(57)【要約】【課題】  印加交流磁場の大小にかかわらず、大きな第２高調波成分を検出することにより、微粒子の量を高感度で計測する磁性微粒子検出装置及び磁性微粒子検出方法を提供する。【解決手段】  磁性微粒子検出装置において、差動検出コイル１と、交流磁場印加コイル２と、直流磁場印加コイル３とが同軸状に重なって配置され、かつ前記差動検出コイル１の出力はスペクトラムアナライザ４に接続されており、前記交流磁場印加コイル２に正弦波交流を印加すると共に前記直流磁場印加コイル３に直流磁場を加えて変曲点まで動作点を移動して第２高調波を計測するように構成した。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
差動検出コイルと、交流磁場印加コイルと、直流磁場付与装置とが同軸状に重なって配置され、かつ前記差動検出コイルの出力はセンサーに接続されており、前記交流磁場印加コイルに正弦波交流を印加すると共に前記直流磁場付与装置に直流磁場を加えて変曲点まで動作点を移動して第２高調波を計測するように構成したことを特徴とする磁性微粒子検出装置。
【請求項２】
請求項１記載の磁性微粒子検出装置において、前記直流磁場付与装置が直流磁場印加コイルであることを特徴とする磁性微粒子検出装置。
【請求項３】
請求項１記載の磁性微粒子検出装置において、前記直流磁場付与装置が永久磁石であることを特徴とする磁性微粒子検出装置。
【請求項４】
請求項１記載の磁性微粒子検出装置において、前記センサーがスペクトラムアナライザであることを特徴とする磁性微粒子検出装置。
【請求項５】
請求項１記載の磁性微粒子検出装置において、前記センサーがＳＱＵＩＤ磁気検出装置であり、前記差動検出コイルに流れる電流を磁気的に計測することを特徴とする磁性微粒子検出装置。
【請求項６】
請求項１記載の磁性微粒子検出装置において、前記センサーがフラックスゲートセンサーであり、前記差動検出コイルに流れる電流を磁気的に計測することを特徴とする磁性微粒子検出装置。
【請求項７】
請求項１記載の磁性微粒子検出装置において、前記センサーがＭＩ効果素子であり、前記差動検出コイルに流れる電流を磁気的に計測することを特徴とする磁性微粒子検出装置。
【請求項８】
差動検出コイルと、交流磁場印加コイルと、直流磁場付与装置とが同軸状に重なるように配置し、前記差動検出コイルの出力はセンサーに接続し、前記交流磁場印加コイルに正弦波交流を印加すると共に前記直流磁場を加えて変曲点まで動作点を移動して第２高調波を計測することを特徴とする磁性微粒子検出方法。
【請求項９】
請求項８記載の磁性微粒子検出方法において、前記半波整流波形が
【数２】
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であることを特徴とする磁性微粒子検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁性微粒子検出装置及び磁性微粒子検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
微粒子材料は、バイオテクノロジーにおいて幅広い利用が期待されている。なかでもナノ粒子は細胞・ＤＮＡ・タンパク質などの分離や各種アッセイ診断やドラッグデリバリーシステム（ＤＤＳ）など幅広い領域での利用が期待されている。特に近年バイオテクノロジーや医療にナノテクノロジーを応用したバイオテクノロジーの展開に対する期待が高まり、研究開発が活発化されている。
【０００３】
ナノ粒子の特徴として、粒径をナノサイズにすることにより単位体積当たりの表面積（吸着や反応の場として利用できる）が著しく増大する点が挙げられる。したがって、ナノ粒子を診断薬へ応用する場合、より短時間に高感度で診断が可能なシステムの構築が可能である。ナノ粒子材料に薬剤を包み込みＤＤＳに応用した場合、通常の薬剤では簡単に到達できない患部に薬剤を送り込むことも可能になると期待されている。
【０００４】
イミュノアッセイではその磁性微粒子の量を計測することが必要になり、これまでに数１０ｋＨｚの周波数の正弦波交流を印加してその３倍波（第３高調波）成分を検出する方法が一般的に知られている。
図７は従来の磁性微粒子検出方法の原理の説明図である。
従来の磁性微粒子検出方法では、図７（ａ）に示すように磁性微粒子に微弱な正弦波交流磁場（破線）を印加すると、その微粒子のＭ−Ｈ特性の直線部で変調されるので、変調信号は図７（ｂ）の破線のように正弦波が出力される。ここで、Ｍ−Ｈ特性が飽和する２つの変曲点（Ｍｋ，−Ｍｋ）を越える大きな正弦波交流磁場（実線）を印加すると、両変曲点がリミッタの作用をして波形が歪み、変調信号は図７（ｂ）の実線のように正弦波の頭がカットされた方形波に近い信号となる。この方形波は式（１）のように奇数高調波成分のみを含むので、基本波（印加交流磁場の周波数）の影響を受けることはなく、
【０００５】
【数１】
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【０００６】
最も大きな第３高調波成分を検出することで磁性微粒子の量を計測することができる。なお、ＦＦＰ（Ｆｉｅｌｄ−Ｆｒｅｅ  Ｐｏｎｔ）に、Ｈac＝２Ｈk ｓｉｎ（ω0 ｔ）の励起磁場を印加した場合、第三次高調波の振幅は、（１／３）×（４Ａ／３π）と表すことができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｂ．Ｇｌｅｉｃｈ  ａｎｄ  Ｊ．Ｗｅｉｚｅｎｅｃｋｅｒ，Ｎａｔｕｒｅ  ４３５（２００５），ｐｐ．１２１４−１２１７
【非特許文献２】Ｍ．Ｍｅｇｅｎｃｅ，Ｍ．Ｐｒｉｎｓ，Ｊ．Ｍａｇｎ，Ｍａｔｅｒ  ２９３（２００５），ｐｐ．７０２
【非特許文献３】Ｋ．Ｋｒｉｚ，Ｊ．Ｇｅｈｒｋｅ，Ｄ．Ｋｒｉｚ，Ｂｉｏｓｅｎｓｏｒｓ  Ｂｉｏｅｌｅｃｔｒｏｎ  １３（１９９８），ｐｐ．８１７
【非特許文献４】Ｈ．−Ｊ，Ｋｒａｕｓｅ，Ｎ．Ｗｏｌｔｅｒｓ，Ｙ．Ｚｈａｎｇ，Ａｎｄｒｅａｓ  Ｏｆｆｅｎｈａｅｕｓｓｅｒｒａ，Ｐｅｔｅｒ  Ｍｉｅｔｈｅ，Ｍａｒｔｉｎ  Ｈ．Ｆ．Ｍｅｙｅｒ，Ｍａｒｋｕｓ  Ｈａｒｔｍａｎｎ，Ｍｉｃｈａｅｌ  Ｋｅｕｓｇｅｎ，Ｊ．Ｍａｇｎ，Ｍａｔｅｒ，３１１（２００７），ｐｐ．４３６−４４４
【非特許文献５】Ｒ．Ｍａｔｔｈｅｗ  Ｆｅｒｇｕｓｏｎ，Ｋｅｖｉｎ  Ｒ．Ｍｉｎａｒｄ，Ａｍｉｔ  Ｐ．Ｋｈａｎｄｈａｒ  ａｎｄ  Ｋａｎｎａｎ  Ｍ．Ｋｒｉｓｈｎａｎ，Ｍｅｄ  Ｐｈｙｓ，３８（３）（２０１１），ｐｐ．１６１９
【非特許文献６】Ｓ．Ｂｉｅｄｅｒｅｒｐ，Ｔ．Ｋｎｏｐｐ，Ｔ．Ｆ．Ｓａｔｔｅｌ，Ｋ．Ｌｕｅｄｔｋｅ−Ｂｕｚｕｇ，Ｂ．Ｇｌｅｉｃｈ，Ｊ．Ｗｅｉｚｅｎｎｅｃｋｅｒ，Ｊ．Ｂｏｒｇｅｒｔ  ａｎｄ  Ｔ．Ｍ．Ｂｕｚｕｇ．Ｊ．Ｐｈｙｓ，Ｄ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ  ４２（２００９）２０５００７（ｐｐ  ７），ｄｏｉ：１０ｚ１０８８／００２２−３７２７／４２／２０／５００７
【非特許文献７】Ｂ．Ｇｌｅｉｃｈ，Ｊ．Ｗｅｉｚｅｎｎｅｃｋｅｒ  ａｎｄ  Ｊ．Ｂｏｒｇｅｒｔ，Ｐｈｙｓ，Ｍｅｄ．  Ｂｉｏｌ．５３（２００８）  ｐｐ．Ｎ８１−Ｎ８４  ｄｏｉ：１０．１０８８／００３１−９１５５／５３／６／Ｎ０１
【非特許文献８】Ｔｏｂｉａｓ  Ｋｎｏｐｐ，Ｓｖｅｎ  Ｂｉｅｄｅｒｅｒ，ａｎｄ  Ｔｉｍｏ  Ｆ．Ｓａｔｔｌｅ，Ｊｕ（ウムラウト）ｒｇｅｎ  Ｒａｈｍｅｒ，Ｊｕ（ウムラウト）ｒｇｅｎ  Ｗｅｉｚｅｎｎｅｃｋｅｒ，Ｂｅｒｎｈａｒｄ  Ｇｌｅｉｃｈ，Ｊｏ（ウムラウト）ｒｎ  Ｂｏｒｇｅｒｔ，Ｔｈｏｒｓｔｅｎ  Ｍ．Ｂｕｚｕｇ，Ｍｅｄｉｃａｌ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ．２，（２０１０），ｐｐ．４８５−４９１
【非特許文献９】Ｐａｔｒｉｃｋ  Ｗ．Ｇｏｏｄｗｉｌｌ．Ｋｕａｎ  Ｌｕ，Ｂｏ  Ｚｈｅｎｇ、ａｎｄ  Ｓｔｅｖｅｎ  Ｍ．Ｃｏｎｏｌｌｙ，Ｃｉｔａｔｉｏｎ：Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．８３，０３３７０８（２０１２）．ｄｏｉ：１０．１０６３／１．３６９４５３４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記した従来の磁性微粒子検出方法では、変曲点以上の大きさの正弦波磁場を印加することが必須となり、そのためには大きな交流電源とコイルが必要となる。
本発明は、上記状況に鑑みて、印加交流磁場の大小にかかわらず、大きな第２高調波成分を検出することにより、微粒子の量を高感度で計測することができる磁性微粒子検出装置及び磁性微粒子検出方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕磁性微粒子検出装置において、差動検出コイルと、交流磁場印加コイルと、直流磁場付与装置とが同軸状に重なって配置されており、かつ前記差動検出コイルの出力はセンサーに接続されており、前記交流磁場印加コイルに正弦波交流を印加すると共に前記前記直流磁場付与装置に直流磁場を加えて変曲点まで動作点を移動して第２高調波を計測するように構成したことを特徴とする。
【００１０】
〔２〕上記〔１〕記載の磁性微粒子検出装置において、前記直流磁場付与装置が直流磁場印加コイルであることを特徴とする。
〔３〕上記〔１〕記載の磁性微粒子検出装置において、前記直流磁場付与装置が永久磁石であることを特徴とする。
〔４〕上記〔１〕記載の磁性微粒子検出装置において、前記センサーがスペクトラムアナライザであることを特徴とする。
【００１１】
〔５〕上記〔１〕記載の磁性微粒子検出装置において、前記センサーがＳＱＵＩＤ磁気検出装置であり、前記差動検出コイルに流れる電流を磁気的に計測することを特徴とする。
〔６〕上記〔１〕記載の磁性微粒子検出装置において、前記センサーがフラックスゲートセンサーであり、前記差動検出コイルに流れる電流を磁気的に計測することを特徴とする。
【００１２】
〔７〕上記〔１〕記載の磁性微粒子検出装置において、前記センサーがＭＩ効果素子であり、前記差動検出コイルに流れる電流を磁気的に計測することを特徴とする。
〔８〕磁性微粒子検出方法において、差動検出コイルと、交流磁場印加コイルと、直流磁場付与装置とが同軸状に重なるように配置し、前記差動検出コイルの出力はセンサーに接続し、前記交流磁場印加コイルに正弦波交流を印加すると共に前記直流磁場付与装置に直流磁場を加えて変曲点まで動作点を移動して第２高調波を計測することを特徴とする。
【００１３】
〔９〕上記〔８〕記載の磁性微粒子検出方法において、前記半波整流波形が
【００１４】
【数２】
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【００１５】
であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、印加交流磁場の大小にかかわらず、大きな第２高調波成分を検出することにより微粒子の量を高感度で計測することができる。
また、正弦波交流と共に直流磁場を加えて変曲点まで動作点を移動して計測することにより、変曲点以上の大きさの正弦波磁場を印加する必要がなくなり、大きな交流電源やコイルを設ける必要はなくなり、磁性微粒子検出装置の小型化・コンパクト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の磁性微粒子検出方法の原理の説明図である。
【図２】本発明の実施例（実験装置）を示す磁性微粒子検出装置の構成図である。
【図３】本発明の第１実施例を示す磁性微粒子（商品名リゾビスト：アイロム製薬株式会社製）を用いた従来の磁性微粒子検出方法と本発明の磁性微粒子検出方法による結果を示す図である。
【図４】本発明の第２実施例を示す磁性微粒子（商品名フェリデックス：田辺製薬株式会社製）を用いた従来の磁性微粒子検出方法と本発明の磁性微粒子検出方法による結果を示す図である。
【図５】直流磁場強度Ｂdcを変化させた場合を示す特性図である。
【図６】交流磁場強度Ｂacを変化させた場合を示す特性図である。
【図７】従来の磁性微粒子検出方法の原理の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の磁性微粒子検出装置は、差動検出コイルと、交流磁場印加コイルと、直流磁場付与装置とが同軸状に重なって配置されており、かつ前記差動検出コイルの出力はセンサーに接続されており、前記交流磁場印加コイルに正弦波交流を印加すると共に前記前記直流磁場付与装置に直流磁場を加えて変曲点まで動作点を移動して第２高調波を計測するように構成した。
【実施例】
【００１９】
以下、本発明の磁性微粒子検出方法について詳細に説明する。
図１は本発明の磁性微粒子検出方法の原理の説明図である。
本発明では、図１（ａ）に示すように、どちらかの変曲点において正弦波磁場を印加すると、図１（ｂ）に示すように、その正弦波交流の大きさが小さいとき（破線）も、大きいとき（実線）も半波整流波形のような変調信号が得られる。この半波整流波形は数式（２）のように偶数高調波成分のみを含むので、
【００２０】
【数２】
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【００２１】
基本波（印加交流磁場の周波数）の影響を受けることはなく、かつ、印加磁場の大小にかかわらず、大きな第２高調波成分を検出することで微粒子の量を高感度で計測することができる。なお、ＫＦＰ（Ｋｎｅｅ−Ｆｒｅｅ  Ｐｏｎｔ）にＨac＝２Ｈk ｓｉｎ（ω0 ｔ）の励起磁場を印加した場合、第二次高調波の振幅は、４Ａ／３πと表すことができる。
【００２２】
図２は本発明の実施例（実験装置）を示す磁性微粒子検出装置の構成図である。
この図において、１は差動検出コイル、２は交流磁場印加コイル、３は直流磁場付与手段としての直流磁場印加コイルであり、これらの差動検出コイル１と、交流磁場印加コイル２と、直流磁場印加コイル３は同軸状に重なるように構成されており、差動検出コイル１の出力はスペクトラムアナライザ４に接続されている。
【００２３】
なお、ここで、作図上、差動検出コイル１と交流磁場印加コイル２と直流磁場印加コイル３は展開して描かれているが、差動検出コイル１と交流磁場印加コイル２と直流磁場印加コイル３は同軸状に重なって配置されるように構成する。
また、図２に示した磁性微粒子検出装置に代えて、直流磁場印加コイルは永久磁石とし、スペクトラムアナライザ４は、ＳＱＵＩＤ磁気検出装置や、フラックスゲートセンサーやＭＩ効果素子を用いるようにすることができる。
【００２４】
図３は本発明の第１実施例を示す磁性微粒子（商品名リゾビスト）を用いた従来の磁性微粒子検出方法と本発明の磁性微粒子検出方法による結果を示す図である。
図４は本発明の第２実施例を示す磁性微粒子（商品名フェリデックス）を用いた従来の磁性微粒子検出方法と本発明の磁性微粒子検出方法による結果を示す図である。
磁性微粒子（商品名リゾビスト）５を差動検出コイル１の一方のコイル内にセットして、交流磁場印加コイル２に正弦波交流の振幅を変えて第三高調波を計測した結果（▲）および、交流磁場印加コイル２に正弦波交流と共に直流磁場印加コイル３に直流磁場を加えて変曲点まで動作点を移動して第２高調波を計測した結果（●）が図３に示されている。図４は第１実施例と同様の実験を、別の磁性微粒子（商品名フェリデックス）５′を用いて得られた結果が図４に示されている。
【００２５】
何れも明らかに、正弦波と共に直流磁場を加えて変曲点まで動作点を移動して第２高調波を計測した方が大きな信号が得られており、この磁性微粒子検出方法の優位性が示されている。
以下、実験装置と実験条件について説明する。
実験装置は、図２の構成とし、実験条件としては、励起磁場周波数：２０．０２ｋＨｚ、励起磁場強度：実験ごとに変化、直流磁場強度：実験ごとに変化、サンプル名は、品名：Ｒｅｓｏｖｉｓｔ（商品名リゾビスト）、粒子径：５７ｎｍ（超常磁性）、容量：７０μＬである。
【００２６】
図５は直流磁場強度Ｂdcを変化させた場合を示す特性図である。
ここで、実験条件として、励起磁場強度：１０．２３ｍＴp-p Ｂk ＝３．２８ｍＴであり、図５の横軸は直流磁場強度Ｂdc（ｍＴ）、縦軸は信号（ｍＶrms ／Ｈｚ1/2 ）、●は第２高調波、▲は第３高調波を示している。
図６は交流磁場強度Ｂacを変化させた場合を示す特性図である。
【００２７】
この図の横軸は交流磁場強度Ｂac（ｍＴp-p ）、縦軸は信号（ｍＶrms ／Ｈｚ1/2 ）、●は第２高調波（Ｂdc＝３．２８ｍＴ）（１５ｍＶrms ／√Ｈｚ）、▲は第３高調波（Ｂdc＝０ｍＴ）（１０ｍＶrms ／√Ｈｚ）である。
誘導コイルでの検出のため、第３高調波を基準とした場合、第２高調波の信号は、１５×１．５＝２２．５ｍＶrms ／√Ｈｚとなり、約２．２５倍大きい。もし、Ｂac＝２Ｂk となるような励起磁場であれば（Ｂac＝１３．１２ｍＴp-p ）、より理論的な値である３倍に近い信号が得られる。
【００２８】
次に、ＫＦＰを用いる利点について説明する。
（１）ＦＦＰを用いた場合、無限大に近い励起磁場Ｈacでなければ、完全な矩形波を出すことはできない。その結果、奇数高調波は、Ｈac＝２Ｈk の場合、完全な矩形波に比べ、信号が３３％に減少する。
（２）奇数高調波は、Ｈac＞Ｈk の場合でなければ計測することができない。
（３）偶数高調波は、Ｈacの大きさによらず、完全な半波を出すことができるため、奇数高調波のように信号が減少しない。そのため、第２高調波の信号はＨac＝２Ｈk の場合、第３高調波よりも約３倍（≒１／０．３３）大きくなる。
（４）偶数高調波は、Ｈac＜Ｈk の場合でも計測することができる。
【００２９】
なお、上記した実施例では、微粒子の検出について示したが、図２と同じような構成でイメージングを行う方法があり、従来法では直流磁場の大きさを変えることでＦＦＰの空間的位置を移動させて、第３高調波を検出してイメージングを行っている。これに対して、ここでは同様に直流磁場の大きさを変えることでＫＦＰの空間的位置を移動させて、第２高調波を検出してイメージングを行うこともできる。この場合も微粒子の検出と同様に小さな交流磁場でもイメージングを行うことができる利点がある。
【００３０】
また、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明の磁性微粒子検出装置及び磁性微粒子検出方法は、印加交流磁場の大小にかかわらず、大きな第２高調波成分を検出することにより、微粒子の量を高感度で計測する磁性微粒子検出装置及び磁性微粒子検出方法として利用することができる。
【符号の説明】
【００３２】
１    差動検出コイル
２    交流磁場印加コイル
３    直流磁場印加コイル（直流磁場付与装置）
４    スペクトラムアナライザ
５，５′    磁性微粒子
【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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