(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁場を発生する磁気的手段を有する磁気システムであって、
前記磁気的手段は、
少なくとも一つの強磁性コアを有する少なくとも一つのコイルと、前記磁場に対応するセンサまたはセンサ表面とを有し、
前記強磁性コアは、前記センサが配置された側に開口を有し、
前記磁場により、第1の領域に、当該磁気システムの方に向かって誘導された磁力が生じ、前記第1の領域に隣接して、第2の領域に、当該磁気システムから離れる方向に誘導された磁力が生じ、
これにより、前記磁気的手段による不均一な磁力線が生じ、前記第1の領域および第2の領域が形成され、不均一な磁力線に局部的高密度が形成されることを特徴とする磁気システム。
【請求項２】
前記強磁性コアの前記開口は、閉端穴であり、または前記強磁性コアの前記開口は、円錐状の穴もしくは開口であり、または前記強磁性コアの前記開口は、矩形状または正方形状の断面を有することを特徴とする請求項1に記載の磁気システム。
【請求項３】
前記強磁性コアの前記開口は、前記強磁性コアを貫通する穴であることを特徴とする請求項1に記載の磁気システム。
【請求項４】
当該磁気システムは、少なくとも2つの同心磁気的手段の多層化システムを有することを特徴とする請求項1に記載の磁気システム。
【請求項５】
当該磁気システムは、磁性材料を備え、該磁性材料は、取り囲む媒体に比べて、実質的に大きな透磁率を有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一つに記載の磁気システム。
【請求項６】
請求項1乃至5のいずれか一つに記載の磁気システムを作動する方法であって、
検出材料または液体が微小磁性ビーズとともに分散され、あるいは微小磁性ビーズに化学的に結合され、
センサまたはセンサチップは、前記センサの表面近傍で、第1の領域に、磁気的斥力が生じることにより、前記磁性ビーズが前記表面から洗浄されるような位置に配置され、
前記センサの前記表面近傍で、第2の領域に、磁気的引力が発生することにより、前記検出材料に結合された前記磁性ビーズに対して引力が生じ、前記センサの前記表面に密接触した生物物質が検出されることを特徴とする方法。
【請求項７】
前記センサまたはセンサチップと前記強磁性コアの間の移動は、相対的な移動であり、これにより、
第1のセンサ位置が前記強磁性コアの前記開口の外側となり、従って前記引力の影響を受ける第1の領域にあり、
一つのセンサ位置が前記強磁性コアの前記開口の内側となり、前記斥力の影響を受ける第2の領域にくるように、
前記コアが動かされることを特徴とする請求項6に記載の方法。
【請求項８】
引力は、内側コイルへの電流の印加のみにより生じ、
斥力は、外側コイルへの電流の印加のみにより生じ、
一つのコイル内の前記電流の方向を変化させることにより、引力と斥力の間の交互の変化が生じることを特徴とする請求項6に記載の方法。
【請求項９】
以下の用途の1または2以上における、請求項1乃至5のいずれか一つに記載の磁気システムを備えた装置：
−分子診断に使用されるバイオセンサ、
−生物学的複雑混合物中の、タンパク質および核酸の迅速感度検出、
−化学物質、調合薬、または分子生物の高処理量スクリーニング装置、
−犯罪学、病院におけるオンサイト評価、集中ラボにおける診断、または科学的研究用の、DNAもしくはタンパク質の評価装置、
−心臓学、感染病、腫瘍学、ならびに食物および環境用のDNAまたはタンパク質の診断ツール、
−コンビナトリアルケミストリ（combinatorial  chemistory）用のツール、
−解析機器、
−光検出を利用するバイオセンサ、
照射の際に熱を発する粒子により、電気的チャージが生じる圧電効果を利用するバイオセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
生物材料成分の効果的な評価のためには、生物材料を、バイオセンサの表面に密接触させる必要がある。そのため、生物材料に引力を発生させる必要がある。これは、通常、磁性粒子またはビーズにより行われ、これらは、生物材料と化学的にあるいは物理的に結合し、被検査生物材料を基板に接続させる。バイオセンサ表面近傍に、磁気的な引力が生じ、これにより、生物材料と結びついた磁性ビーズ、または磁性ビーズに取り込まれた生物分子がそれぞれ引き寄せられる。
【０００３】
磁気作動法は、バイオセンサの動作に対する有望な測定方法である。まず、これは、センサ表面での磁性粒子の濃化、さらには磁性粒子の結合過程を促進する。第2に、従来の湿式洗浄ステップを磁気的洗浄方法に置換することができ、これにより、精度が高まるとともに、操作動作の数が減少する。
【０００４】
チップ寸法に比べて大きな外部電磁石を動作に用いることにより、センサ表面に均一なフィールド勾配が得られ、生物材料のサンプル容積全体にわたって、大きな進入深さを得ることができる。測定の際のこれらの精度は、一体式動作構造では、得ることは難しい。
【０００５】
示されたバイオチップのバイオセンサは、生物分子診断の際に、感度、選択性、統一性、使いやすさ、およびコストの点で有意な特徴を有する。
【０００６】
そのようなバイオセンサまたはバイオチップの一例は、国際特許公開第2003054566号に示されており、この文献には、均一磁場を用いた磁性ビーズの励磁について示されている。
【０００７】
この文献に示されたバイオセンサは、超常磁性ビーズを検出することをベースとしており、生物材料の溶液中における多数の異なる生物分子の同時濃度測定に使用される。
【０００８】
従って、センサ表面は、生物材料と密接触している必要があり、これは、前述の磁性ビーズの働きにより、生物材料をセンサ表面に極めて接近させるようにすることにより達成される。別の要求は、次の測定に向けたセンサ表面の調整のため、測定後に、生物材料を洗浄除去する必要があることである。
【０００９】
また洗浄処理は、生物材料と混合された磁性ビーズにより行うことができ、これにより、センサ表面近傍に、磁気的な斥力が発生する。
【００１０】
通常の場合、磁石または電磁石によって誘導される磁力は、磁石の方に向かう。従って、センサ表面に向かう磁力、いわゆる沈降作用や、センサ表面から遠ざかる、いわゆる洗浄効果を発生させるためには、2つの磁石が必要となる。
【特許文献１】国際公開第2003054566号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、引力と斥力とを示す前述の特徴を備える、磁気システムおよび方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前述の目的は、請求項1、請求項7および請求項10に記載の特徴を有するバイオセンサ用の磁気システムにより達成される。磁気システムは、磁場を発生する磁気的手段を有し、この磁場は、磁気システムの方に向かう磁力を発生させ、その後、あるいはそれに隣接して、磁気システムから遠ざかる方向の磁力を発生させ、全ての磁力は、同じ磁気的手段のソース源から発生することが開示される。磁力は、時間内で変化し、第1の領域における磁力は、ある時間に存在し、第2の領域における磁力は、別の時間に存在する。また、第1および第2の領域における磁力は、異なる空間領域または面積内に、同時に存在しても良い。これは、第1および第2の領域に、磁力が同時に存在すること、または磁力が連続的に存在することを意味する。磁気的手段は、いかなる方法で構成されても良く、これは、1つの単一の、または複数の磁気出力源を有しても良い。従って、磁気的手段のソース源という用語は、単一の磁気出力源の態様の範囲に限られるものではない。本発明において、ソース源という用語は、実在的物理的な磁気出力源ではなく、むしろ磁気出力の空間的発生源を意味する。磁気的手段は、協働するバイオセンサに対して、ある場所に配置される。
【００１３】
本磁気システムのさらに別の実施例は、従属請求項2-15に示されている。
【００１４】
本方法のさらに別の実施例は、従属請求項17-20に示されている。
【００１５】
一例では、両方に適用される磁石が検討される。この磁石は、通常の引力に加えて、斥力を印加することもできる。
【００１６】
本発明の一例に関係する携帯式ポイント検査（point-of-care）用途では、電力消費は、大きな問題である。従って、電磁石により生じる力を最大化することは、重要である。本発明に記載の特殊な磁気システムを、一般的な磁石または電磁石と組み合わせて使用した場合、磁力の大きさは、有意に増大する。また、標準的な磁石のみを使用した場合に比べて、より小さな電流で、同じ力を形成することも可能である。
【００１７】
本発明の2つの代替例の主な特徴は、磁性コア内に開口があることであり、特に、この開口の特殊な形状である。これにより、ある代替例において、磁性ビーズと調整された生物材料に、所定の近距離における表面近傍では、磁気的引力が生じ、より遠方では、斥力が生じる。従って、磁気システムとセンサ表面の間の相対位置を変化させることにより、単一の磁気システムにより、磁力方向を切り替えることが可能となる。
【００１８】
第2の代替例では、磁気システムは、少なくとも2つの同心コイルまたは巻線と、強磁性コアとの複数の層状化システムを有する同心磁気システムを用いて、斥力と引力の間を容易に切り替えることができる。内側コイル−コア配置は、外側コイルコア配置よりも短く、これにより、磁気システムに隣接してセンサが配置される側に、開口が形成される。換言すれば、外側コアおよびコイルまたは巻線は、内側コアおよびコイルまたは巻線に比べて上昇している。
【００１９】
センサ表面は、生物材料と密接触させる必要があるが、これは、前述の磁性ビーズの働きを援用し、生物材料をセンサ表面に密接触することにより行われる。生物材料またはその一部と接合した磁性ビーズを用いて、生物材料またはその一部を、ある方向に配向させることができる。洗浄処理を用いることにより、適正な端部点測定のため、センサ表面から、未結合のおよび非特異結合のビーズが除去される。
【００２０】
本発明の実施例では、円筒状閉端穴状の磁性コア内に開口が示されているが、コア内の別の有意な開口は、円錐状穴または開口である。さらに有意な開口の断面は、矩形状または正方形状である。
【００２１】
いずれの場合も、不均一な磁力線が誘導され、これにより、所定の距離の第1の領域に、引力が生じ、所定の距離の第2の領域に、斥力が生じる。両方の力の方向は、一箇所に配置された磁気的手段により形成されることを理解する必要がある。引力および斥力は、発生源またはソース源のある位置で生じる。これを、異なる位置に配置された磁気システム、例えば、センサの異なる側に、相互に対向して配置された2つのソース源と混同してはならない。
【００２２】
本発明の別の実施例では、センサは、コア内の開口の内側と外側の間で移動可能であることが示される。換言すれば、センサは、両方の力の方向位置に移動される。これは、センサが磁気システムに対して移動可能である、第1の代替例において重要である。
【００２３】
第2の代替例では、センサまたは磁石の移動は、必要ない。この第2の代替例による多層化同心システムは、少なくとも2つの磁気的手段を有し、これらの手段は、コイルまたは永久磁石である。多層化同心システムは、一つのコイルと、1または2以上の永久磁石とを有しても良い。また多層化同心システムは、2以上のコイルを有するように構成されても良く、永久磁石を有さないコイルで構成されても良い。多層化同心システムを用いた場合、一つのコイルだけに電流を印加することにより、斥力と引力の間の切り替えが可能となる。これは、内側コイルと外側コイルで構成された多層化同心システムを仮定した場合、内側コイルに電流を印加するだけで引力が生じ、外側コイルに電流を印加するだけで斥力が生じることを意味する。
【００２４】
第1の代替例では、別の実施例において、磁石に隣接して第2の磁石が配置され、これらの磁石は、隙間を介して離間され、その間で、センサの位置が動かされる。なお、センサの位置とは、少なくともセンサ表面を意味する。この特殊な磁気システムは、磁気システムが発する高磁力を強める。
【００２５】
バイオセンサの有意な使用において、本発明の実施例では、センサは、いくつかのセンサの配列であることが示される。この結果、大きなセンサ表面を有する、極めて有効なセンサが得られる。
【００２６】
本発明の別の実施例では、磁場センサにより、センサの移動端部位置が最適化され、この磁場センサは、センサと同時に移動することができ、磁束の最適流が評価される。これにより、センサ表面近傍に生じる磁力の強度が最適化され、引力モードと斥力モードにおいて、最大の磁力が形成される。これにより、検出モードにおいて、生物材料との良好な接触が生じ、洗浄モードにおいて最適な斥力が生じる。
【００２７】
本発明の別の目的は、バイオセンサのため前述のような磁気システムを使用する方法により解決される。これにより、検出材料または液体は、微小な磁性ビーズとともに分散し、あるいはこれらと化学的に結合され、センサチップは、磁性コア内の開口に近い位置まで移動し、センサ表面領域近傍に、磁気的斥力が生じ、磁性ビーズの斥力により、表面が洗浄され、センサチップは、コアの所定の距離位置に移動され、センサ表面に極めて密接触するようにセンサに配置されたバイオ物質を検出する磁性ビーズに対して、引力が生じる。
【００２８】
2つの離れた位置間を切り替えることにより、センサの作動モードが、最適測定モードと、最適洗浄モードの間で変化する。
【００２９】
当該方法の実施例では、前記センサまたはセンサチップと前記磁性コアの間の移動は、相対的な移動であり、これにより、第1のセンサ位置が前記磁性コアの前記開口の外側となり、従って前記引力領域の影響を受け、別のセンサ位置は、前記磁性コアの前記開口の内側となり、前記斥力領域の影響を受けるように、前記コアが動かされることを特徴とする。
【００３０】
このセンサまたはセンサチップと磁性コアの間の動きは、相対的であり、磁性コアとともにセンサチップが移動し、またはコイルが移動し、相互に対して同じ相対位置が得られる。
【００３１】
当該方法の別の実施例では、隙間により離間された2つの磁石の磁気的配列において、前記センサの相対位置は、一つの磁性コアの前記開口の内側と、前記2つの磁性コアの間の前記隙間の内側との間にあることを特徴とする。
【００３２】
また、以下の1または2以上の用途に使用される磁気システムを備える装置が開示される：分子診断に使用されるバイオセンサ、例えば血液もしくは唾液のような生物学的複雑混合物中の、タンパク質および核酸の迅速感度検出、化学物質、調合薬、もしくは分子生物の高処理量スクリーニング装置、例えば犯罪学、例えば病院もしくは道路サイト評価のようなオンサイト評価、集中ラボにおける診断、もしくは科学的研究用の、例えばDNAもしくはタンパク質の評価装置、心臓学、感染病、腫瘍学、ならびに食物および環境用のDNAもしくはタンパク質の診断ツール、コンビナトリアルケミストリ（combinatorial  chemistory）用のツール、解析機器、光検出を利用するバイオセンサ、圧電効果、特に、照射の際に熱を発する粒子により生じる電気的チャージを利用するバイオセンサ。また、本発明は、ラベルとして光吸収粒子を使用する、バイオセンサの後者の用途においても有益である。ラベルは、生物学的手段により表面に結合する。光照射された粒子が熱を発する場合、今度は、圧電膜に電気的チャージが生じる。この生じたチャージは、電気的手段により検出することができる。本発明は、前述のバイオセンサにおいて、ラベルとして磁性粒子を使用する際に、特に有益である。通常、磁性粒子は、高含有量の酸化鉄を含み、従って、磁性粒子は、強い光吸収体である。また、前述のバイオセンサにおける磁性動作により、結合表面へのラベルの迅速な輸送が可能となり、例えば、磁性粒子に有効なパルス力との作動を用いて、結合の際の最適条件が形成され、これにより、センサ表面上で、磁性粒子の結合と非結合の間の、適正に制御された分離が可能となり、バルク中の未結合磁性粒子からのバックグラウンド信号が抑制され、測定の生物学的選択性が改善される。また、これにより、例えばオフセット信号が差し引かれ、表面結合を開始する際のタイミングの制御が可能となる。
【００３３】
本発明の異なる実施例は、図1乃至図9に示されている。本発明の目的のさらなる細部、特徴、特性および利点は、従属請求項、一例としての本発明の実施例を示す、図面、対応する以下の記載、および実施例に示されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
図1には、磁気システム10の本発明の第1の実施例を示す。磁気システム10は、コア1を有し、このコアは、図1では電流配線として示されているコイル2に取り囲まれた、円筒状開口3を有する。ここで、磁性コア1の開口3は、円筒状形状を有する。開口3を有さないコア1、例えば、磁力線の出力用の平坦表面を有し、磁気的引力のみが生じるコアに比べて、円筒状開口3は、磁力線4で示された不均一な磁場を発生し、この磁場は、開口3の底部から磁性コア1の外側までの距離に依存する。有効な磁力は、別の方向の3つの矢印で示すように、その方向で2倍に変化する。3つの矢印は、図1の異なる領域12、14を示し、第1の領域12では、下向きの矢印で表された、磁気システム10に向かう方向の磁力が発生し、第2の領域14では、上向きの矢印で表された、磁気システム10から遠ざかる方向の磁力が発生する。この例では、2つの第1の領域12が、一つの第2の領域14の上下に存在する。従って、機械的に変更することが可能な、実際の相対的なセンサ位置（図示されていない）に応じて、センサ5は、磁気システム10の磁場の引力領域である第1の領域12、または斥力領域である第2の領域に動かされる。
【００３５】
センサ5は、いかなる適正なセンサ5であっても良く、これは、粒子の特性に基づいて、センサ表面またはその近傍における磁性粒子の有無を検出する。例えば、磁気的方法、例えば磁気抵抗、ホール（Hall）、コイル2を介して、検出が行われる。センサ5は、光学的方法を介して、例えば画像化、発光、化学的発光、吸収、散乱、表面プラズモン共鳴、ラマンスペクトル法等を介して、検出を行う。また、センサ5は、音波検出を介して、例えば表面音響波、バルク音響波、生物化学的結合処理により影響を受ける片持ち梁（cantilever）偏向、石英結晶等を介して、検出を行う。また、センサ5は、電気的検出を介して、例えば導電性、インピーダンス、電流測定、酸化還元サイクル、またはこれらの組み合わせ等を介して、検出を行う。
【００３６】
図2には、別の実施例を示す。この実施例では、コア1の開口3は、円錐状形状である。この開口3の特殊な形状により、磁場が生じ、この磁場中では、磁力が強く反発し合うとともに、コア1から別の距離では、強い引力が生じる。図2では、磁力が下方に向かう第1の領域12で表された上側の矢印と、磁力が上方に向かう第2の領域14で表された下側の矢印とが示されている。この配置では、第1の領域12および第2の領域14の、2つの領域12、14が得られる。図2におけるこの開口3の特殊な形状により、図1に示した円筒状開口3に比べて、大きな斥力が生じる。
【００３７】
図1、図2に示した実施例では、沈降のため磁性ビーズを引き寄せる際、および洗浄のため磁性ビーズを排除する際の両方の場合に、一つのコイル2のみが必要となる。コイル2またはセンサ5（図示されていない）の平行移動のみにより、実際の磁力を、引力と斥力の間で切り替えることができる。
【００３８】
図3および図4には、図1と同様の断面を示す。コア1の開口3の上部にあるセンサ5は、開口3の上部位置に移動されている。両図には、センサ5またはセンサチップが移動する際の、2つの端部位置が示されている。図3には、センサ5または磁性コア1内のコイル2は、所定の相対距離だけ、機械的に移動され、磁気システム10の斥力領域である第2の領域14は、センサ5の下方で終端し、このため、センサ5の上部の第1の領域12が磁気的な引力に影響を受ける状態が示されている。引力は、センサ5の上部にある下向きの3つの矢印で示されている。従って、この第1の領域12における磁力は、被検査生物材料中の磁性ビーズを引き寄せ、これにより磁性ビーズのセンサ表面への沈降の速度が高まる。
【００３９】
図4には、センサ5の他の相対的端部位置が示されている。この位置では、センサ5は、開口3の内部に存在し、このため、センサ5の上部は、斥力の第2の領域14となる。この位置では、生物材料中の磁性ビーズに斥力が生じ、このため、磁性ビーズは反発し、あるいは換言すれば、磁性ビーズは、センサ表面から迅速に洗い流される。斥力は、センサ5の上部に、上向きの矢印で示されている。
【００４０】
沈降および洗浄の所望の効果を得るため、磁力の大きさは、極めて重要である。力は、磁性ビーズの速度と線形比例し、従って、沈降時間とも線形比例する。より重要なことは、非特定ビーズを表面から洗浄除去する場合、ある力に打ち勝つ必要があることである。
【００４１】
図5には、図4と同様の断面図を示す。この図では、コア1およびコイル2として構成された磁気的手段11と、センサ5とが傾斜された状態で示されている。磁気的手段11に隣接するように、追加の第2のコイル7が配置され、ここでは、この磁気的手段は、電磁石として構成される。第2のコイル7を用いることにより、磁力が増強される。
【００４２】
この第2のコイル7は、前述の特殊なコイル2に追加された通常のコイルであり、両者の間には、隙間8が配置される。この例では、コイル2を有するコア1と第2のコイル7との間の距離は、2mmである。センサ5は、この隙間8内で移動され、あるいは、コイル2を有するコア1が、同じ効果が得られるように移動される。両方の電磁コイル2、7を使用することにより、一つのコイル2のみを使用した磁気システム10に比べて、約4倍、有効な力が増強される。単一の従来のコイルのみを使用した磁気システム10と比べると、約10倍以上の増強効果が得られる。
【００４３】
この磁気システム10の増強特性は、いくつかの主要な利点を有する。同等の力を得るためには、より小さな電流しか必要ない。これにより、磁気システム10は、コイル2、7の活性冷却を弱めたりなくしたりしても、耐久性を維持することができる。小さな電流および小さな活性冷却の結果、多くの電力が節約され、これは、例えば、センサ5またはバイオセンサの携帯式ポイント検査（point-of-care）用途において、極めて重要である。
【００４４】
前述のように、センサ5は、センサ表面またはその近傍において、粒子のいかなる特性に基づいて、磁性粒子の有無を検出する、いかなる適当なセンサ5であっても良い。例えば、これは、例えば磁気抵抗測定法、Hall測定法、コイル2、7等の磁気的方法を介して、あるいは画像化、発光、化学発光、吸収、散乱、表面プラズモン共鳴、ラマン等の光学的方法、を介して検出を行う。また、音波検出も可能であり、これは、表面音響波、バルク音響波、片持ち梁（cantilever）、石英結晶等を介して、発生と検出を行うことを意味する。あるいは導電性、インピーダンス、電流測定、酸化還元サイクル等の電気的検出も可能である。
【００４５】
ラベルは、前述の検出方法により、直接検出される。また、粒子は、検出前にさらに処理されても良い。さらなる処理の一例は、材料を追加すること、あるいは、ラベルの化学的、生物的、または物理的特性を、検出が容易となるように改質することである。
【００４６】
検出は、バイオセンサ表面に対して、センサ5を走査することにより行われても良く、あるいは走査せずに行われても良い。分子検定に加えて、大きな集団部分、例えば細胞、ウィルス、組織抽出等を検出しても良い。
【００４７】
測定データは、端部点測定として得られ、速度的にまたは断続的に、信号が記録されても良い。
【００４８】
本装置および方法は、いくつかの種類の生物化学検定とともに使用することができ、例えば結合／未結合検定、サンドイッチ検定、競合検定、置換検定、酵素検定等がある。
【００４９】
本発明の磁気システム10および方法は、例えば異なるセンサ5とセンサ表面を並列に使用する多重化センサ、例えば異なる種類のラベルを並列に使用する多重化ラベル、例えば被測定検出材料が導入される異なる反応チャンバを並列に使用する多重化チャンバ、に適している。
【００５０】
本発明に示された磁気システム10および方法は、迅速で、ロバスト性があり、少ないサンプル量のポイント検査（point-of-care）センサ5またはバイオセンサに簡単に使用できる。反応チャンバは、使い捨て品であっても良く、1または2以上の磁場発生手段と、1または2以上の検出手段とを有する小型リーダと共に使用される。また、示された磁気システム10および方法は、自動高処理量評価に使用され得る。この場合、反応チャンバは、例えば、板またはキュベットであり、自動機器内に設置されても良い。
【００５１】
図6には、前述の光検出または光電検出用の光学的手段を示す。光ラベルは、いくつかの望ましい特性を提供する：
−多くの検出可能性、例えば画像化、蛍光、吸収、散乱、タービドメトリ（turbidometry）、SPR、SERRS、発光、化学発光、電気化学発光、FRET等がある。
【００５２】
−画像化が可能であり、高い多重化が提供される。
【００５３】
−通常、光ラベルは、微細であり、あまり検定に影響を及ぼさない。
【００５４】
良好な組み合わせでは、磁場勾配の印加により作動し、光学的に検出され得る磁性ラベルが使用される。この利点は、光および磁界が直交することであり、これは、ほとんどの場合、光ビームが磁場による干渉を示さず、逆も同じであることを意味する。これは、光検出との組み合わせに、磁気動作が極めて適することを意味している。作動フィールドによるセンサの妨害のような問題は、軽減される。
【００５５】
磁気動作と光検出を組み合わせることの問題は、形状が限定されることである。磁気作動手段と互換性のあるカートリッジ技術を開発するため、通常、電磁石は、磁石とセンサ表面の間の小さな距離で作動する必要がある。光学システムは、同じ表面を走査する必要があり、NAが高い光学機器を用いる必要がある。従って、磁気作動と光検出の概念を一体化すると、光機械構成および電磁石は、相互に妨害し合う。好ましくは、一方の側にのみ、磁気的手段11を有する配置が必要である。この磁気的手段11は、切り替え可能な磁場を発生することが可能なものである。
【００５６】
第2の代替例として、図7には、多層化電磁石の図を示す。この第2の代替例による多層化同心システムは、少なくとも2つの磁気的手段を有し、これらは、2つのコイル2であり、巻線または永久磁石と称されても良い。また、多層化同心システムは、一つのコイル2を有し、1または2以上の永久磁石を有しても良い。また、多層化同心システムは、2以上のコイル2で構成され、永久磁石を有さない、複数のコイル2で構成されても良い。示された例では、電磁石は、巻線またはコイル2の2つの別の層と、2つのコア材料の層とで構成される。両巻線に流れる電流の大きさおよび方向を変えることにより、磁場が歪む。この歪みのため、いかなる機械的なステップも使用しない多くの異なる用途においても、この永久磁石は、有益である。
【００５７】
図8には、図7と同様の4つの断面を示す。一つの内側コア1およびコイル2は、他の外側コア1およびコイル2に対して下側に示されている。これは、内側コア1およびコイル2の長さが、外側コア1およびコイル2とは異なることを意味する。4つの断面図では、コア1およびコイル2を通る電流方向が異なっており、これらの電流方向は、コイル2に沿って湾曲した矢印で示されている。磁気的手段11に向かう矢印およびこれから遠ざかる矢印の長さは、磁力の比を示している。左上の断面図の場合、両方のコイル2において、電流は、いずれも時計回りに流れる。この例では、2つの電流は、実質的に等しい。これにより、磁気的手段11の方に向かう下向きの方向の磁力が生じ、これは、下向きの矢印で示されている。右上の断面図の場合、外側コイル2の一つの電流は、時計回りに流れ、内側コイル2の一つの電流は、反時計回りに流れる。この例では、2つの電流は、強度が異なっており、外側のコイル2に流れる電流は、内側コイル2に流れる電流よりも大きい。これにより、磁気的手段11の近傍に、上向きの矢印で示された、上方に向かう方向の磁力が生じるとともに、磁気的手段11から離れた位置に、磁気的手段11の方に向かう下向きの別の磁力が生じ、これは、他の矢印とは反対の、下向きの矢印で示されている。ここでは、磁気的手段11の近傍の磁力は、磁気的手段11から遠い位置の電流よりも小さく、これは、矢印の長さの比によって示されている。
【００５８】
左下の断面図では、外側コイル2の一つの電流は、時計周りに流れ、内側コイル2の一つの電流は、反時計周りに流れる。この例では、2つの電流は、実質的に等しい大きさである。これにより、磁気的手段11の上方近傍に、下向きの矢印で示された第1の磁力が生じるとともに、磁気的手段11からより離れた位置に、磁気的手段11から上方に向かう、第2の磁力が生じ、これは、他方の矢印とは反対の上向きの矢印で示されている。さらに、図8の左下の断面図に示された配置の磁気的手段11では、磁気的手段11からより遠い領域における第3の磁力の方向は、下向きに誘導され、これは、磁気的手段11から最も遠い位置に、下向きの矢印で示されている。磁気的手段11から最も近い位置の磁力は、磁気的手段11からより遠い位置の磁力と同等であり、向きが反対である。この例では、磁気的手段11から最も遠い位置にある磁力は、他の2つの磁力よりも大きい。右下の断面図では、外側コイル2の一つの電流は、時計回りに流れ、内側コイル2の一つの電流は、反時計回りに流れる。この例では、2つの電流は、強度が異なっており、外側コイル2に流れる電流は、内側コイル2に流れる電流よりも小さい。これにより、磁気的手段11の近傍の第1の磁力は、下向きの矢印に示されているように、下向きに誘導され、磁気的手段11からより遠い位置の第2の磁力は、磁気的手段11から遠ざかるように上向きに誘導され、これは、他方の矢印とは反対の上向きの矢印で示されている。また、図8の右下の断面図のように配置された磁気的手段11では、第3の磁力は、磁気的手段11からより離れた領域において、下向きに誘導され、これは、磁気的手段11から最も遠い位置にある、下向きの矢印で示されている。磁気的手段11に最も近い磁力は、相互に強度が等しい他の2つの磁力よりも大きい。
【００５９】
両方の電流の流れが同じ方向の場合、磁気的手段11は、左上の断面図と共通の電磁的挙動を示す。両方の電流の流れが反対方向の場合、右上、左下、右下の断面図のように、反発する第2の磁力領域14が形成される。この第2の領域14の位置は、両方の電流の大きさを相互に変化させることにより、調整することができる。
【００６０】
図8の4つの断面図に示されている本実施例では、複数の層状磁気的手段11を使用する方法について示した。この例では、磁気的手段は、図7に示すような電磁石である。この多層化電磁石は、両方のコイル2または巻線の層において、電流が同じ方向に流れる場合、通常の電磁石のように機能する。この通常の電磁石の挙動は、図8の左上の図に示されている。これから始まり、一つの電流の方向、例えば、内側コイル2の電流の方向を変化させることにより、磁場の形状が影響を受け、ある第2の領域14に、変化した磁場勾配が形成される。第2の領域14では、磁力は、磁気的手段11から遠ざかる方向に誘導される。この原理は、図8の右上、左下および右下の断面図に示されている。両方の電流の大きさを相互に対して変化させることにより、この反発する第2の領域14の位置を調整することができる。内側の電流が他方の電流に比べて小さい場合、反発する第2の領域14は、図8の右上の図に示すように、磁気的手段11の表面の直上になる。この内側の電流を外側の電流に対して増加させることにより、反発する第2の領域14の位置は、図8の下側の2つの図に示すように上向きにシフトする。この現象は、磁気的手段11と密接触していない領域における磁気的斥力に適用することができる。これは、例えば比較的厚いまたはロバスト性のあるカートリッジのため、センサ表面と磁気的手段11の間の空間が大きい場合、重要となる。
【００６１】
図9には、図8と同様の多層化磁気システム11の3つの図を示す。この場合も、コイル2を有する外側コア1と、コイル2を有する内側コア1が示されている。図8と比べると、内側コイル1とコア2は、高さが低く、外側コイル1とコア2に対してずれており、このため、磁気的手段11には、該磁気的手段11の一部を通って延伸する軸方向に、穴4が形成されている。左下の切除斜視図は、この構造を明確化したものである。この例では、外側コイル2を流れる電流は、オフにされ、内側コイル2を流れる電流がオンにされている。この磁気的手段11の構造を、前述の電流の流れと組み合わせることにより、磁場が得られ、これにより、下向きの矢印で示すような磁力が生じる。この例では、磁力の方向は、磁気的手段11に向かう方向であり、これは、引力が生じることを意味する。
【００６２】
右下の切除斜視図には、隣の左下の図と同様の構造が示されている。この図では、先の例とは反対に、外側コイル2に流れる電流がオンにされ、内側コイル2に流れる電流も、先の例と同様にオンにされる。この磁気的手段11の構造を、前述の電流の流れと組み合わせることにより、磁場が得られ、これにより、上向きの矢印で示すような磁力が生じる。この例では、磁力の方向は、磁気的手段11から離れる方向であり、これは、斥力が生じることを意味する。
【００６３】
磁気的手段11の穴4の内側または近傍に、センサ5を配置し、巻線またはコイル2の外側の層に流れる電流をオンにすることにより、センサ5に対して、それぞれ引力または斥力が付加される。
【００６４】
図9の実施例では、センサ5または磁気的手段11のいかなる動きも不要である。センサ5を移動させる代わりに、右下の図に示すように、外側の巻線またはコイル2に流れる電流をオフにし、内側の巻線またはコイル2に流れる電流をオンにすることにより、磁力方向を切り替えても良い。
【００６５】
この内側構造は、通常の電磁石のように機能し、通常の磁気的引力が誘導される。
【００６６】
図6の特殊な実施例では、これを、両方の代替例、すなわち前述の磁気システム10、および多層化同心磁気システム10に使用することができることは明らかである。
【００６７】
前述の記載では、生物材料の解析に関するセンサへの用途に関して説明したが、示された磁気システム10は、磁力に対して感度を有する物体に磁力を付加し、異なる方向の磁力が適用され得る、いかなる技術分野にも適している。
【００６８】
前述の詳細な実施例における特徴の特定の組み合わせは、一例に過ぎない。これらの示唆と、本願およびこれに参照文献として取り込まれた特許／出願における他の示唆との相互互換および置換も、明らかに検討対象である。本発明に示された思想および範囲から逸脱しないで、当業者が本願に示されたものの変更、修正および他の実施を行い得ることは、当業者には認識される。従って、前述の記載は、一例に過ぎず、限定的なものとして捉えてはならない。本発明の範囲は、特許請求の範囲およびその均等物により定められる。また、記載および請求項内の参照符号は、示された本発明の範囲を限定するものと捉えてはならない。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】コイルに取り囲まれた円筒状開口を有するコアを備える磁気システムの第1の実施例の断面図である。
【図２】円筒状開口の代わりに円錐状開口を有する、図1と同様の実施例を示す図である。
【図３】開口を有するコアの上方のセンサが開口の上部位置に移動した、図1と同様の断面図である。
【図４】センサがコアの開口内位置に移動した、図3と同様の断面図である。
【図５】磁気的手段およびセンサが傾斜され、追加の電磁が磁気的手段に隣接して配置された、図4と同様の断面図である。
【図６】コイルを有するコアと、センサとを有する磁気的手段の概略的な側面図であって、センサが光学的手段により走査される図である。
【図７】コアと該コアを同心的に取り囲むコイルとを交互に設置することにより形成された磁気的手段の斜視図である。
【図８】一つのコアおよびコイルが他のコアおよびコイルに対して、下側に配置され、両コアおよびコイルに流れる電流の方向が異なり、これにより、磁気的手段の磁化の状態が異なり、磁気的手段の上部の第1の領域では、磁気システムに向かう方向に誘導された磁力が生じ、磁気的手段の上部の第2の領域では、磁気システムから離れる方向に誘導された磁力が生じる、図7と同様の4つの断面図である。
【図９】内側部分がずれた状態の、図8と同様の多層化磁気システムの3つの図であって、上の斜視図と、下の2つの切除斜視図であり、コイルを有する内側コアは、コイルを有する外側コアに対してずれており、外側コアよりも短い長さを有する、図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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