JP2005513485A - 流体中の磁性粒子密度を測定する磁気抵抗検出装置、システム、及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、流体中の磁性粒子密度を求める磁気抵抗検出装置、システム、及び方法に関する。本磁気抵抗検出装置は、流体（３）を支持する層状構造（２）を備えた基板（１）を有する。層状構造は、第一レベルの第一の表面エリア（４）と、別の第二レベルの第二の表面エリア（５）と、流体中の少なくとも１つの磁性粒子（７）の磁場を検出する磁気抵抗素子（６）とを有する。磁気抵抗素子は、第一の表面エリアと第二の表面エリアの間の移行部（８）近くに配置され、第一及び第二の表面エリアの少なくとも一方の方を向いている。対応するシステム及び方法についても記載されている。

Description

発明の詳細な説明

本発明は、磁気抵抗検出装置に関する。

また、本発明は、磁気抵抗検出装置を含み、流体中の磁性粒子密度を測定するシステムにも関する。

さらに、本発明は、磁気抵抗検出装置を用いて、流体中の磁性粒子密度を測定する方法にも関する。

Ｃｈｅｍｌａらは、文献：「Ｕｌｔｒａｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ ｆｏｒ ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ ｉｍｍｕｎｏａｓｓａｙ」、ＰＮＡＳ、２０００年１２月１９日、ｖｏｌ．９７、ｎｏ．２６において、ＳＱＵＩＤベースの超磁性粒子センサについて記載している。このＳＱＵＩＤは、表面のくぼみにおいて、基板上の領域に存在する磁性ナノ粒子に起因する磁束を検出する。上記センサの一例として、これら粒子を付着させ固定化するＭｙｌａｒ（登録商標）シートを上記くぼみにフィットさせることが記載されている。面内磁場が掛けられると、磁性ナノ粒子の磁気モーメントが生じる。その後、この磁場はスイッチオフされる。ネールのメカニズムによれば、付着した磁性ナノ粒子の磁気双極子に結果として生じるリラクゼーションにより、数秒間の間、固定化された領域の面に垂直な測定可能時間依存場が生じる。この場は、固定化された領域に接近して配置されたＳＱＵＩＤプローブによって検出される。

バルク流体中のナノ粒子は、ブラウン運動に従って自由に回転する。Ｃｈｅｍｌａらにより研究されたシステムにおいて、この回転に起因する磁場のリラクゼーションは、固定化された粒子のそれよりもかなり高速である。よって、流体中の非固定化粒子によって生成されたＳＱＵＩＤにおける磁束全体は、ほとんど直ちにゼロに低減する。

既知の装置の欠点は、ＳＱＵＩＤが極低温においてのみ作動する点にある。固定化領域に対してＳＱＵＩＤを正確に位置決めすることは困難であり、基板の選択は厚さが小さいことが要求されるために制限される。

既知の装置の主たる欠点は、磁場がオフされた後、バルク流体中の磁性ナノ粒子が素早くリラクゼーションするために、流体中の磁性粒子の体積濃度を測定することができないという点である。「ターゲット」とも呼ばれる生物学的分子又は分子断片の密度の非常に精密な測定に対する一般的必要性が存在する。よって、ターゲットに対して磁気ラベルとして機能する磁性粒子の密度を非常に高精度に測定できることが必要である。流体中の磁性粒子の体積密度を測定する精密なシステム及び方法を得ることは一般的な関心事であろう。

マイクロアレイ又はバイオチップの導入が、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大きな変革をもたらしている。用途は、例えば、人のジェノタイピング（例えば、病院において、又は個々の医師や看護婦によって）、バクテリア・スクリーニング、生物学的・薬学的研究、などである。今日では、微量の生物学的分子又は分子断片を分析するのに用いられる多くの種類の試験法（ａｓｓａｙ）が存在する。例えば、結合法（ｂｉｎｄｉｎｇ ａｓｓａｙ）、競合法（ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｖｅ ａｓｓａｙ）、置換法（ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａｓｓａｙ）、サンドイッチ法（ｓａｎｄｗｉｃｈ ａｓｓａｙ）、又は、拡散法（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ａｓｓａｙ）などである。生化学試験における課題は、低濃度（例えば、ｆｍｏｌ．ｌ^−１）であるターゲット分子の濃度を変動する背景物質（ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｍａｔｅｒｉａｌ）の濃度が高濃度（例えば、ｍｍｏｌ．ｌ^−１）である流体サンプル中において測定しなければならない点である。ターゲットとして、ペプチド、ホルモン・バイオマーク様ミオグロビン、タンパク質、核酸、ステロイド様コレステロール、酵素、抗原、ハプテン、薬などを用いることができる。背景物質又はマトリクスとして、尿、血液、血清などを用いることができる。他の重要な試験は、細胞計数、生物凝固（ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏａｇｕｌａｔｉｏｎ）、及び、生物活性である。

ラベルは、ターゲットの検出限界を向上させる。ラベルの例は、光学ラベル（ｏｐｔｉｃａｌ ｌａｂｅｌ）、着色玉（ｃｏｌｏｒｅｄ ｂｅａｄ）、蛍光化学基（ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｇｒｏｕｐ）、酵素、光学バーコード（ｏｐｔｉｃａｌ ｂａｒｃｏｄｉｎｇ）、又は、磁気ラベルなどである。

したがって、ターゲットに対する磁気ラベルとして機能する流体中の磁性粒子の体積密度を非常に高精度に測定できることが必要である。

本発明の目的は、流体中の磁性粒子の体積密度を測定することができる、冒頭段落に記載したタイプのシステムを提供することである。

本発明に係るシステムに関する本発明の目的は、磁気抵抗検出装置が、流体を支持する層状構造を備えた基板を有し、層状構造が、第一レベルの第一の表面エリアと、別の第二レベルの第二の表面エリアと、流体中の少なくとも１つの磁性粒子の磁場を検出する磁気抵抗素子とを有し、この磁気抵抗素子が、第一の表面エリアと第二の表面エリアの間の移行部近くに配置され、第一及び第二の表面エリアの少なくとも一方の方を向いている、ことにより実現される。流体は、液体又は期待を含む。

本磁気抵抗検出装置は、磁性粒子の正味磁気モーメントを検出する。層状構造上にある流体中の磁性粒子は、磁気モーメントｍを有する。磁気モーメントは、磁気抵抗検出装置に対して垂直に掛けられた磁場と揃う。基板が平面上であったとき、その基板の磁気抵抗素子面における磁場は、流体全体にランダムに分散したナノ粒子により、平均がゼロに達する。しかし、移行部により、縁取った磁場が存在する。第一及び第二の表面エリアの面は、かならずしも互いに平行でなくてもよい。それらは、互いに角度を成してもよい。これら表面は、かならずしも平坦でなくてもよい。移行部は、傾斜プロファイルを有してもよい。互いに隣接する移行部が波のような表面を形成してもよい。その場合、第一の表面エリア及び第二の表面エリアを非常に小さくすることができる。

一般的に、磁気抵抗素子における面内磁場は、積分により求めることができる。単なる説明のために、第一の表面エリアから第二の表面エリアへの段差である移行部に対して、体積密度を求めるものであるという表現が与えられている。段差が付けられた表面構造であるために、磁気抵抗検出装置から第一の表面エリアまでの距離ｄ_１は、磁気抵抗検出装置から第二の表面エリアまでの距離ｄ_２と異なる。第一レベルの表面と第二レベルの表面の間のエッジのちょうど真下の磁気抵抗検出素子の面に、正味磁場

が存在する。ここで、Ｎは流体中の磁性粒子の体積密度であり、ｍは粒子あたりの磁気双極子モーメントであり、ｘは段差エッジに垂直な面内方向である。正のｘ方向は、距離ｄ_１を有するエリアから距離ｄ_２を有するエリアへ向かう方向である。

磁気抵抗検出装置は、磁場を抵抗値に変換する。磁気抵抗装置の磁場に対する抵抗は良く知られているため、抵抗値から体積密度を計算することができる。

校正のため、磁性粒子を含まない流体中における磁場に対する抵抗が測定されるべきである。本磁気抵抗検出装置は、例えば、ＧＭＲ、ＴＭＲ、又はＡＭＲ効果などに基づくことができる。本磁気抵抗検出装置は、複数の薄膜から成る層状構造を有する。この構造は、特に小さい磁場に対して、線形の抵抗−磁場曲線を有すると共に、無視し得るヒステリシスを有することが好ましい。

第一及び第二の表面エリアが磁気抵抗検出装置上の略垂直な突起である場合、磁気抵抗検出素子と第一の表面エリアとが重なることが好ましい。磁性粒子によって生成された正味磁場は、第一の表面エリアと第二の表面エリアの間の移行部において、最も強くなる。特に第一レベルの層と第二レベルの層の間の移行部がシャープな場合、磁気抵抗検出装置の面内磁場は、

と一次近似できる。ここで、ｘは、段差エッジ方向に垂直で、第一の表面エリアに平行な方向に沿った移行部の中心に関して定義された距離である。検出されるべき磁場は、磁気抵抗検出装置が移行部の近くに存在し、第一の表面エリアまでの距離が短いときに、最も強くなる。

第一の表面エリアと第二の表面エリアの間の移行部は、段差状のプロファイルを有することが好ましい。式（２）は、この状況の一次近似である。

一般的に、このような構造の表面上には、磁性粒子の面密度も存在する。第一の表面エリア上の磁性ナノ粒子の面密度をσ_１で表し、第一の表面エリア上の磁性ナノ粒子の面密度をσ_２で表す。ナノ粒子でラベルが付けられた素子を含む流体中の磁性ナノ粒子の体積密度をＮで表す。正のｚ方向に沿った粒子の磁化について、表面段差の下の面内磁場は、

と一次近似できる。ここで、ｍは粒子の磁気モーメントである。粒子の面密度は、通常、μｍ^２あたり０〜１０^３又は１０^４粒子の範囲である。

体積密度は、以下に説明するように、複数の等しくない磁気抵抗検出装置の等しくない出力信号の組み合わせから計算することができる。

第一の表面エリア上の面密度が第二の表面エリア上の面密度と等しくない場合、面密度及び体積密度は、等しくない深さｄ_１及びｄ_２の組み合わせを有する少なくとも３つの構造を備えた構造を有する表面から求めることができる。各表面構造は、各段差に対して同じ位置の同じ面内に存在する同一の磁気抵抗検出装置を有する。段差の高さが異なるために、検出装置からの３つの異なる出力信号が磁性粒子の表面密度及び濃度を求めることを可能にする。第一の表面エリアでの面密度と第二の表面エリアでの面密度が等しいという特殊なケースの場合、面密度及び体積密度は、等しくないｄ１及びｄ２の組み合わせを有する少なくとも２つの構造を有する表面構造から求めることができる。

結合法、競合法、又は置換法においては、一般的に、第一の表面エリア上にプローブ・エリアが存在する。結合部位はこのプローブ・エリアに取り付けられる。

結合法において、磁性粒子は、磁性ラベルを形成するターゲットと結合する。磁気ラベルが付けられたターゲットは、ブラウン運動によって流体中に拡散する。小さい粒子は速く拡散し、大きい粒子よりも速く結合部位に到達する。磁性ラベルが付けられた手−ゲットは、結合部位において、結合される。

競合法において、流体中には、濃度が測定されるべきターゲットと、磁気的にラベルが付けられたターゲットとが存在する。２つの種が捕獲分子と結合することを争う。量及び結合反応速度（拡散、結合効率）の差が、種の捕獲分子への相対的な結合を決定する。結合部位に存在する磁気的にラベルが付けられたターゲットの数が多くなるほど、試験容積内に存在するターゲットの数が少なくなる。

置換法において、磁気ラベルが付けられたターゲットは、結合部位において結合される。容量内のターゲットは、結合部位へ拡散して磁気ラベルが付けられたターゲット分子を置き換える。流体中のターゲットの濃度を高くなるほど、検出される磁気ラベルが付けられたターゲットの数が少なくなる。

式（３）で表されるように、磁性粒子の体積密度Ｎの測定は、第一レベル及び第二レベルにおける基板上の磁性粒子の面密度の効果が除去されることを必要とする。

本磁気抵抗検出装置が基板上に配置された磁気抵抗素子を有するホイートストン・ブリッジを有するとき、検出精度を向上させることができる。外部磁場が掛けられたときに２つのセンサの抵抗が異なるように、ブリッジの半分が第一の表面エリアと第二の表面エリアの間の第一の移行部の下に配置され、ブリッジの残りの半分が表面エリア間の第二の異なる移行部の下に配置される。

第一及び第二の磁気抵抗検出装置のペア又は第一及び第二の磁気抵抗検出装置のグループが用いられ、各ペアが移行部に関連付けられると共に移行部と共に配置され、第一及び第二の磁気抵抗装置の出力は外部磁場が掛けられたときに磁気抵抗検出装置の抵抗の変化を検出する手段に転送されるときに、検出精度を向上させることができる。

有益的な実施形態において、層状構造は、互いに平行に配置された複数の溝によって形成される。磁気抵抗検出素子は、抵抗−磁場曲線の一次近似が掛けられた磁場のｘ成分の線形関数となる物質から作られる。この素子は、基板に存在し、略ストライプ状であり、上記複数の溝のエッジに沿って中心が位置する。溝エッジ間の距離は、ストライプ状の磁気抵抗素子の幅よりも大きい。

第二の有益的な実施形態においても、層状構造は、互いに平行に配置された複数の溝によって形成される。ただし、今回、磁気抵抗検出素子は、抵抗−磁場曲線の一次近似が掛けられた磁場のｘ成分の対称式となる物質から作られる。これは、磁場のｘ成分の絶対値に対してのみ反応し、その符号には反応しない。素子は、基板に存在し、溝間のエッジ間の距離よりもかなり大きいｘ方向サイズを有し得る。その場合、溝の素子に対する正確な位置は厳密に重要ではない。別の方法として、ストライプ状の磁気抵抗素子のサイズが溝エッジ間の距離のオーダかそれよりも小さいとき、ストライプ状のセンサ素子は溝のエッジに沿って中心が位置する。

これにより、短時間で非常に多くの微量の様々な分子又は分子断片を並行して分析することができる。１つのバイオチップは、１０００以上の異なる分子断片を保持することができる。Ｈｕｍａｎ Ｇｅｎｏｍｅ Ｐｒｏｊｅｃｔ（ヒト遺伝子プロジェクト）などのプロジェクト及びそれに続く遺伝子及びタンパク質の機能に関する研究の結果として、バイオチップを用いることにより利用可能になり得る情報の有用性が次の１０年の間に急速に増加することが期待される。

例えば１つの流体試験サンプルから非常に多くのターゲット種が分析されなければならない場合、溝を備えた基板を積み重ね、３次元のチャネル・アレイ（ａｒｒａｙ ｏｆ ｃｈａｎｎｅｌｓ）を形成することができる。これにより、非常にコンパクトな検出システムが可能となる。特に、互いに積み重ねられた基板においてデータ処理が発生するときに。

本磁気抵抗検出装置の磁気抵抗の変化を検出する手段は、集積回路を有することが好ましい。電子集積回路は、容易に、基板に製造できる。特に、基板が半導体のとき、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）、バイポーラ・トランジスタ、ダイオード、光学装置、又は、様々なセンサ（例えば、温度センサ、イオン感知電極、圧力センサ、粘度センサ、流量センサ、電流センサ、電圧センサなど）のような電子装置を取得するのに従来通りの手法を用いることができる。

本発明の別の目的は、試験サンプルの流体中の体積密度の測定を可能にするシステムを提供することである。

本発明に係るシステムに関する本発明の上記目的は、流体を支持する層状構造を備えた基板を有し、層状構造が、第一レベルの第一の表面エリアと、別の第二レベルの第二の表面エリアと、流体中の少なくとも１つの磁性粒子の磁場を検出する磁気抵抗素子と、磁気抵抗検出装置の磁気抵抗の変化を検出する電子回路とを有し、磁気抵抗素子が、第一の表面エリアと第二の表面エリアの間の移行部近くに配置され、第一及び第二の表面エリアの少なくとも一方の方を向いており、電子回路が基板に存在する、磁気抵抗検出装置が用いられることにより実現される。

電子回路は、差分比較回路を有し得る。

本発明の別の目的は、試験サンプルの流体中の体積密度の測定を可能にする方法を提供することである。

本発明に係る方法に関する本発明の上記目的は、流体を支持する層状構造を備えた基板を有し、層状構造が、第一レベルの第一の表面エリアと、別の第二レベルの第二の表面エリアと、流体中の少なくとも１つの磁性粒子の磁場を検出する磁気抵抗素子とを有し、磁気抵抗素子が、第一の表面エリアと第二の表面エリアの間の移行部近くに配置され、第一及び第二の表面エリアの少なくとも一方の方を向いている、磁気抵抗検出装置が用いられ、本方法が、
− 磁性粒子を含む流体を層状構造上に供給する工程と、
− 磁場を掛ける工程と、
− 磁場を掛けながら、磁気抵抗検出素子をセンシングする工程と、
− 磁気抵抗検出素子からの出力信号を磁場が掛けられていないときに取得された基準信号と比較して、磁性粒子の体積密度を求める工程とを有する、ことにより実現される。

磁性ナノ粒子の体積密度は、センサが一定の検出電流で作動されているときに磁場が掛けられた場合の装置上の電圧の差の変化から得られる垂直な磁場が掛けられたときの磁気抵抗検出装置の抵抗の変化から求められる。

一般的には、基板上の粒子密度とバルクにおける粒子密度とを独立して求めることが要求される。これは、同じチップ又は同じ装置上に集積された異なる表面構造（例えば、ｄ_１及びｄ_２の値が異なるなど）を有する複数のセンサの測定値を組み合わせることによって実現することができる。そのとき、センサ・アレイからのデータは、合成されて、σ_１、σ_２、及びＮの正確な値をもたらす。

磁気抵抗検出装置の幅が距離ｄ１及びｄ２よりかなり小さい場合、上記目的のために式（３）を用いることができる。これは一般的なケースではない。なぜなら、検出装置の幅は、距離ｄ１及びｄ２と同じ大きさとすることができるからである。よって、求められた数式は、単に本発明の原理を説明するためのものである。

面密度が等しい場合（σ_１＝σ_２）、（１／ｄ１−１／ｄ２）＝（１／ｄ３−１／ｄ４）で且つｄ２／ｄ１がｄ４／ｄ３と等しくなければ、体積密度Ｎは、第一の表面構造に対応する第一の磁気抵抗検出素子と第三及び第四の表面レベルを有する第二の表面構造に対応する第二の検出素子の間の抵抗の差に比例する。距離ｄ３及びｄ４は、それぞれ第二の検出素子から第三の表面エリア及び第四の表面エリアまでの距離である。

面密度が等しくない場合（σ_１≠σ_２）、第三の検出が必要である。例えば、ｄ６／ｄ５がｄ２／ｄ１と等しいが、ｄ６（又はｄ５）はそれぞれｄ１（又はｄ２）と等しくない。ｄ１／ｄ２及びｄ５／ｄ６を備えた検出素子センサ間の抵抗値の差から、（σ_１／ｄ１−σ_２／ｄ２）が得られるため、ｄ１／ｄ２センサの測定された磁場を補正することができる。

本発明に係る装置の上記及び他の特徴及び利点は、本発明の原理を例示的に説明した添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むことにより明らかになる。この説明は、例示目的のためのみに提供されるものであり、本発明の範囲を制限するものではない。

図１の磁気抵抗検出装置は、流体（３）を支える層状構造（２）を備えた基板（１）を有する。この層状構造は、第一レベルの第一の表面エリア（４）と、別の第二レベルの第二の表面エリア（５）と、流体（３）中の少なくとも１つの磁性粒子（７）の磁場を検出する磁気抵抗素子（６）とを有する。磁気抵抗素子（６）は、第一の表面エリア（４）と第二の表面エリア（５）の間の移行部（８）近くに配置され、第一及び第二の表面エリア（４，５）の少なくとも一方の方を向いている。

流体（３）は、ターゲット分子種又は抗原を有する。

磁性ラベルを備えることができるあらゆる生物学的分子は、潜在的に本用途に用いることができる。

図２において、磁気抵抗（ＭＲ）センサ素子の幅１０及び長さ１１は、その存在及び濃度が測定される磁性ナノ粒子の直径よりもかなり大きい。

このナノ粒子の直径は、例えば１〜２５０ｎｍであり、好ましくは３〜１００ｎｍであり、最も好ましくは１０〜６０ｎｍである。このような小さな粒子は、高速に拡散する。センサ素子の幅及び長さのサイズは、例えば１μｍ×１μｍであるナノ粒子のサイズよりも、少なくとも１０倍以上であり、好ましくは１００倍以上である。センサ素子のサイズはこれ以外であってもよい。使用されるサイズが変わると、Ｓ／Ｎ比が変わる。

磁気抵抗検出素子６は、基準ＧＭＲ物質下の例において、薄膜物質を有するが、Ｈ＝０付近で略線形のＲ（Ｈ）曲線を有するＡＭＲ、ＴＭＲ、又は他のＭＲ物質などの他の薄膜物質も可能な物質である。検出素子は、例えば、酸化珪素、窒化珪素、又は、有機材料（例えばレジストやエポキシなど）などのレイヤによって、磁性ナノ粒子７から隔てられる。

磁気抵抗検出装置の第一の実施形態において、磁気抵抗検出素子は、ＧＭＲストリップから成る。検出素子のＧＭＲストリップは、曲がりくねってしてもよく、それにより、面積が増え、感度が向上する。磁気抵抗検出素子６に垂直に磁場が掛けられると、層状構造の第一の表面エリアと第二の表面エリアの間の移行部に縁取った磁場（ｆｒｉｎｇｉｎｇ ｆｉｅｌｄ）が存在する。図３には、検出素子の中心が移行部８の中心の下方に存在する場合に、検出素子のｘ方向の磁場が最大となることを示している。

ナノ粒子７の磁化は、図４に示すような磁気抵抗素子に垂直に（すなわち、ｚ軸に沿って）掛けられた外部磁場によって、制御される。ここで、磁気抵抗素子は、ナノ粒子７に起因する磁場に対してさらされる。

正のｚ方向に沿った粒子の磁化について、第一の表面エリアと第二の表面エリアの間の階段状の移行部の下の面内磁場は、

と一次近似できる。ここで、ｍは粒子の磁気モーメントである。σ_１及びσ_２は、第一及び第二の表面エリア上での磁性ナノ粒子の面密度をそれぞれ表す。Ｎは、ナノ粒子７でラベルが付けられた素子を含む流体中における磁性ナノ粒子７の体積密度を表す。

面密度が略ゼロという特殊なケースにおいては、磁性粒子の密度Ｎは、検出素子の抵抗から求められる。磁気抵抗素子６からの典型的な出力信号を図５に示す。濃度Ｎは、磁場Ｈ_ｘの値と、直径３５ｎｍの磁性粒子の既知の磁気モーメント（ｍ＝３．１０^１８Ａｍ^２）と、距離ｄ１及びｄ２と、式

とから求められる。

図６は、複数のステップ状構造と、多くの検出素子とを示す。広いエリアにわたって、体積密度を測定することができる。

図７には、基板上面に多くのレベルが設けられた構造が図示されている。この構造は、均一な面密度の測定に有用である。物理的構造に加えて、第一及び第二の表面エリアは、化学的に構築することもできる。例えば、層状構造の表面は、プラズマ処理される。例えば、ＰＥＧ（ポリエチレン）が表面上に均一に設けられる。捕獲分子として、例えば、抗体、抗体断片、受容体、リガーゼ、核酸、オリゴヌクレオチドなどを用いることができる。捕獲分子は、表面上に化学的に又は物理化学的に設けられる。これら捕獲分子は、ターゲットを選択的に拘束することができる。

体積密度Ｎは、磁気抵抗検出素子６及び６’の出力信号の差から求めることができる。

１／ｄ１−１／ｄ２＝１／ｄ３−１／ｄ４という特殊なケースにおいては、出力の差は、−ｍ／２π．Ｎ（Ｉｎ（ｄ２／ｄ１）−Ｉｎ（ｄ４／ｄ３））を生じる。既知の表面までの距離から、体積濃度Ｎが求められる。距離は、例えば、ｄ１＝１μｍ、ｄ２＝２μｍ、及び、ｄ３＝２／３μｍ、ｄ４＝１μｍである。

磁気抵抗検出素子からの出力信号は、例えば差動増幅器を用いて、増幅することができる。半導体基板１には、バイポーラ・トランジスタ、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ、ダイオードなどの電子回路３０を形成する多くの半導体装置が存在する。

有益的な方法において、磁場は、磁気抵抗検出素子に垂直に掛けられる。この磁場の大きさは、通常、１００〜１０００Ｏｅである。この磁場はオンオフされる。

第一のステップにおいて、磁場の均一性が最適化される。時刻ｔ１＝０において、１以上のコイルを流れる電流が記録される。検出素子の磁気抵抗値が記録される。時刻ｔ２において、検出素子６及び６’の磁気抵抗曲線が再び検出される。時刻ｔ１＝０とｔ２の間で検出素子６及び６’の出力Ｒ（Ｈ）曲線の差が大きい場合、これは、磁場の傾きに起因して粒子に掛かった力によって粒子の位置が変わったことを示している。そのとき、磁場は、例えば補償磁場傾きをもたらす小さいコイルを用いて、調整されなければならない。

磁場が均一になると、磁場は、標準的には１ｍｓの間、オンにされる。この間、磁気抵抗検出素子６及び６’は、装置に電流を流すことによって、センシングされる。出力信号の差から、体積密度及び面密度が求められる。磁場ゼロのときの磁気抵抗検出素子の出力信号を基準として持っておくことが非常に重要である。この基準抵抗値は、ロックイン法（ｌｏｃｋ−ｉｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）を用いて測定される。また、例えば、磁場ゼロで１ｍｓの間測定し、磁場Ｈで１ｍｓの間測定し、そして再度磁場ゼロで１ｍｓの間測定して、基準を取得することも可能である。

磁場がオフされると、リラクゼーションは非常に高速であり、略直ちに発生する。このリラクゼーション時間は、１ｍｓよりかなり短い。この間、磁場がオフされ、磁性粒子は非常に高速に拡散する。このときの拡散長は、磁性粒子が互いに引き寄せ合う距離よりもかなり長い。１ｍｓの間に直径３５ｎｍの磁性粒子が拡散する距離が約０．１５マイクロメートルであるところ、磁気モーメントｍ＝３．１０^１８Ａｍ^２の粒子が体積密度１ｎｍｏｌ／ｌにおいて引き寄せ合う距離は約１０ピコメートルである。

オフにされている間、磁性粒子は均一な分散に達する。磁性粒子がオフにされている時間は、通常、１ｍｓである。サンプル内のいくつかのエリアにおいては、時間の関数として測定することができる。

３分間の間に、少なくとも１００回の測定を行うことができる。

この手順を用いると、体積濃度測定時に実現できる精度が少なくとも１ｎｍｏｌ／ｌとなる。粒子の面密度は、通常、μｍ^２あたり０〜１０^３又は１０^４粒子の範囲である。体積密度及び面密度を求めるために、図７に示すような第二の層状構造が存在する。この第二の層状構造は、第三レベルの第三の表面エリアと、第四レベルの第四の表面エリアとを有する。

この第二の層状構造は、第三の表面エリアと第四の表面エリアの間の移行部近くに配置されている第二の磁気抵抗素子に対応し、少なくとも第三の表面エリアの方を向いている。

式（３）から、面密度が均一である場合（σ_１＝σ_２）、磁気抵抗検出素子から表面までの距離は、１／ｄ１−１／ｄ２＝１／ｄ３−１／ｄ４でなければならないことが分かる。

磁場の差は、Ｈ_ｘ１−Ｈ_ｘ２＝−ｍ／２π．Ｎ（Ｉｎ（ｄ２／ｄ１）−Ｉｎ（ｄ４／ｄ３））である。

磁気抵抗と既知のＲ（Ｈ）特性との差から、体積密度を抽出することができる。第一のホイートストン・ブリッジの磁気抵抗信号から、面密度を求めることができる。

図８及び式（３）から、面密度がσ_１≠σ_２の場合、磁気抵抗検出素子から表面までの距離は、１／ｄ１＝１／ｄ３＋１／ｄ５、１／ｄ２＝１／ｄ４＋１／ｄ６、ｄ１≠ｄ２、ｄ３≠ｄ４、及び、ｄ５≠ｄ６、でなければならないことが分かる。

磁場の差は、Ｈ_ｘ１−Ｈ_ｘ２＝−ｍ／２π．Ｎ（Ｉｎ（ｄ１／ｄ２）−Ｉｎ（ｄ４／ｄ３）−Ｉｎ（ｄ６／ｄ５））である。

磁気抵抗と既知のＲ（Ｈ）特性との差から、体積密度を抽出することができる。第一及び第二のホイートストン・ブリッジの磁気抵抗信号から、面密度σ_１及びσ_２を求めることができる。

本発明に係る磁気抵抗検出装置の概略横断面図である。 本発明に係る磁気抵抗検出装置の概略上面図である。 ＧＭＲ検出素子の面におけるナノ粒子の磁場のｘ成分を示すグラフである。 磁性粒子の体積密度及び面密度を有する磁気抵抗検出装置の概略横断面図である。 本発明に従って掛けられた磁場に対する多層ＧＭＲセンサ素子の反応のグラフである。 複数の磁気センサ素子上の多段階構造を概略的に示す図である。 本発明に係るシステムの概略横断面図である。 第一〜第六レベルの表面エリアを備えた層状構造の横断面を概略的に示す図である。

Claims (21)

1. 磁気抵抗検出装置であって、
   流体を支持する層状構造を備えた基板を有し、
   前記層状構造は、
   第一レベルの第一の表面エリアと、
   別の第二レベルの第二の表面エリアと、
   前記流体中の少なくとも１つの磁性粒子の磁場を検出する磁気抵抗素子とを有し、
   前記磁気抵抗素子は、
   前記第一の表面エリアと前記第二の表面エリアの間の移行部近くに配置され、
   前記第一及び第二の表面エリアの少なくとも一方の方を向いている、ことを特徴とする磁気抵抗検出装置。
2. 請求項１記載の磁気抵抗検出装置であって、
   前記第一及び第二の表面エリアが前記磁気抵抗検出素子上の略垂直な突起である場合、前記磁気抵抗検出素子と前記第一の表面エリアとが重なる、ことを特徴とする磁気抵抗検出装置。
3. 請求項２記載の磁気抵抗検出装置であって、
   前記磁気抵抗検出素子は、前記移行部周辺に中心が位置し、略垂直な突起に見える、ことを特徴とする磁気抵抗検出装置。
4. 請求項１記載の磁気抵抗検出装置であって、
   前記移行部は階段状のプロファイルを有する、ことを特徴とする磁気抵抗検出装置。
5. 請求項１乃至３のいずれか一項記載の磁気抵抗検出装置であって、
   前記磁気抵抗検出装置は、前記基板上に配置された磁気抵抗素子を有するホイートストン・ブリッジ構造を有する、ことを特徴とする磁気抵抗検出装置。
6. 請求項１記載の磁気抵抗検出装置であって、
   第二の層状構造が存在し、
   前記第二の層状構造は、
   第三レベルの第三の表面エリアと、
   第四レベルの第四の表面エリアとを有し、
   前記第二の層状構造は、前記第三の表面エリアと前記第四の表面エリアの間の移行部近くに配置され、少なくとも前記第三の表面エリアの方を向いた第二の磁気抵抗素子に対応する、ことを特徴とする磁気抵抗検出装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項記載の磁気抵抗検出装置であって、
   前記磁気抵抗素子は、前記基板上に存在する、ことを特徴とする磁気抵抗検出装置。
8. 請求項１記載の磁気抵抗検出装置であって、
   前記第一及び第二の表面エリアは、互いに平行に配置された複数の溝によって形成される、ことを特徴とする磁気抵抗検出装置。
9. 請求項８記載の磁気抵抗検出装置であって、
   前記第一及び第二の表面エリアは、互いの上に積み重ねられ、３次元チャネル・アレイを形成する、ことを特徴とする磁気抵抗検出装置。
10. 流体中の磁性粒子の密度を求めるシステムであって、
    請求項１記載の磁気抵抗検出装置を有することを特徴とするシステム。
11. 請求項１０記載のシステムであって、
    前記基板に存在し、前記磁気抵抗検出装置の磁気抵抗の変化を検出する電子回路を更に有する、ことを特徴とするシステム。
12. 請求項１０又は１１記載のシステムであって、
    磁場を生成する手段を更に有する、ことを特徴とするシステム。
13. 請求項１記載の装置を用いて流体中の磁性粒子の密度を求める方法であって、
    前記層状構造上に磁性粒子を含む流体を供給する工程と、
    前記磁気抵抗検出素子からの出力信号を磁場が掛けられていないときに取得された基準信号と比較して、前記磁性粒子の体積密度を求める工程と、を有することを特徴とする方法。
14. 請求項１３記載の方法であって、
    第三レベルの第三の表面エリアと第四レベルの第四の表面エリアとを有する別の第二の層状構造に対応する第二の磁気抵抗素子をセンシングする工程と、
    前記第一及び第二の層状構造に対応する磁気抵抗検出素子からの出力信号を比較し、これら信号を磁場が掛けられていないときに求められた信号と比較して、磁性流体の体積密度及び面密度を求める工程と、を有することを特徴とする方法。
15. 請求項１４記載の方法であって、
    前記流体を供給する前に、前記層状構造の前記第一の表面エリア上に結合部位を備えたプローブ・エリアを設ける工程と、
    第五レベルの第五の表面エリアと第六レベルの第六の表面エリアとを備えた別の第三の層状構造に対応する第三の磁気抵抗検出素子をセンシングする工程と、
    前記第一、第二、及び第三の層状構造に対応する磁気抵抗検出素子からの出力信号を磁場が掛けられた場合及び掛けられていない場合で比較して、前記第二の表面エリア上に存在する磁性流体の体積密度及び面密度前記と前記第一の表面エリア上の前記プローブ・エリアに存在する磁性流体の面密度とを求める工程と、を有することを特徴とする方法。
16. 請求項１３乃至１５のいずれか一項記載の方法であって、
    前記流体は血液である、ことを特徴とする方法。
17. 請求項１３乃至１５のいずれか一項記載の方法であって、
    前記流体は尿である、ことを特徴とする方法。
18. 請求項１乃至９のいずれか一項記載の磁気抵抗検出装置を用いて流体中のターゲットに結合した磁性粒子の濃度を検出する方法であって、
    前記ターゲットを含む流体を前記層状構造上に供給する工程と、
    磁場を掛ける工程と、
    前記磁場を掛けながら、前記磁気抵抗検出素子をセンシングする工程と、
    前記磁気抵抗検出素子からの出力信号を磁場が掛けられていないときに取得された基準信号と比較して、磁性粒子の体積密度を求める工程と、を有することを特徴とする方法。
19. 請求項１８記載の方法であって、
    前記流体は血液である、ことを特徴とする方法。
20. 請求項１８記載の方法であって、
    前記流体は尿である、ことを特徴とする方法。
21. 請求項１０記載のシステムであって、
    前記システムは血液検査器である、ことを特徴とするシステム。

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