JP5188091B2

JP5188091B2 - センサ素子、ならびにこの素子を用いた磁性粒子の検出方法及び標的物質の検出方法

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Description

本発明は、検体に含まれる磁性粒子を検出するための、あるいは検体に含まれる標的物質を、磁性粒子を標識として検出するための、センサデバイスならびに検出方法に関する。

定量的なイムノアッセイとして、放射免疫分析法（ＲＩＡ：ｒａｄｉｏｉｍｍｕｎｏａｓｓａｙもしくはＩＲＭＡ：ｉｍｍｕｎｏｒａｄｉｏｍｅｔｒｉｃａｓｓａｙ）が古くから知られている。この方法では、放射性核種によって、競合抗原あるいは抗体を標識し、比放射能の測定結果から抗原が定量的に測定される。つまり抗原などの標的物質を標識してこれを間接的に測定する。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たが、放射性核種の安全性の問題が有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、蛍光物質、酵素、電気化学発光分子、磁性粒子などの標識を用いる方法が提案されてきた。蛍光標識、酵素標識、電気化学発光標識等を標識として用いた場合は、光学的な測定方法に用いられ、光の吸収率や透過率、あるいは発光光量を計測することによって、標的物質の検出が行われる。標識に酵素を用いる酵素免疫測定法（ＥＩＡ：ＥｎｚｙｍｅＩｍｍｕｎｏａｓｓａｙ）は、抗原−抗体反応をさせた後に、酵素標識抗体を反応させ、その酵素に対する基質を添加して発色させ、その吸光度により比色定量する方法である。また、磁性粒子を標識とし磁気センサ素子によって間接的に生体分子を検出するバイオセンサの研究報告が幾つかの研究機関によってなされている。

標識としての磁性粒子は標的物質に選択的に固定する必要があり、高い検出感度や測定値の少ないばらつきを得る為には、多くの標識を十分な時間反応させる必要があった。そこで、磁性粒子を標識に用いる場合には、図７に示すように、磁気センサ２００のまわりに磁界を発生させる配線４２０を配置する。この配線４２０に電流を流すことによって磁界を発生させ、磁性粒子を引き寄せ、磁性粒子と標的物質との接触確率を高め、効率良く反応させることにより、上記問題を解決するアイディアが提案されている。（ＨｕｇｏＡ．Ｆｅｒｒｅｉｒａ，ｅｔａｌ．，ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．Ｍａｇｎ．４１，４１４０（２００５）（以下、文献１と記す））。

文献１で示されている技術は、広い範囲から磁性粒子を集めるという点において有用である。しかし、より狭い領域に注目してみると、磁性粒子が最も集まりやすい部分は磁界を発生する配線上であり、センサ上に磁性粒子を集めるという目的において十分ではない。さらに、磁性粒子を集める為に大きな磁界を発生させる必要が有るので、例えば磁気抵抗効果膜などの磁性体からなる磁気センサに影響を与えてしまうという問題がある。

上記構成を改良し、センサ上への磁気粒子集磁効率を高めた構成が提案されている。この構成では、巨大磁気抵抗効果（GMR）センサの近傍に設けられた配線上に磁気粒子を集磁（第１プロセス）した後に、GMRセンサ両端に接合された検出用配線およびGMRセンサに電流を流すことによってセンサ上に磁気粒子を集めて（第２プロセス）いる。（Ｄ.Ｌ. Ｇｒａｈａｍ, ｅｔａｌ.，ＳｅｎｓｏｒｓａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓＢ１０７, ９３６ (２００５)（以下、文献２と記す））。

しかしこの構成では、第１プロセスで集められた磁気粒子に対して、GMRセンサから生じる磁界と、その両端に接続された配線から生じる磁界が同じ磁力を誘起する。したがって、磁気粒子はGMRセンサ上のみならず、配線上にも集磁されてしまう。配線上に集磁された磁気粒子は、検出に寄与しないので好ましくない。
Hugo A. Ferreira, et al., IEEE Trans. Magn. 41, 4140 (2005) D.L. Graham, et al., Sensors and Actuators B 107, 936 (2005)

本発明の目的は、標識となる磁性粒子を効率良くセンサ上へ集めることが可能であると共に、磁性粒子を集めるための磁界がセンサへ与える影響を軽減可能であるセンサデバイス、それを用いた磁性粒子の検出方法及び標的物質の検出方法を提供することにある。

本発明のセンサデバイスの第一の態様は、磁性粒子を検出するためのセンサデバイスであって、
磁性粒子を検出するための検出用表面を有し、電流の印加により該検出用表面へ磁性粒子を集めるための磁界を発生し得るセンサ素子と、
前記センサ素子に電流を流すための電流印加手段と、
前記検出用表面での磁界の変化を電気的な出力信号として取得するための信号取り出し手段と、
を有し、
前記センサ素子が、磁気インピーダンス効果素子であり、交流電流を前記センサ素子に印加することで前記検出用表面での磁界の変化を電気的な出力信号に変換するものであり、
前記検出用表面での磁界発生のための電流が直流であり、前記出力信号を得る際に前記センサ素子への印加電流を交流に切り替えるためのスイッチ機構を更に有する
ことを特徴とするセンサデバイスである。
本発明のセンサデバイスの第二の態様は、磁性粒子を検出するためのセンサデバイスであって、
磁性粒子を検出するための検出用表面を有し、電流の印加により該検出用表面へ磁性粒子を集めるための磁界を発生し得るセンサ素子と、
前記センサ素子に電流を流すための電流印加手段と、
前記検出用表面での磁界の変化を電気的な出力信号として取得するための信号取り出し手段と、
を有し、
前記電流印加手段が、前記センサ素子を含む回路を有し、少なくとも磁性粒子が存在し得る容器内において、前記センサ素子の電流に垂直な断面積が、電流の印加により該検出用表面へ磁性粒子を集めるための磁界を発生し得、かつ前記センサ素子に接続されている前記電流印加手段の配線の電流に垂直な断面積よりも小さく、かつ前記センサ素子の長さ方向の中心軸が配線の長さ方向の中心軸よりも磁気粒子が多く存在している方向へずれている
ことを特徴とするセンサデバイスである。

ここで、磁性粒子を集めるための磁界を発生させるための電流を流すセンサ素子中の配線と、磁界の変化を電気的な出力信号として取得するためのセンサ素子中の配線とは、少なくとも一部が共通であることが好ましい。

また、本発明のセンサデバイスの第二の態様において前記センサ素子としては磁気インピーダンス効果素子を用いることができる。その場合、交流電流を前記センサ素子に印加することで前記検出用表面での磁界の変化を電気的な出力信号に変換することが可能となる。また、前記センサ素子としては磁気インピーダンス効果素子を用いる場合、前記検出用表面での磁界発生のための電流が直流であり、前記出力信号を得る際に前記センサ素子への印加電流を交流に切り替えるためのスイッチ機構を更に有することが好ましい。

一方、本発明のセンサデバイスの第二の態様における前記センサ素子としては、ホール素子や磁気抵抗素子を用いることもできる。磁気抵抗効果素子としてはスピントンネル磁気抵抗効果素子を用いることもできる。

これらのセンサデバイスにおいて、前記電流印加手段が、前記センサ素子を含む回路を有し、該回路内で、前記センサ素子の検出用表面を有する部分の電流に垂直な断面の面積が最も小さいことが好ましい。

また、磁性粒子の磁化手段を更に有することが好ましい。

また、非磁性体からなる標的物質の標識として機能する磁性粒子を検出することによって間接的に標的物質を検出することが好ましい。その場合、前記検出用表面に標的物質を特異的に捕捉する捕捉体を有し、該捕捉体への標的物質の捕捉を、前記磁性粒子を標識として検出することが好ましい。前記標的物質としては生体物質を挙げることができる。生体物質として抗原を検出する場合には、捕捉体としては抗体を用いることができ、この場合上記センサデバイスは免疫検査用に用いることができる。

本発明の磁性粒子の検出方法の第一の態様は、電流の印加により検体と接触する検出用表面に磁性粒子を集めるための磁界を発生し得るセンサ素子を用いて検体中の磁性粒子を検出する磁性粒子の検出方法であって、
前記センサ素子の検出用表面に検体を接触または近接させた状態で、前記センサ素子に磁界発生用の電流を印加する工程と、
前記検出用表面に磁性粒子が集合した場合における磁界の変化を、電気的な出力信号として取り出す工程と、
を有し、
前記センサ素子が、磁気インピーダンス効果素子であり、交流電流を前記センサ素子に印加することで前記検出用表面での磁界の変化を電気的な出力信号に変換し、
前記検出用表面での磁界発生のための電流が直流であり、前記出力信号を得る際に前記センサ素子への印加電流を交流に切り替える工程を有する
ことを特徴とする磁性粒子の検出方法である。
本発明の磁性粒子の検出方法の第二の態様は、電流の印加により検体と接触する検出用表面に磁性粒子を集めるための磁界を発生し得るセンサ素子を用いて検体中の磁性粒子を検出する磁性粒子の検出方法であって、
前記センサ素子の検出用表面に検体を接触または近接させた状態で、前記センサ素子に磁界発生用の電流を電流印加手段により印加する工程と、
前記検出用表面に磁性粒子が集合した場合における磁界の変化を、電気的な出力信号として取り出す工程と、
を有し、
前記電流印加手段が、前記センサ素子を含む回路を有し、少なくとも磁性粒子が存在し得る容器内において、前記センサ素子の電流に垂直な断面積が、電流の印加により該検出用表面へ磁性粒子を集めるための磁界を発生し得、かつ前記センサ素子に接続されている前記電流印加手段の配線の電流に垂直な断面積よりも小さく、かつ前記センサ素子の長さ方向の中心軸が配線の長さ方向の中心軸よりも磁気粒子が多く存在している方向へずれている
ことを特徴とする磁性粒子の検出方法である。

ここで、磁性粒子を集めるための磁界を発生させるための電流を流すセンサ素子中の配線と、磁界の変化を電気的な出力信号として取得するためのセンサ素子中の配線とは、少なくとも一部が共通であるセンサ素子を用いることが好ましい。

本発明の磁性粒子の検出方法の第二の態様におけるセンサ素子としては、磁気インピーダンス効果素子を用いることができ、この場合、交流電流を前記センサ素子に印加することで前記検出用表面での磁界の変化を電気的な出力信号に変換することが好ましい。その場合、前記検出用表面での磁界発生のための電流が直流であり、前記出力信号を得る際に前記センサ素子への印加電流を交流に切り替える工程を有することが好ましい。

一方、本発明の磁性粒子の検出方法の第二の態様における前記センサ素子としては、ホール素子や磁気抵抗素子を用いることもできる。磁気抵抗効果素子としてはスピントンネル磁気抵抗効果素子を用いることもできる。

また、前記磁性粒子の磁化工程を更に有することが好ましい。

また、非磁性体からなる標的物質の標識として機能する磁性粒子を検出することによって間接的に標的物質を検出することが好ましい。その場合、前記検出用表面に標的物質を特異的に捕捉する捕捉体を有し、該捕捉体への標的物質の捕捉を、前記磁性粒子を標識として検出することが好ましい。前記標的物質としては生体物質を挙げることができる。生体物質として抗原を検出する場合には、捕捉体としては抗体を用いることができ、この場合上記検出方法は免疫検査用に用いることができる。

本発明の標的物質の検出方法の第一の態様は、検体と接触する検出用表面に標的物質と特異的に結合し得る捕捉体を有し、かつ電流の印加によって前記検出用表面に磁性粒子を集めるための磁界を発生し得るセンサ素子を用いて、磁性粒子を標識として検体中の非磁性体としての標的物質を検出する検出方法であって、
前記センサ素子の検出用表面に検体を接触させる工程と、
前記検出用表面と接触している検体に、前記捕捉体と前記標的物質との結合体を検出するための標識としての磁性粒子を添加する工程と、
前記センサ素子に、前記磁性粒子が添加された状態の検体に接触している検出用表面に磁性粒子を集めるための磁界を発生させる工程と、
前記センサ素子の検出用表面の検体との接触による前記捕捉体と前記標的物質の結合体の形成の有無を、該結合体への前記磁性粒子の取り込みによる磁界の変化に基づく電気的な出力信号を利用して検出する工程と、
を有し、
前記センサ素子が、磁気インピーダンス効果素子であり、交流電流を前記センサ素子に印加することで前記検出用表面での磁界の変化を電気的な出力信号に変換し、
前記検出用表面での磁界発生のための電流が直流であり、前記出力信号を得る際に前記センサ素子への印加電流を交流に切り替える工程を有する
ことを特徴とする
標的物質の検出方法である。
本発明の標的物質の検出方法の第二の態様は、検体と接触する検出用表面に標的物質と特異的に結合し得る捕捉体を有し、かつ電流印加手段による電流の印加によって前記検出用表面に磁性粒子を集めるための磁界を発生し得るセンサ素子を用いて、磁性粒子を標識として検体中の非磁性体としての標的物質を検出する検出方法であって、
前記センサ素子の検出用表面に検体を接触させる工程と、
前記検出用表面と接触している検体に、前記捕捉体と前記標的物質との結合体を検出するための標識としての磁性粒子を添加する工程と、
前記センサ素子に、前記磁性粒子が添加された状態の検体に接触している検出用表面に磁性粒子を集めるための磁界を発生させる工程と、
前記センサ素子の検出用表面の検体との接触による前記捕捉体と前記標的物質の結合体の形成の有無を、該結合体への前記磁性粒子の取り込みによる磁界の変化に基づく電気的な出力信号を利用して検出する工程と、
を有し、
前記電流印加手段が、前記センサ素子を含む回路を有し、少なくとも磁性粒子が存在し得る容器内において、前記センサ素子の電流に垂直な断面積が、電流の印加により該検出用表面へ磁性粒子を集めるための磁界を発生し得、かつ前記センサ素子に接続されている前記電流印加手段の配線の電流に垂直な断面積よりも小さく、かつ前記センサ素子の長さ方向の中心軸が配線の長さ方向の中心軸よりも磁気粒子が多く存在している方向へずれていることを特徴とする
標的物質の検出方法である。

標的物質の検出方法においても、前述した磁性粒子の検出方法で挙げた好ましい形態が、同様に好ましい形態として妥当する。

本発明によれば、標識となる磁性粒子を効率良くセンサ上へ集めることが可能であると共に、磁性粒子を集めるための磁界がセンサへ与える影響を軽減可能であるセンサデバイス、それを用いた磁性粒子の検出方法及び標的物質の検出方法を提供することができる。

本発明のセンサデバイスは、磁性粒子検出用のセンサ素子と、センサ素子が磁性粒子を検出した際の出力信号をセンサ素子から取り出す信号取り出し手段と、を少なくとも有して構成される。センサ素子は、磁性粒子の検出を行う検出用表面（以下、センサ面と記す）を有し、更に、測定時に、センサ面に磁性粒子を集めるための磁界を電流の印加により発生し得る構成を有する。このセンサデバイスによれば、センサ素子のセンサ面を検体（検出対象としての試料）と接触させて、あるいは近接させて検体中の磁性粒子の検出を行うことができる。ここで、「近接」させるというのは、例えば、１ｍｍ以内に配置することをいう。

センサ素子としては、電流印加により磁性粒子をセンサ表面に集めるための磁界を発生させることができ、かつ、磁性粒子がセンサ表面に集まることによって起きる磁界の変化を出力信号（電圧の変換や電流の変化）として取り出せるものであればよい。更に、標識として磁性物質を結合させた標的物質を捕捉体によって捕捉することにより、この標的物質を間接的に検出する場合は、センサ表面に捕捉体を固定することができるものであればよい。このようなセンサ素子としては、磁気インピーダンス効果素子、ホール素子、磁気抵抗効果素子などを挙げることができる。

磁気インピーダンス効果素子を用いた場合は、交流電流の印加によりセンサ表面での磁界の変化を電気的な出力信号（電流や電圧の変化）に変換することができる。更に、この磁気インピーダンス効果素子に直流電流の印加により磁性粒子を引きつけるための磁界を発生させ、また出力信号を交流電流の印加により得る場合は、これらの電流の切り替えるためのスイッチ機構を更にデバイスに付加する構造とする。

また、磁気インピーダンス効果は、ＣｏＦｅＳｉＢアモルファスワイヤーなどにおいて報告されている。このようなワイヤー状の磁気インピーダンス効果素子では、これに配線を接続して回路を形成した場合、磁気インピーダンス効果素子の断面積が回路中で最小となるようにすることが好ましい。ここで、断面とは、磁気インピーダンス効果素子に流れる電流の方向に垂直な面である。最小とする理由は、磁気センサ素子表面において最も大きな磁界が生じるようにするためである。すなわち、図８に示すように、磁気センサ（一種の導線）２００に電流Ｉが流れる場合、導線の中心からｒ離れた点における磁界の大きさＨは（１）式で表され、磁気センサ表面において最も大きな磁界を発生させるには、磁気センサを他の導体部分よりも細くする必要が有る。

直径の異なる円柱無限長導体に同じ大きさの電流を流した場合に、それぞれの導体から生じる磁界について計算した結果を以下に示す。本計算で用いた導体の直径は、それぞれ1μｍと10μｍである。また、流す電流の大きさは8mAとした。図９に示すように、直径1μｍの導体表面での磁界の大きさは約2500Ａ/ｍであり、直径10μｍの導体表面では約250A/mである。つまり、断面積の小さな導体表面に形成される磁界は比較的大きな値となる。ただし、グラフの横軸であるrは導体中心からの距離で、縦軸であるHは磁界強度を示す。

一方、導体の中心軸から等距離に有る点での磁界の大きさは、導体の断面積に関らず同じ大きさとなる。したがって、センサ表面に効率良く磁気粒子を集磁するには、導体の中心軸を磁気粒子に近づけることが必要である。もちろん、導体中に流れる電流密度に偏りがある場合は、電流分布の中心を磁気粒子に近づけることが必要である。

上記説明においては磁気センサを円柱形状としたが、角柱など他の形状においても同様に断面積は他の導体部分よりも小さくし、中心軸を磁気粒子に近づけるほうが好ましい。そのようなデバイス構成としては、例えば図10に示すような構成が考えられる。図10では、磁気粒子８００が存在する容器１１０内底部に直方体形状のセンサ素子２００を配置している。基板２７０上に設けたセンサ素子２００の膜厚は直方体形状の配線４１１の膜厚よりも薄く、センサ素子２００の断面積は配線４１１の断面積よりも小さい。また、配線の表面とセンサ表面の高さを同じにしてある。

このようなデバイス構造にすると、同じ深度に有る磁気粒子に対して、センサ素子上部にある磁気粒子の方が、配線上部にある磁気粒子よりも大きな磁力が印加される為、センサ表面に磁気粒子がより高密度に集磁される。

一方、センサ素子として磁気抵抗効果素子を用いる場合は、スピントンネル磁気抵抗効果膜を有するもの（スピントンネル磁気抵抗効果素子）が好ましい。

一方、磁性粒子が磁化処理により磁性を有するものであれば、センサデバイスに磁化手段を更に追加して設けることができる。

磁性粒子は、磁気センサによって検出できれば良く、その観点から大きさに著しい制約は無いが、Ｂ／Ｆ分離（抗原−抗体結合型と遊離型の分離）等で用いられる一般的な磁性粒子が使用可能であり、そのような磁性粒子には、数十μｍから数十ｎｍの様々な粒径のものが市販されている。

センサ素子のセンサ面に、標的物質と特異的に反応する捕捉体を固定しておくことで、この捕捉体によって検体中の標的物質を捕捉して捕捉体と標的物質の結合体を形成し、この結合体の形成を、磁性粒子を標識として間接的に検出することができる。なお、磁性粒子は標的物質に直接共有結合していてもよいし、磁性粒子に設けられた捕捉体が標的物質を捕捉するようにしていてもよい。

捕捉体は標的物質の種類に応じて選択できる。例えば、特異的な結合対の組み合わせの一方が標的物質である場合に、一方を捕捉体として利用することができる。このような組み合わせとしては、抗原／抗体、相補的ＤＮＡ対、リセプター／リガンド、酵素／基質があげられる。また、標的物質としては、生体物質（タンパク質、核酸、糖鎖、脂質等）やアレルゲン、バクテリア、ウイルス等がある。捕捉体として抗体を用い、抗原・抗体反応により抗原を検出するセンサ素子によって免疫検査用のセンサデバイスとすることができる。

上記の構成のセンサデバイスを用いて、少なくとも以下の工程を行うことで、検体中の磁性粒子の検出を行うことができる。この場合、検体は、液体などの種々の媒体中に検出対象としての磁性粒子を含むものである。
（１）センサ素子の検出用表面に検体を接触または近接させた状態で、センサ素子に磁界発生用の電流を印加する工程。
（２）検出用表面に磁性粒子が集合した場合における磁界の変化を、電気的な出力信号として取り出す工程。

また、センサ表面に捕捉体を固定して標的物質の検出を行う場合は、以下の工程を有する方法が好適に利用できる。
（１）センサ素子の検出用表面に検体を接触させる工程。
（２）検出用表面と接触している検体に、捕捉体と標的物質との結合体を検出するための標識としての磁性粒子を添加する工程。
（３）センサ素子に、磁性粒子が添加された状態の検体に接触している検出用表面に磁性粒子を集めるための磁界を発生させる工程。
（４）センサ素子の検出用表面の検体との接触による捕捉体と標的物質の結合体の形成の有無を、結合体への磁性粒子の取り込みによる磁界の変化に基づく電気的な出力信号を利用して検出する工程。

この検出方法における検体は、標的物質の有無の検出、あるいはその含有量や濃度の測定の対象としての液体試料（例えば標的物質の水溶液）である。さらに、この検体は、必要に応じて、サンドイッチ免疫測定法などにより定性や定量分析において行われる抽出処理、精製処理、希釈処理などの前処理を行ったものでよい。また、センサ表面と検体とを接触させて反応させた後に、必要に応じてセンサ表面を洗浄してから測定用の液体（緩衝液など）を測定用領域に供給または充填して、センサ表面へ磁性粒子を集めるための磁界を発生させる工程を行うこともできる。更に、標識としての磁性粒子を、捕捉体と標的物質の結合体に結合させてから、センサ表面を洗浄し、未反応の磁性粒子を測定用の領域から除去してから、検出のための出力信号を得る操作を行ってもよい。

本発明のセンサデバイスは、磁性粒子を集める為の磁界を、センサに流す電流によって発生させる構成となっており、発生する磁界が配線周辺よりもセンサ素子周辺の方が大きくなることから、磁性粒子をセンサ面上に効率良く集めることが可能である。また、本発明のセンサデバイスの構成によれば、センサ素子にかかる磁界は小さくなるので、磁界によるセンサ素子への影響を軽減できる。

センサ素子が磁気インピーダンス効果素子である免疫検査デバイスを例として、以下に本発明のセンサデバイスを詳細に説明する。

図１に示すように、容器としての筐体１００の中に、センサ素子としての磁気センサ２００が形成され、磁気センサ２００は検出回路３００および磁界発生用回路４００と接続されている。磁気センサ２００は、磁気抵抗効果素子やホール素子など、どのような磁界検出素子でも良いが、本説明においては断面が円形のワイヤー状の磁気インピーダンス効果素子とする。磁気センサ２００は筐体１００内の底部に固定されている。また、磁気センサ２００に接続されている配線４１１は、直方体形状をしている。さらに、その膜厚は磁気センサ２００の直径よりも厚く、幅は磁気センサ２００の直径と同じ長さとする。さらに、磁気センサ２００の最上部は配線の上部表面よりも高い位置となるようにする。磁気センサ２００の表面には標的物質である抗原６００が特異的に結合する一次抗体５００を定法により固定しておく。図１の構成により、容器内における磁気センサと配線において、電流方向に対する断面積の関係及びその中心軸のズレが本発明において好ましい関係を得ることができる。

以上の構成の免疫検査デバイスに検体溶液を注入する。検体溶液中に抗原６００が含まれている場合には、一次抗体５００に抗原６００が結合する。次いで、磁気センサ２００に電流を流しながら、二次抗体（抗原６００の一次抗体が結合していない部位に結合する抗体）７００が表面に定法により固定されている磁性粒子８００を筐体１００内の検体溶液中に注入する。磁気センサ２００に流した電流によって作られた磁界によって、磁性粒子８００が磁気センサ２００に引き寄せられるため、過剰な量の磁性粒子を注入することなく、抗原６００と二次抗体７００を十分に反応させることが可能である。磁性粒子を集める際に流す電流は磁気センサ２００において最も高密度であることが好ましい。そうすることによって、磁気センサ２００近辺で最も大きな磁界を発生させることが可能であり、文献１に開示の構成のように検出領域でない配線の上に磁性粒子が集まることを低減することができるからである。また、磁気センサに流れる電流によって磁気センサ内に発生する磁界の大きさは、磁気センサの中心からｒ離れた点における磁界Ｈの大きさを表す以下の式（２）によって推定することができる。

上記式（２）で、Ｒは円柱状の磁気センサの半径、Ｉは磁気センサに流れる電流を示す。

文献１で記載されている構成では、磁気センサ表面にかかる磁界がほぼ磁気センサ全体にかかり、本発明にかかる構成の方が、比較的弱い磁界が磁気センサ２００に印加されるので、磁気センサ２００は磁界による影響を受けにくい構成となる。

磁性粒子８００を磁気センサ２００表面で反応させた後、抗原に固定されなかった磁性粒子８００がある場合にこれを除去する。除去する方法は、洗い流しても良いし、磁界によって磁気センサ２００から遠ざけても良い。もし、検体溶液中に抗原６００が存在していない場合には、磁性粒子８００は磁気センサ２００表面に残らず、抗原６００が存在する場合には、その数に比例して磁性粒子８００が磁気センサ２００表面に固定される。

上記の様にして磁性粒子８００が固定された磁気センサ２００に交流電流を流し、磁性粒子８００から生じる浮遊磁界９１０を検出する。磁気センサの検出信号は磁性粒子８００の数に依存するので、検出信号の大きさによって間接的に抗原の濃度や有無を知ることができる。

磁性粒子８００がスーパーパラ磁性を示す場合には、検出の際に外部から磁界を印加して任意の大きさの磁化を発生させる。

磁性粒子８００を集める為の磁界はＤＣ電流でもＡＣ電流でも構わない。また、測定時に用いられるＡＣ電源を用いて、磁界発生用の電流を流しても構わない。

本発明に用いられる抗体は従来用いられているものが使用可能であり、また、磁性粒子に固定させる二次抗体も同様に種々のものが使用可能である。検体としては、生体物質（タンパク質、核酸、糖鎖）やアレルゲン、バクテリア、ウイルス等の抗体が特異的に認識でき非磁性体であるものなどが対象となる。また、本発明は生体分子の検出に限らず、磁性粒子を直接的にあるいは間接的に固定できる物質であれば、どのようなものでも検出可能である。

以下、本発明を、実施例を挙げてさらに詳細に説明する。
（実施例１）
本実施例において、本発明の磁気センサの作製方法の一例を説明する。

ガラス管１００の底部に配線４１１を埋め込む形で形成し、その上部に磁気センサ２００として、ＣｏＦｅＳｉＢアモルファスからなる直方体の磁気センサ２００を固定する。磁気センサの厚さは幅の半分とする。配線４１１の上表面はガラス管底部の高さと同じ高さとする。配線４１１に切り替えスイッチ３１０を介してＤＣ電源４１０とＡＣ電源３２０を接続する。配線４１１の膜厚は磁気センサ２００の幅の３倍とし、幅は磁気センサ２００の幅と同じ長さとする。ＡＣ電源には磁気センサ２００と直列に固定抵抗３３０が接続される。さらに固定抵抗３３０には電圧計３４０が接続される（図２参照）。

本実施例では直方体の磁気インピーダンス効果素子を用いたが、ワイヤー形状や薄膜形状の物でも良いし、より薄膜化が実現可能な磁性膜／金属膜／磁性膜のサンドイッチ構造である磁気インピーダンス効果素子でも良い。さらには金属膜の周囲を磁性膜で巻いた構造のより小型化が可能な磁気インピーダンス効果膜でも構わない。

図２のセンサ素子を使用してＰＳＡの検出を行うための操作を、図１に示す一次抗体５００、抗原６００、二次抗体７００、磁性粒子８００及び磁界９１０を利用して以下に説明する。なお、図２の磁気センサ２００の表面には絶縁膜であるＳｉＯ₂膜が形成され、さらに一次抗体５００が固定されるようにＡｕ膜が形成されている。本実施例においては一次抗体５００および二次抗体７００は標的物質６００である前立腺特異抗原（ＰＳＡ）と特異的に結合する物質を用いる。

まず、ＡＣ電源３２０によって１０ＭＨｚの検出電流を流し、初期インピーダンス値を測定する。次いで検体溶液である血液をガラス管内に注入しインキュベートする。インキュベート後、切り替えスイッチ３１０を切り替えて、ＤＣ電源４１０によって磁気センサ２００にＤＣ電流を流し、磁界を形成するとともに、二次抗体７００が表面に固定されている磁性粒子８００をガラス管１００内に注入する。用いる磁性粒子はＦｅ₃Ｏ₄からなり、抗体を含む全粒径は約４．５μｍである。注入された磁性粒子８００は磁気センサ２００から発生する磁界によって、磁気センサ２００の表面に集まる。磁気センサ２００の両端に接続されている配線表面に発生する磁界は、配線の断面積が広いので比較的弱い。したがって磁性粒子８００は磁気センサ２００表面に集まりやすい。磁性粒子８００を磁気センサ２００表面に集めることによって、磁性粒子８００の濃度を従来の濃度よりも薄くすることが可能であると共に、反応時間を短くすることが可能である。磁性粒子８００が標的物質に固定された後に、ＤＣ電流の通電を止め、リン酸バッファー溶液によって、固定されていない磁性粒子８００を除去する。その後、切り替えスイッチ３１０を切り替えて、再びＡＣ電流を流してインピーダンス値を測定する。このインピーダンス値と初期値との変化量を調べることによって、固定された磁性粒子８００の量つまりは検体溶液のＰＳＡの濃度を知ることができる。

（実施例２）
実施例１においては、磁気センサ２００として磁気インピーダンス効果素子を用いたが、ホール素子でも同様の構成によって磁性粒子８００の検出が可能である。ホール素子は大きな磁界であっても検出信号が飽和しにくいので、磁性粒子８００に十分大きなＤＣ磁界を印加して磁性粒子８００の磁化を大きくし、磁性粒子８００から生じる浮遊磁界を大きくする方法が適している。

ホール素子では素子に流す電流に対して垂直方向に検出信号が生じるため、電流源と検出回路の接続は図３に示すように行う。検出電流としてＤＣ電源３６０を用いる。検出信号とノイズを分離するために、ロックインアンプ３５０を用いる。また、磁性粒子の磁化方向をホール素子面に対して垂直方向に向ける為に素子面垂直方向に磁界を印加し、さらに素子面内方向に所望の周波数のＡＣ磁界を印加して、磁性粒子の磁化方向を変化させる。このようにして、ホール素子にかかる実効的な磁界の大きさを変化させ、この周波数の検出信号成分を取得する。

ホール素子として、本実施例では図５に示すように、ＧａＡｓ基板２４０上にＩｎＳｂ膜２５０を形成したものを用いる。ＩｎＳｂ膜２５０上に絶縁膜としてＳｉＯ₂膜２６０を形成し、さらにその上部にＡｕ膜２８０を形成し、この表面に一次抗体５００を固定させる。標的物質６００や磁性粒子８００の固定は実施例１と同様にする。

（実施例３）
さらに磁気センサ２００に磁気抵抗効果素子を用いることが可能である。磁気抵抗効果素子は磁気ディスクの検出デバイスとして用いられ、微小領域から発生する微小磁界を検出する構成に適している。

検出電流はＤＣ電源３６０を用い、検出電流は上部磁性体２１０と下部磁性体膜２２０の間でスピントンネル膜２３０を通過する様に流す。磁気抵抗効果膜にスピントンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果膜を用いたときには素子の上部磁性体膜２１０と下部磁性体膜２２０がショートしないように注意する必要がある（図４参照）。

図４では下部磁性膜２２０に電流が流れるようにしているが、上部磁性膜２１０に、あるいはショートしないようにした上で両磁性膜に電流を流しても構わない。ただし、磁性膜２２０や磁性膜２１０に電流を流すための配線の膜厚方向の中心面は、それぞれの磁性膜の膜厚方向の中心面よりも下の位置となり、かつ、電流が流れる方向に対して、配線の断面積がそれぞれの磁性膜の断面積よりも大きくなるようにする。

磁気抵抗効果素子として、本実施例では図６に示すように、Ｓｉ基板２７０上に下地膜としてＴａ膜２７１、Ｃｕ膜２７２、Ｔａ膜２７３の多層膜、下部磁性体膜２２０として、ＰｔＭｎ膜２２１、ＣｏＦｅ膜２２２、Ｒｕ膜２２３、ＣｏＦｅＢ膜２２４の多層膜、スピントンネル膜２３０として、ＭｇＯ膜、上部磁性体膜２１０としてＣｏＦｅＢ膜を順次形成した多層膜を用いる。上部磁性体膜２１０の上部に保護膜としてＰｔ膜２７４および検出電流を流すための上部配線２７５を配する。センサ表面にＡｕ膜２８０を形成し、一次抗体５００を固定させる。

磁性粒子の磁化が飽和に達しておらず、検出信号が小さい場合には、磁性粒子に外部から磁界を印加し、磁化を大きくすることによって、検出信号を大きくすることが可能である。

本発明の好適な実施形態にかかるセンサデバイスを用いることにより、標識となる磁性粒子を効率良くセンサ上へ集めることが可能であると共に、磁性粒子を集めるための磁界がセンサへ与える影響を軽減可能である。

また、本発明の好適な実施形態にかかるセンサおよびセンシング方法を用いることにより、比較的少ない磁性粒子で、かつ短時間で免疫検査を行うことが可能である。

本発明のセンサの構成を説明するための概念図である。本発明のセンサの一実施例を説明する概念図である。本発明のセンサの一実施例を説明する概念図である。本発明のセンサの一実施例を説明する概念図である。本発明に用いうるホール素子の膜構成を説明する断面図である。本発明に用いうる磁気抵抗効果素子の膜構成を説明する断面図である。文献１で開示されている磁気センサと磁界発生用配線の配置を説明する概念図である。磁気センサに流れる磁界によって形成される磁界を説明するための概念図である。直径の異なる円柱無限長導体に電流を流したときに生じる磁界の大きさを計算した結果を示すグラフである。本発明のセンサの特徴を説明する概念図である。

Claims

磁性粒子を検出するためのセンサデバイスであって、
磁性粒子を検出するための検出用表面を有し、電流の印加により該検出用表面へ磁性粒子を集めるための磁界を発生し得るセンサ素子と、
前記センサ素子に電流を流すための電流印加手段と、
前記検出用表面での磁界の変化を電気的な出力信号として取得するための信号取り出し手段と、
を有し、
前記センサ素子が、磁気インピーダンス効果素子であり、交流電流を前記センサ素子に印加することで前記検出用表面での磁界の変化を電気的な出力信号に変換するものであり、
前記検出用表面での磁界発生のための電流が直流であり、前記出力信号を得る際に前記センサ素子への印加電流を交流に切り替えるためのスイッチ機構を更に有する
ことを特徴とするセンサデバイス。
磁性粒子を検出するためのセンサデバイスであって、
磁性粒子を検出するための検出用表面を有し、電流の印加により該検出用表面へ磁性粒子を集めるための磁界を発生し得るセンサ素子と、
前記センサ素子に電流を流すための電流印加手段と、
前記検出用表面での磁界の変化を電気的な出力信号として取得するための信号取り出し手段と、
を有し、
前記電流印加手段が、前記センサ素子を含む回路を有し、少なくとも磁性粒子が存在し得る容器内において、前記センサ素子の電流に垂直な断面積が、電流の印加により該検出用表面へ磁性粒子を集めるための磁界を発生し得、かつ前記センサ素子に接続されている前記電流印加手段の配線の電流に垂直な断面積よりも小さく、かつ前記センサ素子の長さ方向の中心軸が配線の長さ方向の中心軸よりも磁気粒子が多く存在している方向へずれている
ことを特徴とするセンサデバイス。
前記センサ素子が、磁気インピーダンス効果素子であり、交流電流を前記センサ素子に印加することで前記検出用表面での磁界の変化を電気的な出力信号に変換する請求項２に記載のセンサデバイス。
前記検出用表面での磁界発生のための電流が直流であり、前記出力信号を得る際に前記センサ素子への印加電流を交流に切り替えるためのスイッチ機構を更に有する請求項３に記載のセンサデバイス。
前記センサ素子が、ホール素子である請求項２に記載のセンサデバイス。
前記センサ素子が、磁気抵抗効果素子である請求項２に記載のセンサデバイス。
前記磁気抵抗効果素子がスピントンネル磁気抵抗効果素子である請求項６に記載のセンサデバイス。
磁性粒子の磁化手段を更に有する請求項１乃至７のいずれか１項に記載のセンサデバイス。
非磁性体からなる標的物質の標識として機能する磁性粒子を検出することによって間接的に標的物質を検出する請求項１乃至８のいずれか１項に記載のセンサデバイス。
前記検出用表面に標的物質を特異的に捕捉する捕捉体を有し、該捕捉体への標的物質の捕捉を、前記磁性粒子を標識として検出する請求項９に記載のセンサデバイス。
前記標的物質として生体物質を検出する請求項９または１０に記載のセンサデバイス。
前記標的物質が抗原であり、前記捕捉体が抗体であり、免疫検査用として用いられる請求項１０に記載のセンサデバイス。
電流の印加により検体と接触する検出用表面に磁性粒子を集めるための磁界を発生し得るセンサ素子を用いて検体中の磁性粒子を検出する磁性粒子の検出方法であって、
前記センサ素子の検出用表面に検体を接触または近接させた状態で、前記センサ素子に磁界発生用の電流を印加する工程と、
前記検出用表面に磁性粒子が集合した場合における磁界の変化を、電気的な出力信号として取り出す工程と、
を有し、
前記センサ素子が、磁気インピーダンス効果素子であり、交流電流を前記センサ素子に印加することで前記検出用表面での磁界の変化を電気的な出力信号に変換し、
前記検出用表面での磁界発生のための電流が直流であり、前記出力信号を得る際に前記センサ素子への印加電流を交流に切り替える工程を有する
ことを特徴とする磁性粒子の検出方法。
電流の印加により検体と接触する検出用表面に磁性粒子を集めるための磁界を発生し得るセンサ素子を用いて検体中の磁性粒子を検出する磁性粒子の検出方法であって、
前記センサ素子の検出用表面に検体を接触または近接させた状態で、前記センサ素子に磁界発生用の電流を電流印加手段により印加する工程と、
前記検出用表面に磁性粒子が集合した場合における磁界の変化を、電気的な出力信号として取り出す工程と、
を有し、
前記電流印加手段が、前記センサ素子を含む回路を有し、少なくとも磁性粒子が存在し得る容器内において、前記センサ素子の電流に垂直な断面積が、電流の印加により該検出用表面へ磁性粒子を集めるための磁界を発生し得、かつ前記センサ素子に接続されている前記電流印加手段の配線の電流に垂直な断面積よりも小さく、かつ前記センサ素子の長さ方向の中心軸が配線の長さ方向の中心軸よりも磁気粒子が多く存在している方向へずれている
ことを特徴とする磁性粒子の検出方法。
前記センサ素子が、磁気インピーダンス効果素子であり、交流電流を前記センサ素子に印加することで前記検出用表面での磁界の変化を電気的な出力信号に変換する請求項１４に記載の検出方法。
前記検出用表面での磁界発生のための電流が直流であり、前記出力信号を得る際に前記センサ素子への印加電流を交流に切り替える工程を有する請求項１５に記載の検出方法。
前記センサ素子が、ホール素子である請求項１４に記載の検出方法。
前記センサ素子が、磁気抵抗効果素子である請求項１４に記載の検出方法。
前記磁気抵抗効果素子がスピントンネル磁気抵抗効果素子である請求項１８に記載の検出方法。
磁性粒子の磁化工程を更に有する請求項１３乃至１９のいずれか１項に記載の検出方法。
検体と接触する検出用表面に標的物質と特異的に結合し得る捕捉体を有し、かつ電流の印加によって前記検出用表面に磁性粒子を集めるための磁界を発生し得るセンサ素子を用いて、磁性粒子を標識として検体中の非磁性体としての標的物質を検出する検出方法であって、
前記センサ素子の検出用表面に検体を接触させる工程と、
前記検出用表面と接触している検体に、前記捕捉体と前記標的物質との結合体を検出するための標識としての磁性粒子を添加する工程と、
前記センサ素子に、前記磁性粒子が添加された状態の検体に接触している検出用表面に磁性粒子を集めるための磁界を発生させる工程と、
前記センサ素子の検出用表面の検体との接触による前記捕捉体と前記標的物質の結合体の形成の有無を、該結合体への前記磁性粒子の取り込みによる磁界の変化に基づく電気的な出力信号を利用して検出する工程と、
を有し、
前記センサ素子が、磁気インピーダンス効果素子であり、交流電流を前記センサ素子に印加することで前記検出用表面での磁界の変化を電気的な出力信号に変換し、
前記検出用表面での磁界発生のための電流が直流であり、前記出力信号を得る際に前記センサ素子への印加電流を交流に切り替える工程を有する
ことを特徴とする標的物質の検出方法。
検体と接触する検出用表面に標的物質と特異的に結合し得る捕捉体を有し、かつ電流印加手段による電流の印加によって前記検出用表面に磁性粒子を集めるための磁界を発生し得るセンサ素子を用いて、磁性粒子を標識として検体中の非磁性体としての標的物質を検出する検出方法であって、
前記センサ素子の検出用表面に検体を接触させる工程と、
前記検出用表面と接触している検体に、前記捕捉体と前記標的物質との結合体を検出するための標識としての磁性粒子を添加する工程と、
前記センサ素子に、前記磁性粒子が添加された状態の検体に接触している検出用表面に磁性粒子を集めるための磁界を発生させる工程と、
前記センサ素子の検出用表面の検体との接触による前記捕捉体と前記標的物質の結合体の形成の有無を、該結合体への前記磁性粒子の取り込みによる磁界の変化に基づく電気的な出力信号を利用して検出する工程と、
を有し、
前記電流印加手段が、前記センサ素子を含む回路を有し、少なくとも磁性粒子が存在し得る容器内において、前記センサ素子の電流に垂直な断面積が、電流の印加により該検出用表面へ磁性粒子を集めるための磁界を発生し得、かつ前記センサ素子に接続されている前記電流印加手段の配線の電流に垂直な断面積よりも小さく、かつ前記センサ素子の長さ方向の中心軸が配線の長さ方向の中心軸よりも磁気粒子が多く存在している方向へずれている
ことを特徴とする標的物質の検出方法。
前記センサ素子が、磁気インピーダンス効果素子であり、交流電流を前記センサ素子に印加することで前記検出用表面での磁界の変化を電気的な出力信号に変換する請求項２２に記載の検出方法。
前記検出用表面での磁界発生のための電流が直流であり、前記出力信号を得る際に前記センサ素子への印加電流を交流に切り替える工程を有する請求項２３に記載の検出方法。
前記センサ素子が、ホール素子である請求項２２に記載の検出方法。
前記センサ素子が、磁気抵抗効果素子である請求項２２に記載の検出方法。
前記磁気抵抗効果素子がスピントンネル磁気抵抗効果素子である請求項２６に記載の検出方法。
磁性粒子の磁化工程を更に有する請求項２１乃至２７のいずれか１項に記載の検出方法。
前記標的物質が生体物質である請求項２１乃至２８のいずれか１項に記載の検出方法。
前記生体物質が抗原であり、前記捕捉体が抗体であり、免疫検査用として用いられる請求項２９に記載の検出方法。