(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体センサであって、
表面と、自由層及び固定層を有するスピンバルブ構造と、を備える磁気構造と、
前記表面内に形成された溝と、
生体物質と、
を備え、
前記生体物質は、前記溝の中の磁気ラベルと、前記磁気ラベルの磁化のために、前記自由層及び前記固定層双方からの浮遊磁界が前記溝を通過する位置で、生体結合する、
生体センサ。
【請求項２】
前記磁気ラベルは、前記自由層及び前記固定層双方からの前記浮遊磁界及び外部から印加される磁界双方によって磁化される、請求項１に記載の生体センサ。
【請求項３】
前記磁気ラベルは、約１００ｎｍ未満の直径を有する磁気ナノ粒子（ＭＮＰ）を含む、請求項１〜２のいずれか一項に記載の生体センサ。
【請求項４】
前記磁気ラベルは、約１μｍと２μｍとの間の直径を有する磁気マイクロビーズを含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の生体センサ。
【請求項５】
前記溝は、前記自由層及び前記固定層の少なくとも一部を貫通して延びるように形成される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の生体センサ。
【請求項６】
前記自由層は厚みが１ｎｍから１０ｎｍの範囲にあり、前記固定層は厚みが１０ｎｍから５０ｎｍの範囲にある、請求項５に記載の生体センサ。
【請求項７】
前記溝は、深さが約５ｎｍから１００ｎｍである、請求項５に記載の生体センサ。
【請求項８】
前記スピンバルブ構造を有する巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）感知素子、前記スピンバルブ構造を有する磁気トンネル接合（ＭＴＪ）感知素子、前記スピンバルブ構造を有する巨大磁気インピーダンス（ＧＭＩ）感知素子、又はホール感知層の下に軟磁性層を有するホール感知素子であって、前記軟磁性層は感知電流に応答して前記磁界を生成するホール感知素子、のうち一つを含む、請求項５に記載の生体センサ。
【請求項９】
前記溝は、前記生体物質を収容し、前記磁気ラベルを前記生体物質の上及び前記溝の中に生体結合させるのに十分な深さを有する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の生体センサ。
【請求項１０】
前記溝は、前記磁気ラベルの幅の約２から３倍である、請求項１〜９のいずれか一項に記載の生体センサ。
【請求項１１】
前記磁気ラベルの前記磁気構造への結合を表す電気信号を出力する少なくとも一つの電極を更に備え、
前記溝内に結合したわずか１０個の磁気ラベルの検出を示す前記電気信号を出力する、
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の生体センサ。
【請求項１２】
前記磁気構造は少なくとも１μｍの横方向寸法を有し、前記磁気構造は２００ｎｍ未満の厚みを有し、
前記磁気構造は１００ｎｍ未満の厚みを有する、
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の生体センサ。
【請求項１３】
前記磁気構造は長さが約３μｍ未満であり、幅が約０．２μｍである、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の生体センサ。
【請求項１４】
前記溝は、直線形状、湾曲形状、正弦形状又は鋸歯形状のうち一つに適合する、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の生体センサ。
【請求項１５】
前記溝は、前記生体センサの前記表面に形成された１又は複数の切欠を含む、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の生体センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁気生体センサに関する。
【０００２】
本願は、２０１１年９月１４日出願の米国特許仮出願第６１／５３４，６３６号の優先権を主張し，ここに参照によって全体を組み込むものとする。
【背景技術】
【０００３】
極微量の生体分子を診療現場（ｐｏｉｎｔ  ｏｆ  ｃａｒｅ）の状態で検出し，定量化する生体分析及び生体センサは，基礎医学，疾病管理及び診断，創薬及び環境監視を含む多くの分野において，渇望されている。生体分析は，生体成分間の特定反応の原理に基づいて，疾病又は病原体を検出するために用いることができる。抗体−抗原反応は，使用できる生体分子間の特定反応の一例である。生体反応のいくつかのほかの例には，ＤＮＡ−ＤＮＡ反応又はＲＮＡ−ＲＮＡ反応のようなオリゴヌクレチド間の反応，小分子−生体分子反応，アプタマ−生体分子反応，タンパク質反応，などがある。
【０００４】
磁気生体センサは，巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサ，磁気トンネル接合（ＭＴＪ）センサ，ホール（Ｈａｌｌ）生体センサ又は巨大磁気インピーダンス（ＧＭＩ）生体センサを含む。磁気生体感知は磁気生体センサ及び磁気ナノ粒子（ＭＮＰ）を組み合わせたものであり，集中的に研究されている分野である。既存の磁気生体感知方式においては，標的生体分子が存在するとき，標的生体分子は個々の磁界センサ又はセンサアレイの生物学的に官能化された表面に接合する。官能化ＭＮＰはこれらの標的生体分子に接合する。特定結合した磁化ＭＮＰからの双極子磁界は，磁気生体センサの感知層上の全実効磁界を変化させる。このことは磁気生体センサの磁化構成を変化させて，生体センサからの電気信号を発生させる。この信号はＭＮＰの数と定量的に相関することがある。
【０００５】
従来は，図７及び８に示すように，ＭＮＰを磁化するための専用磁力源として動作する強力な外部供給磁界が必要であった。したがって，従来の磁気生体感知方式においては外部磁界発生器が必要であるために，磁気生体センサに期待される可搬性が軽視され，また，システム全体の電力消費が増加する。
【０００６】
ＭＮＰを磁化させるために，生体センサ上に組み込まれた電流線から磁界を発生させることも提案された。これによって外部電磁石の使用をなくすことができる。しかし，依然として大電力を消費する必要がある。ＭＮＰを磁化させるために十分大きな磁界を生成するためには，通常，感知チップ上に例えば数十ミリアンペアの大電流があることが必要である。このような大電流は加熱効果を生じ，また，保護層と生体標本との間の絶縁破壊を生じることもある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一般に磁気生体感知技法は磁気生体センサからの浮遊磁界を利用して，磁気ナノ粒子（ＭＮＰ）又は磁気マイクロビーズを含むわずかに大きな磁気粒子のような磁気ラベルを磁化して生物分子に結合させると説明される。この技法は，いかなる外部磁界発生器，例えば電磁石又は電流線をも減少又は除去することができる。この技法は磁気生体センサ内の特定パターンを有する構造，例えば溝を用いることがある。特定パターンを有する構造は，イオンミリング及びほかのリトグラフ加工を用いて製造することができる。
【０００８】
より詳しく言えば，磁気ナノ粒子検出方式は，いかなる外部発生磁界の必要も無くすと説明される。伝統的な磁気生体感知方式は外付けの磁界発生器を用いて，超常磁性ＭＮＰを磁化する。これは余分な電力消費をもたらし，この電力消費は磁気生体センサを採用する医療現場応用に対して重要な要因となることがある。ここで説明した検出方式は，磁気装置からの浮遊磁界を用いてＭＮＰを磁化する生体センサに模様付けした溝構造を導入する。
【０００９】
以下，スピンバルブ巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）感知素子に基づく一例を説明する。この構造に関しては，自由層及び固定層（ｐｉｎｎｅｄ  ｌａｙｅｒ）からの浮遊磁界を用いて，溝の内側にあるＭＮＰを磁化する。この検出方式の信号レベルを計算するために，微小磁気シミュレーションが行われた。このシミュレーションによれば，半径８ｎｍの１個の酸化鉄磁気ナノ粒子から８．９×１０−５磁気抵抗比（ＭＲ）変化の最大信号が得られた。この信号レベルは，最新の信号処理用電子回路を用いたとき，約１０個のこのようなナノ粒子を検出するために十分高いものである。この新規な検出方式はＧＭＲ素子に限定されず，磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子，サンドイッチ構造を有するホールセンサ及び巨大磁気インピーダンス（ＧＭＩ）素子のようなほかのスピントロニクス及び磁気感知素子と共に用いることができる。
【００１０】
生体センサは，例えばスピンバルブ構造を有するＧＭＲ感知素子，スピンバルブ構造を有するＭＴＪ感知素子，スピンバルブ構造を有するＧＭＩ感知素子，又はスピンバルブ構造を有するホール感知素子を利用してもよい。生体センサは，ホール感知層の下に軟磁性層を有する磁気感知素子を含んでもよい。この例においては，軟磁性層は感知電流に応答して磁界を発生する。ホールセンサ又は半導体層のようないくつかの磁気感知方式に関しては，一つの層を必要とするに過ぎない。感知層の下の一つの軟磁性層を，磁界を発生させるために用いてもよい。
【００１１】
本発明の１又は複数の実施例の詳細については，添付の図面及び以下の説明に述べられている。本発明のほかの特徴，目的及び利点は，詳細な説明及び図面並びに特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１Ａ】従来の磁気生体センサの一例の上面図である。
【図１Ｂ】従来の磁気生体センサの一例の側面図である。
【図２Ａ】生体センサの上に形成された溝構造を含む提案生体感知方式を用いた例示磁気生体センサの上面図である。
【図２Ｂ】生体センサの上に形成された溝構造を含む提案生体感知方式を用いた例示磁気生体センサの側面図である。
【図３】溝構造を有する例示磁気生体センサを示し，生体センサ及び溝構造の寸法を規定する図である。
【図４Ａ】提案磁気生体センサを用いて行われた計算機シミュレーションの結果を示すグラフであって，１００ｎｍ固定溝幅及び可変溝長を有するセンサからの信号を示すグラフである。
【図４Ｂ】提案磁気生体センサを用いて行われた計算機シミュレーションの結果を示すグラフであって，２００ｎｍ固定溝幅及び可変溝長を有するセンサからの信号を示すグラフである。
【図５】溝構造内に結合された単一磁気ラベルを有する提案磁気生体センサによって生成された信号と，磁気ラベル位置との関係のシミュレーションを示すグラフである。
【図６】提案磁気生体センサによって生成された信号と，溝構造内に結合された磁気ラベルの数との関係のシミュレーションを示すグラフである。
【図７】磁気ラベルを磁化させるために外部磁界を用いる先行技術の生体感知方式を示す図である。
【図８】従来（先行技術）の磁気生体センサを示す図である。
【図９Ａ】提案磁気生体感知検出方式を用いる例示手持ち型装置であって，手持ち型装置と組み合わされた例示磁気生体センサを示す図である。
【図９Ｂ】提案磁気生体感知検出方式を用いる例示手持ち型装置の側面図である。
【図１０Ａ】提案磁気生体センサの例示構成であって，溝模様が磁気生体感知ストリップに囲まれた複数の平行直線溝を含むように形成されたストリップ型磁気生体センサを示す図である。
【図１０Ｂ】提案磁気生体センサの例示構成であって，磁気生体感知基板が切欠模様になっている提案磁気生体センサの第２の例を示す図である。
【図１１】複数の切欠によって形成された溝模様を有する例示提案磁気生体感知チップ５０６を通る，未結合磁気ラベルの流れ方向の例を示す図である。
【図１２】磁気ラベルが生体センサの表面だけに結合するように構成された提案磁気生体センサの例を示す図である。
【図１３】磁気ラベルが生体センサの溝の中だけに結合するように構成された提案磁気生体センサの例を示す図である。
【図１４】磁気ラベルが生体センサの表面及び溝の中双方に結合できるように構成された提案磁気生体センサの例を示す図である。
【図１５】二つの電極に接続された提案磁気生体感知チップの例を示す図である。
【図１６】複数の電極に接続された複数の提案磁気生体感知チップの例を示す図である。
【図１７】切欠構造内に結合された単一磁気ラベルを有する提案磁気生体センサによって生成される信号のシミュレーションを示すグラフであって，切欠構造は１００ｎｍの固定長及び１００ｎｍと４００ｎｍとの間の可変幅を有する，グラフである。
【図１８】システムに可変強度外部磁界が印加されたときの，提案磁気生体センサの例における浮遊磁界強度を示すグラフである。
【図１９】システムに可変強度外部磁界が印加されたときの，従来の磁気生体センサにおける浮遊磁界強度を示すグラフである。
【図２０】提案磁気生体感知方式を用いたストリップ型生体センサを作成する際に用いられるレイアウト及び暗視野顕微鏡画像を示す図である。
【図２１】システムに磁気ラベルが導入されたときの，提案磁気生体感知方式を用いたストリップ型センサの例からの実時間信号を示す図であって，２００ｎｍの溝を有するセンサの結果を示す図である。
【図２２】システムに磁気ラベルが導入されたときの，提案磁気生体感知方式を用いたストリップ型センサの例からの実時間信号を示す図であって，１００ｎｍの溝を有するセンサの結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
説明を容易にするため，本説明においては，生体分子に付着した磁気ラベルを指すために「磁気ナノ粒子」の用語を用いる。しかしこの取決は，磁気ラベルを従来ナノ粒子と呼ばれている粒子だけに限定するものではない。本発明においては，マイクロビーズのようなほかのサイズの磁気粒子もまた考慮される。当業者であれば，ほかのサイズの粒子を受け入れるために，装置の種々の部品のサイズを調整することを知っているであろう。
【００１４】
図１Ａ及び１Ｂはそれぞれ，スピンバルブ構造を用いた従来の磁気生体感知方式の上面図及び断面図である。図１Ａ及び１Ｂに示すように，磁気ナノ粒子（ＭＮＰ）５０は生体結合８０によって，磁気生体センサ１００の表面に結合している。磁気生体センサ１００は，自由層１０と，スペーサ層２０と，固定層３０とから形成されてもよい。ほかの実施例は基板層４０を含んでもよいし，更にほかの実施例はより多く又はより少ない層を含んでもよい。固定層３０は磁界を含んでもよい。参照符号７０は，固定層３０内の磁界の方向の例を示している。自由層１０もまた磁界を含んでもよい。参照符号６０は，自由層１０内の磁界の方向の例を示している。従来の構成においては，超常磁性ＭＮＰ５０を磁化するために，外部磁界７５が必要である。ＭＮＰ５０が磁化されると，ＭＮＰ５０は双極子磁界１１２（図２Ｂに示す）を発生し，磁気生体センサ１００の自由層１０に磁力を及ぼす。
【００１５】
例えば，図７及び８は従来の生体感知方式を更に示している。図７は，磁界発生器３００に配置されたＭＮＰ３０６を含む磁気バイオセンサ３０４を示している。磁界発生器３００は外部から印加される磁界３０２を発生し，それはＭＮＰ３０６を磁化するために，従来の生体感知方式においてはＭＮＰ３０６を磁化させるために必要であった。図８は，従来の生体感知方式と相互作用するＭＮＰ３５０の近接図である。ＭＮＰ３５０は生体分子３５５に付着している。図８に示す従来の磁気生体センサは，自由層３１０，スペーサ層３２０及び固定層３３０を含む。ＭＮＰ３５０を磁化するために必要な外部印加磁界が矢印３７５で示されている。外部印加磁界３７５は，電磁石又はほかの磁石（図示せず）を利用して得てもよい。磁界３７５はまた，生体センサ（図示せず）上の電流線を流れる電流３３５を利用して得てもよい。ＭＮＰ３５０が磁化されると，双極子磁界３１２が自由層３１０と相互作用し，自由層３１０の磁界３６０の方向を偏向させる。
【００１６】
図１に戻ると，ＭＮＰ５０がセンサ表面に結合する前は，自由層１０の実効磁界Ｈｅｆｆは次のとおりである。
【数１】
0005886967.tif 000002
ここで，Ｈｅｘｔは外部印加磁界７５であり，Ｈｓｔｒａｙ−ｐｉｎｎｅｄは固定層３０からの浮遊磁界である。ＭＮＰ５０が生体結合８０によって磁気生体センサ１００の表面に結合した後は，ＭＮＰ５０は外部印加磁界７５によって磁化される。従来の装置においては，自由層１０及び固定層３０からの浮遊磁界（図２Ｂの１１０）は双方とも非常に小さく，従来の磁気生体感知方式では無視されることがある。自由層１０（センサの長軸の二つの端）からの磁荷は，長軸に沿ったセンサの大きな寸法のために，結合したＭＮＰ５０のほとんどとかけ離れている。固定層３０（センサの短軸の二つの端）からの磁荷は，固定層１０から磁気生体センサ１００の上面までの距離のために，結合したＭＮＰ５０のほとんどとかけ離れている。ＭＮＰ５０の超常磁性特性のために，外部印加磁界７５Ｈに対してその磁化強度は次のように表される。
【数２】
0005886967.tif 000003
ここで，ＭＳは飽和磁化強度，ｍ０は単一粒子の磁気モーメント，μ０は真空の透磁率，Ｈは外部印加磁界７５，ｋＢはボルツマン定数，Ｔは絶対温度，Ｌはランジュバン関数である。したがって，自由層１０上のＭＮＰ５０からの双極子磁界１１２は次のように書くことができる。
【数３】
0005886967.tif 000004
ここで，ｍはＭＮＰの磁気モーメント，ｒはＭＮＰ５０の中心から自由層１０への空間ベクトルである。したがって，自由層１０上の実効磁界は次のように表される。
【数４】
0005886967.tif 000005
ＭＮＰ５０の結合前後の自由層１０上のＨｅｆｆの変化は，自由層磁化Ｍｆｒｅｅの方向を変化させ，それが磁気生体センサ１００の電気信号変化を引き起こす。
【００１７】
図２Ａ及び２Ｂはそれぞれ，本発明による例示磁気生体センサ１０１の上面図及び断面図である。例えば，以下更に詳細に説明するように磁気生体センサ１０１を，生体センサが生成する磁界がＭＮＰを磁化し結合するための唯一の磁界である，外部磁界を必要としない検出方式と共に用いてもよい。別の例として，生体センサ１０１は外部磁界の存在下で使用してもよく，この場合，生体センサによって生成される磁界は生体センサの検出効率及び精度を向上させることを支援する。図２Ａ及び２Ｂの例において，溝構造９０は意図的に磁気センサ１０１の上に作られる。ＭＮＰ５０は生体結合８０によってセンサ１０１の溝９０の中に結合し，自由層１０及び固定層３０双方からの磁力はＭＮＰ５０に近い。
【００１８】
生体結合８０は，ＭＮＰ５０と，磁気生体センサ１０１に付着した生体物質（図示せず）との間に形成される。生体物質は種々の位置で磁気生体センサ１０１に付着することができる。例えば，生体物質は生体センサ１０１の溝の中だけに付着することができる。別の実施例においては，生体物質は生体センサ１０１の溝の内側及び表面上を含む，生体センサ１０１全体に付着する。生体物質のほかの付着パターンも同様に用いることができる。ＭＮＰ５０は生体物質とだけ生体結合８０を形成するため，ＭＮＰ５０は，生体物質がセンサ１０１に付着している磁気生体センサ１０１にだけ結合する。
【００１９】
図２Ａ及び２Ｂは，磁気生体センサ１０１の溝９０内に結合した一つのＭＮＰ５０を示している。溝９０の中で，自由層１０及び固定層３０からの浮遊磁界１１０，Ｈｓｔｒａｙ−ｆｉｌｍは強い。この構成において，ＭＮＰ５０が結合する前は，自由層１０の上の実効磁界は，外部印加磁界７５が存在しないときは，固定層３０からの浮遊磁界だけである。
【数５】
0005886967.tif 000006
ＭＮＰ５０は溝に結合した後，自由層１０及び固定層３０からの浮遊磁界によって磁化される。したがって，磁化強度は次のように表される。
【数６】
0005886967.tif 000007
ここで，Ｈｓｔｒａｙ−ｆｉｌｍは，磁気生体センサの自由層１０及び固定層３０双方からの浮遊磁界１１０である。浮遊磁界１１０と，ＭＮＰ５０が発生した双極子磁界１１２とを組み合わせて，ＭＮＰ５０結合後の自由層１０上の実効磁界は次のように表される。
【数７】
0005886967.tif 000008
したがって，自由層１０の上の実効磁界の差が自由層１０の磁化構成を変化させる。自由層１０及び固定層３０からの強い浮遊磁界を利用してＭＮＰ５０を磁化することによって，この新規な検出方式においては，外部印加磁界（図１Ａ及び１Ｂの参照符号７５）はもはや必要ではない。
【００２０】
いくつかの実施例においては外部印加磁界７５は必要でないが，ほかの実施例は依然として外部印加磁界７５を利用する。ここで説明し，例示生体センサ１０１によって図示した生体感知方式と関連して外部印加磁界７５を用いることによって，システムが生成する信号を強化することができる。自由層１０及び固定層３０からの浮遊磁界１１０と関連する外部印加磁界７５はＭＮＰ５０の磁化強度を増加させ，ＭＮＰ５０を磁化するために外部磁界７５，又は自由層１０及び固定層３０からの浮遊磁界だけを用いたときよりも大きな信号になる。
【００２１】
種々の例において，自由層１０は通常厚みが１〜１０ｎｍの範囲であり，スペーサ層２０は一般に厚みが１〜１０ｎｍであるが，固定層３０は通常５〜５０ｎｍの範囲である。図示していないが，基板４０は，物理基板，粘着層，種層，下層スペース及び絶縁層，等を含む１又は複数の層の形態をとってもよい。
【００２２】
図３は，磁気生体センサ１０１全体に関して溝９０が取ることができる形状の例の上面図である。磁気生体センサ１０１の長さ２０２はＬＳと記すことができ，磁気生体センサ１０１の幅２０４はＷＳと記すことができる。溝９０の長さ２１２はＬｇと記すことができ，溝９０の幅２１４はＷｇと記すことができる。いくつかの例において，溝９０は複数のＭＮＰの結合を収容できる幅（例えば，結合させる粒子の直径の２〜３倍）で形成される。例えば，磁気生体センサ１０１はＭＮＰ５０と結合するように設計してもよく，ＭＮＰ５０は通常数ｎｍから１００ｎｍまでの範囲，より典型的には１から１０ｎｍ程度である。このような例において，溝９０は幅が５０〜３００ｎｍの範囲で形成してもよい。別の例示磁気生体センサ１０１においては，より大きな磁性粒子を結合できるように数μｍ（例えば１〜５μｍ）の幅を有してもよく，当該磁性粒子はμｍ未満（ｓｕｂ−ｍｉｃｒｏｎ）から２μm（例えば，１００〜２０００ｎｍ）程度であってよい。別の例においては，磁気生体センサ１０１を，球体又は立方体とは異なる形状を有する磁性物体を結合するように構成してもよい。別の取りうる形状は，棒若しくは針金又は管を含む。これらの別の形状の大きさは，長さ及び幅がμｍ未満（例えば５０ｎｍ〜１０００ｎｍ）の程度であってよい。これらの例において，溝９０は磁性物体の寸法よりも数倍大きな幅及び長さを有してもよい。図３には長方形の溝９０が示されているが，溝９０は別の幾何学形状，例えば，円形，楕円形，三角形，台形の形態をとってもよい。
【００２３】
さらに，ＭＮＰ５０と生体物質との間の生体結合８０が溝９０内で生じるように，生体物質を収容するに十分な深さで溝９０を形成してもよい。溝９０は，自由層１０及び固定層３０の一部を貫通して，例えば下にある基板層４０まで延びるように形成してもよい。この場合，溝９０は深さが１ｎｍ〜１００ｎｍ超の範囲であってよい。さらに，ＭＮＰ５０が溝９０内の生体物質に生体結合を始めたとき，図２Ｂに示すようにＭＮＰ５０の中心が自由層１０の中心と垂直方向に概略揃うような深さを有するように，溝９０を形成してもよい。一般に，自由層１０及び固定層３０の磁気性能を落とすことなく，ＭＮＰ５０との大きな結合面を有するように，溝９０を形成してもよい。
【００２４】
別の例示生体センサにおいては，溝９０は物質（例えば，ＳｉＯ２，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＮ，等）で充てん，又は部分的に充てんしてもよい。このように，いくつかの例において，溝領域９０の表面及び磁気生体センサ１０１の表面は同一レベル，又は同一レベル近くにあってよい。生体物質（例えば抗体）は，溝領域９０の表面又は溝領域９０のそばに，局所的に付着させてもよい。
【００２５】
微細磁気シミュレーションが行われた。磁気生体センサ１０１の大きな横方向寸法（１μｍ以上）並びに通常のスピンバルブ型磁気生体センサの極薄い自由層１０及び固定層３０（通常１〜１０ｎｍ程度）のために，微細磁気シミュレーションは二次元（２Ｄ）モデルを用いて行うことができる。シミュレーションは定評のある２Ｄ微細磁気シミュレーションソフトウェア，オブジェクト指向微細磁気フレームワーク（ＯＯＭＭＦ）を用いて行われた。このソフトウェアによって，自由層１０の磁化振舞が，固定層３０からの浮遊磁界１１０及びＭＮＰからの双極子磁界１１２の下でシミュレートされた。このシミュレーションにおいて，自由層１０及び固定層３０双方並びに溝構造９０を有する例示生体センサ１０１は同一サイズ（５ｎｍ）の小セルに分割された。自由層１０及び固定層３０載せるはそれぞれ特定の磁気特性を有しており，シミュレーションはこれら磁気セルそれぞれに独自の磁気モーメントを与え，当該磁気セルとすべてのほかのセルとの相互作用を計算した。ＭＮＰ５０の結合前は，自由層１０の上の実効磁界は，固定層３０のすべての磁気セルからの浮遊磁界１１０の合計である。簡潔にするために，ＭＮＰ５０が溝９０内にあるとして，発明者らはＭＮＰ５０の中心は図２Ｂのように自由層１０の中心と同一レベルであると仮定した。ＭＮＰ５０は，自由層１０及び固定層３０のすべての磁気セルからの合計浮遊磁界１１０によって磁化される。ＭＮＰ５０からの双極子磁界１１２は離散化され，自由層１０上の固定層３０からの浮遊磁界１１０と同様にＯＯＭＭＦに組み込まれた。自由層１０の平均磁化方向が，ＯＯＭＭＦによって磁気セルの磁化分布から計算された。
【００２６】
図４Ａ及び４Ｂにシミュレーションの結果を示す。シミュレーションに用いられた磁気生体センサ１０１の寸法は，長さ３μｍ（ＬＳ），幅０．５μｍ（ＷＳ）であった。溝９０の寸法は変化させた（長さＬｇ，幅Ｗｇ）。ここで説明した技法の最大感度を調査するために，商業的に入手可能な酸化鉄ＭＮＰ５０が用いられた。ＭＮＰは溝構造９０の中心に配置されるようにシミュレートされた。酸化鉄磁気ナノ粒子５０は，飽和磁化強度値４８０×１０３Ａ／ｍ（４８０ｅｍｕ／ｃｍ３）及び半径８ｎｍのサイズを有する。ＭＮＰ５０からの信号は，ＭＮＰ５０が存在するか否かにかかわらず，磁気抵抗比（ＭＲ）の変化によって表される。特定の寸法の磁気生体センサ１０１及び溝９０並びに特定のＭＮＰ５０がシミュレーションに用いられたが，磁気生体センサ１０１の種々の実施例においては多くの異なる寸法又はＭＮＰ５０を用いてもよい。
【００２７】
図４Ａ及び４Ｂは，種々の溝９０の寸法についての，ＭＮＰ５０によるＭＲ変化を示している。図４Ａ及び４Ｂにおいて，溝９０の幅はそれぞれ１００ｎｍ及び２００ｎｍに固定し，溝の長さは１００ｎｍから７００ｎｍまで変化させた。図４Ａに示すように，（この特定のシミュレーションでは）溝９０の長さが１００ｎｍのとき信号が最大となった。この結果は，ＭＮＰ５０に作用する，自由層１０及び固定層３０からの浮遊磁界１１０並びにＭＮＰ双極子磁界１１２と自由層１１０との間の相互作用が，この溝９０の寸法で最強であることを示している。そして，信号は，溝９０の長さが増加すると急速に減少して，長さが２００ｎｍのとき最小になり，また増加する。これは，浮遊磁界１１０と，ＭＮＰ双極子磁界１１２と，自由層１０との間の複雑な相互作用を示唆している。
【００２８】
図４Ｂは，溝９０の幅が２００ｎｍに固定のときのシミュレーション結果を表し，このシミュレーションでは溝９０の長さが１００ｎｍのとき最大の信号（８．９×１０−５）を示している。そして信号は溝９０の長さ２００ｎｍで劇的に減少し，溝構造９０がより長くなると徐々に増加する。これに対して長さが２００ｎｍより長い溝構造９０については，幅２００ｎｍのシミュレートした生体センサ２０１が，幅１００ｎｍのシミュレートした生体センサ１０１より安定した信号変化を示す。これは，溝の形成後に磁気生体センサ１１０に残留する磁性物質が少ないことによるものと考えられる。スピンバルブ生体センサを用いて１０−５ＭＲ変化近辺のノイズレベルを示す実験データによって示されるように，１０個のナノ粒子５０を検出できる感度（約４０ｄＢ）が，ここで説明した検出方法を用いて容易に達成できる。
【００２９】
図５は，溝構造９０内のＭＮＰ５０の位置に基づいた，例示磁気生体センサ１０１によって生成される例示信号を示すグラフである。このシミュレーションに用いたＭＮＰ５０のパラメータは，上述のシミュレーションで用いたものと同一であった。溝の寸法は，幅２００ｎｍ（Ｗｇ，横断方向）及び長さ７００ｎｍ（Ｌｇ，長手方向）であった。図５に示すように，１個の酸化鉄ＭＮＰ５０からの信号は，ＭＮＰ５０が溝構造９０の隅，すなわち磁気構造の表面に沿った溝９０の隅に近く配置されたとき，より大きくなる。これは，溝構造９０の隅において，自由層１０及び固定層３０双方からの浮遊磁界１１０がより大きくなるために，ＭＮＰ５０と自由層１０との間の相互作用がより強くなるためと考えられる。
【００３０】
図１８及び１９は，固定層３０からの浮遊磁界１１０の強度についての溝構造９０の影響を示している。図１９は，可変強度外部磁界がシステムに印加されたときの，模様なし磁気生体センサ１００における磁界ヒステリシスループの測定値を示している。この測定値は，自由層１０上の，固定層３０からのみかん肌効果（ｏｒａｎｇｅ  ｐｅｅｌ  ｅｆｆｅｃｔ）が＋２２Ｏｅであることを示している。図１８は，可変強度外部磁界がシステムに印加されたときの，提案磁気生体センサ１０１の一例における，磁界ヒステリシスループの測定値を示している。この測定値は，浮遊磁界１１０が自由層１０上の固定層３０からのみかん肌効果に打ち勝ち，自由層上の全浮遊磁界１１０が−１８Ｏｅであったことを示している。このことは，例示提案磁気生体センサ１０１における固定層３０からの全浮遊磁界１１０が−４０Ｏｅであったことを意味し，この磁界は自由層１０に影響を与え，センサ１０１の表面に近接するＭＮＰ５０を磁化するのに十分強い。
【００３１】
固定層３０からの浮遊磁界１１０が自由層１０に影響を与えたことを証明するために，別の試験が行われた。次の表１は試験結果を示している。１０Ｏｅ，５０Ｈｚの交流（ＡＣ）外部磁界下にある例示生体センサ１０１が，ホイートストンブリッジ回路と接続された。１ｋＨｚ，１ＶのＡＣキャリアトーンがセンサを介して印加された。National Instrument社のデータ取得（ＤＡＱ）システムによって，ＡＣ磁界下の磁気抵抗変化を示す二つの第１高調波側音が周波数スペクトラム内に検出された。表１に示すように，オフセット磁界を０Ｏｅから１４．４Ｏｅに増加させることによって第１高調波側音は変化し，オフセット磁界が６．６Ｏｅのとき最大になった。このことは，自由層１０が固定層３０からの浮遊磁界１１０によって磁化されたことを更に証明する。
【表１】
0005886967.tif 000009
【００３２】
この検出方式において検出ダイナミックレンジを調査するため，溝構造９０内のＭＮＰ５０の数に対する信号依存性のシミュレーションを行った。広いダイナミックレンジを得るために，より多くのＭＮＰ５０を収容する大きな溝構造９０になるように，長さ７００ｎｍ，幅２００ｎｍの溝構造９０が選ばれた。このシミュレーションにおいても，上述のシミュレーションと同一の寸法及び飽和磁化強度を有する酸化鉄ＭＮＰ５０が用いられた。各ＭＮＰ５０間の距離が，ＭＮＰ５０間の相互作用を最小化するのに合理的な範囲であるように，このシミュレーションのＭＮＰ５０の最大数は５００に設定された。ＭＮＰ５０は，溝構造９０内に均一に分布するように形成された。図６に示すように，磁気生体センサ１０からの信号は，溝構造９０内に結合したＭＮＰの数が増加するにつれて増加した（図６の黒点で示した曲線）。単一ＭＮＰ５０の信号の拡張した線形従属性（図６の上の線）と比較すると，複数ＭＮＰ５０のシミュレートした信号は減少している。しかし，ＭＮＰ５０が５００個の場合，信号の低下は３０％に過ぎず，このことはＭＮＰ５０の数が最大になるまで，信号は平坦域に達しなかったことを示している。したがって，本発明の検出方式を用いた例示磁気生体センサ１０１においては，ＭＮＰ５０の最大検出限界は，溝構造９０内のＭＮＰの物理的収容数によって決定することができる。
【００３３】
このように，外部磁界発生器を必要としないで利用できる磁気生体感知方式を説明した。この方式は，例えばシステムの小型化及び生体感知システムの電力消費抑制を含む，多くの利点を提供することができる。一例として，この検出方式は生体センサ１０１内の溝構造９０を利用し，ＭＮＰ磁化のために，磁気生体センサ１０１の自由層１０及び固定層３０からの浮遊磁界１１０を用いる。
【００３４】
上述のとおり，本発明の検出方式を用いた例示磁気生体センサ１０１について，微細磁気シミュレーションが行われた。別個の溝構造９０からの信号が計算された。結果は，溝構造９０の中心に位置した半径８ｎｍの酸化鉄ＭＮＰ５０について，良好な信号レベル及び例として最大８．９×１０−５のＭＲ変化を示した。溝構造９０内のＭＮＰ５０の位置に対する信号依存性が調査された。結果は，溝構造９０の隅で信号レベルが増加することを示唆した。この検出方式を用いる例示磁気生体センサ１０１の検出ダイナミックレンジが，溝構造９０内の複数のＭＮＰ５０からの信号をシミュレートすることによって調査された。結果は，溝構造９０内により多くのＭＮＰ５０が結合するほど，信号が増加することを示した。さらに，シミュレーションは，均一に分布させた５００個のＭＮＰ５０はセンサ信号を飽和させないことを示した。このように，この検出方式は，溝構造９０内のＭＮＰ５０の物理的収容数によってだけ制限される。
【００３５】
図９Ａ及び９Ｂは，ここで説明した検出方法を用いる手持ち型装置の例を示している。この手持ち型装置は携帯電話機のサイズであるかより小さくすることができ，磁気感知チップ４０４（例えば磁気生体センサ）と，感知チップから電気信号を受信して処理する制御器４１０と，利用者インタフェースを提供し，利用者に任意の感知した出力を提示する表示画面４２０とを備える。前述の磁気生体センサと同様に，磁気感知チップ４０４は溝構造４０８を有してもよいし，ＭＮＰ４０６が感知チップ４０４に結合できるようにする部品を備えてもよい。制御器４１０は，フィールドプログラム可能ゲートアレイ（ＦＰＧＡ），はん用プロセッサ，デジタル信号プロセッサ，又はほかの適切な電子部品であってよい。手持ち型装置は，ここで説明した感知技法を実行するためにプロセッサによって実行されるソフトウェア命令を記憶する計算機可読媒体４３０（例えば，メモリ）を含んでもよい。いくつかの実施例においては，感知チップ４０４は電子部品に組み込まれ，その電子部品は手持ち型装置に結合，搭載，紐で結ばれ，又は別様に接続される。
【００３６】
図１０Ａ及び１０Ｂは，磁界を必要としない磁気センサの二つの例示構成を示している。図１０Ａはストリップ型磁気生体センサ４００ａであって，溝模様（ｇｒｏｏｖｅｄ  ｐａｔｔｅｒｎ）は磁気感知ストリップ４０４ａによって囲まれた複数の平行直線溝を含むように形成されている。ＭＮＰ４０６ａは，溝内，感知ストリップ上，又は双方に集まる。湾曲溝模様，鋸歯状溝模様，又はそれらの組合せのような別の模様を形成してもよい。図１０Ｂは，磁気センサ４００ｂが，切欠４０８ｂで模様を付けた磁気感知基板４０４ｂを有する第２の例を示している。切欠４０８ｂはそれぞれ，磁気感知基板４０４ｂの表面に，一つの短い溝を形成する。ＭＮＰ５０，４０６ｂは，それらがどのように切欠４０４ｂにはまるかを示す。
【００３７】
図１７は，切欠構造を有する提案磁気生体感知素子によって生成される信号のシミュレーションのグラフである。シミュレーションは長さ１００ｎｍの切欠を用い，切欠の幅を１００ｎｍと４００ｎｍとの間で変化させた。グラフは，切欠幅が１００ｎｍのとき信号が最大になり，切欠幅が２００ｎｍのとき最小になることを示している。グラフはまた，切欠幅が２００ｎｍを超えて増加したとき，信号が徐々に増加することを示している。
【００３８】
図１１は，複数の切欠５０８で形成された溝模様を有する例示感知チップ５０６を通る，未結合磁気ラベル（ナノ粒子，マイクロビーズ）の流れ方向の例を示している。未結合磁気ラベルのいくつかは感知チップ５０６に結合して，結合磁気ラベル５０４になる。
【００３９】
図１２は，磁界を必要としない生体感知検出方式の更なる詳細を示している。磁気生体センサ６００は，図２Ａ及び２Ｂに示した生体センサ１０１に類似している。生体センサ６００は，自由層６１０と，スペーサ層６２０と，固定層６３０とを含む。生体センサ６００はまた，基板層６４０を含んでもよい。生体センサ１０１に類似して，自由層６１０及び固定層６３０は矢印並びに参照符号６６０及び６７０によって示すように磁化される。図示のとおり，磁気生体センサ６００は，ＭＮＰ６５０が生体センサ６００の表面だけに付着するように構成してもよい。ＭＮＰ６５０はまた、注目する生体分子６５５にも結合する。生体センサ６００においては，自由層６１０及び固定層６３０からの浮遊磁界６１４がＭＮＰ６５０を磁化する。ＭＮＰ６５０は磁化されると双極子磁界６１２を生成する。双極子磁界６１２及び浮遊磁界１１０は，自由層６１０内の磁界６６０と相互作用する。この相互作用が，電子システム（図示せず）によって読み出され，解釈される信号を生成する。生体センサ６００の別の実施例では，生体センサ６００の信号を強化するために，外部から印加される磁界（図示せず）を用いてもよい。
【００４０】
図１３は生体センサ６００の更なる実施例を示している。図示のとおり，磁気生体センサ６００は，ＭＮＰ６５０が生体センサ６００の溝９０の中だけに付着するように構成してもよい。ＭＮＰ６５０はまた，注目する生体分子６５５に結合する。生体センサ６００においては，自由層６１０及び固定層６３０からの浮遊磁界６１４がＭＮＰ６５０を磁化する。ＭＮＰ６５０は磁化されると双極子磁界６１２を生成する。双極子磁界６１２及び浮遊磁界１１０は，自由層６１０内の磁界６６０と相互作用する。この相互作用が，電子システム（図示せず）によって読み出され，解釈される信号を生成する。生体センサ６００の別の実施例では，生体センサ６００の信号を強化するために，外部から印加される磁界（図示せず）を用いてもよい。
【００４１】
図１４は生体センサ６００の更なる実施例を示している。図示のとおり，磁気生体センサ６００は，ＭＮＰ６５０が生体センサ６００の溝９０の中及び溝の上の，生体センサ６００の表面双方に付着するように構成してもよい。ＭＮＰ６５０はまた，注目する生体分子６５５に結合する。生体センサ６００においては，自由層６１０及び固定層６３０からの浮遊磁界６１４がＭＮＰ６５０を磁化する。ＭＮＰ６５０は磁化されると双極子磁界６１２を生成する。双極子磁界６１２及び浮遊磁界１１０は，自由層６１０内の磁界６６０と相互作用する。この相互作用が，電子システム（図示せず）によって読み出され，解釈される信号を生成する。生体センサ６００の別の実施例では，生体センサ６００の信号を強化するために，外部から印加される磁界（図示せず）を用いてもよい。
【００４２】
図１５及び１６は，ここで説明した生体感知素子を用いた電気感知チップの二つの例を示す上面図である。チップ７００及び８００は，溝模様を有する磁気生体センサに電気的に接続された複数の電極を有するように構成される。図１５はセンサ７００を示す。センサ７００は，生体感知素子によって第２電極７３０に接続された第１電力７２０を含む。生体感知素子は幅７０４，ＷＳ及び長さ７０２，ＬＳを有する。生体感知素子はまた，その表面に描かれた溝構造を有する。この溝構造は本願において説明した任意の構造を有してもよく，また一般に幅７１４，Ｗｇ及び長さ７１２，Ｌｇを有してよい。
【００４３】
図１６は電気感知チップ８００の代替構成を示している。チップ８００は第２電極８２０に接続された第１電極を含む。第２電極はまた第３電極に接続されている。第３電極はまた第４電極に接続されている。第１電極と第２電極，第２電極と第３電極，及び第３電極と第４電極の間には磁気生体センサ８５０が接続される。生体センサはそれぞれ溝構造８６０を含む。二つの特定の電極構成の例だけを示したが，多くのほかの周知の組合せも利用することができる。電気チップ７００及び８００においては，電極が，磁気生体センサによって生成される電気信号を読み取るための電気接続を提供する。
【００４４】
組み立て式（ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ）ＧＭＲストリップ型センサについても実験を行った。溝構造は，電子ビーム（Ｅ−ｂｅａｍ）リトグラフを用いて，各センサストライプ上に直接描かれた。２種類の構造，すなわち，１．２００×２００ｎｍの溝構造及び５００ｎｍの垂直距離，２．１００×１００ｎｍの溝構造及び５００ｎｍの垂直距離，を試した。図２０はそのレイアウト及び暗視野顕微鏡画像を示す。実時間ＭＮＰ結合試験において，センサ表面は温度を安定化するために脱イオン（ＤＩ）水で予め湿らせた。３０μｌの脱イオン水をセンサにたらし，側音信号が約２５番目のループ（１ループは１分間続く）で変化するかどうかを観察した。次に３０μｌの３０ｎｍＭＮＰを約５０番目のループで与えた。図２１及び２２は，２００ｎｍ及び１００ｎｍ双方の溝の実時間信号を示している。
【００４５】
一例において，磁気生体センサチップを製造する方法は，基板上に多層磁気構造を形成するステップを有し，磁気構造は溝の中の磁気ラベルと生体結合するように溝を彫った表面を有するように形成され，磁気構造は，磁気構造からの浮遊磁界が溝の中の磁気ラベルを磁化するように形成される。
【００４６】
一例において，磁気構造は溝の中又は磁気構造の表面の磁気ラベルと生体結合するように溝を彫った表面を有するように形成してもよく，磁気構造は，磁気構造からの浮遊磁界が溝の中又は磁気構造の表面の磁気ラベルを磁化するように形成される。
【００４７】
磁気ラベルは，約１００ｎｍ未満の直径を有する磁気ナノ粒子（ＭＮＰ）を含んでもよい。
【００４８】
磁気ラベルは，約１μｍと２μｍとの間の直径を有する磁気マイクロビーズを含んでもよい。
【００４９】
一例において，多層磁気構造を形成するステップは，磁気ラベルの磁化のために，自由層及び固定層からの浮遊磁荷が溝を通過する位置で，溝内の磁性層に結合するように，磁気構造を自由層及び固定層を有するスピンバルブ構造として形成するステップを含む。
【００５０】
溝は，自由層及び固定層の少なくとも一部を貫通して延びるように形成してもよい。
【００５１】
自由層は１ｎｍから１０ｎｍの範囲にある厚みを有するように形成し，固定層は１０ｎｍから５０ｎｍの範囲にある厚みを有するように形成してもよい。
【００５２】
溝は，約１０ｎｍから１００ｎｍの深さを有するように形成してもよい。
【００５３】
生体センサは，スピンバルブ構造を有する巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）感知素子，スピンバルブ構造を有する磁気トンネル接合（ＭＴＪ）感知素子，スピンバルブ構造を有する巨大磁気インピーダンス（ＧＭＩ）感知素子，又はスピンバルブ構造を有するホール感知素子，のうち一つを含む。
【００５４】
溝は，生体物質を収容し，磁気ラベルを生体物質の上及び溝の中に生体結合させるのに十分な深さを有するように形成してもよい。
【００５５】
溝は，磁気ラベルの幅の約２から３倍の幅を有するように形成してもよい。
【００５６】
例示方法は，磁気ラベルの磁気構造への結合を表す電気信号を出力することを含むように，磁気生体センサチップ内に少なくとも一つの電極を形成するステップを更に有してもよい。
【００５７】
この方法は，少なくとも１μｍの横方向寸法及び５００ｎｍ未満の厚みを有するように磁気構造を形成するステップを更に有してもよい。
【００５８】
この方法は，１００ｎｍ未満の厚みを有するように磁気構造を形成するステップを更に有してもよい。
【００５９】
この方法は，長さが約３μｍ未満であり，幅が約０．５μｍであるように磁気構造を形成するステップを更に有してもよい。
【００６０】
一例において，手持ち型装置は，溝の中の生体物質に磁気ラベルを生体結合させるように，生体センサの表面内に形成された溝を有する磁気構造を備えた感知チップであって，溝は，磁気構造からの浮遊磁界が溝の中の磁気ラベルを磁化するように，磁気構造内に配置される，感知チップと，感知チップから電気信号を受信して処理する制御器であって，電気信号は，感知チップに生体結合している磁気ラベルの数を示す，制御器と，利用者に磁気ラベルの数を示す出力を提供するように，制御器に結合された表示画面と，を備える。
【００６１】
磁気ラベルは，磁気構造からの浮遊磁界及び外部から印加される磁界によって磁化される。
【００６２】
磁気ラベルは，約１００ｎｍ未満の直径を有する磁気ナノ粒子（ＭＮＰ）を含んでもよい。
【００６３】
磁気ラベルは，約１μｍと２μｍとの間の直径を有する磁気マイクロビーズを含んでもよい。
【００６４】
磁気構造は自由層及び固定層を有するスピンバルブ構造を有してもよく，磁気ラベルは，磁気ラベルの磁化のために，自由層及び固定層双方からの浮遊磁荷が溝を通過する位置で，溝内に結合する。
【００６５】
別の例においては，方法は，外部で発生された磁界及び生体センサによって発生された浮遊磁界によって磁気ラベルを励起して，磁気ラベルを生体センサに結合するステップであって，生体センサは浮遊磁界を発生させる磁気構造と，磁気構造の表面内に形成された溝と，生体センサに付着した生体物質とを備え，生体物質は溝の中又は上の磁気ラベルに生体結合する，ステップと，外部で発生された磁界及び生体センサによって発生された浮遊磁界による磁気ラベルの磁化によって生成される生体センサからの信号を検出するステップと，を有する。
【００６６】
本発明の種々の実施例を説明した。これらの実施例は本願請求項の範囲内にある。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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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９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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