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Die
Erfindung bezieht sich Verfahren zur Charakterisierung eines lokalen
Magnetfeldes, insbesondere eines von einem magnetisierbaren oder magnetischen
Partikel hervorgerufenen Streufeldes. Daneben bezieht sich die Erfindung
auch auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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In
der biologischen Analysetechnik, der medizinischen Technik und anderen
vergleichbaren Gebieten werden in zunehmendem Maße magnetische oder magnetisierbare
Mikropartikel mit Größen von weniger
als 2 μm
eingesetzt, beispielsweise als Marker bzw. Labels für Biomoleküle. Dabei
stellt sich das Problem der Detektion derartiger Partikel mit Hilfe von
Magnetfeldsensoren. Dazu wird üblicherweise ein
externes Magnetfeld appliziert, auf das die Partikel mit einem magnetischen
Streufeld reagieren, das es zu detektieren gilt.
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Bei
Biochips ist es bekannt, magnetisierbare Partikel, die auch als
Magnet-Beads oder kurz Beads bezeichnet werden, mit Hilfe eines
im Bereich einer Analysefläche
des Biochips angeordneten, aus mehreren XMR-Sensoren gebildeten
Sensorarrays zu detektieren. Aufgrund der Größe der einzelnen Sensoren und
deren Verschaltung untereinander ist es bisher nicht möglich, Aussagen über die
Position eines Partikels relativ zu einem Sensor und die genaue Anzahl
von in einem bestimmten Areal vorhandener Partikel zu treffen und
damit beispielsweise auf die Anzahl von damit markierten Molekülen zu schließen.
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Aus
der Veröffentlichung
Biosensor & Bioelectronics
14 (2000), P. 805 bis 813 ist ein komplexes System zum Nachweis
bestimmter biologischer Strukturen bekannt. Dabei wird eine Matrix
mit n GMR-Sensoren verwendet, mit der die Anwesenheit biologisch
aktivierter magnetisierbarer Partikel nachgewiesen werden soll.
Die Matrix besteht aus 8 Arrays mit je 8 GMR-Sensoren. Die Einzelsensoren sind 5 μm breit und
80 μm lang.
Der Abstand zwischen den Sensoren beträgt ca. 20 μm (Rastermaß). Die verwendeten Partikel
haben einen Durchmesser von 0,7 μm.
Mit dieser Geometrie soll insbesondere ein Übersprechen zwischen einzelnen
Sensoren verhindert werden.
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Der
Einfluss eines Partikelstreufeldes auf den Sensorwiderstand hängt von
der Position des Beads ab: Im Idealfall wird das Feld ganz erfasst,
am Rand des Sensors nimmt dagegen das Feld schnell ab. Mehr als
einen Sensor kann aber das Streufeld nicht beeinflussen, ansonsten
könnte
z. B. Element nicht ein Nullsignal zeigen, während die Nachbarn das halbe
bzw. das volle Signal anzeigen. Eine zur Sensorauswertung geeignete
Elektronik wird hier nicht näher
erläutert.
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Weiterhin
wird in Journal of Applied Physics, vol. 93, 10, P. 6864 bis 6866
die Herstellung von GMR-Sensor-Arrays beschrieben. Die Arrays sind
32 bzw. 128 Elemente groß und
beinhalten Subarrays. Die Distanz zwischen den Sensoren ist viel
größer als
die Dimensionen der Sensoren. Die Elektronik liest die Sensoren
paarweise (Halbbrücke)
aus. Die Sensoren haben die Dimensionen mit 1,5 bis 2 μm Breite
und 6 μm
Länge bzw.
32 μm Breite
und 2 mm Länge.
Die Abstände
sind 5 μm
oder 15 μm
für die schmalen
Sensoren (1, 2) und ca. 200 μm für die breiten
Sensoren (3). Die Mess-Ortsauflösung der
Arrays wurde anhand einer großflächigen Struktur,
beispielsweise durch eine Tintenverteilung, zu ca. 1 mm bestimmt.
Eine Messung an magnetischen oder magnetisierbaren Mikropartikeln
erfolgt aber dabei nicht. Weitere dort genannte Anwendungen sind
neben der genannten. Biotechnologie die zerstörungsfreie Prüftechnik,
eine Dokumentprüfung für beispielsweise
Banknoten oder Kreditkarten, oder die Positionssensorik.
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Die
genannte Problematik, die Position von Partikeln relativ zu den
Sensoren bzw. die genaue Anzahl von Partikeln in einem bestimmten
Areal zu bestimmen, ist auch bei anderen magnetischen Fragestellungen
von Bedeutung. Neben der Markierung von Objekten (z. B. Stäuben, biologische
Zellen) kann die Notwendigkeit bestehen, auch unmittelbar magnetische
Mikropartikel zu charakterisieren, z. B. bei der Analyse von Korrosionsprodukten
in Ölen.
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Ausgehend
von obigem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes
Verfahren vorzuschlagen dahingehend, dass Aussagen über Position
und Anzahl von in einem Messareal befindlichen Markern möglich sind.
Daneben soll eine Vorrichtung geschaffen werden, mit der das Verfahren
ausgeführt
und die Feldverteilung bestimmt werden kann, wobei auch geeignete
Verwendungen angegeben werden sollen.
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Hinsichtlich
des Verfahrens wird diese Aufgabe durch die Abfolge der Maßnahmen
des Anspruches 1 und hinsichtlich einer Vorrichtung durch die Merkmale
des Anspruches 19 gelöst.
Weiterbildungen des Verfahrens, insbesondere auch zu spezifischen
Anwendungen in der Biotechnologie, und der Vorrichtung sind in den
jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
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Beim
erfindungsgemäßen Verfahren
ist vorgesehen, dass zur Charakterisierung eines lokalen, von einem
magnetisierbaren oder magnetischen Partikel in einem vorgegebenen
Messareal eines Magnetfelds hervorgerufenen Streufeldes, zumindest
in einem Teilbereich des Messareals ein Sensorarray aus mehreren
XMR-Sensoren mit jeweils mindestens einer magnetfeldempfindliche
Schicht angeordnet wird und Mittel zum separaten Auslesen des Signals eines
jeden Sensors bereitgestellt werden, wobei die Größe der XMR-Sensoren
bzw. die Fläche
der magnetfeldempfindliche Schicht und das Rastermaß des Sensorarrays
so gewählt
werden, dass wenigstens zwei benachbarte Sensoren von dem lokalen
Streufeld beeinflusst werden. Dabei werden vorzugsweise sog. XMR-Sensoren,
insbesondere GMR- oder TMR-Sensoren,
und ferro-, ferri- oder antiferromagnetische Schichtsysteme verwendet.
Auch amorphe Schichten mit entspre chenden magnetfeldempfindlichen
Eigenschaften sind in diesem Zusammenhang möglich.
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Die
Erfindung geht davon aus, dass es – sofern jeder Magnetfeldsensor
unabhängig
von anderen Sensorsignalen separat auslesbar ist – zwar grundsätzlich möglich ist,
ein einzelnes Partikel, das sich im Bereich eines Sensors aufhält, zu detektieren.
Dies ist aber noch keine hinreichende Bedingung, um ein einzelnes
Partikel z. B. von einem Cluster mehrerer Partikel unterscheiden
zu können
oder die genaue Position eines Partikels im Messareal zu bestimmen.
Dies wird erst erfindungsgemäß dadurch ermöglicht,
dass Größe und Rastermaß der Sensoren
so gewählt
werden, dass das von einem Partikel ausgehende Streufeld an mindestens
zwei unterschiedlichen Positionen messbar ist.
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Das
Streufeld eines z. B. annähernd
eine Kugelform aufweisenden Partikels ist inhomogen, d.h. es weist
Bereiche unterschiedlicher Feldstärke auf. So schwächt sich
das Streufeld mit zunehmender Entfernung von der Partikeloberfläche ab.
Je nach Geometrie und Ausrichtung des externen Magnetfelds treten
an unterschiedlichen Raumpositionen Feldschwächungen und Feldverstärkungen
auf. Beispielsweise im Falle eines parallel zur Planebene eines
Sensorarrays ausgerichteten externen Magnetfelds tritt in dem sich
zwischen einem Sensor und dem Partikel befindlichen Bereich gegenüber dem externen
Magnetfeld eine Feldschwächung
und in den sich in Richtung des externen Magnetfelds gesehen vor
und hinter dem Partikel befindlichen Bereichen eine Feldverstärkung auf.
Detektiert nun beispielsweise ein Sensor eine Feldverstärkung und
ein anderer Sensor eine Feldschwächung,
so können durch
Vergleich der entsprechenden Sensorsignale die Position des Partikels
zu einem sich im Einflussbereich des Streufelds befindlichen Sensor
relativ genau bestimmt sowie eine Clusterbildung erkannt werden.
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Weiterhin
lassen sich durch ein erfindungsgemäßes Verfahren Partikel der
in Rede stehenden Art mit einer erhöhten Emp findlichkeit detektieren. Ein
nahezu vom gesamten Streufeld beeinflusster Sensor integriert die
unterschiedlichen Feldstärken zu
einem Gesamtsignal, wobei es zu einer Nivellierung des Signals kommt,
wenn verstärkte
und abgeschwächte
Streufeldbereiche den Sensor treffen. Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren
wirkt dagegen auf einen Sensor ein kleinerer Streufeldbereich ein, so
dass der erwähnte
Nivellierungseffekt allenfalls in einem wesentlich verringerten
Ausmaß auftritt.
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Die
Messempfindlichkeit wird auch dadurch verbessert, dass die gesamte
Sensorfläche
vom Streufeld eines Partikels beeinflusst wird, dagegen unbeeinflusste
Flächenbereiche
also nicht vorhanden sind, so wie dies bei Sensoren der Fall ist,
deren Fläche
größer ist
als ein Partikel.
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Je
nach der Größe der Einzelsensoren
und dem gewählten
Rastermaß lässt sich
die Auflösung je
nach Anwendungsfall in weiten Bereichen frei wählen. So lassen sich lokal
sehr eng begrenzte Magnetfeldänderungen
detailgenau detektieren. Die für
biologische Analysen verwendeten Beads weisen eine Größe von etwa
0,5 μm bis
2 μm auf.
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Es
ist daher zweckmäßig, wenn
die Größe, etwa
der Durchmesser bzw. die Länge
und Breite eines XMR-Sensors kleiner als 2 μm ist. Sensorarrays mit solchen
Sensoren und entsprechend geringen Abständen zwischen den Sensoren
sind in industriellem Maßstab
beispielsweise mit aus der Speicherchip-Industrie bekannten Techniken
herstellbar. Insbesondere sind hier Techniken zur Herstellung magnetischer
Speicher, sog. TRAMs (= tunnel magnetoresistive random access memories),
in Betracht zu ziehen. Erfindungsgemäß werden solche Bauelemente
aber nicht als Datenspeicher, sondern zur Magnetfeldcharakterisierung
verwendet.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
umfasst ein Sensorarray aus mehreren, jeweils mindestens eine ferromagnetische
Schicht aufweisenden XMR-Sensoren, die so mit Mitteln zum Auslesen
von Sensorsignalen verschaltet sind, dass das Signal eines jeden
Sensors unabhängig
von anderen Sensoren auslesbar ist, wobei die Größe der XMR-Sensoren bzw. die
Fläche
der ferromagnetischen Schicht und das Rastermaß des Sensorarrays so gewählt sind,
dass wenigstens zwei benachbarte Sensoren von dem lokalen Streufeld
beeinflussbar sind. Hinsichtlich der damit erzielten Vorteile gilt
das oben Gesagte analog.
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Vorzugsweise
sind die Fläche
der XMR-Sensoren und der gegenseitige Abstand benachbarter Sensoren
kleiner als 2 μm.
Damit bietet sich eine große
Vielzahl von Anwendungen im Bereich der Mikroanalytik an, in der
Partikel bzw. Beads mit Durchmessern von etwa 2 μm bis 0,5 μm eingesetzt werden.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen
anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen, insbesondere
den Ansprüchen
1 und 16.
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Es
zeigen:
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1 einen
Ausschnitt eines Biochips in schematischer Querschnittdarstellung,
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2 die
Draufsicht auf einen bekannten XMR-Sensor, auf dem ein Bead zentral
angeordnet ist, etwa in Richtung des Pfeiles II in 1,
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3 den
Verlauf der induzierten Feldstärke bei
einer Anordnung gemäß 2,
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4 eine
erste Ausbildung eines verbesserten XMR-Sensor-Arrays,
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5 eine
zweite Ausbildung eines verbesserten XMR-Sensor-Arrays
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6 den
Verlauf der induzierten Feldstärke bei
einer Anordnung gemäß 4 oder 5 und
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7 ein
Flussdiagramm zur Vorgehensweise bei der Feldberechnung bei 4 oder 5.
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Nachfolgend
wird zunächst
auf den Stand der Technik eingegangen, um dran anschließend das neue
Simulations- und Rechen verfahren zur Ermittlung einer Partikelbelegung
auf einer Sensoranordnung und die zugehörigen Vorrichtungen zu erläutern:
Im
Einzelnen wird auf Messarrays bzw. -matrizes für biomedizinische Zwecke abgestellt,
mit denen beispielsweise eine DNA- und/oder eine Protein-Analyse
erfolgen kann. Möglich
sind auch allgemeine magnetische Messungen für technische Anwendungen.
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Die
hier verwendete Messmatrix gibt eine Aufstellung von gleichen Magnetfeldsensoren
in vorgegebener Art und Weise an und können linear oder zweidimensional
ausgebildet sein. In letzterem Fall bilden sie eine Matrix mit Elementen
in vorgegebener Anordnung, die nicht zwangsläufig symmetrisch ist.
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Ein
herkömmliches
Verfahren sowie ein Detektor zur Bestimmung eines Magnetfeldgradienten wird
exemplarisch am Beispiel eines Biochips 1, der schematisch
als Schnitt in 1 gezeigt ist, erläutert.
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Der
Biochip 1 umfasst einen Träger 2 beispielsweise
aus Si3N4. Auf dem
Träger 2 ist
eine Analysefläche 3 definiert,
die zur Durchführung
von Analysereaktionen dient.
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Auf
einem einzigen Biochip 1 können mehrere solcher Analyseflächen, insbesondere
in Form eines Arrays, vorhanden sein. Unterhalb der Analysenfläche 3 ist
im Träger 2 ein
Sensorarray 7 aus einer Vielzahl einzelner XMR-Sensoren 5i gebildet.
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XMR-Sensoren
beruhen auf Magnetowiderstandseffekten in magnetischen Stoffen.
Insbesondere werden dafür
sog. GMR- oder TMR-Sensoren verwendet: Speziell bei GMR-Sensoren
(Giant magnetoresistive sensor) ist ein Schichtsystem mit mindestens
zwei magnetfeldempfindlichen Schichten und einer nicht magnetischen,
metallischen Zwischenschicht vorhanden, die ferro-, ferri- oder
antiferromagnetischen Eigenschaften haben. Auch amorphe Strukturen
mit Nahordnung sind möglich.
Insbesondere bei einem ferromagnetischen System weist eine Schicht
eine feste Orientierung ihres Magnetfeldes auf, während die
Magnetisierungsrichtung der anderen Schicht durch Anlegen eines äußeren Magnetfeldes
gedreht werden kann. Der Widerstand ist bei einer antiparallelen
Ausrichtung der Magnetisierungen größer als bei paralleler Ausrichtung. Ähnlich verhält es sich
bei TMR-Sensoren (tunnel magneto resistive sensor). Zwischen mindestens
zwei ferromagnetischen Schichten ist hier eine dünne Isolationsschicht vorhanden,
wobei deren Tunnelwiderstand von der gegenseitigen Drehstellung
der beiden Magnetisierungsrichtungen abhängig ist.
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Bei
einer mit einem Biochip 1 gemäß 1 durchgeführten Analyse
werden als Marker magnetisierbare Partikel 6, die auch
als Magnet-Beads oder kurz Beads bezeichnet werden, verwendet. Die
Beads 6 bestehen beispielsweise aus einer Styrolmatrix,
in die supermagnetischer Magnetit-Werkstoff mit einem Anteil beispielsweise
von 20% eingelagert ist. Denkbar ist auch die Verwendung von permanentmagnetischen
Materialien wie NdFeB und/oder abmagnetisierten Materialien wie
Reineisen.
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Bei
einer typischen Fragestellung im Bereich der DNA-Diagnostik in der Biotechnologie wird
nach der Anwesenheit bestimmter DNA-Sequenzen gesucht. Nach diversen
Vorbereitungsschritten – unter anderem
der Vermehrung der gesuchten DNA-Sequenzen – werden diese durch bekannte
Verfahren an der Analysefläche 3 fixiert
bzw. immobilisiert.
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Die
Analysefläche 3 wird
mit einer Analytlösung
versetzt, die synthetische, zur gesuchten DNA-Sequenz komplementäre DNA-Sequenzen enthält. Die
synthetischen Komplemente sind biotinisiert, d.h. an sie ist ein
Biotinmolekül
gekoppelt. Bei einer Übereinstimmung
findet eine Hybridisierung zwischen gesuchter und synthetischer
DNA-Sequenz statt. Die nicht passenden DNA-Sequenzen werden durch
Spülen
der Analysefläche 3 entfernt.
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Als
letzter Schritt vor der Detektion des Analyseergebnisses werden
der Analysefläche 3 als Marker
sog. Magnet-Beads 6, beispielsweise in Form einer Suspension,
zugeführt.
An die Oberfläche
der Beads 6 sind Streptavidin-Moleküle gebunden, welche mit den
Biotimmolekülen
der synthetischen DNA-Komplemente
koppeln.
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Nicht
gekoppelte Beads 6 werden anschließend durch eine Spülung von
der Analysefläche 3 entfernt.
Die Analysenfläche 3 ist
nun soweit vorbereitet, dass eine Detektion des Analyseergebnisses erfolgen
kann.
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Das
Ziel der Detektion ist es, insbesondere festzustellen, welche Anzahl
von Beads 6 auf der Analysefläche 3 vorhanden ist.
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Zur
Erläuterung,
wie letztere Detektion erfindungsgemäß erfolgt, soll zunächst auf
die Bead-Detektion bei Biochips entsprechend dem Stand der Technik
entsprechend der Draufsicht gemäß 2 eingegangen
werden, wogegen 1 den allgemeinen Fall in der
Seitenansicht darstellt:
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2 zeigt
einen quadratischen XMR-Sensor 5a eines herkömmlichen
Biochips mit einer Kantenlänge
von beispielsweise 3 μm.
Zentral auf dem XMR-Sensor 5a soll sich ein Bead 6a mit
einem Durchmesser von 1 μm
befinden. Der Sensor 5a ist in einem externen Magnetfeld
Hext angeordnet, dessen Feldlinien 8 sich
parallel zur Planebene des Sensors 5a erstrecken („in-plane"-Ausrichtung).
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Das
durch das externe Magnetfeld Hext hervorgerufene,
im Wesentlichen dipolartige Streufeld 9 eines Beads 6 bzw. 6a hat
in der Seitenansicht der allgemeinen Darstellung etwa die in 1 gezeigte Ausdehnung
und Gestaltung. Das Streufeld 9 des Beads 6 bzw. 6a hat
die größte Stärke in unmittelbarer
Oberflächennähe des Beads 6 bzw. 6a und
nimmt mit zunehmender Entfernung schnell ab, so dass im Abstand
etwa eines Beaddurchmessers von der Oberfläche des Beads 6 bzw. 6a das Streufeld
sehr schwach ist und kaum noch detektiert werden kann.
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In 1 ist
zwischen dem Bead 6 und Analysefläche 3 ein Abstand 10 vorhanden,
der beispielsweise etwa 0,2 μm
beträgt.
Er ergibt sich aus der zwischen dem Bead 6 und dem Analysebereich 3 vorhandenen
Immobilisierungsschicht, die z. B. aus den weiter oben bereits erwähnten hybridisierten DNA-Moleküle besteht.
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Entsprechendes
ergibt sich aus der Draufsicht gemäß Pfeilrichtung II in 1 entsprechend 2 bei
der bekannten Sensor-Anordnung: Gemäß dem Stand der Technik werden
Sensoren derart angeordnet, dass ein Übersprechen (sog. „Cross
Talk") des Magnetsignals
des Markers auf einen weiter entfernten Sensor im Array wirksam
verhindert wird. Der Abstand ist mit 20 μm so gewählt, dass der Einfluss im Bereich
eines benachbarten Sensors deutlich unter einem Prozent liegt.
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Der
unter dem magnetischen oder magnetisierbaren Partikel 6a,
das die Funktion eines Markers hat, liegende magnetfeldempfindliche
Sensor 5a mittelt das Signal der messempfindlichen Schicht,
da der Sensor 5a wesentlich breiter als der Markerdurchmesser
und damit breiter als die Projektionsfläche des Markers ist (5 μm zu 0,7 μm).
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Durch
Computersimulationen lässt
sich zeigen, dass bei einer „in-plane"-Ausrichtung gemäß 2 das
Streufeld 9 des Beads 6 sich nur in einem sich
in Richtung der Feldlinien 8 des externen Feldes H erstreckenden
mittleren Flächenbereich 12 des Sensors 5a auswirkt,
wobei die Breite des Flächenbereiches 12 etwa
dem Durchmesser des Beads 6a entspricht. Somit sind 2/3
der Fläche
des XMR-Sensors 5a zur Detektion des Partikels 6a gar
nicht nutzbar und tragen allenfalls zur Erhöhung des Grundrauschens bei.
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Bei
herkömmlichen
XMR-Sensoren 5a deren Fläche größer ist als der Durchmesser
eines Beads 6, ist somit zwangsläufig eine geringere Detektionsempfindlichkeit
für ein
Streufeld eines Beads zu erwarten. Im mittleren Flächenbereich 12 wirkt
sich das Streufeld des Beads 6a nicht gleichmäßig aus.
In den Flächenbereichen 13 und 14,
die in Bezug auf die Richtung der Feldlinien 8 vor bzw.
hinter dem Bead 6a angeordnet sind, ergibt sich aus der Überlagerung des
externen Feldes H und dem Streufeld 9 eine relativ geringe
Feldverstärkung.
Unter dem Bead 6a, also etwa im Bereich von dessen Projektion
auf die Oberfläche
des Sensors 5a resultiert eine Feldschwächung. Diese nimmt mit Annäherung an
den Mittelpunkt 15 der Projektionsfläche 11 des Beads 6a zu
und erreicht dort ein Maximum.
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Der
Sensor 5a ist jedoch nicht in der Lage, die im mittleren
Flächenbereich
vorhandenen unterschiedlichen Feldstärken bzw. Feldgradienten aufzulösen. Es
integriert vielmehr über
den gesamten mittleren Flächenbereich 12,
wobei sich Feldschwächungen
und Feldverstärkungen
gegenseitig kompensieren. Insgesamt wird also die Detektionskapazität eines
herkömmlichen
Sensors 5a nur zu einem sehr geringen Teil genutzt. Dementsprechend
ist die Empfindlichkeit herkömmlicher
Detektoren relativ gering.
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In 3 wird
letzterer Sachverhalt mit Ausdehnung des Messareals in x-Richtung
entsprechend dem Stand der Technik vereinfacht verdeutlicht. Ersichtlich
ist ein großflächiger Sensor 5a und der
Verlauf des Feldes Hx. Eine exakte Berechnung der
Feldstärke
Hx oder der Marker-Position ist aus dem
Sensor-Signal nicht möglich.
Daher ist es auch nicht möglich,
die Anwesenheit zweier eng benachbarter Marker von nur einem einzigen
Marker zu unterscheiden. Dies gilt für die in 3 mit
einer Projektion 3 gezeigte orthogonale Feldrichtung ebenso
wie für
die parallele Feldrichtung aus 2.
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Bei
einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung gemäß 4 sind
die XMR-Sensoren 5 eines Sensorarrays 7 kleiner
als die Projektionsfläche 11 eines Beads 6.
Außerdem
ist der Abstand 11 zwischen den Sensoren eines Sensorarrays 7 kleiner
als der Durchmesser eines Beads 6. Eine derartige Ausgestaltung
er möglicht
es, dass im Falle von auf der Analysefläche 3 vorhandener
Beads 6 ein XMR-Sensor 5b unterhalb eines Beads 6 bzw.
in dessen Projektionsfläche 11 angeordnet
ist. Der Sensor 5b ist dann zum einen im Bereich des Maximums
der Feldschwächung
angeordnet, wobei diese im Idealfall auf seine gesamte Fläche wirkt
und ein dementsprechend stark ausgeprägtes Sensorsignal ergibt.
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Bei
entsprechender Wahl der genannten Abmessungsrelationen lässt sich
gewährleisten,
dass stets ein Sensor 5b einer im Bereich der Projektionsfläche 11 positionierten
Gruppe von Sensoren 5b, 5c, die zusammen ein Subarray 7a bilden,
vollständig
innerhalb der Projektionsfläche
befindet. Ein derart ausgestaltetes Sensorarray 7 weist
daher eine hohe Messempfindlichkeit auf.
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Wie
den 4 und 5 zu entnehmen ist, sind bei
nicht vollständiger,
d.h. nicht nach Art einer dichtesten Kugelpackung ausgeprägten Belegung
einer Analysefläche 3 einige
XMR-Sensoren 5c in
Bereichen angeordnet, in denen überhaupt
keine Feldveränderung
oder nur eine schwache Feldveränderung,
wie insbesondere in den Flächenbereichen 13 und 14,
auftritt. Dementsprechend liefern die Sensoren 5c verglichen
mit den Sensoren 5b ein schwaches Signal. Bei zumindest
ungefährer
Kenntnis des Feldverlaufes eines von einem Bead 6 ausgehenden Streufeldes
lässt sich
mit den aus den Sensoren 5b und 5c eines Subarrays 7a stammenden
Signalen die Position eines Beads 6 auf dem Sensorarray 7 bestimmen
sowie eine Clusterbildung von Beads erkennen.
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Die
Verschaltung der XMR-Sensoren eines Sensorarrays 7 erfolgt
etwa durch gekreuzte Leitungsbahnen 17, 18 zwischen
denen die einzelnen Sensoren angeordnet sind. In 4 sind
einige solcher Leitungsbahnen angedeutet. Wird beispielsweise die
Leitungsbahn 17a mit der Leitungsbahn 18a kombiniert,
so ist der sich am Kreuzungspunkt der Leitungsbahnen befindliche
XMR-Sensor 5d unabhängig
von den anderen Sensoren 5 ausles bar.
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Die
XMR-Sensoren 5i haben vorzugsweise eine elliptische Umrissform.
Es hat sich gezeigt, dass eine solche Form gegenüber einer etwa rechteckigen oder
quadratischen Ausgestaltung eine gesteigerte Messempfindlichkeit
ergibt. In diesem Sinne ist es auch vorteilhaft, wenn die XMR-Sensoren 5i so
angeordnet sind, dass ihre durch ein äußeres Magnetfeld nicht veränderbaren
magnetfeldempfindlichen Schichten unterschiedliche Magnetisierungsrichtungen
aufweise, was in 5 mit Pfeilen 19 in
einzelnen Messsensoren 5i angedeutet ist.
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Beispielsweise
bedingt durch den Herstellungsprozess kann sich bei XMR-Sensoren
eine gewisse Abhängigkeit
ihrer Empfindlichkeit von der Richtung eines externen Magnetfeldes
ergeben. Aufgrund der unterschiedlichen Magnetisierungsrichtungen 19 der
XMR-Sensoren ist verhindert, dass sich dieser Effekt bei allen Sensoren
eines Sensorarrays auftritt und so die Messempfindlichkeit eines
Sensorarrays 7 durch Summenwirkung stark verringert würde.
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Die 6 zeigt
einen Querschnitt der Sensor-Anordnung alternativ von 4 bzw. 5:
Ein Partikel 6 ist oberhalb eines in der Projektion linearen Arrays
von Sensoren 5i angeordnet. Das
externe Magnetfeld wirkt demzufolge von unten ein, wozu unterhalb
des Sensorarrays wieder die Projektionsfläche 3 wieder zusätzlich dargestellt
ist.
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In
der vorgeschlagenen Anordnung gemäß 6 liegen
mindestens zwei Sensoren 5i und 5i+1 im Bereich der Projektionsfläche des
magnetischen Markers bzw. Beads 6. Durch eine separate
Erfassung der Messsignale und deren Verrechnung mit gängigen mathematischen
Methoden ist nunmehr eine Erfassung von Feldstärke-Gradienten möglich.
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Bei
magnetfeldempfindlichen Sensoren der erfindungsgemäß verwendeten
Art ist deren Kennlinie von den magnetischen Materialen der ferromagnetischen
Schichten definiert. Das Sensor- Signal
ist daher eine Funktion eines anliegenden externen Magnetfelds Hext. Lineare Sensoren sind so gestaltet, dass
das externe Magnetfeld einen Arbeitspunkt ansteuert, der so gelegt
ist, das sowohl Feldschwächungen
als auch Feldverstärkungen
in gleichem Maße
detektierbar sind.
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Bei
hysteretischen Sensoren mit einer rechteckigen Kennlinie wird das
externe Magnetfeld in der Sensorebene bzw. der Ebene der insbesondere
magnetfeldempfindlichen Schichten schrittweise erhöht. Durch
den Einfluss des Bead-Streufelds schalten einige Sensoren früher bzw.
einige Sensoren später
als unbelegte Sensoren. Es können
aber auch hysteretische Sensoren verwendet werden, die ebenfalls
eine rechteckige Kennlinie aufweisen. Diese sind so ausgelegt, dass
das externe Magnetfeld H orthogonal zur Sensorebene Schaltvorgänge auslöst, wenn Streufelder
vorhanden sind. Abmagnetisierte hysteretische Sensoren mit ebenfalls
rechteckiger Kennlinie weisen im Urzustand einen mittleren Widerstand auf.
Sie schalten bei Vorhandensein eines Bead-Streufelds in eine der
Remanenzrichtungen.
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Als
Mittel zum Auslesen von Sensorsignalen kommt bevorzugt eine solche
Auswerteeinheit in Anwendung, mit der eine TRAM-kompatible Zeilen- und Spaltenauswertung
möglich
ist, worauf weiter oben bereits eingegangen wurde. Eine derartige
Auswertung ist im Prinzip vom Stand der Technik bei magnetischen
Speichern (sog. MRAMS) vorbekannt, wozu im Einzelnen auf die dort
verwendeten Einrichtungen, die beispielsweise in der
US 5 852 574 A im Zusammenhang
mit den MRAMS beschrieben werden, verwiesen wird. Auf die zugehörige Mittel
wird daher hier nicht im Einzelnen eingegangen, wohl aber weiter
unten auf die prinzipielle Vorgehensweise entsprechend dem Flussdiagram
gemäß
7.
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Zur
Auswertung enthält
eine Auswerteelektronik neben den genannten Mitteln weiterhin einen Leseverstärker für lineare
Sensoren und ggf. einen TRAM-Leseverstärker für digitale Sen soren. Weiterhin
sind Speicher für
die Werte der Einzelsignale der XMR-Sensoren 5i eines
Sensorarrays 7 vorgesehen.
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Die
Berechnungen der Position einzelner Beads erfolgt mit einer die
separaten Messsignale der einzelnen Sensoren 5' auswertenden
Recheneinheit.
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Anhand 7 wird
die rechnerische Vorgehensweise verdeutlicht: Nach der Initialisierung
mit Start 71 erfolgt in der Einheit 72 eine Parameterauswahl
entsprechend der vorliegenden biologischen Fragestellung.
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Es
erfolgt eine Betriebsweise bzw. Führung des Assays mit den Vorgaben
der Einheit 73. Dabei werden gemäß Verfahrenstufe 74 die
Signale der einzelnen Sensoren separat erfasst und mit der Zuordnung
zum Array abgespeichert.
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Parallel
dazu wird in Einheit 75 eine Simulation, die als Computersimulation
nach Programm in einem Rechner erfolgt, durchgeführt: Dazu werden in Einheit 76 Modelle
der Beads und der Sensoren generiert und miteinander kombiniert:
Durch mathematische Faltungsmethoden werden alle solchen möglichen
Signalkombinationen generiert, die auf eine Bead-Anwesenheit hinweisen
könnten.
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In
Stufe 80 erfolgt eine Rückfaltung
der Daten ("Deconvolution"). Es kann daraus
in Einheit 81 eine Bestimmung der Beadbelegung erfolgen.
In Einheit 82 wird damit die Wiedergabe bzw. Ausgabe der der
Belegung der Sensoren mit den magnetischen Marken, d.h. den Beads 6,
angegeben. Die Korrelation mit der Messung wird abschließend in
Einheit 83 bestätigt,
wonach die Auswertung beendet ist.
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Bei
der Vorrichtung zur Durchführung
obigen Verfahrens sind eine Ansteuerschaltung zur Einstellung der
Feldstärke
des externen Magnetfelds und eine Auslesung der gesamten Arrays
sowie eine Berechnung und Ausgabe der Verteilung der Subarrays erforderlich,
die in üblicher
Weise ausgebildet ist.
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Die
Erfindung wurde vorstehend insbesondere am Beispiel eines Biochips
erläutert.
Sie gilt aber in gleicher Weise für die allgemeine magnetische
Sensorik im Rahmen technischer Anwendungen, wo beispielsweise schwache
Magnetfelder genau lokalisiert und charakterisiert werden sollen.
Als Beispiele wurde neben der Markierung von Objekten, z. B. Stäuben, auch
die Notwendigkeit genannt, unmittelbar magnetische Mikropartikel
zu charakterisieren, z. B. bei der Analyse von Korrosionsprodukten
in Ölen.
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Der
beschriebene Magnetfelddetektor erreicht dies auch bei solchen Anwendungen
mit den geometrisch geeignet angeordneten Magnetfeldsensoren und
einem verbesserten Flächenverhältnis dadurch,
dass gleichermaßen
Mittel zur Feldverstärkung
und zur Feldschwächung
vorgesehen sind und gleichermaßen
sowohl die maximale Feldverstärkung
als auch Feldschwächung
detektiert wird.
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Die
Erfindung wurde vorstehend insbesondere am Beispiel eines Biochips
erläutert.
Sie gilt aber in gleicher Weise für die allgemeine magnetische
Sensorik im Rahmen technischer Anwendungen, wo beispielsweise schwache
Magnetfelder genau lokalisiert und charakterisiert werden sollen.
Als Beispiele wurde neben der Markierung von Objekten, z. B. Stäuben, auch
die Notwendigkeit genannt, unmittelbar magnetische Mikropartikel
zu charakterisieren, z. B. bei der Analyse von Korrosionsprodukten
in Ölen.
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Der
beschriebene Magnetfelddetektor erreicht dies auch bei solchen Anwendungen
mit den geometrisch geeignet angeordneten Magnetfeldsensoren und
einem verbesserten Flächenverhältnis dadurch,
dass gleichermaßen
Mittel zur Feldverstärkung
und zur Feldschwächung
vorgesehen sind und gleichermaßen
sowohl die maximale Feldverstärkung
als auch Feldschwächung
detektiert wird.