JP2005513475A - マイクロアレイ上の磁気ナノ粒子の領域密度を測定するセンサー及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、バイオチップ上の生物学的な分子の結合の磁気検出のための方法及び装置に関する。マイクロアレイ上のターゲットサンプル（１１）に直接的又は間接的に結合している磁気ナノ粒子（１５）の領域密度を測定するための磁気抵抗センサー装置が記載される。磁気抵抗センサー装置は、ターゲットサンプル（１１）に対して選択的に結合できる結合部位（９）を有する基板（３）と、ターゲットサンプルに結合したナノ粒子（１５）の磁界を検出するための磁気抵抗センサーとを有する。磁気抵抗センサーは、複数の磁気抵抗センシング要素（１７、１９）を有し、その幅及び長さは、ナノ粒子（１５）の直径よりも大きく、少なくとも１０倍以上であり、好ましくは１００倍以上である。同様に、対応する方法が記載される。

Description

本発明は、無作為に位置付けられたナノメートル規模の磁気粒子をセンシングするための方法及び装置に関する。より詳細には、マイクロアレイ又はバイオチップ上の生物学的分子の結合のための磁気検出装置及び方法に関する。

マイクロアレイ又はバイオチップの導入は、ＤＮＡ（デオキシリボ核酸）、ＲＮＡ（リボ核酸）及びタンパク質の分析に革命を起こしている。例えば、ヒューマンジェノタイピング（病院で、又は個人の医者若しくは看護婦によって）、細菌学的なスクリーニング、生物学的且つ薬学的な研究に応用される。

バイオセンサーチップ、生物学的なマイクロチップ、ジーンチップ又はＤＮＡチップとも呼ばれるバイオチップは、チップの明確な領域上で完全に一致する場合に結合できて解析される分子若しくは分子の断片に多数の異なるプローブ分子が付加された基板の簡素な形態を構成する。例えば、ＤＮＡ分子の断片は、一つの独特な相補鎖ＤＮＡ（ｃＤＮＡ）の分子断片に結合する。結合反応の発生は、例えば、分析される分子に結合された蛍光マーカーを使用することによって検出できる。これは、少量の多数の異なる分子又は分子断片を短時間で同時に分析できる能力を提供する。一つのバイオチップは、１０００又はそれより多くの異なる分子断片のためのアッセイを保持できる。バイオチップの使用から利用可能となる情報の有用性は、ヒトゲノムプロジェクト、遺伝子及びタンパク質の機能に関するヒトゲノムプロジェクトに続く研究などのプロジェクトの結果として、次の十年間で迅速に高まることが予期される。

プローブ分子に対するサンプル分子の結合の電気的な検出のための一つの方法は、モトローラの子会社のクリニカルマイクロセンサーズ（ＣＭＳ）によって実証され（例えば、非特許文献１参照）、“バイオエレクトロニックＤＮＡ検出チップ”が開発されている。原理は、電子の供給源又は槽である、フェロセン標識ラベル分子の使用を必要とする。キャプチャープローブは、バイオチップ上の金でコーティングされた電極に付加される。キャプチャープローブは、ターゲットＤＮＡ又はＲＮＡシーケンスの独特の領域に対して相補的な一本鎖ＤＮＡである。ターゲットＤＮＡを有するサンプルがカートリッジ内に導入される場合、電極表面上の特定のキャプチャープローブは、サンプルからの相補的なＤＮＡに遭遇する。次いで、結合又はハイブリダイゼーションが生じる。さらに、システムは、専用の電子ラベルが付加された信号プローブと呼ばれるＤＮＡシーケンスを有する。それら信号プローブはまた、ターゲットＤＮＡシークエンスに結合する。キャプチャープローブと信号プローブの両者へのターゲットシーケンスの結合は、電子ラベルを表面につなげる。電極によって検出することができる特有の信号を生産して、標識が電子を放出するので、分子断片の結合は分子が結合される電極による交流電流の発生によって検出される。これは、ターゲットＤＮＡの存在を示す。この概念において、信号は、発生した結合反応の絶対数に比例する。サイクル毎又は結合したＤＮＡ／ｃＤＮＡのペア毎に流れる電子数は非常にわずかである（ほとんどないか、あるいは数十である。）。電極エリア又は絶対数の結合ペア（推測上、非常に多数）を特定せずに、実際上、電流はｐＡ乃至μＡの範囲である。専用の信号処理技術は、ターゲットのＤＮＡシーケンスを識別し定量するために使用される。

第二の原理は、ビーズアレイカウンター（Bead Array Counter）（ＢＡＲＣ）バイオチップである（例えば、非特許文献２、３及び４）。

磁気抵抗物質を使用して、実験の何百、何千さらには何百万をも同時にモニターする、頑丈で単一構成の小型組立の検出器が生成される。図１に示されるように、検出器１００は、多数のミクロンサイズの電磁気抵抗センサー１０１のアレイを有する。明確にするために、それぞれ一つのＧＭＲセンサーを備える２つのプローブ部位だけが示される。それらのセンサー１０１は、２つのプローブＤＮＡ１０４が付加された基板表面下の非常にわずかな深さ（比較的薄い金の層１０３の厚さと組み合わされた窒化ケイ素Ｓｉ_３Ｎ_４のパシベーション層１０２の厚さ）で位置する。対になって形成されたヌクレオチドシーケンスが相補的である場合、ビオチン化サンプルＤＮＡ１０５はプローブＤＮＡ１０４と結合する。プローブとサンプルＤＮＡのハイブリダーゼーションが生じた後、浮遊している磁気のストレプトアビジンでコーティングされたマイクロビーズ１０６が溶液に添加される。ビーズは、ストレプトアビジンとビオチン化結合の形成によってプローブＤＮＡとハイブリダイズするサンプルＤＮＡに結合する。両プローブ１０４の相補的なシーケンスを有するサンプルＤＮＡ１０５が存在する場合、サンプルＤＮＡ１０５はセンサー１０１に対するビーズ１０６に付加するであろう。使用されるビーズ１０６は、１μｍのオーダーの直径を有する。ビーズ１０６において、ナノメートルスケールの磁気粒子が存在（添付図には示されていない）して、この小型サイズにより超常磁性である。それらナノメートルサイズの粒子は、典型的には酸化鉄であり、約１μｍの直径のビーズを形成するためにポリマー又はシリカマトリックスで層化されるか又はコーティングされ分散される。非結合のビーズは、わずかな磁界勾配と組み合わせたわずかな磁界を利用するか又は緩衝液でのリンスにより除去される。その後、バイオチップ上の結合するビーズの存在は、基板の平面に垂直で導かれる、比較的わずかで周知の外部の磁界における粒子の磁化により検出される。

上述の実施例はＤＮＡ検出のためであるが、例えば、タンパク質などの他の分子も従来のＢＡＲＣバイオチップの手段によって検出できる。

粒子の存在は、図２で示されるような抵抗対適用した磁界での基板上のジャイアント磁気抵抗（ＧＭＲ）ハーフ・ホイートストンブリッジタイプのセンサーの活用によって検出される（例えば、特許文献１、２、３及び４参照）。ハーフ・ホイートストンブリッジは、ビーズが存在する一つの高感性部分と、ビーズが存在しない一つの参照部分とから構成される。磁界方向のサインが測定されないように、使用されるＧＭＲ物質の抵抗対磁界の曲線は、図２に示されるように０磁界でほぼ対称である。ＧＭＲ物質の抵抗は、正又は負の適用された磁界に応じてほぼ同量によって減少する。０磁界に接近して特に明白である、ＧＭＳ物質でのある仮説があることが図２から分かる。結果として、わずかな磁界の正確な検出は不可能である。

ＢＡＲＣのバイオチップの概念は作用するが、特許文献２で与えられた結果は、不十分な信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を示す。使用される大型（１μｍスケール）のビーズが溶液によりゆっくりと拡散し、ビーズとサンプルＤＮＡとの間の比較的長期間の結合後でも、比較的少数のビーズだけが弱い信号を導くハイブリダイズされたサンプル分子に結合するであろうことが主な問題である。第二に、ビーズは、一つ又はほんの少しのビーズがセンサー毎に存在する場合に信号対ノイズ比に悪影響を与える（与えられた磁界での）磁気モーメントのある分配を有する。出願人によって示されるように、単一ビーズの測定における信号対ノイズ比は、わずかなセンサーの表面エリアの活用によって増幅され得る。しかしながら、プローブ毎の多数のセンサーが使用される場合、必要とされる電子回路は非常に複雑になる。さらに、約１μｍの大型の磁気粒子の遅いブラウン運動は、磁気粒子が結合部位に達する前に長時間かかることを意味する。したがって、実際の測定は長時間かかる。

ある条件、そのうちの一つはセンサーがビーズとほぼ同等である、が満たされる限り、ＧＭＲセンサーは、任意のサイズの単一の常磁性の粒子を検出できる（非特許文献５参照）。この条件は、半径５００ｎｍの粒子で容易に満たされる。ビーズの半径を１００ｎｍに減少することは、ＧＭＳセンサーの組立の技術的な困難さを克服することによって可能である。さらにビーズの半径を１０ｎｍに減少することは、ＧＭＳセンサーの組立と同様にビーズの組立技術の進歩を必要とする。この解決策の一つの問題は、０．５ｍｍ未満の規模で、ＧＭＲセンサーに関するプローブエリアの必要とされる正確なポジショニングである。

磁気ナノ粒子を使用するＳＱＵＩＤに基づくセンサーがある（非特許文献６参照）。インプレイン（in-plane）磁界は基板上の固定された領域へ付加された磁気ナノ粒子の磁気モーメントを非無作為化するために適用される。ウェル及びマイラー（登録商標）シートに位置する固定された領域は、前述の実施例として記載される。次いで、磁界は切られる。ネール機能により付加されたナノ粒子の磁気双極子の緩和は、数秒間のＳＱＵＩＤによって磁束の測定可能な時間依存を生じる。この磁束は、固定された領域の端に近接して位置されたＳＱＵＩＤプローブによって検出される。バルク液の超常磁性のナノ粒子は、適用された磁界がなく、磁界の不在で、ブラウン運動により自由に移動して生成する。ＳＱＵＩＤ磁束検出器は、高価であり、低温度のみで機能するという問題を有する。
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本発明の目的は、増大した信号対ノイズ比でバイオチップにおける磁気粒子の正確な検出のための方法及び装置を提供することである。

本発明の別の目的は、バイオチップでの磁気粒子の検出のための迅速な方法及び対応する装置を提供することである。

本発明のさらに他の目的は、簡素で経済的な磁気粒子の検出のための方法及び装置を提供することである。特に、センサーに関して個々の磁気ビーズの正確な位置付けを必要としない、磁気粒子の検出のための方法及び装置を提供することである。

本発明にしたがって、上記の目的は、ターゲットに直接的又は間接的に結合している磁気ナノ粒子の存在又は領域密度を決定するための磁気抵抗センサー装置によって達成される。磁気抵抗センサー装置は、基板に付加してターゲットに選択的に結合できる結合部位を有する基板と、少なくともターゲットに結合した場合に磁気ナノ粒子の磁界を検出するための磁気抵抗センサーとを有し、磁気抵抗センサーは、第一と第二の磁気抵抗センシング要素のペア又は磁気抵抗センシング要素の第一と第二のグループを有し、各ペアは少なくとも一つの結合部位を有するプローブ要素と関連して平行に位置し、第一と第二の磁気抵抗要素又は磁気抵抗センシング要素の第一と第二のグループの出力は、コンパレータ回路に供給されている。

本発明はまた、基板上の磁気ナノ粒子の存在を決定するか、又は領域密度を測定するための方法を有し、該方法は、
−磁気ナノ粒子で直接的又は間接的に標識されるターゲットが基板上の選択的な結合部位へ結合する段階と、
−結合部位に結合した磁気ナノ粒子の存在をセンシングし、それによって磁気ナノ粒子で標識されたターゲットの存在又は密度を決定する段階と、を有し、
−センシング段階は、磁気抵抗センサー要素を使用して一つの結合部位に結合したナノ粒子によって生じる磁界から発生した２つの信号を抽出し、２つの信号間の差異を決定することによって実行される。

磁気抵抗（ＭＲ）センサー要素の抗体などのプローブ要素が付加されるチップ上のエリアであるプローブエリアの幅及び長さの規模は、存在及び濃度が測定される磁気ナノ粒子の直径よりも大きい。例えば、ナノ粒子は１乃至２５０ｎｍの直径を有し、好ましくは３乃至１００ｎｍであり、より好ましくは１０乃至６０ｎｍである。そのような小さな粒子については、拡散が速い。センサー要素の幅及び長さの規模は、例えば、１μｍｘ１μｍのナノ粒子の直径よりも大きく、少なくとも１０倍以上であり、好ましくは１００以上である。さらにセンサー要素のための他の規模が可能である。異なる規模が使用される場合、異なるＳ／Ｎ比が得られる。

用語としての“マイクロアレイ”又は“バイオチップ”は、複数の個別の反応又はアレイの位置若しくはアレイ上のｘ−ｙ座標によって同一化可能なインキュベーションコンパートメントを構成する、平面の表面上に生成されたアレイを意味する。そのようなアレイは、特定の結合ペアの要素間の特定の結合特性を評価するためのアレイでの使用に適している。本発明は、競合アッセイ又はディスプレイスメントアッセイにおいて非常に適している。本発明の前述及び他の特質及び利点は、実施例の手法によって本発明の原理を例証する添付図を参照する下記のより詳細な記載から明らかである。下記の記載は本発明の範囲を限定せずに、実施例においてのみ与えられる。

異なる添付図において、同じ参照図は同一又は類似の要素を参照する。

本発明は、特定の実施態様に関して、かつ、ある図面に関して記述されるであろう。しかし、本発明は、それに制限されず、請求項によってのみしか制限されない。例えば、本発明は各プローブ要素の２つの磁気抵抗センサー要素に関して記載されるが、本発明はこれら２つの磁気抵抗センサー要素に制限されない。例えば、センサー要素の４、６又は他の偶数は、各プローブ要素において使用されてよく、２つのグループに分割されてよい。次いで、各グループからの出力は、差別的なコンパレータ又は総回路に移動される。記述された図面は単に概要であって、制限していない。図面は規模を示さない。

下記の詳細な記載は、下記の明記を備えた制限しない例を与える。

ａ）バイオチップエリアは１ｘ１ｍｍ^２であり、
ｂ）バイオチップエリア上に１００の異なるプローブがあり、各プローブは１０^−２ｍｍ^２（例えば、１００μｍｘ１００μｍ）のエリア（幅Ｗ_ｌｘ長さｌ）を有し、
ｃ）各プローブ要素でのナノ粒子の存否及び／又はナノ粒子の密度の測定は、総時間３分間で１００回実行される。

本発明は、与えられた規模と値を備える前述のようなシステムに制限されないが、請求項によってのみ制限される。

バイオチップ１は、図３に示されるように、少なくとも一つ、好ましくは複数のプローブエリア５を表面上に備える基板３を有する。各プローブエリア５は、下記に示される図５Ａ及び５Ｂの２つの実施態様に示されるように、プローブエリア表面の少なくとも部分上に、好ましくはストライプ状のプローブ要素７を有する。

図４Ａ、４Ｂ及び４Ｃ、４Ｄに示されるように、プローブ要素７は、例えば、ターゲット分子の種又は抗原などのターゲットサンプル１１に選択的に結合可能な、例えば、結合分子又は抗体などの結合部位９を備えて提供される。マトリックスに結合可能な任意の生物学的分子は、この応用に潜在的に役立つ。

実施例は、
−核酸：修正の有無に関わらないＤＮＡ、ＲＮＡの二本鎖若しくは一本鎖又はＤＮＡ−ＲＮＡのハイブリッド。核酸アレイが周知である。

−例えば、抗体などの修正の有無に関わらないタンパク質又はペプチド、ＤＮＡ若しくはＲＮＡ結合タンパク質。近年、イーストの完全なプロテオームを備えたグリッドが公開されている。

−オリゴ糖若しくは多糖類又は糖。

−阻害剤やリガンドなど、マトリックスへの又はスペーサー分子によりクロスリンクさせた小型分子。

グリッド上のスポット状のものは、ペプチド／タンパク質のライブラリ、オリゴヌクレオチドのライブラリ、阻害剤のライブラリなどの化合物の最も適当なライブラリであるだろう。

図４Ａ、４Ｂ、４Ｃ及び４Ｄに示される実施例のターゲット１１に磁気ナノ粒子１５をつなげる異なる可能性が存在する。

図４Ａにおいて、磁気粒子１５で標識されたセンサー分子１３はターゲット１１に対して選択的に結合可能である。例えば、ある組織の抽出物のＤＮＡ結合タンパク質がヌクレオチドのライブラリを備えるグリッドに結合する、スクリーニングなど無作為な探索が実行される場合、センサー分子は非常に広い特異性を有するべきである。この実施例において、アミノ基又はカルボキシル基に向かい反応的なスペーサーを備えるセンサー分子が有用であり得る。糖、ＤＮＡに向かい反応的な基を備える他のセンサー分子がまた、適切である。直接的な探索の場合、特注のセンサー分子が、例えば、タンパク質のライブラリに対してタンパク質でのスクリーニングがタンパク質とタンパク質との相互作用を評価するために実行され、抗体が明白な選択である際に使用できる。モノクローナル及びポリクローナル抗体の両抗体が使用されてよい。図４Ａに示されるように、磁気粒子１５は間接的にターゲットサンプル１１に結合される。

図４Ｂにおいて、ターゲットサンプル１１の分子は、磁気ナノ粒子１５によって直接的に標識される。

図４Ｃにおいて、ターゲットサンプル１１は、標識１２によって標識される。そのような標識されたターゲットサンプル１１（例えば、ビオチン化サンプルＤＮＡ）は、結合部位９に対して選択的に結合される。磁気ナノ粒子１５で標識されたセンサー分子１３（例えば、ストレプトアビジン）は、ターゲットサンプル１１上の標識１２を選択的に結合できる。

図４Ｄにおいて、ターゲット１１と、流体又は気体に存在する磁気ナノ粒子１５で標識されたターゲットがある。競合アッセイにおいて、磁気ナノ粒子を備えるターゲットは、ターゲットが結合部位に到達するよりも早く結合部位９に到達する場合において、選択的に結合できる。磁気ナノ微粒子１５で標識されたターゲットがさらに結合すると、流体又は気体でのターゲットの存在は少ない。

本発明によると、磁気微粒子１５は、好ましくは、平均的な磁気モーメントｍを有し、１μｍ未満の直径を有する超常磁性のナノ粒子である。ナノ粒子で、１ｎｍ乃至２５０ｎｍ間、好ましくは３ｎｍ乃至１００ｎｍ間、より好ましくは１０ｎｍ乃至６０ｎｍ間の範囲の少なくとも１次元を有する平均的な粒子がある。好ましくは、図４Ａ、４Ｂ又は４Ｃに例示の若しくは同様の任意の手法によって、直接的又は間接的の何れかで、前述の粒子はバイオチップ１の基板３上のプローブ要素７に付加される。ナノ粒子１５は、通常は、チップ１上のプローブエリア５である明確なエリア内で無作為に位置付けられる。プローブエリア５は、幅Ｗ_ｌと長さｌを有する。ナノ粒子１５の領域密度はｎ（ｍ^２におけるナノ粒子）である。一般的に、領域密度は時間の関数であるだろう。

プローブエリア５は、単一の長いストライプであり得る。単一の長いストライプに代わって、互いに隣接している、ある数の短いストライプが使用可能であり、単一プローブ５によって得られた総エリアは図３に示されるように、より四角になる。これが電子感度に関する結果に影響しないように、単一の長いストライプ状のプローブエリア５の場合だけが、下記に詳述される。

バイオチップ１の機能は下記のようである。各プローブ要素７は、あるタイプの結合部位９を備えて提供される。ターゲットサンプル１１は、結合部位９とターゲットサンプル１１が一致し、互いに結合する場合、プローブ要素７上に存在するか又は通過する。続いて、磁気ナノ粒子１５は、図４Ａ、４Ｂ及び４Ｃに例示されるようにターゲットサンプル１１に対して直接的又は間接的に結合される。磁気ナノ粒子１５は、バイオチップによって集められた情報を読み取ることを可能にする。本発明によると、ナノ粒子は、好ましくは超常磁性のナノ粒子１５である。超常磁性のナノ粒子は、適用された磁界が０における強磁性粒子であり、時間平均の磁化は、磁化測定の時間の尺度で頻繁な熱により引き起こされる磁気モーメントの逆転により０である。平均の逆の周波数は、

によって与えられ、式中ＫＶ（Ｋは磁気異方性エネルギー密度）は克服されるべきエネルギー障壁であり、ｖ_０は逆の周波数（典型的な値は１０^９ｓ^−１）である。

本発明の数多の実施態様において、超常磁性粒子１５は、好ましくは、バイオチップ１によって集められた情報を読み取るためにチップの平面に対して垂直に磁化される。他の実施態様において、ナノ粒子はチップの平面に対して平行で磁化される。

磁気抵抗（ＭＲ）センサー、例えば、ジャイアント磁気抵抗（ＧＭＲ）、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）又は異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）センサーは、バイオチップ１によって集められた情報を読み取るため、したがって粒子の存否を読み取り、及び／又はプローブエリア５上の磁気ナノ粒子１５の領域密度を決定し若しくは評価するために本発明により提供される。

ＡＭＲ、ＧＭＲ又はＴＭＲ物質において、磁界の適用の結果として一つ以上の層の磁化方向が変化する場合、電気抵抗は変化する。ＧＭＲは切り替える磁気層間のコンダクタ中間層を備える層化された構造のための磁気抵抗であり、ＴＭＲは磁気金属の電極層と誘電性の中間層とを有する層化された構造のための磁気抵抗である。

ＧＭＲ技術において、構造は、２つのとても薄い磁気フィルムが共に非常に接近してもたらされて発展した。第一の磁気フィルムは突き刺されて、これは磁気の方位が、第一の磁気フィルムの磁気方位を固定する反強磁性物質の層である、交換バイアス層に近接して保持することによって通常は固定されることを意味する。第二の磁気層又は自由な層は、自由に変化可能な磁気方位を有する。超常磁性粒子１５の磁化の変化から生じる場合における磁界での変化は、全体のセンサー構造の抵抗を順番に上げるか又は下げる自由な磁気層の磁気方位の回転を引き起こす。センサーと突き刺した層が磁気的に同一方位である場合、低い抵抗が一般的に生じる。センサーと突き刺したフィルムの磁気方位が互いに反対である場合、高い抵抗が生じる。

ＴＭＲは、分離（トンネル）障壁によって分離された２つの強磁性電極層から構成されるシステムで観察できる。この障壁は非常に薄くなるべきで、つまり１ｎｍのオーダーである。単にその後、電子は、この障壁、完全に量子機械的な輸送プロセスによってトンネルできる。再度、一つの層の磁気アライメントは、交換バイアス層を活用することによって他の層に影響することなしに変化できる。超常磁性粒子１５の磁化の変化から再度生じる場合における磁界での変化は、全体のセンサー構造の抵抗を順番に上げるか又は下げるセンサーフィルムの磁気方位の回転を引き起こす。

強磁性物質のＡＭＲは、電流が磁化方向で作る角度上の抵抗の依存である。この現象は、強磁性物質の電子拡散断面での不均衡による。

続く記載は、ＧＭＲセンサーでの実施態様が考慮されるが、本発明はそれに制限されてない。

図５Ａに例証される第一の実施態様において、例えば、ＧＭＲセンサーである磁気抵抗センサーは、基板３の表面下の距離ｄでバイオチップの基板３に統合された、例えば、ＧＭＲ要素１７である第一のセンサー要素と、例えば、ＧＭＲ要素１９である第二のセンサー要素とを有する。それらＧＭＲ要素１７、１９の各々は、ｘ方向に平行であるか又は実質的に平行である、同一の磁化方向の突き刺したフィルムと、外部の磁界により変化可能な磁化方向の自由なフィルム又はセンサーフィルムとを有する。バイオチップ１を読み取るために、バイオチップ１に結合した超常磁性粒子１５は、バイオチップ１の平面に対して垂直な外部の均一の磁界によって磁化される。垂直な磁界の使用は、センサー要素１７、１９に近接するナノ粒子によってカバーされるストライプ状のエリアの２側面で、ネットで平均の磁界を生成する。プローブエリアはＧＭＲセンサーストライプの半分のみで重なり、ナノ粒子によって生成されるセンサーストライプでのネット平均の磁界はストライプの中心軸に沿うか又は近接して最も大きい。磁化されたナノ粒子１５は、図１１に示すように基礎をなすＧＭＲフィルムの平面での反対の磁束密度ベクトルの領域を生成し、結果となる磁界はＧＭＲセンサー要素１７、１９によって検出される。座標システムが図３、図５Ａ及び図５Ｂに導入されて、その座標システムにより、プローブ要素７及びＧＭＲ要素１７、１９は長さｌにわたってｙ方向に延在する。磁気抵抗センサー要素１７、１９がｘｙ平面に位置する場合、ＧＭＲセンサー要素１７、１９だけが磁界のｘ構成要素を検出する。磁化された超常磁性粒子１５からの結果となる磁界は、第一のＧＭＲ要素１７と第二のＧＭＲ要素１９によって検出される。プローブ要素７の幅Ｗにわたって、磁気粒子の制限された（無限ではない）空間的な範囲は、ＧＭＲ要素１７、１９の平面の磁界によって生じたネット信号に寄与する。プローブ要素の端部での磁気粒子は、一つの側面上で磁気粒子に隣接する粒子を有せず、したがって、それら粒子からの磁界は、センサー要素１７、１９内の一方向でネットのインプレイン磁界構成要素を有する。センサー１７、１９の中心に近接して位置する粒子は、両側で隣接する粒子によってある範囲に対して中立のインプレイン磁界を有するであろう。したがって、すべての粒子はセンサー要素１７、１９で生じる信号に寄与する。すべての粒子がネットの磁界に対して幾らか寄与するが、プローブ要素の端部に近接する粒子は全体の磁界に対してさらに寄与する。磁気センサー要素１７、１９が中心で最も感度が高いので、プローブ要素７の端部における磁気ナノ粒子１５は、好ましくは、センサー要素１７、１９の中心で垂直な突出である。センサーの機能は、ナノ粒子の直径よりも多大で選択できるＧＭＲストライプ間の距離Ｗに重要に依存しない。実施例として、第一のＧＭＲ要素１７と第二のＧＭＲ要素１９の突き刺されたフィルムは、正のｘ方向において両者とも方位されてよい。図５Ａの実施例において、第一のＧＭＲ要素１７の自由なフィルム又はセンサーフィルムの磁化方向はまた、正のｘ方向であり、第二のＧＭＲ要素１９の自由なフィルムの磁化方向は負のｘ方向であるだろう。第一のＧＭＲ要素１７の突き刺したフィルムと自由なフィルムの磁化方向は同一であり、第一のＧＭＲ要素１７は低い抵抗を表わす。第二のＧＭＲ要素１９の突き刺したフィルムと自由なフィルムの磁化方向は逆であり、第二のＧＭＲ要素１９は高い抵抗を表わす。ナノ粒子の磁化により存在する磁界に対する第一のＧＭＲ要素１７と第二のＧＭＲ要素１９の反応は、図５Ｃの（ａ）と（ｂ）にそれぞれ示される。それらのグラフに示されるように、磁界は、ナノ粒子が位置するところに依存するＧＭＲ要素のバイアスと比較して平行又は非平行な方向の何れかである。

ナノ粒子１５の外部磁化は、当業者に周知の任意の手法で可能である。特に、図６に示されるように強磁性の芯３２を備える２つのコイル３０の手段によってなすことができる。例えば、約１０ｍＡの電流を適用することによって、ナノ粒子１５の磁気モーメントを磁化しアラインするために、基板に対して垂直である、磁界が生じる。両コイル３０の中心が基板３に対して垂直な一つのラインに沿って位置し、コイルの直径がコイル間の距離とほぼ等しいか又はそれよりも大きく、２つのコイル間を通過する電流が等しい場合、適用された磁界はコイルエリアに等しいエリア上で基板３に対してほぼ垂直となる。１つ又は両方のコイルのわずかな（ｘ、ｙ、ｚ）移動を有することによって磁界の線形の勾配がプローブエリアで生じるそのようにコイルの位置を変えるためにオプションを作成することは有用かもしれない。

代替として、勾配は電流の差異を活用することによって生成され得る。結果としてわずかな明確に制御されたインプレイン磁界の構成要素である、サンプルエリアに関してコイルの方位をわずかに変化するためのオプションを生成することはさらに有用である。磁界と磁界勾配の組み合わせを活用することによって、磁気粒子の結合強度は異なる方向で決定できる。ある磁界において、磁気ナノ粒子はそれらの結合を失い、バルク内に移動し検出されるセンサーから離れるにつれて、もはやＭＲセンサー要素によって検出されないので、悪い結合が検出できる。ＤＮＡの結合が多少なりともオン/オフである一方、これは大きなタンパク質に特別に重要である。ｘ方向でわずかで明確に制御されたインプレイン磁界構成要素を活用することによって、修正は、０磁界位置のＲ（Ｈ）曲線の中心の可能な望まれないシフトのためになすことができる。つまり、交換の場合、バイアスをかけたＧＭＲ又はＴＭＲセンサーは、自由な層と突き刺した層との間の残余の磁気カップリングからの結果となる。

図５Ｂに例示されるＧＭＲセンサーの第二の実施態様において、プローブエリア５の表面は、任意のナノ粒子の影響が測定に影響するのを偶然に防ぐか弱める、バッファー又は分離帯域を有する。例えば、半導体センサー要素の表面が構成できる。構成の目的は、測定に影響しないようにセンサーから粒子を遠ざけて移動できる。そのような構成は、例えば、ウェルを形成するために異方性又は等方性のエッチング溶液を使用してセンシング要素の半導体物質をエッチングすることによって、図５Ｂに示されるように、例えば、勾配プロファイルを備える段階プロファイルの手段によって、物理的になすことができる。代替として、プローブエリアは、センサーからナノ粒子を分離するために十分な深さのトレンチによって取り囲まれることができる。そのような物理的な構造の他に又は加えて、プローブエリア５の表面は、例えば、プローブエリア５のプローブ要素７上に結合部位を提供することによって化学的又は生化学的に構成できるが、プローブ要素７に隣接して位置するプローブエリアの領域８には構成できない。反発性物質は、前述のバッファー帯域において使用されてよい。

この実施例において、参照ＧＭＲ物質の下にセンサーは薄膜物質を有するだけでなく、Ｈ＝０のまわりの実質的に線形のＲ（Ｈ）曲線が可能な物質である、ＡＭＲ、ＴＭＲ又は他のＭＲ物質などの別の薄膜物質を有する。センサーは、例えば、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、又は耐性若しくはエポキシなど有機物質の分離層４０によって磁気ナノ粒子１５から分離される。

ナノ粒子１５の磁化は、バイオチップ１の表面に対して垂直に（つまり、ｚ軸に沿って）適用された外部の磁界によって制御される。ここで、センサーは、（ストライプで平均化された）インプレイン構成要素が磁気ナノ粒子でカバーされたプローブ領域の側面下で特に高い、ナノ粒子１５から生じる磁界に暴露される。垂直の磁界の適用に依存するセンサー１７、１９の抵抗差の変化は、プローブ要素上のナノ粒子の領域密度を測定するために使用される。プローブ要素７ａの下面上の磁気ナノ粒子１５の領域密度は密度σ_１によって与えられ、上面は密度σ_２によって与えられる。窪んだプローブ領域（図５Ｂでｄ_２≠０）の使用は、プローブエリアの外側位置の表面上に存在する、つまりプローブ分子に特異的に結合しないで、磁気ビーズに対する感度を減少する。窪んだ領域の流体でナノ粒子の容積密度の信号に対する可能な寄与を削減するために、追加的な洗浄段階が適用できるか、又は粒子は磁界及び磁界勾配の適用によってセンサー表面から引き離すことができる。

領域の粒子密度は、一般的に、μｍ^２につき０乃至１０^３から１０^４粒子の範囲である。

実際上、マイクロメートル又はサブマイクロメートルのパターンで高品質の生化学的な表面を作製することがはるかにより困難である一方、表面上のマイクロメートル又はサブマイクロメートルサイズの物理的な構造を作製することは比較的容易である。

本発明の第二の実施態様において、センサーは図５Ｂに示されるようなプローブエリアに関する形態のセンサー要素１７及び１９のペアから構成される。磁気ナノビーズの領域密度は、垂直な磁界の適用に依存する２つのセンサー要素１７及び１９の抵抗の変化の差異から導かれる。センサー要素１７及び１９は、外部の磁界のインプレイン構成要素の影響又は熱ドリフトによる影響に対して等しい感度であり、それらの望ましくない影響は除去される。信号を得るための実際の方法は、図７に概略的に示されるホイートストンブリッジでの要素ａ及びｂとしてセンサー１７及び１９を使用することであり、要素ｃ及びｄは、（ほぼ）等しい非磁気抵抗又はセンサーａ及びｂとして同一タイプの磁気抵抗のいずれかとなるように得られ、抵抗は適用した磁界で変化しない。これは、例えば、センサーｃ及びｄに近接のプローブ分子を適用しないことによって、又は（すべての双極子磁界のネット効果がゼロとなるように）ｃ及びｄセンサー上のプローブ分子をｃ及びｄのセンサーエリアの全幅よりも広い領域に適用することによって、あるいはセンサーｃ及びｄの上部に薄いカバー層を局所的に適用することによって達成でき、磁気粒子の存在に対する感度が強力に減少できる。センサーｃ及びｄがセンサーａ及びｂと同一の物理的な規模を有することは必要ではない。信号を得るために使用された詳細な実際的な方法に関係なく、そのようなシステムをハーフ・ホイートストンブリッジと呼ぶ。

図８に示すようにセンサー要素１７及び１９と名目上同一のセンサー要素１７´及び１９´が完全なホイートストンブリッジを形成する場合に有利である。ここで、要素１７、１９、１７´及び１９´は図７に示される概略構造の要素ａ、ｂ、ｄ及びｃと対応する。固定されたセンス電流Ｉ_sensにおいて、図８で示されるように、領域のパーティカル（partical）な密度が電圧メーターから得られる信号が測定された。そのような組み合わせの実際の実行は図１２に概略的に示され、窪んだ領域５０のシーケンスが見ることができる。一つのプローブ要素における２つのセンサー要素１７、１９間の、又はセンサー１７、１９のセット間の異なる測定を使用する利点は、参照センサー要素が必要とされず、温度など外部の影響から独立を保つ一方で、高検出感度が得られる。完全なホイートストンブリッジの感度は、別の同一のハーフ・ホイートストンブリッジの感度の２倍である。

例えば、コンパレータの出力は、ナノ粒子が存在するか（最小の閾値を越える場合）、又は粒子の領域密度を決定するか若しくは評価するために使用できるかどうかの提示を提供する。

突き刺した磁気層若しくは自由な磁気層を有するストライプ状のＧＭＲ及びＴＭＲセンサー物質において、実質的に線形でヒステリシスな自由の抵抗対磁界曲線は、交換バイアス方向が長さの方向（電流方向）に対して垂直で、自由な層の容易な磁化方向が長さの方向と平行である、磁気形態を活用することによって得られる。センサーの感度がよい外部の磁界は、ストライプの長さ方向に対して垂直に導かれる。自由な層の磁化が“突き刺した”交換バイアス層の方向に対する非平行な方向に対して平行な方向から回転する磁界範囲（“切り換え磁界”）は、例えば、磁界での成長により可能な固有の寄与を有し、さらに形状の異方性を有する、磁気異方性に対する様々な寄与の組み合わせによって決定される。これはいわゆるクロスされた異方性である。ゼロの適用された磁界のまわりの実質的に線形のＲ（Ｈ）曲線を得るために、突き刺した層の存在により自由な層で作用する効果的な磁気カップリング磁界は、切り換え磁界の明確な下の値まで減少されるべきである。このカップリングに対する異なる寄与がある。中間層のピンホールによるカップリング、中間層の交換カップリング、及び平らでない磁気金属／中間層のインターフェースによる静磁場カップリングは、十分に厚い中間層を活用することによって減少できる。限定されたストライプの幅に関する静磁場カップリングは、例えば、自由で突き刺した層の厚さを適応することによって、又は、それらの磁化度の層の厚さの生成物を効果的に縮小する他のものの活用によって減少できる。結合磁界に対する前述の個別の寄与を削減することではなく、様々な寄与が反対の表示を有するシステムを設計することによりすべてのカップリングの寄与を削減することが可能である。

ＡＭＲ物質におけるゼロ磁界のまわりの線形のＲ（Ｈ）曲線を導く周知の方法は、いわゆる、柔軟な隣接層の方法及びバーバーポール（barber-pole）方法と呼ばれる。両方法は、電流と磁化との間の角度がＨ＝０のための４０°に近い形状を効果的に導く。

本発明によるセンサー装置のための適切なＧＭＲ構造６０の第一例は図９Ａに示される。ＧＭＲ構造６０は、主要な表面６２を有する熱により酸化したシリコン基板６１を有する。基板６１の主要な表面６２上で、層のスタックは、すべて金属である第一の（複数の）バッファー層６３と、反強磁性物質（ＡＦ）６４と、突き刺した強磁性体（Ｆ_pinned）６５と、非磁気物質（ＮＭ）６６と、自由な強磁性体（Ｆ_free）６７と、カバー層６８、５６、６６及び６７で適用される。特に、この第一の実施例において、前述の各層は、下記の物質と厚さから構成してよい。

−バッファー層６３において、３ｎｍ厚のＴａ層６３ａの上部に３ｎｍ厚のＮｉ_８０Ｆｅ_２０の層６３ｂを設け、
−ＡＦ６４において、１０ｎｍ厚のＩｒ_２０Ｍｎ_８０の層であり、
−Ｆ_pinned層６５において、６ｎｍ厚のＣｏ層であり、
−ＮＭ層６６において、３ｎｍのＣｕ層であり、
−Ｆ_free層６７において、６ｎｍ厚のＮｉ_８０Ｆｅ_２０の層であり、
−カバー層６８において、３ｎｍ厚のＴａ層である。

Ｉｒ_２０Ｍｎ_８０の層６４は、ＧＭＲストライプ１７、１９での長さに垂直な方向で突き刺すようにＣｏ層６５の磁化を引き起こす反強磁性物質（ＡＦ）である。これは、磁界でＣｏ層６５を成長することによって、又はいわゆる“ブロッキング温度”（考慮する約３００℃下の物質において）よりも高い温度からの磁界で成長後にシステムを冷却することによってなされる。Ｃｕ層６６は、Ｎｉ_８０Ｆｅ_２０の層６７から突き刺したＣｏ層６５を分離する。上部のＴａ層６８は、沈着後にウェハーが空気にさらされる場合にＧＭＲ構造６０の酸化に対して保護する。下部のＴａ層６３ａと接するＮｉ_８０Ｆｅ_２０の層６３ｂは、適切な微構造と結晶の方位の構成又は成長を支援する。

適切なＧＭＲ構造６９の第二の実施例が図９Ｂに示される。ＧＭＲ構造６９は、主要な表面６２を有する熱により酸化したシリコン基板６１を有する。基板６１の主要な表面６２上で、層のスタックは、第一の（複数の）バッファー層６３と、次いで、人工反強磁性物質（ＡＡＦ）７０と、非磁気物質（ＮＭ）６６と、自由な強磁性体（Ｆ_free）６７と、及びカバー層６８で適用される。特に、この第二の実施例において、前述の各層は、下記の物質と厚さから構成してよい。

−バッファー層６３において、３ｎｍ厚のＴａ層６３ａの上部に３ｎｍ厚のＮｉ_８０Ｆｅ_２０の層６３ｂを設け、
−ＡＡＦ７０において、例えば、１０ｎｍ厚のＩｒ_２０Ｍｎ_８０の層７０ａのＡＦ層と、６ｎｍ厚のＣｏ層７０ｂと、０．８ｎｍ厚のＲｕ層７０ｃと、６ｎｍ厚のＣｏ層７０ｄであり、
−ＮＭ層６６において、３ｎｍのＣｕ層であり、
−Ｆ_free層６７において、６ｎｍ厚のＮｉ_８０Ｆｅ_２０の層であり、
−カバー層６８において、３ｎｍ厚のＴａ層である。

ＡＡＦ層７０は、ＡＦ／Ｃｏ／Ｒｕ／Ｃｏの形成を有する。Ｒｕ層７０ｃの厚さは、Ｒｕ層７０ｃ上の交換結合により非平行となる２つのＣｏ層７０ｂ、７０ｄの磁化方向を引き起こすように選択される。ＡＦ層７０ａは、２つのＣｏ層７０ｂ、７０ｄの磁化をＧＭＲストライプ１７、１９の長さの軸に対して垂直にさせる。

この第二のＧＭＲ構造６９は、磁気構造が外部の磁界に関してより安定であるという、第一のＧＭＲ構造６０に対する利点を有する。さらに、Ｒｕ層７０ｃにより分離される２つのＣｏ層７０ｂ、７０ｄ間の厚さの比により、突き刺した層７０ｄと自由な層６７との間の調節可能なカップリングが選択できる。これは、突き刺した層７０ｄと自由な層６７との間のＣｕ層６６上のわずかなカップリングのために補償できる。すべてのカップリングは本質的にゼロとなるように選択されて、ゼロの適用された磁界（粒子なし）で、自由な層６７の磁化は、突き刺した層７０ｄの一つに対して正確に垂直である（したがって、ストライプ１７、１９の軸に平行である）。Ｃｕ層６６が薄くなると、磁気抵抗は大きくなり、さらに自由な層６５と突き刺した層６７（又は自由な層７０ｄと突き刺した層６７）との間の平行なカップリングが大きくなる（３ｎｍからの厚さ）。表示とサイズが層７０ｂと７０ｄの厚さの差を変化することによって変化できる、ＡＡＦ７０からの静磁場で、ＭＲセンサー装置のさらなる感度を導くために修正することが可能である。

ナノ粒子１５の直径（図３に示されていない）は、Ｗよりもかなり小さい。さらなる小型化は、少なくとも１０倍、好ましくは１００倍以上もさらに小さいことを意味する。

３つの操作モードがあり、それらの各々は本発明の個別の実施態様である。

−抵抗の測定は、センサー要素の平面に対して垂直な磁界の適用において変化する。３つの可能な実施態様は、既に上記に与えられており、個別の要素を使用することによる、センサー要素１７、１９（ハーフ・ホイートストンブリッジ）の出力の差別的な比較による、又は完全なホイートストンブリッジを使用することによる測定（上記参照）。

−磁界のスイッチが切られた後の磁化の測定。この場合、センサー要素１７、１９によって測定された磁界は、プローブに結合した粒子の磁化の遅い崩壊（熱の緩和）による。未結合の粒子からの磁化の崩壊は、粒子の迅速な無作為の回転移動により、かなり迅速である。適用した磁界のスイッチを切るとすぐに、ネット磁化は無視できる。さらに、差別的な比較検出（ハーフ・ホイートストンブリッジと完全なホイートストンブリッジ）は、このモードで使用できる。

−インプレイン磁界のスイッチが切られた後の磁化の測定。これは、より好ましくない実施態様である。インプレイン磁化は、センサー要素１７、１９でのインプレイン磁界を引き起こす。しかしながら、このインプレイン磁界は、磁気双極子の端部に近い磁界と同様に強力でなく、したがって、この技術の感度は低い。さらに測定されたナノ粒子からの磁界は、プローブに結合されるナノ粒子の磁化の遅い崩壊（熱の緩和）による。さらに、未結合の粒子からの磁化の崩壊は、粒子の迅速で無作為な回転移動により、さらに迅速である。適用された磁界のスイッチを切るとすぐに、ネット磁化は無視できる。しかしながら、このモードにおいて、２つのセンサー１７、１９からの出力はほぼ同一であり、２つのセンサーの使用に代わって、単一の中心に位置するセンサー要素が使用されてよい。ハーフ・ホイートストンブリッジにおいて、このセンサーの抵抗の変化は、プローブ分子がないチップ上のエリア下の名目上同一（参照）のセンサーと比較されてよく、したがって、ビーズが存在しない。同様に、完全なホイートストンブリッジは、プローブ領域の下に位置するａ及びｄセンサーを使用することによって、さらにプローブ分子が存在しないチップ上のエリア下に位置するｂ及びｃセンサーを使用することによって、生成できる。

本発明において、前述のすべてのモードが考慮される。一つの装置ですべての３つのモードを提供できるために、センサー装置は、プローブ要素の平面に垂直な磁界（モード１及び２）又はナノ粒子の平面のプローブ要素の平面に平行な磁界（モード３）、あるいはオプションで両者が望ましい場合のいずれかを生じる手段を設けてよい。同様にして、スイッチは、センサーストライプの抵抗を個別に測定できるように、又は、例えば、抵抗の合計若しくは差異を測定できるように提供してよい。

超常磁性粒子１５の必要とされる磁気特性、より詳細には、粒子の緩和時間の分配は、下記に記載するように異なるモードにおいて異なる。

プローブ要素７がｙ方向で十分に長く、粒子密度ｎが十分に大きい場合、ナノ粒子１５の位置の無作為によるＧＭＲ信号の影響は平均的になる。典型的な設計は、ｙ方向の長さｌ＝１ｍｍと、ｘ方向の幅Ｗ＝３のプローブ要素７を有してよい。各ＧＭＲ要素１７、１９の幅ｗは、ｘ方向の約半分がプローブ要素７下に位置する、ｗ＝３μｍであってよい。プローブエリア５によって占有される全幅Ｗ_１が各プローブ要素７の幅Ｗによって与えられ、クロスの磁界効果を除去するために各２つのＧＭＲ要素１７、１９の幅の半分に５μｍのマージンを加える場合、互いに隣接する１００のプローブエリア５における１ｘ１ｍｍ^２のバイオチップ１上に十分なスペースがある。正のｘ軸に沿った磁化のナノ粒子１５における単位エリアごとに多数の粒子の場合のストライプが平均の磁界は、図５Ａ及び５Ｂの磁界の線によって概略して示される。前述の磁界は、電流

のストライプの端部の２つの平行な電流ワイヤーによる磁界に等しい。明らかに、超常磁性粒子１５ごとのモーメントｍは、可能な限り大きい磁界を得るために、粒子１５の与えられた容積において可能な限り大きくなるべきである。

ＧＭＲ要素１７、１９は、第一のＧＭＲ要素１７にとって正であり、第二のＧＭＲ要素１９にとって負である、磁界のｘ構成要素をプローブする。座標システムの原点が第一のＧＭＲ要素１７の中間で得られる場合、要素１７の磁界の平均のｘ構成要素は、

である。

したがって、Ｈ_ｘ、ａｖは、ＧＭＲ要素１７、１９の幅ｗを小さくすることによって、さらに、基板表面下のＧＭＲ要素１７、１９の深さｄをｗよりも小さくするか又はほぼ等しくすることによって、高めることが可能である。プローブ要素７の幅Ｗを小さくすることは、プローブ要素７の幅ＷがＧＭＲ要素１７、１９の幅ｗとほぼ等しく、基板表面下のＧＭＲ要素１７、１９の深さｄとほぼ等しいか又はより大きい限り、各ＧＭＲ要素１７、１９でセンスの磁界を変化しない。次いで、プローブ要素７の中間上のナノ粒子１５による磁界は検出されない。そうでなければ、信号はプローブ要素７の幅Ｗが減少すると減少するであろう。したがって、おそらくパターニング技術などの実践的な理由のためでなければ、ＧＭＲ要素１７、１９の幅ｗよりもさらに広いプローブ要素７の幅Ｗは、通常は活用しない。

信号が反対であるＧＭＲ要素１７、１９のペアは、すべての部分が磁気的に等しく、つまり、すべてのブランチで等しい交換バイアス方向が存在するホイートストンブリッジの形態を作製するように使用できる。そのようなホイートストンブリッジの実施例は、図８に与えられる。非活性の参照ＭＲ要素及び共通のモード信号（例えば、インプレインの外部磁場又は熱ドリフトによる）の除去による二倍の信号は消去される。

信号の電圧は、

によって与えられ
式中、Ｉ_senseはセンス電流であり、
Ｒ_{ｓｈｅｅｔ}はＧＭＲシート抵抗であり、
（ΔＲ／Ｒ）_maxは、すべてのダイナミックレンジが使用される場合の磁気抵抗比であり、
（ΔＨ）_maxは、要素が完全に切り替わる磁界範囲である。形状異方性がこの範囲を決定する場合、

であり、式中、ｔ及びＭ_satは、それぞれ、自由な磁気層の厚さと飽和磁化である。

式１乃至式４を組み合わせることは、

を導く。

電子ノイズは、熱のノイズによると仮定される。ｒ．ｍ．ｓ．熱のノイズ電圧は、

であり、式中、効果的な測定時間ｔ_meansは、信号が測定される間の時間に等しく、測定のすぐ前に磁化がゼロである（粒子が超常磁性であるために）ように仮定できることが提供される。それは参照レベルを定義する。信号対ノイズ比はＳＮＲ＝Ｖ_ｓ／Ｖ_Ｎに等しい。

システムの適切な機能において、第一モード（磁界の適用段階の磁化の測定）において、すべての粒子の超常磁性緩和時間は、磁界が測定されており、測定が実行されている時間よりも、より少なく、少なくとも５倍より少なく、好ましくは１０倍又はそれよりさらに少ないことが好ましい。次いで、粒子の磁化は、断続的に磁界を切り替えることで断続的にほとんど瞬間的に切り替えられる。その場合、測定後の粒子間の磁気双極子の相互作用は無視でき、結合反応は測定間のそのような相互作用によって妨害されずに進展できる。これは、ナノビーズの磁化粒子が容積Ｖ及び十分に小さい磁気異方性定数Ｋの産物を有すべきことを必要とする。操作の第一モードにおいて、チップ１に結合していない粒子１５は、測定間にチップのインターフェースに存在すべきでない。これは、各測定直前の洗浄段階によって、又は通常方向への磁界勾配平行と磁界の適用の直後にチップ１から離れる未結合粒子を一時的に移動することによって、達成できる。結果となる力は、粒子がチップ表面上を数マイクロメートル移動するために十分であるべきである（ここで、表面の双極子磁界が小さく、ＧＭＲ要素１７、１９に関する位置が十分に無作為であり、したがって、この理由のために信号は無視できる。）。一方で、力は結合を破壊するために必要な力よりも弱い。

操作の第二（及び第三）モードにおいて（磁界のスイッチが切られた後の磁化の測定）、磁界は磁界が切られた後の時間ｔ_ｆで最初に適用され、崩壊する信号のｐ測定は時間ｐｘｔ_meansがほぼｔ_ｆに等しく実行される。理想的には、磁化する磁界が切られた直後に、すべての超常磁性粒子１５は完全に磁化されるべきであるが、一連のｐ測定が実行された後、すべての粒子１５はそれらの磁化を失うべきである。そうでなければ、粒子１５は測定時間の間の反応時間中に磁気的に相互作用する。これは、粒子１５だけが緩和時間がｔ_ｆよりも短い際に使用できることを意味する。連続する測定サイクルでの切り替わる表示を備える適用された磁界の適用によって、ｔ_ｆより大きな緩和時間の結合粒子の小さな望まれない断片は、完成した測定サイクルの数につれて単調に増加し、磁界が適用される時間の間にゼロまで崩壊しない磁気モーメントの合計を構築することを防ぐことができる。一方で、磁界のスイッチを切った後の第一の測定さえも信号を産出しないので、緩和時間はｔ_meansよりも大きくなるべきである。

実際に、上記のことは、緩和時間が１ｍｓと１ｓとの間であるべきことを意味する（下記を参照）。これは、操作の第一モードよりもさらに困難な要求である。この範囲外の粒子は信号に寄与せず、理想的には存在するべきではない。したがって、粒子の直径は、単分散のかなり良好な近似となる。そのような粒子を作製するために方法は周知であり、S.Sun etal., “Monodisperse FePt Nanoparticles and Ferromagnetic Nanocrystal Superlattices”, Science287, 1989-1992 (2000) に記載されている。

ＳＮＲは、例えば、磁鉄鉱（Ｆｅ_３Ｏ_４）粒子である、３５ｎｍの市販の入手可能な磁気粒子におけるシステムのパラメータを与える、下記の表によって特定されるシステムにおいて計算される。

示されたモーメントｍは、適用された磁界が１．２ｋＡ／ｍよりも大きい場合にすでに得られた飽和モーメントである。各ＭＲ要素にわたる電圧は１０Ｖである。プローブごとの測定中の出力は２０ｍＷである。数的な結果は下記のようである。

ナノ粒子１５の検出に必要とされる最小限のＳＮＲが１０（２０ｄＢ）であると仮定すると、最小限の検出可能なナノ粒子の領域密度ｎ_minは、

である。

１０^−８ｍ^２（１００μｍｘ１００μｍ）のプローブエリア上の最小限の検出可能な粒子は、

である。

プローブエリアごとの粒子の絶対数があまりにも少ない場合、前述の理論は機能しない。これは、測定時間ｔ_meansを増加することは、ｔ_meansが１ｍｓのオーダーまでナノ粒子の最小限の検出可能数の減少を導くであろうことを意味する。不運にも、この測定時間は、測定の目標とされる反復時間（３分間にわたる１００測定）よりも明確に下である。長い測定時間を使用することは有用ではない。したがって、使用されるパラメータにおいて、ｔ_meansが１ｍｓよりも大きい場合、プローブエリア上の５０の正確に測定可能な粒子の最小限の数は、GMRセンサーの感度によってではなく、統計によって決定される。

最大の測定可能な粒子の領域密度は、最低の下記の２つの密度に等しく、
粒子又は立体障害間の磁気双極子の相互作用の上記密度は、非常に強くなる。３５ｎｍ粒子において、これは、平方マイクロメートルにつき１００粒子のオーダーの密度であってよい。

粒子からの磁界がGMRセンサーを飽和させる上記密度。Ｈ_ｘ、ａｖが１／２ΔＨ_satはよりも大きい、つまり、平方マイクロメートルにつき９６０粒子のオーダーの密度である場合、使用した連続の近似において上記の密度が生じる。

２つの密度のいずれも測定時間ｔ_meansに依存しない。粒子間の相互作用及びGMR飽和磁界でない与えられた実施例において、粒子の最大の測定可能な数を通常は決定する。

時間に平均された出力消費は、各プローブにおいて１００プローブ及び１：１０００のデューティサイクルを仮定する、操作の第一モードにおいて２ｍWである（１ｍｓの期間で１秒ごとの測定）。同様にして、操作の第二モードにおいて、出力消費はｐｘ２ｍWであり、ここでｐは１サイクル当たり１ｍｓの測定間隔の数である。

操作の第二モードにおいて、１／ｆノイズは重要になってよく、特に、信号の崩壊が測定された期間が１ｓと同様に長くなる場合、重要となる。

上記の結果は、下記のように一般化できる。検出できる粒子の領域密度は、プローブにつき約５０の統計的に決定された値に一致する密度ｎ₋（stat）よりも下であるべきでなく、上記の理論が機能しないよりも下であるべきでない。１０^４μｍ^２に等しいエリアのプローブにおいて、ｎ₋（stat）は０．００５／μｍ^２である。検出できる粒子の領域密度は、粒子間の相互作用又は立体障害があまりにも大きくなる際の密度ｎ_＋（int）よりも明らかに下である。ｎ_＋（int）は約１．２５ｘ１０^５／ｄ^２であり、ｄは粒子の直径ｎｍである。したがって、使用されるGMR要素の感度、測定時間及び粒子の磁気モーメントに関係なく、ダイナミックレンジの可能である最も広い幅は、

である。

この見解から、ダイナミックレンジの幅が高まるにつれて、小さい粒子の使用が有利である。しかしながら、密度の実際の下限は、ｎ₋（stat）によって与えられず、GMRセンサーの感度に依存する値ｎ₋（sens）＝ｎ_minによって与えられてよい。これは、ｎ₋（sens）がｎ₋（stat）よりも大きい場合の事例である。ｎ₋（sens）の値は、粒子の容積と測定時間の平方根に反比例する。加えて、密度の実際の上限は、ｎ_＋（int）によって与えられず、ｎ_＋（satur）がｎ_＋（int）よりも小さい場合にGMR要素が飽和する密度ｎ_＋（satur）によって与えられる。仮定した状況において、ｎ_＋（satur）＝４．１１ｘ１０^７／ｄ^３である。

図１０は、粒子の直径（ｎｍにおける）の関数としての領域密度（粒子数／μｍ^２）を示すグラフである。図から、ダイナミックレンジは、磁気粒子直径の関数として考慮されるシステムのために、上記表で与えられたパラメータ値のために、及び１ｍｓの測定時間のために導き出すことができる。ダイナミックレンジの上限は、磁気抵抗要素の飽和によるｎ_＋（satur）によって長い粒子の直径において与えられ、さらに粒子間の相互作用又は立体障害によるｎ_＋（int）によって短い粒子の直径において与えられる。ダイナミックレンジの下限は、プローブエリア上の粒子の統計的な（無作為な）位置による、ｎ₋（stat）によって長い粒子の直径において与えられ、磁気抵抗要素の感度によるｎ₋（sens ）によって短い粒子の直径において与えられる。全体の上限の感度は、グラフ３０によって与えられ、全体の下限の感度は、グラフ３１によって与えられる。３５ｎｍ粒子のダイナミックレンジは二重の矢印３２によって与えられる。仮定された１ｍｓの測定時間において、３５ｎｍの粒子の半径は最適である。MR要素の飽和磁界の減少又は粒子の磁化の増加は、ｎ₋（sens）及びｎ_＋（satur）グラフの平行で下方への移動を導く。別々であるか組み合わせて、システムのそれら２つの改善は、最適な直径を、２ｘ１０^５のダイナミックレンジに導く、最良のおよそ１０ｎｍまで移動するだろう。

磁化する磁界が粒子を完全に磁化することができるだろうという単なる理由のために仮定されたことを注意する。１１５ｋA／ｍの最大の磁化する磁界において、粒子の半径が約１０ｎｍよりも短い場合、この仮説は機能しない。ｎ₋（sens）グラフの実際の値は、図１０に示されるよりも高い。

本発明が好ましい実施態様を参照して示されて記載された一方で、本発明の趣旨及び範囲を逸脱せずに様々な変形及び修正としてもよいことは当業者によって理解されるだろう。

従来技術によるＢＡＲＣチップの概略図である。 従来技術による適用された磁界の対する多層ＧＭＲセンサーの応答（抵抗）のグラフである。 バイオチップの斜視図である。 選択的にターゲットサンプルを結合することができる結合部位を備えて提供されたプローブ要素と、異なる方法でターゲットサンプルに直接又は間接的に結合されている磁気ナノ粒子を示す図である。 選択的にターゲットサンプルを結合することができる結合部位を備えて提供されたプローブ要素と、異なる方法でターゲットサンプルに直接又は間接的に結合されている磁気ナノ粒子を示す図である。 選択的にターゲットサンプルを結合することができる結合部位を備えて提供されたプローブ要素と、異なる方法でターゲットサンプルに直接又は間接的に結合されている磁気ナノ粒子を示す図である。 競合アッセイの概略を示す図である。 図３のＡ−Ａ´による図３のバイオチップ上のプローブエリアの実施態様の断面図である。 図３のＡ−Ａ´による図３のバイオチップ上のプローブエリアの別の実施態様の断面図である。 グラフの点が、個々の磁気抵抗センサー要素のパントＲ（Ｈ）値を概略的に示す、本発明による適用された磁界に対する多層ＧＭＲセンサー要素の応答のグラフである。 強磁性の芯を備えた２つのコイルが磁気ナノ粒子の磁化のために使用された組立を例示する図である。 ホイートストンブリッジの概略を示す図である。 すべての部分が磁気的に等しい、本発明によるホイートストンブリッジの概略を示す図である。 本発明を実行するための適切なＧＭＲ構造の第一の実施例を示す図である。 本発明を実行するための適切なＧＭＲ構造の第二の実施例を示す図である。 磁気粒子直径の機能として、検出可能な領域の密度の上限と下限を示すグラフである。 ＧＭＲセンサー要素の平面のナノ粒子の磁界のｘ構成要素を例証するグラフである。 複数の磁気センサー要素上の多重の段階的構造を概略して示す図である。

Claims (35)

1. ターゲットに直接的又は間接的に結合している磁気ナノ粒子の存在又は領域密度を決定するための磁気抵抗センサー装置であって、該磁気抵抗センサー装置は、基板に付加してターゲットに選択的に結合できる結合部位を有する基板と、少なくとも前記ターゲットに結合した場合に前記磁気ナノ粒子の磁界を検出するための磁気抵抗センサーとを有し、前記磁気抵抗センサーは、第一と第二の磁気抵抗センシング要素のペア又は磁気抵抗センシング要素の第一と第二のグループを有し、各ペアは少なくとも一つの結合部位を有するプローブ要素と関連して平行に位置し、前記第一と第二の磁気抵抗要素又は磁気抵抗センシング要素の第一と第二のグループの出力は、コンパレータ回路に供給されていることを特徴とする磁気抵抗センサー装置。
2. 前記磁気抵抗センシング要素に対して垂直な磁界を生じる手段をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗センサー装置。
3. 少なくとも一つのプローブ要素を有するプローブエリアがあり、前記磁気抵抗センシング要素と前記プローブエリアとの間に実質的に垂直のプロジェクションで見られる、重なりエリアがあることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗センサー装置。
4. 前記磁気抵抗センシング要素に対して平行な磁界を生じる手段をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗センサー装置。
5. 前記センシング要素の幅及び長さは、前記ナノ粒子の平均直径よりも大きく、少なくとも１０倍以上であり、好ましくは１００倍以上であることを特徴とする前述までに記載の請求項のいずれかに記載の磁気抵抗センサー装置。
6. 前記装置はマイクロアレイであることを特徴とする前述までに記載の請求項のいずれかに記載の磁気抵抗センサー装置。
7. 前記複数の磁気抵抗センシング要素はジャイアント磁気抵抗（GMR）要素であることを特徴とする前述までに記載の請求項のいずれかに記載の磁気抵抗センサー装置。
8. 前記複数の磁気抵抗センシング要素はトンネル磁気抵抗（TMR）要素であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の磁気抵抗センサー装置。
9. 前記複数の磁気抵抗センシング要素は異方性磁気抵抗（AMR）要素であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の磁気抵抗センサー装置。
10. 前記磁気抵抗センシング要素のペアは、ホイートストンブリッジ又はハーフ・ホイートストンブリッジを形成することを特徴とする請求項１、２及び請求項７乃至９のいずれかに記載の磁気抵抗センサー装置。
11. 前記第一と第二の磁気抵抗センシング要素のペア又は第一と第二の磁気抵抗センシング要素のグループの各センサーは、同一方向でバイアスされたことを特徴とする前述までに記載の請求項のいずれかに記載の磁気抵抗センサー装置。
12. 前記磁気抵抗センシング要素の各々は、磁気抵抗物質のストリップを有し、前記磁気抵抗物質は線形の抵抗対磁界の曲線を有し、本質的にヒステリシスがないことを特徴とする請求項１、１０に記載の磁気抵抗センサー装置。
13. 前記コンパレータ回路は、前記基板に存在するさらなる電子回路と統合されることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗センサー装置。
14. 前記磁気抵抗センシング要素の幅は前記プローブ要素の幅の少なくとも５０％であり、好ましくは少なくとも６０％で、最も好ましくは少なくとも７０％であることを特徴とする請求項１２に記載の磁気抵抗センサー装置。
15. 前記プローブ要素までの前記磁気抵抗センシング要素の距離は、前記磁気抵抗センシング要素の幅とりも狭いことを特徴とする請求項１２に記載の磁気抵抗センサー装置。
16. 前記磁気ナノ粒子は超常磁性であることを特徴とする前述までに記載の請求項のいずれかに記載の磁気抵抗センサー装置。
17. 前記センサー装置は構造化した表面であることを特徴とする前述までに記載の請求項のいずれかに記載の磁気抵抗センサー装置。
18. 前記構造化した表面は段階状のプロファイルを有することを特徴とする請求項１７に記載の磁気抵抗センサー装置。
19. 前記構造化した表面は勾配プロファイルを有することを特徴とする請求項１７に記載の磁気抵抗センサー装置。
20. 前記構造化した表面は化学的に構造化した表面であることを特徴とする請求項１７乃至１９のいずれかに記載の磁気抵抗センサー装置。
21. 前記化学的に構造化した表面は、前記表面の一部分上にだけ結合部位を有することによって得られることを特徴とする請求項２０に記載の磁気抵抗センサー装置。
22. 基板上の磁気ナノ粒子の存在を決定するか、又は領域密度を測定するための方法であって、該方法は、
    −前記磁気ナノ粒子で直接的又は間接的に標識されているターゲットサンプルが前記基板上の選択的な結合部位へ結合する段階と、
    −前記結合部位に結合した磁気ナノ粒子の存在をセンシングし、それによって前記磁気ナノ粒子で標識されたターゲットの存在又は密度を決定する段階と、を有し、
    −前記センシング段階は、磁気抵抗センサー要素を使用して前記一つの結合部位に結合したナノ粒子によって生じる磁界から発生した２つの信号を抽出し、及び
    −前記２つの信号間の差異を決定することによって実行される、
    ことを特徴とする方法。
23. 前記磁界は前記磁気抵抗センシング要素に対して垂直に適用されることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
24. 前記磁界は前記磁気抵抗センシング要素に対して平行に適用されることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
25. 前記センシング段階は複数のジャイアント磁気抵抗（GMR）センシング要素を有する磁気抵抗センサーの手段によって実行されることを特徴とする請求項２２乃至２４のいずれかに記載の方法。
26. 前記センシング段階は複数のトンネル磁気抵抗（TMR）センシング要素を有する磁気抵抗センサーの手段によって実行されることを特徴とする請求項２２乃至２４のいずれかに記載の方法。
27. 前記センシング段階は複数の異方性磁気抵抗（AMR）センシング要素を有する磁気抵抗センサーの手段によって実行されることを特徴とする請求項２２乃至２４のいずれかに記載の方法。
28. 前記センシング段階はホイートストンブリッジ又はハーフ・ホイートストンブリッジの手段によって実行されることを特徴とする請求項２２、２５乃至２７のいずれかに記載の方法。
29. 前記結合及びセンシング段階は、前記マイクロアレイ上の複数のプローブ要素で実行されることを特徴とする請求項２２乃至２８のいずれかに記載の方法。
30. 前記磁気ナノ粒子は超常磁性であることを特徴とする請求項２２乃至２９のいずれかに記載の方法。
31. 流体中でターゲットを検出する方法であって、該方法は、
    −前記磁気ナノ粒子で直接的又は間接的に標識されているターゲットサンプルが前記基板上の選択的な結合部位へ結合する段階と、
    −前記結合部位に結合した磁気ナノ粒子の存在をセンシングし、それによって前記磁気ナノ粒子で標識されたターゲットの存在又は密度を決定する段階と、を有し、
    −前記センシング段階は、磁気抵抗センサー要素を使用して前記一つの結合部位に結合したナノ粒子によって生じる磁界から発生した２つの信号を抽出し、及び
    −前記２つの信号間の差異を決定することによって実行される、
    ことを特徴とする方法。
32. 前記流体は血液であることを特徴とする請求項３１に記載の方法。
33. 前記流体は尿であることを特徴とする請求項３１に記載の方法。
34. システムが血液試験装置であることを特徴とする請求項１乃至２１のいずれかに記載の磁気抵抗センサー装置を有するシステム。
35. 流体で選択されたタイプの分子を検出するための方法であって、ナノ粒子を含有する薬剤は、前記選択されたタイプの分子と前記薬剤が化学的に反応する前記流体に導入され、そのために、ターゲットを形成し、それによって前記ターゲットが請求項３１乃至３３に記載の方法によって検出されることを特徴とする方法。

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