JP2003524781A - 磁性粒子用高性能磁気センサ - Google Patents

磁性粒子用高性能磁気センサ

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    • G01N33/54313—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals the carrier being characterised by its particulate form
    • G01N33/54326—Magnetic particles

Abstract

(57)【要約】 【解決手段】 この磁気検出素子は結合アッセイにおいて磁気粒子の存在を検出する。この素子は導電性・強磁性材料からなる少なくとも１の平面層を持ち、この平面層は面内に環状の磁気モーメントを有する初期状態を有する。この素子は、それに付着された第１特定結合メンバーの分子を有する。この装置は、また、前記素子が結合アッセイ中に晒される流体試験媒体を有する。この試験媒体は磁化可能粒子を有し、この粒子は、前記アッセイの間、この試験媒体中の検体の量に応じて固定される。磁化粒子と磁気検出素子の相対サイズ及び磁気検出素子上の前記第１特定結合メンバーの分子の位置が適宜選択され、これにより磁化粒子が前記検出素子に関して固定された場合に、前記磁化粒子の周辺場の半径方向成分が少なくとも１つの前記導電性・強磁性材料層の磁気モーメントを、環状方向から半径方向へシフトさせ、磁気検出素子の電気抵抗に検知可能な変化を起こさせる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、検体の存在を検出するための結合アッセイに使用する検出装置に関
し、より正確には、磁性粒子の周辺場の半径方向成分に応答する磁気検出素子を
有した検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
免疫アッセイ、ＤＮＡハイブリッド形成アッセイ、および受容体ベースのアッ
セイなどの結合アッセイは、広範囲なターゲット分子または検体用の診断テスト
として医学界で広く使用されている。結合アッセイは、一定の分子（ここでは「
特定の結合メンバー」と称する）の性質を利用して特にターゲット分子を結合さ
せるものである。抗体、ポリ核酸（ＤＮＡまたはＲＮＡ）のストランド、分子受
容体などの特定の結合メンバーは、ポリ核酸、酵素その他の蛋白質、高分子、金
属イオン、および低分子量有機種（毒素、違法医薬品、爆薬など）などの潜在的
ターゲット分子と選択的に結合する（「認識する」）能力を持つ。固相アッセイ
では、認識イベントにより、試験液中の結合メンバーが、試験液中に存在する検
体の量に応じて固体基質に対し固定される。
【０００３】 一般に、結合アッセイにおける認識イベントは、アッセイで使われる分子サイ
ズが小さいため直接的には観測できない。この問題は、アッセイ可能な信号を発
してその存在を示す標識結合分子を使うことにより解決されている。この結合ア
ッセイに使用される標識としては、放射性、蛍光性、化学発光性、または酵素性
といった各種タイプが考案されてきている。
【０００４】 磁性粒子を標識として使う結合アッセイも考案されており、磁性粒子の検出に
は多様な手段が提案されている。
【０００５】 例えば、Ｂａｓｅｌｔ， Ｄ．Ｒ．等による "Ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ Ｂａｓ
ｅｄ ｏｎ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ"，Ｊ
．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ，ｖｏｌ．１４，ｎｏ．２，ｐｐ．７８
９−７９３（１９９６）、および米国特許第５，８０７，７５８号（Ｌｅｅ等に
よる）（本言及によりこの明細書に組み込まれるものとする）では、磁場が与え
られた際付着する磁性粒子により発せられる総磁力を、片持ち梁力トランスデュ
ーサを使って計測する、力増幅生物センサ（Ｆｏｒｃｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ
Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ Ｓｅｎｓｏｒ、略称ＦＡＢＳ）と呼ばれる磁力センサを
開示している。
【０００６】 米国特許第５，４４５，９７０号および第５，４４５，９７１号（Ｒｏｈｒ）
（本言及によりこの明細書に組み込まれるものとする）では、磁場が与えられた
際、付着磁性粒子により発せられる力を計測するために、片持ち梁力トランスデ
ューサではなくマイクロバランスを使用した装置を開示している。付着磁性粒子
により発せられる力の計測に関したアッセイ方法は、米国特許第５，９９８，２
２４号（Ｒｏｈｒ）に説明されている。
【０００７】 Ｒ．Ｋｏｔｉｔｚ等による（Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ ａｎｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ第４１回年次学会，Ｎｏｖ．１９９６。Ａｂｓｔｒａｃｔ ｂｏｏｋ ｐ．７３を参照）（本言及によりこの明細書に組み込まれるものと
する）では、超伝導量子干渉素子（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｑｕａｎ
ｔｕｍ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｄｅｖｉｃｅ、略称ＳＱＵＩＤ）を使い、
生物学的認識イベントにより磁性粒子が試験管の壁に固定されているかどうかを
検出する結合アッセイについて説明している。
【０００８】 米国特許第５，９８１，２９７号（Ｂａｓｅｌｔ）（本言及によりこの明細書
に組み込まれるものとする）では、磁場センサの磁化された粒子に対する磁気抵
抗応答または磁気ひずみ応答を監視することにより、磁化された粒子を検出する
ための結合アッセイの方法と装置を開示している。
【０００９】 磁化可能粒子のモーメント方向は、一般に粒子に印可する外部磁場の方向によ
り定義される。この場を磁場センサの面に垂直に印可した場合（磁気層の面内モ
ーメントに影響を及ぼさないため）、粒子周辺の場は粒子軸を中心とした環状に
対称なパターンを呈する。この場には、センサ面内の半径方向成分と、センサ面
に垂直な成分とが含まれる。米国特許第５，９８１，２９７号に開示されている
実施形態では、磁気抵抗検出素子は薄膜磁気抵抗帯の形態を取っている。典型的
に、このような磁気抵抗検出素子は、磁場に対し、直線的な対称性と一軸的な感
度とを有する。これらの検出素子は、主に磁性粒子の周辺場の垂直成分に応答し
、半径方向の成分には応答しない。このため、検出可能な信号の生成という点か
ら見ると、磁性粒子の有用性は完全に活用されていない。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記のような事情に鑑みてなされたものであり、付着した磁性粒子を
検出する磁気検出素子の能力を最大化することを目的とするものである。
【００１１】 本発明の異なる他の目的は、検出可能な信号を生じるよう検出素子に付着させ
た磁化済み磁性粒子が生成する周辺場の半径方向の成分を効率的に使用する磁気
検出素子を提供することである。
【００１２】 以上に述べた目的等は、初期状態において層面内に環状の磁気モーメントを持
つ、導電性・強磁性材料でできた少なくとも１つの平面層を有する磁気検出素子
を含んだ検出装置により実現される。この磁気検出素子には、第１特定結合メン
バーの分子が付着している。この装置は、アッセイ中に磁気検出素子を露出する
対象の流体試験媒体も含む。この試験媒体は、試験媒体中の検体の量に応じてア
ッセイ中に固定される磁化可能粒子を含んでいる。磁性粒子および磁気検出素子
の相対サイズと、第１特定結合メンバーの分子の磁気検出素子上での位置とは、
磁気検出素子に対して磁性粒子が固定された際、磁性粒子の周辺場の半径方向成
分が、導電性・強磁性材料の少なくとも１つの層の磁気モーメントを環状方向か
ら半径方向にシフトさせることにより、この磁気検出素子の電気抵抗に検出可能
な変化を生じさせられるよう、選択されている。
【００１３】 本発明は、さらに、上記に説明した装置を使って、試験サンプル中の検体を検
出する方法に関する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の装置は、磁化可能粒子を標識として使用するいかなるタイプの固相結
合アッセイに使用されるよう意図されている。検体の存在および量は、この装置
の表面に対して固定される磁化可能粒子の数に相関させることができる。この相
関は直接的（サンドイッチアッセイなど）であっても間接的（競合アッセイなど
）であってもよい。装置の表面に対する磁化可能粒子の固定は、磁化可能粒子上
の特定の結合メンバーの、装置表面上の特定の結合メンバーへの直接的結合によ
るものでも、検体分子自体などの中間物または２次抗体などの他の認識分子を介
したものでもよい。この場合の共通なテーマは、試験サンプル中の検体の存在お
よび量は、特定の結合イベントにより装置上に固定される磁化可能粒子の数に関
係している可能性があるという点である。本発明は、磁化可能粒子が固定されて
いるかどうかを検出する手段を提供するものである。
【００１５】 本書で使用されるとおり、用語「特定結合メンバー」は、化学的または物理的
な手段を介して特定の別の分子に結合する分子を意味する。用語「特定結合メン
バー」は、典型的に抗原抗体結合ペアなど、結合ペアのメンバーを指す。他の結
合ペアには、ビオチンとアビジン、炭水化物とレクチン、相補的なヌクレオチド
配列、相補的なペプチド配列、効果器分子と受容体分子、酵素補因子と酵素、酵
素阻害物質と酵素、ペプチド配列とその配列または蛋白質全体に固有の抗体、高
分子の酸と塩基、色素と蛋白結合物質、ペプチドと特定の蛋白結合物質（リボヌ
クレアーゼ、Ｓペプチド、およびリボヌクレアーゼＳ蛋白質など）、糖とボロン
酸、および結合アッセイに使用できる親和性を有する類似分子などがあるが、こ
れに限定されるものではない。結合メンバーは、組み換え技術または分子工学に
よっても作り出すことが可能である。結合メンバーが免疫反応物質の場合は、抗
体、抗原、ハプテン、またはその複合体などを使うことができ、抗体を使う場合
は、抗体および他の結合メンバーの混合物と同様、単クローン性または多クロー
ン性の抗体、組み換え蛋白質または組み換え抗体、キメラ抗体、またはそれらの
混合物か断片を使うことができる。このような抗体、ペプチド、およびヌクレオ
チドの準備方法と、結合アッセイにおける結合メンバーとしての適合性とは、当
業者によく知られている。結合メンバーは、細胞、ウイルス、または表面上また
は粒子上に固定された他の生物学的存在の一部であってもよい。
【００１６】 本明細書で使用されるとおり、用語「第１結合メンバー」は、磁気検出素子の
表面に付着した結合メンバー、用語「第２結合メンバー」は、粒子に付着した結
合メンバーをそれぞれ意味する。上記の説明どおり、本発明の装置は、結合イベ
ントが中間分子を介して発生するタイプのアッセイで使うことができる。したが
って、「第１特定結合メンバー」および「第２特定結合メンバー」の定義におい
て、第１特定結合メンバーが第２特定結合メンバーと直接互いに結合することは
必須条件ではない。
【００１７】 また、請求項を含む本明細書全体にわたり、用語「上部」、「下部」、「頂部
」、「底部」が、それぞれ多様な表面および層を互いに相対的に区別するため、
またそれらの層が構築されている基質に対し相対的に区別するための便宜的な用
語であることは言うまでもない。これらの用語、「上部」、「下部」、「頂部」
、および「底部」は、上記請求項を含む本明細書で使用されているとおり、重力
場に関する向きを意味するものではない。同様に、用語「時計方向」および「反
時計方向」は、相対的な回転方向を示すための便宜的な用語として使われている
。
【００１８】 用語「強磁性材料」および「軟磁性材料」は、典型的に磁気抵抗装置の分野に
おいて使用されているとおりに本明細書でも使用されている。特に、用語「硬磁
性材料」は、軟磁性材料の磁気モーメントを再方向づけするための磁場強度と比
較して、著しく大きな磁場強度を再方向付けに必要とする磁気モーメントを有す
るような材料を意味する。硬磁性材料または軟磁性材料として分類される材料は
、一般に本発明の目的を達成するために有用である。また、反強磁性層は、被覆
層である強磁性層の磁気モーメントを固定でき、これによって固定された強磁性
層を、本明細書および本請求項で使う意味の範囲内で硬磁性層とすることができ
る。さらに、同一材料を使う層は、単に異なる厚さを利用するだけで、相対的に
硬磁性または軟磁性にすることができる。
【００１９】 本書で使用されるとおり、用語「磁化可能粒子」、「磁性粒子」、および「磁
化された粒子」は、すでに磁化された粒子、または磁場を印可することにより容
易に磁化できる粒子という意味で、同義語として使われている。
【００２０】 本明細書で使用されるとおり、用語「環」および「環状の」は、閉じたループ
を意味する。他方、環は、環状のワッシャの形状を成していることが望ましく、
楕円形、長円形、正方形、円筒形など、閉じたループを形成できる他の形状であ
っても良い。本発明の磁気検出素子は、初期状態において層面内に環状の磁気モ
ーメントを有する導電性・強磁性材料の少なくとも１つの平面層を含む。本発明
の装置の操作時において、磁化された粒子が磁気検出素子に固定されたまたは付
着した場合、磁性粒子の周辺場の半径方向成分は、磁気検出素子と相互作用して
前記平面層の磁気モーメントを環状方向から半径方向へシフトさせる。これによ
り前記素子の電気抵抗が変化し、装置で電流または電圧の変化として測定可能に
なる。下記で説明するとおり、この原理に基づいて異なる実施形態がいくつか説
明できる。大部分の実施形態において、抵抗の変化はスピン値効果により発生す
る。この効果は、例えば、米国特許第５，４７７，４８２号（Ｐｒｉｎｚ、この
特許の図１８を参照）および米国特許第５，５４１，８６８号（Ｐｒｉｎｚ）は
、どちらも本言及によりこの明細書に組み込まれるものとする。米国特許第５，
５４１，８６８号は、硬磁性・強磁性材料の環と軟磁性材料の環が交互に配列さ
れた磁気スタックを有する、不揮発性で強磁性のランダムアクセスメモリ素子を
開示している。Ｐｒｉｎｚの第５，５４１，８６８号特許に記載されているこの
磁気スタックは、本発明の磁気検出素子として作り変えられる可能性がある。
【００２１】 図１は、典型的な磁気検出素子を図示したものである。磁気検出素子１０は、
２つの強磁性環のスタックを有する。このスタックは、底部環２０（固体表面６
０の上に置かれ、典型的に硬磁性・強磁性材料で作られる）と、頂部環３０（典
型的に、第１結合メンバーの分子５０が付着した軟磁性・強磁性材料で作られる
）からなる。非強磁性環４０は、頂部および底部の強磁性環を分離している。こ
れらの環は、すべてワッシャのセットのように積み重ねられており、各環は、隣
接した環と電気的に接触している。この磁気検出素子は、頂部環の上にパッシベ
ーション層（図示せず）を含むこともある。（図の簡潔化のため、磁気抵抗変化
の検出を可能にする導線は図示せず。）本発明は、硬磁性・強磁性層が底部層で
、軟磁性・強磁性層が頂部層である配置に限定されないものとする。層の順序は
逆であってもよい。
【００２２】 検出素子は、１つ以上の硬磁性層と１つ以上の軟磁性・強磁性層とを持つこと
ができる。このような構造は図２に示されており、この場合、磁気検出素子１０
０は、硬磁性・強磁性環２００と軟磁性・強磁性環３００とからなる層と、それ
らを互いに分離する非磁性・導電性または絶縁性の層、非強磁性環４００を有す
る。磁気検出素子１００は、最頂部層に付着した第１結合メンバーの分子５００
を有する。（この磁気検出素子は、頂部環の上にパッシベーション層（図示せず
）を含むこともある。）多層スタックでは、硬磁性層は一般により軟い強磁性層
と交互に配置されている。（図の簡潔化のため、磁気抵抗変化の検出を可能にす
る導線は図示せず。）本発明は、示されている配置に厳密に限定されないものと
する。層の数は、図示されている数とまったく同じでなくともよく、軟磁性層と
硬磁性層の順序は逆であってもよい。
【００２３】 本発明の典型的な装置では、硬磁性・強磁性層は、モーメントが層の中心の周
りに時計方向または反時計方向である閉じた磁気回路の形で、固定された磁気的
な状態を有する。より軟磁性を持つ強磁性層は、初期状態または休止状態で、モ
ーメントが硬磁性層の磁気モーメントに平行または逆平行で、軟磁性層の周りに
時計方向または反時計方向である閉じた磁気回路を有する。１つ以上の硬磁性層
および１つ以上の軟磁性層がある場合、すべての硬磁性層は互いに同じ方向で、
時計方向または反時計方向の磁気モーメントを有し、すべての軟磁性層は互いに
同じ方向で、時計方向または反時計方向の磁気モーメントを有する。電圧を装置
に印可した際、装置全体にわたる抵抗は、硬磁性・強磁性層の磁気モーメントが
、軟磁性・強磁性層に対し同方向に揃えられているか、または逆方向に揃えられ
ているかによって異なる。電流に対する抵抗は、これらの磁気モーメントが同方
向でない場合に、すなわち逆平行（反整列）の場合により高くなる。電流に対す
る抵抗は、これらの磁気モーメントが実質的に同方向（平行）に揃えられている
場合により低くなる。電流に対する抵抗は、１つの層が環状の磁気モーメントを
有し、他の層が半径方向の磁気モーメントを有するなど、これらの磁気モーメン
トが平行でも逆平行でもない場合、中間的な値になる。下記のように、本装置に
おける軟磁性層の磁気モーメントの整列は、磁性粒子により生じる半径方向の磁
場に影響される。
【００２４】 装置の抵抗は、面内電流（ＣＩＰ）配置または膜面垂直電流（ＣＰＰ）配置で
測定される。図３は、電流が、装置の縦軸を横切って装置面に平行に流れるよう
、導線１２および導線１４が装置１０に接続されているＣＩＰ配置を表したもの
である（図の簡潔化のため、前記第１結合メンバーの分子は図示せず。）この場
合、装置の抵抗は、装置の両端にある電気端子間の電圧低下により決定される。
図４は、スタックの頂部および底部にある端子間を、装置面に垂直に電流が流れ
るよう、導線１６および導線１８が装置１０に接続されているＣＰＰ配置を表し
たものである。（図の簡潔化のため、第１結合メンバーの分子は図示せず。）こ
の場合も、装置の抵抗は、装置の頂部および底部にある電気端子間の電圧低下に
より決定される。
【００２５】 本発明の典型的な装置では、磁化可能粒子および磁気検出素子の相対サイズと
、磁気検出素子上での第１結合メンバーの位置とは、磁性粒子が磁気検出素子に
付着した際、磁性粒子の場の半径方向成分が、導電性・強磁性材料の少なくとも
１つの層の磁気モーメントを環状方向から半径方向へシフトさせられるよう、選
択される。
【００２６】 典型的に、第１結合メンバーの分子は、磁性粒子が磁気検出素子に結合した際
、その結合領域が強磁性層の環状の磁気モーメントの中心と同軸になるよう、磁
気検出素子の上中央領域に配置される。これにより、粒子の周辺場の半径方向成
分が導電性・強磁性材料の層と全方向で相互作用できるようになる。
【００２７】 図５は、「サンドイッチアッセイ」として知られる典型的な結合アッセイ中の
磁気検出装置を示した斜視図である。検体分子９０は、第１結合メンバーの分子
５０を介して、磁気検出装置１０の頂部に結合する。第２結合メンバーの分子８
０でコーティングされた磁性粒子７０は、これらの粒子が磁気検出装置の中央位
置に固定されるよう、検体に結合する。（この場合、第１結合メンバーおよび第
２結合メンバーは、検体に対する抗体である。）第１結合メンバーの分子５０は
、どちらの方向から来た検体とも結合できるよう磁気検出素子の上中央部周辺に
位置するため、磁性粒子は、Ｙ軸（層の垂直面と、環状の磁気モーメントの中心
を貫く線との交線）に沿った点にほぼ固定される。（図の簡潔化のため、導線は
図示せず。）
【００２８】 磁性粒子がいかにこれらセンサの磁気配置に影響するかは、以下で詳細に説明
する。図６は、反時計方向の環状の磁気モーメント（矢印Ａで示す）を有する硬
磁性材料の底部層２０と、非強磁性材料の中間層４０と、時計方向の環状の磁気
モーメント（矢印Ｂで示す）を有する軟磁性材料の頂部層３０とからなる典型的
な３層装置を示す分解斜視図である。（硬磁性層および軟磁性層の相対位置は逆
、すなわち頂部層が硬磁性層で、底部層が軟磁性層であってもよい。）（図の簡
潔化のため、導線および第１結合メンバーの分子は図示せず。）各層の磁気モー
メントの整列状態は逆平行であるため、このような装置は比較的高い電気抵抗を
有する。図７は、軟磁性層の磁気モーメントが磁性粒子の装置への固定によりい
かに影響されるかを表した図である。磁気検出素子１０は、軟磁性層３０と、非
強磁性層４０と、硬磁性層２０とにより表されている。粒子７０の周辺場は、垂
直成分（矢印Ｃで示す）および半径方向の成分（矢印Ｄで示す）を有する。半径
方向の場は、軟磁性層３０と相互作用して、この層の磁気モーメント（矢印Ｅで
示す）を半径方向に変化させるが、硬磁性層２０には影響を及ぼさない。その結
果、これらの層は逆平行ではなくなり、電気装置の抵抗が低下する。元の配置で
、硬磁性層および軟磁性層の磁気モーメントが平行であった場合には、軟磁性層
の磁気モーメントが環状方向から半径方向へシフトする効果は、装置の電気抵抗
が増加するというものになるであろう。（図の簡潔化のため、導線、第１結合メ
ンバーの分子、および第２結合メンバーの分子は図示せず。）
【００２９】 次は、磁気検出素子の外形寸法を選択する際に考慮される場合がある。均一に
磁化された球形は、次の式で表される、純粋に２極性の磁場を呈する。
【００３０】
【数１】
【００３１】 ここで、ｍ（ベクトル）は磁化された球形の磁気モーメント、ｒは球形の中心
からの距離をそれぞれ表す。磁気検出素子の軟磁性磁性層の磁気モーメントを整
列させるために使う磁場は、装置の面の半径方向に印可される。下の式に該当す
る幾何形状は、図８に示されている。この図８は、磁気検出素子１０上に固定さ
れた半径ａの磁性粒子７０を表した断面図である。（図の簡潔化のため、導線、
第１結合メンバーの分子、および第２結合メンバーの分子は図示せず。）粒子の
磁気モーメントｍは、ｚに沿って印可される。磁場の半径方向成分は、次式で表
される。
【００３２】
【数２】
【００３３】 ここで、
【数３】
【００３４】 Ｂの最大成分は、次のようになるよう、モーメントに垂直な面内で環状になる
。
【数４】
【００３５】 半径ａのビーズの場合、ビーズの接面内の最大場はａ／２となる。一般に最も
効率的な配置は、アニュラリングセンサで平均半径約ｚ／２である。ここで、ｚ
はビーズ半径に任意の「スタンドオフ」距離（センサからビーズまでの高さ）を
加えて決定される。このスタンドオフ距離は、センサにオーバーレイする任意の
パッシベーション層によるものである。例えば、半径ａのビーズおよび厚さｔの
パッシベーション層については、センサの最適平均半径は次式で表される。
【００３６】
【数５】
【００３７】 理想的には、環の内径および外径は、可能な限り平均半径に近づく。ただし、
この環の幅は有限でなければならないため、磁場が例えば最大値の８０％以内に
なるよう、幅は一定の値に設計される。これら外形寸法の詳細は、磁性粒子の材
料およびサイズと、スタンドオフ距離と、磁性材料および非磁性材料とセンサ内
での各層の厚さとの関数になる。図９は、Ｂρのスタンドオフ距離ｚ（ビーズ半
径単位）に対する依存性を半径方向の距離ρの関数として示したグラフである。
【００３８】 本明細書で説明する本発明の各実施形態では、磁気検出素子の各種層が周辺場
の半径方向成分の存在に反応するよう、また磁気抵抗の変化が検出されるよう、
磁性層の数とタイプが異なっている。それぞれの場合において、実施形態は、既
存のリソグラフィー技術を使って容易に構築可能である。
【００３９】 第１の実施形態は、すでに上記で説明され、図１、図２、図６、および図７で
図示されているが、これは、粒子の半径方向の磁場を使って、１つまたは複数の
軟磁性層のモーメントを円周方向から半径方向へ回転させる巨大磁気抵抗（ｇｉ
ａｎｔ ｍａｇｎｅｔｏ−ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ、略称ＧＭＲ）装置である。この
実施形態は、固定された磁気モーメントを有する１つまたは複数の硬磁性層また
は層を含む。この素子の抵抗は、硬磁性層と軟磁性層の初期方向が平行または逆
平行であったかに応じて、増加または減少する。磁性粒子の効果は、低い抵抗状
態または高い抵抗状態（それぞれ平行または逆平行）から、中間的抵抗の状態（
硬磁性層および軟磁性層のモーメント間が９０°の角度をなす）へ、検出素子の
状態を変化させるというものである。
【００４０】 この実施形態は、「半ハサミ」モードと呼ばれる。この実施形態は、さらに図
１０ａおよび図１０ｂに示されている。図１０ａおよび図１０ｂは、それぞれ固
定された磁性粒子を伴わない磁気検出素子１０、および固定された磁性粒子を伴
う磁気検出素子１０の断面図である。（図の簡潔化のため、導線、第１結合メン
バーの分子、および第２結合メンバーの分子は図示せず。）これらの図において
、バツのマークはページへ垂直に入る方向の環状の磁気モーメント成分を表し、
丸点のマークはページから垂直に出てくる方向の環状の磁気モーメント成分を表
す。図１０ａに示すとおり、固定された粒子がない場合、軟磁性層３０の磁気モ
ーメントＡは時計方向で、硬磁性層２０の磁気モーメントＢは反時計方向である
。図１０ｂに示すとおり、垂直成分Ｃおよび半径方向の成分Ｄを伴う周辺場を有
する固定された粒子７０がある場合、軟磁性層３０の磁気モーメントは、矢印Ｅ
で示すように半径方向になる。抵抗の測定については、この実施形態は、面内電
流（ＣＩＰ）配置または膜面垂直電流（ＣＰＰ）配置を有すことが可能である。
この実施形態では、交互に配置された層の初期状態は、逆平行（図示）であって
も平行であってもよい。これらの層は、Ｓ．Ｓ．Ｐ． Ｐａｒｋｉｎの"Ｓｙｓ
ｔｅｍａｔｉｃ Ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎ
ｄ Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ Ｐｅｒｉｏｄ ｏｆ Ｉｎｄｉｒｅｃｔ Ｍａｇ
ｎｅｔｉｃ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ
３ｄ， ４ｄ， ａｎｄ ５ｄ Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ Ｍｅｔａｌｓ"， Ｐ
ｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ ６７， ３５９８（１９９１
）（本言及によりこの明細書に組み込まれるものとする）で開示されている交換
カップリングを使って、交互磁性層を反強磁的にカップリングするよう導電性ス
ペーサ層の厚さを選択することにより、逆平行になるよう作ることができる。た
だし、この実施形態は、軟磁性層の回転だけにより生じる正味の抵抗の変化に依
存するため、ある意味で初期状態は任意になる。さらに、一部またはすべての強
磁性層の磁気モーメントの円周方向成分は、環と同軸の補助通電線を使うことに
より、管理または設定が可能である。図１１は、装置の環と同軸の補助通電線１
９を有する、本発明の装置を示した図である。このような通電線は、装置の中央
部を貫通し、強磁性環から電気的に分離されている。この通電線内の電流は、円
周方向の磁場を生じる。（図の簡潔化のため、導線、第１結合メンバーの分子、
および第２結合メンバーの分子は図示せず。）同様な構造は、前記Ｐｒｉｎｚの
第５，５４１，８６８号特許に記載されている。代替案としては、Ｐｒｉｎｚの
第５，５４１，８６８号特許に記載されているとおり、直接スタック層を貫く、
これらの層に垂直な補助電流を流すこともできる。
【００４１】 第２の実施形態も巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）装置であり、Ｐｒｉｎｚの第５，５
４１，８６８号特許に記載されている、追加効果を持つ前記構造を使用している
。Ｐｒｉｎｚの第５，５４１，８６８号特許では、環スタックを貫く電流により
、軟磁性層の磁化方向が逆転することが記載されている。この電流とカップリン
グされ、逆転が誘導される磁性粒子の半径方向の磁場では、電流または粒子場に
より設定されるしきい値と、粒子場または電流により超えられるしきい値が考慮
される。粒子による磁場の効果は、軟磁性層モーメントの半径方向への回転であ
る。環、同軸導線（上記参照）、またはこれらの組み合せへ流される電流は、次
に（１つまたは複数の）軟磁性内のモーメントを元の方向に対し逆回転させる。
追加「後押し」をするビーズが存在すると、素子は高い状態または低い状態に「
ラッチ」（固定）される。この実施形態も、面内電流（ＣＩＰ）配置または膜面
垂直電流（ＣＰＰ）配置にすることができる。
【００４２】 第３の実施形態も巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）装置であり、同一または略同一の保
磁力を持つ２つ以上の磁性層を有する（２つ以上の軟磁性層など）。これらの層
は、非磁性・導電性スペーサにより分離されている。スペーサの厚さを適切に選
ぶことにより、Ｓ．Ｓ．Ｐ． Ｐａｒｋｉｎの"Ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃ Ｖａｒ
ｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ Ｏｓｃｉｌｌａｔｉ
ｏｎ Ｐｅｒｉｏｄ ｏｆ Ｉｎｄｉｒｅｃｔ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｅｘｃｈａ
ｎｇｅ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ３ｄ， ４ｄ， ａｎｄ
５ｄ Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ Ｍｅｔａｌｓ"， Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖ
ｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ ６７， ３５９８（１９９１）（本言及によりこの明
細書に組み込まれるものとする）で記載されている交換カップリングを使って、
装置がその高い抵抗状態になるよう、交互配置の磁性層を反整列するようにでき
る。固定された磁性粒子がある場合、全強磁性層の磁気モーメントは半径方向に
シフトし、装置の抵抗は低下する。全層のモーメントが逆平行からシフトするた
め、この実施形態は「ハサミモード」と呼ばれる。この実施形態の操作は、さら
に図１２ａおよび図１２ｂに示されている。図１２ａおよび図１２ｂは、それぞ
れ固定された磁性粒子７０を伴わない磁気検出素子１２０、および固定された磁
性粒子７０を伴う磁気検出素子１２０を示す断面図である。（図の簡潔化のため
、導線、第１結合メンバーの分子、および第２結合メンバーの分子は図示せず。
）これらの図において、バツマークはページへ垂直に入る方向の環状の磁気モー
メント成分を表し、丸点マークはページから垂直に出てくる方向の環状の磁気モ
ーメント成分を表す。図１２ａに示すとおり、固定された粒子がない場合、頂部
軟磁性層３２０の磁気モーメントＦは時計方向で、底部軟磁性層２２０の磁気モ
ーメントＧは反時計方向である。図１２ｂに示すとおり、垂直成分Ｃおよび半径
方向成分Ｄを伴う周辺場を有する固定された粒子７０がある場合、頂部軟磁性層
３２０および底部軟磁性層２２０の磁気モーメントは、矢印Ｈおよび矢印Ｊで示
すように、どちらも半径方向になる。磁気モーメントが逆平行から平行になると
、抵抗は低下する。抵抗の測定については、この実施形態は、面内電流（ＣＩＰ
）配置または膜面垂直電流（ＣＰＰ）配置を有すことが可能である。
【００４３】 図１３に示した第４の実施形態は、磁気トンネル接合（ｍａｇｎｅｔｉｃ ト
ンネル接合、略称ＭＴＪ）装置である。この装置は、１つの強磁性層２３０およ
び１つの軟磁性層３３０からなる２つの強磁性層を有し、この２つの強磁性層は
、非磁性絶縁体４３０により分離されている。（基本的に、非強磁性層が導体で
なく絶縁体であることを除けば、これは第１の実施形態と同じ構造である。また
、第１の実施形態と同様、硬磁性層および軟磁性層の相対位置は逆にすることも
できる。）導電性の導線１６０および導線１８０は、強磁性層を貫く、これら強
磁性層の磁気モーメントに垂直な電流を提供する。（図の簡潔化のため、第１結
合メンバーの分子および第２結合メンバーの分子は図示せず。）この実施形態は
、第１の実施形態における「半ハサミ」モードを利用している。ただし、磁気ト
ンネル接合は、ＧＭＲ構造と比べ、一般により大きな抵抗変化をもたらす。
【００４４】 第５の実施形態も第４の実施形態と同様、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）装置で
あり、第２の実施形態のように電流を使って装置を「ラッチ」する。原則として
、各層の磁化方向を逆回転するよう、「スイッチ」電流を環に流すことが可能で
ある。実際には、この目的に必要な大電流を流すと、トンネル接合はおそらく損
傷を受けるであろう。この目的には、同軸補助導線を使うことがより望ましい。
【００４５】 第６の実施形態は異方性磁気抵抗（Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ Ｍａｇｎｅｔｏ
ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ、略称ＡＭＲ）装置で、面内電流（ＣＣＰ）の円周方向に検
出素子を貫く電流を導く、１つ以上の強磁性層および導線を含む。磁性粒子から
の摂動場がないため、強磁性層の磁化方向は、この電流に平行または逆平行であ
る。磁性粒子の周辺場の半径方向の成分により、強磁性層のモーメントは半径方
向に揃い、電流に垂直になる。これにより、検出電流と材料の内部磁化方向がな
す角度の関数として観測可能な磁気抵抗差が生じる。抵抗率ΔＲ／Ｒは、下記の
ように変化する。
【００４６】
【数６】
【００４７】 ここで、φは電流と磁化方向がなす角度で、αは、一般に材料に応じて±０．
０４となるＡＭＲ係数である。抵抗は、検出電流と材料の内部磁化方向のなす角
度の変化に伴い、ＡＭＲ係数の符号に応じて増加または減少する。この実施形態
による面内電流磁気検出素子で達成可能な信号は、以下のように算出できる。環
装置の抵抗は、次式で与えられる。
【００４８】
【数７】
【００４９】 ここで、σは導電率、ｒｉおよびｒｏはそれぞれ環の内径および外径、ｔは環
の厚さを表す。厚さｔ＝２５０Ａ（オングストローム）、ｒｏ／ｒｉ＝１．５の
パーマロイ環の場合、抵抗は約３ｋΩになる。したがって、１．５％ＡＭＲの場
合、磁性粒子による抵抗の変化ΔＲは、約５０Ωになる。ＧＭＲベースの面内電
流装置は同程度の抵抗を持つことが期待されるが、ΔＲ／Ｒは１０％以上になる
と考えられる。
【００５０】 図１４ａおよび図１４ｂは、それぞれ固定された磁性粒子を伴わない前記ＡＭ
Ｒベースの装置、および固定された磁性粒子を伴う前記ＡＭＲベースの装置を示
す斜視図である。（図の簡潔化のため、第１結合メンバーの分子および粒子は図
示せず。）この磁気検出素子は、環を貫く電流Ｉを導く導線１１２および導線１
１４を伴った強磁性環１４０を有する。固定された粒子がない場合、強磁性環は
、矢印Ｋで示すように、環状の磁気モーメントを有する。磁気モーメントは、電
流方向に平行または逆平行である。固定された磁性粒子がある場合、磁気モーメ
ントは、矢印Ｊで示すように半径方向になり、電流方向に垂直になる。これによ
り、前記の観測可能な抵抗の変化が生み出される。
【００５１】 前記の検出装置および磁気検出素子は、従来のリソグラフィーを含む既知の材
料蒸着方法により、容易に製造できる。前記結合メンバーは、表面および粒子へ
の従来の分子付着方法により、磁気検出素子および磁化可能粒子に付着させるこ
とができる。
【００５２】 磁気検出素子の材料および外形寸法は、典型的にはＰｒｉｎｚの第５，５４１
，８６８号特許での記載どおりにできる。特に、強磁性環は厚さ約１０オングス
トローム〜約１００オングストロームであることが望ましい。また、非磁性導電
性層および環は、厚さ約１０オングストローム〜約１００オングストロームであ
ることが好ましい。
【００５３】 典型的に、強磁性環はＦｅ、Ｃｏ、またはＮｉで作られる。典型的に、硬磁性
・強磁性材料は、米国特許第４，４０２，７７０号（Ｋｏｏｎ）（本言及により
この明細書に組み込まれるものとする）で記載されている合金から選ぶ。典型的
に、軟磁性磁性材料は、米国特許第４，４０２，０４３号（Ｋｏｏｎ）（本言及
によりこの明細書に組み込まれるものとする）で記載されている合金から選ぶ。
典型的に、固定された磁性状態を有する強磁性環は、反強磁性的に固定されてい
る。典型的に、強磁性環または反強磁性的に固定された硬磁性環は、少なくとも
１００Ｏｅの保磁場を有し、より軟磁性・強磁性環は、１００Ｏｅ未満の保磁場
を有する。
【００５４】 典型的に、反強磁性のピニング層は、酸化鉄などの酸化金属を有する。典型的
に、反強磁性のピニング層は、ＦｅＭｎといったＣｒまたはＭｎの合金などで、
ＣｒまたはＭｎを有する。強磁性環（特に軟磁性・強磁性環）は、それらの磁気
モーメントの容易な軸が環に対し時計方向または反時計方向に導かれるよう、ポ
ール付きであることが好ましい。
【００５５】 典型的に、非強磁性層はＣｕ、Ａｕ、Ｐｔ、またはＡｇを有する。
【００５６】 本発明の実施に適切な磁性粒子または磁化可能粒子は、典型的に米国特許第５
，９８１，２９７号（Ｂａｓｅｌｔ）記載されている。特に、粒子には、ナノメ
ートルサイズの酸化鉄結晶子、ナノメートルサイズの酸化鉄結晶子で含浸した高
分子、または酸化鉄結晶子で充填した多孔性のガラスで作ったビーズまたは他の
粒子を使用できる。このような粒子は、一般に分子生物学で磁選に使われ、Ｄｙ
ｎａｌ， Ｉｎｃ．（Ｌａｋｅ Ｓｕｃｃｅｓｓ市、ＮＹ州）、Ｂａｎｇｓ Ｌ
ａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ， Ｉｎｃ．（Ｃａｎｎｅｌ市、ＩＮ州）、ＣＰＧ，Ｉ
ｎｃ．（Ｌｉｎｃｏｌｎ Ｐａｒｋ市、ＮＪ州）、ＰｅｒＳｅｐｔｉｖｅ Ｂｉ
ｏｓｙｓｔｅｍｓ（Ｆｒａｍｉｎｇｈａｍ市、ＭＡ州）など、いくつかの企業で
製造されている。結合アッセイに役立つ、典型的な磁化可能粒子のサイズ範囲は
、約０．８μｍ〜約３μｍである。これらの粒子は、ストレプトアビジン、抗体
、またはＤＮＡなどの分子を固定するために使える表面機能グループで得られる
。これらの粒子は、本質的に常磁性体として振る舞う。すなわち、それらの磁化
は外部磁場の関数で表せ、その磁場を取り除くと、粒子の磁化はゼロになる。こ
の「緩和」は瞬時には起らず、典型的にマイクロ秒またはミリ秒単位の時間スケ
ールで起る。硬磁性・強磁性材料（ＮｄＦｅＢなど）、軟磁性・強磁性材料（鉄
など）、またはフェリ磁性材料（ミクロサイズの酸化鉄またはフェライト粒子な
ど）で作った粒子も、磁気標識として使用できる。主に磁性材料総体積がより高
いことにより、これらの３タイプの材料は、磁化後、前述した各材料より実質的
により大きい磁気モーメントを達成することができる。ただし、硬磁性・強磁性
材料も外部磁場がなくなったのち磁性を保つ。球形状の軟磁性・強磁性材料およ
びフェリ磁性材料は、外部磁場がなくなると自然に消磁される。これらの粒子は
、永久的に磁化された粒子に対し実施する本発明において好ましい。これは、磁
化された粒子が凝集してアッセイでの利用を困難にする傾向があるためである。
【００５７】 図１５に示すとおり、典型的な本発明のアッセイ装置は、固体表面６０上に磁
気検出素子の配列１０を有する。（図の簡潔化のため、導線は図示せず。）最新
のマイクロ加工技術を使うと、千個単位または百万個単位の磁気検出素子を有す
るアッセイ装置が製造可能である。図１５に図示したとおり、各磁気検出素子は
、素子の頂部中央に付着した第１結合メンバーの分子１５を有する。
【００５８】 ただし、それぞれが精密に配置された第１結合メンバーの分子を有する、千個
単位または百万個単位の磁気検出素子配列を製造するには、膨大なコストが必要
になる。この問題を回避するための代替配置が、図１６に示されている。ここで
は、第１結合メンバーの分子５０は、磁気検出素子１０を含む固体表面６０の全
領域にわたり、無作為にパターン化されている。（図の簡潔化のため、導線は図
示せず。）この無作為パターン化により、一部の磁気検出素子は有用な位置およ
び方向に第１結合メンバーの分子が付着する結果となり、他の一部はそれ以外の
結果となる。磁性粒子の検出は、統計計算により決定される。これらセンサが持
つ高い充填密度により、表面の充填因子（５０％弱）が高まり、著しく高い割合
のビーズが、多数の磁気検出素子のほぼ中央に付着する。このような実績により
、センサ上のビーズとセンサから離れているビーズとの識別がより明瞭に識別さ
れるという、付加的な利点が得られる。これは、環センサが、センサから離れて
いるビーズに対し反応しないためである。
【００５９】 明らかに、本発明は上記の説明に照らして種々の変形が可能である。したがっ
て、本発明は、本発明の添付した請求項に述べる範囲で他の形態でも実施可能で
あることは言うまでもない。
【００６０】 本発明は、次の発明の実施の形態の項の説明および添付した図面を参照するこ
とで、より明確な理解が迅速に得られる。なお、異なる図面中で使われる同様な
参照符号は、同一の構造または要素を表す。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、１つの軟磁性・強磁性層と、１つの非強磁性層と、１つの硬磁性・強
磁性層とを有する、本発明の磁気検出素子の実施形態を示す斜視図。
【図２】 図２は、複数の軟磁性・強磁性層と、複数の硬磁性・強磁性層と、複数の非強
磁性層とを有する、本発明の磁気検出素子の実施形態を示す斜視図。
【図３】 図３は、面内電流（Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｉｎ−Ｐｌａｉｎ、略称ＣＩＰ）配置の
導線を有する、本発明の実施形態における磁気検出素子を示す斜視図。
【図４】 図４は、膜面垂直電流（ｃｕｒｒｅｎｔ−ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ−ｔｏ
−ｐｌａｎｅ、略称ＣＰＰ）配置の導線を有する、本発明の実施形態における磁
気検出素子を示す斜視図。
【図５】 図５は、典型的な結合アッセイ中の磁気検出装置を示す斜視図。
【図６】 図６は、典型的な３層素子における各層の磁気モーメントを示す分解斜視図。
【図７】 図７は、装置上への磁性粒子の固定により、典型的な磁気検出素子の磁化がい
かに影響されるかを示す図。
【図８】 図８は、磁気検出素子上に固定された磁性粒子を示す横断面線図。
【図９】 図９は、磁気検出素子上に固定された磁性粒子と、スタンドオフ距離ｚ（ビー
ズ半径単位）に対するＢρの依存性を半径方向の距離ρの関数として図示したも
のとの重ね合せ横断面図。
【図１０】 図１０ａは、固定された磁性粒子を伴わない、第１実施形態の磁気検出素子を
示す横断面図。 図１０ｂは、固定された磁性粒子を伴った、第１実施形態の磁気検出素子を示
す横断面図。
【図１１】 図１１は、補助通電線を伴った磁気検出素子を示す斜視図。
【図１２】 図１２ａは、固定された磁性粒子を伴わない、第３実施形態の磁気検出素子を
示す横断面図。 図１２ｂは、固定された磁性粒子を伴った、第３実施形態の磁気検出素子を示
す横断面図。
【図１３】 図１３は、第４実施形態の磁気検出素子を示す斜視図。
【図１４】 図１４ａは、固定された磁性粒子を伴わない、第６実施形態の磁気検出素子を
示す斜視図。 図１４ｂは、固定された磁性粒子を伴った、第６実施形態の磁気検出素子を示
す斜視図。
【図１５】 図１５は、磁気検出素子の配列を有する検出装置の実施形態を示す斜視図。こ
こで、各検出素子は、第１結合メンバーでパターン化されている。
【図１６】 図１６は、磁気検出素子の配列を有する検出装置の実施形態を示す斜視図。こ
こで、配列全体は、第１結合メンバーで無作為にパターン化されている。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2G045 DA13 DA36 FA36 FB02 FB03 2G053 AB19 CA18 DA01 DB03

Claims (30)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 結合アッセイ用の磁気検出素子であって、 （ｉ）初期状態において層面内に環状の磁気モーメントを有する導電性・強
    磁性材料の少なくとも１つの平面層と、 （ｉｉ）前記層面に垂直で前記環状の磁気モーメントの中心を貫く軸上の点
    に磁化可能粒子を固定する手段と、 （ｉｉｉ）前記磁化可能粒子が前記磁気検出素子に結合することにより生じ
    る、この磁気検出素子の磁気抵抗の変化を検出する手段と を有する磁気検出素子。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の磁気検出素子において、前記磁化可能粒子を固
    定する手段は、直接的または間接的に磁化可能粒子に結合する特定結合メンバー
    の分子を有し、この結合メンバーの分子は、前記層面に垂直で前記環状の磁気モ
    ーメントの中心を貫く軸上の点で磁化可能粒子が前記磁気検出素子に結合するよ
    うな空間的な向きでこの磁気検出素子に付着している。
  3. 【請求項３】 結合アッセイ用の磁気検出素子であって、 （ｉ）強磁性層のスタックであって、 層面内に固定された環状の磁気モーメントを有する導電性・硬磁性・強磁
    性材料の平面層と、 初期状態において層面内に環状の磁気モーメントを有する導電性・軟磁性
    ・強磁性材料の平面層と、 前記導電性・硬磁性・強磁性材料の層と、前記導電性・軟磁性・強磁性材
    料とを分離する導電性・非強磁性材料の平面層と、 を有し、 前記導電性・硬磁性・強磁性材料の環状の磁気モーメントの中心と前記導
    電性・軟磁性・強磁性材料の環状の磁気モーメントの中心は同軸である、 強磁性層のスタックと、 （ｉｉ）この磁気検出素子の前記層面に垂直でかつ前記環状の磁気モーメン
    トの中心を貫く軸上の点に磁化可能粒子を固定する手段と、 （ｉｉｉ）前記磁化可能粒子が前記磁気検出素子に結合することにより生じ
    る、この磁気検出素子の磁気抵抗の変化を検出する手段と を有する磁気検出素子。
  4. 【請求項４】 請求項３記載の磁気検出素子において、前記磁化可能粒子を固
    定する手段は、直接的または間接的に磁化可能粒子に結合する特定結合メンバー
    の分子を有し、この結合メンバーの分子は、前記層面に垂直で前記環状の磁気モ
    ーメントの中心を貫く軸上の点で磁化可能粒子がこの磁気検出素子に結合するよ
    うな空間的向きでこの磁気検出素子に付着している。
  5. 【請求項５】 結合アッセイ用の磁気検出素子であって、 （ｉ）強磁性層のスタックであって、 導電性・硬磁性・強磁性材料の複数の平面層であって、この各層は面内に
    環状の磁気モーメントを有し、これらの磁気モーメントは互いに平行である、導
    電性・硬磁性・強磁性材料の複数の平面層と、 導電性・軟磁性・強磁性材料の複数の平面層であって、この各層は、初期
    状態において、各層内に環状の磁気モーメントを有し、これらの磁気モーメント
    は互いに平行である、導電性・軟磁性・強磁性材料の複数の平面層と を有し、 前記導電性・硬磁性・強磁性材料の複数の平面層と、導電性・軟磁性・強
    磁性材料の複数の平面層とは、それぞれ導電性・非強磁性材料の平面層により互
    いに分離されており、前記導電性・硬磁性・強磁性材料の環状の磁気モーメント
    の中心と、前記導電性・軟磁性・強磁性材料の環状の磁気モーメントの中心とは
    、すべて同軸である、 強磁性層のスタックと、 （ｉｉ）この磁気検出素子の前記層面のすべてに垂直でかつ前記環状の磁気
    モーメントのすべての中心を貫く軸上の点に磁化可能粒子を固定する手段と、 （ｉｉｉ）前記磁化可能粒子が前記磁気検出素子に結合することにより生じ
    る、この磁気検出素子の磁気抵抗の変化を検出する手段と を有する磁気検出素子。
  6. 【請求項６】 請求項５記載の磁気検出素子において、前記磁化可能粒子を固
    定する手段は、直接的または間接的に磁化可能粒子に結合する特定結合メンバー
    の分子を有し、この結合メンバーの分子は、前記層面のすべてに垂直で前記環状
    の磁気モーメントのすべての中心を貫く軸上の点で、磁化可能粒子が前記磁気検
    出素子に結合するよう、ある空間的方向でこの磁気検出素子に付着している。
  7. 【請求項７】 結合アッセイにおいて磁性粒子を固定および検出するための検
    出装置であって、 （ｉ）磁気検出素子であって、初期状態において層面内に環状の磁気モーメ
    ントを有する導電性・強磁性材料の少なくとも１つの平面層であって、この磁気
    検出素子には第１特定結合メンバーの分子が付着しており、この第１特定結合メ
    ンバーの分子は、結合アッセイで前記平面層に対して直接的または間接的に磁性
    粒子を固定できるよう、また、磁性粒子周辺の場が、導電性・強磁性材料の少な
    くとも１つの層の磁気モーメントを環状方向から半径方向へシフトさせることに
    より、磁気検出素子の電気抵抗に検出可能な変化を生じさせられるよう、選択お
    よび配置されている、導電性・強磁性材料の少なくとも１つの平面層を有する、
    磁気検出素子と、 （ｉｉ）前記磁気検出素子の電気抵抗の変化を検出する手段と を有する。
  8. 【請求項８】 請求項７記載の検出装置において、前記磁気検出素子は、 強磁性層のスタックであって、 層面内に固定された環状の磁気モーメントを有する、導電性・硬磁性・強磁
    性材料の平面層と、 初期状態において層面内に環状の磁気モーメントを有する、導電性・軟磁性
    ・強磁性材料の平面層と を有し、 前記導電性・硬磁性・強磁性材料の層と、前記導電性・軟磁性・強磁性材料
    の層は、導電性・非強磁性材料の平面層により互いに分離されている 強磁性層のスタックを有する。
  9. 【請求項９】 請求項８記載の検出装置において、初期状態では、前記導電性
    ・軟磁性・強磁性材料の平面層の前記環状の磁気モーメントは、前記導電性・硬
    磁性・強磁性材料の平面層の前記環状の磁気モーメントに平行である。
  10. 【請求項１０】 請求項８記載の検出装置において、初期状態では、前記導電
    性・軟磁性・強磁性材料の平面層の前記環状の磁気モーメントは、前記導電性・
    硬磁性・強磁性材料の平面層の前記環状の磁気モーメントに逆平行である。
  11. 【請求項１１】 請求項８記載の検出装置において、前記磁気検出素子は、 強磁性環が同軸状に積層されてなるスタックであって、 層面内に固定された環状の磁気モーメントを有する導電性・硬磁性・強磁性
    材料の環と、 初期状態において層面内に環状の磁気モーメントを有する導電性・軟磁性・
    強磁性材料の環と を有し、 前記導電性・硬磁性・強磁性材料の環と前記導電性・軟磁性・強磁性材料の
    環は導電性・非強磁性材料の環により互いに分離されており、 前記検出装置は、さらに、前記導電性・軟磁性・強磁性材料の環の前記環状
    の磁気モーメントの方向を反転させる手段を含む スタックを有する。
  12. 【請求項１２】 請求項１１記載の検出装置において、前記導電性・軟磁性・
    強磁性材料の環の前記環状の磁気モーメントの方向を反転させる手段は、前記環
    を軸方向に貫通する通電線を含む。
  13. 【請求項１３】 請求項７記載の検出装置において、前記磁気検出素子は、 強磁性層のスタックであって、 層面内に固定された環状の磁気モーメントを有する、導電性・強磁性材料の
    第１平面層と、 初期状態において層面内に環状の磁気モーメントを有する、導電性・強磁性
    材料の第２平面層と を有し、 前記導電性・強磁性材料の第１平面層と、前記導電性・強磁性材料の第２平
    面層とは、導電性・非強磁性材料の平面層により互いに分離されており、これら
    第１平面層と第２平面層は、互いに等しい保磁力を有し、この第１平面層の前記
    環状の磁気モーメントと、この第２平面層の前記環状の磁気モーメントとは逆平
    行である 強磁性層のスタックを有する。
  14. 【請求項１４】 請求項７記載の検出装置において、前記磁気検出素子は、 強磁性層のスタックであって、 導電性・硬磁性・強磁性材料の複数の平面層であって、この各層は面内に環
    状の磁気モーメントを有し、これらの磁気モーメントは互いに平行である、導電
    性・硬磁性・強磁性材料の複数の平面層と、 導電性・軟磁性・強磁性材料の複数の平面層であって、この各層は、初期状
    態において、各層内に環状の磁気モーメントを有し、これらの磁気モーメントは
    互いに平行である、導電性・軟磁性・強磁性材料の複数の平面層と を有し、 前記導電性・硬磁性・強磁性材料の複数の平面層と、前記導電性・軟磁性・
    強磁性材料の複数の平面層とは、それぞれ導電性・非強磁性材料の平面層により
    互いに分離されている 強磁性層のスタックを有する。
  15. 【請求項１５】 検体の存在を検出する検出装置であって、 （ｉ）磁気検出素子であって、初期状態において層面内に環状の磁気モーメ
    ントを有する導電性・強磁性材料の少なくとも１つの平面層を有し、第１特定結
    合メンバーの分子が付着した、磁気検出素子と、 （ｉｉ）第２特定結合メンバーの分子が付着した磁化可能粒子を含む流体試
    験媒体において、 この磁化可能粒子は、半径方向成分と垂直成分とからなる周辺場を有し、 前記第１特定結合メンバーおよび前記第２特定結合メンバーは、これら両
    者が相互作用することにより、試験媒体中の検体の量に応じて前記磁気検出素子
    に対し前記磁化可能粒子が固定されるよう、選択されており、 前記磁化可能粒子および前記磁気検出素子の相対サイズと、第１特定結合
    メンバーの分子の位置とは、磁化可能粒子が磁気検出素子に対し固定された際、
    この磁化可能粒子の周辺場の半径方向成分が、導電性・強磁性材料の少なくとも
    １つの層の磁気モーメントを環状方向から半径方向にシフトさせることにより、
    この磁気検出素子の電気抵抗に検出可能な変化を生じさせられるよう、選択され
    ている 流体試験媒体と、 （ｉｉｉ）前記磁気検出素子の電気抵抗の変化を検出する手段と を有する検出装置。
  16. 【請求項１６】 請求項１５記載の検出装置において、前記磁化可能粒子は、
    軟磁性・強磁性のビーズである。
  17. 【請求項１７】 請求項１５記載の検出装置において、前記磁気検出素子の電
    気抵抗の変化を検出する手段は、この磁気検出素子内の電流を前記平面層に平行
    に導くよう配置された導線と、電気抵抗の変化に応答して、これら導線間の電流
    または電圧の変化を検出する手段とを有する。
  18. 【請求項１８】 請求項１５記載の検出装置において、前記磁気検出素子は、 強磁性層のスタックであって、 層面内に固定された環状の磁気モーメントを有する、導電性・硬磁性・強磁
    性材料の平面層と、 初期状態において層面内に環状の磁気モーメントを有する、導電性・軟磁性
    ・強磁性材料の平面層と を有し、 前記導電性・硬磁性・強磁性材料の平面層と、前記導電性・軟磁性・強磁性
    材料の平面層とは、導電性・非強磁性材料の平面層により互いに分離されている 強磁性層のスタックを有する。
  19. 【請求項１９】 請求項１５記載の検出装置において、前記磁気検出素子は、 強磁性層のスタックであって、 層面内に固定された環状の磁気モーメントを有する、導電性・軟磁性・強磁
    性材料の第１平面層と、 初期状態において層面内に環状の磁気モーメントを有する、導電性・軟磁性
    ・強磁性材料の第２平面層と を有し、 前記導電性・硬磁性・強磁性材料の平面層と、前記導電性・軟磁性・強磁性
    材料の平面層とは、導電性・非強磁性材料の平面層により互いに分離されており
    、前記第１平面層の環状の磁気モーメントと、前記第２平面層の環状の磁気モー
    メントは逆平行である 強磁性層のスタックを有する。
  20. 【請求項２０】 請求項１８記載の検出装置において、前記磁気検出素子の電
    気抵抗の変化を検出する手段は、電流がこの磁気検出素子内を前記平面層に垂直
    に流れるよう、また前記環状の磁気モーメントの軸上を流れるよう配置された導
    線と、電気抵抗の変化に応答して、これら導線間の電流または電圧の変化を検出
    する手段とを有する。
  21. 【請求項２１】 請求項１８記載の検出装置において、初期状態では、前記導
    電性・軟磁性・強磁性材料の平面層の前記環状の磁気モーメントは、前記導電性
    ・硬磁性・強磁性材料の平面層の前記環状の磁気モーメントに逆平行である。
  22. 【請求項２２】 請求項１８記載の検出装置において、初期状態では、前記導
    電性・軟磁性・強磁性材料の平面層の前記環状の磁気モーメントは、前記導電性
    ・硬磁性・強磁性材料の平面層の前記環状の磁気モーメントに平行である。
  23. 【請求項２３】 請求項１５記載の検出装置において、前記磁気検出素子は、 強磁性層のスタックであって、 導電性・硬磁性・強磁性材料の複数の平面層であって、この各層は面内に環
    状の磁気モーメントを有し、これらの磁気モーメントは互いに平行である、導電
    性・硬磁性・強磁性材料の複数の平面層と、 導電性・軟磁性・強磁性材料の複数の平面層であって、この各層は、初期状
    態において、各層内に環状の磁気モーメントを有し、これらの磁気モーメントは
    互いに平行である、導電性・軟磁性・強磁性材料の複数の平面層と を有し、 前記導電性・硬磁性・強磁性材料の複数の平面層と、前記導電性・軟磁性・
    強磁性材料の複数の平面層とは、それぞれ導電性・非強磁性材料の平面層により
    互いに分離されている 強磁性層のスタックを有する。
  24. 【請求項２４】 請求項２３記載の検出装置において、前記磁気検出素子の電
    気抵抗の変化を検出する手段は、電流がこの磁気検出素子内を前記平面層に垂直
    に流れるよう、また前記環状の磁気モーメントの軸上を流れるよう配置された導
    線と、電気抵抗の変化に応答して、これら導線間の電流または電圧の変化を検出
    する手段とを有する。
  25. 【請求項２５】 請求項２３記載の検出装置において、無摂動状態では、前記
    導電性・軟磁性・強磁性材料の平面層の前記環状の磁気モーメントは、前記導電
    性・硬磁性・強磁性材料の平面層の前記環状の磁気モーメントに逆平行である。
  26. 【請求項２６】 請求項２３記載の検出装置において、初期状態では、前記導
    電性・軟磁性・強磁性材料の平面層の前記環状の磁気モーメントは、前記導電性
    ・硬磁性・強磁性材料の平面層の前記環状の磁気モーメントに平行である。
  27. 【請求項２７】 請求項１５記載の検出装置において、前記磁気検出素子は、 強磁性層のスタックであって、 初期状態において、層面内に環状の磁気モーメントを有する、導電性・強磁
    性材料の第１平面層と、 初期状態において、層面内に環状の磁気モーメントを有する、導電性・強磁
    性材料の第２平面層と、 前記導電性・強磁性材料の第１平面層と前記非導電性・強磁性材料の第２平
    面層間における、非導電性・非強磁性材料の平面層と を有し、 前記導電性・強磁性材料の第１平面層と、前記導電性・強磁性材料の第２平
    面層と、非導電性・非強磁性材料の平面層とは、これら全体で磁気トンネル接合
    を形成する 強磁性層のスタックを有する。
  28. 【請求項２８】 請求項１５記載の検出装置において、 前記磁気検出素子は、初期状態において層面内に環状の磁気モーメントを有
    する、導電性・強磁性材料の平面層を有し、 前記磁気検出素子に対し前記磁化可能粒子が固定されるため、異方性の磁気
    抵抗効果により、前記磁気検出素子の電気抵抗に検出可能な変化が生じ、 前記磁気検出素子の電気抵抗の変化を検出する手段は、 この磁気検出素子内の電流を前記平面層に平行に導くよう配置された導線と、異
    方性の磁気抵抗効果に応答して、これら導線間の電流または電圧の変化を検出す
    る手段とを有する。
  29. 【請求項２９】 検体の存在を検出する検出装置であって、この検出装置の検
    出部であるセンサであって、 硬表面と、 前記表面上の複数の磁気検出素子であって、その各磁気検出素子は、初期状
    態において層面内に環状の磁気モーメントを有する導電性・強磁性材料の少なく
    とも１つの平面層を有し、これらの磁気検出素子には第１特定結合メンバーの分
    子が付着した前記表面上の複数の磁気検出素子と、 第２特定結合メンバーの分子が付着した複数の磁化可能粒子を含む流体試験
    媒体と を有するセンサにおいて、 各磁化可能粒子が、半径方向成分および垂直成分からなる周辺場を有し、 前記第１特定結合メンバーおよび前記第２特定結合メンバーは、これら両者
    が相互作用することにより、試験媒体中の検体の量に応じて前記磁気検出素子に
    対し前記磁化可能粒子が固定されるよう、選択されており、 前記磁化可能粒子および前記磁気検出素子の相対サイズと、第１特定結合メ
    ンバーの分子の位置とは、磁化可能粒子が磁気検出素子に対し固定された際、こ
    の磁化可能粒子の周辺場の半径方向成分が、導電性・強磁性材料の少なくとも１
    つの層の磁気モーメントを環状方向から半径方向にシフトさせることにより、こ
    の磁気検出素子の電気抵抗に検出可能な変化を生じさせられるよう、選択されて
    おり、 前記磁気検出素子の電気抵抗の変化を検出する手段 を有するセンサを有する。
  30. 【請求項３０】 試験サンプル中の検体の存在または量を決定する方法であっ
    て、 （１）検出装置を提供する工程であって、この検出装置は、 （ａ）複数の磁気検出素子であって、その各磁気検出素子は、初期状態に
    おいて層面内に環状の磁気モーメントを有する導電性・強磁性材料の少なくとも
    １つの平面層を有し、この各磁気検出素子には、第１特定結合メンバーの分子が
    付着している、複数の磁気検出素子と、 （ｂ）前記各磁気検出素子の電気抵抗の変化を検出する手段と を有する、検出装置を提供する工程と、 （２）流体試験媒体に検出装置を露出する工程であって、この試験媒体は、
    検体を含む可能性があり、複数の磁化可能粒子を含んでおり、各磁化可能粒子に
    は第２特定結合メンバーの分子が付着している、試験媒体に検出装置を露出する
    工程において、 前記第１特定結合メンバーおよび前記第２特定結合メンバーは、これら両
    者が相互作用する、または検体に対し競合的に反応することにより、試験媒体中
    の検体の量と直接的関係または逆関係で、前記磁気検出素子に対し前記磁化可能
    粒子が固定されるよう、選択されており、 前記磁化可能粒子および前記磁気検出素子の相対サイズと、第１特定結合
    メンバーの分子の位置とは、特定の磁化可能粒子が特定の磁気検出素子に対し固
    定された際、この磁化可能粒子の周辺場の半径方向成分が、導電性・強磁性材料
    の少なくとも１つの層の磁気モーメントを環状方向から半径方向にシフトさせる
    ことにより、この磁気検出素子の電気抵抗に検出可能な変化を生じさせられるよ
    う、選択されている 試験媒体に検出装置を露出する工程と、 （３）磁化可能粒子を磁化する工程と、 （４）前記磁化可能粒子の固定に応答して、磁気検出素子の電気抵抗のすべ
    ての変化を検出するため、各磁気検出素子の抵抗を監視する工程と を有する。
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