WO2003067258A1

WO2003067258A1 - Biocapteur, procede de mesure de molecules magnetiques et procede de mesure de l'objet mesure

Info

Publication number: WO2003067258A1
Application number: PCT/JP2003/000847
Authority: WO
Inventors: Hirofumi Fukumoto; Masayuki Nomura
Original assignee: Asahi Kasei Kabushiki Kaisha
Priority date: 2002-01-29
Filing date: 2003-01-29
Publication date: 2003-08-14
Also published as: CN100516879C; EP1469311A4; EP1469311A1; TW200306420A; JP4240303B2; TWI306153B; JPWO2003067258A1; US7425455B2; DE60315415D1; US20050106758A1; CN1625686A; DE60315415T2; AU2003244342A1; EP1469311B1

Description

バイオセンサ、磁性分子測定方法、及び、測定対象物測定方法技術分野

本発明はバイォセンサ、磁性分子測定方法、及び、測定対象物測定方法に関し、特に磁性分子の量を測定することにより測定対象物の分析を行うためのバイォセンサ、磁性分子測定方法、及び、測定対象物測定方法に関する。背景技術

近年、碰とそれに対する抗体との結合等の、特定の分子同士の特異的な結合を利用して ¾¾ 、抗体、 DNA(De oxyr ibonuc 1 e i c Ac id)ヽ RNA (Ribonucleic Ac id)等を検出する、免疫学的手法あるいはハイブリダイゼ一シヨンなどによる臨床診断 ·検出や遺伝子の角晰が行われている。

特に固相結合分析においては、磁性体粒子を検出に用いる方法がある。従来の磁性子を用いた固相分析の模式図が、図 17に示されている。

図に示されるように、この分析は、固相 91と、測定タ豫物 62を捕捉する分子受容体 61と、磁性ィ本粒子 51と、測定対象物 62を検出する分子受容体 63 と、を用いて行われ、測定対象物質 62の分析を行う。

固相 91は、試料激夜と接する固相面を有し、該固相面に分子受容体 61を固定する。固相には、ポリスチレンビーズ、反 j¾l曹壁面、 ¾反表面などが用いられる。

分子受容体 61及び分子受容体 63は、試料溶液中に存在する、抗体、 D NA、 RNA等の測定対象物質 62に特異的に結合する分子が用いられる。磁性体粒子 51は、磁化を有する標識物質である。この磁性体粒子の磁ィ匕により形成される磁場を嫩 Πすることにより、後述のような状態にある磁性ィ«立子 5 1の量を特定し、試料溶液中の測定対象物の有無あるいは濃度を認識することができる。磁性体粒子 51のほかに標識として、お射性物質、蛍光化学発光体、酵素など嫌口可能な信号を発するものが用いられている。これら標識を用いた検査法としては、枋源一抗体反応を利用した酵素免疫測定法（E I A法）や、ィムノアッセィの標識化合物として化学発光性化合物で標識する狭義の化学発光法 ( C L I A) やィ匕学発光性化合物を検出系に用いて酵素活性を高感度に検出するィ匕学発光酵素法（ C L E I A)等の化学発光法（ C L法）等が公知である。あらかじめ磁性体粒子 5 1に結合された分子受容体 6 3は、あらかじめ磁†生体粒子 5 1に結合された測定対象物質 6 2に特異的に結合する抗体である。

図に示される分析においては、まず、あらかじめ分子受容体 6 1が固定された固相 9 1に、測定対象物質 6 2を含む試料溶液を投入する。これにより、測定対象物質 6 2が、特異的に結合する。言激夜中に含まれる他の物質は、固相 9 1 に結合することなく、試料溶液中を浮遊する。次に、分子受容体 6 3を固定した磁性子 5 1を試料溶液中に投入する。又、測定対象物 6 2と同時に分子受容体 6 3を固定した磁性体粒子 5 1を試料激夜中に投入してもよい。これにより、分子受容体⁶ 3が、固相に固定された分子受容体⁶ 1に特異的に結合した測定対象物質 6 2に、特異的に結合する。このような、分子受容体 6 3を固定した磁性体粒子 5 1を磁性分子と呼ぶ。次に、この磁性体粒子により形成される磁場を検知し、固相 9 1面に結合した磁性体粒子 5 1の量を特定する。これにより、固相 9 1面に結合した測定対象物質 6 2の濃度あるいは、位置を特定することができる。この磁場の I Πを、アレイ状に配置した磁気抵«子により検出する方法が米国特許第 5， 9 8 1 , 2 9 7号明細書及び国際特許 WO 9 7/4 5 7 4 0明細書により開示されている。

これら標識を利用した分析の手法として、上述の分子受容体に特異的に結合した測寸象物に、さらに標識を付けた別の分子を特異的に結合させるサンドィヅチアヅセィ法以外にも、測定対象物と標識を付けた別の分子とを分子受容体に競合させて結合させる競合ァッセィ法等がある。

従来の手法では、標識からの発光等の信号を光学的な検出装置等の該信号の検知が可能な装置により検出している。これらの方法では、固相表面に固定されている結合分子に特異的に結合している分子の標識からの信号のみを捕らえる必要がある。しかしながら、光学的な検出の場合、未結合の標識分子が存在すると、この標識からの信号も捕らえることになり、正確な角斜斤が行えない。

従って、未結合の標識分子は完全に洗い流す必要がある。また、光学的な検出装置では、微弱な光信号を検出する必要があり、検出装置の小型化や低価格化が困難である。

又、上述の米国特許第 5 , 9 8 1 , 2 9 7号明細書で開示されているように磁性ィ機子を標識に用いて磁気抵抗素子により検出する方法では、未結合の標識分子を洗い流す必要はない。しかしながら、磁気抵抗素子をアレイ状に配置した検出チップでは、個々の素子の信号を独立に取り出すためには、スイッチング回路が必要となる。アレイ状の個々の素子からスィツチング回路まではそれぞれ電気配線が必要である。このため、素子の数が増えるほど、配線が號雑かつ配線の占める面積が増えて小型化が困難である等の問題がある。

又、上述の国際特許 W〇 9 7/4 5 7 4 0では、磁気抵抗素子により構成されるプリッジ回路とスィヅチ素子となるトランジスタで磁性 ί«立子の検出回路を構成している。しかしながら、磁気抵抗素子は磁性材料を必要とする為、トランジス夕を含む回路の一部を一般的な集積回路製造プロセスで加工した後、磁性薄膜の形成及び加工工程が必要となる。

本発明の目的は、擴、抗 D NA、 RN A等の測象物を磁場の検知により分析することにより未結合の標識分子を洗い流すことが不要なバイオセンサにおいて、小型かつ低価格で、より撤口の精度が高いバイオセンサ、磁性分子測定方法、及び、測定対象物測定方法を提供することにある。発明の開示

本発明によるバイォセンサは、結合した磁性分子により形成される磁場を辦ロするための検知素子が X行 Y列（X及び Yは、自然数、以下同じ）の 2次元に配置されてなる磁気センサによって、 ff己磁性分子の量を測定することにより測定対象物の分析を行うバイォセンサであって、

前記磁気センサのセンサ面の互いに異なる領域の磁場の強さ同士を比較することにより、前記結合した磁性分子の量を特定する信号処理手段を含み、特定された磁性分子の量に基づいて測定対象物の分析を行うことを特徴とする。また、前記センサ面には、編 3磁性分子が結合不能な基準領域が設けられており、

前記信号処理手段は、編3基準領域の磁場の強さを基準として比較を行うことを特徴とする。

ここで、互いに異なる領域としては、例えば、隣接するホール素子により検出される磁場の強さ同士を比較する。あるいは、基準となる領域を設けて、その領域において検知される磁場の強さを、他の任意の領域において検知される磁場の強さとの比較対照としてもよい。

さらに、前記 X行 Y列に配置された検知素子の各々を選択し、その出力を取り出すための選択手段を、更に含むことをとする。

また、前記嫩口素子による磁場の嫩口が可能な各辦ロ空間は、結合する前 ΐ碰性分子が略 1分子となるような大きさであることを特徴とする。

これにより、検知素子によって検知される磁性分子の個数を 1個程度に制限し

、複数の磁性分子が嫩ロされることによる測定値のばらつきを抑え、分析の精度を向上させることができる。

また、磁気センサには、前記撤 D素子同士が互いに異なる磁性分子を徹ロするような間隔で配置されることを特徴とする。

これにより、隣接する ί Π素子同士が同一の磁性分子を検知するなどの干渉を抑えることができる。

そして、前記検知素子は、半導体ホール素子を含むことを«とする。

また、隣接する前言食知素子同士は、前記磁性分子の直径以上の間隔をおいて、隣接配置されることを特徴とする。

これにより、隣接する半導体ホール素子同士が同一の磁性分子を検知するなどの干渉を抑えることができる。

また、前記センサ面には、前記磁性分子と結合する分子受容体を特定領域に選択的に固定させるための表面処理がなされていることを特徴とする。

また、前記センサ面には、 frt3磁性分子の大きさに対応する大きさの凹部が備えられ、，

前記センサ面は、編己磁性分子と結合する分子受容体を該凹部にのみ備えることを特徴とする。

また、前記センサ面には、前記特定領域に金薄膜が形成され、チオール基によつて末端が修飾された前記分子受容体を選択的に固定することを特徴とする。また、前記基準領域には、前記分子受容体が固定不能なように表面処理がなされていることを特徴とする。

さらに、前記センサ面の対向位置に配置され、前記センサ面に印加する磁場を発生する第 1の磁場発生手段を含むことを特徴とする。

前記センサ面の裏側に配置され、前記センサ面に印加する磁場を発生する第 2 の磁場発生手段を含むことを特徴とする。

また、 tin己磁気センサは、そのセンサ面が重力の働く方向に配置されることを特徴とする。

前記第 1あるいは第 2の磁場発生手段が間欠的に磁場を発生させる手段を含むことを特徴とする。

また、前記磁気センサと、前記選択手段と、前記撤 Π素子の出力信号を増幅する信号増幅回路とが、 1チップ上に形成されることを特徴とする。

また、編3第 1あるいは第 2の磁場発生手段が、一定の周波数で磁場を発生させ、前記検知素子の出力信号から前記磁場に対応する周波数成分のみを取り出す検波回路を含むことを特徴とする。

更に、 fff己半導体ホール素子は、一対の電灘子と、前記流端子間に流れる電流を制御するゲ一ト籠と、電流が前記電^ ¾子間に流れる電流に略垂直に流れるように配置された一対の出力端子を有することを特徴とする。

この場合において、前記ゲート電極は、同一の列に配置された前記半導体ホ一ル素子に共通のゲ一ト線に接続され、

前記一対の電流端子は、同一の行に配置された前記半導体ホール素子に共通の一対の電流端子線に接続され、

前記一対の出力端子は、同一の行に配置された前記半導体ホール素子に共通の一対の出力端子線に接続され、

前記選択手段は、前記ゲート «@線と、一対の電¾¾子線と、一対の出力端子線と、を選択することにより、任意の位置に配置された編 3半導体ホール素子の出力信号を取り出すことを特徴とする。

各列毎、各行毎に配線を共通にすることにより、任意の位置にある半導体ホール素子の選択を簡便に行うことができると共に、配線数を軽減することができる。これにより、測定対象に応じて、磁気センサの作成を容易にし、また、磁気センサを小型化することができる。

本発明による磁性分子測定方法は、結合した磁性分子により形成される磁場を検知するための検知素子が X行 Y列（X及び Yは、自然数、以下同じ）の 2次元に配置されてなる磁気センサにより前記磁性分子の量を測定する磁性分子測定方法であって、

前記磁気センサのセンサ面の互いに異なる領域の磁場の強さを取得する測定ステツプと、

前記測定ステヅズにより取得した f!3互いに異なる領域の磁場の強さ同士を比較することにより、編 3結合した磁性分子の量を特定する計量ステップと、を含むことを特徴とする。

この場合において、前記計量ステップにおいては、前記測定ステップにより取得した磁性分子が結合不能な ¾ ^領域の磁場の強さを基準として比較を行うことを特徴とする。

本発明による別の磁性分子測定方法は、結合した磁性分子により形成される磁場を検知するためのネ戯 Π素子が X行 Y列（X及び Yは、自然数、以下同じ）の 2 次元に配置されてなる磁気センサにより編3磁性分子の量を測定する磁性分子測定方法であって、

前言 B ^性分子が結合する前において、磁場の強さを取得する結合前測定ステヅプと、

前記磁性分子が結合した後において、磁場の強さを取得する結合後測定ステツプと、

前記結合前の磁場の強さと、前記結合後の磁場の強さと、を比較することにより、前記結合した磁性分子の量を特定する計量ステップと、を含むことを特徴とする。

また、籠口素子から出力されるオフセヅト値を取得するオフセヅト値取得ステップを、更に、含むことを特徴とする。

また、前記測定ステップにおいては、前記センサ面に一定の周波数で印加される磁場によって、前記磁場に対応する周波数で出力される信号を含む検知素子の出力信号を取得し、

前記計量ステップにおいては、前記測定ステヅプにおいて取得した検知素子の出力信号から前記磁場に対応する周波数成分のみを取り出すことにより、直流成分として含まれるオフセヅト値を除去して得た値を用いて比較を行うことを特徴とする。

さらに、前言性分子の前記センサ面への導入時に、磁場発生手段により編3 磁性分子を前記センサ面に近づけるための磁場を発生する結合加速ステップを、更に、含むことを特徴とする。

また、前記磁性分子のセンサ面への導入後、前記センサ面の対向位置に配置された第 1の磁場発生手段と、編 3センサ面の裏側に配置された第 2の磁場発生手段とによって、交互に磁場を形成することにより、磁性^?を撹拌する撹拌ステップを、更に、含むことを特徴とする。

また、 ilB結合加速ステップおよび攪拌ステップにおいては、前言性分子の磁化が飽和状態になる様な強さの磁場を印加し、

前記測定ステヅプにお L、ては、前言性分子の磁ィ匕が飽和状態にならない様な強さの磁場を印カロすることを特徴とする。

本発明による測定対象物の測定方法は、請求の範囲第 1項から第 1 9項のいずれかに記載のバイオセンサを用いた測定対象物の測定方法であって、

前記磁性分子として、結合する前記測定対象物と特異的に結合する分子を用い測定対象物に特異的に結合した前言 ¾性分子の量をバイォセンサを用いて特定するステヅプと、

前記磁性分子の量に基づいて、測定対象物の量を特定するステップと、を含むことを特徴とする。

本発明による別の測定対象物の測定方法は、請求の範囲第 1項から第 1 9項のいずれかに記載のバイォセンサを用いた測定対象物の測定方法であって、前記磁性分子として、結合する前記測定対象物と可逆的に置換可能な分子を用い、

前記測定対象物に代わって結合した磁性分子の量をバイォセンサを用いて特定するステップと、

前言性分子の量に基づいて、測象物の量を特定するステップと、を含むことを特徴とする。図面の簡単な説明

図 1は、本発明のバイオセンサの一部の概略を示す図である。図 2は、第 1及び第 2の形態にかかるバイオセンサの検出原理を説明する図である。図 3は、 (A) は、センサチップの断面図、（B) および（C) は、半導体ホール素子の感度を向上させるための処理がなされたセンサチヅプの断面図である。図 4は、

(A) は、本発明の半導体ホール素子の構成を示す図、 (B) は、 (A) の一点鎖線 aにおける断面図、（C) は、（A) の一点鎖線 bでの断面図である。図 5は、本発明のアレイ状ホール素子の選お方法を説明する図である。図 6は、本発明のノイォセンサの回路を説明するプロック図である。図 7は、第 1の«形態にかかるバイオセンサ全体の回路動作を説明するフローチャートである。図 8は、第 2の実施形態にかかるバイォセンサ全体の回路動作を説明するフローチヤ一卜である。図 9は、第 3の実施形態にかかるバイオセンサの検出原理を説明する図である。図 1 0は、第 3の実施形態におけるコイルにより磁性分子に加える磁場の様子を説明する図である。図 1 1は、第 3の ^形態にかかるバイオセンサ全体の回路動作について説明するフローチャートである。図 1 2は、第 3の実施形態におけるホール素子の配置の様子を示す図である。図 1 3は、第 3の実施形態において出力値の比較に用いる値を説明する図である。図 1 4は、第 4の実施形態において用いるセンサチヅプの断面が模式的に表す図である。図 1 5は、第 4の実施形態にかかるバイオセンサ全体の回路動作について説明するフローチャートである。図 1 6は、結合前の出力信号と、結合後の出力信号と、を説明する図である。図 1 7は、従来の磁性ィ立子を用いた固相分析を説明する模式図である。発明を実施するための最良の形態

次に、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の説明において参照する各図では、他の図と同等部分は同一符号によって示されている。

図 1は本発明のバイォセンサを構成するセンサチップの一部の概略図を示すものである。センサチヅプ 1は、検知素子となる半導体ホール素子と、それらの信号処理回路と、を含んで構成され、以下に説明するように製造する。

センサチヅプ 1は、周知の技術である CM〇 S (complementary mental-oxide semiconductor device) 製造プロセスによりシリコン基板 1 1上に形成される。センサチップ 1表面の凹部 1 3の下には、半導体ホール素子が形成されており、個々の半導体ホール素子の入力及び出力はゲート電極 3 0及び金属配線 4を介して行われる。

CMO S製造プロセスでシリコン基板 1 1上に半導体ホール素子及び信号処理回路を形成した後、センサチップ 1表面に ί)¾、抗 D NA、 R NA等の分子受容体をシランカップリング剤等を介して固定する。

次に、試料溶液をセンサチップ 1表面に滴下し、 nM 抗体、 D NA、 R NA 等の測定対象物をセンサチップ 1表面の分子受容体と結合させる。更に、センサチップ 1表面に ίί¾、 t D NA、 R NA等を結合させた磁性体粒子を導入し、測 ^寸象物が特異的に結合している半導体ホール素子上に特異的に結合させるこの半導体ホール素子は、特異的に結合する磁性分子が 1分子程度となるような大きさの検知空間、すなわち、本実施例においては、半導体ホール素子が、センサチヅプ 1 1表面に固定される分子受容体に結合する磁性分子により形成される磁場を嫩 Π可能な空間、を構成することが望ましい。ここで磁性分子とは、磁化を有する分子である。本実施の形態においては、磁性ィ林立子により標識されている分子で、磁性体粒子には分子受容体が付着されている。あるいは、それ自身が磁化を有することにより、半導体ホール素子により検知される。本実施例においては、半導体ホール素子 2の表面積を、磁性分子の最大断面積と同等な大きさとしている。これにより、検知空間に存在する磁性分子 5の個数を 1個程度に制限することができる。このため、 1個の半導体ホール素子 2により 1個の磁性分子 5の存在の有無を嫌 Πすることにより測定を行うような場合に、 2個以上の磁性分子 5が 1個の半導体ホール素子により検知されるのを防ぐことができ、測定を確実に行うことができる。本発明は、測定方法を、 1個の半導体ホール素子により 1個の磁性分子の存在の有無を πすることにより行うように限定するものではない。すなわち、半導体ホール素子 2の表面積を、磁性分子の複数個分の最大断面積と同等な大きさとし、 1個の半導体ホール素子により複数の磁性分子の存在を嫩ロしても良い。

また、これは図 1に示されるように、センサチップ 1 1表面であって、検知空間内に凹部 1 3を設け、その面積を各測定に用いる磁性分子 5の大きさに対応したものとすることによつても同様の効果を得ることができる。例えば、凹部 1 3 を上述の磁性分子 5の最大断面積よりも小さく設置する。そして、凹部 1 3にのみ分子受容体を配置する。これにより、半導体ホール素子の大きさを維持したまま、嫩 Π空間にある分子受容体の個数を制限して、結合可能な磁性分子 5の量を制御することができる。これは、半導体ホ一ル素子の大きさに比し、磁性分子 5 が非常に微小で、検知空間を縮小できないような場合に用いることができる。本実施例においては、凹部 1 3は、半導体ホール素子の設置面上に金属配線 4を設置することにより構成されるが、例えば、センサチップ 1表面が平滑となるように作成した後で、エツチングにより凹部 1 3を作成しても良い。センサチヅプ 1 に、分子受容体を結合させた後には、センサチヅプ表面 1 1を払拭することにより凹部 1 3にのみ、分子受容体を結合させることができる。

なお、図 1に示されているように、半導体ホール素子を凹部の底面部分に設置する場合に限定されず、センサチヅプ表面が平滑になるように半導体ホール素子を設置しても良い。しかし、センサチップ表面の凹部 1 3の下に半導体ホール素子を形成することにより、上述の効果のほか、次のような効果が得られる。すなわち、半導体ホール素子により検知される領域における磁性分子の結合条件を調節し、半導体ホール素子の撤ロ空間の境界に存在する磁性分子による干渉を防止したり、あるいは、分子受容体を同一条件下にある領域にのみ固定することにより分子受容体と磁性分子の反応条件を均一にすることができる。

更に、本実施の形態においては、半導体ホール素子を 2次元のアレイ状に設置している。このときセンサチップには、半導体ホール素子を、隣接する半導体ホ —ル素子同士が互いに異なる磁性分子を検知するような間隔をおいて配置する。これにより、各々の半導体ホール素子の干渉を防ぐことができる。これは、上述のように、互いに異なる半導体ホール素子に対応する凹部を、上述の間隔で設置することによつても同様な効果を得ることができる。本実施例においては、図 1 に示されるように、それぞれの半導体ホール素子に対応する凹部 1 3が、磁性分子 5の直径 Rよりも大きい間隔 Wをおいて設置されている。

センサチヅプ 1表面に ¾¾、抗体、 D NA、 RNA等の分子受容体を固定する方法として以下の方法を用いても良い。 CMO S製造プロセスでシリコン基板 1 1上に半導体ホール素子及び信号処理回路を形成した後、センサチヅプ表面に金薄膜を形成する。金薄膜とセンサチップ表面の密着性を向上させるために、金薄膜とセンサチップ 1表面の間には密着層として C r、 N i、 T i等の薄膜を形成することが望ましい。

金薄膜を形成後、末端をチオール基で修飾した分子受容体を金薄膜表面に固定する。ここで金薄莫形成後、チオール化合物を金薄 J!莫表面に固定し、この上に分子受容体を固定しても良い。

また、金薄膜は図 1の凹部 1 3で示されるような半導体ホール素子の設置に対応する位置にのみに形成しても良い。チオール基は金薄膜と選択的に結合するため、分子受容体をセンサチップ i表面の特定の領域のみに固定することができる特定位置に形成される金薄膜のパターンは、ホトレジストによりパターンを形成後、密着層となる T i薄膜および金薄膜をスパッ夕により堆積し、ホトレジストを除去することによる、いわゆるリフトオフ法により形成できる。

次に、図 2を用いて本発明のバイオセンサの検出原理を説明する。図 2は、センサチヅプ 1の半導体ホール素子 2近辺の断面を模式的に表したものである。半導体ホール素子 2の表面に抗体として構成される分子受容体 6 1が固定されている。その分子受容体 6 1に測定対象物 6 2が特異的に結合し、その測定対象物 6 0847

2に、さらに、磁性 ί雄子 5 1が、抗体として構成される分子受容体 6 3と測定対象物 6 2との特異的結合を介して結合している。この磁性 ί*立子 5 1と分子受容体 6 3とは互いに結合して、磁性分子 5を構成するものである。

センサチップ 1表面に対向する位置には、上部コイル CU (第 1の磁場発生手段）を配置する。上述のようにセンサチヅプ 1表面に磁性分子が結合した状態で、上部コイル CUに通電し磁場を発生させる。コイルの代わりに、例えば、永久磁石などを用いてもよい。図 2では磁束 Βが、矢印 Ζで示される方向に形成され、半導体ホール素子面に対して垂直であることが示されている。磁束 Βは磁性体粒子 5 1により収束されるため、磁性体粒子 5 1が無い場合に比べて半導体ホ一. ル素子 2での磁束密度は増加する。又、上部コイルにより磁場を印加するため、センサチヅプ 1の表面から遠ざかるほど磁束密度が増加する。このため、センサチヅプ 1表面に結合せずに浮遊している磁性分子 5は上方に引き寄せられ、半導体ホール素子 2により検知する磁束密度には影響しない。半導体ホール素子 2の出力電圧は磁束密度に比例するため、この出力電圧により磁性分子 5が半導体ホール素子 2上に結合しているか否かを判定できる ο

また、 1つの半導体ホール素子 2で複数の磁性分子の存在を徹口する場合は、磁性ィ «立子により収束され増加する磁束密度の増分は、磁性ィ**立子の数に依存する為、 1つの半導体ホール素子 2上に結合した磁性分子の数を検知することもできる。

また、本実施の形態においては、センサチヅプ 1の裏側にも、下部コイル CD (第 2の磁場発生手段）を配置する。この下部コイル CDは、磁性分子の嫌口するためではなく、磁性分子をセンサチップ 1表面に近づけるための磁場を発生するものである。永久磁石などを用いてもよい。下部コイル C Dは、センサチヅプ 1への磁性分子の導入時に、通電して磁場を発生させるようにする。このセンサチップ 1表面からの距離の増カロに応じて磁束密度が減少するように形成された磁場により、磁性分子がセンサチップ 1表面に引き寄せられて、磁性子がセンサチヅプ 1表面に結合する時間が短縮される。

更に、図 3には、半導体ホール素子の感度を向上させるための処理がなされたセンサチップの断面図が示されている。センサチヅプ 1は、上述のように、 CM O S製造プロセスにより形成されるが、ゲ一ト 0からチヅプ表面までの距離は通常、数 umとなる。半導体ホール素子の磁束に対する感受面はゲート β 3 0と Ρゥエル領域 3 6の界面に形成される。磁性分子に対する半導体ホール素子の感度は、感受面との距離に反比例することから、ゲート ¾13 0の上に形成される絶縁層 1 2の厚さは薄い方が望ましい。

従って、センサチップ 1は一般的な CMO S製造プロセスで加工した後、図 3 ( B ) に示すように、ホール素子領域のみゲート «S3 0が露出しない程度にェツチングにより絶縁層 1 2を除去する。また、図 3 ( C ) に示すように、エッチングのストヅプ層としてゲート電極 3 0の上にアルミニウム等の金属層 3 7を予め、配置しておいても良い。

また、図 2においては、磁性分子により形成される磁場を Πすることにより測定対象物を測定するバイォセンサを用いた測定対象物の測定方法であって、磁性分子 5として、測象物 6 2と特異的に結合する分子を用い、測定対象物 6 2に特異的に結合する磁性分子 5の量をバイォセンサを用いて特定し、磁性分子 5の量に基づいて、測定対象物 6 2の量を特定する場合における磁性分子 5が示されている。しかし、本発明のバイオセンサは、このような磁性分子の検出により測定対象物を測定する場合に、のみ用いられるものではない。例えば、磁性分子として、磁性子に標識され、かつ、測定対象物と競合して磁気センサ表面に結合する分子を用いてもよい。この場合においては、測定対象物と代わって結合する磁性分子の量をバイオセンサを用いて特定し、その磁性分子の量に基づいて、競合する測定対象物の量を特定することができる。

本発明の半導体ホール素子の構造を図 4を用いて説明する。

この半導体ホール素子 2の上面図が同図（A) に、一点鎖線 aでの断面が同図 ( B ) に、一点鎖線 bでの断面が図（C ) に、示されている。この半導体ホール素子はゲート ¾13 0、ソース ¾@ 3 1、ドレイン ϋΙ¾ 3 2、出力 m¾3 3、 3 4、及び、絶縁層 3 5を含んで構成され、 Pゥエル領域 3 6に形成される。出力 «@を除くと n型 M 0 S F E Tと同じ構成であり、図中では各々の ¾Sへの金属配線は省略してある。出力電極 3 3、 3 4は、センサチップ表面に略垂直に形成される磁束と、ソース一ドレイン極間を流れる電流と、に垂直に電流が流れるように構成する。

この半導体ホール素子 2の動作について説明する。ゲート mH30、ソ一ス電極 31、ドレイン ¾ϋ 32にバイアスを印加し、 MOSFETと同様な動作状態に設定する。この時の動作状態は線形領域にあることが望ましい。この状態で外部から加わる磁束が存在しない場合、 2つの出力電極 33、 34は同電位である。外部から半導体ホール素子面に対して垂直な磁束が加わると磁束密度に比例した電圧が出力 3と 34との間に差動電圧として現れる。

次に図 5を用いてアレイ状に配置した各々のホール素子を選択して出力を取り出す方法について説明する。

各々のホール素子（E (0, 0), E (0, 1), · · · ) のソース電極、ドレイン «、および一対の出力 ¾ϋはスィッチ（R0, R1, · · · ) を介して VL、 VH、 OUT I OUT 2へ接続されており、列方向 Yの同一の列に共通に接続されている。また行方向 Xの同一の行のゲート電極も共通で、各列毎に共通のゲ —ト線 C0、 C l、 · · 'へと接続されている。 V_L、 V_Hはホ一ル素子側へクイァスを供給する配線であり、〇UT 1、 OUT 2はホール素子からの出力を増幅回路へ送る配線である。

ホール素子 E (0, 0) を選択する場合について説明する。スィヅチ R0のみをオンし、スィッチ Rl、 R2、 ' · ·はオフする。またゲート線 COのみホ —ル素子が動作状態になる電圧に設定し、ゲート a¾線 Cl、 C2、 · · 'ホール素子が動作しない電圧、すなわちソース β、ドレイン電極にバイアスを印カロしてもソース一ドレイン間に電流が流れない状態に設定する。

この時、ホール素子 Ε (0， 0) 及び同一の行にあるホール素子のソース電極、ドレインに V_L、 V_Hが印カロされるが、電流はホール素子 E (0, 0) しか流れない。ホール素子 E (0, 0) の出力 ¾@には磁束密度に応じた電圧が現れる。縦に並んだホール素子の出力電極は、動作状態になっていないため、 OUT 1, OUT 2へはホール素子 E (0, 0) の出力電圧がそのまま出力される。この構成ではアレイの数が増えたとしても、アレイ内の配線数は同じで端部にスィヅチが付け足されるだけなので、センサチップの面積はほぼァレィの数に比例し、容易にホール素子数の多いセンサチヅプを構成することができる。 · JP03/00847 図 6には、ノォセンサ全体の構成が示されている。バイオセンサは、試料溶液を投入、測定を行うためのセンサチップ 1と、センサチップ 1と信号を交換する測定装置本体とを含んで構成される。センサチヅプ 1上には、半導体ホール素子アレイ 9、アレイ選択回路 7 1、増幅回路 8 1を搭載する。その他の制御回路 8 2、例えば、センサチップの制御を行うためのセンサチップ制御回路、ホール素子からの出力信号を処理する信号処理回路等、は、測定装置本体側に搭載する。センサチヅプ 1は 1回の測定毎に新たなものと取り替える。

次に、同図を参照しながら図 7のフローチャートを用いて、本発明のバイオセンサ全体の回路動作について説明する。

ステップ S 1 0 1においては、分子受容体、測定対象物、及び、磁性ィ«立子を含む磁性分子をセンサチップ上に導入した状態で、下部コイルにより磁場を印カロする。このセンサチヅプ表面からの距離の増加に応じて磁束密度が減少するように形成された磁場により、磁性分子はセンサチヅプ表面に引き付けられて、センサチヅプ表面に結合する速度が高められる。

ステップ S 1 0 2においては、磁性分子のセンサチヅプ表面への結合が完了した状態で、下部コイルによる磁場を O F Fする。

ステップ S 1 0 3においては、センサチップに磁場を印加しない状態で、ホール素子の出力を取得する。具体的には、測定装置本体側にあるセンサチップ制御回路 8 2より特定のホール素子を選択するためのァドレ信号をセンサチヅプにあるアレイ選択回路 7 1に送る。アレイ選択回路 7 1は、このアドレス信号に基づいて、上述のように、指定されたホール素子を選択する。そのホール素子からの出力信号は、センサチップ上の増幅回路 8 1によって増幅し、オフセット値（第 1の出力値）としてメモリ 8 3に保存する。

ステップ S 1 0 4においては、センサチヅプ制御回路において、出力信号を取得すべき全てのホール素子から信号を取得したか否か判断し、取得していない場合には、再びステヅプ S 1 0 3に移行し、全てのホール素子について、その出力信号を取り出し、記録する。

ステップ S 1 0 5においては、上部コイルにより磁場を印加する。

ステップ S 1 0 6においては、上述のように、センサチップ制御回路 8 2よりホール素子のアドレス情報をセンサチップに送り、出力信号を取り出し、ステヅプ S 1 0 3と同様に、ホール素子の出力値（第 2の出力値）としてメモリ 8 3に保存する

ステップ S 1 0 7においては、上述のように、出力信号を取得すべき全てのホ —ル素子から信号を取得したか否か判断し、取得していない場合には、再びステヅプ S 1 0 6に移行する。これにより、全てのホール素子における磁性分子の結合状態を取得する。

ステップ S 1 0 8においては、上部コイルの磁場を O F Fする。

ステップ S 1 0 9においては、ステップ S 1 0 3において取得したそれぞれのホ一ル素子におけるオフセヅト値と、ステヅプ S 1 0 6において取得した対応するホール素子の出力値と、をメモリ 8 3から取り出し、信号処理回路 8 2において出力信号をオフセヅト値により補正する。

ステヅプ S 1 1 0においては、ステップ S 1 0 9における補正後の出力値を、隣接したホール素子について比較する。隣接したホール素子の状態が同じ、すなわち共に磁性分子が結合しているか、共に磁性分子が結合していない場合は、出力値が同じである。隣接したホール素子の状態が異なる、すなわちどちらか一方のみ磁性分子が合している場合、結合している方の出力値は磁性分子により磁束が収束しているため、結合していない方の出力値に比べ大きくなる。

全てのホール素子について、それと隣接したホール素子の出力値を比較することにより、磁性分子の結合している領域と磁性分子の結合していない領域の境界を特定することができる。その結果、センサチップ表面に結合している磁性分子の数を特定することができる。尚、互いに比較する出力値は、互いに異なる領域に設置される半導体ホール素子によるものであれば、隣接した半導体ホール素子によるものに限られない。

さらに測定対象物を捕捉する分子受容体を表面に備えない特定のホール素子を設けることにより、ここを磁性分子の結合しな、基準領域としてもよい。

尚、図 7では全てのホール素子のオフセット値を取得後、上部コイルを O Nし、全てのホ一ル素子の出力値を取得しているが、各ホール素子毎にオフセット値の取得と出力値の取得をしてもよい。すなわち、 1のホール素子についてステツ 47 プ S I 0 3の後に、ステップ S I 0 5、ステップ S I 0 6、ステヅプ S I 0 8と順に行い、この手順を全てのホール素子について繰り返した後に、ステップ S 1 0 9及び S 1 1 0を実施する。

以上説明した図 7の動作を実現するためのプログラムを用いることによってバィォセンサが制御される。すなわち、このプログラムは、バイオセンサを制御するためのプログラムであり、磁気センサ表面の互いに異なる領域にそれぞれ印カロされる磁場の強さを取得する測定ステツプと、この測定ステヅプにより取得した互いに異なる領域にそれぞれ印加された磁場の強さ同士を比較することにより、結合した磁性分子の量を特定する計量ステップと、を含むものである。

また、測定ステップにおいては、 2次元のアレイ状に配置された^ ¾素子の各々を選択して、検知素子の各々が！^口する磁場の強さを取得する。

更に、上記測定ステップにおいて磁気センサ表面に磁場が印加される前に、上記検知素子からの出力をオフセヅト値として取得するオフセヅト値取得ステップを、更に、含み、

上記計量ステヅプにおいては、上記測定ステヅプにおいて上記検知素子より取得した値から、上記オフセット値取得ステップにおいて取得したオフセヅト値を、除去して得た値を用いて比較を行うことが望ましい。

更に、上記磁性分子の磁気センサ表面への導入時に、磁性分子が結合する磁気センサ表面より下部に設置された磁場発生手段により磁性分子を磁気センサ表面に近づけるための磁場を発生する結合加速ステップを、更に、含み、

上記結合加速ステヅプにおいて、上記磁気センサ表面からの距離の増加に応じて磁束密度が減少するように形成された磁場により、上記磁性分子が結合する速度を高めることが望ましい。

なお、ノ Wォセン制御プログラムは、ノィォセンサの測定装置本体に搭載される上述のメモリに、あるいは、測定装置本体に搭載される読出し専用記憶装置に記録し、又は、他のコンピュータ等の記憶装置に保持して、使用することができる。

(第 2の実施形態）

次に、図 8のフローチャートを用いて、本発明の第 2の実施形態にかかるバイォセンサ全体の回路動作について説明する。バイオセンサ全体の構成は、図 6と同じであるが、同図の増幅回路 8 1は、更に、半導体ホール素子の出力信号のうち周波数成分のみを取り出すための検波回路を含んで構成されている。

ステップ S 2 0 1においては、測定対象物及び磁性体粒子を含む磁性分子をセンサチップ上に導入した状態で、下部コイルに直流電流を流し磁場を発生させ、センサチヅプ表面に磁性分子を引き付ける。

ステップ S 2 0 2においては、下部コイルによる磁場を O F Fする。

ステップ S 2 0 3においては、上部コイルに直流電流を流し磁場を発生させ、センサチヅプ表面から磁性分子を遠ざける。

ステップ S 2 0 4においては、上部コイルによる磁場を O F Fする。

ステップ S 2 0 5においては、予め設定した磁性分子のセンサチップ表面への結合が完了する時間、あるいは、回数に至るまで、再びステップ S 2 0 1に移行し、ステップ S 2 0 1〜 S 2 0 4までのステヅプを繰り返す。

ステツプ S 2 0 6においては、上部コイルに交流電流を流すことにより交流磁場を印加する。

ステップ S 2 0 7においては、各々のホール素子の出力信号を取得する。具体的には、測定装置本体側にあるセンサチヅプ制御回路 8 2より特定のホール素子を選択するためのァドレス信号をセンサチヅプにあるアレイ選択回路 7 1に送る。アレイ選択回路 7 1は、このアドレス信号に基づいて、上述のように、指定されたホール素子を選択する。そのホール素子からの出力信号は、センサチップ上の増幅回路 8 1によって増幅される。上述のように増幅回路 8 1は、出力信号のうち、印加される磁場の周波数に対応する周波数成分のみを取り出すための検波回路を内蔵する。検波回路により取り出され、増幅された出力信号はメモリ 8 3 に保存される。

ステップ S 2 0 8においては、上述のように、出力信号を取得すべき全てのホール素子から信号を取得したか否か判断し、取得していない場合には、再びステヅプ S 2 0 7に移行する。これにより、全てのホール素子における出力信号を取得する。

ステップ S 2 0 9においては、上部コイルの磁場を O F Fする。ステップ S 2 1 0においては、ステップ S 2 0 7において取得した各々のホ一ル素子における出力値をメモリ 8 3から取り出し、信号処理回路 8 2において、隣接したホール素子の出力値を比較する。隣接したホール素子の状態が同じ、すなわち共に磁性分子が結合しているか、共に磁性分子が結合していない場合、出力値は同じである。隣接したホール素子の状態が異なる、すなわちどちらか一方のみ磁性分子が合している場合、結合している方の出力値は磁性分子により磁束が収束されているため、結合していない方の出力値に比べ大きくなる。

全てのホール素子について隣接したホール素子の出力値を比較することにより、磁性分子の結合している領域と結合していない領域の境界を特定することができる。その結果センサチヅプ上に結合している磁性分子の数を特定することがでさる。

以上説明した図 8の動作を実現するためのプログラムを用いることによってバィォセンサが制御される。すなわち、このプログラムは、上述のバイオセンサを制御するためのプログラムであり、上記オフセヅト値補正ステップにおいては、上記磁気センサに一定の周波数で印カロされる磁場によって、上記磁場に対応する周波数で出力される信号を含む検知素子の出力信号から、上記磁場に対応する周波数成分のみを取り出すことにより、直流成分として含まれるオフセヅト信号を除去することができる。

すなわち、検知素子の出力信号は、印加された交流磁場の周波数に対応した交流信号と、磁場の印加にかかわらず出力される直流のオフセヅト信号と、を有している。検波回路によって、この検知素子の出力信号のうち、印加された交、流磁場の周波数成分のみを取得することにより、素子の出力信号に含まれる直流成分として含まれるオフセット値を除去することができる。

更に、上記磁性分子の磁気センサ表面への導入後、上記測定ステヅプの前におレ、て、上言 »気センサ表面の対向位置に配置された第 1の磁場発生手段と、上記磁気センサ表面より下部に配置された第 2の磁場発生手段とによって、交互に磁場を形成することにより、磁性分子を撹拌する撹拌ステップを、更に、含み、上記撹拌ステヅプにおいては、上言気センサ表面に垂直な方向に形成される磁束密度の傾きを交互に反転させることにより、測定対象物と磁性分子が合す T JP03/00847 る速度を高め、更に測定対象物と結合した磁性分子が磁気センサ表面に固定された分子受容体と結合する速度を高めることが望ましい。

請求の範囲の記載に関し、本発明は更に以下の態様を取りうる。

( 1 )前記第 1の磁場発生手段と、前記第 2の磁場発生手段と、が交互に磁場を発生するように切り替えるための磁場切替手段を、更に、有し、

前言兹場切替手段によって磁気センサ表面において交互に磁場の分布を変化させることにより、磁性分子を撹拌することを特徴とする請求の範囲第 1 3項記載のバイオセンサ。

これにより、磁性粒子が試料溶液中で撹袢され、測定において標識として用いられる磁性粒子と、他の物質との結^ i度が高められ、測定時間を短縮ィ匕することができる。

尚、磁場切替手段は、例えば、第 1の磁場発生手段として用いられる第 1のコィルと、第 2の磁場発生手段として用いられる第 2のコイルとに、交互に電流を流すためのスィッチとして構成する。切り替える回数、切り替える時間等は予め設定可能としてもよい。

(第 3の実施形態）

次に、図 9を用いて本発明の第 3の実施形態にかかるバイォセンサの検出原理を説明する。図 9は、センサチヅプ 1の半導体ホール素子 2近辺の断面を模式的に表したものである。半導体ホール素子 2の表面に抗体として構成される分子受容体 6 1が固定されている。その分子受容体 6 1に測定対象物 6 2が特異的に結合している。さらに、その測象物 6 2には、磁性ィ雄子 5 1が、抗体として構成される分子受容体 6 3と測定対象物 6 2との特異的結合を介して結合している。この磁性ィ雄子 5 1と分子受容体 6 3とは互いに結合して、磁性分子 5を構成するものである。

センサチヅプ 1表面を下向きに配置し、裏側コイル C R (第 2の磁場発生手段 ) を設置する。裏側コイル C Rにより発生する磁場を、磁性分子がセンサチヅプ 1表面に引き付けるのに十分な強さに設定する。磁性分子の一部は図 9に示すように、センサチップ 1表面に結合する。この状態で、センサチップ 1表面に結合せずに浮遊している磁性分子が重力により下方へ沈む程度に裏側コィル C Rにより発生する磁場を弱める。

図 9では磁束 Bが、矢印 Z 2で示される方向に形成され、半導体ホール素子面に対して垂直であることが示されている。磁束 Bは磁性 ί«立子 5 1により収束されるため、磁性体粒子 5 1が無い場合に比べて半導体ホール素子 2での磁束密度は増加する。このとき下方へ沈んだ磁性分子 5は半導体ホール素子 2により検知する磁束密度には影響しない。半導体ホール素子 2の出力電圧は磁束密度に比例するため、この出力電圧により磁性分子 5が半導体ホール素子 2上に結合しているか否かを判定できる。

また、本実施の形態においては、裏側コイル C Rは、センサチップ 1への磁性 ,分子の導入時、磁性分子がセンサチップ 1表面に引き寄せられるだけ十分な強さの磁場を、間欠的に発生させ、磁性粒子を上下に動かして撹拌することにより測定対象物と磁性粒子が合する速度を高め、更に、測定対象物と結合した磁性粒子が磁気センサ表面に固定された分子受容体と結合する速度を高めることが望ましレ、。

この第 3の実施形態におけるコイルにより磁性分子に加える磁場の様子は、図 1 0に示されている。

先ず磁性分子を攪拌し分子受容体と測定対象物との反応を促進する。この撹拌開始 Τ！から撹拌終了 Τ ₂までの間に、裏側コィル C Rによつて磁性分子を弓 Iき付けるに十分な程度に強い磁場強度 B iの磁場を間欠的に印加する。同図では発生する磁場は両極であるが、単極でも良い。反応終了後ヽ測定ステップ（測定開始 T ₃から測定終了 T ₄まで）では、磁性分子の磁化が颜ロしない程度の磁場強度 Β 2の弱い交流磁場を裏側コィル C Rにより発生させ、全ての磁気センサの信号を測定する。

次に、図 1 1のフローチャートを用いて、本発明の第 3の実施形態にかかるバィォセンサ全体の回路動作について説明する。ノォセンサ全体の構成は、図 6 と同じであるが、同図の増幅回路 8 1は、更に、半導体ホール素子の出力信号のうち周波数成分のみを取り出すための検波回路を含んで構成されている。

ステップ S 3 0 1においては、測定対象物及び磁性体粒子を含む磁性分子をセンサチヅプに導入した状態で、裏側コイルに間欠電流を流し磁場を発生させ、電流が流れている間はセンサチヅプ表面に磁性分子を引き付ける。

ステップ S 3 0 2においては、予め設定した磁性分子のセンサチヅプ表面への結合が完了する時間に至るまで、再びステヅプ S 3 0 1に移行し、ステップ S 3 0 1〜S 3 0 2までのステップを繰り返す。

ステップ S 3 0 3においては、裏側コイルによる磁場を O F Fする。

ステヅプ S 3 0 4においては、裏側コイルに交流電流を流すことにより交流磁場を印加する。

ステップ S 3 0 5においては、各々のホール素子の出力信号を取得する。具体的には、測定装置本体側にあるセンサチヅプ制御回路 8 2より特定のホール素子を選択するためのアドレス信号をセンサチップにあるアレイ選択回路 7 1に送る。アレイ選択回路 7 1は、このアドレス信号に基づいて、上述のように、指定されたホール素子を選択する。そのホール素子からの出力信号は、センサチップ上の増幅回路 8 1によって増幅される。上述のように増幅回路 8 1は、出力信号のうち、印加される磁場の周波数に対応する周波数成分のみを取り出すための検波回路を内蔵する。検波回路により取り出され、増幅された出力信号はメモリ 8 3に保存される。

ステップ S 3 0 6においては、上述のように、出力信号を取得すべき全てのホール素子から信号を取得したか否か判断し、取得していない場合には、再びステヅプ S 3 0 5に移行する。これにより、全てのホール素子における出力信号を取得する。

ステップ S 3 0 7においては、裏側コイルの磁場を O F Fする。

ステップ S 3 0 8においては、ステップ S 3 0 5において取得した各々のホ一ル素子における出力値をメモリ 8 3から取り出し、信号処理回路 8 2において、分子受容体を表面に備えていない、すなわち基準領域に配置されたホール素子と分子受容体を表面に備えたホール素子の出力値を比較する。分子受容体を表面に備えたホール素子は磁性分子が合していなヽ場合、基準領域のホール素子と出力値が同レベルとなる。磁性分子が結合している場合、磁性分子により磁束が収束されているため出力値が大きくなる。

全ての分子受容体を表面に備えたホール素子について、分子受容体を表面に備えないホール素子と出力値を比較することにより、センサチップ上に結合している磁性分子の数を特定することができる。

図 12は、本実施の形態におけるホール素子の配置の様子を示す図である。同図においては、ホール素子 2 a, 2b, 2 cのうち、ホール素子 2 a， 2 c の表面にのみ分子受容体が備えられている。

このホール素子の 2つの出力端子の電圧の差分であるホール電圧の大きさを V D、ホール素子に加わる磁場の磁束密度の大きさを Bとすると、下記の式（1) の関係がある。

VD = A X B …式（1) (Aは比例定数）

表面に磁性分子が結合していない状態で、裏側コイルによりホール素子に加わる磁場の磁束密度の大きさを B 0とし、表面に磁性分子が結合した状態での磁束密度の大きさを BO (1 +Δ) とすると、ホ一ル素子 2 a, 2 b, 2 cそれぞれのホール電圧の大きさ¥0₂ 0_2¾3，¥0₂。は、それぞれ以下の式（2)〜（4) により表される。

VD_2a = A X B0 (l+Δ) …式（2)

VD_2b = A x BO ·■·式（3)

VD_2c = A x BO ···式（4)

ホール素子の感度すなわち Aが常に一定、かつコイルによりホール素子に加わる磁場の磁束密度の大きさ B 0が一定の場合、個々のホール素子表面での磁性分子の結合の有無はホール電圧の絶対値により判別できる。しかしながら、感度及びコイルにより加わる磁束密度は、実際には近接したホール素子間では大きさは同じになるが、製造工程のバラツキやホール素子とコイルの間の距離のバラヅキ等により絶対値は常に一定にはならない。従って、個々のホール素子においてそのホール電圧のみでは表面の磁性分子の結合の有無を判別するのが困難となる。ホール素子 2 bのホール電圧の大きさを基準に、ホール素子 2 a, 2 cとのホ —ル電圧の差をとると、それぞれ式（5)及び（6)で表される値となる。

VD_2a 一 VD_2b = A X BO x 厶 ···式（5)

VD_2c 一 VD_2b = 0 …式（6)

このように、分子受容体を表面に備えない、基準領域のホール素子のホール電圧を基準にすることにより感度や磁束密度の絶対値が変動したとしても、差分がゼ口か否かで磁性分子の結合の有無を判別できる。

又、比較においては、このように差分を求めて結合の有無を特定することもできるし、例えば、後述のように、比較対照となるホール電圧を基準領域のホール電圧で割った値に基づいて、結合の有無を判断することもできる。

尚、基準領域は、上述のように、例えばあらかじめ金薄膜の未形成領域をセンサ表面に設けておく。これにより、分子受容体の固定時には、基準領域に分子受容体が固定されず、磁性 ί雄子 5 1が結合不能な領域が作成される。又、基準領域はセンサ表面に、 1つとは限らず、複数あってよい。

以上説明した図 1 1の動作を実現するためのプログラムを用いることによってノイォセンサが制御される。

すなわち、このプログラムは、上述のバイオセンサを制御するためのプログラムであり、

上記オフセヅト ί直補正ステヅプにおいては、上記磁気センサに一定の周波数で加される磁場によって、上言兹場に対応する周波数で出力される信号を含む検知素子の出力信号から、上記磁場に対応する周波数成分のみを取り出すことにより、直流成分として含まれるオフセヅト信号を除去することができる。

すなわち、嫩 [I素子の出力信号は、印加された交流磁場の周波数に対応した交流信号と、磁場の印加にかかわらず出力される直流のオフセット信号と、を有している。検波回路によって、このロ素子の出力信号のうち、 EU加された交流磁場の周波数成分のみを取得することにより、嫩 Π素子の出力信号に含まれる直流成分として含まれるオフセヅト値を除去することができる。

更に、上記磁性分子の磁気センサ表面への導入時に、上記磁性分子を該磁気センサ表面に近づけるための磁場を発生する磁場発生手段を、該磁性分子を撹拌可能に間欠的に動作させる。

上記撹拌ステツプにおいては、上言気センサ表面に垂直な方向に間欠的に磁束を形成することにより、測^ f象物と磁性分子が結合する速度を高めることができる。また更に、測定対象物と結合した磁性分子が、磁気センサ表面に固定された測定対象物を捕捉する分子受容体と、測定対象物である源を介して結合する速度を高めることができる。

図 13には、測定ステップにおいて得られた測定対象物を捕捉する分子受容体を表面に備えた 5個のホール素子の出力値を分子受容体を表面に備えないホール素子の出力値で割った値を表に示す。

この測定においては、図 4に示されるような形状のホール素子をアレイ状に配置し、さらにアレイ選択回路、増幅回路を同一シリコン ¾ί反上に作製した。このホール素子のソース ®S 31—ドレイン 32間の距離は約 6. 4〃 m、感受面、すなわちゲート電極 30下に形成されるチャネルから絶縁層 12の表面までの距離が約 2. 8〃mである。アレイ状に配置されているホール素子の配置ピヅチは 12. 8 mである。アレイ選択回路により選択されたホール素子のソ一ス mm-ドレイン i¾i間の電圧は約 4 v、ソ一ス SM—ゲ一ト m¾間の電圧は約 5

Vとした。コイルによりホール素子面上に発生させた磁束密度は 20Hz、約 5 0 Grmsである。磁性体粒子は直径が 4. 5 mのダイナル社製磁性体粒子（商品名： DYNABEADS) を用いた。

図 13を参照すると、 No. 2、 No. 4、 No. 5の半導体ホール素子の出力が、分子受容体を表面に備えない半導体ホール素子の出力に対して約 5 %大きい。このため半導体ホール素子 No. 2、 No. 4、 No. 5に、磁性ィ«子が結合していることが推測される。また、顕微鏡による確認においては、半導体ホ —ル素子 No. 2、 No. 4、 No. 5表面に磁性子が結合し、 No. 1、 No. 3表面には結合していない。ゆえに、図 13の結果と一致する。

(第 4の実施形態）

図 14には、第 4の実施形態において用いるセンサチヅプの断面が模式的に示されている。

同図においては、センサチップ 1の上部に磁石が配置されている。このとき磁石による磁束 Bは、矢印 Zで示される方向に形成され、半導体ホール素子面に対して垂直である。磁束 Bは磁性体粒子 51により収束されるため、磁性ィ«立子 5 1が無い場合に比べて半導体ホール素子 2での磁束密度は増加する。半導体ホ一ル素子 2の出力電圧は磁束密度に比例するため、この出力電圧により磁性分子 5 が半導体ホール素子 2上に結合して、るか否かを判定できる。 00847 図 1 5のフローチャートを用いて、図 1 4に示されるバイォセンサを用いた第 4の実施形態にかかるバイオセンサ全体の回路動作について説明する。バイオセンサ全体の構成は、図 6に示されるものと同様のものを用いている。

ステップ S 4 0 1においては、測定対象物及び磁性体粒子を含む磁性分子をセンサチップ上に導入しない状態で、磁石により磁場を印カロし、磁性分子結合前の磁場の強さを取得する。具体的には、測定装置本体側にあるセンサチップ制御回路 8 2より特定のホール素子を選択するためのァドレス信号をセンサチップにあるアレイ選択回路 7 1に送る。アレイ選択回路 7 1は、このアドレス信号基づいて、上述のように、指定されたホール素子を選択する。そのホール素子からの出力信号は、センサチヅプ上の増幅回路 8 1によって増幅し、初期値としてメモリ 8 3に保存する。

ステップ S 4 0 2においては、センサチヅプ制御回路にぉレ、て、出力信号を取得すべき全てのホール素子から信号を取得したか否か判断し、取得していなレ、場合には、再びステヅプ S 4 0 1に移行し、全てのホール素子について、その出力信号を取り出し、記録する。

ステップ S 4 0 3においては、磁場を印加しない状態で測定対象物および磁性分子をセンサチップ上に導入し、結合が終了した時点で磁石により、ステップ S 4 0 1と同様の強さの磁場を印加する。この状態で、上述のように、センサチヅプ制御回路 8 2よりホール素子のァドレス情報をセンサチップに送り、出力信号を取り出す。

ステップ S 4 0 4においては、ステップ S 4 0 1において取得した同じホーレ素子における初期値をメモリ 8 3から取り出し、信号処理回路 8 2において、ステヅプ S 4 0 3において取り出した出力信号と、その初期値と、を比較する。

ステップ S 4 0 5においては、ステヅプ S 4 0 4における]:匕較結果を出力する。磁性分子が結合しているホール素子の出力は、同様の強さの磁場を印カロしたにもかかわらず、初期値に対して変ィ匕しているため、任意の位置にあるホール素子上に磁性分子が合しているか否かを特定することができる。また、後述のように、全てのホール素子についての比較結果を得ることにより、センサチヅプ上に結合している磁性分子の数を特定することができる。この比較結果は用途に応じて、センサチヅプ上に結合している磁性分子の数あるいは位置情報として出力する。

ステップ S 4 0 6においては、上述のように、出力信号を取得すべき全てのホール素子から信号を取得したか否か判断し、取得していない場合には、再びステヅプ S 4 0 3に移行する。これにより、全てのホール素子における磁性分子の結合状態を取得する。

以上説明した図 1 5の動作を実現するためのプログラムを用いることによってノ Wォセンサが制御される。すなわち、このプログラムは、ノ^オセンサを制御するためのプログラムであり、磁性分子が結合する前において、磁気センサに印カロされた磁場の強さを取得する結合前測定ステップと、磁性分子が結合した後において、磁気センサに印加された磁場の強さを取得する結合後測定ステヅプと、結合前の磁場の強さと、結合後の磁場の強さと、を比較することにより、結合した磁性分子の量を特定する計量ステップと、を含むものである。また、結合前測定ステップと結合後ステップとは、 2次元のアレイ状に配置された撤口素子の各々を選択して、検知素子の各々が検知する磁場の強さを取得する。なお、ノィォセン制御プログラムは、ノ Wォセンサの測定装置本体に搭載される上述のメモリに、あるいは、測定装置本体に搭載される読出し専用記憶装置に記録し、又は、他のコンピュー夕等の記憶装置に保持して、使用することができる。

結合前の出力信号と、結合後の出力信号とが図 1 6に示されている。

この測定においては、図 3に示されるような形状のホール素子をアレイ状にハ配置し、さらにアレイ選択回路、増幅回路を同一シリコン銀反上に作製した。このホール素子のソース 3 1—ドレイン 2間の距離は約 6 . 4 jum, 感受面、すなわちゲート ®S 3 0下に形成されるチャネルから絶縁層 1 2の表面までの距離が約 5 mである。アレイ状に配置されているホール素子の配置ピッチは 1 2 . 8 / mである。増幅回路のゲインは 1 0 0倍とした。アレイ選択回路により選択されたホール素子のソース電極一ドレイン電極間の電圧は約 4 V、ソ一ス電極一ゲート電極間の電圧は約 5 Vとした。磁石はホール素子面上で約 2 5 0 0ガウスとなるものを用いた。磁性体粒子は直径が 4 . 5〃mのダイナル社製磁性体粒子（商品名： D YNAB E AD S ) を用いた。 PC胸麵 47 図 16には、磁性分子の結合前後のアレイ状に配置した 5つのホ一ル素子からの出力信号値を示す。図 16を参照すると、各々異なる位置にアレイ状に配置された半導体ホール素子 No. ；!〜 No. 5における結合前出力電圧（mV)、結合後出力電圧 (mV 及び、それらの電圧の差分 (mV)は、それぞれ、半導体ホ —ル素子 No. 1は、（882, 882, 0 )、半導体ホール素子 N o . 2は、 (8 86, 887, 1)、半導体ホ一ル素子 No. 3は、（885, 885, 0)、半導体ホール素子 No. 4は、（887, 892, 5 )、半導体ホール素子 N o . 5は、（886, 887, 1)である。結合前後の差分から明らかに、磁性分子が付着した半導体ホール素子 N 0. 4からの出力信号のみが増加している。このため半導体ホ一ル素子 No. 4のみに、磁性分子が結合していることが推測される。また、顕微鏡による確認においては、結合前と結合後でホール素子上に磁性分子が結合した半導体ホール素子は No. 4のみで、その他の半導体ホール素子上には磁性分子は結合していない。ゆえに、これは出力信号の結果と一致する。

なお、以上の説明は、本発明の特定の実施形態に関するものであり、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々の変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。産業上の利用の可能性

本発明にかかるバイオセンサを用いることにより、測定対象物の 2次元分布、あるいは、結合する測定対象物の量を特定することができる。

特に、磁気センサ表面のそれぞれ異なる領域の磁場の強さの比較に基づいて測定対象物の量を特定することにより、比ォ照となる磁場の値と、基準となる磁場の値とが、同じ状態、すなわち磁気センサに磁性分子や測定対象物を導入した状態のまま取得することができるので、測定を迅速に行うことができる。また、磁性分子が結合不能な基準領域における出力値を得て、各検知素子の出力値と比較することにより、センサ感度の変動や磁束密度の絶対値の変動等にかかわらず、結合の有無の判断が正確に可能になると共に、より微量な磁場の変ィ匕の検知も可能になる。さらに、センサの構成に依存するオフセット値についても、磁性分子等を導入した試料溶液の条件、装置の動作条件等を測定時と同様にして取得することができるので、より精度の高い測定を行うことができる。

更に、半導体ホール素子の表面を磁性分子と同等以下の大きさとし、その配置閭隔を磁性子よりも大きくすることにより、他の磁性分子による千渉を排除して口及び分析の精度を向上させることができる。

また、分子受容体を磁気センサ表面に選択的に固定することにより、例えば、半導体ホール素子の設置位置に対応する部分に固定させることにより、分子受容体に結合する磁性分子の嫌口状態を調節等することができる。

また、半導体ホール素子によって磁気センサを構成することにより、配線を共通化することができるため、素子の数を簡単に増やすことができ、安価で、小型のノィォセンサを構成することができる。

また、磁場を利用してセンサ表面に未結合の磁性分子をセンサ表面から遠ざけることにより、定量の際に磁気センサ表面に結合せずに浮遊する磁性分子を洗ヽ流す操作をすることなく、迅速にかつ正確に測定を行うことができる。

未結合の磁性分子を磁石等により除去後、測定を行うこととしてもよいが、センサ表面を下側に向けてバイオセンサを構成することにより、未結合分子の隔離と、測定を同時におけなうことができ、なおかつ、測定時に印加すべき磁場強度を飽和しない程度に抑制することができ、これにより、より大きなホール素子からの出力値を得ることができる。

更に、磁気センサ表面に磁性分子を引き寄せる磁場発生手段を設けることにより、磁性分子の磁気センサ表面への結合を早めて、測定時間を短縮することができる。

また、磁気センサと、選択手段と、信号増幅回路とを、 1チヅプ上に形成することにより、磁気センサを小型ィ匕すると共に、試料溶液に応じて磁気センサを取り替えて使用することができる。

Claims

請求の範囲

1 . 結合した磁性分子により形成される磁場を検知するための ί^Π素子が X行 Υ列（X及び Υは、自然数、以下同じ）の 2次元に配置されてなる磁気センサによって、前記磁性分子の量を測定することにより測定対'象物の分析を行うバイオセンサであって、

前言 Βί¾気センサのセンサ面の互いに異なる領域の磁場の強さ同士を比較することにより、前記結合した磁性分子の量を特定する信号処理手段を含み、前記特定された磁性分子の量に基づいて測定対象物の分析を行うことを特徴とするバイオセンサ。

2 . 前記センサ面には、前記磁性分子が合不能な基準領域が設けられており前記信号処理手段は、前記基準領域の磁場の強さを基準として比較を行うことを特徴とする請求の範囲第 1項記載のバイオセンサ。

3 . 前記 X行 Υ列に配置された検知素子の各々を選択し、その出力を取り出すための選択手段を、更に含むことを特徴とする請求の範囲第 1項又は第 2項記載のバイオセンサ。

4. 前記検知素子による磁場の検知が可能な各検知空間は、結合する羅3磁性分子が略 1分子となるような大きさであることを特徴とする請求の範囲第 1項から第 3項のいずれかに記載のバイオセンサ。

5 . 前記磁気センサには、前記検知素子同士が互いに異なる磁性分子を嫌口するような間隔で配置されることを特徴とする請求の範囲第 1項から第 4項のいずれかに言 3載のバイオセンサ。

6 . 前記検知素子は、半導体ホール素子を含むことを特徴とする請求の範囲第 1項から第 5項のいずれかに記載のバイォセンサ。

7 . 隣接する前記嫌口素子同士は、前言碰性分子の直径以上の間隔をおいて、隣接配置されることを特徴とする請求の範囲第 5項又は第 6項記載のバイォセンサ。

8 · 前記センサ面には、前記磁性分子と結合する分子受容体を特定領域に選択的に固定させるための表面処理がなされていることを特徴とする請求の範囲第 1 項から第 7項のいずれかに記載のバイオセンサ。

9 . 前記センサ面には、前記磁性分子の大きさに対応する大きさの凹部が備えられ、

前記センサ面は、編 3磁性分子と結合する分子受容体を該凹部にのみ備えることを特徴とする請求の範囲第 8項記載のノォセンサ。

1 0 . 前記センサ面には、編己特定領域に金薄膜が形成され、チオール基によつて末端が修飾された前記分子受容体を選択的に固定することを特徴とする請求の範囲第 8項又は第 9項記載のノ Hォセンサ。

1 1 · 編 B鮮領域には、己分子受容体が固定不能なように表面処理がなされていることを特徴とする請求の範囲第 1項から第 1 0項のいずれかに記載のバィォセンサ。

1 2 . 前記センサ面の対向位置に配置され、前記センサ面に印加する磁場を発生する第 1の磁場発生手段を含むことを特徴とする請求の範囲第 1項から第 1 1 項のいずれかに記載のバイオセンサ。

1 3 . 前記センサ面の裏側に配置され、前記センサ面に印加する磁場を発生する第 2の磁場発生手段を含むことを特徴とする請求の範囲第 1項から第 1 2項のいずれかに記載のバイオセンサ。

1 4 . ΙΐίΙ3磁気センサは、そのセンサ面が重力の働く方向に配置されることを特徴とする請求の範囲第 1項から第 1 3項のいずれかに記載のバイオセンサ。 1 5 . 前記第 1あるいは第 2の磁場発生手段が間欠的に磁場を発生させる手段を含むことを特徴とする請求の範囲第 1 2項から第 1 4項のいずれかに記載のバィォセンサ。

1 6 . 前記磁気センサと、前記選択手段と、前記撤！]素子の出力信号を増幅する信号増幅回路とが、 1チヅプ上に形成されることを特徴とする請求の範囲第 3 項から第 1 5項のいずれかに記載のバイオセンサ。

1 7 . 前記第 1あるいは第 2の磁場発生手段が、一定の周波数で磁場を発生させ、前記 Π素子の出力信号から前言兹場に対応する周波数成分のみを取り出す検波回路を含むことを特徴とする請求の範囲第 1 2項から第 1 6項のいずれかに記載のバイオセンサ。

1 8 . 編 3半導体ホール素子は、一対の電流端子と、前記電流端子間に流れる電流を制御するゲートと、電流が前記電流端子間に流れる電流に略垂直に流れるように配置された一対の出力端子を有することを特徴とする請求の範囲第 6 項から第 1 7項のいずれかに記載のバイオセンサ。

1 9 . 前記ゲート電極は、同一の列に配置された前記半導体ホール素子に共通のゲ一ト電極線に接続され、

前記選択手段は、前記ゲート電極線と、一対の電¾¾子線と、一対の出力端子線と、を選択することにより、任意の位置に配置された fif 3半導体ホール素子の出力信号を取り出すことを特徴とする請求の範囲第 1 8項記載のバイオセンサ。 2 0 . 結合した磁性分子により形成される磁場を辦 0するための ¾ (素子が X 行 Y列（X及び Yは、自然数、以下同じ）の 2次元に配置されてなる磁気センサにより前言性分子の量を測定する磁性分子測定方法であつて、

前言 ¾気センサのセンサ面の互いに異なる領域の磁場の強さを取得する測定ステヅフ。と、

前記測定ステヅプにより取得した前記互レヽに異なる領域の磁場の強さ同士を比較することにより、編 3結合.した磁性分子の量を特定する計量ステップと、を含むことを «とする磁性分子測定方法。

2 1 . ff3計量ステップにおいては、前記測定ステップにより取得した磁性分子が結合不能な基準領域の磁場の強さをとして比較を行うことを特徴とする請求の範囲第 2 0項記載の磁性分子測定方法。

2 2 . 結合した磁性分子により形成される磁場を検知するための検知素子が X行 Y列（X及び Yは、自然数、以下同じ）の 2次元に配置されてなる磁気センサにより編3磁性分子の量を測定する磁性分子測定方法であって、

前記磁性分子が結合する前において、磁場の強さを取得する結合前測定ステツプと、前記磁性分子が結合した後において、磁場の強さを取得する結合後測定ステツプと、

前記結合前の磁場の強さと、前記結合後の磁場の強さと、を比較することにより、編3結合した磁性分子の量を特定する計量ステップと、を含むことを特徴とする磁性分子測定方法。

2 3 . 前言 ·口素子から出力されるオフセヅト値を取得するオフセヅト値取得ステップを、更に、含むことを特徴とする請求の範囲第 2 0項から第 2 2項のいずれかに記載の磁性分子測定方法。

2 4. 前記測定ステヅプにおいては、 iff己センサ面に一定の周波数で印加される磁場によって、前言 ¾場に対応する周波数で出力される信号を含む検知素子の出力信号を取得し、

前記計量ステツプにおいては、前記測定ステヅプにおいて取得した検知素子の出力信号から前記磁場に対応する周波数成分のみを取り出すことにより、直流成分として含まれるオフセヅト値を除去して得た値を用いて比較を行うことを特徴とする請求の範囲第 2 0項又は第 2 1項記載の磁性分子測定方法。

2 5 . 前記磁性分子の前記センサ面への導入時に、磁場発生手段により前記磁性分子を前記センサ面に近づけるための磁場を発生する結合加速ステヅプを、更に、含むことを特徴とする請求の範囲第 2 0項から第 2 4項のいずれかに記載の磁性分子測定方法。

2 6 . 編 3磁性分子のセンサ面への導入後、前記センサ面の対向位置に配置された第 1の磁場発生手段と、 ΙίίΙ3センサ面の裏側に配置された第 2の磁場発生手段とによって、交互に磁場を形成することにより、磁性分子を撹拌する撹拌ステップを、更に、含むことを特徴とする請求の範囲第 2 0項から第 2 5項のいずれかに記載の磁性分子測定方法。

2 7 . 擺 3結合加速ステヅプおよび攪拌ステヅプにおいては、前言性分子の磁化が飽和状態になる様な強さの磁場を印カロし、

前記測定ステヅプにおいては、前言性分子の磁化が飽和状態にならない様な強さの磁場を印加することをとする請求の範囲第 2 6項記載の磁性分子測定方法。

2 8 . 請求の範囲第 1項から第 1 9項のいずれかに記載のバイオセンサを用いた測定対'象物の測定方法であつて、

前言兹性分子として、結合する前記測定対象物と特異的に結合する分子を用い測定対象物に特異的に結合した前言性分子の量をバイォセンサを用いて特定するステヅプと、

前言性分子の量に基づいて、測定対象物の量を特定するステップと、を含むことを特徴とする対象物測定方法。

2 9 . 請求の範囲第 1項から第 1 9項のいずれかに記載のバイオセンサを用いた測定対象物の測定方法であつて、

前記磁性分子として、結合する前記測定対象物と可逆的に置換可能な分子を用い、

前性分子の量に基づいて、測定対象物の量を特定するステップと、を含むことを特徴とする対象物測定方法。