(57)【要約】抗原、抗体、ＤＮＡ、ＲＮＡ等の測定対象物を磁場の検知により分析することにより未結合の標識分子の洗い流しが不要なバイオセンサにおいて、小型かつ低価格で、より検知の精度が高いバイオセンサを提供する。磁性体粒子に標識された磁性分子が結合するセンサチップのセンサ面に形成される磁場を検知するために、半導体ホール素子を、センサチップ表面の凹部の下に、２次元のアレイ状に配置する。半導体ホール素子の表面積は、磁性分子の最大断面積と同等以下の大きさとし、その配置間隔は磁性体分子の直径より大きいものとする。これにより、分析の精度を高めることができる。また、半導体ホール素子の配線を共通にすることにより、センサを小型化することができる。
2003067258.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
結合した磁性分子により形成される磁場を検知するための検知素子がＸ行Ｙ列（Ｘ及びＹは、自然数、以下同じ）の２次元に配置されてなる磁気センサによって、前記磁性分子の量を測定することにより測定対象物の分析を行うバイオセンサであって、
前記磁気センサのセンサ面の互いに異なる領域の磁場の強さ同士を比較することにより、前記結合した磁性分子の量を特定する信号処理手段を含み、前記特定された磁性分子の量に基づいて測定対象物の分析を行うことを特徴とするバイオセンサ。
【請求項２】
前記センサ面には、前記磁性分子が結合不能な基準領域が設けられており、
前記信号処理手段は、前記基準領域の磁場の強さを基準として比較を行うことを特徴とする請求の範囲第１項記載のバイオセンサ。
【請求項３】
前記Ｘ行Ｙ列に配置された検知素子の各々を選択し、その出力を取り出すための選択手段を、更に含むことを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項記載のバイオセンサ。
【請求項４】
前記検知素子による磁場の検知が可能な各検知空間は、結合する前記磁性分子が略１分子となるような大きさであることを特徴とする請求の範囲第１項から第３項のいずれかに記載のバイオセンサ。
【請求項５】
前記磁気センサには、前記検知素子同士が互いに異なる磁性分子を検知するような間隔で配置されることを特徴とする請求の範囲第１項から第４項のいずれかに記載のバイオセンサ。
【請求項６】
前記検知素子は、半導体ホール素子を含むことを特徴とする請求の範囲第１項から第５項のいずれかに記載のバイオセンサ。
【請求項７】
隣接する前記検知素子同士は、前記磁性分子の直径以上の間隔をおいて、隣接配置されることを特徴とする請求の範囲第５項又は第６項記載のバイオセンサ。
【請求項８】
前記センサ面には、前記磁性分子と結合する分子受容体を特定領域に選択的に固定させるための表面処理がなされていることを特徴とする請求の範囲第１項から第７項のいずれかに記載のバイオセンサ。
【請求項９】
前記センサ面には、前記磁性分子の大きさに対応する大きさの凹部が備えられ、
前記センサ面は、前記磁性分子と結合する分子受容体を該凹部にのみ備えることを特徴とする請求の範囲第８項記載のバイオセンサ。
【請求項１０】
前記センサ面には、前記特定領域に金薄膜が形成され、チオール基によって末端が修飾された前記分子受容体を選択的に固定することを特徴とする請求の範囲第８項又は第９項記載のバイオセンサ。
【請求項１１】
前記基準領域には、前記分子受容体が固定不能なように表面処理がなされていることを特徴とする請求の範囲第１項から第１０項のいずれかに記載のバイオセンサ。
【請求項１２】
前記センサ面の対向位置に配置され、前記センサ面に印加する磁場を発生する第１の磁場発生手段を含むことを特徴とする請求の範囲第１項から第１１項のいずれかに記載のバイオセンサ。
【請求項１３】
前記センサ面の裏側に配置され、前記センサ面に印加する磁場を発生する第２の磁場発生手段を含むことを特徴とする請求の範囲第１項から第１２項のいずれかに記載のバイオセンサ。
【請求項１４】
前記磁気センサは、そのセンサ面が重力の働く方向に配置されることを特徴とする請求の範囲第１項から第１３項のいずれかに記載のバイオセンサ。
【請求項１５】
前記第１あるいは第２の磁場発生手段が間欠的に磁場を発生させる手段を含むことを特徴とする請求の範囲第１２項から第１４項のいずれかに記載のバイオセンサ。
【請求項１６】
前記磁気センサと、前記選択手段と、前記検知素子の出力信号を増幅する信号増幅回路とが、１チップ上に形成されることを特徴とする請求の範囲第３項から第１５項のいずれかに記載のバイオセンサ。
【請求項１７】
前記第１あるいは第２の磁場発生手段が、一定の周波数で磁場を発生させ、前記検知素子の出力信号から前記磁場に対応する周波数成分のみを取り出す検波回路を含むことを特徴とする請求の範囲第１２項から第１６項のいずれかに記載のバイオセンサ。
【請求項１８】
前記半導体ホール素子は、一対の電流端子と、前記電流端子間に流れる電流を制御するゲート電極と、電流が前記電流端子間に流れる電流に略垂直に流れるように配置された一対の出力端子を有することを特徴とする請求の範囲第６項から第１７項のいずれかに記載のバイオセンサ。
【請求項１９】
前記ゲート電極は、同一の列に配置された前記半導体ホール素子に共通のゲート電極線に接続され、
前記一対の電流端子は、同一の行に配置された前記半導体ホール素子に共通の一対の電流端子線に接続され、
前記一対の出力端子は、同一の行に配置された前記半導体ホール素子に共通の一対の出力端子線に接続され、
前記選択手段は、前記ゲート電極線と、一対の電流端子線と、一対の出力端子線と、を選択することにより、任意の位置に配置された前記半導体ホール素子の出力信号を取り出すことを特徴とする請求の範囲第１８項記載のバイオセンサ。
【請求項２０】
結合した磁性分子により形成される磁場を検知するための検知素子がＸ行Ｙ列（Ｘ及びＹは、自然数、以下同じ）の２次元に配置されてなる磁気センサにより前記磁性分子の量を測定する磁性分子測定方法であって、
前記磁気センサのセンサ面の互いに異なる領域の磁場の強さを取得する測定ステップと、
前記測定ステップにより取得した前記互いに異なる領域の磁場の強さ同士を比較することにより、前記結合した磁性分子の量を特定する計量ステップと、を含むことを特徴とする磁性分子測定方法。
【請求項２１】
前記計量ステップにおいては、前記測定ステップにより取得した磁性分子が結合不能な基準領域の磁場の強さを基準として比較を行うことを特徴とする請求の範囲第２０項記載の磁性分子測定方法。
【請求項２２】
結合した磁性分子により形成される磁場を検知するための検知素子がＸ行Ｙ列（Ｘ及びＹは、自然数、以下同じ）の２次元に配置されてなる磁気センサにより前記磁性分子の量を測定する磁性分子測定方法であって、
前記磁性分子が結合する前において、磁場の強さを取得する結合前測定ステップと、
前記磁性分子が結合した後において、磁場の強さを取得する結合後測定ステップと、
前記結合前の磁場の強さと、前記結合後の磁場の強さと、を比較することにより、前記結合した磁性分子の量を特定する計量ステップと、を含むことを特徴とする磁性分子測定方法。
【請求項２３】
前記検知素子から出力されるオフセット値を取得するオフセット値取得ステップを、更に、含むことを特徴とする請求の範囲第２０項から第２２項のいずれかに記載の磁性分子測定方法。
【請求項２４】
前記測定ステップにおいては、前記センサ面に一定の周波数で印加される磁場によって、前記磁場に対応する周波数で出力される信号を含む検知素子の出力信号を取得し、
前記計量ステップにおいては、前記測定ステップにおいて取得した検知素子の出力信号から前記磁場に対応する周波数成分のみを取り出すことにより、直流成分として含まれるオフセット値を除去して得た値を用いて比較を行うことを特徴とする請求の範囲第２０項又は第２１項記載の磁性分子測定方法。
【請求項２５】
前記磁性分子の前記センサ面への導入時に、磁場発生手段により前記磁性分子を前記センサ面に近づけるための磁場を発生する結合加速ステップを、更に、含むことを特徴とする請求の範囲第２０項から第２４項のいずれかに記載の磁性分子測定方法。
【請求項２６】
前記磁性分子のセンサ面への導入後、前記センサ面の対向位置に配置された第１の磁場発生手段と、前記センサ面の裏側に配置された第２の磁場発生手段とによって、交互に磁場を形成することにより、磁性分子を撹拌する撹拌ステップを、更に、含むことを特徴とする請求の範囲第２０項から第２５項のいずれかに記載の磁性分子測定方法。
【請求項２７】
前記結合加速ステップおよび攪拌ステップにおいては、前記磁性分子の磁化が飽和状態になる様な強さの磁場を印加し、
前記測定ステップにおいては、前記磁性分子の磁化が飽和状態にならない様な強さの磁場を印加することを特徴とする請求の範囲第２６項記載の磁性分子測定方法。
【請求項２８】
請求の範囲第１項から第１９項のいずれかに記載のバイオセンサを用いた測定対象物の測定方法であって、
前記磁性分子として、結合する前記測定対象物と特異的に結合する分子を用い、
測定対象物に特異的に結合した前記磁性分子の量をバイオセンサを用いて特定するステップと、
前記磁性分子の量に基づいて、測定対象物の量を特定するステップと、を含むことを特徴とする対象物測定方法。
【請求項２９】
請求の範囲第１項から第１９項のいずれかに記載のバイオセンサを用いた測定対象物の測定方法であって、
前記磁性分子として、結合する前記測定対象物と可逆的に置換可能な分子を用い、
前記測定対象物に代わって結合した磁性分子の量をバイオセンサを用いて特定するステップと、
前記磁性分子の量に基づいて、測定対象物の量を特定するステップと、を含むことを特徴とする対象物測定方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明はバイオセンサ、磁性分子測定方法、及び、測定対象物測定方法に関し、特に磁性分子の量を測定することにより測定対象物の分析を行うためのバイオセンサ、磁性分子測定方法、及び、測定対象物測定方法に関する。
背景技術
近年、抗原とそれに対する抗体との結合等の、特定の分子同士の特異的な結合を利用して抗原、抗体、ＤＮＡ（Ｄｅｏｘｙｒｉｂｏｎｕｃｌｅｉｃ  Ａｃｉｄ）、ＲＮＡ（Ｒｉｂｏｎｕｃｌｅｉｃ  Ａｃｉｄ）等を検出する、免疫学的手法あるいはハイブリダイゼーションなどによる臨床診断・検出や遺伝子の解析が行われている。
特に固相結合分析においては、磁性体粒子を検出に用いる方法がある。従来の磁性体粒子を用いた固相分析の模式図が、図１７に示されている。
図に示されるように、この分析は、固相９１と、測定対象物６２を捕捉する分子受容体６１と、磁性体粒子５１と、測定対象物６２を検出する分子受容体６３と、を用いて行われ、測定対象物質６２の分析を行う。
固相９１は、試料溶液と接する固相面を有し、該固相面に分子受容体６１を固定する。固相には、ポリスチレンビーズ、反応槽壁面、基板表面などが用いられる。
分子受容体６１及び分子受容体６３は、試料溶液中に存在する抗原、抗体、ＤＮＡ、ＲＮＡ等の測定対象物質６２に特異的に結合する分子が用いられる。
磁性体粒子５１は、磁化を有する標識物質である。この磁性体粒子の磁化により形成される磁場を検知することにより、後述のような状態にある磁性体粒子５１の量を特定し、試料溶液中の測定対象物の有無あるいは濃度を認識することができる。磁性体粒子５１のほかに標識として、放射性物質、蛍光体、化学発光体、酵素など検知可能な信号を発するものが用いられている。これら標識を用いた検査法としては、抗原−抗体反応を利用した酵素免疫測定法（ＥＩＡ法）や、イムノアッセイの標識化合物として化学発光性化合物で標識する狭義の化学発光法（ＣＬＩＡ）や化学発光性化合物を検出系に用いて酵素活性を高感度に検出する化学発光酵素法（ＣＬＥＩＡ）等の化学発光法（ＣＬ法）等が公知である。
あらかじめ磁性体粒子５１に結合された分子受容体６３は、あらかじめ磁性体粒子５１に結合された測定対象物質６２に特異的に結合する抗体である。
図に示される分析においては、まず、あらかじめ分子受容体６１が固定された固相９１に、測定対象物質６２を含む試料溶液を投入する。これにより、測定対象物質６２が、特異的に結合する。試料溶液中に含まれる他の物質は、固相９１に結合することなく、試料溶液中を浮遊する。次に、分子受容体６３を固定した磁性体粒子５１を試料溶液中に投入する。又、測定対象物６２と同時に分子受容体６３を固定した磁性体粒子５１を試料溶液中に投入してもよい。これにより、分子受容体６３が、固相に固定された分子受容体６１に特異的に結合した測定対象物質６２に、特異的に結合する。このような、分子受容体６３を固定した磁性体粒子５１を磁性分子と呼ぶ。次に、この磁性体粒子により形成される磁場を検知し、固相９１面に結合した磁性体粒子５１の量を特定する。これにより、固相９１面に結合した測定対象物質６２の濃度あるいは、位置を特定することができる。この磁場の検知を、アレイ状に配置した磁気抵抗素子により検出する方法が米国特許第５，９８１，２９７号明細書及び国際特許ＷＯ９７／４５７４０明細書により開示されている。
これら標識を利用した分析の手法として、上述の分子受容体に特異的に結合した測定対象物に、さらに標識を付けた別の分子を特異的に結合させるサンドイッチアッセイ法以外にも、測定対象物と標識を付けた別の分子とを分子受容体に競合させて結合させる競合アッセイ法等がある。
従来の手法では、標識からの発光等の信号を光学的な検出装置等の該信号の検知が可能な装置により検出している。これらの方法では、固相表面に固定されている結合分子に特異的に結合している分子の標識からの信号のみを捕らえる必要がある。しかしながら、光学的な検出の場合、未結合の標識分子が存在すると、この標識からの信号も捕らえることになり、正確な解析が行えない。
従って、未結合の標識分子は完全に洗い流す必要がある。また、光学的な検出装置では、微弱な光信号を検出する必要があり、検出装置の小型化や低価格化が困難である。
又、上述の米国特許第５，９８１，２９７号明細書で開示されているように磁性体粒子を標識に用いて磁気抵抗素子により検出する方法では、未結合の標識分子を洗い流す必要はない。しかしながら、磁気抵抗素子をアレイ状に配置した検出チップでは、個々の素子の信号を独立に取り出すためには、スイッチング回路が必要となる。アレイ状の個々の素子からスイッチング回路まではそれぞれ電気配線が必要である。このため、素子の数が増えるほど、配線が複雑かつ配線の占める面積が増えて小型化が困難である等の問題がある。
又、上述の国際特許ＷＯ９７／４５７４０では、磁気抵抗素子により構成されるブリッジ回路とスイッチ素子となるトランジスタで磁性体粒子の検出回路を構成している。しかしながら、磁気抵抗素子は磁性材料を必要とする為、トランジスタを含む回路の一部を一般的な集積回路製造プロセスで加工した後、磁性薄膜の形成及び加工工程が必要となる。
本発明の目的は、抗原、抗体、ＤＮＡ、ＲＮＡ等の測定対象物を磁場の検知により分析することにより未結合の標識分子を洗い流すことが不要なバイオセンサにおいて、小型かつ低価格で、より検知の精度が高いバイオセンサ、磁性分子測定方法、及び、測定対象物測定方法を提供することにある。
発明の開示
本発明によるバイオセンサは、結合した磁性分子により形成される磁場を検知するための検知素子がＸ行Ｙ列（Ｘ及びＹは、自然数、以下同じ）の２次元に配置されてなる磁気センサによって、前記磁性分子の量を測定することにより測定対象物の分析を行うバイオセンサであって、
前記磁気センサのセンサ面の互いに異なる領域の磁場の強さ同士を比較することにより、前記結合した磁性分子の量を特定する信号処理手段を含み、前記特定された磁性分子の量に基づいて測定対象物の分析を行うことを特徴とする。
また、前記センサ面には、前記磁性分子が結合不能な基準領域が設けられており、
前記信号処理手段は、前記基準領域の磁場の強さを基準として比較を行うことを特徴とする。
ここで、互いに異なる領域としては、例えば、隣接するホール素子により検出される磁場の強さ同士を比較する。あるいは、基準となる領域を設けて、その領域において検知される磁場の強さを、他の任意の領域において検知される磁場の強さとの比較対照としてもよい。
さらに、前記Ｘ行Ｙ列に配置された検知素子の各々を選択し、その出力を取り出すための選択手段を、更に含むことを特徴とする。
また、前記検知素子による磁場の検知が可能な各検知空間は、結合する前記磁性分子が略１分子となるような大きさであることを特徴とする。
これにより、検知素子によって検知される磁性分子の個数を１個程度に制限し、複数の磁性分子が検知されることによる測定値のばらつきを抑え、分析の精度を向上させることができる。
また、前記磁気センサには、前記検知素子同士が互いに異なる磁性分子を検知するような間隔で配置されることを特徴とする。
これにより、隣接する検知素子同士が同一の磁性分子を検知するなどの干渉を抑えることができる。
そして、前記検知素子は、半導体ホール素子を含むことを特徴とする。
また、隣接する前記検知素子同士は、前記磁性分子の直径以上の間隔をおいて、隣接配置されることを特徴とする。
これにより、隣接する半導体ホール素子同士が同一の磁性分子を検知するなどの干渉を抑えることができる。
また、前記センサ面には、前記磁性分子と結合する分子受容体を特定領域に選択的に固定させるための表面処理がなされていることを特徴とする。
また、前記センサ面には、前記磁性分子の大きさに対応する大きさの凹部が備えられ、
前記センサ面は、前記磁性分子と結合する分子受容体を該凹部にのみ備えることを特徴とする。
また、前記センサ面には、前記特定領域に金薄膜が形成され、チオール基によって末端が修飾された前記分子受容体を選択的に固定することを特徴とする。
また、前記基準領域には、前記分子受容体が固定不能なように表面処理がなされていることを特徴とする。
さらに、前記センサ面の対向位置に配置され、前記センサ面に印加する磁場を発生する第１の磁場発生手段を含むことを特徴とする。
前記センサ面の裏側に配置され、前記センサ面に印加する磁場を発生する第２の磁場発生手段を含むことを特徴とする。
また、前記磁気センサは、そのセンサ面が重力の働く方向に配置されることを特徴とする。
前記第１あるいは第２の磁場発生手段が間欠的に磁場を発生させる手段を含むことを特徴とする。
また、前記磁気センサと、前記選択手段と、前記検知素子の出力信号を増幅する信号増幅回路とが、１チップ上に形成されることを特徴とする。
また、前記第１あるいは第２の磁場発生手段が、一定の周波数で磁場を発生させ、前記検知素子の出力信号から前記磁場に対応する周波数成分のみを取り出す検波回路を含むことを特徴とする。
更に、前記半導体ホール素子は、一対の電流端子と、前記電流端子間に流れる電流を制御するゲート電極と、電流が前記電流端子間に流れる電流に略垂直に流れるように配置された一対の出力端子を有することを特徴とする。
この場合において、前記ゲート電極は、同一の列に配置された前記半導体ホール素子に共通のゲート電極線に接続され、
前記一対の電流端子は、同一の行に配置された前記半導体ホール素子に共通の一対の電流端子線に接続され、
前記一対の出力端子は、同一の行に配置された前記半導体ホール素子に共通の一対の出力端子線に接続され、
前記選択手段は、前記ゲート電極線と、一対の電流端子線と、一対の出力端子線と、を選択することにより、任意の位置に配置された前記半導体ホール素子の出力信号を取り出すことを特徴とする。
各列毎、各行毎に配線を共通にすることにより、任意の位置にある半導体ホール素子の選択を簡便に行うことができると共に、配線数を軽減することができる。これにより、測定対象試料に応じて、磁気センサの作成を容易にし、また、磁気センサを小型化することができる。
本発明による磁性分子測定方法は、結合した磁性分子により形成される磁場を検知するための検知素子がＸ行Ｙ列（Ｘ及びＹは、自然数、以下同じ）の２次元に配置されてなる磁気センサにより前記磁性分子の量を測定する磁性分子測定方法であって、
前記磁気センサのセンサ面の互いに異なる領域の磁場の強さを取得する測定ステップと、
前記測定ステップにより取得した前記互いに異なる領域の磁場の強さ同士を比較することにより、前記結合した磁性分子の量を特定する計量ステップと、を含むことを特徴とする。
この場合において、前記計量ステップにおいては、前記測定ステップにより取得した磁性分子が結合不能な基準領域の磁場の強さを基準として比較を行うことを特徴とする。
本発明による別の磁性分子測定方法は、結合した磁性分子により形成される磁場を検知するための検知素子がＸ行Ｙ列（Ｘ及びＹは、自然数、以下同じ）の２次元に配置されてなる磁気センサにより前記磁性分子の量を測定する磁性分子測定方法であって、
前記磁性分子が結合する前において、磁場の強さを取得する結合前測定ステップと、
前記磁性分子が結合した後において、磁場の強さを取得する結合後測定ステップと、
前記結合前の磁場の強さと、前記結合後の磁場の強さと、を比較することにより、前記結合した磁性分子の量を特定する計量ステップと、を含むことを特徴とする。
また、前記検知素子から出力されるオフセット値を取得するオフセット値取得ステップを、更に、含むことを特徴とする。
また、前記測定ステップにおいては、前記センサ面に一定の周波数で印加される磁場によって、前記磁場に対応する周波数で出力される信号を含む検知素子の出力信号を取得し、
前記計量ステップにおいては、前記測定ステップにおいて取得した検知素子の出力信号から前記磁場に対応する周波数成分のみを取り出すことにより、直流成分として含まれるオフセット値を除去して得た値を用いて比較を行うことを特徴とする。
さらに、前記磁性分子の前記センサ面への導入時に、磁場発生手段により前記磁性分子を前記センサ面に近づけるための磁場を発生する結合加速ステップを、更に、含むことを特徴とする。
また、前記磁性分子のセンサ面への導入後、前記センサ面の対向位置に配置された第１の磁場発生手段と、前記センサ面の裏側に配置された第２の磁場発生手段とによって、交互に磁場を形成することにより、磁性分子を撹拌する撹拌ステップを、更に、含むことを特徴とする。
また、前記結合加速ステップおよび攪拌ステップにおいては、前記磁性分子の磁化が飽和状態になる様な強さの磁場を印加し、
前記測定ステップにおいては、前記磁性分子の磁化が飽和状態にならない様な強さの磁場を印加することを特徴とする。
本発明による測定対象物の測定方法は、請求の範囲第１項から第１９項のいずれかに記載のバイオセンサを用いた測定対象物の測定方法であって、
前記磁性分子として、結合する前記測定対象物と特異的に結合する分子を用い、
測定対象物に特異的に結合した前記磁性分子の量をバイオセンサを用いて特定するステップと、
前記磁性分子の量に基づいて、測定対象物の量を特定するステップと、を含むことを特徴とする。
本発明による別の測定対象物の測定方法は、請求の範囲第１項から第１９項のいずれかに記載のバイオセンサを用いた測定対象物の測定方法であって、
前記磁性分子として、結合する前記測定対象物と可逆的に置換可能な分子を用い、
前記測定対象物に代わって結合した磁性分子の量をバイオセンサを用いて特定するステップと、
前記磁性分子の量に基づいて、測定対象物の量を特定するステップと、を含むことを特徴とする。
発明を実施するための最良の形態
次に、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の説明において参照する各図では、他の図と同等部分は同一符号によって示されている。
図１は本発明のバイオセンサを構成するセンサチップの一部の概略図を示すものである。センサチップ１は、検知素子となる半導体ホール素子と、それらの信号処理回路と、を含んで構成され、以下に説明するように製造する。
センサチップ１は、周知の技術であるＣＭＯＳ（ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  ｍｅｎｔａｌ−ｏｘｉｄｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｄｅｖｉｃｅ）製造プロセスによりシリコン基板１１上に形成される。センサチップ１表面の凹部１３の下には、半導体ホール素子が形成されており、個々の半導体ホール素子の入力及び出力はゲート電極３０及び金属配線４を介して行われる。
ＣＭＯＳ製造プロセスでシリコン基板１１上に半導体ホール素子及び信号処理回路を形成した後、センサチップ１表面に抗原、抗体、ＤＮＡ、ＲＮＡ等の分子受容体をシランカップリング剤等を介して固定する。
次に、試料溶液をセンサチップ１表面に滴下し、抗原、抗体、ＤＮＡ、ＲＮＡ等の測定対象物をセンサチップ１表面の分子受容体と結合させる。更に、センサチップ１表面に抗原、抗体、ＤＮＡ、ＲＮＡ等を結合させた磁性体粒子を導入し、測定対象物が特異的に結合している半導体ホール素子上に特異的に結合させる。
この半導体ホール素子は、特異的に結合する磁性分子が１分子程度となるような大きさの検知空間、すなわち、本実施例においては、半導体ホール素子が、センサチップ１１表面に固定される分子受容体に結合する磁性分子により形成される磁場を検知可能な空間、を構成することが望ましい。ここで磁性分子とは、磁化を有する分子である。本実施の形態においては、磁性体粒子により標識されている分子で、磁性体粒子には分子受容体が付着されている。あるいは、それ自身が磁化を有することにより、半導体ホール素子により検知される。本実施例においては、半導体ホール素子２の表面積を、磁性分子の最大断面積と同等な大きさとしている。
これにより、検知空間に存在する磁性分子５の個数を１個程度に制限することができる。このため、１個の半導体ホール素子２により１個の磁性分子５の存在の有無を検知することにより測定を行うような場合に、２個以上の磁性分子５が１個の半導体ホール素子により検知されるのを防ぐことができ、測定を確実に行うことができる。本発明は、測定方法を、１個の半導体ホール素子により１個の磁性分子の存在の有無を検知することにより行うように限定するものではない。すなわち、半導体ホール素子２の表面積を、磁性分子の複数個分の最大断面積と同等な大きさとし、１個の半導体ホール素子により複数の磁性分子の存在を検知しても良い。
また、これは図１に示されるように、センサチップ１１表面であって、検知空間内に凹部１３を設け、その面積を各測定に用いる磁性分子５の大きさに対応したものとすることによっても同様の効果を得ることができる。例えば、凹部１３を上述の磁性分子５の最大断面積よりも小さく設置する。そして、凹部１３にのみ分子受容体を配置する。これにより、半導体ホール素子の大きさを維持したまま、検知空間にある分子受容体の個数を制限して、結合可能な磁性分子５の量を制御することができる。これは、半導体ホール素子の大きさに比し、磁性分子５が非常に微小で、検知空間を縮小できないような場合に用いることができる。本実施例においては、凹部１３は、半導体ホール素子の設置面上に金属配線４を設置することにより構成されるが、例えば、センサチップ１表面が平滑となるように作成した後で、エッチングにより凹部１３を作成しても良い。センサチップ１に、分子受容体を結合させた後には、センサチップ表面１１を払拭することにより凹部１３にのみ、分子受容体を結合させることができる。
なお、図１に示されているように、半導体ホール素子を凹部の底面部分に設置する場合に限定されず、センサチップ表面が平滑になるように半導体ホール素子を設置しても良い。しかし、センサチップ表面の凹部１３の下に半導体ホール素子を形成することにより、上述の効果のほか、次のような効果が得られる。すなわち、半導体ホール素子により検知される領域における磁性分子の結合条件を調節し、半導体ホール素子の検知空間の境界に存在する磁性分子による干渉を防止したり、あるいは、分子受容体を同一条件下にある領域にのみ固定することにより分子受容体と磁性分子の反応条件を均一にすることができる。
更に、本実施の形態においては、半導体ホール素子を２次元のアレイ状に設置している。このときセンサチップには、半導体ホール素子を、隣接する半導体ホール素子同士が互いに異なる磁性分子を検知するような間隔をおいて配置する。これにより、各々の半導体ホール素子の干渉を防ぐことができる。これは、上述のように、互いに異なる半導体ホール素子に対応する凹部を、上述の間隔で設置することによっても同様な効果を得ることができる。本実施例においては、図１に示されるように、それぞれの半導体ホール素子に対応する凹部１３が、磁性分子５の直径Ｒよりも大きい間隔Ｗをおいて設置されている。
センサチップ１表面に抗原、抗体、ＤＮＡ、ＲＮＡ等の分子受容体を固定する方法として以下の方法を用いても良い。ＣＭＯＳ製造プロセスでシリコン基板１１上に半導体ホール素子及び信号処理回路を形成した後、センサチップ表面に金薄膜を形成する。金薄膜とセンサチップ表面の密着性を向上させるために、金薄膜とセンサチップ１表面の間には密着層としてＣｒ、Ｎｉ、Ｔｉ等の薄膜を形成することが望ましい。
金薄膜を形成後、末端をチオール基で修飾した分子受容体を金薄膜表面に固定する。ここで金薄膜形成後、チオール化合物を金薄膜表面に固定し、この上に分子受容体を固定しても良い。
また、金薄膜は図１の凹部１３で示されるような半導体ホール素子の設置に対応する位置にのみに形成しても良い。チオール基は金薄膜と選択的に結合するため、分子受容体をセンサチップ１表面の特定の領域のみに固定することができる。
特定位置に形成される金薄膜のパターンは、ホトレジストによりパターンを形成後、密着層となるＴｉ薄膜および金薄膜をスパッタにより堆積し、ホトレジストを除去することによる、いわゆるリフトオフ法により形成できる。
次に、図２を用いて本発明のバイオセンサの検出原理を説明する。図２は、センサチップ１の半導体ホール素子２近辺の断面を模式的に表したものである。半導体ホール素子２の表面に抗体として構成される分子受容体６１が固定されている。その分子受容体６１に測定対象物６２が特異的に結合し、その測定対象物６２に、さらに、磁性体粒子５１が、抗体として構成される分子受容体６３と測定対象物６２との特異的結合を介して結合している。この磁性体粒子５１と分子受容体６３とは互いに結合して、磁性分子５を構成するものである。
センサチップ１表面に対向する位置には、上部コイルＣＵ（第１の磁場発生手段）を配置する。上述のようにセンサチップ１表面に磁性分子が結合した状態で、上部コイルＣＵに通電し磁場を発生させる。コイルの代わりに、例えば、永久磁石などを用いてもよい。図２では磁束Ｂが、矢印Ｚで示される方向に形成され、半導体ホール素子面に対して垂直であることが示されている。磁束Ｂは磁性体粒子５１により収束されるため、磁性体粒子５１が無い場合に比べて半導体ホール素子２での磁束密度は増加する。又、上部コイルにより磁場を印加するため、センサチップ１の表面から遠ざかるほど磁束密度が増加する。このため、センサチップ１表面に結合せずに浮遊している磁性分子５は上方に引き寄せられ、半導体ホール素子２により検知する磁束密度には影響しない。半導体ホール素子２の出力電圧は磁束密度に比例するため、この出力電圧により磁性分子５が半導体ホール素子２上に結合しているか否かを判定できる。
また、１つの半導体ホール素子２で複数の磁性分子の存在を検知する場合は、磁性体粒子により収束され増加する磁束密度の増分は、磁性体粒子の数に依存する為、１つの半導体ホール素子２上に結合した磁性分子の数を検知することもできる。
また、本実施の形態においては、センサチップ１の裏側にも、下部コイルＣＤ（第２の磁場発生手段）を配置する。この下部コイルＣＤは、磁性分子の検知するためではなく、磁性分子をセンサチップ１表面に近づけるための磁場を発生するものである。永久磁石などを用いてもよい。下部コイルＣＤは、センサチップ１への磁性分子の導入時に、通電して磁場を発生させるようにする。このセンサチップ１表面からの距離の増加に応じて磁束密度が減少するように形成された磁場により、磁性分子がセンサチップ１表面に引き寄せられて、磁性体粒子がセンサチップ１表面に結合する時間が短縮される。
更に、図３には、半導体ホール素子の感度を向上させるための処理がなされたセンサチップの断面図が示されている。センサチップ１は、上述のように、ＣＭＯＳ製造プロセスにより形成されるが、ゲート電極３０からチップ表面までの距離は通常、数ｕｍとなる。半導体ホール素子の磁束に対する感受面はゲート電極３０とＰウエル領域３６の界面に形成される。磁性分子に対する半導体ホール素子の感度は、感受面との距離に反比例することから、ゲート電極３０の上に形成される絶縁層１２の厚さは薄い方が望ましい。
従って、センサチップ１は一般的なＣＭＯＳ製造プロセスで加工した後、図３（Ｂ）に示すように、ホール素子領域のみゲート電極３０が露出しない程度にエッチングにより絶縁層１２を除去する。また、図３（Ｃ）に示すように、エッチングのストップ層としてゲート電極３０の上にアルミニウム等の金属層３７を予め、配置しておいても良い。
また、図２においては、磁性分子により形成される磁場を検知することにより測定対象物を測定するバイオセンサを用いた測定対象物の測定方法であって、磁性分子５として、測定対象物６２と特異的に結合する分子を用い、測定対象物６２に特異的に結合する磁性分子５の量をバイオセンサを用いて特定し、磁性分子５の量に基づいて、測定対象物６２の量を特定する場合における磁性分子５が示されている。しかし、本発明のバイオセンサは、このような磁性分子の検出により測定対象物を測定する場合に、のみ用いられるものではない。例えば、磁性分子として、磁性体粒子に標識され、かつ、測定対象物と競合して磁気センサ表面に結合する分子を用いてもよい。この場合においては、測定対象物と代わって結合する磁性分子の量をバイオセンサを用いて特定し、その磁性分子の量に基づいて、競合する測定対象物の量を特定することができる。
本発明の半導体ホール素子の構造を図４を用いて説明する。
この半導体ホール素子２の上面図が同図（Ａ）に、一点鎖線ａでの断面が同図（Ｂ）に、一点鎖線ｂでの断面が図（Ｃ）に、示されている。この半導体ホール素子はゲート電極３０、ソース電極３１、ドレイン電極３２、出力電極３３、３４、及び、絶縁層３５を含んで構成され、Ｐウエル領域３６に形成される。出力電極を除くとｎ型ＭＯＳＦＥＴと同じ構成であり、図中では各々の電極への金属配線は省略してある。出力電極３３、３４は、センサチップ表面に略垂直に形成される磁束と、ソース−ドレイン極間を流れる電流と、に垂直に電流が流れるように構成する。
この半導体ホール素子２の動作について説明する。ゲート電極３０、ソース電極３１、ドレイン電極３２にバイアスを印加し、ＭＯＳＦＥＴと同様な動作状態に設定する。この時の動作状態は線形領域にあることが望ましい。この状態で外部から加わる磁束が存在しない場合、２つの出力電極３３、３４は同電位である。外部から半導体ホール素子面に対して垂直な磁束が加わると磁束密度に比例した電圧が出力電極３３と３４との間に差動電圧として現れる。
次に図５を用いてアレイ状に配置した各々のホール素子を選択して出力を取り出す方法について説明する。
各々のホール素子（Ｅ（０，０），Ｅ（０，１），・・・）のソース電極、ドレイン電極、および一対の出力電極はスイッチ（Ｒ０，Ｒ１，・・・）を介してＶＬ、ＶＨ、ＯＵＴ１、ＯＵＴ２へ接続されており、列方向Ｙの同一の列に共通に接続されている。また行方向Ｘの同一の行のゲート電極も共通で、各列毎に共通のゲート電極線Ｃ０、Ｃ１、・・・へと接続されている。ＶＬ、ＶＨはホール素子側へバイアスを供給する配線であり、ＯＵＴ１、ＯＵＴ２はホール素子からの出力を増幅回路へ送る配線である。
ホール素子Ｅ（０，０）を選択する場合について説明する。スイッチＲ０のみをオンし、スイッチＲ１、Ｒ２、・・・はオフする。またゲート電極線Ｃ０のみホール素子が動作状態になる電圧に設定し、ゲート電極線Ｃ１、Ｃ２、・・・ホール素子が動作しない電圧、すなわちソース電極、ドレイン電極にバイアスを印加してもソース−ドレイン間に電流が流れない状態に設定する。
この時、ホール素子Ｅ（０，０）及び同一の行にあるホール素子のソース電極、ドレイン電極にＶＬ、ＶＨが印加されるが、電流はホール素子Ｅ（０，０）しか流れない。ホール素子Ｅ（０，０）の出力電極には磁束密度に応じた電圧が現れる。縦に並んだホール素子の出力電極は、動作状態になっていないため、ＯＵＴ１，ＯＵＴ２へはホール素子Ｅ（０，０）の出力電圧がそのまま出力される。この構成ではアレイの数が増えたとしても、アレイ内の配線数は同じで端部にスイッチが付け足されるだけなので、センサチップの面積はほぼアレイの数に比例し、容易にホール素子数の多いセンサチップを構成することができる。
図６には、バイオセンサ全体の構成が示されている。バイオセンサは、試料溶液を投入、測定を行うためのセンサチップ１と、センサチップ１と信号を交換する測定装置本体とを含んで構成される。センサチップ１上には、半導体ホール素子アレイ９、アレイ選択回路７１、増幅回路８１を搭載する。その他の制御回路８２、例えば、センサチップの制御を行うためのセンサチップ制御回路、ホール素子からの出力信号を処理する信号処理回路等、は、測定装置本体側に搭載する。センサチップ１は１回の測定毎に新たなものと取り替える。
次に、同図を参照しながら図７のフローチャートを用いて、本発明のバイオセンサ全体の回路動作について説明する。
ステップＳ１０１においては、分子受容体、測定対象物、及び、磁性体粒子を含む磁性分子をセンサチップ上に導入した状態で、下部コイルにより磁場を印加する。このセンサチップ表面からの距離の増加に応じて磁束密度が減少するように形成された磁場により、磁性分子はセンサチップ表面に引き付けられて、センサチップ表面に結合する速度が高められる。
ステップＳ１０２においては、磁性分子のセンサチップ表面への結合が完了した状態で、下部コイルによる磁場をＯＦＦする。
ステップＳ１０３においては、センサチップに磁場を印加しない状態で、ホール素子の出力を取得する。具体的には、測定装置本体側にあるセンサチップ制御回路８２より特定のホール素子を選択するためのアドレス信号をセンサチップにあるアレイ選択回路７１に送る。アレイ選択回路７１は、このアドレス信号に基づいて、上述のように、指定されたホール素子を選択する。そのホール素子からの出力信号は、センサチップ上の増幅回路８１によって増幅し、オフセット値（第１の出力値）としてメモリ８３に保存する。
ステップＳ１０４においては、センサチップ制御回路において、出力信号を取得すべき全てのホール素子から信号を取得したか否か判断し、取得していない場合には、再びステップＳ１０３に移行し、全てのホール素子について、その出力信号を取り出し、記録する。
ステップＳ１０５においては、上部コイルにより磁場を印加する。
ステップＳ１０６においては、上述のように、センサチップ制御回路８２よりホール素子のアドレス情報をセンサチップに送り、出力信号を取り出し、ステップＳ１０３と同様に、ホール素子の出力値（第２の出力値）としてメモリ８３に保存する
ステップＳ１０７においては、上述のように、出力信号を取得すべき全てのホール素子から信号を取得したか否か判断し、取得していない場合には、再びステップＳ１０６に移行する。これにより、全てのホール素子における磁性分子の結合状態を取得する。
ステップＳ１０８においては、上部コイルの磁場をＯＦＦする。
ステップＳ１０９においては、ステップＳ１０３において取得したそれぞれのホール素子におけるオフセット値と、ステップＳ１０６において取得した対応するホール素子の出力値と、をメモリ８３から取り出し、信号処理回路８２において出力信号をオフセット値により補正する。
ステップＳ１１０においては、ステップＳ１０９における補正後の出力値を、隣接したホール素子について比較する。隣接したホール素子の状態が同じ、すなわち共に磁性分子が結合しているか、共に磁性分子が結合していない場合は、出力値が同じである。隣接したホール素子の状態が異なる、すなわちどちらか一方のみ磁性分子が結合している場合、結合している方の出力値は磁性分子により磁束が収束しているため、結合していない方の出力値に比べ大きくなる。
全てのホール素子について、それと隣接したホール素子の出力値を比較することにより、磁性分子の結合している領域と磁性分子の結合していない領域の境界を特定することができる。その結果、センサチップ表面に結合している磁性分子の数を特定することができる。尚、互いに比較する出力値は、互いに異なる領域に設置される半導体ホール素子によるものであれば、隣接した半導体ホール素子によるものに限られない。
さらに測定対象物を捕捉する分子受容体を表面に備えない特定のホール素子を設けることにより、ここを磁性分子の結合しない基準領域としてもよい。
尚、図７では全てのホール素子のオフセット値を取得後、上部コイルをＯＮし、全てのホール素子の出力値を取得しているが、各ホール素子毎にオフセット値の取得と出力値の取得をしてもよい。すなわち、１のホール素子についてステップＳ１０３の後に、ステップＳ１０５、ステップＳ１０６、ステップＳ１０８と順に行い、この手順を全てのホール素子について繰り返した後に、ステップＳ１０９及びＳ１１０を実施する。
以上説明した図７の動作を実現するためのプログラムを用いることによってバイオセンサが制御される。すなわち、このプログラムは、バイオセンサを制御するためのプログラムであり、磁気センサ表面の互いに異なる領域にそれぞれ印加される磁場の強さを取得する測定ステップと、この測定ステップにより取得した互いに異なる領域にそれぞれ印加された磁場の強さ同士を比較することにより、結合した磁性分子の量を特定する計量ステップと、を含むものである。
また、測定ステップにおいては、２次元のアレイ状に配置された検知素子の各々を選択して、検知素子の各々が検知する磁場の強さを取得する。
更に、上記測定ステップにおいて磁気センサ表面に磁場が印加される前に、上記検知素子からの出力をオフセット値として取得するオフセット値取得ステップを、更に、含み、
上記計量ステップにおいては、上記測定ステップにおいて上記検知素子より取得した値から、上記オフセット値取得ステップにおいて取得したオフセット値を、除去して得た値を用いて比較を行うことが望ましい。
更に、上記磁性分子の磁気センサ表面への導入時に、磁性分子が結合する磁気センサ表面より下部に設置された磁場発生手段により磁性分子を磁気センサ表面に近づけるための磁場を発生する結合加速ステップを、更に、含み、
上記結合加速ステップにおいて、上記磁気センサ表面からの距離の増加に応じて磁束密度が減少するように形成された磁場により、上記磁性分子が結合する速度を高めることが望ましい。
なお、バイオセン制御プログラムは、バイオセンサの測定装置本体に搭載される上述のメモリに、あるいは、測定装置本体に搭載される読出し専用記憶装置に記録し、又は、他のコンピュータ等の記憶装置に保持して、使用することができる。
（第２の実施形態）
次に、図８のフローチャートを用いて、本発明の第２の実施形態にかかるバイオセンサ全体の回路動作について説明する。バイオセンサ全体の構成は、図６と同じであるが、同図の増幅回路８１は、更に、半導体ホール素子の出力信号のうち周波数成分のみを取り出すための検波回路を含んで構成されている。
ステップＳ２０１においては、測定対象物及び磁性体粒子を含む磁性分子をセンサチップ上に導入した状態で、下部コイルに直流電流を流し磁場を発生させ、センサチップ表面に磁性分子を引き付ける。
ステップＳ２０２においては、下部コイルによる磁場をＯＦＦする。
ステップＳ２０３においては、上部コイルに直流電流を流し磁場を発生させ、センサチップ表面から磁性分子を遠ざける。
ステップＳ２０４においては、上部コイルによる磁場をＯＦＦする。
ステップＳ２０５においては、予め設定した磁性分子のセンサチップ表面への結合が完了する時間、あるいは、回数に至るまで、再びステップＳ２０１に移行し、ステップＳ２０１〜Ｓ２０４までのステップを繰り返す。
ステップＳ２０６においては、上部コイルに交流電流を流すことにより交流磁場を印加する。
ステップＳ２０７においては、各々のホール素子の出力信号を取得する。具体的には、測定装置本体側にあるセンサチップ制御回路８２より特定のホール素子を選択するためのアドレス信号をセンサチップにあるアレイ選択回路７１に送る。アレイ選択回路７１は、このアドレス信号に基づいて、上述のように、指定されたホール素子を選択する。そのホール素子からの出力信号は、センサチップ上の増幅回路８１によって増幅される。上述のように増幅回路８１は、出力信号のうち、印加される磁場の周波数に対応する周波数成分のみを取り出すための検波回路を内蔵する。検波回路により取り出され、増幅された出力信号はメモリ８３に保存される。
ステップＳ２０８においては、上述のように、出力信号を取得すべき全てのホール素子から信号を取得したか否か判断し、取得していない場合には、再びステップＳ２０７に移行する。これにより、全てのホール素子における出力信号を取得する。
ステップＳ２０９においては、上部コイルの磁場をＯＦＦする。
ステップＳ２１０においては、ステップＳ２０７において取得した各々のホール素子における出力値をメモリ８３から取り出し、信号処理回路８２において、隣接したホール素子の出力値を比較する。隣接したホール素子の状態が同じ、すなわち共に磁性分子が結合しているか、共に磁性分子が結合していない場合、出力値は同じである。隣接したホール素子の状態が異なる、すなわちどちらか一方のみ磁性分子が結合している場合、結合している方の出力値は磁性分子により磁束が収束されているため、結合していない方の出力値に比べ大きくなる。
全てのホール素子について隣接したホール素子の出力値を比較することにより、磁性分子の結合している領域と結合していない領域の境界を特定することができる。その結果センサチップ上に結合している磁性分子の数を特定することができる。
以上説明した図８の動作を実現するためのプログラムを用いることによってバイオセンサが制御される。すなわち、このプログラムは、上述のバイオセンサを制御するためのプログラムであり、上記オフセット値補正ステップにおいては、
上記磁気センサに一定の周波数で印加される磁場によって、上記磁場に対応する周波数で出力される信号を含む検知素子の出力信号から、上記磁場に対応する周波数成分のみを取り出すことにより、直流成分として含まれるオフセット信号を除去することができる。
すなわち、検知素子の出力信号は、印加された交流磁場の周波数に対応した交流信号と、磁場の印加にかかわらず出力される直流のオフセット信号と、を有している。検波回路によって、この検知素子の出力信号のうち、印加された交流磁場の周波数成分のみを取得することにより、検知素子の出力信号に含まれる直流成分として含まれるオフセット値を除去することができる。
更に、上記磁性分子の磁気センサ表面への導入後、上記測定ステップの前において、上記磁気センサ表面の対向位置に配置された第１の磁場発生手段と、上記磁気センサ表面より下部に配置された第２の磁場発生手段とによって、交互に磁場を形成することにより、磁性分子を撹拌する撹拌ステップを、更に、含み、
上記撹拌ステップにおいては、上記磁気センサ表面に垂直な方向に形成される磁束密度の傾きを交互に反転させることにより、測定対象物と磁性分子が結合する速度を高め、更に、測定対象物と結合した磁性分子が磁気センサ表面に固定された分子受容体と結合する速度を高めることが望ましい。
請求の範囲の記載に関し、本発明は更に以下の態様を取りうる。
（１）前記第１の磁場発生手段と、前記第２の磁場発生手段と、が交互に磁場を発生するように切り替えるための磁場切替手段を、更に、有し、
前記磁場切替手段によって磁気センサ表面において交互に磁場の分布を変化させることにより、磁性分子を撹拌することを特徴とする請求の範囲第１３項記載のバイオセンサ。
これにより、磁性粒子が試料溶液中で撹拌され、測定において標識として用いられる磁性粒子と、他の物質との結合速度が高められ、測定時間を短縮化することができる。
尚、磁場切替手段は、例えば、第１の磁場発生手段として用いられる第１のコイルと、第２の磁場発生手段として用いられる第２のコイルとに、交互に電流を流すためのスイッチとして構成する。切り替える回数、切り替える時間等は予め設定可能としてもよい。
（第３の実施形態）
次に、図９を用いて本発明の第３の実施形態にかかるバイオセンサの検出原理を説明する。図９は、センサチップ１の半導体ホール素子２近辺の断面を模式的に表したものである。半導体ホール素子２の表面に抗体として構成される分子受容体６１が固定されている。その分子受容体６１に測定対象物６２が特異的に結合している。さらに、その測定対象物６２には、磁性体粒子５１が、抗体として構成される分子受容体６３と測定対象物６２との特異的結合を介して結合している。この磁性体粒子５１と分子受容体６３とは互いに結合して、磁性分子５を構成するものである。
センサチップ１表面を下向きに配置し、裏側コイルＣＲ（第２の磁場発生手段）を設置する。裏側コイルＣＲにより発生する磁場を、磁性分子がセンサチップ１表面に引き付けるのに十分な強さに設定する。磁性分子の一部は図９に示すように、センサチップ１表面に結合する。この状態で、センサチップ１表面に結合せずに浮遊している磁性分子が重力により下方へ沈む程度に裏側コイルＣＲにより発生する磁場を弱める。
図９では磁束Ｂが、矢印Ｚ２で示される方向に形成され、半導体ホール素子面に対して垂直であることが示されている。磁束Ｂは磁性体粒子５１により収束されるため、磁性体粒子５１が無い場合に比べて半導体ホール素子２での磁束密度は増加する。このとき下方へ沈んだ磁性分子５は半導体ホール素子２により検知する磁束密度には影響しない。半導体ホール素子２の出力電圧は磁束密度に比例するため、この出力電圧により磁性分子５が半導体ホール素子２上に結合しているか否かを判定できる。
また、本実施の形態においては、裏側コイルＣＲは、センサチップ１への磁性分子の導入時、磁性分子がセンサチップ１表面に引き寄せられるだけ十分な強さの磁場を、間欠的に発生させ、磁性粒子を上下に動かして撹拌することにより測定対象物と磁性粒子が結合する速度を高め、更に、測定対象物と結合した磁性粒子が磁気センサ表面に固定された分子受容体と結合する速度を高めることが望ましい。
この第３の実施形態におけるコイルにより磁性分子に加える磁場の様子は、図１０に示されている。
先ず磁性分子を攪拌し分子受容体と測定対象物との反応を促進する。この撹拌開始Ｔ１から撹拌終了Ｔ２までの間に、裏側コイルＣＲによって磁性分子を引き付けるに十分な程度に強い磁場強度Ｂ１の磁場を間欠的に印加する。同図では発生する磁場は両極であるが、単極でも良い。反応終了後、測定ステップ（測定開始Ｔ３から測定終了Ｔ４まで）では、磁性分子の磁化が飽和しない程度の磁場強度Ｂ２の弱い交流磁場を裏側コイルＣＲにより発生させ、全ての磁気センサの信号を測定する。
次に、図１１のフローチャートを用いて、本発明の第３の実施形態にかかるバイオセンサ全体の回路動作について説明する。バイオセンサ全体の構成は、図６と同じであるが、同図の増幅回路８１は、更に、半導体ホール素子の出力信号のうち周波数成分のみを取り出すための検波回路を含んで構成されている。
ステップＳ３０１においては、測定対象物及び磁性体粒子を含む磁性分子をセンサチップに導入した状態で、裏側コイルに間欠電流を流し磁場を発生させ、電流が流れている間はセンサチップ表面に磁性分子を引き付ける。
ステップＳ３０２においては、予め設定した磁性分子のセンサチップ表面への結合が完了する時間に至るまで、再びステップＳ３０１に移行し、ステップＳ３０１〜Ｓ３０２までのステップを繰り返す。
ステップＳ３０３においては、裏側コイルによる磁場をＯＦＦする。
ステップＳ３０４においては、裏側コイルに交流電流を流すことにより交流磁場を印加する。
ステップＳ３０５においては、各々のホール素子の出力信号を取得する。具体的には、測定装置本体側にあるセンサチップ制御回路８２より特定のホール素子を選択するためのアドレス信号をセンサチップにあるアレイ選択回路７１に送る。アレイ選択回路７１は、このアドレス信号に基づいて、上述のように、指定されたホール素子を選択する。そのホール素子からの出力信号は、センサチップ上の増幅回路８１によって増幅される。上述のように増幅回路８１は、出力信号のうち、印加される磁場の周波数に対応する周波数成分のみを取り出すための検波回路を内蔵する。検波回路により取り出され、増幅された出力信号はメモリ８３に保存される。
ステップＳ３０６においては、上述のように、出力信号を取得すべき全てのホール素子から信号を取得したか否か判断し、取得していない場合には、再びステップＳ３０５に移行する。これにより、全てのホール素子における出力信号を取得する。
ステップＳ３０７においては、裏側コイルの磁場をＯＦＦする。
ステップＳ３０８においては、ステップＳ３０５において取得した各々のホール素子における出力値をメモリ８３から取り出し、信号処理回路８２において、分子受容体を表面に備えていない、すなわち基準領域に配置されたホール素子と分子受容体を表面に備えたホール素子の出力値を比較する。分子受容体を表面に備えたホール素子は磁性分子が結合していない場合、基準領域のホール素子と出力値が同レベルとなる。磁性分子が結合している場合、磁性分子により磁束が収束されているため出力値が大きくなる。
全ての分子受容体を表面に備えたホール素子について、分子受容体を表面に備えないホール素子と出力値を比較することにより、センサチップ上に結合している磁性分子の数を特定することができる。
図１２は、本実施の形態におけるホール素子の配置の様子を示す図である。
同図においては、ホール素子２ａ，２ｂ，２ｃのうち、ホール素子２ａ，２ｃの表面にのみ分子受容体が備えられている。
このホール素子の２つの出力端子の電圧の差分であるホール電圧の大きさをＶＤ、ホール素子に加わる磁場の磁束密度の大きさをＢとすると、下記の式（１）の関係がある。
ＶＤ  ＝  Ａ  ×  Ｂ  ・・・式（１）（Ａは比例定数）
表面に磁性分子が結合していない状態で、裏側コイルによりホール素子に加わる磁場の磁束密度の大きさをＢ０とし、表面に磁性分子が結合した状態での磁束密度の大きさをＢ０（１＋△）とすると、ホール素子２ａ，２ｂ，２ｃそれぞれのホール電圧の大きさＶＤ２ａ，ＶＤ２ｂ，ＶＤ２ｃは、それぞれ以下の式（２）〜（４）により表される。
ＶＤ２ａ  ＝  Ａ  ×  Ｂ０（１＋△）  ・・・式（２）
ＶＤ２ｂ  ＝  Ａ  ×  Ｂ０            ・・・式（３）
ＶＤ２ｃ  ＝  Ａ  ×  Ｂ０            ・・・式（４）
ホール素子の感度すなわちＡが常に一定、かつコイルによりホール素子に加わる磁場の磁束密度の大きさＢ０が一定の場合、個々のホール素子表面での磁性分子の結合の有無はホール電圧の絶対値により判別できる。しかしながら、感度及びコイルにより加わる磁束密度は、実際には近接したホール素子間では大きさは同じになるが、製造工程のバラツキやホール素子とコイルの間の距離のバラツキ等により絶対値は常に一定にはならない。従って、個々のホール素子においてそのホール電圧のみでは表面の磁性分子の結合の有無を判別するのが困難となる。
ホール素子２ｂのホール電圧の大きさを基準に、ホール素子２ａ，２ｃとのホール電圧の差をとると、それぞれ式（５）及び（６）で表される値となる。
ＶＤ２ａ  −  ＶＤ２ｂ  ＝  Ａ  ×  Ｂ０  ×  △  ・・・式（５）
ＶＤ２ｃ  −  ＶＤ２ｂ  ＝  ０                    ・・・式（６）
このように、分子受容体を表面に備えない、基準領域のホール素子のホール電圧を基準にすることにより感度や磁束密度の絶対値が変動したとしても、差分がゼロか否かで磁性分子の結合の有無を判別できる。
又、比較においては、このように差分を求めて結合の有無を特定することもできるし、例えば、後述のように、比較対照となるホール電圧を基準領域のホール電圧で割った値に基づいて、結合の有無を判断することもできる。
尚、基準領域は、上述のように、例えばあらかじめ金薄膜の未形成領域をセンサ表面に設けておく。これにより、分子受容体の固定時には、基準領域に分子受容体が固定されず、磁性体粒子５１が結合不能な領域が作成される。又、基準領域はセンサ表面に、１つとは限らず、複数あってよい。
以上説明した図１１の動作を実現するためのプログラムを用いることによってバイオセンサが制御される。
すなわち、このプログラムは、上述のバイオセンサを制御するためのプログラムであり、
上記オフセット値補正ステップにおいては、上記磁気センサに一定の周波数で印加される磁場によって、上記磁場に対応する周波数で出力される信号を含む検知素子の出力信号から、上記磁場に対応する周波数成分のみを取り出すことにより、直流成分として含まれるオフセット信号を除去することができる。
すなわち、検知素子の出力信号は、印加された交流磁場の周波数に対応した交流信号と、磁場の印加にかかわらず出力される直流のオフセット信号と、を有している。検波回路によって、この検知素子の出力信号のうち、印加された交流磁場の周波数成分のみを取得することにより、検知素子の出力信号に含まれる直流成分として含まれるオフセット値を除去することができる。
更に、上記磁性分子の磁気センサ表面への導入時に、上記磁性分子を該磁気センサ表面に近づけるための磁場を発生する磁場発生手段を、該磁性分子を撹拌可能に間欠的に動作させる。
上記撹拌ステップにおいては、上記磁気センサ表面に垂直な方向に間欠的に磁束を形成することにより、測定対象物と磁性分子が結合する速度を高めることができる。また更に、測定対象物と結合した磁性分子が、磁気センサ表面に固定された測定対象物を捕捉する分子受容体と、測定対象物である抗原を介して結合する速度を高めることができる。
図１３には、測定ステップにおいて得られた測定対象物を捕捉する分子受容体を表面に備えた５個のホール素子の出力値を分子受容体を表面に備えないホール素子の出力値で割った値を表に示す。
この測定においては、図４に示されるような形状のホール素子をアレイ状に配置し、さらにアレイ選択回路、増幅回路を同一シリコン基板上に作製した。このホール素子のソース電極３１−ドレイン電極３２間の距離は約６．４μｍ、感受面、すなわちゲート電極３０下に形成されるチャネルから絶縁層１２の表面までの距離が約２．８μｍである。アレイ状に配置されているホール素子の配置ピッチは１２．８μｍである。アレイ選択回路により選択されたホール素子のソース電極−ドレイン電極間の電圧は約４Ｖ、ソース電極−ゲート電極間の電圧は約５Ｖとした。コイルによりホール素子面上に発生させた磁束密度は２０Ｈｚ、約５０Ｇｒｍｓである。磁性体粒子は直径が４．５μｍのダイナル社製磁性体粒子（商品名：ＤＹＮＡＢＥＡＤＳ）を用いた。
図１３を参照すると、Ｎｏ．２、Ｎｏ．４、Ｎｏ．５の半導体ホール素子の出力が、分子受容体を表面に備えない半導体ホール素子の出力に対して約５％大きい。このため半導体ホール素子Ｎｏ．２、Ｎｏ．４、Ｎｏ．５に、磁性体粒子が結合していることが推測される。また、顕微鏡による確認においては、半導体ホール素子Ｎｏ．２、Ｎｏ．４、Ｎｏ．５表面に磁性体粒子が結合し、Ｎｏ．１、Ｎｏ．３表面には結合していない。ゆえに、図１３の結果と一致する。
（第４の実施形態）
図１４には、第４の実施形態において用いるセンサチップの断面が模式的に示されている。
同図においては、センサチップ１の上部に磁石が配置されている。このとき磁石による磁束Ｂは、矢印Ｚで示される方向に形成され、半導体ホール素子面に対して垂直である。磁束Ｂは磁性体粒子５１により収束されるため、磁性体粒子５１が無い場合に比べて半導体ホール素子２での磁束密度は増加する。半導体ホール素子２の出力電圧は磁束密度に比例するため、この出力電圧により磁性分子５が半導体ホール素子２上に結合しているか否かを判定できる。
図１５のフローチャートを用いて、図１４に示されるバイオセンサを用いた第４の実施形態にかかるバイオセンサ全体の回路動作について説明する。バイオセンサ全体の構成は、図６に示されるものと同様のものを用いている。
ステップＳ４０１においては、測定対象物及び磁性体粒子を含む磁性分子をセンサチップ上に導入しない状態で、磁石により磁場を印加し、磁性分子結合前の磁場の強さを取得する。具体的には、測定装置本体側にあるセンサチップ制御回路８２より特定のホール素子を選択するためのアドレス信号をセンサチップにあるアレイ選択回路７１に送る。アレイ選択回路７１は、このアドレス信号基づいて、上述のように、指定されたホール素子を選択する。そのホール素子からの出力信号は、センサチップ上の増幅回路８１によって増幅し、初期値としてメモリ８３に保存する。
ステップＳ４０２においては、センサチップ制御回路において、出力信号を取得すべき全てのホール素子から信号を取得したか否か判断し、取得していない場合には、再びステップＳ４０１に移行し、全てのホール素子について、その出力信号を取り出し、記録する。
ステップＳ４０３においては、磁場を印加しない状態で測定対象物および磁性分子をセンサチップ上に導入し、結合が終了した時点で磁石により、ステップＳ４０１と同様の強さの磁場を印加する。この状態で、上述のように、センサチップ制御回路８２よりホール素子のアドレス情報をセンサチップに送り、出力信号を取り出す。
ステップＳ４０４においては、ステップＳ４０１において取得した同じホール素子における初期値をメモリ８３から取り出し、信号処理回路８２において、ステップＳ４０３において取り出した出力信号と、その初期値と、を比較する。
ステップＳ４０５においては、ステップＳ４０４における比較結果を出力する。磁性分子が結合しているホール素子の出力は、同様の強さの磁場を印加したにもかかわらず、初期値に対して変化しているため、任意の位置にあるホール素子上に磁性分子が結合しているか否かを特定することができる。また、後述のように、全てのホール素子についての比較結果を得ることにより、センサチップ上に結合している磁性分子の数を特定することができる。この比較結果は用途に応じて、センサチップ上に結合している磁性分子の数あるいは位置情報として出力する。
ステップＳ４０６においては、上述のように、出力信号を取得すべき全てのホール素子から信号を取得したか否か判断し、取得していない場合には、再びステップＳ４０３に移行する。これにより、全てのホール素子における磁性分子の結合状態を取得する。
以上説明した図１５の動作を実現するためのプログラムを用いることによってバイオセンサが制御される。すなわち、このプログラムは、バイオセンサを制御するためのプログラムであり、磁性分子が結合する前において、磁気センサに印加された磁場の強さを取得する結合前測定ステップと、磁性分子が結合した後において、磁気センサに印加された磁場の強さを取得する結合後測定ステップと、結合前の磁場の強さと、結合後の磁場の強さと、を比較することにより、結合した磁性分子の量を特定する計量ステップと、を含むものである。また、結合前測定ステップと結合後ステップとは、２次元のアレイ状に配置された検知素子の各々を選択して、検知素子の各々が検知する磁場の強さを取得する。なお、バイオセン制御プログラムは、バイオセンサの測定装置本体に搭載される上述のメモリに、あるいは、測定装置本体に搭載される読出し専用記憶装置に記録し、又は、他のコンピュータ等の記憶装置に保持して、使用することができる。
結合前の出力信号と、結合後の出力信号とが図１６に示されている。
この測定においては、図３に示されるような形状のホール素子をアレイ状にハ配置し、さらにアレイ選択回路、増幅回路を同一シリコン基板上に作製した。このホール素子のソース電極３１−ドレイン電極３２間の距離は約６．４μｍ、感受面、すなわちゲート電極３０下に形成されるチャネルから絶縁層１２の表面までの距離が約５μｍである。アレイ状に配置されているホール素子の配置ピッチは１２．８μｍである。増幅回路のゲインは１００倍とした。アレイ選択回路により選択されたホール素子のソース電極−ドレイン電極間の電圧は約４Ｖ、ソース電極−ゲート電極間の電圧は約５Ｖとした。磁石はホール素子面上で約２５００ガウスとなるものを用いた。磁性体粒子は直径が４．５μｍのダイナル社製磁性体粒子（商品名：ＤＹＮＡＢＥＡＤＳ）を用いた。
図１６には、磁性分子の結合前後のアレイ状に配置した５つのホール素子からの出力信号値を示す。図１６を参照すると、各々異なる位置にアレイ状に配置された半導体ホール素子Ｎｏ．１〜Ｎｏ．５における結合前出力電圧（ｍＶ）、結合後出力電圧（ｍＶ）、及び、それらの電圧の差分（ｍＶ）は、それぞれ、半導体ホール素子Ｎｏ．１は、（８８２，８８２，０）、半導体ホール素子Ｎｏ．２は、（８８６，８８７，１）、半導体ホール素子Ｎｏ．３は、（８８５，８８５，０）、半導体ホール素子Ｎｏ．４は、（８８７，８９２，５）、半導体ホール素子Ｎｏ．５は、（８８６，８８７，１）である。結合前後の差分から明らかに、磁性分子が付着した半導体ホール素子Ｎｏ．４からの出力信号のみが増加している。このため半導体ホール素子Ｎｏ．４のみに、磁性分子が結合していることが推測される。また、顕微鏡による確認においては、結合前と結合後でホール素子上に磁性分子が結合した半導体ホール素子はＮｏ．４のみで、その他の半導体ホール素子上には磁性分子は結合していない。ゆえに、これは出力信号の結果と一致する。
なお、以上の説明は、本発明の特定の実施形態に関するものであり、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々の変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
産業上の利用の可能性
本発明にかかるバイオセンサを用いることにより、測定対象物の２次元分布、あるいは、結合する測定対象物の量を特定することができる。
特に、磁気センサ表面のそれぞれ異なる領域の磁場の強さの比較に基づいて測定対象物の量を特定することにより、比較対照となる磁場の値と、基準となる磁場の値とが、同じ状態、すなわち磁気センサに磁性分子や測定対象物を導入した状態のまま取得することができるので、測定を迅速に行うことができる。また、磁性分子が結合不能な基準領域における出力値を得て、各検知素子の出力値と比較することにより、センサ感度の変動や磁束密度の絶対値の変動等にかかわらず、結合の有無の判断が正確に可能になると共に、より微量な磁場の変化の検知も可能になる。さらに、センサの構成に依存するオフセット値についても、磁性分子等を導入した試料溶液の条件、装置の動作条件等を測定時と同様にして取得することができるので、より精度の高い測定を行うことができる。
更に、半導体ホール素子の表面を磁性分子と同等以下の大きさとし、その配置間隔を磁性体粒子よりも大きくすることにより、他の磁性分子による干渉を排除して検知及び分析の精度を向上させることができる。
また、分子受容体を磁気センサ表面に選択的に固定することにより、例えば、半導体ホール素子の設置位置に対応する部分に固定させることにより、分子受容体に結合する磁性分子の検知状態を調節等することができる。
また、半導体ホール素子によって磁気センサを構成することにより、配線を共通化することができるため、素子の数を簡単に増やすことができ、安価で、小型のバイオセンサを構成することができる。
また、磁場を利用してセンサ表面に未結合の磁性分子をセンサ表面から遠ざけることにより、定量の際に磁気センサ表面に結合せずに浮遊する磁性分子を洗い流す操作をすることなく、迅速にかつ正確に測定を行うことができる。
未結合の磁性分子を磁石等により除去後、測定を行うこととしてもよいが、センサ表面を下側に向けてバイオセンサを構成することにより、未結合分子の隔離と、測定を同時におけなうことができ、なおかつ、測定時に印加すべき磁場強度を飽和しない程度に抑制することができ、これにより、より大きなホール素子からの出力値を得ることができる。
更に、磁気センサ表面に磁性分子を引き寄せる磁場発生手段を設けることにより、磁性分子の磁気センサ表面への結合を早めて、測定時間を短縮することができる。
また、磁気センサと、選択手段と、信号増幅回路とを、１チップ上に形成することにより、磁気センサを小型化すると共に、試料溶液に応じて磁気センサを取り替えて使用することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明のバイオセンサの一部の概略を示す図である。図２は、第１及び第２の実施形態にかかるバイオセンサの検出原理を説明する図である。図３は、（Ａ）は、センサチップの断面図、（Ｂ）および（Ｃ）は、半導体ホール素子の感度を向上させるための処理がなされたセンサチップの断面図である。図４は、（Ａ）は、本発明の半導体ホール素子の構成を示す図、（Ｂ）は、（Ａ）の一点鎖線ａにおける断面図、（Ｃ）は、（Ａ）の一点鎖線ｂでの断面図である。図５は、本発明のアレイ状ホール素子の選択方法を説明する図である。図６は、本発明のバイオセンサの回路を説明するブロック図である。図７は、第１の実施形態にかかるバイオセンサ全体の回路動作を説明するフローチャートである。図８は、第２の実施形態にかかるバイオセンサ全体の回路動作を説明するフローチャートである。図９は、第３の実施形態にかかるバイオセンサの検出原理を説明する図である。図１０は、第３の実施形態におけるコイルにより磁性分子に加える磁場の様子を説明する図である。図１１は、第３の実施形態にかかるバイオセンサ全体の回路動作について説明するフローチャートである。図１２は、第３の実施形態におけるホール素子の配置の様子を示す図である。図１３は、第３の実施形態において出力値の比較に用いる値を説明する図である。図１４は、第４の実施形態において用いるセンサチップの断面が模式的に表す図である。図１５は、第４の実施形態にかかるバイオセンサ全体の回路動作について説明するフローチャートである。図１６は、結合前の出力信号と、結合後の出力信号と、を説明する図である。図１７は、従来の磁性体粒子を用いた固相分析を説明する模式図である。
【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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【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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【手続補正書】
【提出日】平成15年8月25日(2003.8.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
結合した磁性分子により形成される磁場を検知するための検知素子がＸ行Ｙ列（Ｘ及びＹは、自然数、以下同じ）の２次元に配置されてなる磁気センサによって、前記磁性分子の量を測定することにより測定対象物の分析を行うバイオセンサであって、
前記検知素子を、半導体ホール素子を備える構成とするとともに、
前記磁気センサのセンサ面の互いに異なる領域の磁場の強さ同士を比較することにより、前記結合した磁性分子の量を特定する信号処理手段を含み、前記特定された磁性分子の量に基づいて測定対象物の分析を行うことを特徴とするバイオセンサ。
【請求項２】
前記磁気センサのセンサ面には、前記磁性分子が結合不能な基準領域が設けられており、
前記信号処理手段は、前記基準領域の磁場の強さを基準として比較を行うことを特徴とする請求の範囲第１項記載のバイオセンサ。
【請求項３】
前記基準領域には、前記磁性分子と結合する分子受容体が固定不能なように表面処理がなされていることを特徴とする請求の範囲第２項記載のバイオセンサ。
【請求項４】
前記Ｘ行Ｙ列に配置された検知素子の各々を選択し、その出力を取り出すための選択手段を、更に含むことを特徴とする請求の範囲第１項から第３項のいずれかに記載のバイオセンサ。
【請求項５】
前記磁気センサと、前記選択手段と、前記検知素子の出力信号を増幅する信号増幅回路とが、１チップ上に形成されることを特徴とする請求の範囲第４項記載のバイオセンサ。
【請求項６】
前記検知素子による磁場の検知が可能な各検知空間は、結合する前記磁性分子が略１分子となるような大きさであることを特徴とする請求の範囲第１項から第５項のいずれかに記載のバイオセンサ。
【請求項７】
前記磁気センサには、前記検知素子同士が互いに異なる磁性分子を検知するような間隔で配置されることを特徴とする請求の範囲第１項から第６項のいずれかに記載のバイオセンサ。
【請求項８】
隣接する前記検知素子同士は、前記磁性分子の直径以上の間隔をおいて、隣接配置されることを特徴とする請求の範囲第７項記載のバイオセンサ。
【請求項９】
前記磁気センサのセンサ面には、前記磁性分子と結合する分子受容体を特定領域に選択的に固定させるための表面処理がなされていることを特徴とする請求の範囲第１項から第８項のいずれかに記載のバイオセンサ。
【請求項１０】
前記磁気センサのセンサ面には、前記磁性分子の大きさに対応する大きさの凹部が備えられ、
前記磁気センサのセンサ面は、前記磁性分子と結合する分子受容体を該凹部にのみ備えることを特徴とする請求の範囲第９項記載のバイオセンサ。
【請求項１１】
前記磁気センサのセンサ面には、前記特定領域に金薄膜が形成され、チオール基によって末端が修飾された前記分子受容体を選択的に固定することを特徴とする請求の範囲第９項又は第１０項記載のバイオセンサ。
【請求項１２】
前記磁気センサのセンサ面の対向位置に配置され、前記磁気センサのセンサ面に印加する磁場を発生する第１の磁場発生手段を含むことを特徴とする請求の範囲第１項から第１１項のいずれかに記載のバイオセンサ。
【請求項１３】
前記第１の磁場発生手段が間欠的に磁場を発生させる手段を含むことを特徴とする請求の範囲第１２項記載のバイオセンサ。
【請求項１４】
前記第１の磁場発生手段が、一定の周波数で磁場を発生させ、前記検知素子の出力信号から前記磁場に対応する周波数成分のみを取り出す検波回路を含むことを特徴とする請求の範囲第１２項又は第１３項記載のバイオセンサ。
【請求項１５】
前記磁気センサのセンサ面の裏側に配置され、前記磁気センサのセンサ面に印加する磁場を発生する第２の磁場発生手段を含むことを特徴とする請求の範囲第１項から第１４項のいずれかに記載のバイオセンサ。
【請求項１６】
前記第２の磁場発生手段が間欠的に磁場を発生させる手段を含むことを特徴とする請求の範囲第１５項記載のバイオセンサ。
【請求項１７】
前記第２の磁場発生手段が、一定の周波数で磁場を発生させ、前記検知素子の出力信号から前記磁場に対応する周波数成分のみを取り出す検波回路を含むことを特徴とする請求の範囲第１５項又は第１６項記載のバイオセンサ。
【請求項１８】
前記磁気センサは、前記磁気センサのセンサ面が重力の働く方向に向くように配置されることを特徴とする請求の範囲第１項から第１７項のいずれかに記載のバイオセンサ。
【請求項１９】
前記半導体ホール素子は、一対の電流端子と、前記電流端子間に流れる電流を制御するゲート電極と、電流が前記電流端子間に流れる電流に略垂直に流れるように配置された一対の出力端子を有することを特徴とする請求の範囲第１項から第１８項のいずれかに記載のバイオセンサ。
【請求項２０】
前記半導体ホール素子は、一対の電流端子と、前記電流端子間に流れる電流を制御するゲート電極と、電流が前記電流端子間に流れる電流に略垂直に流れるように配置された一対の出力端子を有するものであり、
前記ゲート電極は、同一の列に配置された前記半導体ホール素子に共通のゲート電極線に接続され、
前記一対の電流端子は、同一の行に配置された前記半導体ホール素子に共通の一対の電流端子線に接続され、
前記一対の出力端子は、同一の行に配置された前記半導体ホール素子に共通の一対の出力端子線に接続され、
前記選択手段は、前記ゲート電極線と、一対の電流端子線と、一対の出力端子線と、を選択することにより、任意の位置に配置された前記半導体ホール素子の出力信号を取り出すことを特徴とする請求の範囲第４項記載のバイオセンサ。
【請求項２１】
結合した磁性分子により形成される磁場を検知するための検知素子がＸ行Ｙ列（Ｘ及びＹは、自然数、以下同じ）の２次元に配置されてなる磁気センサにより前記磁性分子の量を測定する磁性分子測定方法であって、
前記磁気センサのセンサ面の互いに異なる領域の磁場の強さを取得する測定ステップと、
前記測定ステップにより取得した磁性分子が結合不能な基準領域の磁場の強さを基準として、前記互いに異なる領域の磁場の強さ同士を比較することにより、前記結合した磁性分子の量を特定する計量ステップと、を含むことを特徴とする磁性分子測定方法。
【請求項２２】
結合した磁性分子により形成される磁場を検知するための検知素子がＸ行Ｙ列（Ｘ及びＹは、自然数、以下同じ）の２次元に配置されてなる磁気センサにより前記磁性分子の量を測定する磁性分子測定方法であって、
前記磁性分子が結合する前において、磁場の強さを取得する結合前測定ステップと、
前記磁性分子が結合した後において、磁場の強さを取得する結合後測定ステップと、
前記結合前の磁場の強さと、前記結合後の磁場の強さと、を比較することにより、前記結合した磁性分子の量を特定する計量ステップと、を含むことを特徴とする磁性分子測定方法。
【請求項２３】
前記検知素子から出力されるオフセット値を取得するオフセット値取得ステップを、更に含むことを特徴とする請求の範囲第２１項又は第２２項記載の磁性分子測定方法。
【請求項２４】
前記測定ステップにおいては、前記センサ面に一定の周波数で印加される磁場によって、前記磁場に対応する周波数で出力される信号を含む検知素子の出力信号を取得し、
前記計量ステップにおいては、前記測定ステップにおいて取得した検知素子の出力信号から前記磁場に対応する周波数成分のみを取り出すことにより、直流成分として含まれるオフセット値を除去して得た値を用いて比較を行うことを特徴とする請求の範囲第２１項記載の磁性分子測定方法。
【請求項２５】
前記磁性分子の前記センサ面への導入時に、磁場発生手段により前記磁性分子を前記センサ面に近づけるための磁場を発生する結合加速ステップを、更に、含むことを特徴とする請求の範囲第２１項から第２４項のいずれかに記載の磁性分子測定方法。
【請求項２６】
前記結合加速ステップにおいては、前記磁性分子の磁化が飽和状態になる様な強さの磁場を印加し、
磁場の強さを取得するステップにおいては、前記磁性分子の磁化が飽和状態にならない様な強さの磁場を印加することを特徴とする請求の範囲第２５項に記載の磁性分子測定方法。
【請求項２７】
前記磁性分子のセンサ面への導入後、前記センサ面の対向位置に配置された第１の磁場発生手段と、前記センサ面の裏側に配置された第２の磁場発生手段とによって、交互に磁場を形成することにより、磁性分子を撹拌する撹拌ステップを、更に含むことを特徴とする請求の範囲第２１項から第２６項のいずれかに記載の磁性分子測定方法。
【請求項２８】
前記攪拌ステップにおいては、前記磁性分子の磁化が飽和状態になる様な強さの磁場を印加し、
磁場の強さを取得するステップにおいては、前記磁性分子の磁化が飽和状態にならない様な強さの磁場を印加することを特徴とする請求の範囲第２７項記載の磁性分子測定方法。
【請求項２９】
請求の範囲第１項から第２０項のいずれかに記載のバイオセンサを用いた測定対象物の測定方法であって、
前記磁性分子として、結合する前記測定対象物と特異的に結合する分子を用い、
測定対象物に特異的に結合した前記磁性分子の量をバイオセンサを用いて特定するステップと、
前記磁性分子の量に基づいて、測定対象物の量を特定するステップと、を含むことを特徴とする対象物測定方法。
【請求項３０】
請求の範囲第１項から第２０項のいずれかに記載のバイオセンサを用いた測定対象物の測定方法であって、
前記磁性分子として、結合する前記測定対象物と可逆的に置換可能な分子を用い、
前記測定対象物に代わって結合した磁性分子の量をバイオセンサを用いて特定するステップと、
前記磁性分子の量に基づいて、測定対象物の量を特定するステップと、を含むことを特徴とする対象物測定方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
そして、前記検知素子は、半導体ホール素子を含むことを特徴とする。
また、前記磁気センサのセンサ面には、前記磁性分子が結合不能な基準領域が設けられており、
前記信号処理手段は、前記基準領域の磁場の強さを基準として比較を行うことを特徴とする。
ここで、互いに異なる領域としては、例えば、隣接するホール素子により検出される磁場の強さ同士を比較する。あるいは、基準となる領域を設けて、その領域において検知される磁場の強さを、他の任意の領域において検知される磁場の強さとの比較対照としてもよい。
また、前記基準領域には、前記磁性分子と結合する分子受容体が固定不能なように表面処理がなされていることを特徴とする。
さらに、前記Ｘ行Ｙ列に配置された検知素子の各々を選択し、その出力を取り出すための選択手段を、更に含むことを特徴とする。
また、前記磁気センサと、前記選択手段と、前記検知素子の出力信号を増幅する信号増幅回路とが、１チップ上に形成されることを特徴とする。
また、前記検知素子による磁場の検知が可能な各検知空間は、結合する前記磁性分子が略１分子となるような大きさであることを特徴とする。
これにより、検知素子によって検知される磁性分子の個数を１個程度に制限し、複数の磁性分子が検知されることによる測定値のばらつきを抑え、分析の精度を向上させることができる。
また、前記磁気センサには、前記検知素子同士が互いに異なる磁性分子を検知するような間隔で配置されることを特徴とする。
これにより、隣接する検知素子同士が同一の磁性分子を検知するなどの干渉を抑えることができる。
また、隣接する前記検知素子同士は、前記磁性分子の直径以上の間隔をおいて、隣接配置されることを特徴とする。
これにより、隣接する半導体ホール素子同士が同一の磁性分子を検知するなどの干渉を抑えることができる。
また、前記磁気センサのセンサ面には、前記磁性分子と結合する分子受容体を


【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
特定領域に選択的に固定させるための表面処理がなされていることを特徴とする。
また、前記磁気センサのセンサ面には、前記磁性分子の大きさに対応する大きさの凹部が備えられ、
前記磁気センサのセンサ面は、前記磁性分子と結合する分子受容体を該凹部にのみ備えることを特徴とする。
また、前記磁気センサのセンサ面には、前記特定領域に金薄膜が形成され、チオール基によって末端が修飾された前記分子受容体を選択的に固定することを特徴とする。
さらに、前記磁気センサのセンサ面の対向位置に配置され、前記磁気センサのセンサ面に印加する磁場を発生する第１の磁場発生手段を含むことを特徴とする。
前記第１の磁場発生手段が間欠的に磁場を発生させる手段を含むことを特徴とする。
また、前記第１の磁場発生手段が、一定の周波数で磁場を発生させ、前記検知素子の出力信号から前記磁場に対応する周波数成分のみを取り出す検波回路を含むことを特徴とする。
前記磁気センサのセンサ面の裏側に配置され、前記磁気センサのセンサ面に印加する磁場を発生する第２の磁場発生手段を含むことを特徴とする。
前記第２の磁場発生手段が間欠的に磁場を発生させる手段を含むことを特徴とする。
また、前記第２の磁場発生手段が、一定の周波数で磁場を発生させ、前記検知素子の出力信号から前記磁場に対応する周波数成分のみを取り出す検波回路を含むことを特徴とする。
また、前記磁気センサは、前記磁気センサのセンサ面が重力の働く方向に向くように配置されることを特徴とする。
更に、前記半導体ホール素子は、一対の電流端子と、前記電流端子間に流れる電流を制御するゲート電極と、電流が前記電流端子間に流れる電流に略垂直に流れるように配置された一対の出力端子を有することを特徴とする。
この場合において、前記ゲート電極は、同一の列に配置された前記半導体ホール素子に共通のゲート電極線に接続され、
前記一対の電流端子は、同一の行に配置された前記半導体ホール素子に共通の一対の電流端子線に接続され、
前記一対の出力端子は、同一の行に配置された前記半導体ホール素子に共通の一対の出力端子線に接続され、
前記選択手段は、前記ゲート電極線と、一対の電流端子線と、一対の出力端子線と、を選択することにより、任意の位置に配置された前記半導体ホール素子の


【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
ステップを、更に、含むことを特徴とする。
また、前記測定ステップにおいては、前記センサ面に一定の周波数で印加される磁場によって、前記磁場に対応する周波数で出力される信号を含む検知素子の出力信号を取得し、
前記計量ステップにおいては、前記測定ステップにおいて取得した検知素子の出力信号から前記磁場に対応する周波数成分のみを取り出すことにより、直流成分として含まれるオフセット値を除去して得た値を用いて比較を行うことを特徴とする。
さらに、前記磁性分子の前記センサ面への導入時に、磁場発生手段により前記磁性分子を前記センサ面に近づけるための磁場を発生する結合加速ステップを、更に、含むことを特徴とする。
また、前記結合加速ステップにおいては、前記磁性分子の磁化が飽和状態になる様な強さの磁場を印加し、
磁場の強さを取得するステップにおいては、前記磁性分子の磁化が飽和状態にならない様な強さの磁場を印加することを特徴とする。
ここで、磁場の強さを取得するステップは、前記測定ステップ、前記結合後測定ステップあるいは前記結合前測定ステップ等である。
また、前記磁性分子のセンサ面への導入後、前記センサ面の対向位置に配置された第１の磁場発生手段と、前記センサ面の裏側に配置された第２の磁場発生手段とによって、交互に磁場を形成することにより、磁性分子を撹拌する撹拌ステップを、更に、含むことを特徴とする。
また、前記攪拌ステップにおいては、前記磁性分子の磁化が飽和状態になる様な強さの磁場を印加し、
磁場の強さを取得するステップにおいては、前記磁性分子の磁化が飽和状態にならない様な強さの磁場を印加することを特徴とする。
ここで、磁場の強さを取得するステップは、前記測定ステップ、前記結合後測定ステップあるいは前記結合前測定ステップ等である。
本発明による測定対象物の測定方法は、請求の範囲第１項から第２０項のいずれかに記載のバイオセンサを用いた測定対象物の測定方法であって、
前記磁性分子として、結合する前記測定対象物と特異的に結合する分子を用い、
測定対象物に特異的に結合した前記磁性分子の量をバイオセンサを用いて特定するステップと、
前記磁性分子の量に基づいて、測定対象物の量を特定するステップと、を含むことを特徴とする。
本発明による別の測定対象物の測定方法は、請求の範囲第１項から第２０項のいずれかに記載のバイオセンサを用いた測定対象物の測定方法であって、




【国際調査報告】
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