JP2007183217A

JP2007183217A - 磁性体検出装置および磁性体検出方法

Info

Publication number: JP2007183217A
Application number: JP2006002755A
Authority: JP
Inventors: Seiichi Naito; 誠一内藤
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2006-01-10
Filing date: 2006-01-10
Publication date: 2007-07-19

Abstract

【課題】常磁性体を高感度に、かつ環境変化に対し安定して検出できる磁性体検出装置を提供する。
【解決手段】コイル１１およびコイル１２に電流源１４から電流を与えることで、磁性体２０に磁場を印加する。第１のコイル２は、磁場を印加された磁性体２０を検出する。第２のコイル３は、第１のコイル２と差動接続され、磁場の影響を打ち消す。第３のコイル４は、第１のコイル２および第２のコイル３と直列に接続される。第４のコイル６は、磁性材料により構成されたコア５によって、第３のコイル４と磁気結合される。電流源７は、第４のコイルに駆動電流を与えることでコア５を磁化する。検出器９は駆動電流の変化に基づいて、磁性体２０を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、フラックスゲート法を用いて磁性体を検出する磁性体検出装置および磁性体検出方法に関し、とくに高感度での検出を可能とする磁性体検出装置および磁性体検出方法に関する。

近年、磁気ビーズを用いたＤＮＡの検出方法が提案されている。この方法では、磁気ビーズをマーカーとして用い、磁気ビーズを検出することでターゲットＤＮＡの存在を検知している。磁気ビーズの検出器としては、ホール素子やＧＭＲ（磁気抵抗効果素子）を用いた例が報告されている（例えば、非特許文献１参照）。

ホール素子を検出器として用いる例としては、ホール素子の上に予め抗体を配置する方法が知られている。この方法では、磁気ビーズを付加した被検出タンパク質を抗原−抗体反応によりホール素子上の抗体に結合させた後、外部から磁場を加え、磁気ビーズに発生した磁化をホール素子で検出している。

特開２００４−１８４３１２号公報特開２００４−０３７３３８号公報特開２００４−３０９３２５号公報 Comparison of a prototype magnetoresistive biosensor to standard fluorescent DNA detection /J.Schotter 他 /Biosensor and Bioelectronics 19(2004) 1149-1156頁

しかし、ＤＮＡ検出に用いられる磁気ビーズは常磁性体であり、外部の磁場を磁気ビーズに印加したときのみ磁化が発生する。外部磁場をゼロにすると瞬時にその磁化はゼロとなるため、強い外部磁場を印加した状態で磁気ビーズの微小な磁化を検出する必要がある。したがって、外部磁場により検出時のＳ／Ｎ比が低下し、高感度で磁気ビーズを検出できないという問題がある。また一般に、ホール素子を用いて、微小な磁気ビーズの磁化を検出するのに充分な検出感度を獲得することは困難である。ホール素子の感度を上げるためには、ホール係数の大きな化合物半導体を使用する必要があるが、ホール係数が大きいと素子の温度依存性が強くなるという問題がある。

本発明の目的は、常磁性体を高感度に、かつ環境変化に対し安定して検出できる磁性体検出装置を提供することにある。

本発明の磁性体検出装置は、磁性体を検出する磁性体検出装置において、磁性体に磁場を印加する磁場印加手段と、磁場を印加された前記磁性体を検出するための第１のコイルと、前記第１のコイルと差動接続され、前記磁場の影響を打ち消す第２のコイルと、前記第１のコイルおよび前記第２のコイルと直列に接続された第３のコイルと、磁性材料により構成されたコアによって、前記第３のコイルと磁気結合された第４のコイルと、前記第４のコイルに駆動電流を与えることで前記コアを磁化する電流供給手段と、前記駆動電流を検出する検出手段と、を備えることを特徴とする。
この磁性体検出装置によれば、第１のコイルと差動接続された第２のコイルが磁場の影響を打ち消すので、検出のＳ／Ｎ比が向上し検出感度を大幅に高めることができる。また、ホール素子が不要であるため、環境変化に対し安定した検出が可能となる。

前記磁場印加手段は、磁場を発生させるコイルと、そのコイルに交流電流を供給する電源とからなってもよい。

前記電流供給手段は、前記第４のコイルに前記駆動電流として交流電流を与えてもよい。

前記検出手段は前記交流電流に同期した同期検波による検出を行ってもよい。

前記第１のコイルおよび前記第２のコイルが形成された基板を備えてもよい。

前記基板には、前記第３のコイル、前記コアおよび前記第４のコイルが形成されていてもよい。

前記磁性体は磁気ビーズであってもよい。

本発明の磁性体検出方法は、磁性体を検出する磁性体検出方法において、磁性体に磁場を印加するステップと、磁場を印加された前記磁性体を検出するための第１のコイルと、前記第１のコイルと差動接続され、前記磁場の影響を打ち消す第２のコイルと、前記第１のコイルおよび前記第２のコイルと直列に接続された第３のコイルと、磁性材料により構成されたコアによって、前記第３のコイルと磁気結合された第４のコイルと、を用い、前記第４のコイルに駆動電流を与えることで前記コアを磁化するステップと、前記駆動電流を検出するステップと、を備えることを特徴とする。
この磁性体検出方法によれば、第１のコイルと差動接続された第２のコイルが磁場の影響を打ち消すので、検出のＳ／Ｎ比が向上し検出感度を大幅に高めることができる。また、ホール素子が不要であるため、環境変化に対し安定した検出が可能となる。

本発明の磁性体検出装置によれば、第１のコイルと差動接続された第２のコイルが磁場の影響を打ち消すので、検出のＳ／Ｎ比が向上し検出感度を大幅に高めることができる。また、ホール素子が不要であるため、環境変化に対し安定した検出が可能となる。

本発明の磁性体検出方法によれば、第１のコイルと差動接続された第２のコイルが磁場の影響を打ち消すので、検出のＳ／Ｎ比が向上し検出感度を大幅に高めることができる。また、ホール素子が不要であるため、環境変化に対し安定した検出が可能となる。

以下、図１〜図３を参照して、本発明による磁性体検出装置の一実施形態について説明する。

図１および図２は本実施形態の磁性体検出装置の構成を示す図であり、図１（ａ）は磁性体検出装置の平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ線断面図、図２は磁性体検出装置の斜視図である。

図１および図２に示すように、本実施形態の磁性体検出装置は、基板１の表面に形成された磁性体検出用の第１のコイル２と、第１のコイル２と逆向きに形成された第２のコイル３と、第１のコイル２および第２のコイル３と直列に接続された第３のコイル３（信号コイル）と、を備える。第１のコイル２と、第２のコイル３の中間点で交差する配線間は非接触とされている。第１のコイル２、第２のコイル３および第３のコイル３は、全体として基板１上で閉じる独立したループを構成する。

なお、基板１を生体高分子の検出基板として用いる場合には、第１のコイル２が形成された領域に、抗体やＤＮＡプローブを配置すればよい。

また、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、基板１の内部には、特定の磁性材料からなる直方体状のコア５が埋め込まれている。上記第３のコイル４はコア５の位置に対応して設けられている。

さらに、図１および図２に示すように、基板１の表面にはコイル６ａが、基板１の裏面にはコイル６ｂが形成されており、基板１の側面を介してコイル６ａおよびコイル６ｂは直列に接続され（図２）、全体として第４のコイル６を構成する。第４のコイル６はコア５の位置に対応して設けられ、第４のコイル６に電流を与えた際の磁界により、コア５を磁化することができる。

図２に示すように、第４のコイル６には、電流源７および抵抗Ｒが直列に接続され、抵抗Ｒの両端に発生する波形は波形計測器８で計測される。

図２に示すように、基板１の外側には、第１のコイル２および第２のコイル３の領域を挟みこむ一対のコイル１１およびコイル１２が設けられている。コイル１１およびコイル１２は直列接続され、電流源１４から電流が与えられる。電流源１４からの電流により、第１のコイル２および第２のコイル３の領域には実質的に均一な磁場が形成される。

第１のコイル２および第２のコイル３は差動接続され、第１のコイル２および第２のコイル３の実質的なコイル面積は等しくされている。このため、第１のコイル２および第２のコイル３に等しく与えられる磁場の影響が打ち消される。

次に、本実施形態の磁性体検出装置を用いた磁性体検出の方法について説明する。

電流源１４は、周波数ｆ１の電流を一対のコイル１１およびコイル１２に供給する。周波数ｆ１の電流は矩形波でもよいし、正弦波でもよい。一方、電流源７は、周波数ｆ０（＞周波数ｆ１）の電流（例えば、正弦波の電流）を第４のコイル６に供給する。電流は抵抗Ｒで電圧に変換され、その電流波形は波形計測器８で計測される。

磁性体が存在しない場合、上記のように第１のコイル２および第２のコイル３で発生する電圧は互いに打ち消され、磁場の影響は排除される。この場合、波形計測器８では一定の電流波形が計測される。この電流波形は、コア５を構成する磁性材料の磁化曲線に依存している。

図２に示すように、磁性体２０が第１のコイル２に接近すると、コイル１１およびコイル１２に基づく磁場によって磁化された磁性体２０により、第１のコイル２に発生する電圧波形が変化し、第１のコイル２および第２のコイル３の均衡状態が崩れる。このため、第１のコイル２、第２のコイル３および第３のコイル４が形成するループに電流が発生し、第３のコイル４に流れる電流によりコア５に磁場が加えられる。

このとき、コア５に加えられた磁場によりコア５を構成する磁性材料の磁化曲線がシフトするため、波形計測器８で計測される電流波形が変化する（歪む）。したがって電流変化を図２に示す検出器９で捉えることにより、磁性体２０が検出できる。検出器９において、電流源７の電流の周波数ｆ０に同期した同期検波を行うことも可能であり、この場合には電源ノイズが効率的に除去され、よりＳ／Ｎ比の高い検出ができる。

なお、磁化曲線の変化を介して磁場の変化を検出する手法は、フラックスゲート法として知られている技術であるため、その詳細については説明を省略する。

上記実施形態では、差動接続された第１のコイル２および第２のコイル３により、コイル１１およびコイル１２による磁場の影響が打ち消され、磁性体２０の磁化に基づく磁場の変化のみが抽出される。また、第１のコイル２および第２のコイル３が受信する同一成分の磁気ノイズが打ち消される。このため、高いＳ／Ｎ比で磁性体２０を検出でき、検出感度を高めることができる。例えば、磁性ビーズを検出するために必要な検出感度を確保することができる。

図３に検出コイルの変形例を示す。図３（ａ）は、磁場の影響を打ち消すコイル対のそれぞれを、磁性体に与える磁場の磁力線方向にシフトさせて設けた例を示す図である。

図３（ａ）の例では、磁性体２０を検出するための第１のコイル２１と、第１のコイル２１とは逆向きでコイル面積が実質的に同一の第２のコイル２２とが、磁力線に沿った方向に離れて配置されている。両者を貫く磁力線が同一であれば、上記実施形態と同様、磁場の影響が打ち消されるため、高いＳ／Ｎ比で磁性体２０を検出できる。なお、第１のコイル２１および第２のコイル２２をそれぞれ基板の表面および裏面に配置することで、上記実施形態と同様、基板を用いて検出装置を構成することもできる。

図３（ｂ）は、磁場の影響の打ち消し精度をより高めることができるコイルの配置を示す図である。

図３（ｂ）の例では、検出コイル３１とコイル３２とがコイル対を形成し、コイル３３とコイル３４とが別のコイル対を形成する。さらに、コイル対同士が差動の関係になるよう接続されている。このため、ｘ軸方向についての磁力の１次微分の項を打ち消すことができる。したがって、磁場が与えられる領域３５において、ｘ軸方向の磁場の傾きが存在していても、その傾きが一定であれば磁場の影響が完全に打ち消される。

以上説明したように、本発明の磁性体検出装置および磁性体検出方法によれば、第１のコイルと差動接続された第２のコイルが磁場の影響を打ち消すので、検出のＳ／Ｎ比が向上し検出感度を大幅に高めることができる。また、ホール素子が不要であるため、環境変化に対し安定した検出が可能となる。

本発明の適用範囲は上記実施形態に限定されることはない。本発明は、磁性体を検出する磁性体検出装置および磁性体検出方法に対し、広く適用することができ、磁性体の種類は限定されない。検出信号電流が流れるループ全体を超電導物質で構成し、臨界温度以下に冷却することで、検出感度の向上を図ることもできる。

また、超伝導のジョセフソン効果を利用したＳＱＵＩＤ磁束計を磁気検出器として用いることも可能である。

本実施形態の磁性体検出装置の構成を示す図であり、（ａ）は磁性体検出装置の平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図。磁性体検出装置の構成を示す斜視図。変形例を示す図であり、（ａ）は、磁場の影響を打ち消すコイル対のそれぞれを磁力線方向にシフトさせて設けた例を示す図、（ｂ）は、磁場の１次微分成分の打ち消しを行うためのコイルの配置を示す図。

符号の説明

１基板
２第１のコイル
３第２のコイル
４第３のコイル
５コア
６第４のコイル
７電流源（電流供給手段）
９検出器（検出手段）
１１コイル（磁場印加手段）
１２コイル（磁場印加手段）
１４電流源（電源）

Claims

磁性体を検出する磁性体検出装置において、
磁性体に磁場を印加する磁場印加手段と、
磁場を印加された前記磁性体を検出するための第１のコイルと、
前記第１のコイルと差動接続され、前記磁場の影響を打ち消す第２のコイルと、
前記第１のコイルおよび前記第２のコイルと直列に接続された第３のコイルと、
磁性材料により構成されたコアによって、前記第３のコイルと磁気結合された第４のコイルと、
前記第４のコイルに駆動電流を与えることで前記コアを磁化する電流供給手段と、
前記駆動電流を検出する検出手段と、
を備えることを特徴とする磁性体検出装置。
前記磁場印加手段は、磁場を発生させるコイルと、そのコイルに交流電流を供給する電源とからなることを特徴とする請求項１に記載の磁性体検出装置。
前記電流供給手段は、前記第４のコイルに前記駆動電流として交流電流を与えることを特徴とする請求項１または２に記載の磁性体検出装置。
前記検出手段は前記交流電流に同期した同期検波による検出を行うことを特徴とする請求項３に記載の磁性体検出装置。
前記第１のコイルおよび前記第２のコイルが形成された基板を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の磁性体検出装置。
前記基板には、前記第３のコイル、前記コアおよび前記第４のコイルが形成されていることを特徴とする請求項５に記載の磁性体検出装置。
前記磁性体は磁気ビーズであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の磁性体検出装置。
磁性体を検出する磁性体検出方法において、
磁性体に磁場を印加するステップと、
磁場を印加された前記磁性体を検出するための第１のコイルと、前記第１のコイルと差動接続され、前記磁場の影響を打ち消す第２のコイルと、前記第１のコイルおよび前記第２のコイルと直列に接続された第３のコイルと、磁性材料により構成されたコアによって、前記第３のコイルと磁気結合された第４のコイルと、を用い、前記第４のコイルに駆動電流を与えることで前記コアを磁化するステップと、
前記駆動電流を検出するステップと、
を備えることを特徴とする磁性体検出方法。