(57)【要約】  本発明はキャリア流体中の少なくとも１つの磁性粒子の磁気応答の変化を検出するための方法及び装置に関する。この方法は， 磁性粒子の特徴的な回転時間を測定することと，外部パルス励起磁場の影響下において前記キャリア流体中でブラウン緩和を測定することからなる測定手順を使用し，前記外部パルス励起磁場の前記影響に基づいて，粒子の流体力学的体積，又は粒子の有効体積の変更後又は前記キャリア流体との相互作用後の粒子の流体力学的体積の変化を，検出コイル内の出力信号の変化を監視して前記粒子の磁化の経時変化を検出することにより測定する。
2009534649.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャリア流体中の少なくとも１つの磁性粒子の磁気応答の変化を検出するための方法であって，
前記磁性粒子の特徴的な回転時間を測定することと，外部パルス励起磁場の影響下において前記キャリア流体中でブラウン緩和を測定することからなる測定手順を使用し，
前記外部パルス励起磁場の前記影響に基づいて，粒子の流体力学的体積，又は前記粒子の有効体積の変更後又は前記キャリア流体との相互作用後の前記粒子の流体力学的体積の変化を，検出コイル内の出力信号の変化を監視して前記粒子の磁化の経時変化を検出することにより測定すること
を含む方法。
【請求項２】
検出コイル系が磁束の経時変化に依存する誘導電圧差を検出する請求項１記載の方法。
【請求項３】
良好なバランスのとれた検出コイル系からの前記誘導電圧差が次式で表される請求項２記載の方法。
2009534649.tif 000030
式中，Ｎは２つの同一のコイルの巻き数，Ａは前記検出コイルの断面積，Ｈは励磁コイルによって作られる磁場，αは磁気結合係数，Ｍは粒子系の磁化である。
【請求項４】
ブラウン緩和時間を有する磁性粒子系の動的感受性が次式で表される請求項３記載の方法。
2009534649.tif 000031
式中，χ０はＤＣ感受性，ωは角周波数（２πｆ），ｒＨは粒子の流体力学的半径，ｆ(ｒＨ)は流体力学的半径分布関数，τＢは次式で表されるブラウン緩和時間であり，
2009534649.tif 000032
式中，ＶＨは流体力学的体積，ηは磁性粒子が存在する流体の粘性率，ｋＢはボルツマン定数，Ｔは温度である。
【請求項５】
近似が多くの単磁区を含む磁性粒子に依存し，総磁気モーメントが各前記単磁区からの個々の磁気モーメントのベクトル和である請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記磁性粒子系の流体力学的サイズ分布が，ブラウン緩和時間を有する磁性粒子系の前記動的感受性によって決定する請求項４記載の方法。
【請求項７】
粒子の表面に分子を吸着することを更に含み，それにより，前記粒子の流体力学的半径が増加し，前記表面が前記分子で満たされた場合には，元の粒子を取り囲む厚さを有するシェルにより前記流体力学的体積が増加し，前記流体力学的半径の増加はカバレージに対して線形に増加する請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記分子の吸着後の緩和時間が次式によって表される請求項７記載の方法。
2009534649.tif 000033
式中，ｒＨは前記粒子の前記表面が前記分子で覆われる前の初期流体力学的半径である。
【請求項９】
次式で新規の動的感受性が表され，それにより，検体の濃度に依存するカバレージにもブラウン緩和時間が依存する請求項７記載の方法。
2009534649.tif 000034
【請求項１０】
前記粒子は外層を有する請求項１〜９いずれか１項記載の方法。
【請求項１１】
キャリア流体中の少なくとも１つの磁性粒子の磁気応答の変化又は磁場応答を検出するための装置であって，
前記検出は磁性粒子の特徴的な回転時間の測定を含み，前記測定は外部パルス磁場の影響下でのキャリア流体中のブラウン緩和の測定を含み，
前記パルス磁場を生成するための手段と，グラジオメータ結合で接続された少なくとも２つの実質的に同一な検出コイルと，周波数を測定するための検出用電子機器に結合するための手段と
を含む装置。
【請求項１２】
第一の検出コイル（１１０）と第二の検出コイル（１２０）を含む検出コイル系（１００）と，励磁コイル（１３０）と，試料ホルダー（１４０）とを備え，電圧差が前記検出コイルの巻き数Ｎ又は物理特性に依存する請求項１１記載の装置。
【請求項１３】
前記励磁コイル（１３０）が特定の長さ，直径，巻き数を有するソレノイドとして巻かれる請求項１２記載の装置。
【請求項１４】
前記励磁コイルが励起場（Ｈ）を生成し，信号の応答に対して次式の影響を与える請求項１３記載の装置。
2009534649.tif 000035
【請求項１５】
より均質な磁場を前記励磁コイル中に生成するために，追加のシムコイルを前記ソレノイドの上部と下部に更に備える請求項１３記載の装置。
【請求項１６】
前記励磁コイルの中央に配置された一次グラジオメータ結合の形態で前記検出コイル系（１００）が構成される請求項１２記載の装置。
【請求項１７】
前記検出コイル系が，２つの良好に整合されたコイルの対として構成される請求項１２記載の装置。
【請求項１８】
前記検出コイル系が前記２つのコイルの間の磁束差の率を検出する請求項１２記載の装置。
【請求項１９】
前記検出コイル系が，２つの整合されたコイルの長さ軸が前記励磁コイルの長さ軸に実質的に平行になるように配置することで形成される請求項１２記載の装置。
【請求項２０】
２つの検出コイルが特定の長さ，直径，巻き数を有し，前記励磁コイルが前記検出コイル系からの信号長を与える請求項１９記載の装置。
【請求項２１】
前記検出コイルが２つの異なる方向，すなわち時計方向と反時計方向に巻かれると共に直列に結合される請求項１２記載の装置。
【請求項２２】
前記２つの検出コイルが同じ方向に巻かれるが，これら２つのコイル内の誘導電圧が反対方向になるように結合される請求項１２記載の装置。
【請求項２３】
最初にコイルのうち一方のコイル内に試料を配置して磁気信号を測定し，次に，他方のコイル内に前記試料を配置して磁気信号を別に測定する請求項１２記載の装置。
【請求項２４】
試料を前記第一のコイル内に入れた場合に検出される合計電圧がＶ１＋Ｖｂａｃｋｇｒｏｕｎｄで，前記試料を前記第二のコイル内に入れた場合に検出される合計電圧が−Ｖ２＋Ｖｂａｃｋｇｒｏｕｎｄで，この２つの測定結果の差異はバックグラウンドノイズを除いたＶ１＋Ｖ２であり，Ｖ１＋Ｖ２の平均値は前記試料からの信号を表す請求項１２記載の装置。
【請求項２５】
前記外部パルス磁場は同一粒子系に印加され，粒子の磁化の時間領域における測定は，パルスの印加直後に磁化の増加を測定するか，又はパルスをオフに切り換えた後に磁化の減衰を測定することで行われる請求項１２記載の装置。
【請求項２６】
パルス磁場が同一粒子系に印加され，粒子の磁化は前記磁場を印加すると増加し，前記磁場を除去すると指数的に減少し，この指数的な挙動はブラウン緩和周波数の逆数に比例する緩和時間の特性である請求項１２記載の装置。
【請求項２７】
測定場の周波数を走査しなくても，前記時間領域で前記磁気応答の緩和のフーリエ変換を行うことによって，同一の情報が得られる請求項２６記載の装置。
【請求項２８】
前記情報が周波数依存の磁気応答である請求項２７記載の装置。
【請求項２９】
前記パルス磁場の場合の誘導電圧差が次式で表される請求項２６記載の装置。
前記磁場がオンの場合
2009534649.tif 000036
励起場がオフの場合
2009534649.tif 000037
【請求項３０】
磁性粒子系の流体力学的サイズ分布が，前記磁場がオンの場合とオフに切り替わった場合に前記誘導電圧を測定することによって決定する請求項２９記載の装置。
【請求項３１】
前記磁場がオンの場合の磁化の指数的な増加及び前記磁場がオフに切り替わった場合の前記磁化の指数的な減少が完全に検出時間窓で検出されるようにパルス列のデューティサイクル（ａ／Ｔ）を選択する請求項３０記載の装置。
【請求項３２】
系の静電容量に並列に結合された調整可能な静電容量（Ｃｔ）を含む請求項１１記載の装置。
【請求項３３】
前記各コイルの共振周波数が測定周波数に調整される請求項１１記載の装置。
【請求項３４】
試料ホルダーとして，かつ，試料を検出領域に届ける流体送出系として毛細管を備えた請求項１１記載の装置。
【請求項３５】
注入時間及び速度によって決定する幅を有する集合体として前記試料が液流に注入される請求項３４記載の装置。
【請求項３６】
前記集合体が測定位置などの所望の位置で停止できるように前記液流を制御する手段を備える請求項３５記載の装置。
【請求項３７】
連続的な注入によって作成された同一の又は異なる材料で構成される幾つかの集合体を使用する手段を有する請求項３６記載の装置。
【請求項３８】
前記粒子が外層を有する請求項１１〜３７いずれか１項記載の装置。
【請求項３９】
空の試料ホルダーを使用して系の応答を測定する第一の工程と，
前記空の試料ホルダーを第一のコイルに入れた場合と前記空の試料ホルダーを第二のコイルに入れた場合の信号の差異を計算する第二の工程と，
既知かつ所望の周波数非依存磁気感受性を有する材料を含む試料を使用して前記系を測定した測定値に基づいて前記系を較正する第三の工程と
を含む請求項１１〜３８いずれか１項記載の系較正方法。
【請求項４０】
前記第一の工程における前記差異が試料ホルダーと前記試料ホルダーを移動する機械アームとの誘電特性に帰するものであり，得られる電圧Ｖｂ＝ＶｂＲｅ＋ｊ＊Ｖｂｌｍは，後続の測定におけるどの測定済み信号からも差し引かれるバックグラウンド信号である請求項３９記載の方法。
【請求項４１】
前記第三の工程における前記材料は常磁性の材料である請求項４０記載の方法。
【請求項４２】
較正材料は，前記系で使用される周波数範囲において周波数非依存感受性を有するように選択される請求項３９記載の方法。
【請求項４３】
前記較正材料の感受性の値は測定される試料の場合と同じ範囲にある請求項４２記載の方法。
【請求項４４】
較正試料の形状と寸法は前記検出コイル内で正しい結合係数が得られるように，測定試料の場合と同じである請求項４２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ブラウン緩和時間の検出は，動的磁気感受性（サイナス励磁：synus excitation）及び磁気緩和（パルス励磁）を測定することによって行われる。
【背景技術】
【０００２】
熱遮断された単磁区を（粒子内に）有する磁性粒子系のブラウン緩和を，測定場の周波数を走査し，磁気応答，すなわち，磁気応答の実数部と虚数部を測定することで検出でき，例えば，本書中で参照して援用されている，同じ出願人による国際特許公開ＷＯ ０３／０１９１８８号を参照のこと。特性ブラウン緩和周波数で，磁気応答の実数部が減少し，虚数部が最大になる。周波数依存の磁気応答から，ブラウン緩和周波数を決めることができる。励磁コイル（の中央）に配置された検出コイル系からの磁気応答を検出するために，ロックインアンプ技術の感度を使用できるので，本方法は高感度になり得る。検出コイルの応答の最大値で各励起周波数での測定が行われるように，外付けコンデンサを使用して検出コイルの共振を調整することで，本技術の感度は更に上げることができる。ただし，本技術では，ブラウン緩和周波数の最大値で周波数を走査する必要がある。本技術について以下に説明する。
【０００３】
更に，周波数領域での検出は通常，比較的遅く，１つの検出コイルから別の検出コイルまで試料位置を変更する必要がある。
【０００４】
発明の概要
本発明は時間領域での検出に特別なモードを使用する。励起場はパルス状にされ，試料の磁化の経時減衰（変化）を，検出コイル内の電圧の減衰を監視することで測定する。
【０００５】
本発明の目的は，磁気容量又は磁気特性が低い試料からの小さな磁気信号を測定することである。本発明のもう１つの目的は，磁場が印加された場合の試料の磁化の増加と，磁場がオフにされた場合の磁化の減少とを測定することである。本発明のさらにもう１つの目的は，測定場の周波数走査をなくすことである。
【０００６】
本発明の試料応答測定の重要な利点はその速度であり，本測定の場合，励起場の周波数の走査を必要とする前記技術より大幅に速い。
【０００７】
これらの目的及び利点と，以下で説明されている他の目的及び利点は，キャリア流体中の少なくとも１つの磁性粒子の磁気応答の変化を検出するための方法により実現される。この方法は， 磁性粒子の特徴的な回転時間を測定することと，外部パルス励起磁場の影響下において前記キャリア流体中でブラウン緩和を測定することからなる測定手順を使用し，前記外部パルス励起磁場の前記影響に基づいて，粒子の流体力学的体積，又は粒子の有効体積の変更後又は前記キャリア流体との相互作用後の粒子の流体力学的体積の変化を，検出コイル内の出力信号の変化を監視して前記粒子の磁化の経時変化を検出することにより測定することを含む。磁束の経時変化に依存する誘導電圧差を検出コイル系で検出することが好ましい。
【０００８】
したがって，良好なバランスのとれた検出コイル系からの誘導電圧差は次の式で与えられる。
2009534649.tif 000003
ここで，Ｎは２つの同一のコイルの巻き数，Ａは検出コイルの断面積，Ｈは励磁コイルによって作られる磁場，αは磁気結合係数，Ｍは粒子系の磁化である。したがって，ブラウン緩和時間を有する磁性粒子系の動的感受性(dynamic susceptibility)は次の式で与えられる(非限定的)。
2009534649.tif 000004
ここで，χ０はＤＣ感受性(DC susceptibility)，ωは角周波数（２πｆ），ｒＨは粒子の流体力学的半径，ｆ(ｒＨ)は流体力学的半径分布関数，τＢは次式で表されるブラウン緩和時間である。
2009534649.tif 000005
ここで，ＶＨは流体力学的体積，ηは磁性粒子が存在する流体の粘性率，ｋＢはボルツマン定数，Ｔは温度である。近似は多くの単磁区を含む磁性粒子に依存すること，及び総磁気モーメントは，各単磁区からの個々の磁気モーメントのベクトル和であることが好ましい。磁性粒子系の流体力学的サイズ分布は，上記のモデル又は他の同様のモデルを使用して決定される。
【０００９】
本方法では粒子の表面に分子を吸着することを更に含み，それにより，粒子の流体力学的半径が増加し，表面が前記分子で満たされた場合には，元の粒子を取り囲む厚さを有するシェルにより前記流体力学的体積が増加し，流体力学的半径の増加はそのカバレージ（coverage）に対して線形に増加する。
【００１０】
分子の吸着後のブラウン緩和時間は次式で表されることが好ましい。
2009534649.tif 000006
ここで，ｒＨは粒子の表面が分子で覆われる前の初期流体力学的半径である。新規の動的感受性は次式で表される。
2009534649.tif 000007
従って，ブラウン緩和時間は検体の濃度に依存する被膜にも依存する。
【００１１】
この粒子は外層を有することが好ましい。
【００１２】
本発明はまた，キャリア流体中の少なくとも１つの磁性粒子の磁気応答の変化又は磁場応答を検出するための装置に関する。この検出は磁性粒子の特徴的な回転時間の測定を含み，前記測定は外部パルス磁場の影響下でのキャリア流体中のブラウン緩和の測定を含む。この装置は，パルス磁場を生成するための手段と，グラジオメータ（gradiometer）結合で接続された少なくとも２つの実質的に同一な検出コイルと，周波数を測定するための検出用電子機器に結合するための手段とを含む。この装置は更に，第一の検出コイルと第二の検出コイルを含む検出コイル系と，励磁コイルと，試料ホルダーとを備え，電圧差はこれらの検出コイルの巻き数又は物理特性に依存する。励磁コイルは，特定の長さ，直径，巻き数を有するソレノイドとして巻くことが好ましい。励磁コイルは励起磁場（Ｈ）を発生させ，信号の応答に対して次のような影響を与える。
2009534649.tif 000008
【００１３】
この装置は更に，より均質の磁場を励磁コイル内で生成するために，ソレノイドの上部と下部に追加のシムコイルを備える。検出コイル系は，励磁コイルの中央に配置される一次グラジオメータ結合(a first order gradiometer coupling)の形態で構成され得る。別の実施形態では，検出コイル系は，２つの良好に整合されたコイルの対として構成される。この検出コイル系は，これらの２つのコイルの間の磁束差の率を検出するように構成される。
【００１４】
検出コイル系は２つの整合されたコイルを，その長さ軸を励磁コイルの長さ軸と実質的に平行に配置することで形成されるのが好ましい。この２つの検出コイルは特定の長さ，直径，巻き数を有することが好ましく，この励磁コイルは検出コイル系からの信号強度を与えることが好ましい。好適な実施形態では，これらの検出コイルは異なる方向，すなわち時計方向と半時計方向に巻いて直列に結合するか，同じ方向に巻いてこの２つのコイル内の誘導電圧が反対方向になるように結合する。
【００１５】
磁気信号の測定では，最初に一方のコイル内で試料を測定して，次のもう一方のコイル内で試料を測定することが好ましい。試料を最初のコイル内に入れた場合に検出される合計電圧はＶ１＋Ｖｂａｃｋｇｒｏｕｎｄで，試料を２番目のコイル内に入れた場合に検出される合計電圧は−Ｖ２＋Ｖｂａｃｋｇｒｏｕｎｄで，この２つの測定の差異はバックグラウンドノイズを除いたＶ１＋Ｖ２であり，Ｖ１＋Ｖ２の平均値は試料からの信号を表す。
【００１６】
さらに好ましくは，外部パルス磁場は同じ粒子系に印加され，粒子の磁化の時間領域における測定は，パルスの印加直後に磁化の増加を測定するか，パルスをオフに切り換えた後に磁化の減衰を測定することで行われる。
【００１７】
パルス磁場は同じ粒子系に印加され，粒子の磁化はこの磁場を印加すると増加し，この磁場を除去すると指数的に減少する。ここで，この指数的な挙動は，ブラウン緩和周波数の逆数に比例する緩和時間の特性である。
【００１８】
一実施形態では，測定場の周波数を走査せずに，時間領域において磁気応答の緩和のフーリエ変換を行うことによって，同じ情報が得られる。
【００１９】
この情報は周波数依存の磁気応答である。
【００２０】
磁性粒子系の流体力学的サイズ分布は，このフィールドがオンの場合もオフに切り換えた場合も，誘導電圧を測定することで決定することが好ましい。パルス列（ａ／Ｔ）のデューティサイクルは，フィールドがオンの場合は磁化の指数的増加，フィールドがオフに切り替わった場合は磁化の指数的減衰が検出時間窓で完全に検出されるように選択される。この装置は，系の静電容量と並列に調整可能な静電容量を備えてもよく，各コイルの共振周波数は測定周波数に応じて調整される。
【００２１】
一実施形態による装置は，試料ホルダーとして，及び試料を検出領域まで届ける流体送出系として毛細管を備えてもよい。したがって，試料は注入時間及び速度によって決定する幅を有する集合体として液流に注入される。本装置は更に集合体が，所望の位置，例えば測定位置で止まることができるように液流を調整する手段を備えてもよい。
【００２２】
本装置は，連続的な注入により作成された，同一又は異なる材料からなる幾つかの集合体を使用する手段を備えてもよい。
【００２３】
本発明はまた，前述の系を較正する方法に関する。この方法は，空の試料ホルダーにより系の応答を測定する第一の工程，空の試料ホルダーを第一のコイル内に置いた場合と空の試料ホルダーを第二のコイル内に置いた場合とで信号の差異を計算する第二の工程，既知かつ所望の周波数非依存磁気感受性を有する材料を含む試料を使用して系を測定し，前記測定値に基づいて前記系を較正する第三の工程からなる。第一の工程では，差異は試料ホルダーとその試料ホルダーを移動する機械アームの誘電特性に帰する。得られる電圧（複素電圧）Ｖｂ＝ＶｂＲｅ＋ｊ＊Ｖｂｌｍは，後続の測定におけるどの測定済み信号からも差し引かれるバックグラウンド信号である。第三の工程における材料は常磁性の材料である。較正材料は，系で使用される周波数範囲において周波数非依存感受性を有するように選択される。較正材料の感受性の値は，測定される試料の場合と同じ範囲にある。較正試料の形状と寸法は，検出コイル内で正しい結合係数が得られるように，測定試料の場合と同じである。
【００２４】
以下に，添付された典型的かつ非限定的な図面を参照して本発明を説明する。
【００２５】
実施形態の詳細な説明
本発明によれば，検出コイル系は磁束の経時変化に依存する誘導電圧差を検出する。
【００２６】
良好なバランスが取れた検出コイル系からの誘導電圧差は次式で表される。
2009534649.tif 000009
ここで，Ｎは２つの同一コイル（以下の検出コイル系を構成するコイル）の巻き数，Ａは検出コイルの断面積，Ｈは励磁コイルによって作られる磁場，αは検出コイルの寸法に対する試料の形状と寸法に依存する磁気結合係数，Ｍは粒子系の磁化である。結合係数αは通常，１）既知の明確な感受性と，２）測定される試料と同じ較正試料寸法を有する物質を使用した誘導コイル系の較正から決定される。この式はサイナス場を有する励起場とパルス磁場との両方で同じである。サイナス場の場合，磁化は次式で表される。
2009534649.tif 000010
ここで，χ’は動的磁気感受性の実数部であり，χ’’は虚数部である。したがって，この場合，検出コイルからの誘導電圧差の大きさは次のようになる。
2009534649.tif 000011
ここで，Ｈ０は磁場の大きさである。この式を使用することにより，周波数依存感受性の実数部と虚数部を決定することができ，更に磁性粒子で化学反応が起こったときにブラウン緩和時間がどのように変化するかを決定できる。これについては，上記の国際特許公開ＷＯ ０３／０１９１８８号で説明されている。
【００２７】
ブラウン緩和時間の分布により（磁性粒子の流体力学的サイズの分布により）磁性粒子系の動的感受性をモデル化するために，デバイモデルをサイズ分布に対して次式に従って統合する。
2009534649.tif 000012
ここで，χ０はＤＣ感受性，ωは角周波数（２πｆ）ｒＨは粒子の流体力学的半径，ｆ(ｒＨ)は流体力学的半径分布関数（ここでは対数正規分布が使用できる），τＢは次式で表されるブラウン緩和時間である。
2009534649.tif 000013
ここで，ＶＨは流体力学的体積，ηは磁性粒子が配置されている流体の粘性率，ｋＢはボルツマン定数，Ｔは温度である。式［４］の最後のステップは，ＤＣ感受性が磁性粒子の流体力学的体積に依存しないと仮定した場合に有効である。磁性粒子が多数の単磁区を含んでおり，総磁気モーメントが各単磁区からの磁気モーメントのベクトル和であるので，この近似は使用できる。この近似が流体力学的サイズを決定する他の方法に匹敵するか，あるいはそれより良好な結果をもたらすことが多くのテストから判った。動的感受性の実験データを上記モデルの式［４］に当てはめることにより，磁性粒子系の流体力学的サイズ分布を決定することが可能である。
【００２８】
粒子の表面に分子が吸着すると，粒子の流体力学的半径が増加するような状態変化が起こる。粒子の表面のカバレージθを定義することができ，ここでθ= １は，この粒子の全表面が分子で覆われていることを示す。表面が分子で満たされた場合は，図２ａに示すように，元の粒子２５０を覆う厚さδ０のシェル２５１（図２ｂ）の分だけ流体力学的体積が増加し，流体力学的半径の増加はカバレージに対して線形に増加すると定義できる。
【００２９】
特定の流体力学的半径を有する粒子によって吸着される検体の分子の概算数は次式で表される。
2009534649.tif 000014
ここで，Ｎａｎａｌｙｔは総分子数で，Ｎｐｔｏｔは流体中の総粒子数である。特定の流体力学的半径を有する１つの粒子に吸着可能な分子の最大数は次式で表される。
2009534649.tif 000015
ここで，ｎは単位粒子の表面積ごとの分子数で，カバレージは次式で求められる。
2009534649.tif 000016
【００３０】
したがって，粒子のカバレージは流体力学的半径には依存しないが，吸着した分子の実際の数は式６の流体力学的半径に依存する。
【００３１】
分子の吸着後のブラウン緩和時間は次式で表される。
2009534649.tif 000017
ここで，ｒＨは粒子の表面が分子で覆われる前の初期流体力学的半径である。新規の動的感受性は次式で表される。
2009534649.tif 000018
したがって，ブラウン緩和時間は検体の濃度に依存するカバレージにも依存する。
【００３２】
好適な検出コイル系１００の概略図を図１に示す。本コイル系は，第一の検出コイル１１０と，第二の検出コイル１２０と，励磁コイル１３０と，試料ホルダー１４０とを備える。これらの検出コイルの巻き数はＮで，電圧差を生じるように構成されている。直径，サイズなど，その他の物理的特性によって電圧差を生じさせてもよい。励磁コイル１３０には電流Ｉが流れている。
【００３３】
励磁コイル１３０は特定の長さ，直径，巻き数を有する通常のソレノイドとして巻かれる。この励磁コイルは励起場Ｈを生成し，信号の応答に対して式１から式３に示すような影響を与える。ソレノイドの単位長さ当たりの巻き数と励磁コイル中の電流によって励起場を生じさせる。励磁コイル中の磁場をより均質なものとするために，追加のシムコイルをソレノイドの上部と下部に配置してもよい。この例として，例えば，スロヴェニア，ＳＩ−１０００，リュブリャナ，ジャモヴァ３９，リュブリャナ大学，Ｊ．ステファンインスティトュート（J.Stefan Institute, University of Ljubljana, Jamova 39, Ljubljana, SI-1000, Slovenia）のＰ．ジェグリック（P.Jeglic）他の「超電導磁石の静電フリンジ領域のモデリング(Modelling the Static Fringe Field of Superconducting Magnets)」を参照のこと。この文書は，共振周波数空間と周波数勾配空間の関係がＮＭＲ拡散計測で使用される超伝導磁石の静的フリンジ磁界に対して分析的に評価されることを開示している。本モデルは，主コイルと低温シムコイル(cryoshim coil)から構成される高均質磁石コイル系の実際の設計を考慮し，超伝導コイル内側及び外側の共振周波数と軸上磁場勾配の正確な較正を可能にしている。シムコイルを使用すると，単一のソレノイドから作成された励磁コイルよりも長さが大幅に短くなる。
【００３４】
一次グラジオメータ結合の形式の検出コイル系１００は，励磁コイルの中央に配置される。この検出コイル系は，良好に整合された２つのコイルの対とも見なせる。検出コイル系は，２つのコイル間の磁束差の率を検出する。検出コイル系は，２つの良好に整合されたコイルの長さ軸を励磁コイルの長さ軸に（実質的に）平行に配置することで形成される。これらの２つの検出コイルは特定の長さ，直径，巻き数を有する。励磁コイルの設計によって，検出コイル系からの信号強度が式１から式３で与えられる。これらの検出コイルは，２つの方向(時計方向と反時計方向)に巻いて直列に結合するか，同じ方向に巻いて２つのコイル内の誘導電圧が反対方向になるように結合する。これらの検出コイルは，相互に作用を及ぼさないよう，近くに配置し過ぎないようにする（一般に検出コイルの直径より離して配置する）ことが好ましい。また，励磁コイルの長さが大きくなり過ぎないよう，これらの検出コイルを離し過ぎないようにする。
【００３５】
２つの検出コイルの間で良好なマッチングがとれていても，必ず多少の差異がある。したがって，試料がどちらの検出コイルにもない場合でもＶｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ信号を生成する検出コイルには不均衡がある。試料が第一の検出コイル（グラジオメータの第一のループ）内にある場合にその試料によって誘導される信号Ｖ１にも差異があり，信号−Ｖ２は，試料が第二のコイル（グラジオメータの第二のループ）内にある場合に誘導される。磁気容量又は磁気特性が低い試料からの小さな磁気信号を測定するためには，２つのコイルの僅かなばらつきを考慮しなければならない。そのためには，１つのコイル内に試料を入れて磁気信号を測定した後，もう１つのコイル内に試料を入れて磁気信号を別に測定する。試料が第一のコイル内にあるときに検出した合計電圧はＶ１＋Ｖｂａｃｋｇｒｏｕｎｄであり，試料が第二のコイル内にあるときに検出した合計電圧は−Ｖ２＋Ｖｂａｃｋｇｒｏｕｎｄである。これらの２つの測定結果の差は，バックグラウンドが除去されてＶ１＋Ｖ２となり，Ｖ１＋Ｖ２の平均値は試料からの信号を表す。
【００３６】
パルス磁場を同じ粒子系に印加する場合，磁場の印加時には粒子の磁化が増加し，磁場の解除時には指数的に減少するが，この指数的な挙動はブラウン緩和周波数の逆数に比例する緩和時間の特性である（上述）。この場合，測定場の周波数を走査しなくとも，時間領域内で磁気応答の緩和のフーリエ変換を行えば，同じ情報，例えば，周波数依存の磁気応答が取得される。パルス励磁場にとって主要かつ最も重要な試料応答測定上の利点はその速度であり，この測定は励起場の周波数の走査に基づく前記技術より遙かに速い。この速度上の利点は粒子サイズに応じて増加する。大きな粒子では，動的磁気感受性の変化は低周波数で起こり，小さい粒子で実現したのと同様の信号と雑音の比率（Ｓ／Ｎ比）を実現するために多くの測定時間を要する。速い測定手順は他の測定モードに可能性を切り開く。一例は，粒子の凝集の動力学を流体力学的体積の変化を測定して決める場合で，これについては詳細を以下に説明する。
【００３７】
もう１つの利点は，２つのコイルの間で試料を上下に移動する必要がないことである。試料の移動をなくすことで，系全体が小型化し，扱いやすくなり，安価になる。更に，前述したように，緩和時間の分布と粒子浮遊の流体力学的特性を決定することができる。動的磁気感受性を得るためには，試料を２つのコイル間で移動しなければならない。
【００３８】
時間領域測定を使用する場合の信号感度は，周波数領域での測定と比べると，測定速度を上げるための代償である周波数走査による前記方法よりも低い。以下に説明するように，時間領域での実験データは指数的な減衰の分布に適用可能なので，ブラウン緩和時間の分布は時間領域測定からも決定できる。
【００３９】
パルス磁場を使用する場合，磁性粒子系の流体力学的体積の分布によるブラウン緩和時間分布を有する磁性粒子系の磁化は次式で表される。
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ｔを磁場印加後の時間と想定して磁場を印加する場合，及び
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磁場をオフに切り換え，ｔを磁場をオフにしてからの時間とし，Ｍ（０）を磁場をオフにしたときの試料の磁化とする場合。式１１と式１２において，（周波数走査法で前述したように）粒子の合計磁気モーメントは粒子の流体力学的サイズに依存しないと想定する。
【００４０】
パルス磁場の場合の誘導電圧差は（式１を使用して）次式で表される。
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磁場がオンの場合，及び
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励起場がオフ（パルス列におけるゼロ磁場）の場合。ブラウン緩和時間［２］に僅かな磁場依存性があるが，印加した磁場が非常に小さいので，この依存性は無視できる。これは，磁場がオンの場合もオフに切り換えられた場合も，ブラウン緩和時間は同じであることを意味している。
【００４１】
誘導電圧を測定することにより，磁場がオンの場合もオフに切り換えられた場合も，磁性粒子系の流体力学的サイズ分布を迅速に決定することができる。これは，実験データを式１３と式１４に当てはめるか，実験データに対してＦＦＴ（高速フーリエ変換）を実行する（及び複素磁化率(complex susceptibility)の周波数依存の実数部と虚数部を得る）ことによって実現できる。検出コイル系において，コイル系内の浮遊容量と，励磁と検出コイル系との間の静電結合とによって鳴き(ringing)が発生することがあるが，これが検出コイルからの出力信号に指数的挙動を与えることはなく，指数的減少を与えるのは磁性粒子系のみである。コイル系内の鳴きは電子的にフィルタリングでき，信号解析で処理できる。
【００４２】
パルス励磁場の一例を図３に示す。各パルスは振幅Ｈ０と幅ａを有する。このような励起への応答に対するＦＦＴは，周波数領域での前記の応答検出により使用可能なすべての情報を含む。
【００４３】
パルス磁場は，磁場の振幅Ｈ０，磁場がオンの場合の時間幅ａ，及びパルスの期間Ｔによって特徴付けることができる。パルス列のデューティサイクルａ／Ｔは，図９に示すように，磁化の指数的増加（磁場がオンの場合）及び磁化の指数的減衰（磁場がオフに切り替った場合）が適切な分析を行うのに十分な検出時間窓で完全に見られるように選択される。パルスが速すぎると緩和の小部分の検出だけが行われ，パルスが長すぎると磁化が一定又はゼロになり，ノイズのみが検出され，Ｓ／Ｎ比が下がる。本応用における最適のパルス列は，例えば５０％のデューティサイクルを有し，期間Ｔが
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とほぼ等しくなる。ここで，fＢは動的感受性の虚数部を最大にする周波数である。
【００４４】
代表的なコイルは図４の等価回路によって示される。Ｃは絶縁線の巻きの間の浮遊容量，Ｌはコイルのインダクタンス，及び，Ｒはワイヤの抵抗である。
【００４５】
ΔＶは，式１による検出コイル系の誘導電圧であり，Ｖは検出コイル系からの出力電圧である。出力電圧は次式で表される。
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式１５から，共振周波数又はその近傍では検出コイル系の感度が高くなることが分かる。共振周波数の概算値は次式によって表される（Ｒが小さい場合）。
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【００４６】
図５に示すように，Ｃに並列に接続した調整可能な静電容量Ｃｔを使用することで，共振周波数を測定周波数へと調整することができ，検出感度を上げることができる。総静電容量はＣｔ＋Ｃとなり，この値を式１５と式１６のＣの代わりに使用する。
【００４７】
図６のグラフは，以下に示す特定の場合について周波数に対する感度の増加（式３で与えられる通常感度の回数で表したもの）をプロットしたものである。
【００４８】
動的感受性の実数部と虚数部は，次の式に従ってインダクタンスと抵抗を変化させる。
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ここで，Ｌ０とＲ０は試料がない場合の等価回路のインダクタンスと抵抗を示す。動的感受性によって得られる値は，この応用では比較的小さいので，インダクタンスと抵抗はそれほど変化しない。共振周波数もそれほど変化せず，この変動は無視し得る。
【００４９】
共振のＦＷＨＭは主にＲによって決定される。検出装置の残りの部分に並列に接続されているコイルでは，図６に示すように，共振時のインピーダンスＺｒｅｓは最大値となり，共振周波数から大幅に離れているときのインピーダンスＺよりも遙かに高くなる（Ｚ＜＜Ｚｒｅｓ）ことは周知である。前記のように，コイルの共振周波数は，図５に示すように静電容量をそのコイルに並列に追加することで調整できる。
【００５０】
国際特許公開ＷＯ ０３／０１９１８８号では，励起コイルにより生成された後に，適切に巻かれた２つの検出コイルからなる系を使用して，調査中の系の応答により検出された外部磁場の周波数を個別に走査する手順を説明している。各検出コイルは，系の残りの部分に並列（直列）に接続された２つのコイルの電気的な不一致により必然的に生じるオフセット電圧（電流）を減少させるために，もう一方の検出コイルにできるだけ近くなるように選択される。更に，その共振周波数が調査中の系の応答に対応する最大周波数から大きく離れるように各コイルが設計される。各コイルがその共振周波数から離れるほど，僅かに異なる周波数で測定した電圧（電流）の変化が小さくなるため，これは有利であると考えられる。ただし，この結果は系誘導電圧（電流）の変位（excursions）が非常に小さいということである（低感受性の磁性粒子系の場合）。
【００５１】
使用可能な信号を増加させ，同時に周波数の変化を最小限にしてコイル応答の差異を維持するために，各コイルの共振周波数を測定周波数へと調整することができる。したがって，各コイルの共振周波数を系の応答の測定が行われる周波数に調整し，その共振周波数を変更して，変更後の周波数で系の応答の測定を行うことなどが可能である。これにより，もちろんコイル端で使用できる信号が増加し，Ｓ／Ｎ比が上がる。この調整は，図５に示すように，追加の静電容量Ｃｔをコイルに並列に接続することで実行できる。この周波数変更は測定後に行うことが好ましい。所定の周波数における測定で，予め設定されたＳ／Ｎ比が実現された場合に測定の終了を通知するように，好適の（ただし，これに限られない）パラメータを選択してもよい。予め設定したＳ／Ｎ比が実現された場合，系は追加の可変静電容量Ｃｔｕｎｅを変更することにより，コイル共振周波数の変更を開始する信号を送信する必要があり，変更後の周波数での測定を開始できる。
【００５２】
共振周波数が次式によって与えられるため，コイルに直列に接続された静電容量によってこの周波数を大幅に調整することはできないことに注意する。
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【００５３】
溶媒中に分散した粒子が凝集することがあるのは周知である。様々な実験条件を正確に記述できる粒子凝集モデルの設定と解決を行った。凝集の動力学は多くの粒子の場合について記述されているが，特に，タンパク質などの柔軟で非球形の粒子の相互作用，又は，沈殿も起こすようなサイズの硬い粒子の相互作用は，液流と静止溶媒の両方において，なお活発な研究分野である。
【００５４】
これらのすべての研究により，粒子濃度とクラスタ成長速度との間には直接的な関係があり，この関係は時に複雑な関数式又は形式によって表され，時に非線形であることが証明されている。
【００５５】
例として，その動きの大部分がブラウン運動である，（一般的な）直径が３μｍより小さい粒子の２体衝突を考えてみる。
【００５６】
粒子数／体積の初期値からの減少率ｎ０（ｔ＝０の場合）は次式で表される。
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ここで，ｎは１リッター当たりの粒子数，ｋは凝集率定数である。形成済みのクラスタは実験の時間スケールで安定していると想定する。速度定数ｋは，２つの粒子，２つのクラスタ，又はクラスタと粒子が衝突したと想定した場合のクラスタの安定性と移動性，反応の可能性に関する情報を含む。式１５の解は
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により与えられる。この式は，最初は，形成された粒子の数が粒子の初期の数に比例して減少することを示している。クラスタの移動性はクラスタサイズに依存するので，衝突速度はクラスタサイズの増加に伴い急速に減少し，主に最小のクラスタ間，すなわち初期の粒子間の衝突を表す。これは，時間ｔ後に粒子数が減少（ｎ＜ｎ０）する一方で，粒子サイズが増加したが，形成されたクラスタの多くが２つの初期の粒子からの（粒子／クラスタの衝突及びクラスタ間の衝突は，粒子間の衝突と比べて稀）ものだったことを意味する。
【００５７】
いずれにしても，磁性ナノ粒子の場合に凝集を適用すると，凝集時には緩和時間が急激に増加することが判った（凝集が流体力学的体積に依存し，凝集の成長の方が粒子体積の成長よりも速いため）。その理由は，流体力学的体積が，粒子と溶媒の間の相互作用によって与えられるからである。後者は，他の多くの要因の中でも，クラスタサイズと共に増加する表面の粗さに依存する。したがって，凝集が進むにつれて，動的磁気感受性がより低い周波数，例えば，１Ｈｚ未満で出現し，国際特許公開ＷＯ ０３／０１９１８８号に記載のように，測定が周波数領域で行われると，最終的に測定窓から消失する。測定が時間領域で行われる場合，粒子がパルス列に応答すると，クラスタサイズが増加するにつれて，外部磁場（励起場）に対する時間的ずれが増加する。
【００５８】
信号の消失を監視したり，時間的に変化する信号と変化しない信号を区別することは極めて容易なので，凝集速度の監視は通常の検出より感度がよい。
【００５９】
一方，凝集の動力学を監視する場合，周波数領域の等価周波数よりも遙かに長い緩和時間を検出できるため，適切な選択は時間領域で測定をすることである。一般に，周波数領域における測定の下限は約１Ｈｚで，これは１秒の緩和時間と等価である。ただし，時間領域で測定することで，１０秒を超える緩和時間の検出は比較的容易になる。
【００６０】
以下に，溶液中の対象分子の数（又は対象分子の濃度）に対応するようにクラスタリング速度を調整した場合の応用例を幾つか説明する。本説明は一般的な状態から開始し，次に幾つかの特定の例により手順が示される。図７を参照して，幾つかの検体７５２をその表面に吸着させた粒子７５０について考察する。参照番号７５３が対象分子である。
【００６１】
クラスタリングは，粒子に結合された検体が二量体（多量体）を形成でき，これらの追加結合が外部に露出しているときに起こることがある。これらの粒子は，検体のカバレージに依存したクラスタ形成速度でクラスタを形成することがある。
【００６２】
検出される分子が検体を粒子に吸着させて複数の結合７５５を形成すると想定する。検体が吸着した粒子を対象分子の濃度が不明な溶液に添加すると，対象分子が仲介する結合によって，粒子が相互保持された状態でクラスタが形成される。この場合，クラスタ形成速度は溶液中の対象分子濃度の関数である。
【００６３】
別の状況は，検出する分子を異なる検体７５６へ異なる部分を通じて結合するときに発生する。その場合，同じ濃度又は異なる濃度のこの検体で被覆された粒子が，対象分子を含む溶液に添加される。凝集速度は対象分子の濃度に依存する。
【００６４】
これらのすべての場合で，信号は対象分子に依存するだけでなく，（他の要素のうち）溶液中の粒子濃度，粒子サイズ，検体によるカバレージにも依存する。これによって，（他の要素のうち）減少速度及び／又は応答振幅を，使用する測定機器が管理できるレベルにある程度調整できるので，実際に価値がある。
【００６５】
以下に，図７に示す一般的な場合の幾つかについて特定の例を示す。
【００６６】
実施例１
ストレプトアビジンやニュートロアビジンなどのアビジンを含む溶液に添加されたビオチンで被覆された粒子について考察する。これらの分子のそれぞれは，複数のビオチン結合部位を有しているので，凝集速度を監視することで溶液中の含有量を決定できる。
【００６７】
実施例２
ストレプトアビジンやニュートロアビジンなどのアビジンで被覆された粒子について考察する。対象分子がビオチンを有する複数の結合部を形成でき，結合された複数のビオチンを有するこれらの対象分子がアビジンに被覆された粒子に晒されている場合，粒子のクラスタリングが起こる可能性が非常に高い。
【００６８】
実施例３
例えば，ＴＢＣ，ＨＩＶ，他のバクテリアや細胞などの特徴を有する既知のＤＮＡ配列が必要であると想定する。細胞又は微生物からＤＮＡを抽出し，適切な配列長に切断し，増幅することが可能である。次に，対象ＤＮＡ鎖を含む溶液に適切な相補的な単一鎖で被覆された粒子を追加し，二重対象鎖を単一鎖に分け，粒子上の鎖を溶液内の対象鎖でハイブリダイズ（hybridise）することができる。
【００６９】
流体力学的体積の変化を時間領域と周波数領域のどちらかで監視することができる。
【００７０】
切断したＤＮＡ片が，粒子上で２つの異なるＤＮＡ単一鎖へとハイブリダイズできるだけの長さがあれば，クラスタリングが起こる。この場合，時間領域で凝集を監視することができる。凝集速度は，溶液中のこのように長いＤＮＡ鎖の濃度の目安となる。
【００７１】
実施例４
抗体に基づくどのような診断法でも事実上２つの抗体が必要となる。１つは標的抗原を捕獲する抗体であり，もう１つは検出が可能になるように適切に変更されたもので，捕獲する抗体に吸着する抗体（抗原複合体）である。捕獲した抗体又は検出抗体でそれぞれ被覆された磁性ナノ粒子を使用して，同様の分析を実行することができる。標的抗原を含む溶液に，各種の抗原で被覆されたナノ粒子を添加する。抗原は各種の抗体による結合を形成でき，各種の粒子を保持するので，クラスタリングが起こる。
【００７２】
実施例５
ウイルス，細胞，又は微生物の膜結合タンパク質に（又はこれらのリポ多糖体鎖に）特に結合する好適なタンパク質で被覆された粒子と対象物との相互作用を許可することも可能である。結合先の対象物が大きい（すなわちそのブラウン運動が遅い）場合，これらの粒子は次にこの対象物に結合し，検出窓から消失する。
【００７３】
試料を配置するための系８００ａと８００ｂの別の例を図８ａと図８ｂに示す。毛細管８４０ａと８４０ｂは，試料８４０のホルダー及び試料を検出領域に届ける流体送出系として使用する。試料は，注入時間と速度によって決定する所定の幅を有する栓８４０として液流に注入される。この液流は，栓が所望の位置，例えば測定位置８５０ａ，８５０ｂ，８６０ａ，８６０ｂに停止できるように調整される。連続的な注入によって作成された，同じ材料又は異なる材料による複数の栓を使用することも予測できる。
【００７４】
図８ａは，図８ｂに示す試料と毛細管の配置は前記実施形態と同様のままにして，検出コイル８１０及び８２０内で異なる位置／形状が可能であることを示す。栓の幅ｗはもちろんコイル間の距離Ｉｃoilも，測定を行う試料部分が均一で，流体の残りの部分と混ざらないようにして変更させることができる。混合は拡散によってのみ起こり，比較的遅いので，栓が層流の下を流れると仮定すると，これが可能になる。
【００７５】
測定系は２段階の手順で較正することが好ましい。最初のステップでは，空の試料ホルダーを使用して系の応答を測定する。この測定では，空の試料ホルダーが上部コイルにある場合とサンプルホルダーが下部コイルのある場合で信号の差異を拾い上げる効果がある。この差異は，試料ホルダーと試料ホルダーを動かす機械アームの誘電特性に帰する。得られた（複素）電圧であるＶｂ＝ＶｂＲｅ＋ｊ＊Ｖｂｌｍは，以降の測定において測定されるどの信号からも差し引かれるバックグラウンド信号である。第２のステップは，既知かつ好適な周波数非依存磁気感受性を有する材料，例えばＤｙ２Ｏ３などの常磁性材料を含む試料を使用して行われる。較正材料は，センサー系で使用する周波数範囲において周波数非依存感受性を有するように選択するのが好ましい。較正材料の感受性の値は測定した試料と同じ範囲であるのが好ましい。検出コイル内で正しい結合係数を取得するために，較正試料の形状と寸法は測定試料と同じであることが好ましい。測定電圧からバックグラウンドを差し引いた値は，（複素）電圧／感受性伝達因子Ｇ＝Ｘｃａｌ／（Ｖｃａｌ−Ｖｂ）である。
【００７６】
印加された励起場と検出コイルからの磁気応答との間のゲインとフェーズの周波数依存性は，高帯域幅感受性測定器(a high bandwidth susceptometer)の構成において主要な関連事項である。ゲインとフェーズの周波数依存性は高周波数，特に検出コイル又は励磁コイルの共振周波数の近傍で強くなる。ゲインとフェーズは，励起用電子機器及び／又は検出用電子機器の特性によって周波数依存となり得る。測定された試料データは，これらの効果を補正しない場合，特に高周波数では不正になる。
【００７７】
ゲインとフェーズの変位の周波数依存性は，前記の較正と同様の手順によって補正される。違いは，多くの異なる周波数において２つの較正ステップが行われることである。したがって，結果は周波数依存のバックグラウンド（複素）電圧Ｖｂ（ｆ）及び（複素）周波数依存の電圧／感受性伝達因子Ｇ（ｆ）＝Ｘｃａｌ（ｆ）／（Ｖｃａｌ（ｆ）−Ｖｂ（ｆ））である。周波数非依存の基準試料（Ｘｃａｌが定数である試料）を使用すると，補正手順の２番目のステップが単純化される。
【００７８】
本発明はこれらの説明及び図示された実施形態に限定されることなく，添付の特許請求の範囲で規定したとおり，本発明の範囲から逸脱しない範囲で，本発明の教示は多くの方法で変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の一実施形態のコイル系の概要を示す断面図。
【図２ａ】流体力学的半径の増加と粒子の表面の被覆率のグラフ。
【図２ｂ】粒子の一例。
【図３】励起場のパルス列の一例。
【図４】誘導コイル（ＬＨＳ回路）の代表的な回路の図。
【図５】調整可能な外部静電容量を有する検出コイルの等価回路。
【図６】コイルの共振周波数又はその近傍で検出が行われた場合の検出電圧の代表的な増加を示す。
【図７】クラスタリングが行われた場合の代表的な状況の概略図。
【図８ａ】本発明の実施形態の概略図。
【図８ｂ】本発明の実施形態の概略図。
【図９】本発明の検出窓のイメージ。
【図１】
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【図２（ａ）】
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【図２（ｂ）】
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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】
2009534649.tif 000045
【図８（ａ）】
2009534649.tif 000046
【図８（ｂ）】
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【図９】
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【国際調査報告】
2009534649.tif 000049
2009534649.tif 000050
2009534649.tif 000051
2009534649.tif 000052