(57)【要約】【課題】 磁場生成装置を小型化できる直流磁場を用い、しかも、磁性体粒子の高感度な検出が可能な磁性体センサ装置を提供する。【解決手段】  磁性体センサ装置2は、磁気を帯びていない磁性体粒子1を平面状に保持する支持体4と、磁性体粒子1に直流磁場を印加する磁場生成手段12と、磁性体粒子1が磁場内に出入りするように支持体4を移動させる微細振動手段40と、磁性体粒子1の磁場内への出入りに伴う磁場の変化を検出する磁性体センサ3とを備えている。微細振動手段40は、磁性体粒子1が磁場内に繰り返し出入りするように支持体4を微細振動させるものとされている。【選択図】    図１
2008064746.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気を帯びていない磁性体粒子を平面状に保持する支持体と、磁性体粒子に直流磁場を印加する磁場生成手段と、磁性体粒子の磁場内への出入りに伴う磁場の変化を検出する磁性体センサとを備えている磁性体センサ装置において、
磁性体粒子が磁場内に繰り返し出入りするように支持体および磁場生成手段のいずれかを微細振動させる振動手段をさらに備えていることを特徴とする磁性体センサ装置。
【請求項２】
振動手段は、支持体を微細振動させるものである請求項１の磁性体センサ装置。
【請求項３】
振動手段は、磁場生成手段を微細振動させるものである請求項１の磁性体センサ装置。
【請求項４】
振動手段は、磁気遮蔽箱と、磁気遮蔽箱を貫通するように設けられ先端部に支持体が載置される支持軸と、磁気遮蔽箱および支持軸のいずれか一方に設けられた永久磁石と、同他方に設けられて永久磁石に引力および斥力を交互に作用させる電磁石と、電磁石に交流電流を印加する交流電源とを備えていることを特徴とする請求項１の磁性体センサ装置。
【請求項５】
磁性体センサは、高透磁性材料からなり一部に検出用ギャップを有する磁気回路と、磁気回路に巻かれてギャップ内の磁気抵抗の変化を検出する少なくとも１つの検出用コイルとを備えていることを特徴とする請求項１から４までのいずれかの磁性体センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁性体センサ装置に関し、特に、磁性体粒子を検出することで測定対象物を分析するバイオセンサとして使用するのに好適な磁性体センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、磁性体粒子を検出する磁性体センサ装置として、磁性体センサが磁場の中に配置され、支持体に保持された磁性体粒子の移動に伴う磁場の変化を磁性体センサで検出するものが提案されており、この場合の磁場生成手段として、交流磁場を印加するもの（特許文献１）および直流磁場を印加するもの（特許文献２）が知られている。
【特許文献１】特表２００１−５２４６７５号公報
【特許文献２】特表２００４−５１９６６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記特許文献１の交流磁場を用いるものでは、磁場生成装置が大型化するという問題があり、また、上記特許文献２の直流磁場を用いるものでは、磁場生成装置を小型化できるメリットがあるものの、磁性体粒子の高感度な検出を実現するためには、強磁場中で働く（ダイナミックレンジが広くかつ分解能が高い）高性能センサの開発が別途必要となるという問題があった。
【０００４】
本発明は、従来技術の上記諸問題に鑑み、磁場生成装置を小型化できる直流磁場を用い、しかも、磁性体粒子の高感度な検出が可能な磁性体センサ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明による磁性体センサ装置は、磁気を帯びていない磁性体粒子を平面状に保持する支持体と、磁性体粒子に直流磁場を印加する磁場生成手段と、磁性体粒子の磁場内への出入りに伴う磁場の変化を検出する磁性体センサとを備えている磁性体センサ装置において、磁性体粒子が磁場内に繰り返し出入りするように支持体および磁場生成手段のいずれかを微細振動させる振動手段をさらに備えていることを特徴とするものである。
【０００６】
この磁性体センサ装置によると、支持体に保持された磁性体粒子が磁場内に出入りすることによって、磁束密度が変化し、これが磁性体センサで検出される。この磁性体センサ装置は、磁化可能な磁性体粒子を含んでいるサンプル中の磁性体粒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として好適に使用される。このようなバイオセンサは、例えば、ＤＮＡ−ＤＮＡ、抗体−抗原、またはリガンド−受容体の間に作用する結合力を単一分子レベルで測定することができる。
【０００７】
磁性体粒子を磁場内に繰り返し出入りさせるには、支持体を微細振動させてもよく、磁場生成手段を微細振動させてもよい。
【０００８】
磁場生成手段としては、電磁石または永久磁石が使用される。永久磁石は、例えば、ネオジム磁石とされるが、これに限定されるものではない。
【０００９】
磁性体センサとしては、磁場検出用コイル、磁気インピーダンスセンサ、ホールセンサなどの磁場の変化を検出可能な種々のセンサを使用できる。磁性体粒子を磁場内に周期的に出入りさせることにより、安価な磁場検出用コイルを使用しても高感度な検出ができる。信号処理手段は、磁性体センサの出力信号の中から微細振動の振動周波数に同期した周波数の信号を抽出するものとされる。
【００１０】
微細振動は、例えば、電磁石を固定側に、永久磁石を可動側に取り付けて、電磁石に交互に生成される磁極に応じて永久磁石に引力および斥力を繰り返し作用させることで可能となる。永久磁石を固定側、電磁石を可動側に取り付けるようにしてもよい。この微細振動は、ボイスコイルモータの原理を利用したものであるが、微細振動装置は、この方式に限られるものではなく、圧電素子を有する振動発生装置など種々のものが適用できる。
【００１１】
微細振動の周波数は、例えば、５０〜３００Ｈｚ、その振幅は、０．１〜２ｍｍ程度とされる。また、支持体（磁性体粒子）の移動速度は、５０ｍｍ／ｓｅｃ以上、好ましくは、１００ｍｍ／ｓｅｃ以上とされる。
【００１２】
微細振動手段は、磁気遮蔽箱と、磁気遮蔽箱を貫通するように設けられ先端部に支持体が載置される支持軸と、磁気遮蔽箱および支持軸のいずれか一方に設けられた永久磁石と、同他方に設けられて永久磁石に引力および斥力を交互に作用させる電磁石と、電磁石に交流電流を印加する交流電源とを備えているものとされることが好ましい。このような微細振動手段は、例えば、磁気遮蔽箱と、磁気遮蔽箱を前後に貫通するように設けられ先端部に支持体が設けられた支持軸と、支持軸の中央部分に支持軸と同心に設けられた円筒型永久磁石と、永久磁石の前および／または後において支持軸と同心になるように磁気遮蔽箱に固定された少なくとも１つの電磁石と、電磁石に交流電流を印加する交流電源とを備えているものとされる。
【００１３】
磁性体センサは、高透磁性材料からなり一部に検出用ギャップを有する磁気回路と、磁気回路に巻かれてギャップ内の磁気抵抗の変化を検出する少なくとも１つの検出用コイルとを備えていることが好ましい。
【００１４】
高透磁性材料としては、電磁軟鉄、パーマロイ（Ｆｅ−Ｎｉ合金）などが好適であるが、これに限定されるものではない。磁場生成手段は、磁気回路に磁気を供給するものとされる。この場合、検出用コイルは、複数回巻きとされ、磁性体粒子が検出用ギャップを通過することによって引き起こされる磁気抵抗の変化をコイル両端の電位差として検出するものであることが好ましい。検出用コイルにより検出された信号は、積算されることが好ましく、積算回数は、好ましくは、１０〜５００回とされる。検出用コイルは、検出用ギャップ内に配置されるのではなく、磁気回路に一体化されるように巻き付けられる。検出用コイルの径は、検知対象の大きさには影響されずに、磁気回路を形成している高透磁性材料の径に応じて決定される。検出用コイルは、磁気回路のうちのいずれか１カ所に設ければよいが、これに限定されるものではなく、例えば、検出用ギャップを介して１対設けるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
この発明による磁性体センサ装置によると、磁性体粒子を磁場内に周期的に出入りさせることで、磁性体センサで得られる信号のＳ／Ｎ比を向上させることができ、これにより、装置の小型化が可能な直流磁場を用いてかつ高感度な検出が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、この発明の実施形態について説明する。
【００１７】
図１は、この発明による磁性体センサ装置を模式的に示している。
【００１８】
磁性体センサ装置は、磁気を帯びていない磁性体粒子(1)を平面状に保持する支持体(4)と、磁性体粒子(1)に直流磁場を印加する磁場生成手段(12)と、磁性体粒子(1)が磁場内に周期的に出入りするように支持体(4)を微細振動させる微細振動手段(40)と、支持体(4)の磁場内への出入りに伴う磁場の変化を検出する磁性体センサ(3)と、磁性体センサ(3)の出力信号の中から微細振動の振動周波数に同期した周波数の信号を抽出する信号処理手段(7)とを備えている。
【００１９】
この磁性体センサ装置によると、支持体(4)を微細振動させることにより、磁性体粒子(1)が磁場内に周期的に出入りすることになり、これに伴う磁性体センサ(3)の出力信号の中から、信号処理手段(7)によって微細振動の振動周波数に同期した周波数の信号を抽出することにより、Ｓ／Ｎ比の高い測定が可能となる。
【００２０】
上記において、直流磁場を生成する磁場生成手段(12)、微細振動を付与する微細振動手段(40)および磁場変化を検出する磁性体センサ(3)としては、種々のものが使用できるが、図２に磁性体センサ(3)の好ましい実施形態、図３に微細振動手段(40)の好ましい実施形態をそれぞれ示す。
【００２１】
図２において、磁性体センサ(3)は、高透磁性材料からなり一部に検出用ギャップ(G)を有する磁気回路(11)と、検出用ギャップ(G)内の磁気抵抗の変化を検出する検出用コイル(13)とを備えており、磁気回路(11)に磁気を供給する磁場生成手段(12)を内蔵している。
【００２２】
磁気回路(11)は、正面から見てＵ字状でその断面が方形とされたＵ字状部(11a)と、Ｕ字状部(11a)の両端部に設けられて検出用ギャップ(G)を介して対向するプローブ部(11b)(11c)とからなる。このプローブ部（検出用ギャップ(G)が形成されている磁気回路(11)の部分）(11b)(11c)の先端部(11d)(11e)は、先細り形状、すなわち四角錐とされている。磁場生成手段(12)は、永久磁石とされており、これにより、直流磁場が磁気回路に供給されている。検出用コイル(13)は、一方のプローブ部（磁気回路(11)の検出用ギャップ(G)近傍部分）(11c)に設けられている。
【００２３】
この磁気回路(11)を使用した磁性体センサ(3)によると、次のような原理で磁性体粒子(1)が検出される。
【００２４】
１．支持体(4)に保持された磁性体粒子(1)が検出用ギャップ(G)を通過することによって、検出用ギャップ(G)の磁気抵抗が変化（検出用ギャップ(G)内に磁性体粒子(1)が位置したときに磁気抵抗が低下）する。
【００２５】
２．検出用ギャップ(G)での磁気抵抗の変化によって磁気回路(11)中の磁束密度が変化（磁気抵抗が低下した場合には、磁束密度が増加）する。
【００２６】
３．磁気回路(11)に巻かれた検出用コイル(13)の内部の磁束密度が変化することによって、検出用コイル(13)に誘導電圧が生じる。
【００２７】
４．この誘導電圧の電位差を信号処理手段(5)により出力信号として検出する。
【００２８】
図３において、微細振動手段(40)は、鉄製の磁気遮蔽箱(41)と、磁気遮蔽箱(41)を前後に貫通するように設けられ前端部に支持体(4)が設けられた支持軸(42)と、支持軸(42)の中央部分に支持軸(42)と同心に設けられた円筒型ネオジム磁石(43)と、ネオジム磁石(43)の前後において支持軸(42)と同心になるように磁気遮蔽箱(41)に固定された１対の電磁石(44)(45)と、電磁石(44)(45)に交流電流を印加する交流電源(46)とを備えている。
【００２９】
各電磁石(44)(45)は、鉄製のリング状ヨーク(44a)(45a)と、ヨーク(44a)(45a)の外周に巻かれたコイル(44b)(45b)とからなり、各ヨーク(44a)(45a)のネオジム磁石(43)に対向する面には支持軸(42)の移動時にネオジム磁石(43)との干渉を避ける環状凹部(44c)(45c)が形成されている。
【００３０】
ネオジム磁石(43)は、前側がＳ極（またはＮ極）、後側がＮ極（またはＳ極）とされており、各電磁石(44)(45)のコイル(44b)(45b)は、前側の電磁石コイル(44b)と後側の電磁石コイル(45b)とで電流の向きが常に逆になるように結線されている。したがって、前側のコイル(44b)に前向きに電流が流されて、この電磁石(44)からネオジム磁石(43)に引力が作用する場合には、後側のコイル(45b)に後向きに電流が流されて、この電磁石(45)からネオジム磁石(43)に斥力が作用することになる。こうして、交流電流の周波数と同じ周波数で支持軸(42)が微細振動させられる。
【００３１】
なお、上記においては、支持体(4)を微細振動させるものとしたが、これは、相対的なもので、磁性体粒子(1)が磁場内に周期的に出入りするようにすればよいので、図１において、支持体(4)の方を固定しておいて、磁場生成手段(12)を微細振動手段(40)によって微細振動させるようにしてもよい。その一例を図４に示す。
【００３２】
図４において、磁性体センサ装置は、磁気を帯びていない磁性体粒子(1)を平面状に保持する支持体(4)と、磁性体粒子(1)に直流磁場を印加する磁場生成手段(12)と、磁性体粒子(1)が磁場内に周期的に出入りするように磁場生成手段(12)を微細振動させる微細振動手段(40)と、支持体(4)の磁場内への出入りに伴う磁場の変化を検出する磁性体センサ(3)と、磁性体センサ(3)の出力信号の中から微細振動の振動周波数に同期した周波数の信号を抽出する信号処理手段（図示略）とを備えている。
【００３３】
磁性体センサ(3)は、高透磁性材料からなり一部に検出用ギャップ(G)を有する磁気回路(11)と、検出用ギャップ(G)内の磁気抵抗の変化を検出する検出用コイル(13)とを備えており、磁気回路(11)に磁気を供給する磁場生成手段(12)を内蔵している。
【００３４】
微細振動手段(40)は、図３に示したものと類似の構成であり、鉄製の磁気遮蔽箱(41)と、磁気遮蔽箱(41)を前後に貫通するように設けられ前端部に支持体(4)が設けられた支持軸(42)と、支持軸(42)の中央部分に支持軸(42)と同心に設けられた円筒型ネオジム磁石(43)と、ネオジム磁石(43)の前後において支持軸(42)と同心になるように磁気遮蔽箱(41)に固定された１対の電磁石(44)(45)と、電磁石(44)(45)に交流電流を印加する交流電源(46)とを備えている。そして、支持軸(42)がハウジング(47)に固定状態で支持されるとともに、磁気遮蔽箱(41)がハウジング(47)に移動可能に支持されることにより、交流電流の周波数と同じ周波数で磁気遮蔽箱(41)が微細振動するようになされている。
【００３５】
磁性体センサ(3)は、磁気遮蔽箱(41)と一体に移動するように磁気遮蔽箱(41)に固定されている。
【００３６】
図４に示した磁性体センサ装置によると、磁性体センサ(3)に内蔵された磁場生成手段(12)を微細振動させることにより、磁性体粒子(1)が磁場内に周期的に出入りすることになり、これに伴う磁性体センサ(3)の出力信号の中から、信号処理手段(7)によって微細振動の振動周波数に同期した周波数の信号を抽出することにより、Ｓ／Ｎ比の高い測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】図１は、本発明による磁性体センサ装置の基本構成を示す模式図である。
【図２】図２は、本発明による磁性体センサの１実施形態を示す正面図である。
【図３】図３は、本発明による微細振動手段の１実施形態を示す縦断面図である。
【図４】図４は、本発明による磁性体センサ装置の他の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
(1) ：磁性体粒子
(3) ：磁性体センサ
(4) ：支持体
(11)：磁気回路
(12)：磁場生成手段
(13)：検出用コイル
(40)：微細振動手段
(41)：磁気遮蔽箱
(42)：支持軸
(43)：ネオジム磁石（永久磁石）
(44)(45)：電磁石
(46)：交流電源
(G) ：検出用ギャップ
【図１】
2008064746.tif 000003
【図２】
2008064746.tif 000004
【図３】
2008064746.tif 000005
【図４】
2008064746.tif 000006