(57)【要約】【課題】  小型化に適した磁性体センサを実現する。【解決手段】  磁性膜を備える磁気抵抗効果膜と、前記磁気抵抗効果膜に、前記磁性膜の磁化状態を変化させ得る大きさと方向の電流を流す電流源と、前記磁気抵抗効果膜の抵抗値を検出する検出手段と、を有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性膜を備える磁気抵抗効果膜と、
前記磁気抵抗効果膜に、前記磁性膜の磁化状態を変化させ得る大きさと方向の電流を流す電流源と、
前記磁気抵抗効果膜の抵抗値を検出する検出手段と、を有する磁性体センサ。
【請求項２】
前記磁化状態の変化は、検出対象である磁性体からの浮遊磁界により異なることを特徴とする請求項１に記載の磁性体センサ。
【請求項３】
前記磁気抵抗効果膜は、
磁気抵抗効果膜の膜面垂直方向に電流を流すことによって磁化方向が変化する磁性膜である検出層と、
前記電流によって磁化方向が変化しない磁性膜である磁化固定層と、
前記検出層と前記磁化固定層との間に形成される非磁性層とを有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の磁性体センサ。
【請求項４】
前記検出層は、前記磁化固定層よりも膜厚が薄いことを特徴とする請求項３に記載の磁性体センサ。
【請求項５】
検出対象である磁性体との間に相互作用が生じ無い磁気抵抗効果膜を備え、
前記検出手段は検出対象である磁性体との間に相互作用が生じ無い磁気抵抗効果膜により得られる電圧を参照電圧とすることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の磁性体センサ。
【請求項６】
膜面垂直方向に電流を流すことによって磁化方向が変化する磁性膜である検出層と、前記電流によって磁化方向が変化しない磁性膜である磁化固定層と、前記検出層と前記磁化固定層との間に形成される非磁性層とを含む磁気抵抗効果膜を有する磁性体センサを用いた検出方法であって、
前記磁気抵抗効果膜に電流を流し、前記検出層の磁化状態を変化させることにより、前記磁気抵抗効果膜の抵抗値の変化を検出して、磁性体の有無あるいは磁性体の個数を検出することを特徴とする検出方法。
【請求項７】
前記検出層と磁化固定層の磁化方向を平行な状態とし、電流を磁化固定層側から検出層側へ向けて、時間と共に電流値を大きくするようにして流し、前記磁気抵抗効果膜の抵抗の変化を検出することにより、検出する磁性体の有無あるいは磁性体の個数を検出することを特徴とする請求項６に記載の検出方法。
【請求項８】
前記検出層と磁化固定層の磁化方向を反平行な状態とし、電流を検出層側から磁化固定層側へ向けて、時間と共に電流値を大きくするようにして流し、前記磁気抵抗効果膜の抵抗の変化を検出することにより、磁性体の有無あるいは磁性体の個数を検出することを特徴とする請求項６に記載の検出方法。
【請求項９】
検出対象である磁性体と検出層の相互作用が無い場合には磁化状態が比較的大きく変化し、かつ相互作用が有る場合には磁化状態がほとんど変化しない、もしくは相互作用が無い場合と比較して小さい変化となるような大きさの電流を、前記磁化固定層側から検出層側へ向けて流し、前記磁気抵抗効果膜の抵抗の変化を検出することにより、磁性体の有無あるいは磁性体の個数を検出することを特徴とする請求項６に記載の検出方法。
【請求項１０】
検出対象である磁性体との間に相互作用が生じ無い磁気抵抗効果膜により得られる電圧を参照電圧とし、該参照電圧を用いて磁性体の有無あるいは磁性体の個数を検出することを特徴とする請求項６から請求項９のいずれか１項に記載の検出方法。
【請求項１１】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の磁性体センサの一部に、検出対象である標的物質を介して磁性粒子が固定され、該標的物質を検出することを特徴とする標的物質検出センサ。
【請求項１２】
請求項１１に記載の標的物質検出センサと、標的物質と特異的に結合する物質で修飾された磁性粒子とを備えた標的物質検出キット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁性体センサとこれを用いた検出方法、標的物質検出センサおよび標的物質検出キットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
これまで免疫分析には、放射免疫分析法、酵素抗体法など多くの技術が提案され実施されてきた。しかし、例えば放射免疫分析法（ＲＩＡ : radio immunoassay、もしくは、ＩＲＭＡ：immunoradiometric assay）は、放射性核種によって、競合抗原あるいは抗体を標識し、比放射能の測定結果から抗原を定量的に測定する。この方法の利点として、感度が高いことがあげられるが、放射性核種の安全性の問題が有り専用の施設や装置が必要となる。また、抗体の標識に酵素を用いる酵素抗体法は、放射免疫分析法と比較した場合、扱いがより容易であり、かつ、実用的な感度を満たしているが、更なる感度向上と取り扱いの容易さが求められている。
【０００３】
そのような状況にあって、近年、磁気抵抗効果膜を用いることによって標的物質に結合させた磁性粒子を検出し、標的物質を容易に検出する方法がD. L. Graham, et al. Biosensors & Bioelectronics 18, 483 (2003)（非特許文献１）にて提案されている。
【０００４】
非特許文献１に開示される技術では、２μｍ×６μｍのサイズのＧＭＲ（Giant Magnetic Resistance effect）膜を２つ用い、直径２μｍの磁性粒子の検出を行なっている。一方のＧＭＲ膜の表面には磁性粒子が固定化されるようにビオチンが結合されており、他方のＧＭＲ膜の表面にはビオチンは結合されていない。また、磁性粒子はアビジン修飾されている。アビジンとビオチンは非常に強く結合するために、一方のＧＭＲ膜の上には磁性粒子が固定され、他方のＧＭＲ膜には磁性粒子は固定されない。磁性粒子が固定されているＧＭＲ膜は、磁性粒子から生じる浮遊磁界の影響を受けて磁化状態が変化するので、磁性粒子が固定されていないＧＭＲ膜とは抵抗値が異なる。ＧＭＲ膜は２つの磁性膜とその間に形成された非磁性金属膜の多層膜を基本構成としている。その抵抗値は２つの磁性膜の相対的な磁化方向に依存しており、磁化方向が平行であると抵抗値が比較的小さく、反平行であると比較的大きいという特徴を持つ。平行、反平行という磁化状態を実現させるためにＧＭＲ膜の２つの磁性膜は一方の磁性膜の磁化方向は磁化反転困難で、他方は磁性粒子からの浮遊磁界によって磁化反転可能であるような保磁力を有する磁性材料で構成される。
【０００５】
磁性粒子およびＧＭＲ膜に膜面内方向に磁界を印加し、磁性粒子の磁化を印加磁界の方向へ向けると、図９に示すように、磁性粒子９０１から生じる浮遊磁界９０４は、印加される外部磁界９０３とは逆の方向にＧＭＲ膜９０５に印加される。したがって、ＧＭＲ膜を構成する２つの磁性膜の磁化は、磁性粒子近傍においては平行とはならない。一方、磁性粒子が固定されていないＧＭＲ膜の磁性膜は、浮遊磁界の影響を受けないので、膜全面において磁化方向は平行である。つまり２つのＧＭＲ膜では磁化状態が異なるので抵抗値に差が生じ、磁性粒子の検出が可能となる。
【０００６】
以上のようにＧＭＲ膜を用いた磁性粒子の検出方法は、磁性粒子を所望の方向に磁化し、磁性粒子から発する浮遊磁界によって磁気抵抗効果膜の磁化方向を変化させて行うものであり、磁性粒子を容易に検出することが可能である。
【非特許文献１】D. L. Graham, et al. Biosensors & Bioelectronics 18, 483 (2003)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
非特許文献１において、１つのＧＭＲ膜を用いた磁性粒子の検出信号が、磁性粒子の個数によって異なることが記載されている。これは磁性粒子から生じる浮遊磁界がＧＭＲ膜に影響を及ぼす面積が磁性粒子の個数によって異なるからであるが、ＧＭＲ膜の全面積に対する磁性粒子からの浮遊磁界が影響を及ぼす面積の比率が著しく小さくなると、検出信号が著しく小さくなり、磁性粒子の検出が不可能となる。したがって、大きな検出信号を得るためには、ＧＭＲ膜の大きさを磁性粒子の大きさに見合った大きさとすることが必要である。
【０００８】
現在、一般に使用されている磁性粒子の大きさは、小さいものでは数十nmの粒径のものがある。このような小さな磁性粒子を検出するためには、磁性粒子からの浮遊磁界が印加される領域から考えると、やはり数十nm程度の大きさのＧＭＲ膜を用いることが好ましいが、磁性膜を小さくすると磁化が反転しにくくなり、磁性粒子の検出信号が小さくなるという問題がある。
【０００９】
また、磁性体を検出する領域に均一な磁界を印加するために、大きな磁界印加手段が必要であり、センサを小型化することが容易ではない。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は上記課題に鑑み、小型化に適した磁性体センサを実現することを目的とし、磁気抵抗効果膜を用いて磁性体を検出する磁性体センサにおいて、磁性体センサに電流を流すことによって磁性膜の磁化方向を変化させ、検出対象である磁性体とセンサの磁性膜との相互作用による磁気抵抗効果膜の電圧の変化によって、検出対象である磁性体の有無や数を検出することを特徴とするものである。
【００１１】
具体的には本発明の磁性体センサは、磁性膜を備える磁気抵抗効果膜と、  前記磁気抵抗効果膜に、前記磁性膜の磁化状態を変化させ得る大きさと方向の電流を流す電流源と、  前記磁気抵抗効果膜の抵抗値を検出する検出手段と、を有する。、を有する。
また、本発明にかかる検出方法は、膜面垂直方向に電流を流すことによって磁化方向が変化する磁性膜である検出層と、前記電流によって磁化方向が変化しない磁性膜である磁化固定層と、前記検出層と前記磁化固定層との間に形成される非磁性層とを含む磁気抵抗効果膜を有する磁性体センサを用いた検出方法であって、前記磁気抵抗効果膜に電流を流し、前記検出層の磁化状態を変化させることにより、前記磁気抵抗効果膜の抵抗値の変化を検出して、磁性体の有無あるいは磁性体の個数を検出することを特徴とする。
本発明の標的物質検出センサは、上記のいずれかに記載の磁性体センサの所望の領域に、検出対象である標的物質を介して磁性粒子が固定され、該標的物質を検出する。
【００１２】
本発明の標的物質検出キットは、上記の標的物質検出センサと、標的物質に特異的と結合する物質で修飾された磁性粒子とを備えている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の磁性体センサによれば、小さな磁性粒子であっても大きな検出信号を得ることが可能であり、センサの小型化が容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
先述のとおり、ＧＭＲ膜は２つの磁性膜を有し、一方の磁性膜の磁化方向は外部磁界の方向に向きやすく、他方の磁性膜の磁化は容易に磁化反転しないようになっている。磁化が外部磁界の方向に向きやすい磁性膜としては、例えばNiFeが挙げられるが、磁気抵抗変化率が小さいために、NiFeCoやNiFeとFeCoの交換結合膜が使用されることが多い。交換結合膜を用いる場合は、大きな磁気抵抗変化率を誘起するFeCo膜が、２つの磁性体の間に形成されるCu等の非磁性体に接するように配置される。磁気抵抗変化率とは、２つの磁性膜の磁化方向が平行状態から反平行状態に遷移したときに変化する抵抗値の割合のことを言う。つまり、磁気抵抗変化率が大きいほど大きな検出信号が得られる。
【００１５】
磁気抵抗効果膜にはGMR膜の他にTMR（Tunneling Magnetic Resistance effect）膜がある。TMR膜はGMR膜の非磁性金属膜を誘電体薄膜に置き換えた構成が基本構成である。検出電流はTMR膜の膜面に垂直な方向に流し、電子が誘電体膜中をトンネリングするようにする。TMR膜はGMR膜と比べて、磁気抵抗変化率が大きく、抵抗値も大きい。したがって、配線抵抗の影響がほとんど無く、大規模集積回路を用いたセンサに適している。TMR膜に用いられる誘電体膜として、Al2O3やMgOが一般に用いられる。
【００１６】
磁気抵抗効果膜の２つの磁性膜は、界面に働く静磁結合の影響を受け、磁化方向が反平行になりにくいという特徴を有する。したがって２つの磁性膜の保磁力の差が小さいと磁化は反平行状態となりにくく、その結果、大きな磁気抵抗変化が得られないという問題がある。
【００１７】
そこで、磁化方向を固定する磁性膜に反強磁性膜を交換結合させて反平行状態を実現するスピンバルブ型磁気抵抗効果膜が提案されている。反強磁性膜は、隣接するスピンが互いに逆方向を向いているために見かけ上磁化を持たず、大きな磁界を印加してもスピンの方向が反転しない磁性体である。したがってこの反強磁性膜に強磁性膜を交換結合させると、強磁性膜の磁化は、反強磁性膜のスピンをも反転させる必要があるので、磁化反転しにくくなるのである。反強磁性膜にはMnIr、MnPt、MnFe、NiO、FeSなどが挙げられる。さらに、２つの強磁性膜で非磁性薄膜を挟んだ構造の人工反強磁性膜もある。
【００１８】
人工反強磁性膜では２つの強磁性膜が強い相互作用を持ち、それらの磁化方向は反平行に向いている。
【００１９】
磁性体の磁化を反転させるには、磁界の印加が広く用いられているが、近年、スピン偏極した電流を磁性体に流すことによって磁化方向を変化させる方法（スピン注入法）が提案されている（例えば、J. C. Slonczewski: J. Magn. Magn. Mat., 159, L1 (1996)、L. Berger: Phys. Rev. B, 54, 9353 (1996)）。これは図１０（ａ）に示すように、非磁性膜１００１、磁性膜１００２および非磁性膜１００３からなる磁性体に、例えば、磁化ベクトルが図面右向きとなり、スピンベクトル１００５が左向きに揃っている電子１００６を流し、磁性膜１００２の表面付近においてスピンベクトル１００５と磁化ベクトル１００４を相互作用させ、図１０（ｂ）に示すように磁性膜の磁化方向をスピンベクトル１００５の方向に揃える方法である。
【００２０】
また、図１１に示すような、非磁性層１１０１と非磁性層１１０５との間に、検出層１１０２、非磁性層１１０３、磁化固定層１１０４を設けた構造とし、非磁性層１１０１と非磁性層１１０５間に電圧を印加する電源１１０９を設けることによって、磁化の方向を任意に変化させることが可能である。ただし、一方の磁性膜の膜厚はスピン拡散長よりも薄く、他方の磁性膜の膜厚はスピン拡散長よりも厚くする。スピン拡散長は膜の材料や膜構成によって異なる。膜厚の薄い磁性体は検出層１１０２であり、他方は磁化固定層１１０４である。
【００２１】
図１１（ａ）のように、初期状態が２つの磁性膜（検出層１１０２および磁化固定層１１０４）の磁化方向が平行な状態であるとし、多層膜の上部、つまり検出層１１０２側から電子１１０８を注入すると、注入された電子１１０８は検出層１１０２を通過し、磁化固定層１１０４に到達する。磁化固定層１１０４において磁化方向と平行なスピンを有する電子１１０８は通過し、反平行なスピンを持つ電子１１０８は反射されて、検出層１１０２の磁化と交換相互作用する。したがって、磁化固定層１１０４で反射された電子１１０８によるスピンベクトル１１０７の方向に検出層１１０２の磁化は揃い、図１１（ｂ）に示すように反転する。
【００２２】
図１１（ｃ）に示すように、電源１１０９により注入される電流の方向を逆にすると、注入された電子のうち磁化固定層１１０４の磁化方向と平行なスピンを持つ電子１１０８は磁化固定層１１０４を通過し、検出層１１０２の磁化と交換相互作用する。反平行なスピンを持つ電子１１０８は反射される。したがって、検出層１１０２の磁化は図１１（ｃ）に示す状態から図１１（ｄ）に示すように磁化固定層１１０４の磁化方向に揃う。つまり、電流を流す方向によって、検出層１１０２の磁化方向を制御することが可能である。
【００２３】
上記のスピン注入磁化反転法では、磁化反転に要する電流の大きさは磁性体の体積に依存しており、体積が小さくなると電流も少なくて済む。つまり、小さなサイズの磁気抵抗効果膜において、スピン注入磁化反転法を用いれば、少ない電流で磁化方向の制御が可能である。
【００２４】
図１は本発明の磁性体センサの一実施形態の概略構成を示すブロック図である。本実施形態で用いるセンサは図１１に示したものと同様、検出層１０４と磁化固定層１０７の２つの磁性層と、それら２つの磁性層の間に形成される非磁性層によって構成される。センサには図示するように電源１０８と磁気抵抗効果膜の両端に印加される電圧を検出する電圧検出器１１０が接続されている。２つの磁性層が面内磁化膜であるとし、２つの磁性膜の磁化方向は平行であるとする。ここで検出器は、電圧検出器に限られるものでなく、磁気抵抗効果膜の抵抗変化を検出可能なものであればよい。
【００２５】
検出層１０４側から時間と共に電流が大きくなるように電子１０６を注入していくと、ある電流値でスピンベクトル１０５による磁化反転が生じる。ただし、センサ近傍に磁性粒子１０１が存在するか否かによってこの電流値は異なる。なぜならば磁性粒子１０１がセンサ近傍に存在する時、検出層１０４と磁性粒子１０１は静磁結合１０９が存在しているからである。もし、検出層１０４の磁化ベクトル１０３と磁性粒子１０１の磁化ベクトル１０２が図１に示すように反平行で安定した状態であるならば、検出層１０４の磁化を反転させる場合には、磁性粒子１０１の磁化も反転させる必要があり、この磁性粒子１０１の磁化反転に要するエネルギーに相当する電流が余計に必要となる。
【００２６】
したがって磁性粒子１０１が存在する場合と、存在しない場合では、検出される電圧は図２に示すような違いが見られる。図２中において、実線は磁性粒子１０１が存在しない場合の電流と電圧の関係を示し、Irは磁化反転可能となる臨界電流である。また、破線は磁性粒子が存在する場合の電流と電圧の関係で、Ir' はやはり磁化反転可能となる臨界電流を示す。磁化反転すると２つの磁性層の磁化方向が反平行となるので、センサの抵抗値が大きくなり、検出される電圧は高くなる。
【００２７】
また、２つの磁性層の磁化方向が反平行状態であるとき、電子を磁化固定層１０７側から注入すると、臨界電流以上で磁化は平行状態となるので電流と電圧の関係は図３に示したようになる。
【００２８】
したがって、電流と電圧の関係を調べることによって、センサ近傍に磁性体が存在するか否かが判定できる。
【００２９】
本発明に用いられる磁性体は、スピン注入によって磁化反転可能であり、かつ磁性体と静磁結合するものであれば、どのようなものでも使用可能であるが、Fe、Co、Niなどの遷移金属やこれらの合金が好適に用いられる。また、磁化容易方向は膜面内方向でなくても良く、例えば膜面垂直方向でも構わない。膜面垂直方向に磁化容易である材料には、例えば、希土類金属と遷移金属の合金膜や多層膜、貴金属と遷移金属の人工格子膜、CoCr合金膜あるいはBaフェライト合金膜等がある。
【００３０】
２つの磁性層の間に形成される非磁性層は電子が通過することが可能で、かつ、そのスピン状態が良く保存される材料が好ましく、そのような材料であれば導体であっても誘電体であっても構わない。導体としては例えばCuが、誘電体としては例えばAl2O3やMgOが挙げられる。
【００３１】
以上、直流電流を用いる検出方法について述べてきたが、交流電流を用い、検出層の磁化を複数回反転させて検出を行っても構わない。
【００３２】
磁性体の検出は、例えば、図４に示すように、センスアンプ（SA）４０１に磁性粒子が固定可能な磁気抵抗効果膜４０２と電源４０３を接続し、参照電圧（ref）と比較することによって行う。素子の抵抗値のずれが生じる場合には、参照電圧が望ましい値からずれ、正確な検出ができなくなることがある。これを防ぐ方法として、参照電圧は磁性体が固定されない（検出対象である磁性粒子と相互作用が生じない）磁気抵抗効果膜の両端に印加される電圧を参照電圧として用いる方法が挙げられる。
【００３３】
磁性粒子を固定化するために、磁気抵抗効果膜の表面には磁性粒子を固定するための処理が施される。それは例えばAu膜の形成である。磁性粒子の表面をチオールで修飾しておくことによって、Au-チオール結合によって磁性粒子は磁気抵抗効果膜表面に固定される。
【００３４】
また、本発明の磁性体センサは、小さな磁性粒子であっても大きな検出信号を得ることが可能であるためバイオセンサとして用いるとよい。その際に標的物質となる抗原としては、生体分子（タンパク質、核酸、糖鎖）やアレルゲン、バクテリア、ウイルス等の物質が挙げられるが、上記に限定されない。これらの抗原を特異的に認識する抗体を、磁気抵抗効果膜、および磁性粒子に固定化し、抗原抗体反応を行わせることができるものであればよい。。例えば、磁気抵抗効果膜上部に一本鎖の状態のDNAプローブを固定しておく。その後、標的物質である検体DNAで修飾された磁性粒子を含む溶液を検出部上部に滴下し、DNAプローブと検体DNAが結合したときのみ磁性粒子が磁気抵抗効果膜上部に固定される。固定されない磁性粒子を洗浄などによって検出部から除去した後、磁性粒子の測定を行なう。このとき磁性粒子の存在が確認されれば、検体DNAは所望のDNA配列を持つものであると確認される。
【００３５】
以上はDNAの検出方法について述べたが、その他にも例えば抗原の検出を行なうことも可能である。磁気抵抗効果膜上に所望の抗原に特異的に結合する一次抗体を固定化しておく。その後、検体である溶液を検出部に滴下する。このとき検体中に抗原が存在するならば、一次抗体と抗原が特異的に結合する。検出部表面の検体を洗浄し、不要な物質を除去しておく。検出に用いる磁性粒子には抗原に特異的に結合する二次抗体を固定しておき、この磁性粒子を含む溶液を検出部に滴下する。さらに検出部表面を洗浄し、抗原と結合しなかった磁性粒子を除去する。測定によって、磁性粒子を検出することによって間接的に抗原を検出する。以上に、本発明の磁性体を用いたバイオセンサの反応例を述べたが、アビジン−ビオチン反応、抗原−アプタマー（特定構造を有するＲＮＡ断片）相互作用、リガンド−レセプター相互作用、ＤＮＡ−タンパク質（転写因子等）相互作用、レクチン−糖鎖相互作用等を用いてもよい。
【実施例１】
【００３６】
図５は本発明の磁性体センサで用いられる磁気抵抗効果膜の膜構成および磁性粒子との配置関係を示した概念図である。磁気抵抗効果膜としてＴＭＲ膜を用い、スピントンネル膜５０４にはAl2O3膜を用いる。Al2O3膜の下部には人工反強磁性膜を作製し磁化固定層とする。磁化固定層は下部電極５０１上にMnIr膜５０２、FeCo膜、Ru膜、FeCo膜からなる積層膜５０３が順次積層される。この２つのFeCo膜は磁気的に結合しており、磁化は常に反平行に向いているため、磁化固定層と検出層や検出する磁性体との静磁結合が小さい。Al2O3膜の上部にはFeCo膜５０５とNiFe膜５０６の交換結合膜を配し検出層とする。下部電極は磁気抵抗効果膜の特性を劣化させる材料でなければどのような導体材料を用いても構わないが、本実施例においてはHfを用いる。磁気抵抗効果膜の上部は保護膜５０７としてPt膜を形成し、後工程での磁性体の腐食を防止する。上部電極５０８は磁気抵抗効果膜の特性を劣化させる材料でなければどのような導体材料を用いても構わないが、本実施例においてはPt膜を用いる。上部電極の上は保護膜５０９となるSiO2膜で覆い、磁性粒子のチオール基が固定されないようにしておく。さらにその上部の磁性粒子を固定させる領域に固定膜５１０としてAu膜を形成する。磁性粒子の検出を行う際には上部電極と下部電極間に電圧を印加し、所望の大きさの電流を流す。所望の電流の大きさとは、本実施例においては、磁性粒子が固定されていないＴＭＲ膜では磁化反転に伴う抵抗変化が生じ、磁性粒子が固定されているＴＭＲ膜では磁化反転に伴う抵抗変化が生じないような大きさである。
【００３７】
図６は本実施例の磁性体センサの回路構成を説明する図である。センスアンプSAの一方の入力端子には、上記ＴＭＲ膜R1と該ＴＭＲ膜R1に電流を流すための定電流源CC1が接続されている。また、他方の入力端子には磁性粒子が固定されない、すなわち上部にAu膜が形成されないＴＭＲ膜R0と該ＴＭＲ膜R0に電流を流すための定電流源CC0が接続されている。２つのＴＭＲ膜の大きさはどちらも１５０nm×６５nmの大きさで、長手方向に磁化容易軸が存在する。定電流源CC1から供給される電流の大きさと、定電流源CC0から供給される電流の大きさは同じとする。
【００３８】
検出前には検出層と磁化固定層の磁化の方向は平行な状態としておく。ここでは、外部から磁界を印加して行なってもよいし、スピン注入により行なってもよい。検出時にはＴＭＲ膜R0とＴＭＲ膜R1の検出層側から電子を注入する。このとき、ＴＭＲ膜R1の上部に磁性粒子が固定されているならば、ＴＭＲ膜R1の磁化は反転せず、ＴＭＲ膜R0の抵抗値よりもＴＭＲ膜R1の抵抗値が低くなる。この抵抗値の差が電圧の差として検出される。ＴＭＲ膜R1の上部に磁性粒子が固定されていなければ、ＴＭＲ膜R0とＴＭＲ膜R1の抵抗値は同値であるので電圧の差は生じない。
【００３９】
本実施例で検出する磁性粒子は表面がSiO2で覆われており、この磁性粒子を酢酸溶液中でメルカプトシラノールと反応させ、SH基を結合させている。したがってこの磁性粒子を含む溶液を検出部表面に滴下すると、チオール基と磁気抵抗効果膜上部のAu膜が結合し、磁性粒子が磁気抵抗効果膜上部に固定される。SiO2被服膜を含めた磁性粒子の直径は約100nmである。
【００４０】
本実施例においては、初期の磁化状態が平行で、所望の大きさの電流を磁化固定層側から流す場合について述べたが、初期の磁化状態が反平行であって、電流を検出層側から流しても良いし、電流の大きさが一定ではなくて、徐々に大きくしていくようにしても構わない。
【実施例２】
【００４１】
実施例1では面内磁化膜を用いた長方形のＴＭＲ膜をセンサとした例を示したが、垂直磁化膜によっても本発明の磁性体センサが実現可能である。
【００４２】
本実施例では粒径が50nmと小さな磁性粒子を検出する例を示す。検出する磁性粒子は実施例１と同様にSH基が結合しており、磁気抵抗効果膜の上部にはAu膜が形成されている。センサの回路は実施例１と同様である。磁気抵抗効果膜はＴＭＲ膜であって、図７に示すように、TbFeCo合金膜、FeCo合金膜、Al2O3膜、GdFeCo合金膜、Pt膜を順次積層した構成とする。TbFeCo合金膜は遷移金属副格子磁化優勢な組成であって、かつ補償組成に近い組成を有する垂直磁化膜である。TbFeCo合金膜とFeCo合金膜は交換結合しており、FeCo合金膜の磁化は膜面垂直方向に向いている。つまり、TbFeCo合金膜とFeCo合金膜からなる交換結合膜は磁化固定層として機能する。GdFeCo合金膜は検出層である。TbFeCo合金膜と同様に遷移金属副格子磁化優勢な組成で、膜面垂直方向に磁化が向いている。ＴＭＲ膜のサイズは６５nm×６５nmである。
【００４３】
検出前の初期状態においては、磁化固定層と検出層の磁化方向を反平行にしておく。検出の際には、磁化固定層側から電子が注入されるように検出電流を流す。検出電流は、磁性粒子の有無にかかわらず検出層の磁化が反転する大きさの電流値まで徐々に増加させていく。上部にAu膜が形成されているＴＭＲ膜R1上に磁性粒子が固定されていると、ある電流値でＴＭＲ膜R1の抵抗値が低くなり、ＴＭＲ膜R0の抵抗値は高いままであるので、２つのＴＭＲ膜の電圧に差が生じる。さらに電流値を大きくしていくと、やがてR0の抵抗値も低くなり、２つのＴＭＲ膜の電圧値は等しくなる。
【００４４】
ＴＭＲ膜R1上部に磁性粒子が固定されていなければ、ＴＭＲ膜R1とＴＭＲ膜R0の抵抗変化は同時に生じ、電圧の差は検出されない。
【００４５】
本実施例においては、初期の磁化状態が反平行で、電流を検出層側から徐々に大きくなるように流す場合について述べたが、初期の磁化状態が平行であって、電流を磁化固定層側から流しても良いし、電流の大きさが一定であっても良い。
【実施例３】
【００４６】
本発明の磁性体センサはバイオセンサとしても使用可能である。本実施例では、前立腺癌のマーカーとして知られている前立腺特異抗原（PSA）を検出するバイオセンサについて述べる。
【００４７】
本実施例で用いた磁気抵抗効果膜は、実施例１のＴＭＲ膜と同じ構成とした。また、磁性粒子の粒径は約１００nmである。
【００４８】
磁気抵抗効果膜上に形成されるAu膜の表面に一次抗体を担持するために、Au膜の表面は、ピラニア溶液（硫酸：過酸化水素＝３：１）処理された後、10−カルボキシ−1−デカンチオールの1mMエタノール溶液で処理されることで、カルボキシル基が表面に提示された自己組織化膜（SAM）が形成される。さらに一次抗体を固定化させるために、水溶性カルボジイミド（WSC）、Ｎ−ヒドロキシスクシンイミド（NHS）を反応させ、Au膜表面のカルボキシル基を活性エステル基に変換される。この変換は、全反射吸収測定法（ATR）等により確認することができる。続いて、抗PSA抗体を接触させることで、抗体のアミノ基がSAM上に結合して固定化される。上記の抗体固定化はATRにより抗体由来のアミド結合を検出することで確認することができる。なお、抗体固定化後はAu膜表面を高濃度のエタノールアミンで処理することで、未反応の活性エステル基をブロッキングする。以上の操作により、一次抗体として抗PSA抗体が固定された検出用センサが構築される。。
【００４９】
この検出センサを用い、以下のプロトコールに従って前立腺癌のマーカーとして知られている前立腺特異抗原（PSA）の検出を試みることができる。検出センサには、PSAを認識する一次抗体が固定化されている。
【００５０】
（１）抗原（被検体）であるPSAを含むリン酸緩衝生理食塩水（被検体溶液）に上記検出センサを浸し、５分間インキュベートする。
【００５１】
（２）未反応のPSAをリン酸緩衝生理食塩水で洗浄する。
【００５２】
（３）磁性粒子により標識された抗PSA抗体（二次抗体）を含むリン酸緩衝生理食塩水に工程（１）および（２）が終了した上記検出センサを浸し、５分間インキュベートする。
【００５３】
（４）未反応の該標識抗体をリン酸緩衝生理食塩水で洗浄する。
【００５４】
上記プロトコールによって、図８に示すように二次抗体８０１、抗原８０３、一次抗体８０４がそれぞれ結合し、磁性粒子８０２が磁気抵抗効果膜を構成するAu膜８０５の上部に固定されている。つまり、被検体の中に抗原８０３が存在しない場合には、磁性粒子８０２は磁気抵抗効果膜上部に固定されないので、磁性粒子８０２の有無を検出することによって、抗原８０３の検出が可能である。また、固定された磁性粒子８０２の数を検出することによって、被検体中に含まれる抗原８０３の量を間接的に知ることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明の磁性体センサは、磁性粒子に磁界を印加することなく磁性体の検出が可能であり、微細なセンサであっても大きなエネルギーを消費することなく、磁性体の検出が可能である。さらに磁性体に修飾処理を施すことによって、生体物質など検出が可能なセンサとして用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の磁性体センサの原理を説明する概念図である。
【図２】本発明の磁性体センサに流す電流と磁性体センサにかかる電圧の関係を示した図である。
【図３】本発明の磁性体センサに流す電流と磁性体センサにかかる電圧の関係を示した図である。
【図４】本発明の磁性体センサの回路図である。
【図５】本発明の磁性体センサで用いられる磁気抵抗効果膜の膜構成および磁性粒子との配置関係を示した概念図である。
【図６】本発明の実施例１の磁性体センサの回路構成を説明する図である。
【図７】本発明の実施例２の磁性体センサに用いられる磁気抵抗効果膜の膜構成を模式的に示す図である。
【図８】本発明の実施例３のバイオセンサにおいて、磁性粒子が固定される様子を模式的に示した概念図である。
【図９】磁性粒子から生じる浮遊磁界の方向を説明するための概念図である。
【図１０】スピン注入による磁化反転を説明する概念図であって、（ａ）は磁化が反転する前の状態、（ｂ）は磁化が反転した状態を示す図である。
【図１１】スピン注入による磁化反転を説明する概念図であって、（ａ）は電子を検出層側から注入する場合において、磁化が反転する前の状態、（ｂ）は電子を検出層側から注入する場合において、磁化が反転した状態、（ｃ）は電子を磁化固定層側から注入する場合において、磁化が反転する前の状態、（ｄ）は電子を磁化固定層側から注入する場合において、磁化が反転した状態を示す図である。
【符号の説明】
【００５７】
１０１    磁性粒子
１０２    磁化ベクトル
１０３    磁化ベクトル
１０４    検出層
１０５  スピンベクトル
１０６    電子
１０７    磁化固定層
１０８    電源
１０９    静磁結合
１１０    電圧検出器
４０１    センスアンプ
４０２    磁気抵抗効果膜
４０３    電源
５０１    下部電極
５０２    MnIr膜
５０３    積層膜
５０４    スピントンネル膜
５０５    FeCo膜
５０６    NiFe膜
５０７    保護膜
５０８    上部電極
５０９    保護膜
５１０    固定膜
５１１    上部電極
８０１    二次抗体
８０２    磁性粒子
８０３    抗原
８０４    一次抗体
８０５    Au膜
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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