JP2008522150A - バイオセンサにおける磁気クロストークを低減する手段及び方法 - Google Patents

Abstract

磁化されたときに磁化可能な物体ＳＰＢにより生成される漏れ磁界ＳＦを検知し、前記検知された漏れ磁界ＳＦに依存する電気物体信号Ｕ_ＯＢを生成する磁気センサＭＳであって、前記センサは、前記磁化可能な物体ＳＰＢを磁化するための主磁場Ｈを生成するための磁場発生器ＷＲ_１、ＷＲ_２と、前記主磁場Ｈと前記漏れ磁界ＳＦとの間の磁気クロストークにより引き起こされる電気物体信号Ｕ_ＯＢ中のクロストーク信号成分の影響を低減させるためのクロストーク低減手段とを有し、前記クロストーク低減手段は、前記クロストーク信号成分と前記電気物体信号Ｕ_ＯＢの残りの部分との間の信号特性を区別し、電気出力信号Ｕ_Ｏを生成するように構成されたセンサ。該信号特性は例えば、信号の位相であっても良い。この場合、前記クロストーク低減手段は、前記クロストーク信号成分に対して直交する直交電気信号Ｕ_ＯＲＴを生成するための手段ＰＨＳＦＴと、前記電気物体信号Ｕ_ＯＢにより前記直交電気信号Ｕ_ＯＲＴを乗算する乗算器ＭＰとを有しても良く、前記乗算の後の結果の信号Ｕ_ＭＰは、前記電気出力信号Ｕ_Ｏのための基準を形成しても良い。前記主磁場Ｈ、Ｈ_１の周波数ω_１は好ましくは、前記検知された漏れ磁界ＳＦと前記主磁場Ｈ、Ｈ_１との間のラジアンで表される位相差が、π／２＋ｎπと略等しくとなるように選択され、ここでｎは整数である。該信号特性は例えば、信号の振幅であっても良い。この場合、前記主磁場Ｈは、第１の周波数ｆ_１、ω_１を持つ第１の磁気信号Ｈ_１と、前記第１の周波数ｆ_１、ω_１よりもかなり長く且つ前記磁化可能な物体ＳＰＢの磁化カットオフ周波数ｆ_ｃよりも長い第２の周波数ｆ_２、ω_２を持つ第２の磁気信号Ｈ_２とを有し、前記第１及び第２の磁気信号Ｈ_１、Ｈ_２は、前記第１の周波数ｆ_１及び第１の振幅を持つ前記電気物体信号Ｕ_ＯＢにおける第１の電気信号成分を生成し、また前記第２の周波数ｆ_２及び第２の振幅を持つ前記電気物体信号における第２の電気信号成分を生成する。前記クロストーク低減手段は、前記第１及び第２の電気信号成分の振幅を測定し、前記測定された振幅を相互に減算する手段Ｇ_Ｖ、ＭＰ_１、ＭＰ_２、ＤＦＦを有し、前記減算の後の結果の信号が、前記電気出力信号Ｕ_Ｏのための基準を形成する。どちらの場合においても、前記クロストーク低減手段は、前記減算の後の結果の信号をフィルタリングするためのローパスフィルタＬＰＦを有しても良く、前記ローパスフィルタＬＰＦの後の結果の信号が前記電気出力信号Ｕ_Ｏであっても良い。

Description

本発明は、磁化されたときに磁化可能な物体により生成される漏れ磁界を検知する方法に関する。

本発明は更に、前記検知を実行する磁気センサ及び例えば分子診断、生体試料分析又は化学的試料分析のためのバイオチップにおける斯かるセンサの使用に関する。

マイクロアレイ又はバイオチップの導入は、ＤＮＡ（desoxyribonucleic acid）、ＲＮＡ（ribonucleic acid）、核酸、タンパク質、細胞及び細胞片、組織成分等についての試料の分析に変革を起こしている。その用途は例えば、（例えば病院における又は個々の医師又は看護士による）ヒトの遺伝子型決定、医学的ふるい分け、生物学的及び薬理学的な研究、唾液中の薬物の検出等である。バイオチップの目的は、試料（通常は溶液）中の生体分子の存在を検出及び定量化することである。

バイオチップ（バイオセンサ、バイオセンサチップ、生体マイクロチップ、遺伝子チップ又はＤＮＡチップとも呼ばれる）は、最も単純な形態では、該バイオチップの特定の領域において、大量の種々のプローブ分子が付着した基板から成る。合致する場合には、該基板には、分析対象となる分子又は分子片が結合することができる。

「基板」なる語は、利用され得るいずれの基礎となる物質をも含み、該基板上に、素子、回路又はエピタキシャル層が形成されても良い。「基板」なる語はまた、例えばドープされたシリコン、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、ガリウムヒ素リン（ＧａＡｓＰ）、インジウムリン（ＩｎＰ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）又はシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）基板のような半導体基板をも含み得る。「基板」は例えば、半導体基板部分に加えて、ＳｉＯ_２又はＳｉ_３Ｎ_４層のような絶縁層を含み得る。かくして「基板」なる語はまた、ガラス、プラスチック、セラミック、シリコン・オン・グラス（silicon-on-glass）、シリコン・オン・サファイア（silicon-on-sapphire）基板を含む。「基板」なる語はかくして、関心のある層又は部分の下にある層のための要素を一般的に定義するために利用される。また「基板」は、例えばガラス又は金属層のような層がその上に形成される、他のいずれの基礎であっても良い。

例えば、ＤＮＡ分子の断片は、１つのユニークな相補的なＤＮＡ（ｃ−ＤＮＡ）分子片と結合する。結合反応の出現は例えば、分析対象の分子に結合する蛍光マーカを利用することにより検出される。蛍光マーカの代替として、分析対象の分子に結合される磁気マーカとして磁化可能な物体が利用されることができる。本発明が取り扱うものは、後者のタイプのマーカである。バイオチップにおいては、前記磁化可能な物体は通常、所謂超常磁性ビーズにより実装される。このことは、短時間で、同時に多くの異なる分子又は分子片の少量を分析する能力を提供する。１つのバイオチップは、１０乃至１０００以上の異なる分子片についての分析を実施することができる。ヒトゲノムプロジェクト並びに遺伝子及びタンパク質の機能についての追跡研究のようなプロジェクトの結果、バイオチップの使用により利用可能となり得る情報の有用性は、今後１０年間で急速に増大するものと予想される。バイオチップの機能の一般的な説明は、国際特許出願公開WO03/054523A2において既に記載されている。

超常磁性ビーズの検出に基づくセンサ（例えば１００個）の配列から成るバイオチップは、試料液（例えば血液や唾液のような溶液）中の多くの異なる分子（例えばタンパク質、ＤＮＡ、濫用薬物、ホルモン）の濃度を同時に測定するために利用され得る。試料液は、目標分子種又は抗原を有する。磁気ラベル（マーカ）を持ち得るいずれの生体分子もが、利用可能性を持つ。測定は、常磁性ビーズを目標に付着させ、該ビーズを印加される磁場を用いて磁化し、（例えば）巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサを利用して磁化されたビーズの漏れ磁界（stray field）を検出することにより、実現され得る。

本願においては、超常磁性ナノ粒子の励起に基づくバイオチップに焦点が当てられる。しかしながら、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）及びトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）のような他の磁気抵抗センサにおける利用も、本発明の一部である。磁場発生器は、磁場を生成する線を流れる電流を有しても良く、それにより超常磁性ビーズを磁化しても良い。超常磁性ビーズからの漏れ磁界は、ＧＭＲにおける面内磁化成分を発生させ、抵抗の変化に帰着する。

本発明の背景の更なる説明のため、図１及び２が参照される。

図２は、基板ＳＢＳＴＲ上の磁気センサＭＳの例を示す。単一の又は複数の斯かるセンサが、同一の基板ＳＢＳＴＲ上に一体化され、図１において模式的に示されるようなバイオチップＢＣＰを形成しても良い。磁気センサＭＳは、本例においては例えば第１の導電線ＷＲ_１により基板ＳＢＳＴＲに一体化された、磁場発生器を有する。該磁気センサはまた、第２の（又はそれ以上の）導電線ＷＲ_２を有しても良い。磁場Ｈを発生するため、導電線の代わりに他の手段が利用されても良い。磁場発生器はまた、基板ＳＢＳＴＲの外部（外部励起）に配置されても良い。各磁気センサＭＳにおいて、例えば巨大磁気抵抗ＧＭＲのような磁気抵抗素子が基板ＳＢＳＴＲに一体化され、これによりバイオチップＢＣＰにより収集された情報を読み出し、かくして磁化可能な物体を介して目標分子ＴＲの存在又は不在を読み出し、それにより目標分子ＴＲの面密度を決定又は推定する。磁化可能な物体は好ましくは、所謂超常磁性ビーズＳＰＢにより実現される。目標ＴＲを選択的に結合することが可能な結合サイトＢＳが、プローブ素子ＰＥ上に取り付けられる。プローブ素子ＰＥは、基板ＳＢＳＴＲの上端に取り付けられる。

磁気センサＭＳ又はより一般にはバイオチップＢＣＰの機能は、以下のとおりである。各プローブ素子ＰＥは、特定のタイプの結合サイトＢＳを備えられる。目標試料ＴＲがプローブ素子ＰＥに提示され又はプローブ素子ＰＥ上を通過し、結合サイトＢＳと目標試料ＴＲとが合致する場合、これらは互いと結合する。超常磁性ビーズＳＰＢは、目標試料ＴＲと直接又は間接的に結合する。超常磁性ビーズＳＰＢは、バイオチップＢＣＰにより収集された情報を読み出すことを可能とする。超常磁性粒子は、磁化測定の時間スケールにおいて頻繁な、熱的に誘導された磁気モーメント反転のために、印加される磁場がゼロの状態で時間平均化された磁化がゼロである、（高分子）結合子又は基質中に懸濁する。平均反転頻度は、
ν＝ν_０ｅｘｐ（−ＫＶ／ｋＴ）
により与えられる。ここでＫＶ（Ｋは磁気異方性エネルギー密度、Ｖは粒子体積）は克服される必要があるエネルギー障壁、ν_０は反転試行頻度（典型的な値は１０^９ｓ^−１）、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度（ケルビン）である。

磁場Ｈは超常磁性ビーズＳＰＢを磁化し、超常磁性ビーズＳＰＢは応答として、ＧＭＲにより検出されることができる漏れ磁界ＳＦを発生する。必須ではないが、ＧＭＲは好ましくは、ＧＭＲを通過する磁場Ｈの一部がＧＭＲの層の敏感な方向に垂直となるように配置されるべきである。ＧＭＲが敏感である全体の外部（即ちＧＭＲ内部ではない）磁界は、図２においてＨ_ｅｘｔにより示されている。

バイオチップＢＣＰが水平に（従って重力に対して垂直に）配置されていると仮定すると、ＧＭＲは、水平成分を持つ磁場にのみ又は水平成分を持つ磁場に主に敏感となるように配置される。このことは、磁場Ｈに対するＧＭＲの感度を最小化し、従って磁場ＨとＧＭＲとの間の磁気クロストークを最小化する。磁場ＨがＧＭＲと完全に垂直にＧＭＲを通過するとすると、該磁場Ｈは水平成分を持たない。反対に漏れ磁界ＳＦが水平成分を持ち、ＧＭＲの抵抗値に差をもたらす。これにより、（例えば図１には示されていないＤＣ電圧によりバイアスを掛けられた場合にＧＭＲを通過する電流変化により生成される）電気出力信号がセンサＭＳにより出力されることができ、目標ＴＲの量の尺度となる。しかしながら実際には、ＧＭＲは（垂直方向に）無限小に作成されることはできない。それ故、磁場Ｈの水平成分は常に利用可能である（例えば統合された電流により生成される円形対象磁場のような、印加される磁力線が完全に均一でない場合）。更に、ＧＭＲは、１つの方向にのみ完全に敏感とはならない。更に、磁場ＨのＧＭＲとの整合は完全とはならず、何らかの機構的な位置的理由により望ましくないものとさえなり得る。これらの不完全さは全て、磁場とＧＭＲとの間の一定のクロストークへと導き、即ち検知される出力信号は漏れ磁界ＳＦのみに依存するものではなく、磁場Ｈにも直接に依存するものとなる。該クロストークは、図２においてＨ_Ｘとして示される。クロストークは、大量の異なる生体分子の密度の測定の精度を低減させる。特に漏れ磁界ＳＦが非常に弱く（又は磁気クロストーク場が安定でない）、従って非常に高い磁気センサＭＳの感度が必要される場合には、測定の精度はあまりにも悪くなり得る。非常に敏感な測定については、磁気クロストークが、漏れ磁界ＳＦの１０倍高くなることさえ起こり得る。このことは勿論、測定を無益にする。それ故、磁気クロストークを減少させる又は磁気クロストークの影響を低減させる高いニーズがある。

それ故本発明の目的は、実質的に検知される漏れ磁界にのみ依存する出力信号を生成する、磁化されたときに磁化可能な物体により生成される漏れ磁界を検知するための磁気センサを提供することにある。

本目的を達成するため、本発明は、磁化されたときに磁化可能な物体により生成される漏れ磁界を検知し、前記検知された漏れ磁界に依存する電気物体信号を生成する磁気センサであって、前記センサは、前記磁化可能な物体を磁化するための主磁場を生成するための磁場発生器と、前記主磁場と前記漏れ磁界との間の磁気クロストークにより引き起こされる前記電気物体信号中のクロストーク信号成分の影響を低減させるためのクロストーク低減手段とを有し、前記クロストーク低減手段は、前記クロストーク信号成分と前記電気物体信号の残りの部分との間で信号特性を区別し、電気出力信号を生成するように構成されたセンサを提供する。

クロストーク信号成分と電気物体信号の残りの部分との間で信号特性を区別することにより、クロストークは物体信号から分離されることができ、従ってクロストークのない出力信号が生成されることができる。

前記信号特性は、例えば信号の位相であっても良い。磁気クロストーク（即ち磁場発生器から直接来る磁場）と漏れ磁界（即ち常磁性ビーズを介して磁場発生器から来る磁場）との間の区別は、漏れ磁界が、（直接の）磁場と比べて時間的に遅延するという事実により可能である。前記クロストーク低減手段は、前記クロストーク信号成分に対して直交する直交電気信号を生成するための手段と、前記電気物体信号により前記直交電気信号を乗算する乗算器とを有しても良く、前記乗算の後の結果の信号は、前記電気出力信号のための基準を形成しても良い。結果の信号は、電気出力信号として直接利用されても良い。しかしながら好ましくは、前記クロストーク低減手段は、前記乗算の後の前記結果の信号をフィルタリングするローパスフィルタを有する。このときローパスフィルタが電気出力信号を生成する。前記主磁場の周波数は、前記検知された漏れ磁界と前記主磁場との間のラジアンで表される位相差が、π／２＋ｎπと略等しくとなるように選択されても良く、ここでｎは整数である。このようにして、センサのゲインが最大化される。

他の信号特性は、例えば信号の振幅であっても良い。このことは例えば、前記主磁場が、第１の周波数を持つ第１の磁気信号と、前記第１の周波数よりもかなり長く且つ前記磁化可能な物体の磁化カットオフ周波数よりも長い第２の周波数を持つ第２の磁気信号とを有する場合に適用され得る。磁化カットオフ周波数より高い周波数については、生成される漏れ磁界の強度は、周波数の増大により減少する。前記第１及び第２の磁気信号は、前記第１の周波数及び第１の振幅を持つ前記電気物体信号における第１の電気信号成分を生成し、且つ前記第２の周波数及び第２の振幅を持つ前記電気物体信号における第２の電気信号成分を生成する。前記クロストーク低減手段は、前記第１及び第２の電気信号成分の振幅を測定し、前記測定された振幅を相互に減算する手段を有し、前記減算の後の結果の信号が、前記電気出力信号のための基準を形成する。結果の信号は、電気出力信号として直接利用されても良い。しかしながら好ましくは、前記クロストーク低減手段は、前記減算の後の結果の信号をフィルタリングするためのローパスフィルタを有する。このときローパスフィルタが電気出力信号を生成する。好ましくは、前記第１の周波数は前記磁化カットオフ周波数よりも低く、前記第２の周波数は前記磁化カットオフ周波数よりもかなり高い。このようにして、第１の周波数においては磁気クロストーク及び漏れ磁界が共にＧＭＲにおいて殆ど弱められず、一方で第２の周波数においては磁気クロストークが殆ど弱められず且つ漏れ磁界が劇的に弱められる。このことは、クロストークの相殺を非常に容易にする。なぜならこのとき、それぞれ第１及び第２の周波数を持つ双方の結果の物体信号は相互に減算させられる必要があるのみであり、物体信号のうち少なくとも一方の振幅を適応させる必要がないからである。

本発明の上述の実施例において、磁気クロストークの影響が低減される。しかしながら、より直接的に磁気クロストークを消去することも可能である。それ故本発明はまた、磁化されたときに磁化可能な物体により生成される漏れ磁界を検知し、前記検知された漏れ磁界に依存する電気物体信号を生成する磁気センサであって、前記センサは、前記磁化可能な物体を磁化するための第１の主磁場を生成するための第１の外部磁場発生器と、前記第１の外部主磁場と前記漏れ磁界との間の磁気クロストークにより引き起こされる前記電気物体信号中のクロストーク信号成分の影響を低減させるためのクロストーク低減手段とを有し、前記クロストーク低減手段は、前記第１の外部主磁場と前記漏れ磁界との間の磁気クロストークを補償するための第２の主磁場を生成するための第２の外部磁場発生器を有するセンサを提供する。第２の主磁場の振幅及び位相に適切な値を選択することにより、磁気クロストークが消去される。前記第１及び第２の外部磁場発生器は例えば、それぞれ第１及び第２の交流電流が流れる第１及び第２のコイルを有しても良く、ここで前記第１及び第２の交流電流は同一の周波数を持ち、前記磁気センサの動作中に流れる。前記クロストーク低減手段は、前記磁気クロストークを最小化するために、前記第１の交流電流の振幅と第２の交流電流の振幅との比を適応させる手段を有しても良い。前記クロストーク低減手段は更に、前記磁気クロストークを更に低減させるために、前記第１の交流電流の位相と第２の交流電流の位相との差を適応させる手段を有しても良い。このことは、第１及び第２の磁場の相互強度及び相互位相を適応させる簡単な方法である。なぜなら、機構的な適応が必要とされないからである。ことによると、例えば一般に知られたフィードバック技術を適用することにより、該適応は自動的に実行されることができる。

本発明は更に、磁化されたときに磁化可能な物体により生成される漏れ磁界を検知するための方法であって、
第１の主ステップにおいて、
磁化可能な物体が存在しない状態で主磁場を生成するステップと、
磁化可能な物体が存在するとした場合に該磁化可能な物体から生成された漏れ磁界であるかのように前記磁場を検知するステップと、
前記検知された磁場から電気物体信号を生成するステップと、
前記電気物体信号の振幅を測定するステップと、
前記電気物体信号の振幅をメモリに保存するステップと
を実行するステップと、
第２の主ステップにおいて、
前記磁化可能な物体を磁化するための主磁場を生成するステップと、
前記磁化可能な物体から生成される漏れ磁界を検知するステップと、
前記検知された漏れ磁界から更なる電気物体信号を生成するステップと、
前記更なる電気物体信号の振幅を測定するステップと、
前記保存された前記電気物体信号の振幅を取得するステップと、
前記保存された振幅と前記更なる電気物体信号の振幅とを相互に減算し、それにより電気出力信号を生成するステップと、
を実行するステップと、
を有する方法を提供する。

磁気クロストーク（の影響）を低減する上述した方法に対する本方法の利点は、センサにおいて機能的な変更が必要とされないという事実である。従って、本方法は、本明細書において開示される本発明のバイオチップにのみではなく、先行技術のバイオチップにもうまく利用されることができる。

本発明は、添付図面を参照しながら更に説明される。

図は単に模式的なものであって、限定的なものではない。図において、幾つかの要素のサイズは誇張され定縮尺で描かれておらず、単に説明の目的のためのものである。図面に対する説明は単に本発明の原理を説明するためのものであり、本発明を該説明及び／又は図面に限定するものと解釈されるべきではない。

図３は、磁場成分Ｈ_ｅｘｔの関数として、ＧＭＲの抵抗を示す。ＧＭＲの感度ｓ_ＧＭＲ＝ｄＲ_ＧＭＲ／ｄＨ_ｅｘｔは一定ではなくＨ_ｅｘｔに依存するものであることに留意されたい。

図２に示されたようなセンサＭＳにおいては、巨大磁気抵抗ＧＭＲの代わりに、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）又は異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）といった特定のタイプの抵抗のような、磁場に依存する特性（パラメータ）を持つ他のいずれの手段が利用されても良い。ＡＭＲ、ＧＭＲ又はＴＭＲ物質においては、磁場の印加の結果として１以上の層の磁化方向が変化するとき、電気抵抗が変化する。ＧＭＲは、所謂スイッチング磁気層の間に導電中間層を持つ層構造のための磁気抵抗であり、ＴＭＲは、磁性金属電極層及び誘電体中間層を有する層構造のための磁気抵抗である。

ＧＭＲ技術においては、２つの非常に薄い磁性膜が非常に接近した構造が開発されてきた。第１の磁性膜は、通常交換バイアス層に該第１の磁性膜を近接して保持することにより固定され、このことは該第１の磁性膜の帯磁方向が固定されることを意味する。交換バイアス層は、第１の磁性膜の帯磁方向を固定する反強磁性物質の層である。第２の磁性層即ち自由層は、自由な可変の帯磁方向を持つ。本例においては超常磁性粒子ＳＰＢの磁化の変化に起因する磁場の変化が、自由磁性層の帯磁方向の回転を引き起こし、次いでＧＭＲ構造の抵抗の増大又は減少を引き起こす。低い抵抗は一般に、センサと固定された層とが同一の方向に磁気的に配向させられたときに生じる。高い抵抗は、センサと固定された層（膜）との磁気的な配向が互いに反対となるときに生じる。

ＴＭＲは、隔離（トンネル）障壁により離隔された２つの強磁性電極層から成る。該障壁は非常に薄い必要があり、即ち１ｎｍのオーダーのものである必要がある。その場合にのみ、電子が該障壁をトンネル通過することができる。このことは量子力学的な輸送工程である。交換バイアス層を利用することにより、一方の層の磁気的な配列は、他方に影響を与えることなく変化させられることができる。本例においては超常磁性粒子ＳＰＢの磁化の変化に起因する磁場の変化が、センサ膜の帯磁方向の回転を引き起こし、次いでＴＭＲ構造の抵抗の増大又は減少を引き起こす。

ＡＭＲにおいては、強磁性物質の抵抗が、電流が磁化の方向となす角に依存する。この現象は、強磁性物質の電子散乱断面における非対称性によるものである。

図４は、物体信号Ｕ_ＯＢにおけるクロストーク信号成分と物体信号の残りとを区別するために、クロストーク信号と検知された漏れ磁界ＳＦとの位相差が利用される、本発明の実施例を示す。磁気センサＭＳは、角振動数ω_１を持つＡＣ（交流）電圧／電流を発生するための発生器Ｇを有する。該発生器は、線ＷＲ_１を流れるＡＣ電流を発生し、それに応じて主磁場Ｈを生成する（図２を参照）。主磁場Ｈは超常磁性ビーズＳＰＢを磁化させ、それに応じて漏れ磁界ＳＦを生成する（また図２を参照）。図１及び２を参照しながらさきに説明したように、漏れ磁界ＳＦは該ＧＭＲの敏感な（ｘ）方向に大きな成分を有するため、ＧＭＲは漏れ磁界ＳＦを検知することができる（図２におけるｘ方向参照）。さきに説明したように、主磁場Ｈに直接起因する（即ち常磁性ビーズＳＰＢを介することのない）、ＧＭＲにおいて検知される磁場の水平方向の幾分かの成分が常に存在する。この所謂磁気クロストークは、図４においてＨ_ＸＴとして示されている。ＧＭＲは、ＤＣ電流源Ｉ_ＢＩＡＳにより出力される電流ｉ_ｓによりバイアスを掛けられる。電流ｉ_ｓは、ＧＭＲにおける内部磁場を生成する。それ故、電流ｉ_ｓの適切な値を選択することにより、図３に示される曲線は水平方向に「移動」させられることができ、ＧＭＲの適切な感度が選択されることができる。殆どの場合、可能な限り最も高い感度（図３における「最も高い」負の傾き）が選択されるであろう。磁気センサＭＳは更に、増幅器ＡＭＰ、移相器ＰＨＳＦＴ、乗算器ＭＰ及び周波数ローパスフィルタＬＰＦを有する。増幅器ＡＭＰの入力部は、漏れ磁界ＳＦにより引き起こされる電圧変化を受信するため、ＧＭＲに結合される。該電圧変化はバッファリングされ、好ましくは増幅器ＡＭＰにより増幅される。増幅器ＡＭＰは、該増幅器ＡＭＰの出力部において、物体信号Ｕ_ＯＢを出力する。移相器ＰＨＳＦＴの入力部は、線ＷＲ_１を流れるＡＣ電流と位相が揃った、及び従って主磁場Ｈとクロストーク場Ｈ_ＸＴとも位相が揃ったＡＣ信号を受信するように結合される。移相器ＰＨＳＦＴは、該移相器ＰＨＳＦＴの入力部におけるＡＣ信号に対して９０度位相が遅延された直交電気信号Ｕ_ＯＲＴを出力する。磁気クロストークＨ_ＸＴは、以下の式［１］により表される：
Ｈ_ＸＴ＝Ｈ_１ｃｏｓω_１ｔ ［１］

磁気センサＭＳによって観測される、磁化された常磁性ビーズＳＰＢの磁界成分は、クロストーク場Ｈ_ＸＴよりも位相の量φだけ遅延している。従って、漏れ磁界ＳＦは、以下の式［２］により表される：
ＳＦ＝Ｈ_ｂｃｏｓ（ω_１ｔ−φ） ［２］
Ｈ_ｂはビーズの数に依存する。

該遅延の効果は、磁化及び緩和時間定数によりモデル化される。緩和時間定数τ_ｎｅｅｌは、励起場がゼロまで減少した場合の緩和時間を表す（R. Koetizらによる「Neel relaxation」（「Journal of Magnetism and Magnetic Materials」、194 (1999年)、62頁）を参照）。常磁性ビーズＳＰＢを磁化するために掛かる時間のため、常磁性ビーズＳＰＢの漏れ磁界ＳＦは、印加される主磁場Ｈよりも遅延している。このことは、主磁場Ｈの位相と略同一の位相を持つクロストーク場Ｈ_ＸＴと対照的である。角振動数ω＜＜１／τ_ｎｅｅｌにおいては、位相の遅延φは小さい。しかしながら、本質的に印加される主磁場Ｈの成分であるクロストーク場Ｈ_ＸＴの位相は、変化しない。このことは、磁気センサＭＳにおいて、磁気クロストーク場Ｈ_ＸＴと常磁性ビーズＳＰＢからの漏れ磁界ＳＦとの間の位相差に、依然として帰着する。増幅器ＡＭＰによる増幅の後、物体信号Ｕ_ＯＢは、直交電気信号Ｕ_ＯＲＴ＝ｓｉｎω_１ｔを用いて復調される。該復調は、直交電気信号Ｕ_ＯＲＴにより物体信号Ｕ_ＯＢを乗算する乗算器ＭＰにより実行され、これにより、乗算器ＭＰの出力部において、目標粒子ＴＲ（図２を参照）の量の尺度となる電気出力信号Ｕ_０のための基準を形成する、クロストークのない信号Ｕ_ＭＰを出力する。物体信号Ｕ_ＯＢは、以下の式［３］により表される：
Ｕ_ＯＢ∝Ｈ_ｂｃｏｓ（ω_１ｔ−φ）・ｓｉｎω_１ｔ＝１／２・Ｈ_ｂ｛ｓｉｎφ＋ｓｉｎ（２ω_１ｔ−φ）｝ ［３］

ローパスフィルタＬＰＦの後、出力信号Ｕ_０は、以下の式［４］により表される：
Ｕ_０＝１／２・Ｈ_ｂｓｉｎφ ［４］

式［４］から、出力信号Ｕ_０は、磁気センサＭＳの近くの常磁性ビーズＳＰＢの数を表し、磁気クロストークＨ_ＸＴを表さないことが明らかである。なぜなら、式［４］には振幅Ｈ_ｂ（式［２］を参照）のみが存在し、振幅Ｈ_１（式［１］を参照）が存在しないからである。式［４］から、磁気センサＭＳにおける最大のゲインに到達するためには、位相遅延の正弦（＝ｓｉｎφ）が１に等しいべきであり、従って主磁場Ｈの振動数ω_１は好ましくは、角振動数で表される位相遅延φが略π／２＋ｎπ（ｎは整数）に等しくなるように選択されるべきであることが明らかである。明らかに、ＰＨＳＦＴにおける位相シフトは、遅延即ち増幅器における位相シフトに対して補正される。

図６は、物体信号Ｕ_ＯＢにおけるクロストーク信号成分と物体信号の残りとを区別するために、クロストーク信号Ｈ_ＸＴと検知された漏れ磁界ＳＦとの振幅差が利用される、本発明の実施例を示す。上述の実施例と同様に、磁気センサＭＳは、ＡＣ発生器Ｇ（本例ではＡＣ発生器は第１の周波数ｆ_１及び第２の周波数ｆ_２を生成する）、線ＷＲ_１、ＧＭＲ、ＤＣ電流源Ｉ_ＢＩＡＳ、増幅器ＡＭＰ及び周波数ローパスフィルタＬＰＦを有する。磁気センサＭＳは更に、加算手段ＳＭ、利得適応器Ｇ_Ｖ、第１の乗算器ＭＰ_１、第２の乗算器ＭＰ_２及び減算器ＤＦＦを有する。乗算器ＭＰ_１の第１の入力部及び乗算器ＭＰ_２の第１の入力部は、増幅器ＡＭＰの出力部に結合される。第１の乗算器ＭＰ_１の第２の入力部は、第１の周波数ｆ_１を持つＡＣ信号を受信するように、利得適応器Ｇ_Ｖを介して結合される。第２の乗算器ＭＰ_２の第２の入力部は、第２の周波数ｆ_２を持つＡＣ信号を受信するように結合される。減算器ＤＦＦは、とりわけ第１のＤＣ信号ＤＣ_１を受信するため、第１の入力部により第１の乗算器ＭＰ_１の出力部と結合され、またとりわけ第２のＤＣ信号ＤＣ_２を受信するため、第２の入力部により第２の乗算器ＭＰ_２の出力部と結合される。減算器ＤＦＦの出力部は、減算の後の結果の信号を出力するため、ローパスフィルタＬＰＦの入力部に結合される。ローパスフィルタＬＰＦの出力部は、出力信号Ｕ_０を出力する。加算手段ＳＭは、発生器Ｇからの２つのＡＣ信号を加算し、第１及び第２の周波数ｆ_１及びｆ_２の両方を持つ（等しい振幅を持つ）、線ＷＲ_１を流れるＡＣ電流を供給する。

利得適応器Ｇ_Ｖは、代替として、発生器Ｇと第２の乗算器ＭＰ_２の第２の入力部との間に配置されても良い。利得適応器Ｇ_Ｖの他の代替の位置は、増幅器ＡＭＰの出力部と第１の乗算器ＭＰ_１の第１の入力部との間、増幅器ＡＭＰの出力部と第２の乗算器ＭＰ_２の第１の入力部との間、第１の乗算器ＭＰ_１の出力部と減算器ＤＦＦの第１の入力部との間、及び第２の乗算器ＭＰ_２の出力部と減算器ＤＦＦの第２の入力部との間である。

図５は、図６に示された本発明の実施例を更に説明するためのボード線図を示す。

本実施例の機能は、以下のとおりである。印加される主磁場Ｈ（図２を参照）は、比較的低い周波数ｆ_１と比較的高い周波数ｆ_２との２つの周波数から成る。磁気クロストークＨ_ＸＴは周波数に依存しないため、結果のクロストーク信号の振幅は、両方の周波数に対して等しい。従って、クロストーク信号Ｈ_ＸＴは、以下の式［５］によって表される：
Ｈ_ＸＴ＝Ｈ_１ｃｏｓω_１ｔ＋Ｈ_２ｃｏｓω_２ｔ ［５］

しかしながら、常磁性ビーズＳＰＢからの信号は周波数に依存する。印加される磁場Ｈ_１の周波数ｆ_１が、該ビーズの磁化カットオフ周波数（ω_ｃ＝１／τ_Ｎｅｅｌ）よりもかなり高い場合には、常磁性ビーズＳＰＢは磁化されにくく、即ち常磁性ビーズＳＰＢは印加される主磁場Ｈ_１に追従するには「遅く」なり過ぎ、検出される信号はかなり小さくなる。

ｆ_１＜ｆ_ｃ且つｆ_２＞＞ｆ_ｃであるような極端且つ好適な場合においては、ｆ_１における信号の振幅は、クロストークと常磁性ビーズＳＰＢからの信号との両方を含み、一方でｆ_２における信号の振幅はクロストークのみである。なぜなら、図５のボード線図から推論され得るように、漏れ磁界ＳＦはｆ_２において事実上ゼロに減少させられているからである。後者の場合には、漏れ磁界ＳＦは式［２］により表される。

一方は第１の周波数ｆ_１による第１の乗算器ＭＰ_１を用いた、もう一方は第２の周波数ｆ_２による第２の乗算器ＭＰ_２を用いた、物質信号Ｕ_ＯＢの平行復調は、数あるなかでも、それぞれ第１のＤＣ信号ＤＣ_１及び第２のＤＣ信号ＤＣ_２に帰着する。基本的に、第１のＤＣ信号ＤＣ_１は、以下の式［６］により表される：
ＤＣ_１＝Ｈ_１＋Ｈ_ｂ ［６］
第２のＤＣ信号ＤＣ_２は、以下の式［７］により表される：
ＤＣ_２＝Ｈ_２ ［７］

Ｈ_１＝Ｈ_２と仮定すると、減算器ＤＦＦにより出力される結果の信号中の結果のＤＣ成分は、値Ｈ_ｂのみを有する。好ましくは、該結果の信号はローパスフィルタＬＰＦによりフィルタリングされ、値Ｈ_ｂを持つ純粋なＤＣ信号Ｕ_０を出力する。理想的には、適応器Ｇ_Ｖは必須ではない（換言すれば、１に等しい利得値を持っても良い）。しかしながら、値Ｈ_１が値Ｈ_２と等しくない場合には、利得適応器Ｇ_Ｖが存在し適切な利得補正因子を出力する場合、信号Ｕ_０は依然として値Ｈ_ｂのみにより決定される。これにより、例えば第２の周波数ｆ_２がｆ_２＞＞ｆ_１ではなく単にｆ_２＞ｆ_１である場合にも可能である。好適ではないが、本発明は、第１及び第２の周波数ｆ_１及びｆ_２が共に所謂カットオフ周波数よりも高い場合にさえも、依然として動作する。いずれにしても、ｆ_２＞ｆ_ｃである。

図７は、磁気クロストーク場を補償するために付加的な磁場が生成される、本発明の実施例を示す。本発明の上述した実施例において、磁気クロストークの影響は低減される。しかしながら、磁気クロストークをより直接的に消去することも可能である。それ故、磁化可能な物体ＳＰＢを磁化するための第１の主磁場Ｈ_Ａを生成する第１のコイルＬ_Ａにより実装される第１の外部磁場発生器と、第１の外部磁場Ｈ_Ａと漏れ磁界ＳＦ（図７には図示されていないが、図２を参照されたい）との間の磁気クロストークにより引き起こされる電気物体信号におけるクロストーク信号成分を低減させるためのクロストーク低減手段とが備えられる。クロストーク低減手段は、第１の外部主磁場Ｈ_Ａと漏れ磁界ＳＦとの間の磁気クロストークを補償するための第２の主磁場Ｈ_Ｂを生成する第２のコイルＬ_Ｂにより実装される第２の外部磁場発生器を有する。

ｘ方向の成分を相殺するために同一の位相及び周波数を持つ干渉場Ｈ_Ａ及びＨ_Ｂを用いる本方法は、常磁性ビーズＳＰＢを磁化するために（上述の実施例と同様に）内部的に印加される磁場を利用するセンサのために、又は図７に示されるように常磁性ビーズＳＰＢを磁化するために外部的に印加される磁場を利用するセンサのために利用されることができる。後者の場合、第２のコイルＬ_Ｂは、印加される完全に均一ではない第１の主磁場Ｈ_Ａに対する第１のコイルＬ_Ａの僅かな不整合に起因する磁気クロストーク、又は例えば本発明の他の実施例を用いて上述した理由のためにクロストークを引き起こすような他のいずれかの理由に起因する磁気クロストークを相殺するために利用される。例えば図７においては、常磁性ビーズＳＰＢを磁化するために利用される第１のコイルＬ_Ａは、該コイルが発生する磁場Ｈ_Ａがｘ方向に小さな成分を持つよう不整合にされている。図７においては、該不整合は、ゼロに等しくない角αにより示される。磁気センサＭＳの動作の間、同一の周波数を持つ第１及び第２のＡＣ電流はそれぞれ、第１及び第２のコイルＬ_Ａ及びＬ_Ｂを流れる。ｘ成分の同一の振幅を持ち且つ逆方向の第２の主磁場Ｈ_Ｂを生成するために第２のコイルＬ_Ｂを利用することにより、（クロストークである）ｘ成分が相殺されることができる。結果の磁場Ｈ_ｒｅｓは従ってｘ成分を持たず、即ち磁気クロストークが相殺され、ＧＭＲにおいてｘ方向には漏れ磁界ＳＦにより引き起こされた水平方向の（外部的に引き起こされた）磁場のみが存在する。ことによると、例えば一般に知られたフィードバック手法を利用することにより、クロストーク相殺は自動的に実行されても良い。

図８は、実際の（生体）測定の前に、常磁性ビーズＳＰＢが未だ存在しないときに、物体信号Ｕ_ＯＢの振幅が測定及び保存され、実際の測定の間、常磁性ビーズが存在するときに、現在の物体信号Ｕ_ＯＦの振幅から前記保存された振幅が減算され、それによりクロストークのない出力信号を出力する、本発明の方法を示す。

第１の主ステップの間、磁気センサＭＳは、磁化可能な物体が存在しない状態で、例えば常磁性ビーズが存在しない状態で、主磁場Ｈを生成する。次いで、常磁性ビーズが存在し該磁場が常磁性ビーズに起因するものであるかのように、磁場Ｈが検知される。かくして、常磁性ビーズが存在しない状態で、電気物体信号Ｕ_ＯＢが生成される。このことは、物体信号Ｕ_ＯＢが基本的に１００％磁気クロストークであることを意味する。電気物体信号Ｕ_ＯＢは、周波数ローパスＬＰＦによりフィルタリングされる。結果の出力信号Ｕ_０は、純粋なＤＣ信号である。該信号は、メモリＭＭに保存される。

第２の主ステップの間、磁気センサＭＳは、常磁性ビーズＳＰＢが存在する間に、主磁場Ｈを生成する。次いで、磁場Ｈが検知され、更なる電気物体信号Ｕ_ＦＯＢが生成される。ここでは常磁性ビーズＳＰＢが存在しているという事実のため、更なる電気物体信号Ｕ_ＦＯＢは、検知される漏れ磁界ＳＦ（従って目標ＴＲ（図２を参照）の量に関する情報を含む）と磁気クロストークとの両方により決定される。更なる電気物体信号Ｕ_ＯＢもまた、周波数ローパスＬＰＦによりフィルタリングされる。結果の更なる出力信号Ｕ_０Ｆもまた、純粋なＤＣ信号である。次いで減算器ＳＢＴＲにより、前記第１の主ステップの間に保存されたＤＣ信号が、ここで生成されたＤＣ信号から減算され、これにより目標ＴＲの数を表すクロストークのないＤＣ信号である、ＤＣ出力電圧信号Ｕ_ＯＵＴを生成する。このことは、信号Ｕ_０及びＵ_ＯＦの両方におけるクロストーク成分が等しいことによる。勿論、前記減算は反転されられても良い。更に、信号Ｕ_０Ｆをも保存して、次いで後に信号Ｕ_０及びＵ_０Ｆの両方を取得し、これらの信号を相互に減算して、ＤＣ出力電圧Ｕ_ＯＵＴを生成することも可能である。

上述の実施例は本発明を限定するものではなく説明するものであって、当業者は添付する請求項により定義される本発明の範囲から逸脱することなく多くの代替実施例を設計することが可能であろうことは留意されるべきである。請求項において、括弧に挟まれたいずれの参照記号も、請求の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。「有する（comprising、comprises等）」なる語は、請求項又は明細書全体に記載されたもの以外の要素又はステップの存在を除外するものではない。要素の単数形の参照は、複数のかような要素の存在を除外するものではない。特定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙されているという単なる事実は、これら手段の組み合わせが利用されることができないことを示すものではない。説明及び請求項における上端（top）、底部（bottom）、上（over）、下（under）等のようないずれの語も、説明的な目的のために利用されるものであり、必ずしも相対的な位置を示すものではない。このように利用される語は、適切な環境においては相互に交換可能であり、ここで記載される本発明の実施例は、図によって記載され又は説明されるものとは異なる方向における動作が可能であることは理解されるべきである。

基板及び複数の磁気センサを有するバイオチップを示す。 一体化された磁場励起を用いた磁気センサの例を示す。 ＧＭＲの層が磁場に敏感な方向における磁場成分の関数として、ＧＭＲの抵抗を示す。 物体信号におけるクロストーク信号成分と物体信号の残りとを区別するために、クロストーク信号と検知された漏れ磁界との位相差が利用される、本発明の実施例を示す。 図６に示された本発明の実施例を更に説明するためのボード線図を示す。 物体信号におけるクロストーク信号成分と物体信号の残りとを区別するために、クロストーク信号と検知された漏れ磁界との振幅差が利用される、本発明の実施例を示す。 磁気クロストーク場を補償するために付加的な磁場が生成される、本発明の実施例を示す。 実際の（生体）測定の前に、常磁性ビーズが未だ存在しないときに、物体信号の振幅が測定及び保存され、実際の測定の間、常磁性ビーズが存在するときに、現在の物体信号の振幅から前記保存された振幅が減算され、それによりクロストークのない出力信号を出力する、本発明の方法を示す。

Claims (17)

1. 磁化されたときに磁化可能な物体により生成される漏れ磁界を検知し、前記検知された漏れ磁界に依存する電気物体信号を生成する磁気センサであって、前記センサは、前記磁化可能な物体を磁化するための主磁場を生成するための磁場発生器と、前記主磁場と前記漏れ磁界との間の磁気クロストークにより引き起こされる前記電気物体信号中のクロストーク信号成分の影響を低減させるためのクロストーク低減手段とを有し、前記クロストーク低減手段は、前記クロストーク信号成分と前記電気物体信号の残りの部分との間で信号特性を区別し、電気出力信号を生成するように構成されたセンサ。
2. 前記信号特性は信号の位相であることを特徴とする、請求項１に記載のセンサ。
3. 前記クロストーク低減手段は、前記クロストーク信号成分に対して直交する直交電気信号を生成するための手段と、前記電気物体信号により前記直交電気信号を乗算する乗算器とを有し、前記乗算の後の結果の信号は、前記電気出力信号のための基準を形成することを特徴とする、請求項２に記載のセンサ。
4. 前記クロストーク低減手段は、前記乗算の後の前記結果の信号をフィルタリングするローパスフィルタを有し、前記ローパスフィルタの後の結果の信号が前記電気出力信号であることを特徴とする、請求項３に記載のセンサ。
5. 前記主磁場の周波数は、前記検知された漏れ磁界と前記主磁場との間のラジアンで表される位相差が、π／２＋ｎπと略等しくとなるように選択され、ここでｎは整数であることを特徴とする、請求項３又は４に記載のセンサ。
6. 前記信号特性は信号の振幅であることを特徴とする、請求項１に記載のセンサ。
7. 前記主磁場は、第１の周波数を持つ第１の磁気信号と、前記第１の周波数よりもかなり長く且つ前記磁化可能な物体の磁化カットオフ周波数よりも長い第２の周波数を持つ第２の磁気信号とを有し、前記第１及び第２の磁気信号は、前記第１の周波数及び第１の振幅を持つ前記電気物体信号における第１の電気信号成分を生成し、且つ前記第２の周波数及び第２の振幅を持つ前記電気物体信号における第２の電気信号成分を生成し、前記クロストーク低減手段は、前記第１及び第２の電気信号成分の振幅を測定し、前記測定された振幅を相互に減算する手段を有し、前記減算の後の結果の信号が、前記電気出力信号のための基準を形成することを特徴とする、請求項６に記載のセンサ。
8. 前記クロストーク低減手段は、前記減算の後の結果の信号をフィルタリングするためのローパスフィルタを有し、前記ローパスフィルタの後の結果の信号が前記電気出力信号であることを特徴とする、請求項７に記載のセンサ。
9. 前記第１の周波数は前記磁化カットオフ周波数よりも低く、前記第２の周波数は前記磁化カットオフ周波数よりもかなり高いことを特徴とする、請求項７又は８に記載のセンサ。
10. 磁化されたときに磁化可能な物体により生成される漏れ磁界を検知し、前記検知された漏れ磁界に依存する電気物体信号を生成する磁気センサであって、前記センサは、前記磁化可能な物体を磁化するための第１の主磁場を生成するための第１の外部磁場発生器と、前記第１の外部主磁場と前記漏れ磁界との間の磁気クロストークにより引き起こされる前記電気物体信号中のクロストーク信号成分の影響を低減させるためのクロストーク低減手段とを有し、前記クロストーク低減手段は、前記第１の外部主磁場と前記漏れ磁界との間の磁気クロストークを補償するための第２の主磁場を生成するための第２の外部磁場発生器を有するセンサ。
11. 前記第１及び第２の外部磁場発生器は、それぞれ第１及び第２の交流電流が流れる第１及び第２のコイルを有し、前記第１及び第２の交流電流は同一の周波数を持ち、前記磁気センサの動作中に流れることを特徴とする、請求項１０に記載の磁気センサ。
12. 前記クロストーク低減手段は、前記磁気クロストークを最小化するために、前記第１の交流電流の振幅と第２の交流電流の振幅との比を適応させる手段を有することを特徴とする、請求項１１に記載の磁気センサ。
13. 前記クロストーク低減手段は、前記磁気クロストークを最小化するために、前記第１の交流電流の位相と第２の交流電流の位相との差を適応させる手段を有することを特徴とする、請求項１１又は１２に記載の磁気センサ。
14. 請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の磁気センサを有するバイオチップ。
15. 磁化されたときに磁化可能な物体により生成される漏れ磁界を検知するための方法であって、
    前記磁化可能な物体を磁化するための主磁場を生成するステップと、
    前記磁化可能な物体から生成される漏れ磁界を検知するステップと、
    前記検知された漏れ磁界から電気物体信号を生成するステップと、
    前記主磁場と前記検知された漏れ磁界との間の磁気クロストークにより引き起こされる前記電気物体信号におけるクロストーク信号と、前記電気物体信号の残りの部分との間で信号特性を区別するステップと、
    前記区別された信号特性を電気出力信号を生成するために利用するステップと、
    を有する方法。
16. 磁化されたときに磁化可能な物体により生成される漏れ磁界を検知するための方法であって、
    前記磁化可能な物体を磁化するための第１の主磁場を生成するステップと、
    前記磁化可能な物体から生成される漏れ磁界を検知するステップと、
    前記検知された漏れ磁界から電気物体信号を生成するステップと、
    前記第１の主磁場と前記検知された漏れ磁界との間の磁気クロストークにより引き起こされる前記電気物体信号におけるクロストーク信号を補償するための第２の主磁場を生成するステップと、
    電気出力信号を生成するステップと、
    を有する方法。
17. 磁化されたときに磁化可能な物体により生成される漏れ磁界を検知するための方法であって、
    第１の主ステップにおいて、
    磁化可能な物体が存在しない状態で主磁場を生成するステップと、
    磁化可能な物体が存在するとした場合に該磁化可能な物体から生成された漏れ磁界であるかのように前記磁場を検知するステップと、
    前記検知された磁場から電気物体信号を生成するステップと、
    前記電気物体信号の振幅を測定するステップと、
    前記電気物体信号の振幅をメモリに保存するステップと
    を実行するステップと、
    第２の主ステップにおいて、
    前記磁化可能な物体を磁化するための主磁場を生成するステップと、
    前記磁化可能な物体から生成される漏れ磁界を検知するステップと、
    前記検知された漏れ磁界から更なる電気物体信号を生成するステップと、
    前記更なる電気物体信号の振幅を測定するステップと、
    前記保存された前記電気物体信号の振幅を取得するステップと、
    前記保存された振幅と前記更なる電気物体信号の振幅とを相互に減算し、それにより電気出力信号を生成するステップと、
    を実行するステップと、
    を有する方法。

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