Vielzahl
einzelner Magnet-Beads 6 vorhanden ist. Die Einrichtung 8 ist über eine
membranartige Trennwand 14 von diesem Raum 12 getrennt.
An der Innenseite dieser Wand 14 befindet sich eine Halterung 15,
z. B. ein „Gold-Pad", an dem ein DNA-Fängermolekül 16 fixiert
ist, das eine charakteristische Nukleosäureabfolge aufweist. Dies ist durch
die entsprechende Formgebung in 7 angedeutet.
Befindet
sich nun in der Suspension 13 ein Magnet-Bead, an dem eine
DNA-Strang 17 gebunden ist, die die gleiche Nukleosäureabfolge
aufweist, so lagert sich der DNA-Strang 17 am DNA-Fängermolekül 16 an,
wie in 7 dargestellt ist. Das Magnet-Bead 6 ist
hierüber
lokal oberhalb der Sensorbrücke 7 fixiert.
Es erzeugt wie beschrieben ein Streufeld HS,
das auf die weichmagnetischen Schichtmagnetisierungen 5 wirkt.
Zum
Sättigen
der Schichtmagnetisierungen 5 wird nun zunächst über den
Leiter 10 ein Sättigungsstrom
IHSätt geführt, wodurch
das Sättigungsmagnetfeld
HSätt erzeugt
wird, das die Magnetisierungen 5 senkrecht zu den Referenzschichtmagnetisierungen 3 dreht.
Gleichzeitig liegt an der Leiterbahn oder der Leiterschleife 11 ein
Stabilisierungsstrom IStab an, so dass infolgedessen
ein magnetisches Stabilisationsfeld HStab erzeugt
wird, das im Bereich der weichmagnetischen Schichten 4 ausschließlich eine vertikale
Komponente, also eine Feldkompo nente, die vertikal auf der Sensorschichtebene 4 steht,
aufweist.
Das
Stabilisierungsfeld HStab zwingt das Magnet-Bead 6 in
eine bestimmte Stellung bezüglich
der Sensorbrücke 7,
nachdem die Leiterschleife 11 symmetrisch bezüglich der
Sensorbrücke 7 geführt ist und
die Sensorbrücke 7 wiederum
symmetrisch zur Halterung 15 steht. Das Magnet-Bead 6 wird
also in einer definierten Ausrichtung bezüglich der Sensorbrücke 7 gehalten,
so dass das Streufeld HS alle Brückenelemente
symmetrisch beaufschlagt.
Mit
Abschalten des Sättigungsfeld
HSätt stellt sich
wie ausgeführt
der kritische Zustand K ein, in dem die Wirkung der jeweiligen in-plane-Komponente
des Bead-Streufelds HS bezüglich der
Einstellung der Magnetisierungsrichtung der Schichtmagnetisierungen 5 zum
Tragen kommt. Diese stellen sich ersichtlich im Falle des linken
Elements 1 parallel, im Falle des rechten Elements 1 antiparallel
zur jeweiligen Referenzschichtmagnetisierung 3 ein. Hieraus resultiert
die oben beschriebene Widerstandsänderung über die Sensorbrücke 7.
8 zeigt
schließlich
die Einrichtung 8 aus 7 in vergrößerter Darstellung,
wobei hier ebenfalls nur ein Ausschnitt dargestellt ist. Dargestellt
sind exemplarisch sieben Sensoren S1 bis
S9, die nach Art eines Arrays über die
Sensorfläche
verteilt angeordnet sind. Jeder Sensor S1 bis
S9 besteht beispielsweise aus einer Sensorbrücke 7 nebst
den erforderlichen Leiterbahnen 10 bzw. 11, um
das jeweilige Sättigungsfeld
sowie das Stabilisierungsfeld zu erzeugen. Die Leiterbahnen 10, 11 werden
vorteilhafterweise so geführt,
dass sie alle über
einen gemeinsamen Versorgungsanschluss bestromt werden können.
Alternativ
können
selbstverständlich
auch mehrere solche Anschlüsse
vorgesehen sein. Die lokale Anordnung der einzelnen Sensoren S1–S9 richtet sich letztlich nach der Anordnung
der Halterungen 15 nebst Fängermolekülen 16 an der Cartridge 18,
mit der die Einrichtung 8 zu Messzwecken verbunden werden
kann.
In
einem praxisgerechten Chip zur Durchführung einer DNA-Analyse nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren
sind selbstverständlich
wesentlich mehr solcher Sensoren über die Sensorfläche verteilt.