JP7136137B2 - 磁気センサ、磁気検出装置及び磁気検出システム - Google Patents

Description

本発明は、磁気センサ、磁気検出装置及び磁気検出システムに関する。

定量的なイムノアッセイ（免疫測定法）として、放射免疫測定法（ＲＩＡ（radio immunoassay）、ＩＲＭＡ（immunoradiometric assay））が知られている。この方法においては、放射性核種によって、競合抗原又は抗体を標識し、比放射能の測定結果から抗原を定量的に測定することができる。イムノアッセイは、抗原等の標的物体を標識して間接的に測定を行う方法である。この方法は感度が高いことから、臨床診断において大きな貢献を果たしているが、放射性核種の安全性を確保する必要があり、専用の施設や装置が必要となるという欠点がある。そこで、より扱いやすい方法として、例えば、磁性ビーズ等を標識として用いるバイオセンサを用いる方法が提案されている（特許文献１～４参照）。

従来のバイオセンサは、基板と、基板上に設けられているＧＭＲ素子等の磁気抵抗効果素子と、磁気抵抗効果素子を被覆する保護膜とを備える。試料中の生体分子に親和性を有する磁性ビーズが、生体分子を介して保護層上に捕捉された後に磁界が印加されると、磁性ビーズから浮遊磁場が発生する。この浮遊磁場が磁気抵抗効果素子に入力されることで磁気抵抗効果素子の抵抗値が変化し、その抵抗値変化に基づいて、生体分子を間接的に検出することができる。

特許第５１６１４５９号公報 特許第６０４３３９５号公報 特許第６１０１２１５号公報 国際公開第２０１７／８２２２７号パンフレット

試料中の生体分子の検出に上記バイオセンサを用いる場合、検出対象の生体分子を含む試料にバイオセンサを接触させることで、当該生体分子を保護層の表面に捕捉させる。そして、保護層の表面に捕捉された生体分子と磁性ビーズとを結合させた後、保護層に捕捉されていない余分な生体分子及び磁性ビーズを傾斜磁場又は洗浄等により選択的に除去し、磁気抵抗効果素子の抵抗値変化を計測する。

しかしながら、従来のバイオセンサにおいて、傾斜磁場の印加又は洗浄等によって保護層に捕捉された生体分子及び磁性ビーズの一部も除去されることがある。これにより、磁気抵抗効果素子の抵抗値が生体分子を検出するために十分な変化を起こしにくくなる場合があり、検出結果にばらつきが生じてしまうという問題がある。特に、生体分子濃度の低い試料を用いて当該生体分子を検出しようとする場合には、当該検出結果のばらつきが大きくなってしまうという問題がある。

上記課題に鑑みて、本発明は、磁性ビーズを用いて検出対象物質を高精度に検出可能な、磁気抵抗効果素子を備える磁気センサ、磁気検出装置及び磁気検出システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、試料中の検出対象物質を検出するために用いられる磁気センサであって、第１面及び前記第１面に対向する第２面を有する基板と、前記基板の前記第１面上に設けられ、入力磁界に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子及び前記第１面を被覆する保護層とを備え、前記磁気抵抗効果素子は、上面及び２つの側面を有し、前記基板の前記第１面上の第１方向に延在するライン状に構成されており、前記磁気抵抗効果素子の前記上面は、前記第１面と実質的に平行であり、前記２つの側面は、第２方向において相対する面であり、前記第２方向は、前記第１面上の前記第１方向に直交する方向であり、前記保護層は、少なくとも、前記磁気抵抗効果素子の前記上面に接触して位置する第１保護層と、前記２つの側面に接触して位置する第２保護層と、突出部とを含み、前記第２保護層は、前記磁気抵抗効果素子の側面に接触する接触面と、前記接触面と対向する側の表面とを有し、前記突出部は、前記第１保護層と前記第２保護層とを連続する部分であって、前記第２保護層の前記表面よりも前記第２方向に突出する部分を有しており、前記磁気抵抗効果素子の前記第２方向における長さと前記２つの側面のそれぞれに位置する前記第２保護層の厚さとの合計を第１幅とし、前記第１保護層を前記第１面側から見た平面視における前記第１保護層の前記第２方向における長さと前記突出部の前記第２方向における長さとの合計を第２幅としたとき、前記第２幅は、前記第１幅よりも大きく、前記第２保護層の厚さは、前記第２保護層の前記接触面と前記表面との間の前記第２方向における長さであることを特徴とする磁気センサを提供する。

上記磁気センサにおいて、前記突出部の前記第２方向における長さとして規定される突出厚さが、前記第２保護層の厚さよりも大きくてもよい。

上記磁気センサにおいて、前記突出部の突出厚さと、前記第２保護層の厚さとの比が、１：０．０５～１：０．９５であってもよく、前記第１保護層の厚さと、前記第２保護層の厚さとの比が、１：０．０５～１：１であり、前記第１保護層の厚さは、前記第１面に直交する第３方向における長さであってもよい。

上記磁気センサにおいて、前記基板の前記第１面に対する前記磁気抵抗効果素子の前記側面の角度が９０～１３５°であってもよく、前記保護層は、複数の層を有する積層体であってもよく、前記磁気抵抗効果素子は、ＧＭＲ素子であってもよく、前記検出対象物質が、生体分子であってもよい。

本発明は、上記磁気センサと、前記磁気センサを支持する支持部とを備えることを特徴とする磁気検出装置を提供する。
上記磁気検出装置において、前記保護層の表面に、前記検出対象物質に特異的に結合可能なプローブが存在していてもよい。

本発明は、上記磁気検出装置と、磁界発生部と、前記試料を保持可能な保持部とを備え、前記磁気検出装置は、前記保持部に保持される前記試料に前記磁気センサを接触させ得るように設けられており、前記磁界発生部は、前記保持部に保持される前記試料に接触する前記磁気センサに磁界が印加されるように設けられていることを特徴とする磁気検出システムを提供する。

本発明によれば、磁性ビーズを用いて検出対象物質を高精度に検出可能な、磁気抵抗効果素子を備える磁気センサ、磁気検出装置及び磁気検出システムを提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係るバイオセンサの第１態様の概略構成を示す切断端面図である。 図２は、本発明の一実施形態に係るバイオセンサの第１態様の概略構成を示す部分拡大切断端面図である。 図３は、本発明の一実施形態に係るバイオセンサの第２態様の概略構成を示す切断端面図である。 図４は、本発明の一実施形態に係るバイオセンサの第２態様の概略構成を示す部分拡大切断端面図である。 図５は、本発明の一実施形態に係るバイオセンサの第３態様の概略構成を示す切断端面図である。 図６は、本発明の一実施形態に係るバイオセンサの第３態様の概略構成を示す部分拡大切断端面図である。 図７は、本発明の一実施形態における磁気抵抗効果素子の概略構成を示す切断端面図である。 図８は、本発明の一実施形態に係るバイオセンサの概略構成を示す斜視図である。 図９は、本発明の一実施形態に係るバイオセンサを用いた生体分子の検出方法の概略を説明するための切断端面図である。 図１０Ａは、本発明の一実施形態に係るバイオセンサの第２態様の製造工程のうちの一工程を示す切断端面図である。 図１０Ｂは、図１０Ａに示す工程に続く工程を示す切断端面図である。 図１０Ｃは、図１０Ｂに示す工程に続く工程を示す切断端面図である。 図１０Ｄは、図１０Ｃに示す工程に続く工程を示す切断端面図である。 図１０Ｅは、図１０Ｄに示す工程に続く工程を示す切断端面図である。 図１１は、本発明の一実施形態における磁気検出システムの概略構成を示す切断端面図である。 図１２Ａは、本発明の一実施形態に係るバイオセンサの第１態様の製造工程のうちの一工程を示す切断端面図である。 図１２Ｂは、図１２Ａに示す工程に続く工程を示す切断端面図である。 図１２Ｃは、図１２Ｂに示す工程に続く工程を示す切断端面図である。

本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施形態においては、検出対象物質としての生体分子を検出するために用いられるバイオセンサを磁気センサの一例として挙げて説明するが、この態様に限定されるものではない。磁気センサにより検出され得る検出対象物質としては、生体分子の他に、例えば、汚染水等に含まれる揮発性有機化合物（Volatile Organic Compounds，ＶＯＣｓ）等の種々の有機化合物等が含まれ得る。

図１は、本実施形態に係るバイオセンサの第１態様の概略構成を示す切断端面図であり、図２は、本実施形態に係るバイオセンサの第１態様の概略構成を示す部分拡大切断端面図であり、図３は、本実施形態に係るバイオセンサの第２態様の概略構成を示す切断端面図であり、図４は、本実施形態に係るバイオセンサの第２態様の概略構成を示す部分拡大切断端面図であり、図５は、本実施形態に係るバイオセンサの第３態様の概略構成を示す切断端面図であり、図６は、本実施形態に係るバイオセンサの第３態様の概略構成を示す部分拡大切断端面図であり、図７は、本実施形態における磁気抵抗効果素子の概略構成を示す切断端面図であり、図８は、本実施形態に係るバイオセンサの概略構成を示す斜視図である。

本実施形態に係るバイオセンサにおいて、必要に応じ、いくつかの図面中、「Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向」を規定している。ここで、Ｘ方向及びＹ方向は、本実施形態における基板の面内（基板の第１面及び第２面と実質的に平行な平面内）における互いに直交する方向であり、Ｚ方向は、基板の厚さ方向（基板の第１面に直交する方向）である。

図１～図６に示すように、本実施形態に係るバイオセンサ１は、第１面２１及びそれに対向する第２面２２を有する基板２と、基板２の第１面２１上に設けられている検出部３とを備える。検出部３は、基板２の第１面２１上に設けられている磁気抵抗効果素子４と、少なくとも磁気抵抗効果素子４を被覆する保護層５とを備える。保護層５は、磁気抵抗効果素子４の上面４Ａに位置する第１保護層５１と、磁気抵抗効果素子４の側面４Ｂに位置する第２保護層５２とを含む。本実施形態に係るバイオセンサ１においては、磁気抵抗効果素子４を被覆する保護層５に捕捉された、試料中の生体分子を集積した磁性ビーズ１０に磁界Ｈを印加することで、当該磁性ビーズ１０からの浮遊磁場Ｈ_Ｓが磁気抵抗効果素子４にて検出され、生体分子の検出が可能となる（図９参照）。

基板２は、磁気抵抗効果素子４を搭載可能な矩形状のものであればよく、例えば、シリコンウェハ等の半導体基板；ＡｌＴｉＣ基板、アルミナ基板等のセラミック基板；樹脂基板；ガラス基板等が挙げられる。基板２の種類に応じ、基板２の第１面２１上、特に基板２の第１面２１と磁気抵抗効果素子４との間にＡｌ_２Ｏ_３等を含む下地層（図示省略）が設けられていてもよい。基板２の厚さは、基板２の強度、バイオセンサ１の薄型化や軽量化等の観点から適宜設定され得るものであるが、例えば、５～１００ｎｍ程度であればよい。

本実施形態において、磁気抵抗効果素子４としては、スピンバルブ型のＧＭＲ素子等を用いることができる。図７に示すように、磁気抵抗効果素子４は、基板２側から順に積層された反強磁性層６１、磁化固定層６２、非磁性層６３及び自由層６４を含むＭＲ積層体６０を有する。反強磁性層６１は、反強磁性材料により構成され、磁化固定層６２との間で交換結合を生じさせることで、磁化固定層６２の磁化の方向を固定する役割を果たす。なお、磁気抵抗効果素子４は、基板２側から順に自由層６４、非磁性層６３、磁化固定層６２及び反強磁性層６４が積層された構成を有していてもよい。また、磁化固定層６２を、強磁性層／非磁性中間層／強磁性層の積層フェリ構造とし、両強磁性層を反強磁性的に結合させてなる、いわゆるセルフピン止め型の固定層（Synthetic Ferri Pinned層，ＳＦＰ層）とすることで、反強磁性層６１が省略されていてもよい。

磁気抵抗効果素子４としてのＧＭＲ素子においては、非磁性層６３は非磁性導電層である。ＧＭＲ素子において、自由層６４の磁化の方向が磁化固定層６２の磁化の方向に対してなす角度に応じて抵抗値が変化し、この角度が０°（互いの磁化方向が平行）のときに抵抗値が最小となり、１８０°（互いの磁化方向が反平行）のときに抵抗値が最大となる。

図８に示すように、磁気抵抗効果素子４は、Ｘ方向（第１方向）に沿って延在する複数のライン状部４１を含む。複数のライン状部４１は、Ｙ方向（第２方向）に所定の間隔で並列し、隣接するライン状部４１の端部（Ｘ方向（第１方向）における端部）間をリード電極６により連続させることで、ミアンダ状に構成されている。なお、図８において、図面が煩雑になるため、保護層５の図示が省略されている。

磁気抵抗効果素子４としてのＧＭＲ素子は、一般に、相対的に低い素子抵抗値を有するため、バイオセンサ１から所定の強度の信号を出力させるためには、ＧＭＲ素子の線幅を細くし、線長を長くする必要がある。そして、ＧＭＲ素子を上記ミアンダ状に構成することで、基板２の第１面２１上における限られた領域内においてＧＭＲ素子の線幅を細くし、線長を長くすることができる。リード電極６は、例えば、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ｔａ、Ｔｉ等のうちの１種の導電材料又は２種以上の導電材料の複合膜により構成されていればよい。

上記複数のライン状部４１により構成される磁気抵抗効果素子４において、磁化固定層６２の磁化方向は、各ライン状部４１の短手方向（Ｙ方向，第２方向）と実質的に平行である。本実施形態に係るバイオセンサ１において、磁気抵抗効果素子４上の保護層５に捕捉された磁性ビーズ１０に対し、基板２の第１面２１に直交する方向の磁界Ｈを印加することで磁性ビーズ１０から浮遊磁場Ｈ_Ｓが発生し、磁気抵抗効果素子４に印加される（図９参照）。この浮遊磁場Ｈ_Ｓが磁気抵抗効果素子４に印加されることで、自由層６４の磁化の方向が変化し、それにより磁気抵抗効果素子４の抵抗値が変化する。その抵抗値の変化が信号として出力されることで、バイオセンサ１において、試料中の生体分子の存在及び存在量が検知され得る。

ライン状部４１の長手方向の長さは、バイオセンサ１全体の大きさやバイオセンサ１に要求される感度等に応じて適宜設定され得るものであるが、例えば、１０～５００μｍ程度であればよく、短手方向の長さは、例えば、０．２～１０μｍ程度であればよい。

図１～図６に示すように、本実施形態に係るバイオセンサ１のＹ方向（第２方向）に沿った断面を見たときに、検出部３は、第１幅Ｗ_３１と第２幅Ｗ_３２とを有する。第１幅Ｗ_３１は、基板２の第１面２１上における検出部３の長さ（Ｙ方向（第２方向）に沿った長さ）であり、第２幅Ｗ_３２は、検出部３の上面３Ａ（第１幅Ｗ_３１よりも上方（＋Ｚ側）に位置する面）の長さ（Ｙ方向（第２方向）に沿った長さ）である。第１幅Ｗ_３１は、基板の第１面２１上における磁気抵抗効果素子４（ライン状部４１）の幅Ｗ_４１と、磁気抵抗効果素子４の両側面４Ｂ，４Ｂに位置する第２保護層５２，５２の厚さＴ_５２２，Ｔ_５２２との合計である。

検出部３の第２幅Ｗ_３２は、第１幅Ｗ_３１よりも大きいのが好ましい。第２幅Ｗ_３２が第１幅Ｗ_３１よりも大きいことで、磁性ビーズ１０を用いて検出対象物質である生体分子を高精度に検出することができる。第１幅Ｗ_３１と第２幅Ｗ_３２との差分（Ｗ_３２－Ｗ_３１）は、２．０ｎｍ以上程度であればよく、２．０～６０．０ｎｍ程度であればよい。

本実施形態に係るバイオセンサ１のＹ方向（第２方向）に沿った断面を見たときに、第１幅Ｗ_３１よりも大きい第２幅Ｗ_３２を有する検出部３は、検出部３の上面３Ａ近傍がＹ方向（第２方向）に突出する突出部３１を有していてもよい。図１及び図２に示す第１態様において、Ｙ方向（第２方向）に沿った断面を見たときに、突出部３１の高さＨ_３１は、検出部３の高さＨ_３（基板２の第１面２１から検出部３の上面３ＡまでのＺ方向（第３方向）に沿った長さ）の２／３以下程度であればよく、１～６０．０ｎｍ程度であるのが好ましい。突出部３１の高さＨ_３１が検出部３の高さＨ_３の２／３を超えてしまうと、磁気抵抗効果素子４の上面４Ａ上において保護層５が厚くなり、保護層５に捕捉された磁性ビーズ１０（図９参照）と磁気抵抗効果素子４との間の距離が遠くなるため、磁性ビーズ１０から発生する浮遊磁場Ｈ_Ｓが磁気抵抗効果素子４に適切に印加され難くなるおそれがある。突出部３１の突出長さΔＷ／２は、例えば、１．０～３０．０ｎｍ程度であればよく、２．０～１５．０ｎｍ程度であるのが好ましい。当該突出長さΔＷ／２が１．０ｎｍ未満であると、磁気抵抗効果素子４（ライン状部４１）の側面４Ｂ，４Ｂに位置する第２保護層５２に磁性ビーズ１０（図９参照）が捕捉されにくくなり、バイオセンサ１における検出精度が低下するおそれがある。一方、突出部３１の突出長さΔＷ／２が３０．０ｎｍを超えると、磁気抵抗効果素子４（ライン状部４１）の両側面４Ｂ，４Ｂに位置する第２保護層５２の厚さＴ_５２２が薄くなりすぎてしまうおそれがある。後述するように、バイオセンサ１は、試料２００（溶液）に浸漬させて使用されるが（図１１参照）、突出部３１の突出長さΔＷ／２が３０．０ｎｍを超え、第２保護層５２の厚さＴ_５２２が薄くなりすぎてしまうと、磁気抵抗効果素子４（ライン状部４１）に試料２００（溶液）が接触し、それにより磁気抵抗効果素子４（ライン状部４１）に抵抗異常を生じさせ、バイオセンサ１の検出精度が低下してしまうおそれがある。突出部３１を有する検出部３としては、第２保護層５２の上方側（＋Ｚ側）の一部がＹ方向（第２方向）に突出していてもよいし（図２参照）、磁気抵抗効果素子４の上面４Ａ側の一部がＹ方向（第２方向）に突出していてもよい（図４参照）。なお、検出部３は、第１幅Ｗ_３１よりも大きい第２幅Ｗ_３２を有していればよく、図５及び図６に示すように、Ｙ方向（第２方向）に沿った断面を見たときに、検出部３が逆テーパー形状を有していてもよい。

図２に示す第１態様において、上方側（＋Ｚ側）における第２保護層５２の厚さＴ_５２１は、基板２の第１面２１上における第２保護層５２の厚さＴ_５２２よりも厚ければよく、厚さＴ_５２１と厚さＴ_５２２との比が、１：０．０５～１：０．９５であるのが好ましく、１：０．１～１：０．９であるのがより好ましく、１：０．５～１：０．８であるのが特に好ましい。厚さＴ_５２１と厚さＴ_５２２との比が上記範囲を外れると、生体分子を介して磁性ビーズ１０が保護層５に捕捉されにくくなり、生体分子の検出精度が低下するおそれがある。

図４に示す第２態様において、上方側（＋Ｚ側）における磁気抵抗効果素子４の幅Ｗ_４１は、基板２の第１面２１側における磁気抵抗効果素子４の幅Ｗ_４２よりも大きければよく、幅Ｗ_４１と幅Ｗ_４２との差が、１．０ｎｍ以上程度であればよく、１．０～６０．０ｎｍであるのが好ましく、２．０～４０．０ｎｍであるのがより好ましく、４．０～３０．０ｎｍであるのが特に好ましい。幅Ｗ_４１と幅Ｗ_４２との差が１ｎｍ未満であると、磁気抵抗効果素子４を被覆する保護層５、特に磁気抵抗効果素子４の側面４Ｂに位置する第２保護層５２が不連続となるおそれがあり、磁気抵抗効果素子４（ライン状部４１）に試料２００（溶液）が接触し、それにより磁気抵抗効果素子４（ライン状部４１）がエッチングされて抵抗異常が生じ、バイオセンサ１の検出精度が低下してしまうおそれがある。また、幅Ｗ_４１と幅Ｗ_４２との差が６０．０ｎｍを超えると、自由層及び磁化固定層の形状異方性が発現し、磁気抵抗効果素子４の実行領域が減少し、磁性ビーズ１０から発生する浮遊磁場Ｈ_Ｓを適切に検知できない領域が広がってしまうため、生体分子の検出精度が低下してしまうおそれがある。

本実施形態に係るバイオセンサ１のＹ方向（第２方向）に沿った断面を見たときに、第１保護層５１の厚さＴ_５１は、上方側（＋Ｚ側）における第２保護層５２の厚さＴ_５２１よりも厚ければよく、厚さＴ_５１と厚さＴ_５２１との比が、１：０．０５～１：１であるのが好ましく、１：０．１～１：０．９５であるのがより好ましく、１：０．２～１：０．５であるのが特に好ましい。厚さＴ_５１と厚さＴ_５２１との比が上記範囲から外れると、保護層５に捕捉されなかった磁性ビーズ１０を除去し難くなり、バイオセンサ１による検出精度が低下するおそれがある。

本実施形態において、基板２の第１面２１に対する磁気抵抗効果素子４の側面４Ｂの角度θは、９０～１３５°であるのが好ましく、９５～１００°であるのがより好ましい。当該角度θが上記範囲内であることで、磁気抵抗効果素子４（ライン状部４１）の両側面４Ｂ，４Ｂの上方に第１保護層５１が相対的に厚膜で形成されやすく、両側面４Ｂ，４Ｂの下方に第２保護層５２が相対的に薄膜で形成されやすくなるため、突出部３１の突出長さΔＷ／２をプロセス管理しやすくなる。その結果、検出部３の第２幅Ｗ_３２を第１幅Ｗ_３１よりも大きくすることができる。

本実施形態において、基板２の第１面２１及び磁気抵抗効果素子４の全体を被覆する保護層５は、磁性ビーズ１０に集積された生体分子が捕捉され得る層である。磁性ビーズ１０に集積された生体分子は、保護層５との間の、例えば、静電相互作用、水素結合相互作用等により保護層５に捕捉されてもよいし、保護層５の表面に設けられた、生体分子に特異的に結合可能なプローブによって捕捉されてもよい。保護層５は、例えば、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＴｉＮ、ＴａＮ、ＴａＯ、ＴｉＯ、ＡｌＮ等の生体分子との間で静電相互作用、水素結合相互作用等を発揮し得る材料により構成されていてもよい。なお、保護層５の表面には、生体分子を容易に捕捉可能とするために、検出対象である生体分子と特異的に結合可能な親和性物質を備えていてもよい。保護層５は、上記材料により構成される１層の単層構造であってもよいし、２層以上の多層構造を有していてもよい。保護層５が多層構造である場合において、当該多層構造の各層の構成材料は同一材料であってもよいし、異なる材料であってもよい。保護層５が多層構造である場合、例えば、図１及び図２に示すバイオセンサ１を製造する過程で保護層５をスパッタにより成膜する場合、スパッタにおける処理条件（例えば、成膜温度、放電パワー及び成膜圧力、ターゲットと成膜対象との距離等）を調整することで、磁気抵抗効果素子４の上面における成膜レートと側面における成膜レートとのコントールが可能となり、磁気抵抗効果素子４の側面における保護層５の突出量を調整することができる。その結果、検出部３の第２幅Ｗ_３２を第１幅Ｗ_３１よりも大きくすることができる。

磁気抵抗効果素子４の上方に位置する第１保護層５１の厚さＴ_５１は、例えば、３～２００ｎｍ程度に設定され得る。保護層５が多層構造を有している場合、各層の厚さは、例えば、０．１～１００ｎｍ程度であればよい。第２保護層５２のうち、上方側（＋Ｚ側）における第２保護層５２の厚さＴ_５２１は、例えば２～６０ｎｍの範囲内であればよく、基板２側（－Ｚ側）における第２保護層５２の厚さＴ_５２２は、例えば、１～５９ｎｍの範囲内であればよい。

上述した構成を有するバイオセンサ１を、検出対象の生体分子１１を含む試料と接触させることで、当該生体分子１１を保護層５の表面に捕捉させることができる。そして、保護層５の表面に捕捉された生体分子１１と磁性ビーズ１０とを結合させた後、傾斜磁場又は洗浄等により磁気抵抗効果素子４上の保護層５の表面に捕捉されなかった余分な生体分子１１及び磁性ビーズ１０を選択的に除去する。本実施形態においては、検出部３の第２幅Ｗ_３２が第１幅Ｗ_３１よりも大きいことで、生体分子１１及び磁性ビーズ１０が保護層５上、特に検出部３の側面を構成する第２保護層５２に捕捉されやすく、また捕捉された生体分子１１及び磁性ビーズ１０が傾斜磁場の印加又は洗浄等によって除去されにくくすることができる。これにより、磁性ビーズ１０を用いて高精度に生体分子の存在及び存在量を検出することができ、検出結果のばらつきを抑制することができる。

上記のようにして磁気抵抗効果素子４上の保護層５の表面に生体分子１１及び磁性ビーズ１０を残存させた後、基板２の第１面２１に対する直交方向に沿って磁界Ｈを印加することで、磁性ビーズ１０が磁性を帯び、磁性ビーズ１０から浮遊磁場Ｈ_Ｓが発生する（図９参照）。この浮遊磁場Ｈ_Ｓが磁気抵抗効果素子４に印加されることで、自由層６４の磁化方向が変化し、その結果として磁気抵抗効果素子４の抵抗値が変化する。この抵抗値変化は、保護層５の表面に捕捉された生体分子１１に結合した磁性ビーズ１０の数との間で相関性（線形相関）を有するため、この抵抗値変化が信号としてバイオセンサ１から出力されることで、試料中における検出対象の生体分子の存在及び存在量を検出することができる。

本実施形態に係るバイオセンサ１を用いて検出可能な生体分子１１としては、例えば、ＤＮＡ、ｍＲＮＡ、ｍｉＲＮＡ、ｓｉＲＮＡ、人工核酸（例えば、ＬＮＡ（Locked Nucleic Acid）、ＢＮＡ（Bridged Nucleic Acid）等）等の核酸（天然由来であってもよいし、化学合成されたものであってもよい。）；リガンド、サイトカイン、ホルモン等のペプチド；受容体、酵素、抗原、抗体等のタンパク質；細胞、ウイルス、細菌、真菌等が挙げられる。

また、検出対象の生体分子１１を含む試料としては、例えば、血液、血清、血漿、尿、パフィーコート、唾液、精液、胸部滲出液、脳脊髄液、涙液、痰、粘液、リンパ液、腹水、胸水、羊水、膀胱洗浄液、気管支肺胞洗浄液、細胞抽出液、細胞培養上清等が挙げられる。

磁性ビーズ１０は、磁性を帯びることが可能な粒子であればよく、例えば、金、酸化鉄等により構成される粒子等であればよい。磁性ビーズ１０の平均粒子径は、例えば、５～２５０ｎｍ程度であればよく、２０～１５０μｍ程度であるのが好ましい。なお、磁性ビーズ１０の平均粒子径は、例えば、レーザ回折式粒子径分布測定装置（製品名：ＳＡＬＤ－２３００，島津製作所社製）を用いて計測され得る。

磁性ビーズ１０の表面は、ストレプトアビジン等のタンパク質が固定されていてもよく、生体分子と特異的に結合可能な親和性物質をさらに備えていてもよい。生体分子１１としてのリガンドを捕捉するために用いられる場合には、磁性ビーズ１０は親水性表面を有するのが好ましく、生体分子１１としての抗体を捕捉するために用いられる場合には、磁性ビーズ１０は疎水性表面を有するのが好ましい。

上述した構成を有するバイオセンサ１によれば、検出部３の第２幅Ｗ_３２が第１幅Ｗ_３１よりも大きいことで、生体分子１１及び磁性ビーズ１０が保護層５上に捕捉されやすく、また捕捉された生体分子１１及び磁性ビーズ１０が傾斜磁場の印加又は洗浄等によって除去されにくくすることができる。そのため、本実施形態に係るバイオセンサ１によれば、磁性ビーズ１０を用いて高精度に生体分子の存在及び存在量を検出することができ、検出結果のばらつきを抑制することができる。

上述した構成を有するバイオセンサ１は、例えば、以下のようにして作製することができる。図１０Ａ～図１０Ｅは、本実施形態に係るバイオセンサ１の製造方法の各工程を切断端面にて示す工程フロー図である。

シリコンウェハ等の半導体基板；ＡｌＴｉＣ基板、アルミナ基板等のセラミック基板；樹脂基板；ガラス基板等の基板２の第１面２１上における磁気抵抗効果素子４を形成する予定の領域にＡｌ_２Ｏ_３等を含む下地層（図示省略）を形成し、当該基板２の第１面２１上にＭＲ膜７０（反強磁性膜、強磁性膜、非磁性膜及び強磁性膜をこの順で積層した積層膜）をスパッタリング等により形成する（図１０Ａ参照）。

次に、ＭＲ膜７０を覆うレジスト層８０を形成し（図１０Ｂ参照）、露光・現像処理により、磁気抵抗効果素子４に対応する、レジストパターン８２を形成する（図１０Ｃ参照）。レジスト層８０を構成するレジスト材料としては、ポジ型又はネガ型のいずれのタイプであってもよく、例えば、シクロペンタノン系レジスト材料、ノボラック樹脂系レジスト材料等が挙げられる。

次に、レジストパターン８２をマスクとしてＭＲ膜７０にミリング処理を施す（図１０Ｄ参照）。ミリング処理としては、例えば、イオンビームをＭＲ膜７０に入射させることで、イオンビームが入射した部分のＭＲ膜７０を除去する処理等が挙げられる。このミリング処理において除去されるべきＭＲ膜７０を、当該ミリング処理によって形成されるライン状部４１の側面４Ｂに再堆積（redeposition）させることで、検出部３の第２幅Ｗ_３２を第１幅Ｗ_３１よりも大きくすることができる。ライン状部４１の側面４ＢにＭＲ膜７０を再堆積させるためには、ミリング処理におけるイオンビームの入射角度を、ＭＲ膜７０に対して実質的に直交させる方法等を採用することができる。なお、イオンビームの入射角度がＭＲ膜７０に対して実質的に直交するとは、ライン状部４１の側面４ＢにＭＲ膜７０を再堆積させ得る程度に直交することを意味し、例えば、当該入射角度が６５～８５°の範囲内であればよい。イオンビームの入射角度とは、基板２の第１面２１とイオンビームの入射方向とにより形成される角度を意味する。検出部３の突出部３１の突出量を制御するために、例えば、ＭＲ膜７０が除去される間にイオンビームの入射角度を変動させてもよい。例えば、ＭＲ膜７０が除去される間に、イオンビームの入射角度をＭＲ膜７０に直交させていることで、ライン状部４１の側面４Ｂに再堆積されすぎて、突出部３１の突出量が大きくなりすぎてしまう場合には、ＭＲ膜７０のミリング処理の途中でイオンビームの入射角度を上記数値範囲から外れる値に調整してもよい。これにより、検出部３の突出部３１の突出長さΔＷ／２を所望とする範囲に制御することができる。

その後、所定のアニール処理を施しながら磁場を印加することで、複数のライン状部４１を含む磁気抵抗効果素子４を基板２の第１面上に形成する。印加される磁場は、磁気抵抗効果素子４の各層の構成材料、各層の膜厚、寸法、形状、磁化固定層６２の垂直磁気異方性エネルギーＫｕと形状異方性エネルギーＫｄとから与えられる実効的な垂直磁気異方性エネルギーＫｅｆｆ等に応じ、反強磁性層６１と磁化固定層６２との間に所定の交換磁気異方性を誘導させるように適宜設定され得る。

続いて、隣接するライン状部４１の長手方向端部間を連続するリード電極６を導電材料のスパッタリング等により形成することで、磁気抵抗効果素子４を形成する。そして、レジストパターン８２を剥離除去した後、基板２の第１面２１及び磁気抵抗効果素子４を被覆する保護層５を、ＣＶＤ法、反応性スパッタリング等のＰＶＤ法、真空蒸着法等の成膜法により形成する（図１０Ｅ参照）。このようにして、本実施形態に係るバイオセンサ１を製造することができる。

上述した構成を有するバイオセンサ１を用いた磁気検出装置及び当該磁気検出装置を備える磁気検出システムについて説明する。図１１は、本実施形態における磁気検出システムの概略構成を示す切断端面図である。

本実施形態における磁気検出システム１００は、バイオセンサ１及び当該バイオセンサ１を支持する支持部１１０を有する磁気検出装置と、磁界発生部１２０と、生体分子を含有する試料２００を収容する複数のリザーバ１４０を有するプレート１３０とを備える。

バイオセンサ１の保護層５の表面には、試料２００中の生体分子に特異的に結合可能なプローブ（例えば、リガンド等）が設けられていてもよい。もちろん、バイオセンサ１の保護層５の表面に当該プローブが設けられておらず、バイオセンサ１の保護層５の表面は、例えば、静電相互作用、水素結合相互作用等により生体分子が保護層５に捕捉されるように構成されていてもよい。試料２００中の生体分子は、磁性ビーズ１０（図９参照）に集積されていればよい。バイオセンサ１を支持する支持部１１０は、各リザーバ１４０に挿入可能な大きさの複数の短冊状部を有する。各短冊状部の先端には、当該短冊状部の先端をリザーバ１４０に挿入したときに、各リザーバ１４０に収容される試料２００にバイオセンサ１を接触させ得るように、当該バイオセンサ１が取り付けられている。支持部１１０は、昇降可能に設けられており、これにより、各短冊状部を各リザーバ１４０に挿入したり、各リザーバ１４０から抜いたりすることができる。

磁界発生部１２０は、例えば、バイオセンサ１の基板２の第１面２１に対する直交する方向の磁界を発生させ得るコイル等により構成されており、各リザーバ１４０に収容される試料２００にバイオセンサ１を接触させているときに、当該バイオセンサ１に磁界が印加され得るように設けられている。

このような構成を有する磁気検出システム１００において、各リザーバ１４０に収容されている試料２００にバイオセンサ１を接触させると、磁性ビーズ１０（図９参照）に集積されている生体分子が、バイオセンサ１の保護層５に捕捉される。その状態において、磁界発生部１２０から、基板２の第１面２１に対する直交方向に沿った磁界を発生させると、磁性ビーズ１０が磁性を帯び、磁性ビーズ１０から浮遊磁場Ｈ_Ｓ（図９参照）が発生する。この浮遊磁場Ｈ_Ｓが磁気抵抗効果素子４に印加されることで、自由層６４の磁化方向が変化し、その結果として磁気抵抗効果素子４の抵抗値が変化し、バイオセンサ１から信号が出力される。この磁気抵抗効果素子４の抵抗値変化は、保護層５の表面に捕捉された生体分子１１に結合した磁性ビーズ１０の数との間で相関性（線形相関）を有するため、磁気検出システム１００においては、バイオセンサ１から出力される信号に基づいて、試料中の生体分子の存在及び存在量を検出することができる。

なお、上記磁気検出システム１００において、磁界発生部１２０は、磁性ビーズ１０を磁化させるための磁界を発生させるとともに、磁化された磁性ビーズ１０に集積されている生体分子がバイオセンサ１の保護層５に捕捉されている状態において、磁気抵抗効果素子４の面内方向（ＸＹ平面の面内方向）の交流磁界を発生させるものであってもよい。この態様の磁気検出システム１００において、まず、各リザーバ１４０に収容されている試料２００にバイオセンサ１を接触させ、磁界発生部１２０から発生させた磁界によって磁性ビーズ１０が磁化されるとともに、磁化された磁性ビーズ１０に集積されている生体分子がバイオセンサ１の保護層５に捕捉される。その状態において、磁界発生部１２０から上記交流磁界を発生させると、磁性ビーズ１０から浮遊磁場が発生する。この浮遊磁場が磁気抵抗効果素子４に印加されることで、自由層６４の磁化方向が変化し、その結果として磁気抵抗効果素子４の抵抗値が変化し、バイオセンサ１から信号が出力される。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

上記実施形態において、ライン状部４１の側面４Ｂの全体を基板２の第１面２１に対して実質的に直交させるようにして当該ライン状部４１を形成し、当該ライン状部４１を被覆する仮保護層５’を形成した後、基板２の第１面２１上であって、Ｙ方向（第２方向）に沿って見たときに隣接するライン状部４１の間に位置する仮保護層５’をミリングにより除去することで、第２幅Ｗ_３２を第１幅Ｗ_３１よりも大きくしてもよい（図１２Ａ～図１２Ｃ参照）。また、ライン状部４１を被覆する多層構造の保護層５を形成することで、第２幅Ｗ_３２を第１幅Ｗ_３１よりも大きくしてもよい。

上記実施形態において、保護層５は、磁気抵抗効果素子４及び基板２の第１面２１を被覆しているが、この態様に限定されるものではなく、例えば、磁気抵抗効果素子４（ライン状部４１）を被覆していればよく、基板２の第１面２１における磁気抵抗効果素子４が形成されていない部分（露出している第１面２１）を被覆していなくてもよい。

以下、実施例等を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は下記の実施例等に何ら限定されるものではない。

〔試験例１〕
図１及び図２に示す構成を有し、突出部３１の突出長さΔＷ／２（厚さＴ_５２１と厚さＴ_５２２との差分）が１ｎｍ（Sample 1）、１５ｎｍ（Sample 2）及び３０ｎｍ（Sample 3）のバイオセンサ１を用い、検出対象物質としての生体分子を含む試料溶液をＸ方向（第１方向）に導入したときに、検出部３の側面における試料溶液の流速ＦＶと、保護層５への磁性ビーズ１０の捕捉率ＣＲとをシミュレーションにより求めた。また、比較として、突出部３１を有しない（厚さＴ_５２１と厚さＴ_５２２との差分が０ｎｍ）以外はＳａｍｐｌｅ１と同様の構成を有するバイオセンサ（Sample 4）を用いて、Sample 1～3と同様に検出部３の側面における試料溶液の流速ＦＶと、保護層５への磁性ビーズ１０の捕捉率ＣＲとをシミュレーションにより求めた。これらのシミュレーションにおける条件は、下記の通りとした。結果を表１に示す。

＜シミュレーション条件＞
シミュレーションソフト：３次元流体シミュレーションソフト（製品名：Flowsquare） シミュレーションモード：非反応非圧縮性流体モード
離散化のためのＸ方向（第１方向）格子点数：２５０
離散化のためのＹ方向（第２方向）格子点数：１５０
シミュレーション領域のＸ方向（第１方向）長さ：０．５×１０^－３ｍ
シミュレーション領域のＹ方向（縦方向）長さ：１．５×１０^－４ｍ
１タイムステップ辺りの物理時間（ｄｔ）を決める際の係数：１０
数値計算方法：低精度計算法；２次精度中心差分＋オイラー法（１次精度）
ポアソン方程式を解く際の緩和係数：１．８
ポアソン方程式の収束計算終了の許容誤差：５．０×１０^－４
流体：密度変化がある反応性流体
周期境界：なし
圧力：１．０×１０^５Ｐａ
初期速度：０．１ｍ／ｓ
初期密度：１．０×１０^３ｋｇ／ｍ^３
境界速度：０．１ｍ／ｓ
境界密度：１．０×１０^３ｋｇ／ｍ^３
流体の粘性係数（動粘性係数×密度）：９．０×１０^－４ｋｇ／ｍ・ｓ
表示される１格子点当たりのピクセル数：２
突出部３１の突出長さΔＷ／２に対し、突出部３１内部（Ｚ方向における突出部３１と基板２との間の空間）の流速を計算し、Sample 4の流速を捕捉率ＣＲ＝１とした場合に、Sample 1～3の流速に基づいて捕捉率を算出した。

表１に示すように、検出部３の側面に突出部３１を有するSample 1～3においては、突出部３１を有しないSample 4に比べて検出部３の側面における試料溶液の流速ＦＶを遅くすることができ、保護層５への磁性ビーズ１０の捕捉率ＣＲを向上させ得ることが確認された。この結果から、検出部３の側面に突出部３１を有し、検出部３の第２幅Ｗ_３２が第１幅Ｗ_３１よりも大きいことで、生体分子１１及び磁性ビーズ１０が保護層５上、特に検出部３の側面を構成する第２保護層５２に捕捉されやすく、また捕捉された生体分子１１及び磁性ビーズ１０が傾斜磁場の印加又は洗浄等によって除去されにくくすることができ、磁性ビーズ１０を用いて高精度に生体分子の存在及び存在量を検出することができ、検出結果のばらつきを抑制することができると推認される。

１…バイオセンサ
２…基板
２１…第１面
２２…第２面
３…検出部
４…磁気抵抗効果素子
４Ａ…ライン状部
４…保護層

Claims (11)

1. 試料中の検出対象物質を検出するために用いられる磁気センサであって、
   第１面及び前記第１面に対向する第２面を有する基板と、
   前記基板の前記第１面上に設けられ、入力磁界に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子と、
   前記磁気抵抗効果素子及び前記第１面を被覆する保護層と
   を備え、
   前記磁気抵抗効果素子は、上面及び２つの側面を有し、前記基板の前記第１面上の第１方向に延在するライン状に構成されており、
   前記磁気抵抗効果素子の前記上面は、前記第１面と実質的に平行であり、
   前記２つの側面は、第２方向において相対する面であり、
   前記第２方向は、前記第１面上の前記第１方向に直交する方向であり、
   前記保護層は、少なくとも、前記磁気抵抗効果素子の前記上面に接触して位置する第１保護層と、前記２つの側面に接触して位置する第２保護層と、突出部とを含み、
   前記第２保護層は、前記磁気抵抗効果素子の側面に接触する接触面と、前記接触面と対向する側の表面とを有し、
   前記突出部は、前記第１保護層と前記第２保護層とを連続する部分であって、前記第２保護層の前記表面よりも前記第２方向に突出する部分を有しており、
   前記磁気抵抗効果素子の前記第２方向における長さと前記２つの側面のそれぞれに位置する前記第２保護層の厚さとの合計を第１幅とし、前記第１保護層を前記第１面側から見た平面視における前記第１保護層の前記第２方向における長さと前記突出部の前記第２方向における長さとの合計を第２幅としたとき、前記第２幅は、前記第１幅よりも大きく、
   前記第２保護層の厚さは、前記第２保護層の前記接触面と前記表面との間の前記第２方向における長さであることを特徴とする磁気センサ。
2. 前記突出部の前記第２方向における長さとして規定される突出厚さが、前記第２保護層の厚さよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記突出部の突出厚さと、前記第２保護層の厚さとの比が、１：０．０５～１：０．９５であることを特徴とする請求項２に記載の磁気センサ。
4. 前記第１保護層の厚さと、前記第２保護層の厚さとの比が、１：０．０５～１：１であり、
   前記第１保護層の厚さは、前記第１面に直交する第３方向における長さであることを特徴とする請求項２又は３に記載の磁気センサ。
5. 前記基板の前記第１面に対する前記磁気抵抗効果素子の前記側面の角度が９０～１３５°であることを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の磁気センサ。
6. 前記保護層は、複数の層を有する積層体であることを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載の磁気センサ。
7. 前記磁気抵抗効果素子は、ＧＭＲ素子であることを特徴とする請求項１～６のいずれかに記載の磁気センサ。
8. 前記検出対象物質が、生体分子であることを特徴とする請求項１～７のいずれかに記載の磁気センサ。
9. 請求項１～８のいずれかに記載の磁気センサと、
   前記磁気センサを支持する支持部と
   を備えることを特徴とする磁気検出装置。
10. 前記保護層の表面に、前記検出対象物質に特異的に結合可能なプローブが存在することを特徴とする請求項９に記載の磁気検出装置。
11. 請求項９又は１０に記載の磁気検出装置と、
    磁界発生部と、
    前記試料を保持可能な保持部と
    を備え、
    前記磁気検出装置は、前記保持部に保持される前記試料に前記磁気センサを接触させ得るように設けられており、
    前記磁界発生部は、前記保持部に保持される前記試料に接触する前記磁気センサに磁界が印加されるように設けられていることを特徴とする磁気検出システム。

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