(57)【要約】本発明はマグネティックバイオセンサ１００のようなマイクロセンサ装置に関する。マイクロセンサ装置は、たとえばサンプルチャンバにおけるマグネティックビードでラベル付けされる分子の濃度といった物理量の測定のためのプローブセンサのアレイ１０．１，１０．２，１０．３を有する。アレイは、プローブセンサの近くに配置され、測定されるべき物理量から遮断されるリファレンスセンサ１０．４を更に有する。リファレンスセンサの測定信号は、温度のような環境の条件の影響を反映し、したがってプローブセンサの測定信号を補正するために使用される。センサは、変動を最小にし、ハードウェアの複雑さを低減するため、マルチプレクサを介して、更なる処理のために同じ検出器ユニットに接続される。
2009508103.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特にバイオセンサ装置である、物理量を決定するマイクロセンサ装置であって、
ａ）物理量を測定する少なくとも１つのプローブセンサと、
ｂ）前記物理量の基準値を測定する少なくとも１つのリファレンスセンサと、
ｃ）前記センサの信号を処理する検出器ユニットと、
ｄ）前記検出器ユニットをセンサに選択的に結合するマルチプレクサと、
を有することを特徴とするマイクロセンサ装置。
【請求項２】
前記プローブセンサと前記リファレンスセンサは、該プローブセンサと該リファレンスセンサとが実質的に同じ環境の条件を受けるように設計される、
ことを特徴とする請求項１記載のマイクロセンサ装置。
【請求項３】
前記プローブセンサと前記リファレンスセンサとの間の空間的な距離は、前記センサの最大の直径の１０倍以下であり、好ましくは２倍以下である、
ことを特徴とする請求項１記載のマイクロセンサ装置。
【請求項４】
前記プローブセンサ及び前記リファレンスセンサは、熱結合される、
ことを特徴とする請求項１記載のマイクロセンサ装置。
【請求項５】
前記マルチプレクサは、該マルチプレクサ内での前記環境の条件が実質的に空間的に一様であるように設計される、
ことを特徴とする請求項１記載のマイクロセンサ装置。
【請求項６】
前記リファレンスセンサは、前記物理量の影響から遮断される、
ことを特徴とする請求項１記載のマイクロセンサ装置。
【請求項７】
前記プローブセンサ及び／前記リファレンスセンサは、電磁場の生成のための回路、及び／又は特にＧＭＲ、ＴＭＲ又はＡＭＲといった、電磁場の検出のための回路を有する、
ことを特徴とする請求項１記載のマイクロセンサ装置。
【請求項８】
前記プローブセンサ及び／又は前記リファレンスセンサは、電磁場の生成のための少なくとも１つのワイヤ、及び電磁場を検出するために特にＧＭＲといった少なくとも１つの磁気抵抗素子とを集積回路に有する、
ことを特徴とする請求項７記載のマイクロセンサ装置。
【請求項９】
前記リファレンスセンサは、レイヤによりカバーされる、
ことを特徴とする請求項１記載のマイクロセンサ装置。
【請求項１０】
前記リファレンスセンサの複素データにより前記プローブセンサの測定の正規化が行われる、
ことを特徴とする請求項１記載のマイクロセンサ装置。
【請求項１１】
物理量を決定する方法であって、
ａ）少なくとも１つのプローブセンサで物理量を測定するステップと、
ｂ）前記プローブセンサと実質的に同じ環境の条件を受けるリファレンスセンサで前記物理量の基準値を測定するステップと、
ｃ）同じ検出器ユニットにより前記プローブセンサの信号と前記リファレンスセンサの信号とを順次に処理するステップと、
ｄ）前記リファレンスセンサの測定に関して前記プローブセンサの測定を評価するステップと、
を有することを特徴とする方法。
【請求項１２】
前記プローブセンサと前記リファレンスセンサは、測定の間に同じパラメータで動作する、
ことを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記プローブセンサの信号と前記リファレンス信号の信号とは、順次に処理される、
ことを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項１４】
マイクロセッサ装置におけるレイヤによりカバーされるリファレンスセンサの使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物理量の決定のためのマイクロセンサ装置に関し、特に、センサのアレイをもつマグネティックバイオセンサに関する。  
さらに、本発明は、かかるマイクロセンサ装置で実行される物理量を決定する方法に関する。  
さらに、本発明は、マイクロセンサ装置におけるリファレンスセンサの使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＷＯ２００５／０１０５４３Ａ１及びＷＯ２００５／０１０５４２Ａ２から、マイクロセンサ装置が知られており、たとえば、マグネティックビームでラベル付けされる生体分子の検出のためにマイクロ流体のバイオセンサで使用される。マイクロセンサ装置には、磁場の生成のためのワイヤ及び磁化されたビードにより発生される浮遊磁場の検出のためのＧＭＲ（Giant  Magneto  Resistance）を有するセンサのアレイが設けられている。かかるマイクロセンサ装置の問題は、効果的な測定のゲインは、センサチップ（ＧＭＲ、磁場生成ワイヤ）及び検出エレクトロニクス（電流源、フィルタコンポーネントの安定性等）における温度及びドリフト効果に対して感度が高いことである。かかる効果は、センサの精度を大きく減少する。さらに、検出エレクトロニクスの複雑さのため、マルチセンサのバイオセンサチップを読み取ることは、多数のハードウェアを必要とする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
この状況に基づいて、本発明の目的は、特にバイオセンサの応用において、よりロバストであって物理量の正確な測定を可能にする、費用対効果の高い手段を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記目的は、請求項１記載のマイクロセンサ装置、請求項１１記載の方法、及び請求項１４記載のマイクロセンサ装置におけるリファレンスセンサの使用により達成される。好適な実施の形態は、従属の請求項で開示される。
【０００５】
本発明の第一の態様によれば、本発明は、（たとえば磁気の場、電気の場、重力の場のうちの）場の強度、（たとえば空間的な位置、方向、速度、又は加速度）ポジショナルパラメータ、温度のような物理量の決定のためのマイクロセンサ装置に関する。マイクロセンサ装置は、特に、流体における物質の濃度のような生物学的又は生化学的に関連する量バイオセンサ装置である。
【０００６】
マイクロセンサ装置は、以下のコンポーネントを有する。ａ）前記物理量を測定する少なくとも１つのプローブセンサ。ｂ）物理量の基準値を測定する少なくとも１つのリファレンスセンサ。プローブセンサにより測定される物理量の値とは対照的に、物理量の基準値は、定義により前もって知られており、たとえば生化学の結合プロセスにより影響されない。ｃ）前記センサ（すなわちプローブセンサ及びリファレンスセンサ）の信号を処理する検出器ユニット。検出器ユニットは、特に、前記信号を増幅、フィルタリング及び／又は変換する。ｄ）検出器ユニットをセンサ（すなわちプローブセンサ及びリファレンスセンサ）に選択的に結合するマルチプレクサ。
【０００７】
なお、上記及び以下では、「プローブセンサ」への引用は、１を超える係るプローブセンサが存在する場合、同じリファレンスセンサに関連する全てのプローブセンサを含むことが意図される。同じことが、表現「リファレンスセンサ」にも準用される。さらに、マイクロセンサ装置は、幾つかのセットを有しており、それぞれのセットは、プローブセンサ、リファレンスセンサ、検出器ユニット及びマルチプレクサを有し、このセットは、互いに独立して機能する。
【０００８】
典型的に、前記アレイに統合される最小数のリファレンスセンサをもつ（数千までの）プローブセンサのアレイを有する。プローブセンサ及びリファレンスセンサは、互いにコピーである、すなわちレイアウト及びデザインにおいて同一であることが好ましい。プローブセンサ及びリファレンスセンサは、かかるように同一である場合がある。このケースでは、プローブセンサとして機能しているとき、それらは未知の物理量を測定し、リファレンスセンサとして機能しているとき、それらは前記物理量の基準値を測定することが保証される。
【０００９】
記載されるマイクロセンサ装置の利点は、物理量の未知の値の直接的な測定と既知の基準値の測定の両者を提供することであり、基準値の測定により、測定の可能性のある乱れに関する結果となる。プローブセンサにより提供される測定信号の評価の間、基準値の測定を考慮することで、結果の精度を著しく改善することができ、環境の状態の変動に対してロバストにすることができる。
【００１０】
好ましくは、プローブセンサ及びリファレンスセンサは、実際に、両方のセンサが実質的に同じ環境の条件（たとえば温度、電場又は磁場）を受けるように設計される。プローブセンサ及びリファレンスセンサにより提供される測定値は、したがって、同じやり方で正確に環境的な条件により影響され、したがってリファレンスセンサの測定を考慮することでプローブセンサへの前記影響を補償することができる。
【００１１】
本発明の好適な実施の形態によれば、プローブセンサとリファレンスセンサとの間の空間的な距離は、これらのセンサの最大の直径（すなわち、プローブセンサ又はリファレンスセンサの境界の２つのポイント間の最大の可能な距離）の１０倍以下であり、好ましくは２倍以下であることが好ましい。
【００１２】
プローブセンサとリファレンスセンサの要求される近さは、（後者はセンサの前記最大の直径よりも大きなスケールで変動するので）これらが本質的に同じ環境の条件を受けることを保証する。
【００１３】
マイクロセンサ装置の別の実施の形態では、プローブセンサ及びリファレンスセンサは、熱結合される。かかる熱結合は、たとえば、同じキャリアへの両方のセンサのアタッチメントにより、及び／又（たとえば金属といった）高い熱伝導率の物質でそれらをリンクさせることで達成される。センサのしっかりした熱結合は、それらが常に実質的に同じ温度であることを保証するものであり、温度は、（電気的な）測定に影響を及ぼし、乱れを与える最も重要な環境上の条件のうちの１つである。
【００１４】
マイクロセンサ装置のマルチプレクサは、環境の条件がその内部で実質的に空間的に一様であるようなやり方で設計されることが好ましい。かかる環境の条件の均質性は、所定のセンサとの組み合わせでのみアクティブであるマルチプレクサの異なるハードウェアコンポーネントが、環境の条件により同じやり方で影響されることを保証する。したがって、プローブセンサの測定とリファレンスセンサの測定との間の区別は、読取り経路における違いのために生じない。
【００１５】
リファレンスセンサが物理量の既知の基準値を測定することを保証する幾つかの異なる方法が存在する。好適な実施の形態によれば、リファレンスセンサは、物理量の影響から遮蔽され、すなわち、この物理量の基準値はゼロである。物理量がたとえばサンプルチャンバにおけるサンプルにより生成される場合、リファレンスセンサは、前記チャンバから十分に遠くに配置されるか、物理量の到達から外れるように不透水性の物質の背後に配置される。
【００１６】
既に上述されたように、マイクロセンサ装置は、関心のある物理量を決定するために設計される。好適な実施の形態では、プローブセンサ及び／又はリファレンスセンサは、電磁場の生成のための回路を有する（この用語は、純粋な磁場及び純粋な電場をも含む）。更に、又は代替的に、前記センサは、特に、ＧＭＲ又はＴＭＲ（Tunnel  Magneto  Resistance）又はＡＭＲ（Anisotropic  Magneto  Resistance）といった電磁場の検出のための回路を有する場合がある。電磁場の生成又は検出のための両方の回路が提供された場合、マイクロセンサ装置は、特に上述された種類のバイオセンサの応用になりやすい。
【００１７】
本発明の別の例では、リファレンスセンサはレイヤによりカバーされる。これにより、リファレンスセンサは、リファレンスセンサが物理量に晒されることなしに、プローブセンサの近くにある。物理量はリファレンスセンサの表面に到達しないので、リファレンスセンサは、物理量による影響に晒されない。これにより、リファレンスセンサは、高い信頼性と良好な特性を達成する。
【００１８】
本発明は、さらに、以下のステップを含む物理量の決定のための方法に関する。ａ）少なくとも１つのプローブセンサで物理量を測定するステップ。ｂ）プローブセンサと同じ環境上の条件を実質的に受けやすいリファレンスセンサによる物理量の基準値を測定するステップ。ｃ）同じ検出器ユニットにより順次にプローブセンサとリファレンスセンサの信号を処理するステップ。ｄ）リファレンスセンサの測定に関してプローブセンサの測定を評価するステップ。
【００１９】
ステップｄ）における評価は、たとえば、リファレンスセンサの値によりプローブセンサの測定を正規化するステップを含む場合がある。これは、複素信号により行われることが好ましい。プローブセンサ及びリファレンスセンサの両者は同じ環境の条件を受けるので、それらの測定は、同じやり方で乱され、環境の条件の影響は、正規化の間の実質的にキャンセルされる。
【００２０】
本方法の好適な実施の形態によれば、プローブセンサ及びリファレンスセンサは、測定の間に類似のパラメータで動作される。前記パラメータは、たとえば、測定のために必要とされる時間、測定の間の消散されるエネルギー、印加電流及び／又は電圧、センサでの温度等を含む。同じパラメータによる動作により、測定の条件は両方の種類のセンサについて同じであり、測定された値に異なる影響を有さないことを更に保証する。
【００２１】
好ましくは、プローブセンサの信号とリファレンスセンサの信号は、互いに即座に処理され、すなわち適用されるハードウェアにより許容されるのと同様に処理される。測定の迅速な連続により、環境の条件がしばらくの間に大幅に変化するのを防止する。
【００２２】
さらに、本発明は、マイクロセンサ装置におけるレイヤによりカバーされるリファレンスセンサの使用に関する。  
１つの例では、リファレンスセンサには、複素信号が供給され、すなわち信号処理は複素データで行われる。これにより、処理のロバスト性が改善される。リファレンスセンサにより達成される補償された信号は、式
【数１】
2009508103.tif 000003
により与えられ、ここで
【数２】
2009508103.tif 000004
はビードベクトル、すなわちマイクロセンサ装置により検出されるべき流体における磁粉（magnetic  particles）のベクトルを示す。
【００２３】
本発明のこれらの態様及び他の態様は、以下に記載される実施の形態を参照して明らかにされる。これらの実施の形態は、添付図面により例示を通して記載される。図面における同じ参照符号は、同一又は類似のコンポーネントを示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
磁気抵抗バイオチップ（magneto-resistive  biochip）は、感度、特異性、インテグレーション、使用の容易さ、及びコストに観点で、生体分子診断（bio-molecular  diagnostics）について有望な特性を有する。かかるバイオチップの例は、たとえば、ＷＯ２００３／０５４５６６，ＷＯ２００３／０５４５２３，ＷＯ２００５／０１０５４２Ａ２，ＷＯ２００５／０１０５４３Ａ１又はＲｉｆｅ等（Sens.Act.A  Vol.107,  p.209(2003)）に記載されており、引用により本出願に盛り込まれる。
【００２５】
図１は、スーパーパラマグネティックビード（super  para  magnetic  bead）２の検出のための単一のセンサ１０の原理を示す。（たとえば１００の）センサ１０からなるアレイあら構成されたバイオセンサは、液体（たとえば血液又は唾液）における多数の異なる生体のターゲット分子１（たとえば、プロテイン、ＤＮＡ、アミノ酸）の濃度を同時に測定するために使用される。結合スキームの１つの可能性のある例、いわゆる「サンドイッチ分析“sandwich  assay”」では、これは、ターゲット分子１が結合する第一の抗体をもつ結合表面１４を提供することで達成される。第二の抗体を保持するスーパーパラマグネティックビード２は、結合されたターゲット分子１に付着する場合がある。センサ１０のワイヤ１１及び１３に流れる電流は、磁場Ｂを生成し、この磁場は、スーパーパラマグネティックビード２を磁化する。スーパーパラマグネティックビード２からの浮遊磁場Ｂ’は、センサ１０のＧＭＲ１２におけるインプレーンの磁化成分を導入し、これにより、測定可能な抵抗の変化となる。
【００２６】
図２は、本発明に係るマグネティックバイオセンサのそれぞれのセンサ１０について提供される検出エレクトロニクス２０のレイアウトを概念的に示す。励磁電流源２２ａ，２２ｂは、センサ１０のワイヤ１１，１３にフィルタ２５ａ，２５ｂを介して接続される。同様に、感知電流源２１は、センサ１０のＧＭＲ１２にフィルタ２４を介して接続される。更なるフィルタ２７、増幅器２８、並びに、検出及びＡ／Ｄ変換ユニット２９は、測定信号の処理及び変換のために、ＧＭＲ１２に接続される。処理されたデータは、次いで、更なる処理のために（たとえばＵＳＢのような標準インタフェースを介してエレクトロニクス２０に結合されるパーソナルコンピュータといった）バックエンドプロセッサ３０に送出される。図示されるレイアウトの問題は、幾つかの影響がバイオセンサシステムの検出ゲインを変え、測定の精度を低下させることである。
１．検出ハードウェアは、複雑であり、コポーネント、電圧源等における温度の作用によるゲインの不安定性に苦しむ。
２．バイオセンサチップのＧＭＲ１２及び磁場生成ワイヤ１１，１３の抵抗は、温度に対して感度がよく、これにより、電流が変化し、したがって、特に非理想的な電流駆動では、全体の検出ゲインが変化する。ＧＭＲの典型的な値は０．２％／℃である。
３．ＧＭＲセンサの感度は、温度に依存する（典型的な値：−０．２４％／℃）。
４．ＧＭＲの感度は、外部の磁場により影響される。
【００２７】
本実施の形態で提案されるソリューションは、バイオセンサシステムについて相関付けされるとき、前記誤りのソースが抑圧されるという認識に基づいている。したがって、バイオセンサチップ及び検出ハードウェアにおける相関付けされるゲインの変動を安定化することを第一の目的とする。第二の目的は、バイオセンサチップでマルチセンサを測定するとき、ハードウェアの複雑さを削減することである。
【００２８】
上述されたコンセプトを実現するバイオセンサは、実際の生化学的な測定を実行するための少なくとも１つのリファレンスセンサ及び少なくとも１つのプローブセンサを有しており、前記センサは、多重化手段を介して、信号を検出可能な検出手段に結合される。検出されたリファレンスセンサ信号によりそれぞれのプローブセンサからの検出された信号を正規化することで、（検出ハードウェアを含む）バイオセンサシステムの効果的なゲインが安定化される。明らかに、測定は、温度及びドリフト変動に追従するために十分に高速に実行される。正規化は、複素信号を使用して行われる。
【００２９】
図３は、かかるマルチセンサバイオセンサチップ１００の感知表面を概念的に示し、このチップは、（固定された）磁気ビードの検出のための３つの共通のプローブセンサ１０．１，１０．２及び１０．３、並びに１つのリファレンスセンサ１０．４を有する。センサは、設計の観点で同一であり、図１に示されるような少なくとも１つのＧＭＲ及び少なくとも１つの磁場生成ワイヤを有する。リファレンスセンサ１０．４は、メカニカルなシールドによるか、抗体が表面に存在するのをシンプルに回避することで、磁気ビードに対して無感覚にし、ビードがその表面で固定されないようにする。
【００３０】
図４は、バイオセンサチップ１０のレイアウトを概念的に示し、図２におけるのと同じコンポーネントは、１００だけ増加される同じ参照符号を有する。励起電流源１２２及びフィルタ１２５は、ワイヤ１１．１，１３．１，１１．２，１３．２，．．．，１１．Ｎ，及び１３．Ｎのうちの何れか１つに選択的に結合される（Ｎは検出ユニットに関連されるセンサ数であり、すなわち図３についてＮ＝４である）。ソース１２２に結合されるワイヤの選択は、（ＦＥＴスイッチにより図４で示される）アナログスイッチ１２６．１，１２６．２Ｎにより実行される。同様に、感知電流源１２１及びフィルタ１２４は、関連されるアナログスイッチ１２３．１，１２３．ＮによりＧＭＲ１２．１，．．．１２．Ｎのうちの１つに選択的に結合される。測定された信号は、１つのフィルタ１２７，１つの増幅器１２８，並びに１つの検出及びＡ／Ｄコンバージョンユニット１２９を介して、ＰＣ１３０に送出される。
【００３１】
アナログスイッチ１２３．１，．．．１２３．Ｎ，１２６．１，．．．１２６．Ｎを介して、ワイヤ１１．ｉ，１３．ｉ及びＧＭＲ１２．ｉにより形成されるセンサは、連続して作動され、測定が行われる。前記スイッチから信号経路への雑音の注入を防止するための措置が行われる。バックエンド信号処理において、それぞれのプローブセンサｉにおける信号ｕiは、たとえば以下の式に従って、リファレンスセンサ信号ｕrefにより正規化される。
【００３２】
【数３】
2009508103.tif 000005
ここでｕref,t=0は、実際の測定前のリファレンスセンサ信号である。明らかに、固定されていないビードは、測定前に表面から除かれない。
【００３３】
記載されるアプローチは、（１）センサチップ及び検出エレクトロニクスにおける相関付けされたゲインの変化（たとえば温度作用及び外部の磁場）を補償し、及び（２）チップ上のマルチセンサを測定するときに電気的な複雑さを制限する。
【００３４】
理想的に、全てのセンサは、測定されるときに同じ温度にある。したがって、全てのセンサは、大いに熱結合される必要がある。しかし、これは、前記全てのセンサが同じバイオセンサのダイで互いに近くに位置され、同じ液体に晒されるため、深刻な問題ではない。
【００３５】
更に高い精度を達成するため、それぞれのセンサは、たとえばそれぞれのセンサについて同じ測定時間を使用することで、同じエネルギー（電力）が消散されるように動作することが好ましい。代替的に、それぞれのセンサは、その特定のセンサのそれぞれの測定の間に一定である、特定の温度にある。
【００３６】
多重化手段の間の変動も回避される必要がある。ここで、センサについてと同じ手段が講じられる必要があり、すなわち個々のハードウェアコンポーネントの同一の設計といった（特にスイッチ１２３．１〜１２３．Ｎ）が講じられる必要があり、センサのそれぞれの測定の間に同じ温度を維持する必要がある。
【００３７】
図５は、例として磁気検出のためのマイクロセンサ装置１００又はバイオセンサの一部の概念的な断面図を示す。マイクロセンサ装置１００は、多数のプローブセンサ１０．１，１０．２，１０．３を有し、このセンサから、１つのプローブセンサ１０．１が図５に示される。プローブセンサ１０．１の近くで、リファレンスセンサ１０．４は、マイクロセンサ装置１００に搭載される。先に記載に寄れば、電流はプローブセンサ１０．１のワイヤ１１及び１３を通して、及びリファレンスセンサ１０．４を通して流れ、磁場Ｂを発生し、この磁場は、スーパーパラマグネティックビード２を磁化する。スーパーパラマグネティックビード２の浮遊磁場Ｂ’は、センサ１０．１及び１０．４のＧＭＲ１２におけるインプレーンの磁化成分を導入し、これにより、測定可能な抵抗の変化となる。リファレンスセンサ１０．４は、異なる物質を有するレイヤ１５によりカバーされる。１つの例では、レイヤ１５は、一般に使用されるフォトレジストである物質ＳＵ８からなる。たとえば、レイヤ１５は、３０μｍの厚さを有する。ＳＵ８からのこのレイヤ１５の適用は、リファレンスセンサ１０．４が、プローブセンサ１０．１と同様に、分析される物質が位置される流体のチャンバに位置され、この場合、同じ流体の流れに晒され、したがって温度変動に等しく晒されるという利点を更に有する。たとえばサンプルの流体の注入の結果として、温度変動に対するリファレンスセンサ１０．４の応答は、プローブセンサ１０．１のそれに匹敵する。別の利点は、プローブセンサ１０．１及びリファレンスセ．１及びリファレンスセンサ．１０４は互いに近くにあり、信号における乱れに繋がる同じ外部磁場に晒されることである。リファレンスセンサ１０．４は、リファレンスセンサ１０．４の表面から約３０μｍまでビードに対して感度が高いので、たとえば３０μｍのリファレンスセンサ１０．４をカバーするＳＵ８レイヤ１５の高さは、ビードがリファレンスセンサ１０．４の感知領域に到達するのを防止するのに十分である。リファレンスセンサ１０．４の表面から離れた３０μｍよりも遠いビードは、リファレンスセンサ１０．４の信号に寄与しない。既に述べたように、記載されたプローブセンサ１０．１及びリファレンスセンサ１０．４は、バイオセンサチップのような単一の電子的なチップで実現される。
【００３８】
図６は、（ａ）で示される、リファレンスセンサ１０．４の適用がないセンサ信号の１つの曲線である、（ｂ）で示される、マイクロセンサ装置１００におけるリファレンスセンサの適用によるセンサ信号の１つの曲線である。ｘ軸で示されるのは、時間であり、ｙ軸に示されるのは、正規化された信号である。図６は、先に記載された補償スキームが環境の変動に対するマイクロセンサ装置１００の検出プラットフォームの感度をどのように低減させるかを示す。これらの曲線（ａ），（ｂ）は、温度が不安定な状況、及び磁化されたビードがない場合における、プローブセンサ１０．１の信号を示す。この状況では、生成され図示される信号は、時間につれて変化するべきではなく、ｘ軸でのポイント１での一定の信号が理想である。分かるように、補償された信号（ｂ）の主に下にある補償されていないプローブセンサ信号（ａ）は、温度変動により著しく変化し、大部分の時間でｘ軸でのポイント１で理想的な曲線から離れる。プローブセンサ１０．１の信号がリファレンスセンサ１０．４から得られる信号を使用して補償される場合、変動は大いに低減され、これは信号（ｂ）により示される。補償されていない信号（ａ）の主に上にある補償された信号（ｂ）は、信号（ａ）よりも非常に弱い変動を有し、全体のレンジにわたり信号（ａ）よりもｘ軸のポイント１に沿って理想的な信号の波形に近く連続して形成される。
【００３９】
図７は、マイクロセンサ装置１００のロバスト性をエンハンスする複素信号処理のベクトルの例示を示す。水平軸では、複素信号の実部がプロットされ、Ｒｅで示され、垂直軸では、複素信号の虚部がプロットされ、Ｉｍで示される。図７では、角度ψはリファレンスベクトル７００、リファレンスセンサ．１０４のベクトル、及び全体の測定可能な信号Ａ0の間で導出され、角度θは、リファレンスベクトル７００と全体の測定可能な信号Ａtとの間で導出され、角度σは、リファレンスベクトル７００とマグネティッククロストークベクトルＡrの間で導出される。マイクロセンサ装置１００の幾何学的な形状に固有の容量性及び誘導性のクロストークは、励起周波数に等しい周波数により、たとえばＧＭＲ１２といった電磁場の検出のための回路を流れる電流を生じる。さらに、印加される感知電流は、ＧＭＲ１２における内部の磁場を生じ、感知電流の周波数での自己バイアスを生じる。それらの積によって、これらの周波数の差Δｆでの信号を生じ、そのうち、位相は情報搬送信号に関して９０°シフトされる。この信号の振幅は、ｕ＝ｊωαβｓＩexＩsであり、αは、印加される励起電流Ｉexに対するクロストーク電流Ｉcの商Ｉc／Ｉexに等しい。さらに、先の式において、βは自己バイアスファクタＨ／ＩGMRであり、すなわちＧＭＲ１２を流れる電流により誘導されるＧＭＲ１２の感知レイヤにおける磁場強度であり、ｓはΔＲ／ΔＨに等しいＧＭＲ１２の感度を示す。
【００４０】
図７では、ベクトルＡ0は、マグネティックビード２が存在しない場合における周波数Δｆでの全体の測定可能な信号を示す。ベクトルＡrは、ワイヤを流れる励起電流により誘導される磁場へのＧＭＲ１２の応答となる、電流ワイヤとＧＭＲ１２との固有のミスアラインメントによる磁気クロストークベクトルを示す。これは、式ｕ＝γｓＩexＩsにより示され、ここでγは、Ｈex／Ｉexに等しいワイヤを流れる電流により誘導されるＧＭＲ１２の感知レイヤにおける磁場強度に等しい。全体の磁気ベクトルは、参照符号５００により示される。これは、式ｕ＝（γ＋εＢ）ｓＩexＩsにより与えられるビードベクトルに追加される磁気クロストークベクトルＡrであり、ここでεは、Ｈb／（ＢＩex）により与えられるセンサ１０の表面で磁化されたビード２により誘導されるＧＭＲ１２の感知レイヤにおける磁場強度に等しく、Ｂはセンサ１０の表面でのビード２の密度である。想定される一様なビームの分布が表面に存在する。図７における参照符号７００は、式ｕ＝εＢｓＩexＩsにより与えられる情報搬送信号であるビードベクトルを示す。この文脈での情報搬送信号は、流体におけるビード２の量、及び結果的にビード２に結合されるターゲット分子１の量を特徴付ける信号を意味する。
【００４１】
上述される信号の補償により達成される信号は、図７におけるベクトル６００により与えられる。この信号は、式
【数４】
2009508103.tif 000006
により表現され、ここで、
【数５】
2009508103.tif 000007
は、ビードベクトル、すなわち流体における磁粉のベクトルを示し、その絶対値は、
【数６】
2009508103.tif 000008
であり、これはεＢｓＩexＩsに等しい。項Ａrは、磁気クロストークベクトルであり、先に与えられた式において時間的に可変である。
【００４２】
最後に、本出願において、用語「有する“comprising”」は、他のエレメント又はステップを排除するものではなく、単一のプロセッサ又は他のユニットが幾つかの手段の機能を果たす場合がある。本発明は、それぞれ新たな特徴及び特徴の組み合わせにある。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】磁気バイオセンサの測定原理を例示する図である。
【図２】本発明に係るバイオセンサ装置のレイアウトを示す図である。
【図３】本発明に係るバイオセンサ装置におけるプローブセンサとリファレンスセンサのアレンジメントを示す図である。
【図４】本発明に係るバイオセンサ装置のレイアウトを示す図である。
【図５】プローブセンサとリファレンスセンサによるバイオセンサの一部の断面図である。
【図６】リファレンスセンサの印加がないセンサ信号の１つの曲線、及び、マイクロセンサ装置におけるリファレンスセンサの印加によるセンサ信号の１つの曲線を示す図である。
【図７】マイクロセンサ装置のロバスト性をエンハンスするための複素信号処理のベクトルの例示を示す図である。
【図１】
2009508103.tif 000009
【図２】
2009508103.tif 000010
【図３】
2009508103.tif 000011
【図４】
2009508103.tif 000012
【図５】
2009508103.tif 000013
【図６】
2009508103.tif 000014
【図７】
2009508103.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成20年5月23日(2008.5.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特にバイオセンサ装置である、物理量を決定するマイクロセンサ装置であって、
ａ）プローブセンサが電磁場を生成する回路を含む、物理量を測定する少なくとも１つのプローブセンサと、
ｂ）リファレンスセンサが電磁場を生成する回路を含む、前記物理量の基準値を測定する少なくとも１つのリファレンスセンサと、
ｃ）前記センサの信号を順次に処理し、電磁場を生成する前記回路にエネルギーを供給する検出器ユニットと、
ｄ）前記検出器ユニットを個々のセンサに選択的に結合するマルチプレクサと、
ｅ）前記リファレンスセンサの測定に関して前記プローブセンサの測定を定量的に評価する評価ユニットと、
を有することを特徴とするマイクロセンサ装置。
【請求項２】
前記プローブセンサと前記リファレンスセンサは、該プローブセンサと該リファレンスセンサとが実質的に同じ環境の条件を受けるように設計される、
ことを特徴とする請求項１記載のマイクロセンサ装置。
【請求項３】
前記プローブセンサと前記リファレンスセンサとの間の空間的な距離は、前記センサの最大の直径の１０倍以下であり、好ましくは２倍以下である、
ことを特徴とする請求項１記載のマイクロセンサ装置。
【請求項４】
前記プローブセンサ及び前記リファレンスセンサは、熱結合される、
ことを特徴とする請求項１記載のマイクロセンサ装置。
【請求項５】
前記マルチプレクサは、該マルチプレクサ内での前記環境の条件が実質的に空間的に一様であるように設計される、
ことを特徴とする請求項１記載のマイクロセンサ装置。
【請求項６】
前記リファレンスセンサは、前記物理量の影響から遮断される、
ことを特徴とする請求項１記載のマイクロセンサ装置。
【請求項７】
前記プローブセンサ及び／前記リファレンスセンサは、特にＧＭＲ、ＴＭＲ又はＡＭＲといった、電磁場の検出のための回路を有する、
ことを特徴とする請求項１記載のマイクロセンサ装置。
【請求項８】
前記プローブセンサ及び／又は前記リファレンスセンサは、電磁場の生成のための少なくとも１つのワイヤ、及び電磁場を検出するために特にＧＭＲといった少なくとも１つの磁気抵抗素子とを集積回路に有する、
ことを特徴とする請求項７記載のマイクロセンサ装置。
【請求項９】
前記リファレンスセンサは、レイヤによりカバーされる、
ことを特徴とする請求項１記載のマイクロセンサ装置。
【請求項１０】
前記リファレンスセンサの複素データにより前記プローブセンサの測定の正規化が行われる、
ことを特徴とする請求項１記載のマイクロセンサ装置。
【請求項１１】
物理量を決定する方法であって、
ａ）少なくとも１つのプローブセンサで物理量を測定するステップと、前記プローブセンサは電磁場を生成する回路を含み、
ｂ）前記プローブセンサと実質的に同じ環境の条件を受けるリファレンスセンサで前記物理量の基準値を測定するステップと、前記リファレンスセンサは電磁場を生成する回路を含み、
ｃ）同じ検出器ユニットにより前記プローブセンサの信号と前記リファレンスセンサの信号とを順次に処理し、電磁場を生成する前記回路にエネルギーを供給するステップと、
ｄ）前記リファレンスセンサの測定に関して定量的に前記プローブセンサの測定を評価するステップと、
を有することを特徴とする方法。
【請求項１２】
前記プローブセンサと前記リファレンスセンサは、測定の間に同じパラメータで動作する、
ことを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記プローブセンサの信号と前記リファレンス信号の信号とは、順次に処理される、
ことを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項１４】
マイクロセッサ装置におけるレイヤによりカバーされるリファレンスセンサの使用。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物理量の決定のためのマイクロセンサ装置に関し、特に、センサのアレイをもつマグネティックバイオセンサに関する。  
さらに、本発明は、かかるマイクロセンサ装置で実行される物理量を決定する方法に関する。  
さらに、本発明は、マイクロセンサ装置におけるリファレンスセンサの使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＵＳ５９８１２９７号は、液体におけるターゲット分子を検出する装置を開示しており、この装置は、結合サイトでコートされていない基準領域の下に位置されるか、又はターゲット分子の結合サイトでコートされている信号検出領域の下に位置される磁気抵抗素子のアレイを有する。この装置の１実施の形態では、基準及び信号磁気抵抗素子は、ホイートストーンブリッジで結合される。この装置の別の実施の形態では、基準及び信号検出領域において磁場を発生するメタルラインが設けられる。
【０００３】
ＵＳ２００２／００６５６５Ａ１は、ホイートストーンブリッジで結合される４つのＧＭＲ抵抗を有する磁場検出システムに関し、これら抵抗のうちの２つは、磁気的にインタラクティブなターゲット分子の存在により影響されることはなく、したがって基準としての役割を果たす。
【０００４】
ＥＰ１４６９３１１Ａ１は、アレイの行及び列に沿って走るラインによりアドレスされるホール素子のアレイにより単一の磁気分子の存在を検出するバイオセンサに関する。したがって、磁気分子について分子受容体をもつホール素子からの信号、又は分子受容体をもたないホール素子からの信号は、磁気分子が受容体をもつホール素子を超えるか、受容体をもたないホール素子を超えるかを判定するのを可能にするために比較される。
【０００５】
ＷＯ２００５／０１０５４３Ａ１及びＷＯ２００５／０１０５４２Ａ２から、マイクロセンサ装置が知られており、たとえば、マグネティックビームでラベル付けされる生体分子の検出のためにマイクロ流体のバイオセンサで使用される。マイクロセンサ装置には、磁場の生成のためのワイヤ及び磁化されたビードにより発生される浮遊磁場の検出のためのＧＭＲ（Giant  Magneto  Resistance）を有するセンサのアレイが設けられている。かかるマイクロセンサ装置の問題は、効果的な測定のゲインは、センサチップ（ＧＭＲ、磁場生成ワイヤ）及び検出エレクトロニクス（電流源、フィルタコンポーネントの安定性等）における温度及びドリフト効果に対して感度が高いことである。かかる効果は、センサの精度を大きく減少する。さらに、検出エレクトロニクスの複雑さのため、マルチセンサのバイオセンサチップを読み取ることは、多数のハードウェアを必要とする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この状況に基づいて、本発明の目的は、特にバイオセンサの応用において、よりロバストであって物理量の正確な測定を可能にする、費用対効果の高い手段を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的は、請求項１記載のマイクロセンサ装置、請求項１１記載の方法、及び請求項１４記載のマイクロセンサ装置におけるリファレンスセンサの使用により達成される。好適な実施の形態は、従属の請求項で開示される。
【０００８】
本発明の第一の態様によれば、本発明は、（たとえば磁気の場、電気の場、重力の場のうちの）場の強度、（たとえば空間的な位置、方向、速度、又は加速度）ポジショナルパラメータ、温度のような物理量の決定のためのマイクロセンサ装置に関する。マイクロセンサ装置は、特に、流体における物質の濃度のような生物学的又は生化学的に関連する量バイオセンサ装置である。
【０００９】
マイクロセンサ装置は、以下のコンポーネントを有する。ａ）前記物理量を測定する少なくとも１つのプローブセンサ。プローブセンサは、電磁場を生成する回路を含む。ｂ）物理量の基準値を測定する少なくとも１つのリファレンスセンサ。リファレンスセンサは電磁場を生成する回路を含む。プローブセンサにより測定される物理量の値とは対照的に、物理量の基準値は、定義により前もって知られており、たとえば生化学の結合プロセスにより影響されない。ｃ）前記センサ（すなわちプローブセンサ及びリファレンスセンサ）の信号を順次に処理し、電磁場を生成する前記回路にエネルギーを供給する検出器ユニット。検出器ユニットは、特に、前記信号を増幅、フィルタリング及び／又は変換する。ｄ）検出器ユニットを個々のセンサ（すなわちプローブセンサ及びリファレンスセンサ）に選択的に結合するマルチプレクサ。ｅ）前記リファレンスセンサの測定に関して前記プローブセンサの測定を定量的に評価する評価ユニット。
【００１０】
なお、上記及び以下では、「プローブセンサ」への引用は、１を超える係るプローブセンサが存在する場合、同じリファレンスセンサに関連する全てのプローブセンサを含むことが意図される。同じことが、表現「リファレンスセンサ」にも準用される。さらに、マイクロセンサ装置は、幾つかのセットを有しており、それぞれのセットは、プローブセンサ、リファレンスセンサ、検出器ユニット及びマルチプレクサを有し、このセットは、互いに独立して機能する。
【００１１】
典型的に、前記アレイに統合される最小数のリファレンスセンサをもつ（数千までの）プローブセンサのアレイを有する。プローブセンサ及びリファレンスセンサは、互いにコピーである、すなわちレイアウト及びデザインにおいて同一であることが好ましい。プローブセンサ及びリファレンスセンサは、かかるように同一である場合がある。このケースでは、プローブセンサとして機能しているとき、それらは未知の物理量を測定し、リファレンスセンサとして機能しているとき、それらは前記物理量の基準値を測定することが保証される。
【００１２】
記載されるマイクロセンサ装置の利点は、物理量の未知の値の直接的な測定と既知の基準値の測定の両者を提供することであり、基準値の測定により、測定の可能性のある乱れに関する結果となる。プローブセンサにより提供される測定信号の評価の間、基準値の測定を考慮することで、結果の精度を著しく改善することができ、環境の状態の変動に対してロバストにすることができる。
【００１３】
好ましくは、プローブセンサ及びリファレンスセンサは、実際に、両方のセンサが実質的に同じ環境の条件（たとえば温度、電場又は磁場）を受けるように設計される。プローブセンサ及びリファレンスセンサにより提供される測定値は、したがって、同じやり方で正確に環境的な条件により影響され、したがってリファレンスセンサの測定を考慮することでプローブセンサへの前記影響を補償することができる。
【００１４】
本発明の好適な実施の形態によれば、プローブセンサとリファレンスセンサとの間の空間的な距離は、これらのセンサの最大の直径（すなわち、プローブセンサ又はリファレンスセンサの境界の２つのポイント間の最大の可能な距離）の１０倍以下であり、好ましくは２倍以下であることが好ましい。
【００１５】
プローブセンサとリファレンスセンサの要求される近さは、（後者はセンサの前記最大の直径よりも大きなスケールで変動するので）これらが本質的に同じ環境の条件を受けることを保証する。
【００１６】
マイクロセンサ装置の別の実施の形態では、プローブセンサ及びリファレンスセンサは、熱結合される。かかる熱結合は、たとえば、同じキャリアへの両方のセンサのアタッチメントにより、及び／又（たとえば金属といった）高い熱伝導率の物質でそれらをリンクさせることで達成される。センサのしっかりした熱結合は、それらが常に実質的に同じ温度であることを保証するものであり、温度は、（電気的な）測定に影響を及ぼし、乱れを与える最も重要な環境上の条件のうちの１つである。
【００１７】
マイクロセンサ装置のマルチプレクサは、環境の条件がその内部で実質的に空間的に一様であるようなやり方で設計されることが好ましい。かかる環境の条件の均質性は、所定のセンサとの組み合わせでのみアクティブであるマルチプレクサの異なるハードウェアコンポーネントが、環境の条件により同じやり方で影響されることを保証する。したがって、プローブセンサの測定とリファレンスセンサの測定との間の区別は、読取り経路における違いのために生じない。
【００１８】
リファレンスセンサが物理量の既知の基準値を測定することを保証する幾つかの異なる方法が存在する。好適な実施の形態によれば、リファレンスセンサは、物理量の影響から遮蔽され、すなわち、この物理量の基準値はゼロである。物理量がたとえばサンプルチャンバにおけるサンプルにより生成される場合、リファレンスセンサは、前記チャンバから十分に遠くに配置されるか、物理量の到達から外れるように不透水性の物質の背後に配置される。
【００１９】
既に上述されたように、マイクロセンサ装置は、関心のある物理量を決定するために設計される。プローブセンサ及び／又はリファレンスセンサは、電磁場の生成のための回路を有する（この用語は、純粋な磁場及び純粋な電場をも含む）。更に、前記センサは、特に、ＧＭＲ又はＴＭＲ（Tunnel  Magneto  Resistance）又はＡＭＲ（Anisotropic  Magneto  Resistance）といった電磁場の検出のための回路を有する場合がある。電磁場の生成又は検出のための両方の回路が提供された場合、マイクロセンサ装置は、特に上述された種類のバイオセンサの応用になりやすい。
【００２０】
本発明の別の例では、リファレンスセンサはレイヤによりカバーされる。これにより、リファレンスセンサは、リファレンスセンサが物理量に晒されることなしに、プローブセンサの近くにある。物理量はリファレンスセンサの表面に到達しないので、リファレンスセンサは、物理量による影響に晒されない。これにより、リファレンスセンサは、高い信頼性と良好な特性を達成する。
【００２１】
本発明は、さらに、以下のステップを含む物理量の決定のための方法に関する。ａ）少なくとも１つのプローブセンサで物理量を測定するステップ。プローブセンサは電磁場を生成する回路を含む。ｂ）プローブセンサと同じ環境上の条件を実質的に受けやすいリファレンスセンサによる物理量の基準値を測定するステップ。前記リファレンスセンサは電磁場を生成する回路を含む。ｃ）同じ検出器ユニットにより順次にプローブセンサとリファレンスセンサの信号を処理し、電磁場を生成する前記回路にエネルギーを供給するステップ。ｄ）リファレンスセンサの測定に関して定量的にプローブセンサの測定を評価するステップ。
【００２２】
ステップｄ）における評価は、たとえば、リファレンスセンサの値によりプローブセンサの測定を正規化するステップを含む場合がある。これは、複素信号により行われることが好ましい。プローブセンサ及びリファレンスセンサの両者は同じ環境の条件を受けるので、それらの測定は、同じやり方で乱され、環境の条件の影響は、正規化の間の実質的にキャンセルされる。
【００２３】
本方法の好適な実施の形態によれば、プローブセンサ及びリファレンスセンサは、測定の間に類似のパラメータで動作される。前記パラメータは、たとえば、測定のために必要とされる時間、測定の間の消散されるエネルギー、印加電流及び／又は電圧、センサでの温度等を含む。同じパラメータによる動作により、測定の条件は両方の種類のセンサについて同じであり、測定された値に異なる影響を有さないことを更に保証する。
【００２４】
好ましくは、プローブセンサの信号とリファレンスセンサの信号は、互いに即座に処理され、すなわち適用されるハードウェアにより許容されるのと同様に処理される。測定の迅速な連続により、環境の条件がしばらくの間に大幅に変化するのを防止する。
【００２５】
さらに、本発明は、マイクロセンサ装置におけるレイヤによりカバーされるリファレンスセンサの使用に関する。  
１つの例では、リファレンスセンサには、複素信号が供給され、すなわち信号処理は複素データで行われる。これにより、処理のロバスト性が改善される。リファレンスセンサにより達成される補償された信号は、式
【数１】
2009508103.tif 000016
により与えられ、ここで
【数２】
2009508103.tif 000017
はビードベクトル、すなわちマイクロセンサ装置により検出されるべき流体における磁粉（magnetic  particles）のベクトルを示す。
【００２６】
本発明のこれらの態様及び他の態様は、以下に記載される実施の形態を参照して明らかにされる。これらの実施の形態は、添付図面により例示を通して記載される。図面における同じ参照符号は、同一又は類似のコンポーネントを示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
磁気抵抗バイオチップ（magneto-resistive  biochip）は、感度、特異性、インテグレーション、使用の容易さ、及びコストに観点で、生体分子診断（bio-molecular  diagnostics）について有望な特性を有する。かかるバイオチップの例は、たとえば、ＷＯ２００３／０５４５６６，ＷＯ２００３／０５４５２３，ＷＯ２００５／０１０５４２Ａ２，ＷＯ２００５／０１０５４３Ａ１又はＲｉｆｅ等（Sens.Act.A  Vol.107,  p.209(2003)）に記載されており、引用により本出願に盛り込まれる。
【００２８】
図１は、スーパーパラマグネティックビード（super  para  magnetic  bead）２の検出のための単一のセンサ１０の原理を示す。（たとえば１００の）センサ１０からなるアレイあら構成されたバイオセンサは、液体（たとえば血液又は唾液）における多数の異なる生体のターゲット分子１（たとえば、プロテイン、ＤＮＡ、アミノ酸）の濃度を同時に測定するために使用される。結合スキームの１つの可能性のある例、いわゆる「サンドイッチ分析“sandwich  assay”」では、これは、ターゲット分子１が結合する第一の抗体をもつ結合表面１４を提供することで達成される。第二の抗体を保持するスーパーパラマグネティックビード２は、結合されたターゲット分子１に付着する場合がある。センサ１０のワイヤ１１及び１３に流れる電流は、磁場Ｂを生成し、この磁場は、スーパーパラマグネティックビード２を磁化する。スーパーパラマグネティックビード２からの浮遊磁場Ｂ’は、センサ１０のＧＭＲ１２におけるインプレーンの磁化成分を導入し、これにより、測定可能な抵抗の変化となる。
【００２９】
図２は、本発明に係るマグネティックバイオセンサのそれぞれのセンサ１０について提供される検出エレクトロニクス２０のレイアウトを概念的に示す。励磁電流源２２ａ，２２ｂは、センサ１０のワイヤ１１，１３にフィルタ２５ａ，２５ｂを介して接続される。同様に、感知電流源２１は、センサ１０のＧＭＲ１２にフィルタ２４を介して接続される。更なるフィルタ２７、増幅器２８、並びに、検出及びＡ／Ｄ変換ユニット２９は、測定信号の処理及び変換のために、ＧＭＲ１２に接続される。処理されたデータは、次いで、更なる処理のために（たとえばＵＳＢのような標準インタフェースを介してエレクトロニクス２０に結合されるパーソナルコンピュータといった）バックエンドプロセッサ３０に送出される。図示されるレイアウトの問題は、幾つかの影響がバイオセンサシステムの検出ゲインを変え、測定の精度を低下させることである。
１．検出ハードウェアは、複雑であり、コポーネント、電圧源等における温度の作用によるゲインの不安定性に苦しむ。
２．バイオセンサチップのＧＭＲ１２及び磁場生成ワイヤ１１，１３の抵抗は、温度に対して感度がよく、これにより、電流が変化し、したがって、特に非理想的な電流駆動では、全体の検出ゲインが変化する。ＧＭＲの典型的な値は０．２％／℃である。
３．ＧＭＲセンサの感度は、温度に依存する（典型的な値：−０．２４％／℃）。
４．ＧＭＲの感度は、外部の磁場により影響される。
【００３０】
本実施の形態で提案されるソリューションは、バイオセンサシステムについて相関付けされるとき、前記誤りのソースが抑圧されるという認識に基づいている。したがって、バイオセンサチップ及び検出ハードウェアにおける相関付けされるゲインの変動を安定化することを第一の目的とする。第二の目的は、バイオセンサチップでマルチセンサを測定するとき、ハードウェアの複雑さを削減することである。
【００３１】
上述されたコンセプトを実現するバイオセンサは、実際の生化学的な測定を実行するための少なくとも１つのリファレンスセンサ及び少なくとも１つのプローブセンサを有しており、前記センサは、多重化手段を介して、信号を検出可能な検出手段に結合される。検出されたリファレンスセンサ信号によりそれぞれのプローブセンサからの検出された信号を正規化することで、（検出ハードウェアを含む）バイオセンサシステムの効果的なゲインが安定化される。明らかに、測定は、温度及びドリフト変動に追従するために十分に高速に実行される。正規化は、複素信号を使用して行われる。
【００３２】
図３は、かかるマルチセンサバイオセンサチップ１００の感知表面を概念的に示し、このチップは、（固定された）磁気ビードの検出のための３つの共通のプローブセンサ１０．１，１０．２及び１０．３、並びに１つのリファレンスセンサ１０．４を有する。センサは、設計の観点で同一であり、図１に示されるような少なくとも１つのＧＭＲ及び少なくとも１つの磁場生成ワイヤを有する。リファレンスセンサ１０．４は、メカニカルなシールドによるか、抗体が表面に存在するのをシンプルに回避することで、磁気ビードに対して無感覚にし、ビードがその表面で固定されないようにする。
【００３３】
図４は、バイオセンサチップ１０のレイアウトを概念的に示し、図２におけるのと同じコンポーネントは、１００だけ増加される同じ参照符号を有する。励起電流源１２２及びフィルタ１２５は、ワイヤ１１．１，１３．１，１１．２，１３．２，．．．，１１．Ｎ，及び１３．Ｎのうちの何れか１つに選択的に結合される（Ｎは検出ユニットに関連されるセンサ数であり、すなわち図３についてＮ＝４である）。ソース１２２に結合されるワイヤの選択は、（ＦＥＴスイッチにより図４で示される）アナログスイッチ１２６．１，１２６．２Ｎにより実行される。同様に、感知電流源１２１及びフィルタ１２４は、関連されるアナログスイッチ１２３．１，１２３．ＮによりＧＭＲ１２．１，．．．１２．Ｎのうちの１つに選択的に結合される。測定された信号は、１つのフィルタ１２７，１つの増幅器１２８，並びに１つの検出及びＡ／Ｄコンバージョンユニット１２９を介して、ＰＣ１３０に送出される。
【００３４】
アナログスイッチ１２３．１，．．．１２３．Ｎ，１２６．１，．．．１２６．Ｎを介して、ワイヤ１１．ｉ，１３．ｉ及びＧＭＲ１２．ｉにより形成されるセンサは、連続して作動され、測定が行われる。前記スイッチから信号経路への雑音の注入を防止するための措置が行われる。バックエンド信号処理において、それぞれのプローブセンサｉにおける信号ｕiは、たとえば以下の式に従って、リファレンスセンサ信号ｕrefにより正規化される。
【００３５】
【数３】
2009508103.tif 000018
ここでｕref,t=0は、実際の測定前のリファレンスセンサ信号である。明らかに、固定されていないビードは、測定前に表面から除かれない。
【００３６】
記載されるアプローチは、（１）センサチップ及び検出エレクトロニクスにおける相関付けされたゲインの変化（たとえば温度作用及び外部の磁場）を補償し、及び（２）チップ上のマルチセンサを測定するときに電気的な複雑さを制限する。
【００３７】
理想的に、全てのセンサは、測定されるときに同じ温度にある。したがって、全てのセンサは、大いに熱結合される必要がある。しかし、これは、前記全てのセンサが同じバイオセンサのダイで互いに近くに位置され、同じ液体に晒されるため、深刻な問題ではない。
【００３８】
更に高い精度を達成するため、それぞれのセンサは、たとえばそれぞれのセンサについて同じ測定時間を使用することで、同じエネルギー（電力）が消散されるように動作することが好ましい。代替的に、それぞれのセンサは、その特定のセンサのそれぞれの測定の間に一定である、特定の温度にある。
【００３９】
多重化手段の間の変動も回避される必要がある。ここで、センサについてと同じ手段が講じられる必要があり、すなわち個々のハードウェアコンポーネントの同一の設計といった（特にスイッチ１２３．１〜１２３．Ｎ）が講じられる必要があり、センサのそれぞれの測定の間に同じ温度を維持する必要がある。
【００４０】
図５は、例として磁気検出のためのマイクロセンサ装置１００又はバイオセンサの一部の概念的な断面図を示す。マイクロセンサ装置１００は、多数のプローブセンサ１０．１，１０．２，１０．３を有し、このセンサから、１つのプローブセンサ１０．１が図５に示される。プローブセンサ１０．１の近くで、リファレンスセンサ１０．４は、マイクロセンサ装置１００に搭載される。先に記載に寄れば、電流はプローブセンサ１０．１のワイヤ１１及び１３を通して、及びリファレンスセンサ１０．４を通して流れ、磁場Ｂを発生し、この磁場は、スーパーパラマグネティックビード２を磁化する。スーパーパラマグネティックビード２の浮遊磁場Ｂ’は、センサ１０．１及び１０．４のＧＭＲ１２におけるインプレーンの磁化成分を導入し、これにより、測定可能な抵抗の変化となる。リファレンスセンサ１０．４は、異なる物質を有するレイヤ１５によりカバーされる。１つの例では、レイヤ１５は、一般に使用されるフォトレジストである物質ＳＵ８からなる。たとえば、レイヤ１５は、３０μｍの厚さを有する。ＳＵ８からのこのレイヤ１５の適用は、リファレンスセンサ１０．４が、プローブセンサ１０．１と同様に、分析される物質が位置される流体のチャンバに位置され、この場合、同じ流体の流れに晒され、したがって温度変動に等しく晒されるという利点を更に有する。たとえばサンプルの流体の注入の結果として、温度変動に対するリファレンスセンサ１０．４の応答は、プローブセンサ１０．１のそれに匹敵する。別の利点は、プローブセンサ１０．１及びリファレンスセ．１及びリファレンスセンサ．１０４は互いに近くにあり、信号における乱れに繋がる同じ外部磁場に晒されることである。リファレンスセンサ１０．４は、リファレンスセンサ１０．４の表面から約３０μｍまでビードに対して感度が高いので、たとえば３０μｍのリファレンスセンサ１０．４をカバーするＳＵ８レイヤ１５の高さは、ビードがリファレンスセンサ１０．４の感知領域に到達するのを防止するのに十分である。リファレンスセンサ１０．４の表面から離れた３０μｍよりも遠いビードは、リファレンスセンサ１０．４の信号に寄与しない。既に述べたように、記載されたプローブセンサ１０．１及びリファレンスセンサ１０．４は、バイオセンサチップのような単一の電子的なチップで実現される。
【００４１】
図６は、（ａ）で示される、リファレンスセンサ１０．４の適用がないセンサ信号の１つの曲線である、（ｂ）で示される、マイクロセンサ装置１００におけるリファレンスセンサの適用によるセンサ信号の１つの曲線である。ｘ軸で示されるのは、時間であり、ｙ軸に示されるのは、正規化された信号である。図６は、先に記載された補償スキームが環境の変動に対するマイクロセンサ装置１００の検出プラットフォームの感度をどのように低減させるかを示す。これらの曲線（ａ），（ｂ）は、温度が不安定な状況、及び磁化されたビードがない場合における、プローブセンサ１０．１の信号を示す。この状況では、生成され図示される信号は、時間につれて変化するべきではなく、ｘ軸でのポイント１での一定の信号が理想である。分かるように、補償された信号（ｂ）の主に下にある補償されていないプローブセンサ信号（ａ）は、温度変動により著しく変化し、大部分の時間でｘ軸でのポイント１で理想的な曲線から離れる。プローブセンサ１０．１の信号がリファレンスセンサ１０．４から得られる信号を使用して補償される場合、変動は大いに低減され、これは信号（ｂ）により示される。補償されていない信号（ａ）の主に上にある補償された信号（ｂ）は、信号（ａ）よりも非常に弱い変動を有し、全体のレンジにわたり信号（ａ）よりもｘ軸のポイント１に沿って理想的な信号の波形に近く連続して形成される。
【００４２】
図７は、マイクロセンサ装置１００のロバスト性をエンハンスする複素信号処理のベクトルの例示を示す。水平軸では、複素信号の実部がプロットされ、Ｒｅで示され、垂直軸では、複素信号の虚部がプロットされ、Ｉｍで示される。図７では、角度ψはリファレンスベクトル７００、リファレンスセンサ．１０４のベクトル、及び全体の測定可能な信号Ａ0の間で導出され、角度θは、リファレンスベクトル７００と全体の測定可能な信号Ａtとの間で導出され、角度σは、リファレンスベクトル７００とマグネティッククロストークベクトルＡrの間で導出される。マイクロセンサ装置１００の幾何学的な形状に固有の容量性及び誘導性のクロストークは、励起周波数に等しい周波数により、たとえばＧＭＲ１２といった電磁場の検出のための回路を流れる電流を生じる。さらに、印加される感知電流は、ＧＭＲ１２における内部の磁場を生じ、感知電流の周波数での自己バイアスを生じる。それらの積によって、これらの周波数の差Δｆでの信号を生じ、そのうち、位相は情報搬送信号に関して９０°シフトされる。この信号の振幅は、ｕ＝ｊωαβｓＩexＩsであり、αは、印加される励起電流Ｉexに対するクロストーク電流Ｉcの商Ｉc／Ｉexに等しい。さらに、先の式において、βは自己バイアスファクタＨ／ＩGMRであり、すなわちＧＭＲ１２を流れる電流により誘導されるＧＭＲ１２の感知レイヤにおける磁場強度であり、ｓはΔＲ／ΔＨに等しいＧＭＲ１２の感度を示す。
【００４３】
図７では、ベクトルＡ0は、マグネティックビード２が存在しない場合における周波数Δｆでの全体の測定可能な信号を示す。ベクトルＡrは、ワイヤを流れる励起電流により誘導される磁場へのＧＭＲ１２の応答となる、電流ワイヤとＧＭＲ１２との固有のミスアラインメントによる磁気クロストークベクトルを示す。これは、式ｕ＝γｓＩexＩsにより示され、ここでγは、Ｈex／Ｉexに等しいワイヤを流れる電流により誘導されるＧＭＲ１２の感知レイヤにおける磁場強度に等しい。全体の磁気ベクトルは、参照符号５００により示される。これは、式ｕ＝（γ＋εＢ）ｓＩexＩsにより与えられるビードベクトルに追加される磁気クロストークベクトルＡrであり、ここでεは、Ｈb／（ＢＩex）により与えられるセンサ１０の表面で磁化されたビード２により誘導されるＧＭＲ１２の感知レイヤにおける磁場強度に等しく、Ｂはセンサ１０の表面でのビード２の密度である。想定される一様なビームの分布が表面に存在する。図７における参照符号７００は、式ｕ＝εＢｓＩexＩsにより与えられる情報搬送信号であるビードベクトルを示す。この文脈での情報搬送信号は、流体におけるビード２の量、及び結果的にビード２に結合されるターゲット分子１の量を特徴付ける信号を意味する。
【００４４】
上述される信号の補償により達成される信号は、図７におけるベクトル６００により与えられる。この信号は、式
【数４】
2009508103.tif 000019
により表現され、ここで、
【数５】
2009508103.tif 000020
は、ビードベクトル、すなわち流体における磁粉のベクトルを示し、その絶対値は、
【数６】
2009508103.tif 000021
であり、これはεＢｓＩexＩsに等しい。項Ａrは、磁気クロストークベクトルであり、先に与えられた式において時間的に可変である。
【００４５】
最後に、本出願において、用語「有する“comprising”」は、他のエレメント又はステップを排除するものではなく、単一のプロセッサ又は他のユニットが幾つかの手段の機能を果たす場合がある。本発明は、それぞれ新たな特徴及び特徴の組み合わせにある。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】磁気バイオセンサの測定原理を例示する図である。
【図２】本発明に係るバイオセンサ装置のレイアウトを示す図である。
【図３】本発明に係るバイオセンサ装置におけるプローブセンサとリファレンスセンサのアレンジメントを示す図である。
【図４】本発明に係るバイオセンサ装置のレイアウトを示す図である。
【図５】プローブセンサとリファレンスセンサによるバイオセンサの一部の断面図である。
【図６】リファレンスセンサの印加がないセンサ信号の１つの曲線、及び、マイクロセンサ装置におけるリファレンスセンサの印加によるセンサ信号の１つの曲線を示す図である。
【図７】マイクロセンサ装置のロバスト性をエンハンスするための複素信号処理のベクトルの例示を示す図である。
【国際調査報告】
2009508103.tif 000022
2009508103.tif 000023