TWI269873B - Biosensor and method of measuring object to be measured - Google Patents

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1269873 (1) 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明系有關於測定磁性體粒子的量之感測 定方法，尤其是將磁性體粒子當作標識之生物感 定對象物測定方法。 【先前技術】 近年來，在臨床診斷•偵測或基因的解析中 測出抗原、抗體、DNA ( Deoxyribonucleic Acic (Ribonucleic Acid)等，會採用一利用了抗原 之抗體的結合等之特定分子彼此之特異結合的免 〇 屬於這類分析手法之一的固相結合分析中， 性體粒子的方法。先前之使用磁性體粒子的固相 式圖，示於圖1 5。 如圖所不’該分析係使用固相9 1、分子受； 磁性體粒子9 2和二次抗體9 3而爲之，進行測定 94的分析。 固相9 1，係具有和試料溶液接觸的固相面 相面上固定有分子受容體95。固相91可使用聚 、反應槽壁、基板等。 分子受容體95’係能將存在於試料溶液中 抗體、DNA、RNA等測定對象物質94予以選擇 在固相91上的物質。作爲分子受容體95，是使 器及其測 測器及測 ，爲了偵 )、RNA 與其相對 疫學手法 有使用磁 分析的模 ?體 95、 對象物質 ，在該固 苯乙烯珠 的抗原、 性地保持 用能和測 •4- 1269873 .. (2) 定對象物質94特異性結合的分子，可使用抗原、抗體、 DNA、RNA 等。 磁性體粒子92，係帶有磁性的粒子被當作標識物質 使用。亦即，藉由檢測該磁性體粒子92所形成的磁場， 就可特定出磁性體粒子92的量，或得知試料溶液中之測 定對象物質94的有無或濃度。除了磁性體粒子92以外的 標識’還可使用放射性物質、螢光體、化學發光體、酵素 等會發出可偵測訊號者。使用這些標識的檢查法有，利用 抗原-抗體反應的酵素免疫測定法（E IA法）、作爲免疫 測定的標識化合物而以化學發光性化合物進行標識之狹義 的化學發光法（CLIA)或化學發光酵素法（CLEIA)等之 化學發光法（CL法）等都是公知方法。 二次抗體93，是屬於和事先結合上磁性體粒子而成 之測定對象物質94能夠進行特異性結合的抗體。 圖1 5所示的分析中，首先，將含有測定對象物質9 4 的試料溶液，投入至事先固定有分子受容體95的固相9 i 。藉此，測定對象物質94會進行特異性結合。試料溶液 中所含之其他物質，不會和固相9 1結合，而浮游在試料 溶液。其次’將固定有二次抗體93的磁性體粒子92投入 試料溶液中。藉此，二次抗體9 3會和已經和固定於固相 9 1之分子受容體95發生特異性結合的測定對象物質94， 進行特異性結合。其次，偵測該磁性體粒子92的磁氣， 特定出已結合在固相面上的磁性體粒子92的量。藉此， /就可特定出結合在固相面上的測定對象物質94之濃度， -5- 1269873 ·, (3) 或是位置。該磁氣的偵測，是藉由配置成陣列狀之磁氣阻 抗元件進行偵測之方法，有後述之專利文獻1及專利文獻 2所揭露之方法。 又，利用這些標識的分析手法，除了在已經特異性結 合於上述分子受容體的測定對象物上，再令已附加標識之 其他分子特異性結合上去的「三明治測定法」以外，還有 一種讓測定對象物和已附加標識之其他分子競爭結合至分 子受容體的競爭測定法。 這類先前手法中，來自標識的發光等訊號，可藉由光 學偵測裝置等能夠偵測該訊號的裝置來檢測出。這些方法 中，必須要只能夠捕捉正在和已經固定於固相表面之結合 分子進行特異性結合之分子的標識所發出的訊號。可是在 此同時，在光學性偵測的情況，若存在有未結合之標識分 子，則來自其的訊號亦會被捕捉，無法進行正確的解析。 因此，必須要將未結合的標識分子完全的洗去。又，在光 學性偵測裝置中，必須要能偵測微弱的光訊號，因此偵測 裝置的小型化或低價格化是有困難。 另一方面，專利文獻1所揭露的這種將磁性體粒子當 作標識使用而藉由磁阻元件予以偵測的方法中，不需要洗 去未結合的標識分子。可是在此同時，將磁阻元件配置成 陣列狀的偵測晶片中，爲了要獨立地取出各個元件的訊號 ，必須要有切換電路。從陣列狀的各元件至切換電路，各 自需要電氣配線。因此，元件數量越增加配線越複雜且配 線佔用面積大增，因此會有難以小型化之問題。 -6- (4) 1269873 同樣地，偵測磁氣之上述專 是以由磁阻元件所構成的橋接電 體來構成磁性體粒子的偵測電路 阻元件必須要有磁性材料，因此 部份以一般的積體電路製程加工 及加工工程。 又，將電洞元件配置成陣列 般地偵測磁性體粒子的方法，已 可是在此同時，專利文獻3 粒子的電洞元件的輸出訊號，必 之電洞元件的輸出訊號當作基準 體粒子結合所致之電洞元件的輸 體粒子的尺寸小於電洞元件的尺 本發明的目的在於提供一種 爲小型且低價，偵測靈敏度更高 子測定方法。再者，提供一種適 ，在將磁性體粒子當作標識，藉 抗體、DNA、RNA等測定對象物 子的生物測定法中，更爲小型且 生物感測器及測定對象物測定方 〔專利文獻1〕美國專利第 〔專利文獻2〕國際公開第 〔專利文獻3〕國際公開第 利文獻2的偵測裝置中， 路和成爲切換電路的電晶 。可是在此同時，因爲磁 在含有電晶體的電路之一 後，還需要形成磁性薄膜 狀，如專利文獻1所揭露 揭露於專利文獻3。 中，相對於結合有磁性體 須要將未結合磁性體粒子 値使用。甚至，由於磁性 出訊號非常微小，若磁性 寸則偵測變爲困難。 測定磁性體粒子的量，更 的磁氣感測器及磁性體粒 用了該感測器及測定方法 由偵測磁場來分析抗原、 而不須洗去未結合標識分 低價，偵測靈敏度更高的 法。 5,981，297號說明書 97/45740號公報 03/67258號公報 (5) 1269873 【發明內容】 本發明之感測器，係屬於具備：將響應於所測知之磁 場強度的輸出値予以輸出之複數磁場探知元件呈X行Y 列（X及Y係自然數）之二次元配置而成的磁氣感測器； 根據前記輸出値來測定出存在於前記磁氣感測器上的磁性 體粒子的量之感測器，其特徵爲，具備：從前記複數磁阻 元件的輸出値得出輸出値分布，根據該輸出値分布，將前 記磁性體粒子的量予以特定之訊號處理手段。 磁氣感測器上未結合磁性體粒子的狀態下，向磁氣感 測器施加外部磁場時，雖然複數磁場探知元件的輸出値中 沒有參差（當各磁場探知元件的靈敏度都無參差的理想狀 態下），但是在磁氣感測器上結合有磁性體粒子的狀態下 ，因爲該磁已結合在磁氣感測器上的磁性體粒子導致向磁 氣感測器施加之磁場的局部紊亂而使複數磁場探知元件的 輸出値產生參差。由於該參差的程度是依存於結合之磁性 體粒子的量，因此根據其就可將結合之磁性體粒子予以定 量。 爲了評估該參差的程度，理想爲使用標準差、平均差 、分散等之散佈度。 又，所謂「磁場探知元件的輸出値」，係包含輸出値 ，或響應於獲得輸出値之磁場強度的値。 又，本發明之生物感測器，係於感測器中，其特徵爲 ’前記磁性體粒子，係和結合於前記磁氣感測器的測定對 象物，進行結合者；前記訊號處理手段，係將隔著前記測 -8 · (6) 1269873 定對象物而結合於前記磁氣感測器之磁性體粒子的量予以 特定；根據前記磁性體粒子的量來特定出前記測定對象物 的量。 其次特徵爲，前記磁性體粒子，係和結合於前記磁氣 感測器之測定對象物進行特異性結合者，將隔著前記測定 對象物而結合於前記磁氣感測器的磁性體粒子的量予以特 疋。 其次前記訊號處理手段，其特徵爲，根據「前記輸出 値分布的散佈度」和「從前記磁氣感測器上未結合磁性體 粒子之狀態下的前記複數磁場探知元件的輸出値所獲得之 基準分布的散佈度」這兩者的差異，來特定出前記已結合 之磁性體粒子的量。 如此，當各磁氣感測器的靈敏度有參差時，藉由求得 磁氣感測器上未結合磁性體粒子之狀態下的基準分布’將 其散佈度和輸出値分布的散佈度比較，就可進行正確的測 定。 其次，其特徵爲，具備：向結合有前記磁性體粒子的 前記磁氣感測器，施加各種強度之外部磁場的外部磁場施 加手段；前記各種強度的外部磁場中之一者’係強度爲令 前記已結合磁性體粒子之至少一部份的磁化呈飽和狀態之 範圍內的強磁場；另一者係強度爲令前記已結合磁性體粒 子之透磁率爲介於初透磁率至最大透磁率之間之範圍內的 弱磁場；前記訊號處理手段’係根據在前記強磁場施加時 的前記輸出値分布的散佈度和在前記弱磁場施加時的前記 -9- 1269873 ., (7) 輸出値分布的散佈度的差異，特定出前記已結合之磁性體 粒子的量。 此處，所謂「fe場探知兀件的輸出値」，係包含輸出 値，或根據施加強磁場及弱磁場時的各自輸出値，而響應 於各情況下所得之磁場強度的値。例如，後述之輸出變化 率等的値亦包含在內。 本發明之其他生物感測器，係屬於具備：將響應於所 測知之磁場強度的輸出値予以輸出之複數磁場探知元件呈 X行Y列（X及Y係自然數）之二次元配置而成的磁氣感 測器；根據前記輸出値來測定出已結合於前記磁氣感測器 上之磁性體粒子的量之生物感測器，其特徵爲，具備：向 結合有前記磁性體粒子的前記磁氣感測器，施加各種強度 之外部磁場的外部磁場施加手段；及針對前記各磁性體粒 子，藉由比較各種強度之外部磁場施加時的輸出値，已特 定出前記已結合之磁性體粒子的量的訊號處理手段；前記 各種強度的外部磁場中之一者，係強度爲令前記已結合磁 性體粒子之至少一部份的磁化呈飽和狀態之範圍內的強磁 場；另一者係強度爲令前記已結合磁性體粒子之透磁率爲 介於初透磁率至最大透磁率之間之範圍內的弱磁場。 其次，其特徵爲，前記強磁場，係強度爲在令前記已 結合磁性體粒子之至少一部份的磁化呈飽和狀態之範圍內 呈現變化的磁場；前記弱磁場’係強度爲在令前記已結合 磁性體粒子之透磁率爲介於初透磁率至最大透磁率之間之 範圍內呈現變化的磁場；前記訊號處理手段，係將對於外 -10- (8) 1269873 部磁場強度變動之前記磁場探知元件的輸出値變化’在包 含前記強磁場及前記弱磁場之各種強度之外部磁場施加的 情況下予以取得，根據這些輸出値變化的差分來特定出前 記已結合之磁性體粒子的量。 這是本發明人所發現到的，當施一介於初透磁率至最 大透磁率之間的外部磁場時，由於磁性體粒子的磁化是和 外部磁場的強度成正比而變大，因此相對於外部磁場之磁 束密度的變化率亦跟著變大，但是若外部磁場強度繼續變 得更大則由於磁性體粒子的磁化會逐漸飽和，因此磁束密 度的變化率反而會變小。 以下，使用圖1來說明。如圖1A所示，當磁束密度 B的外部磁場在磁性體粒子5 1不存在的狀態下進行施加 時，身爲磁場探知元件的電洞元件2所測出的磁束密度係 和外部磁場相同爲B。而在有磁性體粒子5 1結合的狀態 下，由於磁性體粒子5 1被外部磁場所磁化，因此電洞元 件2所測出的磁束密度會有變化。此處的外部磁場，是對 電洞元件2的感磁面呈垂直而施加。 相對於外部磁場強度之變動的磁束密度變化率，和已 結合之磁性體粒子的距離之間的關係示於圖1 B。圖1 B係 圖示了相對於磁束密度B之外部磁場之圖1 A的虛線a的 位置上的磁束密度變化率圖形，縱軸係表示磁束密度的變 化率，橫軸係表示圖1 A之電洞元件的配置對應位置。又 ，實線L 1係表示當施加了會使磁性體粒子5 1的透磁率介 於初透磁率至最大透磁率之間的弱的外部磁場（弱磁場） -11 - (9) 1269873 時的磁束密度的變化率’虛線L 2係表示當施加了會使磁 性體粒子的一部份或全部的磁化呈飽和狀態之強的外部磁 場（強磁場）時的磁束密度的變化率。 介於初透磁率至最大透磁率之間時，由於磁性體粒子 5 1的磁化係和外部磁場成正比’因此磁束密度的變化率 爲大；但弱外部磁場強度繼續變大則由於磁性體粒子51 的磁化成爲飽和因此磁束密度的變化率就變小了。 又，已結合之磁性體粒子5 1的正下方（電洞元件2 a 的配置位置）處，雖然因爲磁性體粒子5 1的磁化而磁束 密度增加，但距離磁性體粒子5 1正下方稍微遠的位置（ 電洞元件2b的配置位置）處，磁性體粒子5 1的磁化所致 之磁束密度則減少。 甚至，相較於弱的外部磁場施加時，當施加強的外部 磁場時，電洞元件2a、2b的配置位置上的磁束密度變化 率雖然有正負的差別，但絕對値是減少的。遠離磁性體粒 子5 1的位置（電洞元件2c的配置位置）上的磁束密度變 化率則不會依存於外部磁場的強弱。 因此，比較在會使磁性體粒子的透磁率介於初透磁率 至最大透磁率之間的弱的外部磁場下，和在會使磁性體粒 子的一部份或全部的磁化呈飽和狀態之強的外部磁場下的 磁束密度變化率，例如根據磁場探知元件的輸出而判定是 否有異，藉此就可判定該磁場探知元件的附近是否有磁性 體粒子正在結合。本發明中，做爲對於外部磁場強度變動 之磁束密度變化率的對應値，是採用對於外部磁場強度變 -12- (10) 1269873 動之磁場探知元件的輸出値的變化量（輸出變化率）。 此外，外部磁場無論是弱磁場、強磁場，皆可採用直 流磁場或是交流磁場。此時，一旦施加直流磁場使得磁性 體粒子的磁化呈完全飽和，則變化率會變成0，就可進行 更正確的測定。 圖2 A中，圖示了在弱磁場（交流磁場）中和在強磁 場（交流磁場+直流磁場）中的磁場探知元件亦即電洞元 件的輸出變化率的關係。縱軸係施加弱磁場時候的電洞元 件的輸出變化率，橫軸係施加強磁場時候的電洞元件的輸 出變化率。弱磁場和強磁場的交流磁場成份爲相同。 在電洞元件上沒有磁性體粒子，且沒有雜訊或靈敏度 參差的狀態下，弱磁場中和強磁場中的電洞元件的輸出變 化率爲相等而各自爲1。可是在此同時，以一般的CMOS 製程在同一感測器晶片上加工而成之複數電洞元件的靈敏 度，會因爲加工的參差，而非均等，是帶有參差的。因此 ，若將複數之電洞元件的輸出變化率予以作圖，則會以圖 2 A之斜率爲1的直線上朝箭頭γ 1方向分布。如此，即使 電洞元件間有靈敏度參差，也由於同一電洞元件上弱磁場 中的輸出和強磁場的輸出是相等的，因此只要進行兩者的 比較就可不必考慮靈敏度的校正。 其次，當電洞元件的正上方有磁性體粒子結合時，在 圖1中也說明過，在弱磁場下磁束會因磁性體粒子而收束 ，電洞元件的輸出變化率便增加。在強磁場下則由於磁性 體粒子的磁化呈飽和，因此磁束之交流成份的收束效果降 -13- (11) 1269873 低，電洞元件的輸出變化率則略同於弱磁場中而幾乎不增 加（在磁化完全飽和時輸出變化率不增加）。因此，會往 圖2A的箭頭Y2方向上分布。 當並非位於電洞元件的正上方，而是在稍微偏離的位 置處有磁性體粒子結合的時候，在圖1中也說明過，由於 磁束是被收束在磁性體粒子的正下方，因此反而減少。此 時會往圖2A的箭頭Y3方向上分布。 再者由於實際製作出來的電洞元件上含有雜訊，因此 會如圖2A的箭頭Y4般地朝全方向參差。 其次，實際圖示所有電洞元件皆未結合磁性體粒子時 (圖2 B )和感測器晶片表面上有結合磁性體粒子時（圖 2C )的各電洞元件的弱磁場（交流磁場）中和強磁場（交 流磁場+直流磁場）中的輸出變化率之測定例子。弱磁場 和強磁場的交流磁場成份爲相同。 在未結合磁性體粒子之狀態下如圖2B所示，確認到 其爲分布在斜率爲1之直線的周邊。 在有結合磁性體粒子之狀態下則由圖2C可知，強磁 場中和弱磁場中的輸出變化率越大則作圖的分散狀態會越 往縱軸方向擴散。 若根據此種構成，則藉由各種強度之外部磁場施加時 的磁場探知元件的輸出變化率是否會呈現不同的値，就可 判定是否有已結合之磁性體粒子，並可特定出已結合於磁 氣感測器上之磁性體粒子的量，因此即使各磁場探知元件 的靈敏度等有所參差，也能進行正確的測定。因此，可免 -14- (12) 1269873 除爲了補正各磁場探知元件的靈敏度參差等之測 是設置由未結合磁性體粒子之電洞元件所成之基 〇 其次，其特徵爲，藉由前記外部磁場施加手 前記弱磁場而獲得來自前記複數磁場探知元件的 之後藉由前記外部磁場施加手段施加前記強磁場 自前記複數磁場探知元件的輸出値。 藉此，則因未強磁場使得已經結合在磁氣感 的磁性體粒子的一部份發生脫離，而可取得更接 合磁性體粒子之狀態的訊號，而可進行更高精確 〇 其次，其特徵爲，前記外部磁場施加手段， 直流磁場，亦可施加交流磁場。 此處，所謂「直流磁場」，係方向和強度爲 場；所謂「交流磁場」，係方向和強度呈週期性 場，例如是令交流電流通過線圈所產生。 其次，其特徵爲，前記弱磁場，係強度爲令 合磁性體粒子之透磁率爲介於初透磁率至最大透 的交流磁場；前記強磁場，係在該交流磁場上加 場，其強度爲令前記已結合磁性體粒子之至少一 化呈飽和狀態的外部磁場。 其次，其特徵爲，前記訊號處理手段，係更 據前記磁場探知元件之輸出値內所含之對應於前 場之頻率以外之頻率成份來預測雜訊成份的雜訊 定操作或 準領域等 段先施加 輸出値， 而獲得來 測器表面 近於未結 度之測定 係可施加 一定之磁 變化之磁 前記已結 磁率之間 入直流磁 部份的磁 具備：根 記交流磁 預測手段 -15- (13) 1269873 ;及根據前記雜訊預測手段所預測到的雜訊成份，來將雜 訊成份從前記磁場探知元件之輸出値內所含之前記對應於 前記交流磁場之頻率成份中予以去除之雜訊成份去除手段 〇 其次，其特徵爲，在前記已結合於磁氣感測器之磁性 體粒子上，有其他的磁性體粒子，沿著前記外部磁場之磁 束形成方向而連結著。 如此，隔著測定對象物而結合於磁氣感測器並且被外 部磁場磁化的磁性體粒子上，和未隔著測定對象物而結合 於磁氣感測器但被外部磁場磁化的其他磁性體粒子，會因 爲他們的磁力彼此作用而再度結合，藉此可提高已結合在 磁氣感測器之磁性體粒子所致之磁束的收束效果，可增幅 磁場探知元件的訊號，因此可進行更高靈敏度的測定。 其次，其特徵爲，前記磁場探知元件，係將正比於可 探知磁場之探知空間內所形成之磁束的磁束密度的輸出値 ，予以輸出。 如此，藉由採用輸出値是正比於探知空間之磁束密度 的磁場探知元件，就可如上述般地提升在各種強度之外部 磁場下的磁束密度的測定精確度。 其次，其特徵爲，前記磁場探知元件，係含有電洞元 件。 如上述，藉由採用輸出値是正比於探知空間之磁束密 度的電洞元件，就可使測定精確度更佳。 其次’其特徵爲，更具備：在前記複數磁場探知元件 -16- (14) 1269873 之中選擇任意之元件，將其輸出値予以取出的選擇手段。 藉此，可獲得存在於磁氣感測器表面上之磁性體粒子 的二次元的存在位置資訊。 其次，其特徵爲，更具備：將前記選擇手段所選擇之 前記磁場探知元件的輸出値予以增幅之訊號增幅電路；前 記磁氣感測器和前記選擇手段和該訊號增幅電路，係形成 在1個晶片上。 藉此，可降低交流磁場所致之誘導起電力的影響。亦 即，在使用交流磁場當作外部磁場的時候，將訊號從感測 器取出的配線中會產生誘導起電力，增加訊號中的雜訊。 藉由具備訊號增幅電路，由於是將訊號以增幅後的狀態而 取出，因此即使被加入了外部磁場所致之誘導起電力，也 能夠降低其影響。 再者，除了可將磁氣感測器小型化，還可因應試料溶 液而拆換磁氣感測器來使用。 其次，其特徵爲，前記電洞元件，係具有：一對之電 流端子；及控制流過前記一對電流端子間之電流的閘極電 極；及以略垂直於流過前記一對電流端子間之電流的方向 來讓電流流過的方式而配置之一對輸出端子。 其次，其特徵爲，前記閘極電極，係和被配置在同一 列上的前記電洞元件，被共通的閘極電極線所連接；前記 一對之電流端子，係和被配置在同一行上的前記電洞元件 ，被共通的一對之電流端子線所連接；前記一對之輸出端 子，係和被配置在同一行上的前記電洞元件，被共通的一 -17- (15) 1269873 對之輸出端子線所連接；前記選擇手段，係藉由在γ個 閘極電極線中選出一個、在X對電流端子線中選出一對 、在X對輸出端子線中選出一對的方式，來從複數之電 洞元件中選擇出任意元件，將其輸出値予以取出。 如此，藉由將每一列、每一行的配線共通化，除了可 使位於任意位置之電洞元件的選擇更爲簡便，還可減少配 線數。藉此，因應測定對象物之磁氣感測器的作成變爲容 易，且可使磁氣感測器小型化。 其次，其特徵爲，前記磁場探知元件所致之能夠探知 磁場的各探知空間，係對該前記磁氣感測器表面所形成之 磁束呈垂直的截面的面積，爲大略同等於前記磁性體粒子 的最大截面積。 藉此，已結合於磁氣感測器且被磁場探知元件探知的 磁性體粒子的個數會限制在1個左右，可抑制因探知複數 的磁性體粒子所致之測定値參差，提升分析的精確度。 此外，由於可能存在於探知空間的和磁氣感測器結合 之磁性體粒子的數目受到限制，因此，例如亦可爲探知空 間是沿著磁束形成方向呈長形，令受到結合於磁氣感測器 上的磁性體粒子吸引而沿著磁束形成方向連結成一列的其 他磁性體粒子，可被磁場探知元件予以檢知。此種情況下 ’由於其他磁性體粒子可提高已結合於磁氣感測器之磁性 體粒子的檢知靈敏度，因而較爲理想。 其次，其特徵爲，前記各磁場探知元件，是隔著一能 夠探知彼此互異之磁性體粒子的間隔而配置。 -18- (16) 1269873 藉此，可抑制相鄰兩磁場探知元件彼此間偵測到同一 磁性體粒子等之干擾。 其次，其特徵爲，前記磁氣感測器表面上，實施有用 以使和前記磁性體粒子結合之分子受容體能夠固定的表面 處理。 其次，其特徵爲，前記磁氣感測器表面上，實施有用 以使和前記磁性體粒子結合之分子受容體能夠在特定領域 內選擇性地固定的表面處理。 藉此，可調節於檢知空間內的磁性體粒子的結合量等 〇 其次，其特徵爲，能夠探知磁場的探知空間內的前記 磁氣感測器表面上，形成有尺寸是對應於磁性體粒子之尺 寸的凹部；和磁性體粒子結合的分子受容體，係只在該凹 部內具備。 藉由在檢知空間內的磁氣感測器表面上設置凹部，可 使只有磁氣感測器表面的特定部份能和分子受容體結合。 藉此，可調節於檢知空間內的磁性體粒子的結合量等。 其次，其特徵爲，將一產生出迫使未結合於前記磁氣 感測器表面之磁性體粒子從該磁氣感測器表面遠離之磁場 的第1磁場發生手段，設置在前記磁氣感測器表面的對向 位置。 藉由迫使磁性體粒子遠離磁氣感測器表面，可防止未 結合之磁性體粒子所致之檢知結果的干擾。又，藉由迫使 未結合之磁性體粒子遠離磁氣感測器表面，可在測定時免 -19- (17) 1269873 除洗去浮游磁性體粒子等之操作。 其次，其特徵爲，更具備：產生出迫使磁性體粒子接 近該磁氣感測器表面之磁場的第2磁場發生手段。 藉此，可加速磁性體粒子往磁氣感測器表面的結合， 縮短測定時間。 其次，其特徵爲，更具備：產生出迫使磁性體粒子接 近該磁氣感測器表面之磁場的第2磁場發生手段；及以產 生出迫使前記未結合於磁氣感測器表面的磁性體粒子進行 攪拌的磁場的方式，來促使前記第1磁場發生手段和第2 磁場發生手段交互動作的磁場裝置控制手段。 藉此，由於磁性體粒子受到攪拌，因此可加速磁性體 粒子往磁氣感測器表面的結合，縮短測定時間。 其次，本發明的其他生物感測器，係屬於具備：由響 應於所測知之磁場強度的輸出値予以輸出之複數磁場探知 元件所配置而成的磁氣感測器；及根據從前記複數之磁場 探知元件所取得之各輸出値來特定出結合於前記磁氣感測 器上的磁性體粒子的量之訊號處理手段，之生物感測器， 其特徵爲，前記訊號處理手段，係將前記磁性體粒子導入 前記磁氣感測器後且將未結合狀態之前記磁性體粒子從前 記磁氣感測器上予以去除之前，根據從前記複數磁場探知 元件所取得到的輸出値，判定前記磁性體粒子的分散狀態 〇 將未結合之磁性體粒子以磁場拉離前，藉由以弱磁場 進行測定，就可不拘於結合·未結合而測定出存在於磁氣 •20- (18) 1269873 感測器表面的磁性體粒子的量。藉此可確認磁性體粒子是 已經分散於磁氣感測器表面。 本發明之測定對象物測定方法，係屬於使用了本發明 之生物感測器的測定對象物測定方法，其特徵爲，前記磁 性體粒子，係和結合於前記磁氣感測器之測定對象物進行 特異性結合者，並含有以下步驟：將隔著前記測定對象物 而結合於前記磁氣感測器之磁性體粒子的量，使用前記生 物感測器予以特定之步驟；及根據前記磁性體粒子的量來 特定出前記測定對象物的量之步驟。 本發明之其他測定對象物測定方法，係屬於使用了本 發明之生物感測器的測定對象物測定方法，其特徵爲，前 記磁性體粒子，係和結合於前記磁氣感測器之測定對象物 能夠進行可逆置換者，並含有以下步驟：將和前記測定對 象物發生置換而結合於前記磁氣感測器之磁性體粒子的量 ，使用前記生物感測器予以特定之步驟；及根據前記磁性 體粒子的量來特定出前記測定對象物的量之步驟。 【實施方式】 以下將參照凸面說明本發明之實施形態的生物感測器 〇 此外，在實施形態中，雖然針對將磁性體粒子當作標 識的生物感測器，但並非侷限於生物感測器’亦可適用於 測定磁性體粒子之量的磁氣感測器。 (19) 1269873 〔第1實施形態〕 (關於生物感測器的整體構成） 圖3係圖示本實施形態所論之生物感測器的整體構成 。生物感測器，係具備：用來將試料溶液投入以進行測定 的感測器晶片1、備有向感測器晶片1施加磁場之磁場發 生裝置之和感測器晶片1進行訊號交換的測試裝置本體。 感測器晶片1內，搭載著：電涧元件陣列9、陣列選 擇電路7 1、增幅電路8 1。測定裝置本體內，則搭載著： 備有電磁石85與電磁石電源86與電磁石85所致之磁場 監控用磁氣感測器8 7磁場發生裝置、控制感測器晶片1 的感測器晶片控制電路、處理來自電洞元件之輸出訊號的 訊號處理電路（訊號處理手段）、以及其他的控制電路 8 2 (例如，用來控制磁場發生裝置的電磁石控制電路（磁 場裝置控制手段））。感測器晶片1，係每進行一次測定 就換新。 (關於感測器晶片的構成） 圖4係感測器晶片的部份槪略圖。 感測器晶片 1 ’係以公知技術的 CMOS ( complementary mental-oxide semiconductor device )製程 而被形成在矽基板11上。感測器晶片1上，以一定間隔 形成凹部1 3。該凹部1 3的下方，形成有電洞元件（磁場 探知元件），每個電洞元件的輸入及輸出係透過閛極電極 30及金屬配線4而進行。最表面係藉由CVD ( chemical -22- (20) 1269873 vapor deposition )而覆蓋著氮化矽膜或氧化矽膜。 在以CMOS製程於矽基板1 1上形成電洞元件、陣列 選擇電路7 1及增幅電路8 1後，在感測器晶片1上，將表 面以矽烷耦合劑等處理之，而能固定用來讓磁性體粒子結 合於感測器晶片1表面所需之分子受容體（抗原、抗體、 DNA、RNA 等）。 電洞元件的表面積，係和磁性體粒子5 1的最大截面 積等同。藉此，可限制被電洞元件2檢知之磁場中存在的 磁性體粒子5 1的個數只在1個左右。因此，當藉由以1 個電洞元件2偵測有無1個磁性體粒子5 1存在而進行測 定的時候，可防止2個以上的磁性體粒子5 1被1個電洞 元件偵測到，而可進行正確的測定。只不過，本發明並非 將測定方法，侷限於以1個電洞元件探知有無1個磁性體 粒子之存在。亦即，亦可將電洞元件2的表面積，設計成 相等於複數個磁性體粒子份的最大截面積，而藉由1個電 洞元件來探知複數磁性體粒子之存在。 又，電洞元件的配置、凹部1 3的配置間隔等並無特 別限定。如圖1所示的偵測原理，磁性體粒子並非只是如 電洞元件2a般位於正上方，而是在電洞元件2b般位於磁 性體粒子附近的磁束密度減少的領域上亦會使磁束密度的 變化率改變，因此亦可設計成在感測器晶片1全體表面固 定分子受容體6 1，而檢知磁性體粒子附近處的磁束密度 變化。又，圖1 B中，由於磁性體粒子5 1正下方的磁束密 度增加領域的變化率是大於周邊之磁束密度減少領域的變 -23- (21) 1269873 化率’因此亦可以只在電洞元件的正方上結合磁性體粒子 的方式將分子受容體只選擇性地固定在電洞元件的正上方 。甚至，亦可以不受到相鄰電洞元件上結合之磁性體粒子 的#響的方式’例如以圖1 A之電洞元件2 a和2 c之程度 ，分離配置電洞元件。 (關於電洞元件的構造） 其次說明電洞元件的構造。 該電洞元件2的上面圖示於圖5 A，點虛線a的剖面 圖示於圖5 B，點虛線b的剖面圖示於圖5 C。該電洞元件 2係含有閘極電極30、源極電極31、汲極電極32、輸出 電極3 3、3 4，以及絕緣層3 5而構成，是被形成在P阱領 域36上。除了輸出電極外是其餘是和n型MOSFET相同 之構成，圖中是將往各電極的金屬配線予以省略。輸出電 極3 3、3 4，係以垂直於「略垂直於感測器晶片表面而形 成之磁束」和「源極-汲極間流過的電流」而通過電流的 方式來構成。 說明該電洞元件2的動作。向閘極電極3 0、源極電 極3 1、汲極電極32施加偏壓，設定成相同於MOSFET的 動作狀態。此時的動作狀態理想爲位於線性領域中。當該 狀態下不存在外部施加磁束時，2個輸出電極3 3、3 4係 爲同電位。一旦從外部施加一對電洞元件面垂直的磁束， 則正比於磁束密度的電壓會在輸出電極3 3和3 4間以差動 電壓的方式呈現。 -24- (22) 1269873 (關於電洞元件的陣列狀配置，以及各電洞元件 法） 其次，說明感測器晶片上的電洞元件配置及 洞元件而取出其輸出的方法。圖6係圖示電洞元 〇 各電洞元件（E ( 0,0 ) 、E ( 051 )、…）的 、汲極電極及一對之輸出電極係透過開關（R0 )而連接至 VL、VH、0UT1、0UT2，在同一行 接。又，閘極電極亦和同一列之共通閘極電極線 、…連接。圖6中列方向以X表示，行方向以 VL、VH係往電洞元件供給偏壓的配線，OUT 1、 將來自電洞元件的輸出送往增幅電路的配線。 說明當選擇電洞元件E ( 0，0 )時的情形。 關R0爲ON、開關Rl、R2…爲OFF。又，僅將 線C設定成使電洞元件呈動作狀態的電壓；閘 C 1、C2…則設定成電洞元件不動作之電壓，亦 即使上源極電極、汲極電極施加偏壓，源極-汲 會有電流通過之狀態。 此時，電洞元件E ( 0,0 )及位於同一行的 的源極電極、汲極電極上雖然施加了 V l、VH， 會在電洞元件E ( 0，0 )上流過。電洞元件E ( < 出電極上會呈現出響應磁束密度的電壓。排在同 他電洞元件的輸出電極，則由於呈非動作狀 的選擇方 選擇各電 件的配置 源極電極 、R1、… 上共通連 ：C0 > C1 Y表示。 0UT2 係 令只有開 閘極電極 極電極線 即設定成 極間仍不 電洞元件 但電流只 Μ )的輸 一列之其 豫，因此 -25- (23) 1269873 0UT1、0UT2上是直接爲電洞元件E(0,0)的輸出電壓 來輸出。該構成中即使陣列的數目增加，陣列內的配線數 係相同而只需補足端部的開關’因此感測器晶片的面積幾 乎是正比於陣列的數目，可容易地構成電洞元件數多的感 測器晶片。 (關於電磁石的構成） 圖7係圖示電磁石的配置。本實施形態中的電磁石 8 5，是具備：設置在感測器晶片1表面之對向位置的上部 線圈24、及設置在感測器晶片1背側的下部線圈25。 上部線圈24，係屬於外部磁場施加手段，會形成對 感測器晶片1垂直之磁場。該磁場，係被電洞元件所探知 ，本實施形態中，是在感測器晶片表面上，形成會使磁性 體粒子的透磁率介於初透磁率至最大透磁率之間的這種磁 場強度之範圍的弱磁場，和會使已結合之磁性體粒子之至 少一部份的磁化呈飽和狀態的這種磁場強度之範圍的強磁 場。又，本實施形態中，係令該弱磁場爲交流磁場，並藉 由在該交流磁場上附加強的直流磁場來形成強磁場。 又，上部線圈24，係發揮使磁性體粒子遠離感測器 晶片1表面之磁場發生手段也就是第1磁場發生手段之機 能，在磁性體粒子導入感測器晶片1的狀態下通電，產生 出距離感測器晶片1的表面越遠磁束密度越增加的這種磁 場。藉由利用該上部線圈24的作用，未和感測器晶片1 表面結合而浮游的磁性體粒子會從感測器晶片1表面遠離 -26- (24) 1269873 ’因此未結合之磁性體粒子就不會影響到要被電洞元件偵 測之磁束。 此外，亦可取代線圈，改用例如永久磁石。 下部線圈25，係具有使磁性體粒子靠近感測器晶片1 表面之磁場發生手段也就是第2磁場發生手段之機能，並 非用來探知磁性體粒子的磁場，而是在磁性體粒子導入感 測器晶片1時形成越靠近感測器晶片1表面磁束密度越增 加之磁場。藉由該下部線圈2 5的作用，磁性體粒子會被 拉近感測器晶片1表面，可縮短磁性體粒子從導入起至結 合於感測器晶片1表面爲止的時間。尤其是粒子徑在1 // m以下的磁性粒子，由於在重力下很難沈降，因此更爲有 效。 此外，亦可取代線圈，改用永久磁石。 再者，藉由磁場控制手段使得上部線圈2 4和下部線 圈2 5交互動作，使磁性體粒子上下運動，可促進測定對 象物和磁性體粒子的結合。 圖8係導入磁性體粒子之狀態下藉由上部線圈24形 成磁場時的感測器晶片1表面之樣子。藉由上部線圈24 的磁場，未結合於感測器晶片1表面的浮游磁性體粒子雖 然會往上方拉近，但存在於感測器晶片1表面附近的一部 份的浮游磁性體粒子及結合在感測器晶片1表面的磁性體 粒子，係藉由線圈所致之磁場而被磁化而彼此拉攏。圖 8 A所示係未施加磁場之狀態下由於磁性體粒子5 1未被磁 化’因此一部份隔著測定對象物2 2而結合於感測器晶片 -27- (25) 1269873 1表面，一部份則已未和感測器晶片1表面結合之狀態而 存在於表面，一部份則浮游。若對其施加外部磁場則磁性 體粒子5 1被磁化，藉由該磁化而如圖8 B所示會彼此拉攏 。然後，結合於感測器晶片1表面的磁性體粒子5 1上， 會有其他磁性體粒子5 1，沿著外部磁場之磁束形成方向 而呈一列狀連結之狀態。該狀態係叫磁性體粒子5 1單獨 存在時，更使電洞元件2 a的磁束密度變化增大。藉此， 磁性體粒子5 1的磁化容易飽和，可進行更高靈敏度的測 定。 (關於生物感測器的動作） 其次，說明圖9的流程圖所示之本發明之生物感測器 的整體電路動作。 步驟S 1 0 1中，在磁性體粒子5 1導入感測器晶片1上 的狀態下，令電流通過下部線圈2 5使磁場發生，將磁性 體粒子5 1拉近至感測器晶片表面。此時，通過下部線圈 2 5的電流可爲直流或是交流。又，通過下部線圈2 5的電 流係藉由監控用磁氣感測器87測定出下部線圈25所產生 的磁場強度，以使其吻合於預先設定之磁場強度的方式控 制通過線圈的電流。 步驟S102中，將下部線圈25的磁場設成OFF。 步驟S103中，令電流通過上部線圈24而產生場’ 使磁性體粒子5 1遠離感測器晶片1表面。此時’通過上 部線圈24的電流可爲直流或是交流。又，藉由監控用磁 •28- (26) 1269873 氣感測器87測定出上部線圈24所產生的磁場強度，以使 其吻合於預先設定之磁場強度的方式控制通過上部線圈 2 4的電流。 步驟S104中，將上部線圈24的磁場設成OFF。 步驟S105中，直到預先設定之磁性體粒子51至感測 器晶片1表面結合完成的時間或次數爲止，再度進行步驟 S 1 〇 1或進入步驟S 1 0 5，而重複步驟S 1 0 1〜S 1 0 4使磁性 體粒子5 1在試料溶液中攪拌。 步驟S106中，在上部線圈24中通電使磁場發生，令 未結合至感測器晶片1表面的磁性體粒子5 1遠離感測器 晶片1表面，使感測器晶片1只會偵測出已經結合的磁性 體粒子5 1。 步驟S107中，待機，直到預先設定之、未結合之磁 性體粒子5 1從感測器晶片1表面除去完成的時間爲止。 未結合之磁性體粒子的去除完畢後，於步驟S108中 ，藉由上部線圈24發生強磁場而取得電洞元件的輸出訊 號。其次於步驟S 1 09中，藉由下部線圈25發生弱磁場而 取得電洞元件的輸出訊號。具體而言，從位於測定裝置本 體的控制電路82，將用來選擇特定電洞元件的位址訊號 ，送至位於感測器晶片1內的陣列選擇電路7 1。陣列選 擇電路7 1係根據該位址訊號，如上述，選擇出所指定的 電洞元件。來自該電洞元件的輸出訊號，係被感測器晶片 上的增幅電路8 1予以增幅。增幅過的輸出訊號係保存在 記憶體83內。 -29- (27) 1269873 步驟S 1 1 0中，如上述，會判斷來自應當取得輸出訊 號的所有電洞元件的訊號是否都已取得’若未取得則再度 進入1 0 8。藉此，取得所有電洞元件的輸出訊號。 步驟SI 1 1中，將上部線圈24設成OFF。 步驟S1 12中，將步驟S108及步驟S109中取得之強 磁場及弱磁場下之各電洞元件的輸出値’從記憶體8 3取 出。然後，於控制電路82內，比較電洞元件的輸出値， 特定出已結合之磁性體粒子數。 (關於磁性體粒子數的特定） 其次，說明上述電洞元件的輸出値取得後的控制電路 82所致之輸出値比較及磁性體粒子數的特定動作。 針對任意1個電洞元件的輸出値，分別計算出於強磁 場時和弱磁場時，對於上部線圈24的交流磁場成份之微 小變化的該當電洞元件的輸出變化率，並判定各輸出變化 率是否有異。亦即，如上述，當電洞元件的正上方或附近 沒有磁性體粒子5 1結合時，該當電洞元件的輸出變化率 係強磁場下和弱磁場下都相同；但當電洞元件的正上方或 附近有磁性體粒子5 1結合時，相對於上部線圈的磁場強 度的該當電洞元件的輸出値的比，在強磁場時和弱磁場時 會有所不同。因此，當判定輸出變化率爲相同時，則判定 正上方或附近未結合磁性體粒子5 1 ;而輸出變化率不同 時’則判定正上方或附近有結合磁性體粒子5 1。此外， 響應著輸出變化率的差分大小或輸出變化率的符號，亦可 -30- (28) 1269873 判定結合是在正上方還是附近等。 該判定動作，係針對所有電洞元件而反覆進行，根據 其而特定出已結合之磁性體粒子的數量。 (使用了生物感測器之測定對象物測定方法） 藉由使用上述這種生物感測器，測定已結合於感測器 晶片之磁性體粒子數，就可測定試料溶液中的測定對象物 的濃度等。 圖1的例中，感測器晶片1的表面上固定有做爲和測 定對象物6 2做特異性結合之分子受容體6 1的抗體。又， 磁性體粒子5 1係在其表面上具備二次抗體6 3，該二次抗 體6 3係會和測定對象物6 2做特異性結合。因此，感測器 晶片1表面隔著分子受容體6 1而結合之測定對象物22上 ，會有磁性體粒子5 1做特異性結合。因此，藉由測定隔 著測定對象物22或分子受容體6 1等而結合於感測器晶片 1的磁性體粒子的量，就可根據其來特定出測定對象物6 2 的量。 使用了生物感測器之測定對象物測定方法並非侷限於 此種方法，例如，亦可使使用和測定對象物競爭結合於感 測器晶片1表面的分子當作磁性體粒子。此時，取代測定 對象物而改爲用生物感測器特定出磁性體粒子的量，可根 據該磁性體粒子的量而特定出競爭之測定對象物的量。 〔第2實施形態〕 -31 - (29) 1269873 其次，說明第2實施形態。 第2實施形態的生物感測器，雖然是和第1實施形態 的生物感測器幾乎同樣的構成，但在取得來自電洞元件的 輸出値後的訊號處理電路8 2所致之輸出値的比較及磁性 體粒子數的特定動作是不同的。以下說明之。 本實施形態中，首先根據弱磁場施加時的所有電洞元 件的輸出値，算出弱磁場下的輸出値分布的散佈度。其次 ，根據強磁場施加時的所有電洞元件的輸出値，算出強磁 場下的輸出値分布的散佈度。然後，求出該些弱磁場下的 輸出値分布的散佈度和強磁場下的輸出値分布的散佈度的 差分，根據其來特定結合在感測器晶片上的磁性體粒子的 量。 亦即，藉由結合在感測器晶片上的磁性體粒子，將複 數磁場探知元件的輸出値中所生的參差換算成散佈度，根 據該參差的程度來定量磁性體粒子。 又，如上述，圖1B中，相對於線圈所致之磁場的電 洞元件處的磁束密度變化率，在磁性體粒子5 1的正下方 則爲正，在稍微偏離正下方處則爲負。附近沒有磁性體粒 子5 1的電洞元件處則磁束密度變化率爲零。無論變化率 爲正爲負，磁性體粒子5 1的透磁率在介於初透磁率至最 大透磁率之間時的變化量，會大於磁性體粒子5 1的磁化 是部份或完全飽和時的變化量。因此，磁性體粒子5 1爲 介於初透磁率至最大透磁率之間的弱磁場時和磁性體粒子 的磁化爲一部份或全部飽和之強磁場時，各磁場下的所有 -32- (30) 1269873 電洞元件的輸出値的散佈度的差分，是和已結合於感測器 晶片之磁性體粒子的量呈正比。 又，在所有的電洞元件的靈敏度均相等的理想狀態下 ，弱磁場領域中，沒有磁性體粒子結合之狀態下所有的電 洞元件的輸出値的偏差係爲零’而在一部份的電洞元件上 有磁性體粒子5 1結合的狀態下，結合有磁性體粒子5 1之 電洞元件的輸出値會發生變化因而成爲依存於結合量的散 佈度。因此，可藉此求出磁性體粒子5 1的結合量。可是 在此同時，實際上因爲感測器晶片1的製造參差等，導致 感測器晶片1上的電洞元件的靈敏度會有參差，因此即使 在未結合磁性體粒子5 1的情況下偏差亦非爲零。可是’ 強磁場下的輸出値分布及弱磁場下之輸出分布其各自的分 散度均相等而其差分會成爲零。一部份的電洞元件上結合 有磁性體粒子的時候，即使隨著電洞元件上的結合場所不 同而變化率又會有正負差異，也會較磁性體粒子5 1未結 合時來的大。甚至，由於變化率的變化量係弱磁場時大於 強磁場時，因此當有磁性體粒子5 1結合的時候’散佈度 亦是弱磁場時大於強磁場時。因此，在磁性體粒子5 1結 合的狀態下，磁性體粒子5 1的透磁率會介於初透磁率至 最大透磁率之間的這種弱磁場時，和磁性體粒子 5 1的磁 化是一部份或完全飽和的強磁場時’各種磁場下的所有電 洞元件的輸出値的散佈度中會產生差分。 若實際觀察測定例，則可確認到，在沒有磁性體粒子 結合的狀態下如圖2B所示，是分布在斜率爲1之直線的 •33- (31) 1269873 周邊，且弱磁場中的散佈度和強磁場中的散佈度幾乎相等 〇 有磁性體粒子結合之狀態則如圖2C所示可知，在強 磁場中和弱磁場的輸出變化率的値越大者作圖的分散狀態 會越往縱軸方向擴散。亦即弱磁場中的散佈度會大於強磁 場中的散佈度，藉由求其差分就可偵測磁性體粒子是正在 結合。 〔第3實施形態〕 其次說明第3實施形態。第3實施形態的生物感測器 ，雖然是和第1實施形態的生物感測器幾乎同樣的構成， 但訊號處理電路82的構成有若干不同。以下說明之。 本實施形態中，訊號處理電路82，更具備：根據電 洞元件之輸出値，對應於交流磁場之頻率以外之頻率成份 ，來預測雜訊成份的雜訊成份預測部；及根據所預測到的 雜訊成份，來將雜訊成份從電洞元件之輸出値內所含之對 應於交流磁場之頻率成份中予以去除之雜訊成份去除部。 雜訊成份預測部，係具備AD轉換器及高速傅利葉轉 換器而構成，將電洞元件的輸出値進行傅利葉轉換，根據 電洞元件的輸出値，對應於交流磁場之頻率以外之頻譜的 輸出位準的傾向，算出對應於交流磁場之頻率成份中所預 測之雜訊位準。 將電洞元件的輸出値進行傅利葉轉換而得之頻譜示於 圖1 0。向感測器晶片1施加之外部磁場及磁性體粒子51 -34- (32) 1269873 所致之感測器晶片1表面上的磁束密度的交流磁場，係由 外部磁場的交流磁場的頻率及該高調波所對應之頻率成份 所構成。由於感測器輸出訊號中含有雜訊，因此若經過傅 利葉轉換則成爲同圖所示般地橫跨全頻帶的頻譜。訊號成 份係如圖示會在特定的頻率上呈現。雜訊成份主要是不依 存於頻率的熱雜訊和頻率的倒數呈正比的閃燦雜訊（ flicker noise)。由於這些雜訊成份係對頻率成連續性變 化，因此可根據出現訊號成份之頻率的附近的頻譜來估計 在出現訊號成份之頻率上的雜訊位準。因此，藉由從出現 訊號成份之頻率上的感測器輸出位準中減去該雜訊位準， 就可獲得真正的訊號成份。 雜訊成份去除部，係根據雜訊成份預測部所算出之雜 訊位準，算出已去除雜訊位之真正訊號成份相對於交流磁 場所對應之頻率成份整體的比例，從電洞元件的輸出値中 抽出交流磁場所對應之頻率成份之際，取出響應於該比例 的輸出，藉此獲得真正的訊號成份。 藉此，亦可降低圖2A所示全方向的參差雜訊’使測 定的精確度更佳。 〔第4實施形態〕 其次，說明本發明之第4實施形態。 第4實施形態的生物感測器，雖然和第1實施形態的 生物感測器構成幾乎相同，但測定時的動作不同。以下說 明之。 -35- (33) 1269873 本實施形態中的生物感測器的動作示於圖1 1的流程 圖。和第1實施形態的相同點則省略說明。 步驟S20 1中，在磁性體粒子5 1導入感測器晶片1上 的狀態下，等待一預先設定的時間直到磁性體粒子51往 感測器晶片1表面的結合完畢。此處，亦可相同於第1實 施形態的步驟S1 01〜S1 05，藉由上部線圈24及下部線圈 25的交互動作，使試料溶液攪拌，促進磁性體粒子5 1往 感測器晶片1表面之結合。 步驟S202中，令上部線圈24產生弱磁場，於S203 中取得電洞元件的輸出訊號，保存於記憶體8 3。重複進 行此步驟直到取得來自事先設定之數目的電洞元件的輸出 訊號爲止（步驟S204 )。 步驟S205中，令上部線圈24產生預先設定的磁場， 等待一預先設定的時間直到未結合之磁性體粒子5 1從感 測器晶片1表面的去除完畢。 步驟S 2 0 6中，令上部線圈2 4產生弱磁場，於S 2 0 3 中取得電洞元件的輸出訊號，保存於記憶體8 3。步驟 S 2 0 7中，判斷是否來自應取得輸出訊號的所有電洞元件 的訊號都已取得，若未取得時（No )則再次進入S2 06。 藉此，取得所有電洞元件的輸出訊號。 步驟S208中，令上部線圈24產生強磁場，取得電洞 元件的輸出訊號，保存於記憶體83。步驟S209中，判斷 是否來自應取得輸出訊號的所有電洞元件的訊號都已取得 ，若未取得時（No )則再次進入S 2 0 8。藉此，取得所有 (34) 1269873 電洞元件的輸出訊號。當已取得時則將上部線圈24設成 OFF (步驟 S210)。 步驟S21 1中，將步驟S203及步驟S208所取得之各 電洞元件的輸出値從記憶體8 3取出。然後，於訊號處理 電路82中，比較電洞元件的輸出値。然後，再將未結合 之磁性體粒子從感測器晶片1去除前，無關於結合、未結 合而先特定出已經存在於感測器晶片1表面的磁性體粒子 數。藉此，可確認是否在磁性體粒子已經均等擴散的狀態 下進行測定。 步驟S2 12中，將步驟S206及步驟S20 8中所取得的 各電洞元件的輸出値從記憶體8 3取出。然後，於訊號處 理電路8 2中，比較電洞元件的輸出値，特定出已結合之 磁性體粒子數。 步驟S2 1 1及步驟S2 1 2中的磁性體粒子數之特定方法 ，係可採用第1實施形態及第2實施形態所示之任一種特 定方法。 如此，藉由在以弱磁場進行測定後，再以強磁場進行 測定，使得結合在磁氣感測器表面的磁性體粒子的一部份 受到強磁場而脫離，可取得更接近於磁性體粒子未結合狀 態的訊號，可進行更高精確度的測定。 根據實施例說明上述本發明。 〔實施例1〕 將圖5所示之形狀的電洞元件配置成陣列狀，再於同 -37- (35) 1269873 一矽基板上製作陣列選擇電路、增幅電路。該電洞元件的 源極電極3 1 -汲極電極3 2間的距離爲約6 · 4 // m ’感受面 、亦即從閘極電極3 0下所形成之通道起至絕緣層1 2表面 爲止的距離爲約2.8 // m。呈陣列狀配置的電洞元件的配 置間距爲1 2.8 // m。陣列選擇電路所選擇之電洞元件的源 極電極-汲極電極間的電壓爲約4 V，源極電極-閘極電極 間的電壓爲約5 V。 測定時，藉由線圈而在弱磁場時施加實效値5 0高斯 的交流磁場，在強磁場時則施加實效値5 0高斯的交流磁 場加上2 0 0高斯的直流磁場。 感測器晶片上令直徑4.5 // m的Dynal公司製磁性體 粒子（商品名：DYNABEADS )結合。該測定結果爲圖12 ，爲各電洞元件之輸出的交流磁場的變化量相對於線圈所 施加之交流磁場之微小變化的比。測定雖然是針對感測器 晶片上的1 2 8個電洞元件進行，但圖中只表示其一部份的 電洞元件。未結合磁性體粒子的電洞元件的相對於線圈所 致之磁場的輸出，雖然在無論在強磁場時或弱磁場時都幾 乎沒有變化，但有磁性體粒子結合的1 3號和1 5號的電洞 元件的輸出，弱磁場時是大於強磁場時。 強磁場時若磁性體粒子的磁化完全飽和，則應該會變 成相同於沒有磁性體粒子結合的感測器輸出的位準，但是 由於尙未完全飽和，因此即使在強磁場中還是可看到變化 。可是在此同時，磁性體粒子未結合的時候，強磁場和弱 磁場的差明顯可見，可偵測出結合在表面的磁性體粒子（ -38 - (36) 1269873 第1實施形態所示之磁性體粒子數的特定方法）。 圖1 2中由於使用和電洞元件同程度之大小的磁性體 粒子，因此以結合之磁性體粒子可明確地測出。又，全部 128個電洞元件的個別強磁場和弱磁場之平均偏差爲 0 · 5 6 %和1 · 4 8 %，可根據該差分來判別磁性體粒子之有無 (第2實施形態所示之磁性體粒子數的特定方法）。 〔實施例2〕 和實施例1同樣的在感測器晶片上未結合磁性體粒子 之狀態下測定之結果示於圖13A，令直徑1 # m之Dynal 公司製磁性體粒子結合之狀態下測定的結果示於圖1 3 B。 縱軸係表示各電洞元件的輸出之交流成份的變化量相對於 線圈所施加之交流磁場成份的微小變化之比。測定雖然是 針對感測器晶片上的1 2 8個電洞元件--進行，但圖中只 表示其一部份的電洞元件。此時，由於磁性體粒子相對於 電洞元件尺寸爲較小，因此1個電洞元件可能複數磁性體 粒子結合。可是，體積越小，在受到線圈所施加之磁場時 的磁化亦越小，因此電洞元件上的磁束密度變化亦小。 圖1 3 A雖然沒有磁性體粒子結合但各電洞元件的輸 出値是有參差。相較於此在圖1 3 B，雖然有結合磁性體粒 子但因磁性體粒子的磁化較小，因此被埋沒在各電洞元件 之輸出値的參差中，無法判斷磁性體粒子是否結合。 全部1 2 8個電洞元件之輸出的平均偏差之強磁場和弱 磁場的差分，沒有磁性體粒子者爲0.02%、有結合磁性體 -39- (37) 1269873 粒子者爲〇 . 1 2 %。根據該結合，即使在由於磁性體粒子的 磁化較小而無法在各電洞元件的輸出中判別磁性體粒子結 合之有無的情況下，也能藉由求出複數電洞元件之輸出之 平均偏差的差分，來判斷有無磁性體粒子結合（第2實施 形態所示之磁性體粒子數的特定方法）。 〔實施例3〕 使用配置有2 5 6個電洞元件的感測器晶片，令直徑1 // m的Dynal公司製磁性體粒子結合在感測器晶片上。此 時，測定對象物是使用流行性感冒菌由來抗原。相對於抗 原濃度之弱磁場及強磁場下的電洞元件輸出平均偏差與其 差分示於圖1 4。如同圖所示，可知隨著抗原濃度增加而 平均偏差的差分亦增加。 根據該結果，我們確認到，即使在由於磁性體粒子的 磁化較小而無法在各電洞元件的輸出中判別磁性體粒子結 合之有無的情況下，也能藉由求出弱磁場和強磁場下之電 洞元件輸出之平均偏差的差分，來判斷已結合之磁性體粒 子的量。甚至，即使在抗原濃度在lng/ml以下的少量， 也能根據已結合之磁性體粒子數，測定抗原濃度。 〔產業上利用之可能性〕 可用於磁性體粒子的量的測定，甚至可用於，利用了 將磁性體粒子當作標識之抗原與其相對之抗體的結合等特 定分子彼此之特異性結合而偵測抗原、抗體、DNA ( -40- (38) 1269873

Deoxyribonucleic Acid) 、RNA ( Ribonucleic Acid)等， 以免疫學手法所進行之臨床診斷、偵測或基因分析等。 若根據本發明之生物感測器，則根據複數磁性體粒子 之輸出値分布的散佈度，或是根據對於外部磁場強度變化 之磁場探知元件輸出値變化，將已結合於磁氣感測器之磁 性體粒子予以定量，因此可進行正確的測定。又，在磁性 體粒子已結合的狀態下施加各種強度之外部磁場，根據各 情況下之來自磁氣感測器的輸出値而進行定量，因此即使 各磁場探知元件的靈敏度等特性有所參差，也能取得以各 磁氣感測器本身爲基準之磁場的値，甚至，由於可在磁性 體粒子或測定對象物導入磁氣感測器的狀態下直接取得數 據，因此可進行迅速且精良的測定。又，做爲此目的的磁 場探知元件，是使用電洞元件，可使測定精確度更佳。又 ，藉由使用電洞元件做爲磁場探知元件，可使生物感測器 更爲廉價、小型化。 又，若根據本發明之測定對象物測定方法，由於使用 上記生物感測器，因此不必洗去未結合之標識物質，可進 行迅速、簡便且正確的測定。 【圖式簡單說明】 〔圖1 A〕電洞元件周邊的剖面圖。 〔圖1 B〕磁束密度之變化率的圖形。 〔圖2 A〕弱磁場中和強磁場中之電洞元件的輸出變 化率的關係圖形。 -41 - (39) 1269873 〔圖2B〕全部電洞元件均未結合磁性體粒子時的變 化率的關係圖形。 〔圖2 C〕全部電洞元件均有結合磁性體粒子時的變 化率的關係圖形。 〔圖3〕用來本實施形態之生物感測器之電路的方塊 圖。 · 〔圖4〕本實施形態之生物感測器之一部份的槪略圖 〔圖5 A〕電洞元件2的上面圖。 〔圖5 B〕點虛線a的剖面圖。 〔圖5 C〕點虛線b的剖面圖。 〔圖6〕本實施形態之陣列狀電洞元件之選擇方法的 說明圖。 〔圖7〕第1實施形態之生物感測器之整體槪略圖。 〔圖8A〕感測器晶片表面上之磁性體粒子的樣子的 說明圖。 g 〔圖8B〕藉由上部線圈產生磁場時的感測器晶片表 面上之磁性體粒子的樣子的說明圖。 〔圖9〕第1實施形態所論之生物感測器之整體電路 動作說明流程圖。 〔圖1 0〕電洞元件的輸出値經過傅利葉轉換所得之 頻譜的圖形。 〔圖1 1〕第2實施形態所論之生物感測器之整體電 路動作說明流程圖。 -42- (40) 1269873 〔圖1 2〕實施例1之測定結果的說明圖。 〔圖1 3 A〕實施例2中磁性體粒子未結合狀態下的測 定結果圖形。 〔圖1 3 B〕實施例2中磁性體粒子結合狀態下的測定 結果圖形。 〔圖1 4〕實施例3之試驗結果圖。 ’ 〔圖1 5〕說明先前之使用磁性體粒子的固相#彳斤的 模式圖。 籲 【主要元件符號說明】 1 :感測器晶片 252a，2b，2c :電洞元件 4 :金屬配線 9 :電洞元件陣列 1 1 :矽基板 1 2 :絕緣層 籲 1 3 :凹部 22 :測定對象物 24 :上部線圈 2 5 :下部線圈 · 3 〇 :聞極電極 3 1 :源極電極 3 2 :汲極電極 3 3 :輸出電極 -43- (41) (41)1269873 3 4 :輸出電極 3 5 :絕緣層 3 6 : P阱領域 5 1 :磁性體粒子 61 :分子受容體 62 :測定對象物 6 3 :二次抗體 7 1 :陣列選擇電路 8 1 :增幅電路 82 :訊號處理電路 83 :記憶體 8 5 :電磁石 8 6 :電磁石電源 8 7 :監控用磁氣感測器 91 :固相 92 :磁性體粒子 9 3 :二次抗體 94 :測定對象物質 95 :分子受容體 -44-

Claims (1)

1. (1) 十、申請專利範圍 第93 1 26000號專利申請案 中文申請專利範圍修正本 民國95年5月15日修正 1 . 一種感測器，係屬於具備：將響應於所測知之磁 場強度的輸出値予以輸出之複數磁阻元件呈X行Y列（X 及Y係自然數）之二次元配置而成的磁氣感測器；根據 前記輸出値來測定出存在於前記磁氣感測器上的磁性體粒 子的量之感測器，其特徵爲，具備： 從前記複數磁阻元件的輸出値得出輸出値分布，根據 該輸出値分布，將前記磁性體粒子的量予以特定之訊號處 理手段。 2.如申請專利範圍第1項所記載的感測器，其中 前記磁性體粒子，係和結合於前記磁氣感測器的測定 對象物，進行結合者； 前記訊號處理手段，係將隔著前記測定對象物而結合 於前記磁氣感測器之磁性體粒子的量予以特定； 根據前記磁性體粒子的量來特定出前記測定對象物的 量。 3 .如申請專利範圍第2項所記載的感測器，其中 前記訊號處理手段，係根據「前記輸出値分布的散佈 度」和「從前記磁氣感測器上未結合磁性體粒子之狀態下 的前記複數磁場探知元件的輸出値所獲得之基準分布的散 Ϊ269873 (2) 佈度」這兩者的差異，來特定出前記已結合之磁性體粒子 的量。 4.如申請專利範圍第2項所記載的感測器，其中 具備：向結合有前記磁性體粒子的前記磁氣感測器， 施加各種強度之外部磁場的外部磁場施加手段； 前記各種強度的外部磁場中之一者，係強度爲令前記 已結合磁性體粒子之至少一部份的磁化呈飽和狀態之範圍 內的強磁場；另一者係強度爲令前記已結合磁性體粒子之 透磁率爲介於初透磁率至最大透磁率之間之範圍內的弱磁 場； 前記訊號處理手段，係根據在前記強磁場施加時的前 記輸出値分布的散佈度和在前記弱磁場施加時的前記輸出 値分布的散佈度的差異，特定出前記已結合之磁性體粒子 的量。 5 . —種感測器，係屬於具備：將響應於所測知之磁 場強度的輸出値予以輸出之複數磁場探知元件呈X行Y 列（X及Y係自然數）之二次元配置而成的磁氣感測器； 根據前記輸出値來測定出已結合於前記磁氣感測器上之磁 性體粒子的量之感測器，其特徵爲，具備： 向結合有前記磁性體粒子的前記磁氣感測器，施加各 種強度之外部磁場的外部磁場施加手段；及 針對前記各磁性體粒子，藉由比較各種強度之外部磁 場施加時的輸出値，已特定出前記已結合之磁性體粒子的 量的訊號處理手段； -2- (3) 1269873 前記各種強度的外部磁場中之一者，係強度爲令前記 已結合磁性體粒子之至少一部份的磁化呈飽和狀態之範圍 內的強磁場；另一者係強度爲令前記已結合磁性體粒子之 透磁率爲介於初透磁率至最大透磁率之間之範圍內的弱磁 場。 6 ·如申請專利範圍第5項所記載的感測器，其中， 前記強磁場，係強度爲在令前記已結合磁性體粒子之 至少一部份的磁化呈飽和狀態之範圍內呈現變化的磁場； 前記弱磁場，係強度爲在令前記已結合磁性體粒子之透磁 率爲介於初透磁率至最大透磁率之間之範圍內呈現變.化的 磁場； 前記訊號處理手段，係將對於外部磁場強度變動之前 記磁場探知元件的輸出値變化，在包含前記強磁場及前記 弱磁場之各種強度之外部磁場施加的情況下予以取得，根 據這些輸出値變化的差分來特定出前記已結合之磁性體粒 子的量。 7.如申請專利範圍第4項〜第6項之任一項所記載 的感測器，其中， 藉由前記外部磁場施加手段先施加前記弱磁場而獲得 來自前記複數磁場探知元件的輸出値，之後藉由前記外部 磁場施加手段施加前記強磁場而獲得來自前記複數磁場探 知元件的輸出値。 8 .如申請專利範圍第4項〜第6項之任一項所記載 的感測器，其中，前記外部磁場施加手段，係施加對前記 -3- (4) 1269873 磁氣感測器呈垂直的磁場。 9 ·如申請專利範圍第4項〜第6項之任一項所記載 的感測器，其中，前記外部磁場施加手段，係施加直流磁 場。 10·如申請專利範圍第4項〜第6項之任一項所記載 的感測器，其中，前記外部磁場施加手段，係施加交流磁 場。 1 1 ·如申請專利範圍第4項〜第6項之任一項所記載 的感測器，其中， 前記弱磁場，係強度爲令前記已結合磁性.體粒子之透 磁率爲介於初透磁率至最大透磁率之間的交流磁場； 前記強磁場，係在該交流磁場上加入直流磁場，其強 度爲令前記已結合磁性體粒子之至少一部份的磁化呈飽和 狀態的外部磁場。 12·如申請專利範圍第1 〇項之感測器，其中，前記 訊號處理手段，係更具備： 根據前記磁場探知元件之輸出値內所含之對應於前記 交流磁場之頻率以外之頻率成份來預測雜訊成份的雜訊預 測手段；及 根據前記雜訊預測手段所預測到的雜訊成份，來將雜 訊成份從前記磁場探知元件之輸出値內所含之前記對應於 前記交流磁場之頻率成份中予以去除之雜訊成份去除手段 〇 13.如申請專利範圍第4項〜第6項之任一項所記載 -4- 1269873

   的感測器’其中，在前記已結合於磁氣感測器之磁 子上’有其他的磁性體粒子，沿著前記外部磁場之 成方向而連結著。 1 4 ·如申請專利範圍第2項〜第6項之任一項 的感測器，其中，前記磁場探知元件，係將正比於 磁場之探知空間內所形成之磁束的磁束密度的輸出 以輸出。 1 5 ·如申g靑專利範圍第2項〜第6項之任一*項 的感測器，其中，前記磁場探知元件，係含有電洞 1 6 ·如申請專利範圍第1 5項的感測器，其中 備：在前記複數磁場探知元件之中選擇任意之元件 輸出値予以取出的選擇手段。 1 7 ·如申請專利範圍第1 6項的感測器，其中 備：將前記選擇手段所選擇之前記磁場探知元件的 予以增幅之訊號增幅電路； 前記磁氣感測器和前記選擇手段和該訊號增幅 係形成在1個晶片上。 1 8 ·如申請專利範圍第1 5項的感測器，其中 電洞元件，係具有：一對之電流端子；及控制流過 對電流端子間之電流的閘極電極；及以略垂直於流 一對電流端子間之電流的方向來讓電流流過的方式 之一對輸出端子。 19.如申請專利範圍第1 8項的感測器，其中， 前記閘極電極，係和被配置在同一列上的前記 性體粒 磁束形 所記載 可探知 値，予 所記載 元件。 ，更具 ，將其 ，更具 輸出値 電路， ，刖g己 前記一 過前記 而配置 電洞元 -5 - 1269873 (6) 件，被共通的閘極電極線所連接； 前記一對之電流端子，係和被配置在同一行上的前記 電洞元件，被共通的一對之電流端子線所連接； 前記一對之輸出端子，係和被配置在同一行上的前記 電洞兀件，被共通的一對之輸出端子線所連接； 前記選擇手段，係藉由在Y個閘極電極線中選出一 個、在X對電流端子線中選出一對、在X對輸出端子線 中選出一對的方式，來從複數之電洞元件中選擇出任意元 件，將其輸出値予以取出。 20.如申請專利範圍第2項〜第6項之任一項所記載 的感測器，其中，前記磁場探知元件所致之能夠探知磁場 的各探知空間，係對該前記磁氣感測器表面所形成之磁束 呈垂直的截面的面積，爲大略同等於前記磁性體粒子的最 大截面積。 2 1.如申請專利$B圍弟2項〜弟6項之任一^項所記載 的感測器，其中，前記各磁場探知元件，是隔著一能夠探 知彼此互異之磁性體粒子的間隔而配置。 22.如申請專利範圍第2項〜第6項之任一項所記載 的感測器，其中，前記磁氣感測器表面上，實施有用以使 和前記磁性體粒子結合之分子受容體能夠固定的表面處理 〇 23 ·如申請專利範圍第22項的感測器，其中，前記 磁氣感測器表面上，實施有用以使和前記磁性體粒子結合 之分子受容體能夠在特定領域內選擇性地固定的表面處理 -6 - 1269873 (7) 24. 如申請專利範圍第2項〜第6項之任一項所記載 的感測器，其中， 能夠探知磁場的探知空間內的前記磁氣感測器表面上 ，形成有尺寸是對應於磁性體粒子之尺寸的凹部； 和磁性體粒子結合的分子受容體，係只在該凹部內具 備。 25. 如申請專利範圍第2項〜第6項之任一項所記載 的感測器，其中， 將一產生出迫使未結.合於前記磁氣感測器表面之磁性 體粒子從該磁氣感測器表面遠離之磁場的第1磁場發生手 段，設置在前記磁氣感測器表面的對向位置。 26. 如申請專利範圍第2項〜第6項之任一項所記載 的感測器，其中，更具備：產生出迫使磁性體粒子接近該 磁氣感測器表面之磁場的第2磁場發生手段。 2 7.如申請專利範圍第25項的感測器，其中，更具 備· 產生出迫使磁性體粒子接近該磁氣感測器表面之磁場 的第2磁場發生手段；及 以產生出迫使前記未結合於磁氣感測器表面的磁性體 粒子進行攪拌的磁場的方式，來促使前記第1磁場發生手 段和第2磁場發生手段交互動作的磁場裝置控制手段。 2 8 . —種感測器，係屬於具備：由響應於所測知之磁 場強度的輸出値予以輸出之複數磁場探知元件所配置而成 (8) 1269873 的磁氣感測器；及根據從前記複數之磁場探知元件所取得 之各輸出値來特定出結合於前記磁氣感測器上的磁性體粒 子的量之訊號處理手段，之感測器，其特徵爲’ 前記訊號處理手段，係將前記磁性體粒子導入前記磁 氣感測器後且將未結合狀態之前記磁性體粒子從前記磁氣 感測器上予以去除之前，根據從前記複數磁場探知元件所 取得到的輸出値，判定前記磁性體粒子的分散狀態。 2 9. —種測定對象物測定方法，係屬於使用了申請專 利範圍第2項〜第28項之任一項所記載之感測器的測定 對象物測定方法，.其特徵爲， 前記磁性體粒子，係和結合於前記磁氣感測器之測定 對象物進行特異性結合者，並含有以下步驟： 將隔著前記測定對象物而結合於前記磁氣感測器之磁 性體粒子的量，使用前記感測器予以特定之步驟；及根據 前記磁性體粒子的量來特定出前記測定對象物的量之步驟 〇 30·如申請專利範圍第29項所記載之測定對象物測 定方法，其中，令前記磁氣感測器和前記測定對象物的結 合反應，及前記測定對象物和前記磁性體粒子的結合反應 ，在含有前記磁氣感測器的反應槽中同時進行。 3 1 · —種測定對象物測定方法，係屬於使用了申請專 利範圍第2項〜第2 8項之任一項所記載之感測器的測定 對象物測定方法，其特徵爲， 前記磁性體粒子’係和結合於前記磁氣感測器之測定 -8 - (9) 1269873 對象物能夠進行可逆置換者，並含有以下步驟： 將和前記測定對象物發生置換而結合於前記磁氣感測 器之磁性體粒子的量，使用前記感測器予以特定之步驟； 及根據前記磁性體粒子的量來特定出前記測定對象物的量 之步驟。