WO2005111597A1

WO2005111597A1 - 磁性微粒子の検出装置

Info

Publication number: WO2005111597A1
Application number: PCT/JP2005/006010
Authority: WO
Inventors: Adarsh Sandhu; Hideaki Sanbonsugi
Original assignee: The Circle For The Promotion Of Science And Engineering
Priority date: 2004-05-17
Filing date: 2005-03-30
Publication date: 2005-11-24

Abstract

　コイルから発生するノイズ源を減らし、簡易な装置にて安価に高精度且つ高速に磁性微粒子を検出可能な検出装置を提供する。　検出装置は、ホール効果を用いるＸＹ平面に置かれるホール素子１を有する。ホール素子は直流電源２で駆動される。ホール素子上にＸ軸方向の交流磁界を印加した状態で、永久磁石３によりＺ軸方向の直流磁界をホール素子上に印加する。これにより変動する磁性微粒子のＺ成分の磁化をロックインアンプ７で検出する。Ｘ軸方向の交流磁界は、コイル４と交流電源５により発生させても良く、永久磁石１０とモータ１１や、交流電源２１と導線２２等により発生させても良い。

Description

明細書

磁性微粒子の検出装置

技術分野

[0001] 本発明は磁性微粒子の検出装置に関し、特に、そのセンサとしてホール素子を用 V、る磁性微粒子の検出装置に関する。

背景技術

[0002] 磁性微粒子、例えばバイオテクノロジーの分野で用いられる市販の超常磁性マイク口ビーズは、直径 2, 3マイクロの高分子基材に拡散された γ— Fe Oや Fe Oのナ

2 3 3 4 ノメートルサイズの多数の粒子力もなる。ビーズは、異なる化学的なコーティングで覆われ、所望のターゲット (細胞、核酸、ノクテリア等）に結合するように構成されている

。このような磁性微粒子を検出することで、腫瘍細胞の分離や DNA配列の決定等、所謂バイオスクリーニングを行うことが可能となる。バイオスクリーニングでは、このようなビーズの性格且つ高速な検出装置の開発が望まれている。

[0003] また、永久磁石に用いられる材料の微粒子の研究や測定を行うのに、磁性微粒子の検出装置が用いられることもある。

[0004] このような磁性微粒子の検出法は、磁ィ匕率を測定することで行われる。例えば、特許文献 1に開示のような、超伝導量子干渉デバイス（SQUID)をセンサとして用い、磁性微粒子を検出しょうとするものがある。これは、磁性微粒子に交流磁界を印加し

、その信号を SQUID磁気センサにより検出するものである。

[0005] また、例えば特許文献 2に開示のような、巨大磁気抵抗効果素子 (GMR素子)をセンサとして用いた検出法もある。

[0006] さらに、非特許文献 1に開示のような、 Siホール素子を用いた検出法もある。

[0007] 特許文献 1 :特開 2001— 133458号公報

特許文献 2 :特開平 11 101861号公報

非特干文献 1 : Pierre— A. Besse等「Detection of a single magnetic micro bead using a miniaturized silicon Hall sensorj APPLIED PHYSICS LETTERS, Vol. 80、 No. 22、 2002年 6月 3日、 p. 4199—4201 発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0008] し力しながら、 SQUIDを用いる場合、低温での測定が必要なため装置が複雑化する。したがって、装置が高価になってしまう問題があった。また、このセンサの分解能は数ミクロン程度であるため、ナノメートルサイズの磁性微粒子を検出することはできなかった。

[0009] また、 GMR素子を用いる場合、 GMR素子の製造工程が複雑であり、数ミクロン以下の微細化は困難であり、装置が高価になってしまう問題があった。また、このセンサの分解能も数ミクロンのため、ナノメートルサイズの磁性微粒子の検出はできなカゝつた。さらに、素子と磁性微粒子間の距離は数ミクロンのため、最小限検出可能な磁性微粒子の磁界がかなり限られて、た。

[0010] さらに、 Siホール素子を用いる場合、磁気コイルを使うため装置が複雑ィ匕するので高価になってしまう問題があった。また、コイルによるノイズも問題となっていた。また、コイルによる限られた発生磁界量のため、分子量の小さい磁性微粒子を測定できないという問題もあった。さらに、 Siの CMOS技術では、ホール素子と磁性微粒子間の距離は数ミクロン程度開いてしまうため、最小限検出可能な磁性微粒子の磁界がかなり限られていた。

[0011] なお、高感度な検出装置を実現するためには、検出センサと磁性微粒子間の距離は近いことが望まれる。これは、センサ ·粒子間の距離と磁界との関係が、以下の式で表わされるためである。

磁界 = l/d³

但し、 dはセンサと粒子間の距離

[0012] また、コイルによる最大磁界量は限られており、例えば交流磁界はコイルの直径が

20mmの場合で 80Oe程度、直流磁界はコイルの直径が 100mmの場合で 300Oe 程度である。したがって、磁気コイルを用いた装置では、飽和磁束密度の大きいナノメートルサイズの磁性微粒子の検出は困難であった。

[0013] 本発明は、斯かる実情に鑑み、ノイズ源を減らし、安価に高精度に且つ高速に磁性微粒子を検出可能な検出装置を提供しょうとするものである。課題を解決するための手段

[0014] 上述した本発明の目的を達成するために、本発明による磁性微粒子の検出装置は、ホール効果を用いる XY平面に置かれるホール素子と、ホール素子駆動用の直流電源と、ホール素子の近傍に設けられ、 Z軸方向の直流磁界をホール素子上に印加する磁石と、ホール素子の近傍に設けられ、交流磁界をホール素子上に印加する交流磁界発生手段と、ホール素子の電圧出力を入力とし、ホール素子上に置かれる磁性微粒子の Z成分の磁ィ匕の変動を検出するロックインアンプとを有するものである。

[0015] ここで、ロックインアンプは、交流磁界発生手段により発生させられる交流磁界の周波数の整数倍の周波数を参照信号周波数とすれば良、。

[0016] また、磁石は、永久磁石からなり、ホール素子上への磁界の印加を ONZOFF制御可能に設けられれば良い。

[0017] さらに、磁石は、電磁石であっても良い。

[0018] また、交流磁界発生手段は、 XY平面に設けられ、 XY平面の所定の方向の交流磁界をホール素子上に印加できるものであれば良い。具体的には、 X軸方向又は Y軸方向であっても良い。

[0019] また、交流磁界発生手段は、ホール素子の Z軸方向に設けられ、 Z軸方向の交流磁界をホール素子上に印加するものであっても良い。

[0020] さらに、交流磁界発生手段は、交流電源とそれに接続されるコイルとからなつても良い。

[0021] またさらに、交流磁界発生手段は、交流電源とそれに接続される電磁石とからなつても良い。

[0022] また、交流磁界発生手段は、永久磁石とそれを回転させる回転機構とからなつても良い。

[0023] さらにまた、交流磁界発生手段は、交流電源とそれに接続される導線とからなり、導線は、導線の周りに発生する磁界をホール素子上に印加するようにしても良、。

[0024] ここで、ホール素子は、複数のホール素子を直列に接続して構成され、導線は、直列に接続されたホール素子に渡って設けられるようにしても良い。

[0025] また、ホール素子は基板上に形成され、さらに、ホール素子上に絶縁膜と、該薄絶縁膜上のチタン又はクロム力なる基層と、該基層上の金薄膜とを具備するように構成すれば良い。

[0026] ここで、絶縁膜は、デュアルターゲットマグネトロン RFスパッタリング法により形成される窒化シリコン膜又は酸ィ匕シリコン膜であれば良い。

[0027] また、ホール素子は、 InSb, InAs, AlGaN/GaN, Bi, GaAs/AlGaAs, Siの何れかを主成分とすることが好ま、。

[0028] さらに、基板は、前記ホール素子の直下に凹部を有しても良い。この場合、ホール素子の基板側表面にも絶縁膜と基層と金薄膜とを有するようにしても良い。

[0029] また、金薄膜にチオールィ匕合物を結合してぉ、ても良!、。

発明の効果

[0030] 本発明の磁性微粒子の検出装置には、コイルを減らすことでノイズ源が減るので高精度に磁性微粒子を検出できるようになるという利点がある。また、超微細化工が容易なホール素子を用いることで、ナノメートルサイズの磁性微粒子であっても高感度に検出可能となる。また、磁気コイルを使わず装置自体もシンプルとなり、安価な装置が実現できる。さらに、ホール素子を複数直列に用いることで、一気に複数の種類の磁性微粒子の測定も可能となる。

発明を実施するための最良の形態

[0031] 以下、本発明を実施するための最良の形態を図示例と共に説明する。図 1は、本発明の第 1実施例の磁性微粒子の検出装置を説明するための概略ブロック図である。図示のとおり、ホール効果を用いるホール素子 1が XY平面上に提供され、これを駆動する直流電源 2がホール素子 1に接続される。ここで、ホール素子の材料には、 Si 等を利用することも勿論可能であるが、高精度な検出装置を実現するためには、微細加工が容易な InSbや Bi、 InAs等力なるホール素子を用いることが好まし、。

[0032] また、 Z軸方向の直流磁界 H をホール素子 1上に印加するために、ホール素子 1

DC

の Z軸側の近傍に永久磁石 3が提供される。この永久磁石 3は、ホール素子上への磁界の印加を ONZOFF制御可能なように設けられる。具体的には、ホール素子 1 力も遠ざけられるように移動自在に設ければ良い。また、磁気シールド等を用いて O NZOFF制御可能にしても良い。 [0033] そして、 X軸方向の交流磁界 H をホール素子 1上に印加するために、ホール素

ACx

子 1の X軸側の近傍にコイル 4が提供される。コイル 4〖こは、交流電源 5が接続され、交流電源 5によりコイル 4からは交流磁界が発生する。なお、交流磁界 H をホール

ACx

素子上に印加することで、ホール素子に吸着した磁性微粒子 50にも交流磁界 H ACx 力 s印カロされること〖こなる。

[0034] さらに、ホール素子 1の電圧出力端子には、必要によりプリアンプ 6を介して、ロックインアンプ 7が接続される。ロックインアンプ 7は、参照信号周波数に同期した信号のみを検出できる機能を有するものである。

[0035] ロックインアンプ 7の参照信号入力端子には、交流電源 5とコイル 4により発生する交流磁界の周波数が参照信号周波数として入力される。なお、交流磁界の周波数自体を入力しても良いし、 2倍の周波数や 3倍の周波数を入力しても構わない。即ち、交流磁界の周波数の整数倍の周波数を参照信号周波数として入力すれば良、。

[0036] このように構成された検出装置において、ホール素子 1上に磁性微粒子 50が提供される。図 2は、本発明の磁性微粒子の検出装置のホール素子 1の横断面図である。図示のとおり、ホール素子 1は適当な基板 8上に形成され、ホール素子 1上には絶縁膜 9が形成されている。絶縁膜 9は、磁性微粒子に結合した所望のターゲットを吸着する材料力もなるものであり、膜厚は 200nm以下で形成可能である。したがって、センサ'粒子間の距離を非常に短く構成することが可能となり、高感度に磁性微粒子を検出することができるようになる。本発明の検出装置は、このセンサ上に磁性微粒子 50が付着しているか否かを、ホール素子 1により検出する装置である。以下に磁性微粒子を検出する原理について詳細に説明する。

[0037] 図 1に示すように、ホール素子 1上に、コイル 4により X軸方向の交流磁界 H を印

ACx 加した状態で、永久磁石 3により Z軸方向の直流磁界 H を力ける。永久磁石

DC 3は、ホール素子 1上への磁界の印加を ONZOFF制御可能に設けられているので、ホール素子 1上に直流磁界 H を印加したりしな力つたりすることが可能である。図

DC 3を用いて磁性微粒子の磁ィ匕ベクトルの変化の様子を説明する。 Z軸方向の直流磁界 H DC が OFFのときには、図示のように、磁性微粒子 50の磁ィ匕ベクトルは X軸方向で変動する。 H が ONになると、磁性微粒子 50の磁化ベクトルは、全磁場に追随するので XZ平面で変動するようになる。ホール素子 1は、 Z軸方向の磁界のみを検出し、 X軸方向の磁界は検出できないので、 H が OFFのときは磁界は検出されないが、 H

DC DC

力 SONになったときには、 XZ平面で変動する磁性微粒子 50の磁ィ匕による磁界が検出されること〖こなる。

[0038] ホール素子 1の出力端子には、 Z軸方向の直流磁界 H と磁性微粒子 50の磁化 M

DC

との合計に対応した信号が出力される。この出力を必要によりプリアンプ 6にて適当に増幅した後、ロックインアンプ 7に入力する。通常、磁性微粒子の磁化は交流磁界の 2倍の周波数で変動するので、ホール素子 1の出力をロックインアンプ 7により第 2 高調波成分で検出する。すなわち、ロックインアンプ 7の参照信号入力端子には交流磁界 H の周波数の例えば 2倍の周波数が入力されれば良ぐこの交流磁界 H

ACx ACx により XZ平面で変動させられる磁性微粒子 50の Z成分の磁ィ匕の変動のみを的確に検出することが可能となる。このようにロックインアンプ 7により直流成分の信号は無視されるので、ロックインアンプの出力は図 3に示すようになる。この出力 Vが、磁性微粒子が存在することを示す信号となる。

[0039] したがって、磁性微粒子に結合した所望のターゲットを吸着する材料力なる絶縁膜 9に磁性微粒子 50が吸着されれば、ロックインアンプ 7の出力は出力 Vを示すため、出力 Vの存在を以つて細胞、核酸、ノクテリア等が存在することが分かる。磁性微粒子 50がホール素子 1上に吸着して、な、場合には、 Z成分の磁化の変動は生じないため、ロックインアンプ 7の出力は 0となり、磁性微粒子が存在していないことが分かる。

[0040] なお、図 1に示す本発明の第 1実施例の検出装置では、 X軸方向に交流磁界を発生させるコイル 4とそれに接続される交流電源 5を説明したが、本発明はこれに限定されず、 XY平面の所定の方向の交流磁界をホール素子 1に印加できるものであれば、如何なる方向に磁界を発生しても良いので、 Y軸方向に交流磁界を発生させるように構成しても良い。即ち、交流磁界と直流磁界はそれぞれ、ホール素子 1上に置かれる磁性微粒子 50の Z成分の磁ィ匕の変動をロックインアンプ 7で検出できるような関係で、ホール素子 1に印加すれば良い。

[0041] 次に、本発明の磁性微粒子の検出装置の第 2実施例を、図 4を用いて説明する。図 4は、本発明の第 2実施例の磁性微粒子の検出装置を説明するための概略ブロック図である。図中、図 1と同一の符号を付した部分は同一物を表わしており、基本的な構成は図 1に示す第 1実施例のものと同様であるが、本図示例の特徴とするところは、図 4に示す如ぐ X軸方向の交流磁界 H を発生していた交流電源とコイルの代

ACx

わりに、永久磁石とそれを回転させる回転機構とからなる交流磁界発生機構を用いた点にある。他の構成要素や原理は基本的には第 1実施例と同様のため、詳説は省略する。

[0042] 第 2実施例の交流磁界発生機構は、例えば外周多極永久磁石 10とそれを回転させるモータ 11と力もなり、外周多極永久磁石 10を XY平面に設けてモータ 11で回転させることで、ホール素子 1上に X軸方向の交流磁界 H を印加する。また、ロックィ

ACx

ンアンプ 7の参照信号周波数には、モータ 11の回転周波数を用いる。

[0043] このような構成により、本発明の磁性微粒子の検出装置では完全にコイルを使わなくすることが可能となる。したがって、コイルによるノイズの影響も除去することが可能となる。なお、永久磁石の形状は外周多極に限らず、交流磁界を発生可能なものであれば種々の永久磁石を用いることが可能である。

[0044] 次に、本発明の磁性微粒子の検出装置の第 3実施例を、図 5及び図 6を用いて説明する。図 5は、本発明の第 3実施例の磁性微粒子の検出装置を説明するための概略ブロック図であり、図 6はその横断面図である。図中、図 1と同一の符号を付した部分は同一物を表わしており、基本的な検出の原理は図 1に示す第 1実施例のものと同様であるが、本図示例の特徴とするところは、図 5に示す如ぐ X軸方向の交流磁界 H を発生していた交流電源とコイルの代わりに、交流電源とそれに接続される

ACx

導線とからなる交流磁界発生機構を用いた点にある。他の構成要素や原理は基本的には第 1実施例と同様のため、詳説は省略する。

[0045] 第 3実施例の交流磁界発生機構は、図 5、図 6に示すように、交流電源 21とそれに接続される導線 22とからなる。導線 22は、ホール素子 1上に平行に設けられる。より具体的には、基板 8上に形成されたホール素子 1の上に、絶縁膜 23を形成し、その上に X軸方向に沿って導線 22が形成される。そして、その上に、磁性微粒子に結合した所望のターゲットを吸着する材料力なる絶縁膜 9が形成されている。 [0046] このように構成された検出装置にお!、て、交流電源 21により導線 22に交流電流を流すと、導線 22の周囲に交流磁界が発生する。具体的には、ホール素子 1上に Y軸方向の交流磁界 H を印加することになる。すると、 Z軸方向の直流磁界 H が OF

ACy DC

Fのときには、磁性微粒子 50の磁ィ匕ベクトルは Y軸方向で変動する。 Η が ONにな

DC

ると、磁性微粒子 50の磁化ベクトルは、 YZ平面で変動する。したがって、第 1実施例と同様に、ホール素子 1では Z軸方向の磁界のみ検出し、 Y軸方向の磁界は検出できないので、 H が OFFのときは磁界は検出されないが、 H が ONになったときに

DC DC

は、 YZ平面で変動する磁性微粒子 50の磁ィ匕による磁界を検出できることになる。

[0047] 次に、本発明の磁性微粒子の検出装置の第 4実施例を、図 7を用いて説明する。

図 7は、本発明の第 4実施例の磁性微粒子の検出装置を説明するための概略ブロック図である。図中、図 6と同一の符号を付した部分は同一物を表わしており、基本的な検出の原理は図 6に示す第 3実施例のものと同様であるが、本図示例の特徴とするところは、図 7に示す如ぐホール素子を複数直列に接続した点にある。他の構成要素や原理は基本的には第 3実施例と同様のため、図示及び詳説は省略する。

[0048] 第 4実施例では、第 3実施例の検出装置を複数直列に接続したような構成となっている。これは半導体処理工程により一度に複数のセンサ部分を作成可能である。図 7 に示すように、ホール素子 1が複数接続され、その上に絶縁膜 23を介して平行に導線 22が設けられている。第 3実施例と同様に、導線 22に交流電流を流すことで、 Y 軸方向に交流磁界を印加する構成となっている。そして、磁性微粒子に結合した所望のターゲットを吸着する材料力もなる絶縁膜 9をセンサ上に設ける。各ホール素子上の絶縁膜 9は、ターゲットの種類に応じて、それぞれ所定の磁性微粒子のみが吸着するように、それぞれ異なる材料で形成される。

[0049] このように構成された磁性微粒子の検出装置によれば、各センサ部分で独立して所定の磁性微粒子の存在の有無が検出可能なため、複数のターゲットに対しても短時間で一気にスクリーニングが可能となる。

[0050] 以下に、上述の磁性微粒子の検出装置に用いられるホール素子及びその表面処理の詳細を説明する。図 8は、本発明にかかる検出装置に用いられるホール素子の表面構造を説明するための概略断面図である。本発明にかかるホール素子 1は、例えば InSb, InAs, AlGaN/GaN, Bi, GaAs/AlGaAs, Siの何れかを主成分とする素子が好ましい。このようなホール素子 1が、基板 8上に設けられている。

[0051] そして、ホール素子 1上には、絶縁膜 9が約 200nm程度に堆積される。絶縁膜 9はホール素子 1を防水処理するために設けられる。絶縁膜 9を堆積する方法としては、種々の方法が利用可能である力高感度検出装置を実現するためには、なるべく絶縁膜は薄く均一に形成する必要があり、さらに絶縁膜を堆積するときにホール素子 1 にダメージを与えない方法が好ましぐ具体的にはデュアルターゲットマグネトロン RF スパッタリング法を用いることが好まし、。デュアルターゲットマグネトロン RFスパッタリング法とは、 "FACING TARGETS TYPE OF SPUTTERING METHOD

FOR DEPOSITION OF MAGNETIC METAL FILMS AT LOW T EMPERATURE AND HIGH RATE", Masahiko Naoe, Shun' ichi Ya manaka and Youichi Hoshi, p. p. 646— 648, IEEE TRANSACTIONS

ON MAGNETICS, VOL. MAG— 16, NO. 5, SEPTEMBER 198 0に記載のようなスパッタリング法を、絶縁膜形成に応用したものである。具体的には、ターゲット（SiNや SiO等）を一対対向させて配置させ、対向面間の外側の位置に

2

基板を配置して、 Ar等のガスを反応室内に提供して窒化シリコン膜又は酸ィ匕シリコン膜をホール素子 1上に形成するものである。これにより薄く均一な絶縁膜がホール素子 1上に堆積される。

[0052] このように形成された絶縁膜 9上に、チタン又はクロムカゝらなる基層 30を約 10nm程度に堆積する。そして、この基層 30上に金薄膜 31を約 lOOnm程度に堆積する。基層 30は、金薄膜 31を絶縁膜 9に強固に貼付するために設けられるものである。このような表面処理にて磁性微粒子の検出装置に用いられるホール素子が形成される。また、その後必要によりシリコンゲル等により、ホール素子のセンサ部以外の部分の全体を防水処理加工しても良ヽ。

[0053] 磁性微粒子の検出装置において、これをバイオセンサに応用するためには磁性微粒子を生理活性物質を用いてホール素子上に固定しなければ、けな、。これには、一般的に知られている金とチオールの結合を利用することが可能である。チオール化合物が金薄膜表面に化学吸着すると、金薄膜表面上に自己組織化したチオールィ匕合物の単分子膜 (SAM： Self-Assembled Monolayer)が生成する。 DDPA ( 3, 3' -dithiodipropionic acid)のようなチオール化合物によって形成された SA Mは、末端官能基の選択により多彩な機能を持たせることが可能である。また、金とチオールの結合を利用するためにチオール基を結合した DNA (チオールィヒ DNA) を用いて、金薄膜表面上にチオール基を介して結合する方法もある。このようにセンサ部表面を DNA修飾したものは、 DNAがタンパク質よりも化学的に安定であり、 2本鎖を形成 (ハイブリダィゼーシヨン)するためこの相互作用を利用してセンシングを行なえ、さらに長さを容易に調整できる等のメリットがあり、本発明の磁性微粒子の検出装置に適用するのに好都合である。

[0054] SAM法では、チオールィ匕合物として DDPAを使用し、その末端を修飾することにより 1本鎖 DNAを金薄膜表面に固定し、予め磁性微粒子に固定された相補的な 1本鎖 DNAとハイブリダィゼーシヨンさせることによって磁性微粒子を金薄膜表面に固定する。 Two Step法では、チオールィ匕 DN Aを金薄膜表面に結合した後、 6—ヒドロキシ 1 へキサンチオールを用、て結合し、チオール化 DN A分子の周りを多くの 6 ヒドロキシー 1一へキサンチオール分子で囲む。疎水性鎖で囲まれた親水性のチオールィ匕 DNA分子は、一定の距離を保ったまま一定の方向を向いて存在するため、単独の鎖として存在し、 2本鎖形成を優位に行なうことが可能である。

[0055] 金薄膜 31の表面を上述のような状態として、 DNAをノヽイブリダィゼーシヨンさせることで磁性微粒子のセンサへの固定を行なえば、短時間でより確実な固定が可能となる。

[0056] なお、予め磁性微粒子の 1本鎖 DNAとターゲットの DNAをハイブリダィゼーシヨンさせた後に、金薄膜表面に結合させても勿論構わない。

[0057] ここで、 SAM法にてセンサ表面を修飾する方法について、図 9を用いてより詳細に説明する。図 8に示したようにホール素子の表面を処理した基板を、ジチォジプロピオン酸水溶液 (4mM)に 30分間〜 18時間浸し、その後水で洗浄する（図 9 (A) )。そして、 EDC (1—ェチルー 3—（3 ジメチルァミノプロピル）カルボジイミド塩酸塩）及び N ヒドロキシスクシンイミド溶液を各液等量（lOOmgZml)混合し、そこに上記処理後の基板を 20分間浸し、その後水で洗浄する（図 9 (B) )。さらに基板をアビジン水溶液（lmgZlOml lOmM HEPES (pH8. 0) )に 2時間浸し、その後水で洗浄する（図 9 (C) )。そして、 1Mエタノールアミン水溶液に基板を 10分間浸し、その後水で洗浄する（図 9 (D) )。基板はさらにピオチン化 DNA溶液 1670nM (100mM NaCl )に 1時間浸され、その後水で洗浄される（図 9 (E) )。

[0058] このようにして表面処理を行った検出装置を、相補的な DNAを表面に固定した磁性微粒子を含む溶液に浸し、振動を与えながら 24時間放置し、その後 2M NaClで 2回洗浄する。そうすると、図 9 (F)に示すように、ターゲットとなる DNAが 2本連鎖を形成し、ホール素子上に磁性微粒子が固定されることになる。

[0059] 上述のように作成したホール素子において、磁性微粒子が固定された状態と固定されていない状態における、本発明の検出装置のロックインアンプの出力信号を図 1 0を用いて説明する。図 10 (A)は本発明の検出装置のホール素子上に磁性微粒子が固定されていない状態におけるロックインアンプの出力波形を示し、図 10 (B)は磁性微粒子が固定された状態におけるロックインアンプの出力波形を示す。各図の左側は本発明の検出装置のホール素子の上面図であり、右側が出力波形である。直流磁界をパルス状に ONZOFFさせると、磁性微粒子が固定されていない場合には特に信号の変化は見られないが、磁性微粒子が固定されている場合には、直流磁界のパルスに応じてロックインアンプ出力もパルス状に出力された。このように、本発明の検出装置のロックインアンプの出力を見ることで、ターゲットとなる DNAが付着した磁性微粒子が存在するカゝ否かを検出可能となる。

[0060] 次に、本発明の検出装置のホール素子 1の周辺の加工について説明する。図 8では、基板 8上にホール素子 1を形成した力さらに、基板 8のホール素子 1の直下の部分に、凹部を形成しても良い。これは、ホール素子 1上に磁性微粒子が効率的により良く固定させられるように、ホール素子の周辺の溶液の流れに変化をつけるために設けられる。磁性微粒子は、表面が平坦な状態のセンサ上に流すときよりも、凹部内に停滞したり再度センサ上に戻ってきたりするため、効率良くセンサ上に固定可能となる。またさらに、ホール素子の裏面側、すなわちホール素子の基板側の表面にも磁性微粒子が置かれるようにする。そして、ホール素子の裏面側にも上述の表面側と同じょうに、絶縁膜、基層及び金薄膜を形成する。これにより、裏面側に設けられた凹部に存在する磁性微粒子も金薄膜に結合可能となり、裏面側での測定も可能となるため、測定速度が非常に短くすむというメリットもある。なお、裏面側にもセンサ部を設けた場合であっても、図 7に示して説明した、検出装置を複数直列に接続したような構成としても勿論構わない。これにより、さらに効率良く高速に磁性微粒子の検出が可能となる。

[0061] なお、本発明の磁性微粒子の検出装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなぐ本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

[0062] 例えば上述の各実施例の説明では、 X軸方向の交流磁界をホール素子上に印加する例を説明したが、本発明はこれに限定されず、この代わりに Z軸方向の交流磁界をホール素子上に印加する構成であっても良、。原理的には X軸方向に印加する例と同じであるが、この場合には、寄生誘導信号や印加する Z軸方向の交流磁界の影響で大きなオフセットが生じるため、この大きなオフセットに重畳された小さな変動を検出するためには、交流信号の非常に高、安定性が要求される。

[0063] また、各実施例では、ホール素子に Z軸方向の直流磁界を印加するものとして、永久磁石を用いる例を説明したが、本発明はこれに限定されず、ノイズの問題は多少考慮する必要がある力電磁石を用いても良い。電磁石であれば、スィッチの ONZ OFF動作によって印加する磁界の ONZOFF制御が可能である。

[0064] また、ホール素子に X軸方向の交流磁界を印加するものとして、コイルや回転機構を設けた永久磁石等の例を説明したが、本発明はこれに限定されず、ノイズの問題は多少考慮する必要がある力電磁石を用いても良い。電磁石であれば、スィッチの ONZOFF動作によって交流磁界をホール素子上に印加することが可能である。図面の簡単な説明

[0065] [図 1]図 1は、本発明の第 1実施例の磁性微粒子の検出装置を説明するための概略ブロック図である。

[図 2]図 2は、本発明の第 1実施例の磁性微粒子の検出装置のホール素子 1の横断面図である。

[図 3]図 3は、本発明の磁性微粒子の検出装置において、直流磁界を与えたときの磁性微粒子の磁ィ匕ベクトルの変化の様子及びロックインアンプの出力を示す図である。

[図 4]図 4は、本発明の第 2実施例の磁性微粒子の検出装置を説明するための概略ブロック図である。

[図 5]図 5は、本発明の第 3実施例の磁性微粒子の検出装置を説明するための概略ブロック図である。

[図 6]図 6は、本発明の第 3実施例の磁性微粒子の検出装置のホール素子 1の横断面図である。

[図 7]図 7は、本発明の第 4実施例の磁性微粒子の検出装置を説明するための概略ブロック図である。

[図 8]図 8は、本発明の磁性微粒子の検出装置に力かるホール素子の表面処理を説明するための横断面図である。

[図 9]図 9は、本発明の磁性微粒子の検出装置に力かるホール素子の表面処理をより具体的に説明するための横断面図である。

[図 10]図 10は、本発明の磁性微粒子の検出装置において磁性微粒子が固定された状態と固定されていない状態におけるロックインアンプの出力信号を示す図である。符号の説明

1 ホール素子

2 直流電源

3 永久磁石

4 コイル

5 交流電源

6 プリアンプ

7 ロックインアンプ

8 基板

9 絶縁膜

10 外周多極永久磁石

11 モータ

21 交流電源導線絶縁膜基層金薄膜磁性微粒子

Claims

請求の範囲

[1] 磁性微粒子を検出するための検出装置であって、該装置は、

ホール効果を用いる XY平面に置かれるホール素子と、

前記ホール素子駆動用の直流電源と、

前記ホール素子の近傍に設けられ、 Z軸方向の直流磁界を前記ホール素子上に印加する磁石と、

前記ホール素子の近傍に設けられ、交流磁界を前記ホール素子上に印加する交流磁界発生手段と、

前記ホール素子の電圧出力を入力とし、前記ホール素子上に置かれる磁性微粒子の Z成分の磁化の変動を検出するロックインアンプと、

を有することを特徴とする磁性微粒子の検出装置。

[2] 請求項 1に記載の検出装置において、前記ロックインアンプは、前記交流磁界発生手段により発生させられる交流磁界の周波数の整数倍の周波数を参照信号周波数とすることを特徴とする磁性微粒子の検出装置。

[3] 請求項 1又は請求項 2に記載の検出装置において、前記磁石は、永久磁石からなり、前記ホール素子上への磁界の印加を ONZOFF制御可能に設けられることを特徴とする磁性微粒子の検出装置。

[4] 請求項 1又は請求項 2に記載の検出装置において、前記磁石は、電磁石であることを特徴とする磁性微粒子の検出装置。

[5] 請求項 1乃至請求項 4の何れかに記載の検出装置において、前記交流磁界発生手段は、 XY平面に設けられ、 XY平面の所定の方向の交流磁界を前記ホール素子上に印加することを特徴とする磁性微粒子の検出装置。

[6] 請求項 5に記載の検出装置において、前記 XY平面の所定の方向は、 X軸方向又は Y軸方向であることを特徴とする磁性微粒子の検出装置。

[7] 請求項 1乃至請求項 4の何れかに記載の検出装置において、前記交流磁界発生手段は、前記ホール素子の Z軸方向に設けられ、 Z軸方向の交流磁界を前記ホール素子上に印加することを特徴とする磁性微粒子の検出装置。

[8] 請求項 1乃至請求項 7の何れかに記載の検出装置において、前記交流磁界発生手段は、交流電源とそれに接続されるコイルとからなることを特徴とする磁性微粒子の検出装置。

請求項 1乃至請求項 7の何れかに記載の検出装置において、前記交流磁界発生手段は、交流電源とそれに接続される電磁石とからなることを特徴とする磁性微粒子の検出装置。

請求項 1乃至請求項 7の何れかに記載の検出装置において、前記交流磁界発生手段は、永久磁石とそれを回転させる回転機構とからなることを特徴とする磁性微粒子の検出装置。

請求項 1乃至請求項 7の何れかに記載の検出装置において、前記交流磁界発生手段は、交流電源とそれに接続される導線とからなり、前記導線は、導線の周りに発生する磁界をホール素子上に印加することを特徴とする磁性微粒子の検出装置。請求項 11に記載の検出装置において、前記ホール素子は、複数のホール素子を直列に接続して構成され、前記導線は、前記直列に接続されたホール素子に渡って設けられることを特徴とする磁性微粒子の検出装置。

請求項 1乃至請求項 12の何れかに記載の検出装置において、前記ホール素子は基板上に形成され、さらに、ホール素子上に絶縁膜と、該薄絶縁膜上のチタン又はクロムからなる基層と、該基層上の金薄膜とを具備することを特徴とする磁性微粒子の検出装置。

請求項 13に記載の検出装置において、前記絶縁膜は、デュアルターゲットマグネトロン RFスパッタリング法により形成される窒化シリコン膜又は酸ィ匕シリコン膜であることを特徴とする磁性微粒子の検出装置。

請求項 13又は請求項 14に記載の検出装置において、前記ホール素子は、 InSb, InAs, AlGaN/GaN, Bi, GaAs/AlGaAs, Siの何れかを主成分とすることを特徴とする磁性微粒子の検出装置。

請求項 13乃至請求項 15の何れかに記載の検出装置において、前記基板は、前記ホール素子の直下に凹部を有することを特徴とする磁性微粒子の検出装置。請求項 16に記載の検出装置において、前記ホール素子は、ホール素子の基板側表面にも絶縁膜と基層と金薄膜とを有することを特徴とする磁性微粒子の検出装置。求項 13乃至請求項 17の何れかに記載の検出装置において、前記金薄膜にチ -ルイ匕合物が結合されることを特徴とする磁性微粒子の検出装置。