(57)【要約】本発明は、磁気バイオセンサのための励起及び測定方法に関するものである。デジタル磁気センサ要素（１００）を用いて、磁気ビーズ（１１０）は、磁気ビーズ（１１０）が少なくともデジタル磁気センサ要素（１００）の上部面に近接しているときに、磁気ビーズ（１１０）の漂遊磁界が少なくともデジタル磁気センサ要素（１００）の磁気要素（１０８）を切り替えないように、磁気ビーズ（１１０）は磁化される。磁気要素（１０８）の状態の測定は、磁気ビーズ（１１０）の存在又は非存在の決定を可能にする。その方法は、バイオセンサシステムにおいてＭＲＡＭを用いることにより非常に有利である。
2008522147.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気ビーズの存在を検知するための方法であって：
少なくともデジタル磁気センサ要素であって、該少なくともデジタル磁気センサ要素は、磁気要素と、ビット線と、ワード線とを有し、該ワード線は、前記ビット線に対して垂直に方向付けられているデジタル磁気センサ要素を備える段階；
前記少なくともデジタル磁気センサ要素の前記磁気要素の最初の状態を測定する段階；
前記少なくともデジタル磁気センサ要素の前記ビット線及び前記ワード線の各々に対して所定の電流パルスを供給する段階であって、前記電流パルスは、前記少なくともデジタル磁気センサ要素の前記磁気要素の状態を切り替えることができる、段階；
前記電流パルスの供給後に、前記少なくともデジタル磁気センサ要素の前記磁気要素の第１状態を測定する段階；並びに
前記最初の状態と前記少なくともデジタル磁気センサ要素の前記磁気要素の前記測定された第１状態を比べ、そしてその比較に応じて比較結果を与える段階；
を有する磁気ビーズの存在を検知するための方法。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気ビーズの存在を検知するための方法であって：
前記比較結果が適合を示す場合、前記磁気ビーズの存在を表す信号を供給する段階；及び
前記比較結果が適合を示さない場合、前記磁気ビーズの非存在を表す信号を供給する段階；
を有する、磁気ビーズの存在を検知するための方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の磁気ビーズの存在を検知するための方法であって、前記少なくともデジタル磁気センサ要素を備える段階は、バイオセンサシステムで用いる少なくともデジタル磁気バイオセンサ要素を備える段階を有する、磁気ビーズの存在を検知するための方法。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れ一項に記載の磁気ビーズの存在を検知するための方法であって：
前記磁気ビーズが前記少なくともデジタル磁気センサ要素の上部面に近接しているとき、前記磁気ビーズの漂遊磁界が前記少なくともデジタル磁気センサ要素の前記磁気要素の切り替えが起こらないように、前記磁気ビーズを磁化するために前記ビット線及び前記ワード線の一に所定の単一の電流パルスを供給する段階；
を有する、磁気ビーズの存在を検知するための方法。
【請求項５】
請求項１乃至３の何れ一項に記載の磁気ビーズの存在を検知するための方法であって：
前記磁気ビーズが前記少なくともデジタル磁気センサ要素の上部面に近接しているとき、前記磁気ビーズの漂遊磁界が前記少なくともデジタル磁気センサ要素の前記磁気要素の切り替えが起こらないように、前記磁気ビーズを磁化するために外部磁場パルスを供給する段階；
を有する、磁気ビーズの存在を検知するための方法。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れ一項に記載の磁気ビーズの存在を検知するための方法であって、
前記少なくともデジタル磁気センサ要素を備える段階は、デジタル磁気センサ要素を形成する直列及び並列接続の一で結合された複数の磁気抵抗装置を備える段階を有することを特徴とする、磁気ビーズの存在を検知するための方法。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れ一項に記載の磁気ビーズの存在を検知するための方法であって、
前記少なくともデジタル磁気センサ要素を備える段階は、デジタル磁気センサ要素のアレイを備える段階を有することを特徴とする、磁気ビーズの存在を検知するための方法。
【請求項８】
請求項７に記載の磁気ビーズの存在を検知するための方法であって、前記電流パルスの供給に先行して、前記少なくともデジタル磁気センサ要素の各々の最初の状態を表すデータを記憶する段階を有することを特徴とする、磁気ビーズの存在を検知するための方法。
【請求項９】
請求項１に記載の磁気ビーズの存在を検知するための方法であって：
前記少なくともデジタル磁気センサ要素の前記ビット線及び前記ワード線の各々に対して第２の所定の電流パルスを供給する段階であって、前記第２電流パルスは前記少なくともデジタル磁気センサ要素の前記磁気要素の状態を切り替えることができ、前記第２電流パルスの１つは対応する第１電流パルスに対して反転される、段階；
前記第２電流パルスの供給後に、前記少なくともデジタル磁気センサ要素の前記磁気要素の第２状態を測定する段階；並びに
前記最初の状態と前記少なくともデジタル磁気センサ要素の前記磁気要素の前記測定された第１状態を比べ、そしてその比較に応じて第２比較結果を与える段階；
を有する、磁気ビーズの存在を検知するための方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の磁気ビーズの存在を検知するための方法であって：
前記比較結果及び前記第２比較結果が適合を示す場合、前記磁気ビーズの存在を表す信号を供給する段階；及び
前記比較結果及び前記第２比較結果の一が適合を示さない場合、前記磁気ビーズの非存在を表す信号を供給する段階；
を有する、磁気ビーズの存在を検知するための方法。
【請求項１１】
請求項９又は１０に記載の磁気ビーズの存在を検知するための方法であって：
前記少なくともデジタル磁気センサ要素の前記磁気要素の前記最初の状態を測定した後に、前記磁気ビーズが前記少なくともデジタル磁気センサ要素の上部面に近接しているとき、前記磁気ビーズの漂遊磁界が前記少なくともデジタル磁気センサ要素の前記磁気要素を切り替えないようにするように、前記磁気ビーズを磁化するために前記少なくともデジタル磁気センサ要素の前記ビット線及び前記ワード線の一に第２の所定の単一の電流パルスを供給する段階；
前記少なくともデジタル磁気センサ要素の前記磁気要素の前記第１状態を測定した後に、前記磁気ビーズが前記少なくともデジタル磁気センサ要素の上部面に近接しているとき、前記磁気ビーズの漂遊磁界が前記少なくともデジタル磁気センサ要素の前記磁気要素を切り替えないようにするように、前記磁気ビーズを磁化するために前記少なくともデジタル磁気センサ要素の前記ビット線及び前記ワード線の一に第２の所定の単一の電流パルスを供給する段階；
を有する、磁気ビーズの存在を検知するための方法。
【請求項１２】
請求項９又は１０に記載の磁気ビーズの存在を検知するための方法であって：
前記少なくともデジタル磁気センサ要素の前記磁気要素の前記最初の状態を測定した後に、前記磁気ビーズが前記少なくともデジタル磁気センサ要素の上部面に近接しているとき、前記磁気ビーズの漂遊磁界が前記少なくともデジタル磁気センサ要素の前記磁気要素を切り替えないようにするように、前記磁気ビーズを磁化するために所定の外部の磁場パルスを供給する段階；
前記少なくともデジタル磁気センサ要素の前記磁気要素の前記第１状態を測定した後に、前記磁気ビーズが前記少なくともデジタル磁気センサ要素の上部面に近接しているとき、前記磁気ビーズの漂遊磁界が前記少なくともデジタル磁気センサ要素の前記磁気要素を切り替えないようにするように、前記磁気ビーズを磁化するために第２の所定の外部の磁場パルスを供給する段階；
を有する、磁気ビーズの存在を検知するための方法。
【請求項１３】
データを記憶している記憶媒体であって、前記データは、実行されるときに、少なくともデジタル磁気センサ要素であって、該デジタル磁気センサ要素は、磁気要素と、ビット線と、ワード線とを有し、該ワード線は、前記ビット線に対して垂直に方向付けられている少なくともデジタル磁気センサ要素を用いて、磁気ビーズの存在を検知するための方法においてもたらされる、記憶媒体であり、前記方法は：
前記少なくともデジタル磁気センサ要素の前記ビット線及び前記ワード線の各々に対して所定の電流パルスを供給する段階であって、前記電流パルスは、前記少なくともデジタル磁気センサ要素の前記磁気要素の状態を切り替えることができる、段階；
前記電流パルスの供給後に、前記少なくともデジタル磁気センサ要素の前記磁気要素の第１状態を測定する段階；並びに
前記最初の状態と前記少なくともデジタル磁気センサ要素の前記磁気要素の前記測定された第１状態を比べ、そしてその比較に応じて比較結果を与える段階；
を有する、記憶媒体。
【請求項１４】
磁気ビーズの存在を検知するためのデジタル磁気センサシステムであって：
少なくともデジタル磁気センサ要素であって、該少なくともデジタル磁気センサ要素は、磁気要素と、ビット線と、ワード線とを有し、該ワード線は、前記ビット線に対して垂直に方向付けられ、前記少なくともデジタル磁気センサ要素は該少なくともデジタル磁気センサ要素の上部面に近接している磁気ビーズの存在を検知するためのものである、少なくともデジタル磁気センサ要素；並びに
前記少なくともデジタル磁気センサ要素と通信する処理器であって、該処理器はプログラムデータを実行するためのものであり、前記プログラムデータは、実行されるときに、磁気ビーズの存在を検知するための方法においてもたらされ、前記プログラムデータを実行するときに、前記処理器は：
前記少なくともデジタル磁気センサ要素の前記磁気要素の最初の状態を測定する段階；
前記少なくともデジタル磁気センサ要素の前記ビット線及び前記ワード線のそれぞれの各々に対して所定の電流パルスの供給を制御する段階であって、前記電流パルスは、前記少なくともデジタル磁気センサ要素の前記磁気要素の状態を切り替えることができる、段階；
前記電流パルスの供給後に、前記少なくともデジタル磁気センサ要素の前記磁気要素の第１状態を測定する段階；並びに
前記最初の状態と前記少なくともデジタル磁気センサ要素の前記磁気要素の前記測定された第１状態を比べ、そしてその比較に応じて比較結果を与える段階；
を実行する、処理器；
有するデジタル磁気センサシステム。
【請求項１５】
請求項１４に記載の磁気ビーズの存在を検知するためのデジタル磁気センサシステムであって、前記処理器に少なくとも制御信号を供給するため及び前記比較結果を送信するために前記処理器と通信するポートを有する、デジタル磁気センサシステム。
【請求項１６】
請求項１４又は１５に記載の磁気ビーズの存在を検知するためのデジタル磁気センサシステムであって、前記デジタル磁気センサ要素は、デジタル磁気バイオセンサシステムにおいてデジタル磁気バイオセンサ要素として用いるようにデザインされていることを特徴とする、デジタル磁気センサシステム。
【請求項１７】
請求項１４又乃至１６の何れ一項に記載の磁気ビーズの存在を検知するためのデジタル磁気センサシステムであって、前記プログラムデータを記憶するために前記処理器と通信する第１メモリ回路を有することを特徴とする、デジタル磁気センサシステム。
【請求項１８】
請求項１４又乃至１７の何れ一項に記載の磁気ビーズの存在を検知するためのデジタル磁気センサシステムであって、前記少なくともデジタル磁気センサ要素は、デジタル磁気センサ要素を形成する直列及び並列接続の一で結合されている複数の磁気抵抗装置を有することを特徴とする、デジタル磁気センサシステム。
【請求項１９】
請求項１４又乃至１８の何れ一項に記載の磁気ビーズの存在を検知するためのデジタル磁気センサシステムであって、前記少なくともデジタル磁気センサ要素は、デジタル磁気センサ要素のアレイを有することを特徴とする、デジタル磁気センサシステム。
【請求項２０】
請求項１９に記載の磁気ビーズの存在を検知するためのデジタル磁気センサシステムであって、少なくともデジタル磁気センサ要素の少なくとも２つは、電流パルスの同時供給のために共通のビット線及び共通のワード線を共有することを特徴とする、デジタル磁気センサシステム。
【請求項２１】
請求項１４又乃至２０の何れ一項に記載の磁気ビーズの存在を検知するためのデジタル磁気センサシステムであって、前記デジタル磁気センサ要素の各々の最初の状態を表すデータを記憶するために前記処理器と通信する第２メモリ回路を有することを特徴とする、デジタル磁気センサシステム。
【請求項２２】
請求項１９又乃至２１の何れ一項に記載の磁気ビーズの存在を検知するためのデジタル磁気センサシステムであって、前記のデジタル磁気センサ要素のアレイは先端式のＭＲＡＭを有することを特徴とする、デジタル磁気センサシステム。
【請求項２３】
請求項１９又乃至２１の何れ一項に記載の磁気ビーズの存在を検知するためのデジタル磁気センサシステムであって、前記のデジタル磁気センサ要素のアレイは従来のＭＲＡＭを有し、前記プログラムデータを実行するときに、前記処理器は：
前記少なくともデジタル磁気センサ要素の前記ビット線及び前記ワード線のそれぞれの各々に第２の所定の電流パルスを供給する段階であって、前記第２電流パルスは前記少なくともデジタル磁気センサ要素の前記磁気要素の状態を切り替えることができ、前記第２電流パルスの１つは対応する第１電流パルスに対して反転されている、段階；
前記第２電流パルスの供給後に、前記少なくともデジタル磁気センサ要素の前記磁気要素の第２状態を測定する段階；並びに
前記最初の状態と前記少なくともデジタル磁気センサ要素の前記磁気要素の前記測定された第２状態を比べ、そしてその比較に応じて第２比較結果を与える段階；
を実行する、デジタル磁気センサシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、磁気バイオセンサ、特に、磁気バイオセンサのための励起及び測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気バイオセンサシステムは、所定の分子種の分子と結合することができるバイオケミカル層でコーティングされた磁気センサ要素のアレイを有する。磁気ビーズは、所定の種の分子と選択的に結合するバイオケミカルコーティングにより活性化される。生化学的に活性化されたビーズは、存在する場合、ビーズのバイオケミカルコーティングが所定の種の分子と結合している所定の溶液中に位置付けられる。この処理の後、所定種の分子は磁気ビーズによりタギングされる。一旦、その溶液が磁気センサ要素の生化学層と接触するようになると、その所定種のタギングされた分子は、バイオケミカル層及びその溶液との分子結合の方に拡散する。磁気ビーズの存在又は非存在は、ビーズの磁気特性に基づいて各々の磁気センサ要素において測定される。
【０００３】
磁気ビーズは、それらのビーズのプロダクト磁化体積を基準として、用語、大きい／小さい、を用いて、大きい強磁性か又は小さい超常磁性のどちらかである。超常磁性である磁気ビーズは、最初に磁化される必要があり、磁化の後、それらビーズの漂遊磁場が磁気センサを用いて測定される。外部磁場パルスが超常磁性ビーズを磁化するために用いられる。理想的には、外部磁場パルスはセンサ機能に影響しない。
【０００４】
今日、磁気バイオセンサシステムは、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）又は巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）を測定するためのアナログ磁気センサに基づいている。並行して、不揮発性磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）が、双安定磁気メモリ素子に基づいて開発されてきた。メモリ素子は、追加の磁場がそのメモリ素子のスイッチングのために用いられるとき、デジタル磁気センサとして用いられることが可能である。
【０００５】
典型的には、ＭＲＡＭ装置は、ＡＭＲ又はＧＭＲよりトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）に依存する。しかしながら、双安定磁気メモリ動作は、デジタル磁気センサ概念のように、ＴＭＲ装置のみに限定されない。ＭＲＡＭアレイを用いることにより、バイオセンサシステムにおいて多くの異なるアプリケーションによる共通のプラットホームの使用が可能になり、実質的に開発及び製造コストが削減される。
【０００６】
しかしながら、バイオセンサシステムにおいてＭＲＡＭ技術を効率的に用いるためには、ＭＲＡＭ技術を用いる簡単で、効率的で、高精度の励起及び測定のための要請が存在している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
それ故、本発明の目的は、ＭＲＡＭ技術を用いる磁気バイオセンサのための励起及び測定方法を提供することである。
【０００８】
更なる本発明の目的は、簡単で、効率的で、高精度であるＭＲＡＭ技術を用いる磁気バイオセンサのための励起及び測定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明にしたがって、磁気ビーズの存在を検知するための方法であって、少なくともデジタル磁気センサ要素、磁気要素を有するデジタル磁気センサ要素、ビット線及びワード線を備える段階であって、ワード線はビット線に対して垂直に方向付けられている、段階と、少なくともデジタル磁気センサ要素の磁気要素の初期状態を測定する段階と、少なくともデジタル磁気センサ要素のビット線及びワード線の各々に所定の電流パルスを供給する段階であって、電流パルスは、少なくともデジタル磁気センサ要素の磁気要素の状態を切り替えることができる、段階と、電流パルスを供給した後に、少なくともデジタル磁気センサ要素の磁気要素の第１状態を測定する段階と、少なくともデジタル磁気センサ要素の磁気要素の測定された第１状態を初期状態と比較し、比較結果に応じてその比較結果を与える段階と、を有する方法が提供される。
【００１０】
本発明にしたがって、データが記憶される記憶媒体であって、そのデータは、実行されるときに、少なくとも、磁気要素、ビット線及びワード線を有するデジタル磁気センサ要素を用いる磁気ビーズの存在を検知するための方法においてもたらされる、少なくともデジタル磁気センサ要素、磁気要素を有するデジタル磁気センサ要素、ビット線及びワード線を備える段階であって、ワード線はビット線に対して垂直に方向付けられている、段階と、少なくともデジタル磁気センサ要素の磁気要素の初期状態を測定する段階と、少なくともデジタル磁気センサ要素のビット線及びワード線の各々に所定の電流パルスを供給する段階であって、電流パルスは、少なくともデジタル磁気センサ要素の磁気要素の状態を切り替えることができる、段階と、電流パルスを供給した後に、少なくともデジタル磁気センサ要素の磁気要素の第１状態を測定する段階と、少なくともデジタル磁気センサ要素の磁気要素の測定された第１状態を初期状態と比較し、比較結果に応じてその比較結果を与える段階と、を有する、記憶媒体が更に提供される。
【００１１】
本発明にしたがって、磁気ビーズの存在を検知するためのデジタル磁気センサシステムであって：少なくともデジタル磁気センサ要素であって、その少なくともデジタル磁気センサ要素は磁気要素、ビット線及びワード線を有し、ワード線はビット線に対して直角に方向付けられ、その少なくともデジタル磁気センサ要素はその上部表面に近接している磁気ビーズの存在を検知するためのものである、少なくともデジタル磁気センサ要素と；少なくともデジタル磁気センサ要素と通信する処理器であって、その処理器はプログラムデータを実行するためのものであり、そのプログラムデータは、実行されるときに、磁気ビーズの存在を検知するための方法においてもたらされ、その処理器は、プログラムデータを実行するときに、下記の段階であって：少なくともデジタル磁気センサ要素の磁気要素の初期状態を測定する段階と；少なくともデジタル磁気センサ要素のビット線及びワード線のそれぞれの各々への所定の電流パルスの供給を制御する段階であって、電流パルスは、少なくともデジタル磁気センサ要素の磁気要素の状態を切り替えることができる、段階と；電流パルスを供給した後に、少なくともデジタル磁気センサ要素の磁気要素の第１状態を測定する段階と；少なくともデジタル磁気センサ要素の磁気要素の測定された第１状態を初期状態と比較し、比較結果に応じてその比較結果を与える段階と；を実行する、デジタル磁気センサシステムを更に提供する。
【００１２】
本発明の例示としての実施形態は、以下、図と関連付けて詳述する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１ａ乃至１ｄを参照するに、例えば、バイオセンサ要素として用いるＭＲＡＭのデジタル磁気センサ要素１００の複数の動作モードが示されている。磁気ビーズ１１０の存在又は非存在を検知するために用いられるデジタル磁気センサ要素１００は、当業者により知られているトンネル磁気抵抗に基づくＭＲＡＭメモリ要素の代表的なレイアウトを有する。デジタル磁気センサ要素１００は、基本的には、ビット線１０２と、ビット線１０２に対して垂直に方向付けられているワード線１０４と、選択トランジスタ１０６と、磁気要素１０８とを有する。代表的には、バイオセンサシステムにおけるアプリケーションのために、“ナノビーズ”と呼ばれるナノスケールの磁気ビーズ１１０が用いられる。磁気ビーズ１１０は、好適に超常磁性であることが事実である場合、本発明にしたがった磁気ビーズ１１０の存在又は非存在を検知するための測定過程は、主に２つの処置を有する。第１処置においては、磁気ビーズ１１０は、デジタル磁気センサ要素１００の上部面１０１に近接しているときに磁化され、次いで、第２処置において、磁気ビーズ１１０の漂遊磁界がデジタル磁気センサ要素１００により検知される。磁場パルスは、所定の磁化に対して超常磁性ビーズ１１０を励起し、その所定の磁化は時間経過と共に減衰する。その結果、第１処置と第２処置との間の時間間隔は、デジタル磁気センサ要素１００により検知されるようになっている磁化されたビーズ１１０の十分に強い漂遊磁界を確実にするように限定される。強磁性ビーズの場合、励起の第１処置を省くことは可能であるが、デジタル磁気センサ要素１００に対して磁気ビーズ１１０のアライメントにおいて助けとなることに留意する必要がある。
【００１４】
磁気ビーズ１１０は、緩和過程により与えられる時定数を有する磁場において磁化される。その磁場がオフに切り替えられるとき、磁化ビーズ１１０の磁化は、同じ緩和にしたがった時定数により減衰する。所定温度及び適用される磁場Ｈに基づくナノビーズの平衡磁気モーメントは次式
ｍ（Ｈ，Ｔ）＝ｍ０Ｌ（ｍ０μ０Ｈ／ｋＴ）                  （１）
により与えられ、ここで、Ｌはランジュバン関数、ｍ０はＴ＝０Ｋについての飽和磁気モーメントであり、μ０は磁気定数、即ち、飽和磁化と磁気ボリュームとの積である。ランジュバン関数は、磁気ビーズ１１０に与えられる磁気エネルギーを熱エネルギーと比較する。正味の磁化は、磁場が存在しない状態では０である。磁場がｔ＝０において適用された後、ナノビーズ当たりの磁気モーメントは次式にしたがって増加する。
【００１５】
ｍ（ｔ，Ｈ，Ｔ）＝ｍ（Ｈ，Ｔ）（１−ｅｘｐ（−ｔ／τ））  （２）
ナノビーズを磁化するように、τを上回る磁場パルスが、平衡磁気モーメントの略７０％を生成するために必要である。磁場がオフに切り替えられた後、磁化の減衰が同じタイムフレーム内に生じる。τがネール緩和Ｎを反映する場合、次式のようである。
【００１６】
τＮ＝τ０ｅｘｐ（ＫＶ／ｋＴ）                              （３）
更に、次式の緩和時間
τＢ＝３Ｖη／ｋＴ                                          （４）
によるブラウン運動を考慮することが可能であり、ここで、Ｖはナノビーズの磁気ボリュームを表し、ηは、デジタル磁気センサ要素１００の上部面１０１とナノビーズ１１０との間に備えられた液体の粘度（例えば、水については１０−３Ｐａ．ｓ）である。
【００１７】
第１処置と第２処置との間の時間遅延が制限されることが事実である場合、それらの２つの処置の間で磁気要素１０８の状態を測定することは可能ではないようである。それ故、第１処置は、磁気要素１０８の状態を乱さないことが好ましい。従来のＭＲＡＭにおいては、単一の磁場成分は、通常、磁気要素１０８を切り替えるには十分ではなく、即ち、２つの直交する磁場成分の組み合わせのみが磁気要素１０８を切り替えることができる。先端式のＭＲＡＭにおいては、更に良好な選択が、単一のパルスが磁気要素１０８を切り替えないこと、即ち、パルス高さにおける制限がないことを確実にすることにより、実現される。従来の及び先端式のＭＲＡＭについての更なる説明については多くの文献に記載されている。従来のＭＲＡＭについては、文献Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ＩＥＥＥ，Ｖｏｌ．９１，Ｎｏ．５，Ｍａｙ  ２００３，Ｐａｇｅ  ７０３−７１４，ｂｙ  Ｔｅｈｒａｎｉ  ｅｔ  ａｌを参照することができる。先端式の（又はトグル）ＭＲＡＭを紹介している文献には、ＩＥＤＭ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｄｉｇｅｓｔ  ２００３，Ｓｅｓｓｉｏｎ  ３４，Ｐａｐｅｒ＃６，ｂｙ  Ｄｕｒｌａｍ  ｅｔ  ａｌがある。
【００１８】
ここで、図１ａ、１ｂ、２及び３ａを参照するに、本発明にしたがった先端式のＭＲＡＭを用いる磁気バイオセンサについての励起及び測定方法の第１実施形態について記載されている。第１段階、即ち、ボックス２０２においては、磁気要素１０８の状態が測定される。シングルパルスが、その場合、図１ａに示されているビット線１０８及びビーズ１１０を磁化するためのワード線１０４の一に送られる（ボックス２０４）。図１ｂ及びボックス２０６に示されている短い遅延の後、ダブルパルスは、ワード線１０４及びビット線１０２のそれぞれに１つの重なり合う電流パルスと共に及び短く連続的に送ることにより、図１ｃ及びボックス２０８に示されている磁気要素１０８に送られる。この処置は、図１ｄ及びボックス２１０に示されている磁気要素１０８の状態の第２測定により後続される。上記のように、２つの直交する磁場の組み合わせは、磁気要素１０８が切り替わるようにする。しかしながら、この処置が磁化されたビーズ１１０の漂遊磁界の存在により乱される場合、切り替え処置は起こらない。それ故、状態の変化が検出される（ボックス２１２）場合、磁気ビーズが存在せず（ボックス２１４）、状態の変化が検出されない（ボックス２１２）場合、磁気ビーズが存在する（ボックス２１６）。図３ａは、ビット線１０２及びワード線１０４における電流パルスのタイミングと磁気要素１０８の状態とを模式的に示している。ダブルパルスにおけるビット線１０２から生成される磁場に対して超常磁性ビーズ１１０からの磁場Ｈｂｅａｄにおいて逆の符号を得るように、ダブルパルスにおけるビット線パルスの極性は、図３ａに示すように、ビーズ１１０を励起するための第１パルスに対して反転される。図３ａに示されているように、ビーズが存在しない場合、磁気要素の状態は０から１に切り替えられる。他方、磁化されたビーズ１１０が存在する場合、磁気要素１０８は状態０に保たれる。代替の実施形態においては、ワード線パルスが、図３ｂのタイミング図に示されているように、磁気ビーズを磁化するように用いられる。この特定の実施形態において、磁気要素１０８がワード線１０４と磁気ビーズ１１０との間に位置しているということが事実である場合、それらの２つの磁場は負であるため、同じ電流パルス方向が両方の処置のために用いられる。任意に、外部磁場パルスが、例えば、外部磁場コイルを用いることによりビーズを磁化するように用いられる。
【００１９】
デジタル磁気センサ要素１００は、電磁励起時に磁気要素１０８における状態変化を検知する。好適な実施形態においては、励起パルスは、標準的なＭＲＡＭ要素に適用される切り替えパルスと同じであるように選択される。これは、磁化されたビーズ１１０によりもたらされる漂遊磁界が、磁気要素１０８が切り替えられないようにするには十分に大きいとき、有効である。
【００２０】
単一の超常磁性ビーズとＧＭＲセンサとを有するシステムにおいて実行される演算については、文献Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ａ  １８．４，ｐｐ．１１２５，２０００，ｂｙ  Ｔｏｎｄｒａ  ｅｔ  ａｌに記載されている。測定は、外部で適用される磁場を用いて実行される。それらの演算の結果は、超常磁性ビーズにより生成される漂遊磁界Ｈｂｅａｄが適用される磁場Ｈａｐｐｌの約５乃至１０％であることを示している。ＨｂｅａｄはＨａｐｐｌに対して逆符号を有するため、測定中の平均全磁場は約９５％に減少する。それ故、センサ要素は、第１処置の単一パルス中に生成される１００％の磁場と、第２処置中の約９５％の磁場との間で切り替え閾値における差分を測定する。要約すると、Ｔｏｎｄｒａ等による文献においては、ＧＭＲセンサは、次の条件、即ち、（１）センサはビーズと略同じ大きさである、（２）ビーズ表面は、センサの表面から約０．２ビーズ半径、離れている、（３）ビーズは磁化率χｍ０．０５を有する、そして（４）ＧＭＲセンサは適切に応答する、が適合される限り、何れの大きさの単一の超常磁性ビーズを検出することができる。ＴＭＲに基づくセンサを用いる場合、条件（２）を除いて、全ての条件が適合される。ＴＭＲ装置の上部において接触する必要があるため、ビーズ表面とセンサとの間の距離は上記のスケーリング則に従わない。デジタル磁気センサの概念は、一般に、ＡＭＲ及びＧＭＲ装置にも適用可能である。
【００２１】
図４を参照するに、従来のＭＲＡＭを用いる本発明にしたがった励起及び測定方法の他の実施形態のタイミング図が示されている。ここで、磁気要素の初期状態は、状態の変化をもたらすことができるように、電流パルスの方向を規定する。図４に示しているように、各々が測定のためのダブルパルス及びビーズの励起のためのシングルパルスを有する２つのパルス列は、第１パルス列のワード線パルスと逆符号を有する第２パルス列のワード線パルスが与えられる。図４に示しているように、磁気要素が最初に状態０にある場合、第１パルス列は、ビーズが存在しないときに、磁気要素が状態１に切り替えられるようにし、磁気要素が最初に状態１にある場合、第２パルス列は、ビーズが存在しないときに、磁気要素を状態０に切り替えられるようにする。各々のパルス列の後、磁気要素の状態は測定され、磁気ビーズの存在又は非存在を決定するように、磁気要素の最初の状態の測定と比較される。
【００２２】
上記においては、単一のデジタル磁気センサ要素の動作について説明した。単一のデジタル磁気センサ要素１００の実施は、単一のデジタル磁気センサへの並列及び／又は直列接続状に結合された複数の磁気抵抗装置を有することが可能である。代替として、ＭＲＡＭを用いる場合、デジタル磁気センサ要素１００は、マトリクス状のアレイに配列された複数のセンサ要素の１つである。用いられるＭＲＡＭのアレイ構造に基づいて、励起及び測定過程を高速化するように異なる技術が用いられる。例えば、特定のセンサ要素におけるシングルパルスイベントは、隣接するセンサ要素の１つにダブルパルスを送ること、例えば、隣接するセンサ要素と共に線、即ちビット線又はワード線の一を共有することにより同時に実行される。しかしながら、この高速化された測定技術による実施形態にしたがって、磁気要素の状態が第１処置と第２処置との間で測定されるか又は、各々のデジタル磁気センサ要素の最初の状態の測定の集合が、パルスを送る前に獲得され、例えば、ＭＲＡＭのような互換性があるメモリに記憶され、磁気要素の状態の第２測定は、デジタル磁気センサ要素の完全なアレイが励起されるまで、先送りされる。
【００２３】
代替の実施形態においては、複数のセンサ要素１００が、図５に示されるように、共通のビット線及びワード線を共有するように並列に備えられ、複数のセンサ要素１００の同時励起を可能にする。更に、行及び列の二次元アレイを構成するように複数のそのような並列のセンサ要素を備えることが可能である。また、各々のセンサ要素の最初の状態の測定の集合が、何れのパルスを送信する前に、獲得される。
【００２４】
更なる実施形態においては、類似する電流パルスレベル−平均化を用いるか又は、種々の電流パルスレベル−離散的磁場掃引を用いるかのどちらかで、単一のセンサにおける繰り返し測定が、精度を高めるようになされる。
【００２５】
本発明にしたがった励起及び測定は、バイオセンサシステムのためのＭＲＡＭメモリ技術の使用を可能にし、非常に有利である。単一のＭＲＡＭチップの複数のセンサ要素のマトリクスは、時期的にタグ付けされた生物学的種を測定するように用いられる。その方法は、濃度、代替としての位置マップの更に詳細な決定を可能にする単一のビーズイベントセンサを生成するためにＭＲＡＭ技術の使用を可能にする。
【００２６】
ここで、図６を参照するに、本発明にしたがった励起及び測定方法の実施形態を実施するためのバイオセンサシステム４００を示している。バイオセンサシステム４００は、複数のバイオセンサ要素のアレイとして用いられるＭＲＡＭ４０２を有する。処理器４０４は、本発明にしたがった励起及び測定方法の実施形態の１つの処理段階を実行するためのＭＲＡＭ４０２の動作を制御するためにメモリ４０６に記憶されているコマンドを実行する。ＭＲＡＭ４０２を有する。従来の又は先端式のＭＲＡＭ４０２のアレイの構造及び種類に応じて、上記実施形態の一が処理器４０４により実行されるように選択される。ポート４０８を介して、処理器４０４は制御コマンドを受け入れ、測定データを供給する。任意に、バイオセンサシステムは、各々のセンサ要素の最初の状態の測定の集合を記憶するためにＭＲＡＭの形でメモリ４１０を有する。好適には、実行可能なコマンドは、単一のチップにおいて単純でコンパクトなバイオセンサシステムを備えるようにハードウェアにおいて実施される。代替として、それらの実行可能なコマンドは、処理器４０４と通信する可搬性媒体に記憶され、更に代替として、例えば、ワークステーションに接続されているポート４０８を介して供給される。
【００２７】
種々の本発明の他の実施形態が、同時提出の特許請求の範囲にきさいされている本発明の主旨及び範囲から逸脱することなく、可能であることは、当業者には理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１ａ】本発明にしたがった励起及び検知方法の動作の複数のモードにおけるデジタル磁気センサ要素を模式的に示す簡略化されたブロック図である。
【図１ｂ】本発明にしたがった励起及び検知方法の動作の複数のモードにおけるデジタル磁気センサ要素を模式的に示す簡略化されたブロック図である。
【図１ｃ】本発明にしたがった励起及び検知方法の動作の複数のモードにおけるデジタル磁気センサ要素を模式的に示す簡略化されたブロック図である。
【図１ｄ】本発明にしたがった励起及び検知方法の動作の複数のモードにおけるデジタル磁気センサ要素を模式的に示す簡略化されたブロック図である。
【図２】本発明にしたがった励起及び検知方法の簡略化されたフロー図である。
【図３ａ】本発明にしたがった励起及び検知方法の実施形態の動作を模式的に示す簡略化されたタイミング図である。
【図３ｂ】本発明にしたがった励起及び検知方法の実施形態の動作を模式的に示す簡略化されたタイミング図である。
【図４】本発明にしたがった励起及び検知方法の他の実施形態の動作を模式的に示す簡略化されたタイミング図である。
【図５】本発明にしたがった励起及び検知方法の他の実施形態を実施するためのデジタル磁気センサ要素のアレイの構造を模式的に示す簡略化されたブロック図である。
【図６】本発明にしたがった励起及び検知方法を用いるためのデジタル磁気センサシステムを模式的に示す簡略化されたブロック図である。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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【図１ｄ】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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