JP2009008663A - 標的物質検出キットおよび標的物質検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】磁性標識に外部磁界を印加することなく標的物質を容易に検出することを可能にする。
【解決手段】標的物質検出キットは、磁気センサと第一の標的物質捕捉体とを有する標的物質検出基板と、磁性構造体と第二の標的物質捕捉体とを有する磁性標識と、からなる。第一の標的物質捕捉体は標的物質検出基板の表面に存在し、磁性構造体は偏光によって浮遊磁界を発生する磁性構造体である。
【選択図】図１

Description

本発明は、標的物質検出キットおよび標的物質検出方法に関する。

近年、磁気抵抗効果素子を用いることによって標識物体として用いた微量の磁性粒子を容易に検出する方法が提案されている（例えば非特許文献１、２参照）。

非特許文献１では、磁気センサとして８０μｍ×５μｍおよび２０μｍ×５μｍのサイズの巨大磁気抵抗（ＧＭＲ： Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果素子を用い、直径２．８μｍの複数個の磁性粒子の検出を行なっている。ＧＭＲ素子で用いられている磁性膜は面内磁化膜であり、磁性粒子に印加する磁界は磁性膜に対して膜面垂直方向に印加される。したがって、磁界の印加によって磁化された磁性粒子から生じる浮遊磁界がＧＭＲ素子の磁性膜に概略膜面内方向に印加され、磁性膜の磁化はこの磁界方向に揃う。上記のように磁性粒子を磁化するための磁界は、一般にバイアス磁界と呼ばれる。

磁気抵抗効果素子の電気抵抗の大きさは２つの磁性膜の相対的な磁化方向に依存しており、磁化方向が平行であると電気抵抗が比較的小さく、反平行であると比較的大きいという特徴を持つ。平行、反平行という磁化状態を実現させるために磁気抵抗効果素子の２つの磁性膜は、一方の磁性膜の磁化方向が固定され、他方の磁性膜が磁性粒子からの浮遊磁界によって磁化反転可能であるような保磁力を有する磁性材料で構成される。このような構成を有する磁気抵抗効果素子の上に、もし磁性粒子が存在しなければ、バイアス磁界を印加しても磁性膜に膜面内方向の磁界が印加されないので磁化反転が生じない。

また、非特許文献１における検出回路は、２つの固定抵抗と磁性粒子が固定されないＧＭＲ素子と磁性粒子が固定し得るＧＭＲ素子とによってブリッジ回路を構成し、このブリッジ回路に誘起される電位差をロックインアンプで検出する構成となっている。

非特許文献２では、面内磁化膜を用いた２μｍ×６μｍのサイズのＧＭＲ素子により、直径２μｍの磁性粒子の検出を行っている。非特許文献１と同様に、ＧＭＲ素子は、磁性粒子が固定し得るものと固定されないものとを並べて形成し、この２つのＧＭＲ素子の出力信号を比較することで磁性粒子の検出を行っている。ただし、磁性粒子に印加する磁界は磁性膜に対して膜面内長手方向である。

以上のように磁気抵抗効果素子を用いた磁性粒子の検出方法は、磁性粒子を所望の方向に磁化し、磁性粒子から発する浮遊磁界によって磁気抵抗効果素子の磁化方向を変化させて検出を行うものである。この方法は取り扱いが簡単で比較的短い時間で検出が可能である。

センサ上への磁性粒子の固定は、例えば検出しようとする標的物体が抗原である場合、抗原抗体反応を用いて行われる。すなわち、センサ上へ一次抗体を形成しておき、これに抗原を含んでいる可能性のある血液などの検査対象物を反応させ、その後、二次抗体によって修飾されている磁性粒子を反応させる。この一連の操作によって、検査対象物の中に抗原が存在する場合は、センサ上に、一次抗体−抗原−二次抗体−磁性粒子という結合が生じる。抗原が存在しなければ、そのような結合は生じず、結果として磁性粒子がセンサ上に固定されない。

この固定方法では標的物体１個に対して磁性粒子１個がセンサ上に固定されるので、高感度な磁気センサを用いることによって１個の標的物体が検出できる。

磁気抵抗効果素子でのセンシングと似た方法で、ホール素子を磁気センサとして用いた磁性粒子検出方法が提案されている（例えば非特許文献３参照）。

非特許文献３では、ＤＣ磁界を印加してホール素子の直上に置かれた直径２．８μｍの磁性ビーズを磁化し、さらにＡＣ磁界を印加することによって磁性ビーズの磁化方向を変化させ、磁性ビーズの検出を行っている。ホール素子の膜面内方向に電流を流しながらＺ軸方向に磁界を印加すると、電子がローレンツ力を受けるので、膜面内で電流と直交する方向に電位差が生じる。

その電位差は磁界強度に比例するので、磁性ビーズの磁化方向が変化することにより、ホール効果による電位差が変化する。磁性ビーズが無ければ浮遊磁界が生じないので、磁性ビーズの有無によってホール素子に印加される磁界の大きさが異なり、電位差の大きさが異なる。つまり、磁性ビーズの有無をホール素子によって検出することが可能である。

また、超伝導量子干渉素子を用いて磁性粒子を検出する方法も提案されている（例えば非特許文献４参照）。この方法では、まず検出領域に磁性粒子を固定し、これに磁界を印加して磁性粒子の磁化方向を揃えた状態とする。その磁性粒子から発せられた浮遊磁界をジョセフソン素子によって検出することにより、磁性粒子の数量を知ることができる。ただし、印加磁界の影響を無くすために超伝導量子干渉素子を印加磁界に対して平行に配置し、磁界を横切らないようにする必要がある。
Ｄａｖｉｄ Ｒ． Ｂａｓｅｌｔ， ｅｔ ａｌ． Ｂｉｏｓｅｎｓｏｒｓ ＆ Ｂｉｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ １３， ７３１ （１９９８） Ｄ． Ｌ． Ｇｒａｈａｍ， ｅｔ ａｌ． Ｂｉｏｓｅｎｓｏｒｓ ＆ Ｂｉｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ １８， ４８３ （２００３） Ｐｉｅｒｒｅ−Ａ． Ｂｅｓｓｅ， ｅｔ ａｌ．Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔ． ２２， ４１９９ （２００２） 円福敬二，「磁性ナノ粒子をマーカーにしたＳＱＵＩＤ免疫検査システム」，応用物理 社団法人応用物理学会 第７３巻 第１号（２００４） ｐ２８

磁性粒子を検出するためには、磁性粒子から発する浮遊磁界が大きい方が好ましいが、小さな磁性粒子は零磁場中では磁化が飽和していないために浮遊磁界が小さい。また、医療分野において、血液等の検液から所望の生体分子を抽出する場合や、現在研究が行なわれているバイオセンサの場合に用いられる磁性粒子は、検液中に滴下したときに分散することが好ましく、そのために磁化が著しく弱い方が好ましい。零磁場中においては磁化を持たないスーパーパラ磁性を示すものもある。したがって、そのような磁化の弱い磁性粒子を検出する際には、上述したように外部より磁界を印加し、磁性粒子の磁化を一方向に揃える必要があった。

ところが、磁気センサに大きな磁界を印加しつつ、磁性粒子から生じる微小な浮遊磁界を検出することは好ましい形態ではない。特に小さな浮遊磁界を検出する場合には、磁気センサを２つ用意し、一方をリファレンスとし、他方の磁気センサ上にのみ磁性粒子を固定させ、２つのセンサの信号の違いをセンスアンプを通して検出する等の工夫を要する。さらに検出信号の小さな磁気センサを用いるときには、磁気センサをホイーストンブリッジ回路に組み込むことも必要となる。また、磁気抵抗効果素子やホール素子を磁気センサとして用いる場合には、検出信号の大きさのばらつきを抑えるために、バイアス磁界の方向を厳密に調整する必要がある。特に、磁界感度が著しく高い超伝導量子干渉素子を用いる場合には、バイアス磁界の方向は厳密に調整する必要がある。

本発明の目的は、磁性標識に外部磁界を印加することなく標的物質を容易に検出することを可能にする技術を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の標的物質検出キットは、
磁気センサと第一の標的物質捕捉体とを有する標的物質検出基板と、
磁性構造体と第二の標的物質捕捉体とを有する磁性標識と、
からなり、
前記第一の標的物質捕捉体が前記標的物質検出基板の表面に存在し、
前記磁性構造体が偏光によって浮遊磁界を発生する磁性構造体であることを特徴とする。

本発明によれば、磁性標識に外部磁界を印加することなく標的物質を容易に検出することができる。

本発明を実施するための形態について図面を参照して詳細に説明する。

本発明の第一は標的物質検出キットである。この標的物質検出キットは、磁気センサと第一の標的物質捕捉体とを有する標的物質検出基板と、磁性構造体と第二の標的物質捕捉体とを有する磁性標識と、からなる。そして、前記第一の標的物質捕捉体が前記標的物質検出基板の表面に存在し、前記磁性構造体が偏光によって浮遊磁界を発生する磁性構造体である。

以下、図面を用いて詳細に説明する。

図１において、１６０は光源、１３０は磁気センサ、２０１は第一の標的物質捕捉体、２０２は標的物質、２０７は標的物質検出基板、３１１は偏光、２０６は磁性構造体２０５と第二の標的物質捕捉体２０３とからなる磁性標識を示す。

標的物質検出基板２０７が有する第一の標的物質捕捉体２０１は、第一の標的物質捕捉体２０１と標的物質２０２との相互作用により、磁性構造体２０５と標的物質２０２と第二の標的物質捕捉体２０３とからなる磁性標識２０６を捕捉する。その上で、磁性標識２０６に光源１６０から発生する偏光３１１を照射することにより、磁性標識２０６が有する磁性構造体２０５に磁化ベクトル２０４が生じて浮遊磁界が発生する。この浮遊磁界を標的物質検出基板２０７が有する磁気センサ１３０によって検出することで標的物質を検出することが可能となる。

以下、標的物質検出装置を構成する各部について説明する。

＜標的物質検出基板＞
標的物質検出基板２０７は、磁気センサ１３０と、磁気センサ１３０の表面に固定された標的物質２０２を捕捉する第一の標的物質捕捉体２０１とからなる。

磁気センサ１３０は、偏光３１１の照射で磁性構造体２０５から発生する浮遊磁界によって素子が有する電気抵抗や電位差または起電力といった物理量（電気特性）が変化する素子である。磁界によって物理量が変化する素子としては、ＧＭＲ素子やＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子などの磁気抵抗効果素子、ホール素子、超伝導量子干渉素子などが挙げられる。

磁気抵抗効果素子は、図２に示すように、フリー層４０１と呼ばれる磁性膜と、ピンド層４０２と呼ばれる磁性膜によって、非磁性膜からなる中間層４０３を挟んだ構造を有している。また、この２つの磁性層は、異なる磁気特性を有している。ピンド層４０２は、磁化方向が所望の方向に固定され、フリー層４０１は、磁化方向が磁界の印加によって容易に変化する特性を持つ。中間層４０３は、Ｃｕ等の金属導電膜でも良いし、ＭｇＯやＡｌ₂Ｏ₃等の誘電体膜でも良い。ただし、中間層４０３として誘電体膜を用いる場合には、その膜厚方向に電子がトンネリング可能な膜、すなわちトンネル障壁膜とする必要がある。中間層４０３として金属膜を用いる場合には、磁気抵抗効果素子はＧＭＲ素子と呼ばれ、トンネル障壁膜とした場合にはＴＭＲ素子と呼ばれる。トンネル障壁膜に単結晶構造のＭｇＯを用いると、磁気抵抗効果素子に大きな電気抵抗変化が得られるので好ましい。ピンド層４０２はトンネル障壁膜の下面に接して形成された強磁性膜に反強磁性膜を交換結合させた構造とすることが多い。また、トンネル障壁膜を単結晶ＭｇＯ膜とする場合、ＭｇＯ膜の下面に接して形成されている強磁性膜をアモルファス構造の強磁性膜を用いることで、ＭｇＯ膜を容易に単結晶構造とすることが可能である。さらに、ピンド層４０２の強磁性膜を、図３に示すように、強磁性膜４０６と金属膜４０７と強磁性膜４０８とを順次積層した、人工反強磁性膜４０９と反強磁性膜４１０の交換結合膜とすることができる。これにより、フリー層４０１とピンド層４０２の膜端面の自由磁化による静磁結合を軽減することができる。ピンド層４０２の磁性膜を人工反強磁性膜とする場合には、強磁性膜４０６、４０８の間に形成する金属膜４０７をＲｕとすることが好ましい。反強磁性膜４１０には、動作温度範囲内で、それに交換結合した強磁性膜の磁化方向を固定できるものであれば、どのような材料を用いても構わない。動作温度が室温付近である場合には、反強磁性膜４１０として、例えばＭｎＰｔ、ＭｎＩｒ、ＮｉＯ等が使用可能である。また、ピンド層４０２を構成する強磁性膜４０６、４０８には、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等の遷移金属や、これらの合金を用いることができる。なお、アモルファス構造の強磁性膜４０８を得るために、遷移金属やその合金にＣｒやＢを添加しても良い。フリー層４０１となる磁性膜は小さな保磁力を有する磁性膜を用いることが好ましい。そのような磁性膜としては、例えば、ＮｉＦｅ（パーマロイ）やＣｏＦｅＢなどを用いることができる。

一般的に磁性層は酸化され易い材料で構成されているものが多く、その為に、磁性膜表面は保護膜で覆う構造とすることが好ましい。したがって、フリー層４０１は大気や検体溶液に晒されることがない様に、磁気抵抗効果素子表面に保護層４０４が形成されることが好ましい。保護層４０４を構成する材料には、磁性膜を酸化する酸素などの物質を通さなければ、どのようなものでも使用可能である。ただし、多くの物質に対して安定的に保護できるという点で貴金属を用いることが好ましい。また、保護層４０４の表面には、磁気抵抗効果素子表面に標的物質捕捉体を固定する為に、標的物質捕捉体を固定できる材料からなる固定層４０５を形成する。固定層４０５は、標的物質捕捉体によって適宜選択されるが、例えば、捕捉体の末端にチオール基が存在する場合には、Ａｕ等で構成することが可能である。

磁気抵抗効果素子は電流を流して磁界をセンシングする。磁気抵抗効果素子のうち、ＴＭＲ素子は電子がトンネル障壁膜を通過するようにするために、トンネル障壁膜の膜厚方向に電圧が印加されるように配線し、素子膜厚方向に電流を流す必要がある。一方、ＧＭＲ素子では、電流をどのような方向で流しても構わないが、素子の膜厚方向に電流を流すと最も大きな抵抗変化が得られる。したがって、磁界センサ素子として磁気抵抗効果素子４１１を用いる場合には、例えば、図４に示すように、定電流源４１２を接続し、素子の上下の電圧を検出する。

超伝導量子干渉素子は、高感度に磁界を検出する素子である。超伝導量子干渉素子は、図５に示すように、トンネル障壁膜４１３を２つの超伝導体４１４、４１５で挟んだ構造を持つジョセフソン素子を有する。ジョセフソン素子に用いられる超伝導体４１４および４１５には、例えばＮｂ、ＮｂＮ、ＮｂＴｉ合金、Ｎｂ₃Ｓｎ化合物およびＮｂ₃Ａｌ化合物等が用いられ、トンネル障壁膜にはＡｌ₂Ｏ₃やＭｇＯ等が用いられる。２つのジョセフソン素子を環状に接続し、定電流源に接続してこの素子の両端の電圧を測定することで、この中を貫通する磁界強度を計測する。さらに、図６に示すように、２つのジョセフソン素子４１７、４１８を環状に接続し、定電流源４１９に接続して、さらに検出コイル４１６を付加することによって、磁界検出感度を向上させることが可能である。この場合、計測する磁界は、検出コイルを貫通する磁界強度である。

なお、標的物質検出基板２０７は、図７のように、支持基板１１０の表面に磁気センサ１３０が配置されて構成されていてもよいが、標的物質検出基板２０７の表面に磁気センサ１３０が配置されていない構成でもよい。例えば、図８のように、標的物質検出基板２０７を、磁気センサである超伝導量子干渉素子１７０と、金属層１８０と、支持基板１１０と、で構成し、超伝導量子干渉素子１７０に金属層１８０の表面に固定された磁性標識を検出させることもできる。固定された磁性標識を検出は、磁性標識の固定領域から距離を隔ててセンシングすればよい。なお、図７および図８に示すように、磁気センサには、検出信号を取り出すための検出回路４１９が電気的に接続されている。

図１における第一の標的物質捕捉体２０１は、標的物質２０２を捕捉する機能を有する。第一の標的物質捕捉体２０１と標的物質２０２の組み合わせは、特異的な結合が生じるものであれば、どのような物質でも構わない。例えば、脂質−タンパク質、核酸−タンパク質、糖鎖−タンパク質、細胞−タンパク質、低分子化合物−タンパク質、アレルゲン−タンパク質、バクテリア−タンパク質、ウイルス−タンパク質あるいは核酸−核酸が挙げられる。なお、ＡとＢとの組み合わせがＣ−Ｄと表現する場合は、ＡがＣでありＢがＤである場合と、ＡがＤでありＢがＣである場合の両方を含む概念とする。

＜磁性標識＞
図１に示したように、磁性標識２０６は、磁性構造体２０５と、第二の標的物質捕捉体２０３と、からなる。第二の標的物質補足体２０３は、第一の標的物質補足体２０１と同様に、標的物質２０２を捕捉する機能を有する。

磁性標識２０６は、第一の標的物質捕捉体２０１と標的物質２０２との結合および第二の標的物質捕捉体２０３と標的物質２０２との結合によって標的物質検出基板２０７の表面に固定される。

磁性構造体２０５は、偏光３１１によって磁化が増加し、偏光を照射していない状態よりも大きな浮遊磁界を発生する。磁性構造体２０５は、偏光の照射によって磁化の大きさが増加するものであれば、どのようなものでも使用可能である。例えば、（Ｚｎ， Ｃｒ）Ｔｅ合金、ＧａＡｓ−ＦｅあるいはＣｒ₂Ｏ₃などが使用可能である。特にＧａＡｓ−ＦｅやＣｒ₂Ｏ₃は室温においても磁化の増加が見られるので好適に用いることができる。また、磁性構造体２０５は、上記のような材料からなる磁性物質を単体で用いても良いし、小さな磁性物質の集合体として用いても良い。磁性構造体２０５の大きさは、標的物質２０２の大きさや、標的物質２０２と第二の標的物質捕捉体２０３との反応効率等によって、適宜選択される。例えば、標的物質２０２のサイズが大きい場合は、磁気センサと磁性構造体２０５の間の距離が長くなるので、磁性構造体２０５としては粒径が大きい磁性構造体を用いてし、磁気センサに印加される磁界を大きくすることが求められる。一方、標的物質２０２と第二の標的物質捕捉体２０３の反応効率が低い場合には、反応効率を高める為に、磁性構造体２０５としては粒径が小さい磁性構造体を用いることが好ましい。上記の様に、磁性構造体２０５の大きさは多くの要因によって決められるが、１００ｎｍ〜１００μｍの範囲内の大きさとすることが一般的である。

第二の標的物質捕捉体２０３は、標的物質２０２を捕捉する機能を有する。なお、第二の標的物質捕捉体２０３と第一の標的物質捕捉体２０１は、標的物質２０２の異なる領域を捕捉することが好ましい。また、第二の標的物質捕捉体２０３と第一の標的物質捕捉体２０１は、いずれも標的物質２０２を捕捉する機能を有していれば、同一の種類であっても良く、また異なる種類であっても良い。

＜光源＞
光源１６０は、磁性標識２０６に偏光を照射するための光を発生するものであり、磁性標識が有する磁性構造体２０５に偏光を照射することができるような位置に配される。磁性構造体の磁化を変化させるには、円偏光が好適に用いられる。また、光源は偏光を発する素子であれば良く、例えば、磁性半導体や有機ＥＬ材料からなるスピン偏極電子注入を利用した偏光発光素子が挙げられる。また、光源をレーザー光とし、偏光フィルタを配置しても良い。

次に、本発明の標的物質検出方法について説明する。

本発明の標的物質検出方法は、検体中の標的物質の有無もしくは量を検出する標的物質検出方法であって、以下の（ｉ）〜（iii）の工程を有する。
（ｉ）磁気センサと第一の標的物質捕捉体とからなる標的物質検出基板に、磁性構造体と第二の標的物質捕捉体とからなる磁性標識と標的物質とを接触させて、第一の標的物質捕捉体と標的物質と磁性標識とからなる複合体を形成する。
（ii）前記複合体に偏光を照射する。
（iii）前記偏光によって前記磁性構造体から発生する浮遊磁界を検出する。

以下、各工程について説明する。

（ｉ）の工程について
（ｉ）の工程では、磁気センサと第一の標的物質捕捉体とからなる標的物質検出基板に、磁性構造体と第二の標的物質捕捉体とからなる磁性標識と標的物質とを接触させる。これにより、第一の標的物質捕捉体と標的物質と磁性標識とからなる複合体が形成される。

なお、複合体を形成する際は、磁性標識が有する第二の標的物質捕捉体によって標的物質が捕捉された後に、前記標的物質を第一の標的物質捕捉体が捕捉して複合体を形成しても良い。また、第一の標的物質捕捉体によって標的物質が捕捉された後に、前記標的物質を磁性標識が有する第二の標的物質捕捉体が捕捉して複合体を形成しても良い。前者である場合には、磁性標識と検体とを予め混合した後に、該混合液を標的物質検出基板に接触させることなどにより行うことができる。一方、後者である場合には、標的物質検出基板に検体を接触させた後に、磁性標識を前記標的物質検出基板に接触させることなどにより行うことができる。なお、磁性標識と検体と標的物質検出基板とを同時に接触させる場合などには、前者と後者とが同時に起こる。

（ii）の工程について
（ii）の工程では、（ｉ）の工程で形成された複合体に偏光を照射する。

ここで、照射する偏光は、光源から発生されるものでも良く、光源から発生した光が偏光フィルタなどに通されることによって発生されるものであっても良い。具体的には、磁気センサ上に検出対象物である磁性粒子を固定し、次いで偏光を例えば断続的に照射する。

（iii）の工程について
（iii）の工程では、（ii）の工程で偏光が照射され、磁性構造体から発生した浮遊磁界の変化量を標的物質検出基板によって検出する。ここで、浮遊磁界とは磁性体からその外部に漏れ出す磁界のことであり、その強度は磁性構造体の磁化の大きさに比例する。

磁気センサ表面に固定された磁性構造体の磁化の大きさは、偏光の照射によって変化する。したがって、磁性構造体から生じる浮遊磁界の強度も偏光の照射に依存している。浮遊磁界は磁気センサに印加され、浮遊磁界の大きさに依存した検出信号が得られる。また、磁性構造体の数が多いときには、より大きな浮遊磁界が磁気センサに印加されるので、検出信号は磁性構造体の数に依存して大きくなる。したがって、検出信号の大きさから磁性構造体の数量を知ることができ、あらかじめ磁性構造体の数量と標的物質の数量との関係を把握しておけば、間接的に標的物質の数量を知ることができる。一方、標的物質が存在しない場合には、偏光の照射により磁化の大きさが変化する磁性構造体が磁気センサ表面に固定されないため、検出信号は偏光の照射状態に関らず一定となる。

また、所望のタイミングで繰り返し偏光照射を行うことで、より高感度に磁性構造体の検出が可能である。例えば、一定強度の偏光照射を時間Ｔだけ行い、その後同じ時間Ｔの間は光照射を行わないという一連の動作を繰り返す。このようにすると、磁性構造体の磁化は、そのタイミングに同期して増加し、浮遊磁界強度もそれに従う。したがって、磁界検出信号を偏光照射の周波数成分を見ることで、ノイズ強度を低減させ、高感度に磁界検出を実施することが可能となる。なお、磁気センサから出力される検出信号が偏光の影響を受ける場合には、磁気センサへの偏光の照射を防止するように、例えば磁気センサと光源の間に遮光膜を形成しておくとよい。

（実施例１）
本実施例では、標的物質として前立腺特異抗原（ＰＳＡ）を検出する例について述べる。磁気センサとしてＴＭＲ素子１３０を用い、磁性構造体としてＧａＡｓ−Ｆｅからなる強磁性体を用いる。

ＴＭＲ素子はＧＭＲ素子と似た膜構造を持っているが、２つの磁性体の間に形成される非磁性膜がＧＭＲ素子では金属膜であるのに対して、ＴＭＲ素子では誘電体トンネル膜が用いられる。本発明のセンサはＴＭＲ素子以外にＧＭＲ素子等の磁気抵抗効果素子や、ホール素子等様々な種類の磁気センサが使用可能である。

また、磁性構造体はここに示した材料に限られるものではなく、偏光を照射することによって磁化の大きさや向きが変化するものであれば、どの様なものでも使用可能である。

図９は、実施例１の標的物質検出基板の構成を説明するための概念図である。図９を参照すると、支持基板１１０上にＴＭＲ素子１３０が形成されており、ＴＭＲ素子１３０上部以外の領域はＳｉＯ₂膜１２０で覆われている。ＴＭＲ素子１３０には膜面垂直方向に電流を流す電源１４０と、トンネル膜の上部（フリー層）と下部（ピンド層）との電位差を検出する検出回路１５０が接続されている。また、磁気センサであるＴＭＲ素子１３０の上方に偏光の光源１６０が設けられており、磁気センサの膜面垂直方向に偏光を照射する。

図１０は、実施例１において磁気センサとして用いられるＴＭＲ素子１３０の膜構成および磁性粒子との配置関係を示した概念図である。誘電体トンネル膜であるＭｇＯ膜１３６の下部には人工反強磁性膜を作製し、ピンド層とする。ピンド層は下部電極上にＭｎＩｒ膜１３２、ＦｅＣｏ膜１３３、Ｒｕ膜１３４、ＦｅＣｏＢ膜１３５が順次積層される。この２つの磁性膜１３３、１３５は磁気的に結合しており、磁化は常に反平行に向いている。そのため、ピンド層とフリー層との間に働く静磁結合が小さい。

ＭｇＯ膜１３６の上部にはＦｅＣｏＢ膜１３７を配し、フリー層とする。下部電極１３１は磁気抵抗効果素子の特性を劣化させる材料でなければ、どのような導体材料を用いても構わないが、本実施例においてはＨｆ膜を用いる。磁気抵抗効果素子の上部は保護膜としてＰｔ膜１３８を形成し、後工程での磁性体の腐食を防止する。上部電極は磁気抵抗効果素子の特性を劣化させる材料でなければ、どのような導体材料を用いても構わないが、本実施例においてはＡｕ膜１３９を用いる。本実施例においては、上部電極が固定層も兼ねる。ＴＭＲ素子１３０上に一次抗体２０１を担持するために、Ａｕ膜１３９の表面は、まず親水化処理が施された後、アミノシランカップリング剤処理される。

素子上部以外の領域はＳｉＯ₂膜１２０で覆い、抗体が素子上以外の領域に固定されないようにする。

実施例１では、図１に示す標的物質検出基板を用いて標的物質を検出する。

アミノシランカップリング剤処理がされたＡｕ膜１３９の表面には所望の抗原を捕捉する一次抗体２０１が固定されている。一次抗体２０１の固定は、一次抗体２０１を固定化させるためのグルタルアルデヒド等の架橋剤を用いて、前記アミノシランカップリング剤由来のアミノ基とペプチド鎖間を化学結合させることで行なわれている。

基板１１０にＴＭＲ素子１３０を設けた標的物質検出基板を用い、以下のプロトコールに従って前立腺癌のマーカーとして知られている前立腺特異抗原（ＰＳＡ）２０２の検出を試みることができる。標的物質検出基板には、ＰＳＡ ２０２を認識する一次抗体２０１が固定化されている。
（１） 抗原（被検体）であるＰＳＡ ２０２を含むリン酸緩衝生理食塩水（被検体溶液）に上記標的物質検出基板を浸し、５分間インキュベートする。
（２） 続いて未反応のＰＳＡ ２０２をリン酸緩衝生理食塩水で洗浄する。
（３） 工程（１）および（２）が終了した標的物質検出基板を、磁性粒子２０５により標識された抗ＰＳＡ抗体（二次抗体）２０３を含むリン酸緩衝生理食塩水に浸し、５分間インキュベートする。
（４） 続いて未反応の該標識抗体をリン酸緩衝生理食塩水で洗浄する。

上記プロトコールによって、抗ＰＳＡ抗体（二次抗体）２０３、抗原２０２、一次抗体２０１を介して素子表面に磁性粒子２０５が固定される。被検体の中に抗原２０２が存在しない場合には磁性粒子２０５はＴＭＲ素子１３０上部に固定されないので、磁性粒子２０５の有無で抗原２０２の検出が可能である。また、ＴＭＲ素子１３０からの検出信号の大きさから、固定された磁性粒子２０５の数量を特定し、被検体中に含まれる抗原２０２の量を間接的に知ることが可能である。

検出の際には光源１６０からＴＭＲ素子１３０の上部に偏光３１１を照射する。

図１１は、実施例１による標的物質検出基板からの検出信号について説明するためのタイミングチャートである。初期状態では検出信号は電圧Ｖｐである。検出信号の電圧はＴＭＲ素子１３０の両端の電位差である。

時刻ｔ０から時間ｔ１の間、右回り円偏光３１１を照射する。そうすると磁性粒子２０５の磁化２０４は図１に示すように下向きに傾く。これによりＴＭＲ素子１３０からの検出信号が電圧Ｖａに上昇する。ついで、偏光３１１の照射を止めると磁化２０４は再び初期状態に戻る。従ってＴＭＲ素子１３０からの検出信号も初期状態の電圧Ｖｐに戻る。

円偏光の照射と停止を周期時間ｔ２で繰り返すと、それに同期して磁性粒子２０５から発生する浮遊磁界の方向が変化し、その結果ＴＭＲ素子１３０から図１１に示すような検出信号が得られる。

（実施例２）
実施例１では、磁性粒子を、標的物質を介して磁気センサ上に固定するセンサを例示したが、必ずしも磁性粒子を磁気センサ上に固定する必要はない。実施例２では、磁気センサとして超伝導量子干渉素子を用いる例を示す。

図１２は、実施例２によるセンサの構成を説明するための概念図である。実施例２では、表面酸化処理を施した支持基板１１０の下部に超伝導量子干渉素子１７０が設けられている。また、支持基板１１０の上部にはＡｕ膜１８０を成膜し、一次抗体（第一の標的物質捕捉体）が固定できるようにしておく。その他の構成は図１に示した実施例１と同様である。

また支持基板１１０上に一次抗体を担持させるプロトコールは実施例１と同様である。Ａｕ膜１８０の表面は、まず親水化処理が施された後、アミノシランカップリング剤処理が施される。さらに一次抗体を固定化させるためのグルタルアルデヒド等架橋剤を用いて、前記アミノシランカップリング剤由来のアミノ基とペプチド鎖間を化学結合させ所望の抗原を補足する一次抗体が固定された標的物質検出基板を得る。

得られた標的物質検出基板を用い、以下のプロトコールに従って前立腺癌のマーカーとして知られている前立腺特異抗原（ＰＳＡ）の検出を行うことができる。なお、一次抗体としては、ＰＳＡを認識する一次抗体を用いる。
（１） 抗原（被検体）であるＰＳＡを含むリン酸緩衝生理食塩水（被検体溶液）に上記検出センサを浸し、５分間インキュベートする。
（２） 続いて未反応のＰＳＡをリン酸緩衝生理食塩水で洗浄する。
（３） 工程（１）および（２）が終了した検出センサを、磁性粒子により標識された抗ＰＳＡ抗体（二次抗体）を含むリン酸緩衝生理食塩水に浸し、５分間インキュベートする。
（４） 続いて未反応の標識抗体をリン酸緩衝生理食塩水で洗浄する。

上記プロトコールによって、抗ＰＳＡ抗体（二次抗体であり第二の標的物質捕捉体）、抗原、一次抗体を介してＡｕ膜１８０表面に磁性粒子が固定される。被検体の中に抗原が存在しない場合には磁性粒子はＡｕ膜１８０上部に固定されないので、磁性粒子の有無で抗原の検出が可能である。また、超伝導量子干渉素子１７０からの検出信号の大きさから、固定された磁性粒子の数量を特定し、被検体中に含まれる抗原の量を間接的に知ることが可能である。

本実施例では、検出の際に、光源１６０からまず右回り円偏光を照射し、次いで左回り偏光を照射する。

図１３は、実施例２によるセンサからの検出信号について説明するためのタイミングチャートである。検出信号の電圧は超伝導量子干渉素子１７０の両端の電位差である。

図１３を参照すると、まず時刻ｔ０から時間ｔ１の間、右回り円偏光を照射する。そうすると、磁性粒子２０５の磁化２０４は図１における下向きに傾く。これにより超伝導量子干渉素子１７０からの検出信号が電圧Ｖａとなる。ついで左回り偏光を照射すると、磁化２０４は逆方向つまり図１における上向きに傾く。これにより超伝導量子干渉素子１７０からの検出信号が電圧Ｖｐとなる。

右回りの円偏光の照射と左回りの円偏光の照射を周期時間ｔ２で繰り返すと、それに同期して磁性粒子から発生する浮遊磁界の方向が変化し、その結果超伝導量子干渉素子１７０から図１３に示すような検出信号が得られる。

上述したようなセンサは、磁性粒子に磁界を印加することなく磁性体の検出が可能であり、高感度な磁界検出が可能である。これまで超伝導量子干渉素子を用いる場合には外部磁界を感じないように磁界方向に対する超伝導量子干渉素子の配置を厳密に調整する必要があった。しかし、本実施例では磁界を印加しないので、超伝導量子干渉素子の配置の調整に要求される厳密さが緩和される。さらに磁性体に修飾処理を施すことによって、生体物質など検出が可能なセンサとして用いられる。

本発明の標的物質検出キットおよび標的物質検出方法を示す概念図である。 磁気抵抗効果素子の膜構成を説明するための概念図である。 人工反強磁性膜構造を有する磁気抵抗効果素子を示す概念図である。 磁気抵抗効果素子を磁気センサとして用いる場合の、検出回路接続例を示す概念図である。 ジョセフソン素子の膜構成を説明するための概念図である。 超伝導量子干渉素子と検出コイルを組み合わせた磁気センサの構成を説明する概念図である。 標的物質検出基板を示す概念図である。 標的物質検出基板を示す概念図である。 実施例１で用いられる標的物質検出基板を示す概念図である。 実施例１において磁気センサとして用いられるＴＭＲ素子１３０の膜構成および磁性構造体との配置関係を示した概念図である。 実施例１によるセンサからの検出信号について説明するためのタイミングチャートである。 実施例２によるセンサの構成を説明するための概念図である。 実施例２によるセンサからの検出信号について説明するためのタイミングチャートである。

符号の説明

１１０ 支持基板
１２０ ＳｉＯ₂膜
１３０ 磁気センサ
１３１ Ｈｆ膜
１３２ ＭｎＩｒ膜
１３３ ＦｅＣｏ膜
１３４ Ｒｕ膜
１３５、１３７ ＦｅＣｏＢ膜
１３６ ＭｇＯ膜
１３８ Ｐｔ膜
１３９、１８０ Ａｕ膜
１４０ 電源
１５０ 検出回路
１６０ 光源
１７０ ジョセフソン素子
２０１ 第一の標的物質補足体（一次抗体）
２０２ 標的物質（ＰＳＡ）
２０３ 第二の標的物質補足体（抗ＰＳＡ抗体）
２０４ 磁化ベクトル
２０５ 磁性粒子
２０６ 磁性標識
２０７ 標的物質検出基板
３１１ 偏光
４０１ フリー層
４０２ ピンド層
４０３ 中間層
４０４ 保護層
４０５ 固定層
４０６、４０８ 強磁性膜
４０７ 金属膜
４０９ 人工反強磁性膜
４１０ 反強磁性膜
４１１ 磁気抵抗効果素子
４１２、４１９ 定電流源
４１３ トンネル障壁膜
４１４、４１５ 超伝導体
４１６ 検出コイル
４１７、４１８ ジョセフソン素子
４１９ 検出回路

Claims (7)

1. 磁気センサと第一の標的物質捕捉体とを有する標的物質検出基板と、
   磁性構造体と第二の標的物質捕捉体とを有する磁性標識と、
   からなり、
   前記第一の標的物質捕捉体が前記標的物質検出基板の表面に存在し、
   前記磁性構造体が偏光によって浮遊磁界を発生する磁性構造体であることを特徴とする標的物質検出キット。
2. 前記磁気センサが、前記磁性構造体から発生する浮遊磁界によって電気特性が変化するセンサであることを特徴とする請求項１に記載の標的物質検出キット。
3. 前記磁気センサが、磁気抵抗効果素子、ホール素子、および超伝導量子干渉素子のうちのいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載の標的物質検出キット。
4. 検体中の標的物質の有無もしくは量を検出する標的物質検出方法であって、
   （ｉ）磁気センサと第一の標的物質捕捉体とからなる標的物質検出基板に、磁性構造体と第二の標的物質捕捉体とからなる磁性標識と検体とを接触させて、前記第一の標的物質捕捉体と標的物質と前記磁性標識とからなる複合体を形成する工程と、
   （ii）前記複合体に偏光を照射する工程と、
   （iii）前記偏光によって前記磁性構造体から発生する浮遊磁界を検出する工程と、
   を有することを特徴とする標的物質検出方法。
5. 前記偏光によって前記磁性構造体から発生する浮遊磁界を検出する（iii）の工程が、前記偏光によって前記磁性構造体から発生する浮遊磁界によって前記磁気センサの電気特性が変化し、該電気特性の変化を検出する工程であることを特徴とする請求項４に記載の標的物質検出方法。
6. 前記偏光が円偏光であることを特徴とする請求項４または５に記載の標的物質検出方法。
7. 前記磁気センサが、磁気抵抗効果素子、ホール素子、および超伝導量子干渉素子のうちのいずれかであることを特徴とする請求項４から６のいずれか１項に記載の標的物質検出方法。

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