(57)【要約】  本発明は、検査領域内に励磁場Bを生成するための磁場発生器11、13と、当該検査領域内の結合部位3に結合されている、磁化した粒子2によって生成された磁気反応場B'を測定するための磁気センサ12とを有する、磁気センサ装置10に関する。磁場発生器11、13及び磁気センサ素子12の両方が電力で駆動され、これら部品で消費される電力の比は、事前に決められた範囲内に保たれる。磁場発生器は、励磁ワイヤ11、13によって好ましくは実現され、前記センサ素子12は、例えばGMR素子である磁気抵抗素子によって実現される。この場合、大体等しい量のパワーが、励磁ワイヤ11、13とGMR素子とで消費されることが好ましい。
2009536346.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
a)検査領域内に励磁場を生成するための、少なくとも1個の磁場発生器と、
b)磁場を示す測定信号を生成するための、少なくとも1個の付随する磁気センサ素子と、
c)前記磁場発生器と前記磁気センサ素子とに電力を供給するためのパワーサプライユニットとを有する磁気センサ装置であって、全消費パワーPは前記磁場発生器と前記磁気センサ素子とで消費されるとして、この全消費パワーPに対して、前記磁気センサ素子単独で消費される割合fが、事前に決められた範囲に保たれる、磁気センサ装置。
【請求項２】
検査領域内に励磁場を生成するための、少なくとも1個の磁場発生器と、磁場を示す測定信号を生成するための、少なくとも1個の付随する磁気センサ素子とに電力を供給する方法であって、全消費パワーPは前記磁場発生器と前記磁気センサ素子とで消費されるとして、この全消費パワーPに対して、前記磁気センサ素子単独で消費される割合fが、事前に決められた範囲に保たれる、方法。
【請求項３】
前記全消費パワーPの前記割合fが、0.1と0.9との間、好ましくは0.3と0.7との間、最も好ましくは約0.5の値をもつことを特徴とする、請求項１に記載の磁気センサ装置、又は請求項2に記載の方法。
【請求項４】
前記電力が検出電流を介して前記磁気センサ素子へと供給されることを特徴とする、請求項1に記載の磁気センサ装置、又は請求項2に記載の方法。
【請求項５】
前記磁気センサ素子によって生成された前記測定信号が前記検出電流に比例することを特徴とする、請求項4に記載の磁気センサ装置、又は方法。
【請求項６】
前記磁気センサ素子がホール素子、又はGMR素子、AMR素子、若しくはTMR素子のような磁気抵抗素子を有することを特徴とする、請求項1に記載の磁気センサ装置、又は請求項2に記載の方法。
【請求項７】
前記電力が、励磁電流を介して前記磁場発生器に供給されることを特徴とする、請求項1に記載の磁気センサ装置、又は請求項2に記載の方法。
【請求項８】
前記磁場発生器が、少なくとも1個の励磁ワイヤ、好ましくは並列又は直列に接続されたm>1なる複数の励磁ワイヤを有することを特徴とする、請求項1に記載の磁気センサ装置、又は請求項2に記載の方法。
【請求項９】
前記検査領域が、磁性粒子のための結合部位を有する、請求項1に記載の磁気センサ装置、又は請求項2に記載の方法。
【請求項１０】
分子診断学、生体試料分析、及び/又は化学試料分析、特に小さな分子検知用の、請求項1に記載の磁気センサ装置の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも1個の磁場発生器、少なくとも1個の磁気センサ素子、及び付随するパワーサプライユニットを有する磁気センサ装置に関する。更に本発明は、斯様な磁気センサ装置の使用、及び斯様なセンサ装置の部品に電力を供給する方法に関する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００２】
国際特許公開公報WO 2005/010543 A1及びWO 2005/010542 A2（これらは、参照され本発明に組み込まれている）から、例えば磁気ビーズでラベル付けされた生体分子などの標的分子の検知用の微小流体のバイオセンサで使われる、磁気センサ装置が知られている。当該磁気センサ装置は、磁場の生成用のワイヤと、帯磁したビーズによって生成された漂遊磁場の検知のための巨大磁気抵抗（GMR）とを有するセンサユニットのアレイを具備している。当該GMRの信号は、センサ近傍のビーズの数を示す。斯様な既知の磁気センサ装置で測定されるべき標的分子の濃度はしばしば非常に低いので、センサ信号が種々異なるノイズ源のノイズによって、ひどく劣化させられるという問題を生じる。
【０００３】
この状況に基づき、上で説明された種類の磁気センサ装置の信号対雑音の比（SNR）を改善するための手段を供することが、本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この目的は、請求項1による磁気センサ装置、請求項2による方法、及び請求項10による使用により実現される。好ましい実施例が、従属する請求項で開示されている。
【０００５】
本発明による磁気センサ装置は、以下の部品を有する：
a)隣接する検査領域内に磁場を生成するための少なくとも1個の磁場発生器。
この磁場発生器は、例えば微小電子センサ装置の基板上に有るワイヤによって実現される。
b)当該磁場発生器の磁場によって生じる効果が到達する範囲内にあるという意味で前記の磁場発生器に付随する、少なくとも1個の磁気センサ素子。
この磁気センサ素子は、当該磁気センサ素子の場所（又は当該素子の感度の有る領域）に生じている磁場（又は少なくとも当該磁場の成分）を示す測定信号を生成するよう設計されており、当該磁気センサ素子は、前記測定信号を生成するために電力で駆動されねばならない。
c)磁場発生器と磁気センサ素子とに、両者の機能を満たすために必要な電力を供給するためのパワーサプライユニット。
この供給された電力の一部（以下、「全消費パワーP」と呼ぶ）は、当該磁場発生器と当該磁気センサ素子とで消費される−即ち、熱に変換される‐。当該パワーサプライユニットは、当該磁気センサ素子単独で消費される、全消費パワーPの一部が、事前に決められた範囲を保つよう、設計されねばならない。
【０００６】
本発明は更に、検査領域内に励磁場を生成するための少なくとも1個の磁場発生器と、生じている磁場を示す測定信号を生成するための少なくとも1個の付随する磁気センサ素子とに、電力を供給するための方法に関する。ここで、前記磁場発生器と磁気センサ素子とは磁気センサ装置に属している。更に、全消費パワーPが磁場発生器と磁気センサ素子とで消費され、当該磁気センサ素子単独で消費される、この全消費パワーPの一部fが、事前に決められた範囲内に保たれる。
【０００７】
磁気センサ装置の作動の間、上で規定された磁気センサ装置及び当該方法は、各々磁気センサ素子で消費されたパワーPsenseと、磁場発生器で消費されたパワーPexcとの間の比を管理する。理論と実際とが、この比Psense：Pexc（又は、等価的に、上で規定された割合f = Psense/(Psense+Pexc)=Psense/P）は、測定の間に磁気センサ装置によって得られた信号対雑音の比（SNR）に重大な影響をもつことを示している。前記比、又は割合fを、事前に決められた範囲内に保つことは、これゆえ、S/N比を改善することに役立つ。
【０００８】
以下において、磁気センサ装置及び上で説明された種類の方法の両方に適用する、本発明の好ましい実施例が説明されている。
【０００９】
本発明の第1の好ましい実施例においては、全消費パワーPに対して磁気センサ単独で消費された割合fは、約0.1と約0.9との間にあり、好ましくは約0.3と約0.7との間にあり、当該割合fは、前記範囲からの一定値、又は測定中の当該範囲内で変動すると看做す。最も好ましくは、当該割合fは、約0.5の値をもち、これは概略等しい量のパワーが磁気センサ素子と磁場発生器とで消費されることを意味する。
【００１０】
本発明の別の好ましい実施例では、電力が、検出電流をIsenseを介して磁気センサ素子に供給される。この場合、磁気センサ素子で消費されるパワーPsenseは、当該検出電流値Isenseの二乗と、磁気センサ素子の抵抗値Rsenseとの積として計算されることができる。
【００１１】
上で説明された実施例では、磁気センサ素子によって生成された測定信号は、好ましくは検出電流Isenseに比例している。これは例えば、測定信号が抵抗素子間の電圧降下分である場合である。
【００１２】
当該磁気センサ素子は、ホールセンサ、又はGMR（巨大磁気抵抗）素子、TMR（トンネル効果型磁気抵抗）素子、若しくはAMR（異方性磁気抵抗）素子のような磁気抵抗素子によって、オプションで実現されることができる。これらの実現化は、上で説明された二つの実施例の要件に従う。即ち、これらの素子は、電気的に検出された電流で駆動され、前記電流に比例した測定信号を生成することである。
【００１３】
同様の態様において、磁場発生器の電力が励磁電流Iexcによって、オプションで供給されることができる。
【００１４】
当該磁場発生器は、少なくとも1個の「励磁」ワイヤを好ましくは有する。この場合、当該励磁ワイヤを通じて流れる励磁電流Iexcが励磁場を生成し、当該磁場発生器で消費されるパワーPexcが、励磁電流値Iexcの二乗と、当該励磁ワイヤの抵抗値Rexcとの積として計算されることができる。当該磁場発生器は、並列又は直列に接続されたm>1なる複数の励磁ワイヤを好ましくは有する。
【００１５】
磁気センサ装置の検査領域は、磁気粒子に対する結合部位、例えば磁気ビーズでラベル付けされた補完分子と結合することができる抗体を好ましくは有する。当該磁気粒子は、次に磁場発生器によって生成された励磁場によって磁化されることができ、当該磁気粒子によって生成された反応磁場が、検査領域内の磁気粒子の定量的及び定性的な検知も含み、当該磁気センサ素子によって検知されることができる。
【００１６】
本発明は更に、分子診断学、生体分子試料分析、及び/又は化学試料分析、特に小さな分子検知に対する、上で説明された磁気センサ装置の使用にも関する。分子診断学は例えば、標的分子に直接的又は間接的に付着された磁気ビーズの助けで遂行されることができる。
【００１７】
本発明のこれらの態様及び他の態様は、これ以降説明される（複数の）実施例から明らかとなり、当該実施例を参照して説明されよう。これらの実施例は、添付の図の助けを借りて、例示的態様にて説明されよう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図1は、超常磁性体ビーズ2の検知用の1個のセンサ10の原理を例示している。斯様なセンサ10のアレイ（例えば100個）から構成されるバイオセンサが、溶媒（例えば血液又は唾液）内に多数ある種々異なる標的分子1（例えば、蛋白質、DNA、アミノ酸、薬）の濃度を同時に測定するために使われることができる。結合方式の一つの可能な例、所謂「サンドイッチ・アッセイ」では、測定が、結合表面14に標的分子1が結合している第1の抗体3を供することによって実現される。第2の抗体4を担持する超常磁性体ビーズ2が、次に、結合した標的分子1に付着する。当該超常磁性体ビーズ2は、一般には数千個の磁性粒子をもつ、ポリマ母材で構成される。外部の磁場が無い場合、各ビーズ内の小さな磁性粒子は、超常磁性体ビーズの磁気モーメントがゼロであるような、ランダムな磁性をもっている。超常磁性体ビーズが磁場に露出されたとき、一つのビーズ内にある磁性粒子のモーメントが整列し、全体のビーズに対する磁気モーメントを生じる。
【００１９】
センサ10の励磁ワイヤ11及び13を流れる励磁電流Iexcが磁場Bを生成し、これにより、超常磁性体ビーズ2を磁化する。測定可能な抵抗値の変化を生じる巨大磁気抵抗（GMR）素子内で、センサ10の当該GMR素子12の面内の成分が磁性の変化を引き起こす漂遊磁場B'を、前記超常磁性体ビーズが生成する。
【００２０】
図1は更に、励磁ワイヤ11、13と、GMRセンサ素子12とが結合されたパワーサプライユニット15を示している（明確にするために、図中では戻ってくる電線は示されていない）。このように、パワーサプライユニット15は励磁ワイヤ11、13に励磁電流Iexcを供給することができ、あらゆる点で等しく設計された二つの励磁ワイヤ11及び13の各々に、この電流は等しく分割されることが仮定されている。更に、当該パワーサプライユニット15は、GMRセンサ素子12に検出電流Isenseを供給し、この電流はACとDCとの組み合わせであっても良い（又はDCのみ、ACのみでも良い）。
【００２１】
何れかの素子を流れる電流Isense、Iexcを増すことは、S/N比を改善するが、しかし同時にパワー消費も増える。一般的には、加熱が問題を生じるとの理由により（37度Cよりも上の温度では、特定の生化学の活動は減じる傾向にある）、又はバッテリ寿命の配慮という理由により、全消費パワー消費量は限られている。これゆえ、問題は、最適な信号品質を得るために、どのようにして磁気バイオセンサを限られたパワー量の範囲内で動作させるべきかである。これに関して、センサ出力の信号とノイズとの比（SNR）を最大にする、上で説明された種類の磁気バイオセンサにパワーを分配するための方法が、以下に説明されよう。
【００２２】
上で説明された方法は、センサ素子12及び付随する励磁ワイヤ11、13でのパワー消費をバランスすることにより、ノイズに対するSNRが増加されることができるとの事実に頼っている。この事は、図2の式を参照して以下のように説明されることができる（ここでは、励磁ワイヤ11と13とは、1個の「励磁素子」として扱われている）。
【００２３】
センサ素子12へ電流を流すこと、及び当該素子に発生する電圧を測定することは、式1により、センサ信号S を与える。ここで、Isenseは当該センサ素子12を流れる電流値であり、Ssense=(dR/dH)H=0/Rは当該センサ素子の感度であり、Rsenseは当該センサ素子の抵抗値であり、Iexcは励磁素子11、13を流れる電流値であり、nbeadは当該センサ上のビーズの数であり、χbeadは1個のビーズの磁化率である。
【００２４】
センサ素子12及び励磁素子11、13のパワー消費は、式2によって与えられ、ここでバイオセンサで消費される全消費パワーPは式3で与えられる。Rexcは励磁素子の合成抵抗値、例えば図1のワイヤ11、13の並列抵抗値（ワイヤが並列に接続されていると仮定して）であることに留意されねばならない。
【００２５】
この全消費パワーP の一部fが磁気センサ素子12で消費され、残りの部分(1−f )が励磁素子11、13で消費される。この事から、センサ内及び励磁素子内を流れる電流は式4によって計算されることができる。IsenseとIexcとの積に比例する信号Sは、このとき、式5によって表されることができる。
【００２６】
様々なノイズ源に起因して、センサ信号は常に何らかの変動を示す。これらのノイズ源は、a)センサ及び/又は増幅器内の様々な熱ノイズ要因などの、使われたパワーとは独立した項Nthと、b)ビーズの到着統計及びビーズ直径のばらつきを含む項などの、使われた電力に依存する項Nstatとに区別されることができる。これらのノイズ源は、式6として記述することができ、SNRを式7で表現することを可能にする。
【００２７】
式dSNR/df = 0を解くことにより、SNRがfに対して最適化できる。これは三つの解、f < 0、f = 0.5、及びf > 1を生じる。解f < 0、及び解f > 1は、本システムに関係ない。パワーがセンサ素子12と励磁素子11、13との間で等しく分割された場合、解f = 0.5は、全ての状況下で最適なSNRが得られることを示している。測定が有するノイズは、一般的には、抵抗性のセンサ素子12及び電子部品からの熱ノイズと、ビーズの位置及びビーズ直径のばらつきなどの様々な要因に起因して生じる統計的ノイズとの二つのノイズ源から端を発する。統計的ノイズが熱ノイズよりも著しく大きい場合、SNRはパワーの分配とは無関係となり、f = 0.5が他の分配割合に比べて、実際の利点を与えることはない。しかしながら、最適に設計されたシステムでは、熱ノイズは統計的ノイズと大体等しい大きさである。従って、システムに対してf = 0.5を選択することは、全ての条件下で最大のSNRが得られることを保証する。実際には、f = 0.1とf = 0.9との間の範囲が好ましい。
【００２８】
式4から、パワーのバランス下(f = 0.5)で、センサ素子12を流れる電流Isenseと励磁素子11、13を流れる電流Iexcとの比が、式8で記述され得ることがわかる。これゆえ、当該素子の一つを流れる電流が変化すると、パワーのバランスを維持するために、他の素子を流れる電流が、これに従い変化されねばならない。
【００２９】
要約すると、センサ素子及び励磁素子の両方の消費パワーが等しい場合、磁気バイオセンサに対する最適な読み出し条件と、最適なSNRとが実現される。GMR、AMR、及びホール素子タイプの磁気バイオセンサなど、センサ素子を流れる電流に出力信号が対応する、どのタイプの磁気バイオセンサに対しても、上記は正しい。
【００３０】
最後に、本発明において、用語「有する」は他の素子又はステップを排除するものではなく、「a」又は「an」は、複数を排除するものではなく、及び単独のデータプロセッサ又は他のユニットが、幾つかの手段の機能を満たすことができることが指摘される。本発明は、ありとあらゆる新規な特性と、当該特性のありとあらゆる組み合わせを備えている。更に請求項中の引用記号は、請求項の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明による磁気センサ装置を概観的に示す。
【図２】本発明のアプローチに関連した種々異なる式を羅列する。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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