(57)【要約】  本発明は、第１の周波数（ｆ１）の励起電流で駆動された磁場発生器（１）と、磁化粒子（３）によって発生した反応磁場（ＨＢ）を測定するための第２の周波数（ｆ２）のセンサ電流（Ｉ２）で駆動された磁気センサ素子（例えば、ＧＭＲセンサ（２））とを備える磁気センサ・デバイス（１００）に関する。関連付けられた評価装置（１０）では、励起電流（Ｉ１）及びセンサ電流（Ｉ２）に依存するが、磁化粒子（３）の存在に依存しない、測定信号（ｕＧＭＲ）の参照成分（ｕＱ）が分離される。参照成分（ｕＱ）は特に、クロストーク関連電流及び磁気センサ素子（２）の自己磁化（Ｈ２）の組合せによって生成され得る。参照成分（ｕＱ）は、測定信号（ｕＧＭＲ）の粒子依存性成分に対するその位相に基づいて、又は現在の周波数のうちの１つによるそのスケーリングに基づいて分離することができる。参照成分（ｕＱ）の監視により、測定結果を校正するために使用することが可能な動作条件における（例えば、センサ利得における）ばらつきが明らかになる。
2010513864.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化粒子を検出する磁気センサ・デバイスであって、
前記粒子を設けることが可能なサンプル・チェンバと、
前記サンプル・チェンバにおいて励起磁場を生成するための第１の周波数を備えた励起電流で駆動される少なくとも１つの磁場発生器と、
測定信号を生成するための第２の周波数を備えたセンサ電流で駆動される少なくとも１つの関連付けられた磁気センサ素子と、
前記サンプル・チャンバにおいて前記磁化粒子の存在に依存しないが前記励起電流及び／あるいは前記センサ電流及び／あるいはセンサ利得に依存する前記測定信号の参照成分を求める評価装置とを備える磁気センサ・デバイス。
【請求項２】
サンプル・チェンバにおいて磁化粒子を検出する方法であって、
第１の周波数を備えた励起電流で駆動される磁場発生器により、前記サンプル・チェンバにおいて励起磁場を発生させる工程と、
第２の周波数を備えたセンサ電流で駆動される磁気センサ素子により、測定信号を生成する工程と、
前記サンプル・チェンバにおいて前記磁化粒子の存在に依存しないが前記励起電流及び／あるいは前記センサ電流及び／あるいはセンサ利得に依存する、測定信号の参照成分を評価装置によって求める工程とを含む方法。
【請求項３】
請求項１記載の磁気センサ・デバイスであって、
前記参照成分は、前記磁気センサ素子に、特に、前記磁気センサ素子の自己磁化に作用する磁場に依存する磁気センサ・デバイス。
【請求項４】
請求項１記載の磁気センサ・デバイスであって、
前記参照成分は、前記磁場発生器と前記磁気センサ素子との間の静電容量性クロストーク及び／又は誘導性クロストークに依存する磁気センサ・デバイス。
【請求項５】
請求項１記載の磁気センサ・デバイスであって、
動作条件のばらつきは、前記求められた参照成分から検出される磁気センサ・デバイス。
【請求項６】
請求項１記載の磁気センサ・デバイスであって、
前記測定信号の粒子依存性成分は、前記求められた参照成分の助力によって補正される磁気センサ・デバイス。
【請求項７】
請求項１記載の磁気センサ・デバイスであって、前記測定信号の特定の周波数のみ、特に前記第１の周波数と前記第２の周波数との差、が処理される磁気センサ・デバイス。
【請求項８】
請求項１記載の磁気センサ・デバイスであって、
前記参照成分は、前記測定信号の粒子依存性成分に対する位相シフトに基づいて求められる磁気センサ・デバイス。
【請求項９】
請求項１記載の磁気センサ・デバイスであって、
前記参照成分は、前記第１の周波数及び／又は第２の周波数とともにスケーリングし、このスケーリングに基づいて求められる磁気センサ・デバイス。
【請求項１０】
請求項１記載の磁気センサ・デバイスであって、
前記磁気センサ素子は、コイル、ホール・センサ、平面型ホール・センサ、フラックス・ゲート・センサ、ＳＱＵＩＤ、磁気共鳴センサ、磁気拘束センサ、又は、ＧＭＲ、ＡＭＲ若しくはＴＭＲ素子のような磁気抵抗素子を含む磁気センサ・デバイス。
【請求項１１】
請求項１記載の磁気センサ・デバイスを使用する方法であって、分子診断、生体成分分析及び／又は化学サンプル分析のために、特に小分子の検出のために、前記磁気センサ・デバイスを使用する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サンプル・チェンバ内の磁化粒子を検出する方法及び磁気センサ・デバイスに関する。更に、本発明は前述のデバイスの使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
国際公開第２００５／０１０５４３号及び国際公開第２００５／０１０５４２号から、例えば、磁気ビーズでラベリングされた（例えば、生体）分子の検出のためにマイクロ流体バイオセンサにおいて使用することができる磁気センサ・デバイスが知られている。マイクロセンサ・デバイスには、磁界の発生のための配線と、磁気ビーズによって生成された標遊磁界の検出のための巨大時期抵抗デバイス（ＧＭＲ）とを備えたセンサ・デバイスアレイが設けられている。ＧＭＲの抵抗はその場合、センサ・デバイス近くのビーズの数を示す。
【０００３】
前述の種類の磁気バイオセンサの問題は、測定が、印加された励起及びセンサ電流、センサ利得、温度等における制御可能でないパラメータ変動に対する感度が非常に高いという点である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この状況に基づけば、本発明の目的は、動作条件の変動に対して磁気センサ・デバイスの測定をよりロバストにする手段を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この目的は請求項１記載の磁気センサ・デバイス、請求項２記載の方法、及び請求項１１記載の使用する方法によって達成される。好ましい実施例は従属請求項に開示されている。
【０００６】
本発明による磁気センサ・デバイスは、（例えば、サンプル内で標的分子にラベリングする磁気ビーズの）磁化粒子を検出する目的を担う。これは以下の構成部分を有する。
【０００７】
検出する対象の粒子を備えることが可能であるサンプル・チャンバ。検出する対象の粒子を備えることが可能である。サンプル・チャンバは通常、空隙、又は、サンプルを吸収し得るジェルのような特定の物質で充填された空洞である。これは、開かれた空洞であっても、閉ざされた空洞であっても、流体連通チャネルにより、他の空洞に連通する空洞であってもよい。
【０００８】
サンプル・チェンバ内の（少なくともどこかに）励起磁場を発生させる第１の周波数を備えた励起電流で駆動される少なくとも１つの磁場発生器。「信号が特定の周波数を有する」という記載は、本明細書の以下記載では、上記信号のフーリエ・スペクトルが上記周波数について非ゼロであるということを簡潔にした表現である。磁場発生器は特に、マイクロエレクトロニクスのセンサの基板上の少なくとも１つの導線で実現することができる。
【０００９】
測定信号を生成するための第２の周波数を備えたセンサ電流によって駆動される、関連付けられた少なくとも１つの磁気センサ素子。磁気センサ素子は、発生器の励起磁場によって生じる影響が手の届く範囲にあるという意味合いで前述の磁場発生器に関連付けられる。磁気センサ素子は特に、コイル、ホール・センサ、平面型ホール・センサ、フラックス・ゲート・センサ、ＳＱＵＩＤ（超伝導量子干渉計）、磁気共鳴センサ、磁気制約センサ、又は、国際公開第２００５／０１０５４３Ａ１号や国際公開第２００５／０１０５４２Ａ２号に記載の種類の磁気抵抗素子（特に、ＧＭＲ（巨大磁気抵抗）素子、ＴＭＲ（トンネル磁気抵抗）素子、又はＡＭＲ（異方性磁気抵抗）素子）を含み得る。
【００１０】
励起電流及びセンサ電流は通常、特定の電源装置、例えば、定電流源によって供給される。
【００１１】
前述の測定信号の「参照成分」を求めるための評価装置において、参照成分は、励起電流に、かつ／あるいは、センサ電流に、かつ／あるいはセンサ利得に依存するが、サンプル・チェンバ内の磁化粒子の存在に依存するものでない。評価装置は、専用ハードウェア、並びに／あるいは、特定のマイクロコンピュータ・システム及び適切なソフトウェアによって実現することができる。好ましくは、配線により、測定信号を受信するために磁気センサ素子に結合される。励起電流及び／又はセンサ電流への参照成分の依存は特に、参照成分が励起電流及び／あるいはセンサ電流及び／あるいはセンサ利得（、並びに、時間依存性信号の場合、考えられる位相シフト）に比例する。センサ利得は、通常、測定する対象の数量（すなわち、センサが露出している磁場）に対する、磁場センサ（例えば、電圧）の信号の導関数として定義される。したがって、センサ利得は、測定する対象の数量と、センサ信号との間の全ての処理を含む。
【００１２】
一般に、特定の影響に対する信号の依存性は実用的に定義すべきである。すなわち、信号は、例えば、当該影響により、その平均値の５％超、変わり得る場合、その影響に依存するとみなし得る。
【００１３】
測定センサ・デバイスの測定信号における所望の粒子依存性成分を分離するための直接的な手法は、磁化粒子の存在に依存しない成分を全て抑制するというものである。これに対して、前述の磁気センサ・デバイスは、サンプル・チェンバ内の磁化粒子の存在に特に依存しない参照成分が求められるように測定信号を処理するための評価装置を備える。したがって、参照成分は通常、磁気センサ・デバイス及び一般的な動作条件のみに関係する情報を有する。この情報は例えば、関心の粒子依存性成分に関して測定信号が解釈される場合に使用することが可能である。参照成分は、励起電流及び／又はセンサ電流に依存する場合、前述の電流の周波数特性を共有し、それにより、その検出が容易になる。更に、前述の依存性は、参照成分が、関心の粒子依存性信号として物理処理の同様な連鎖に戻り、したがって、その関心信号に適切な動作条件を反映するということを示唆している。参照成分は、センサ利得に依存する場合、信号処理の決定的なパラメータを反映する。
【００１４】
本発明は、サンプル・チェンバ内の磁化粒子を検出する方法に更に関し、上記方法は、
第１の周波数を備えた励起電流で駆動される磁場発生器により、サンプル・チャンバ内に励起磁場を発生させる工程と、
第２の周波数を備えるセンサ電流で駆動される磁気センサ素子により、測定信号を生成する工程と、
評価装置により、励起電流に、かつ／あるいはセンサ電流に、かつ／あるいはセンサ利得に依存するが、サンプル・チェンバ内の磁化粒子の存在に依存しない測定信号の参照成分を判定する工程とを含む。
【００１５】
方法は、一般形では、前述の種類の磁気センサ・デバイスによって実行することが可能な工程を含む。したがって、前述の方法の詳細、効果、及び改良に関する更なる情報について、前述の説明を参照されたい。
【００１６】
以下では、本願提案の磁気センサ・デバイス及び方法に関する、本発明の好ましい実施例を説明する。
【００１７】
本発明の第１の特定の実施例では、参照成分は、磁気センサ素子に作用する磁場に依存する。参照成分はしたがって、磁気センサ素子によって磁場が検出される経路についての情報、特に、支配的な磁場の変動に対する測定信号の依存度についての情報（すなわち、センサ利得についての情報）を含む。前述の手法の好ましい実施例では、参照成分は、磁気センサ素子自体に対する、センサ電流によって発生する磁場の効果を表す、磁気センサ素子の自己磁化に依存する。
【００１８】
特に前述のものと組み合わせて実現することができる、本発明の別の実施例では、参照成分は、磁場発生器と磁気センサ素子との間の静電容量性クロストーク及び／又は誘導性クロストークに依存する。導電体が互いに近くに位置している場合、前述のクロストークは事実上、避けることができない。上記クロストークは通常、望ましくない擾乱とみなされるが、ここでは、有用な参照成分を生成するよう使用される。好ましい実施例では、参照成分は、センサ利得、並びに、励起電流及びセンサの積を含むように、静電容量性クロストーク及び／又は誘導性クロストーク（励起電流に関係する）に依存し、同時に、センサ素子の自己磁化（センサ電流に関係する）に依存する。参照成分は次いで、関心の信号（磁化粒子の検出された反応磁場により、励起電流及びセンサ電流に依存する）と同じ周波数依存性を示し、したがって、この信号の適切な動作条件を反映する。
【００１９】
本発明の更なる展開では、動作条件の変形が、求められた参照成分から検出される。参照成分は磁化粒子の存在と無関係であるので、サンプル・チェンバへの磁化粒子の導入によって変わらない。時間上、測定前及び測定中に生起する参照成分の変動はよって、動作条件における変動によるものでなければならない。すなわち、前述の変動は、測定信号に対する磁化粒子の影響から検出し、測定信号に対する磁化粒子の影響と分離することが可能である。
【００２０】
本発明の別の実施例では、サンプル・チェンバ内の磁化粒子の量を示す、測定信号の粒子依存性成分は、参照成分の助力によって補正される。前述の手法と組合せて、補正は特に、動作条件の検出された変動に基づき得る。
【００２１】
本発明の更に別の実施例では、測定信号は少なくとも１つの特定の周波数においてのみ処理される。前述の周波数は特に、第１の周波数と第２の周波数との間の差（又は、励起電流及び／又はセンサ電流における前述の周波数がいくつか存在している場合、第１の周波数及び第２の周波数の対全ての間の差）であり得る。処理を特定の周波数に制限することは、特定の物理的な効果による信号成分を分離することを可能にする。
【００２２】
測定信号から参照成分を求める別々の可能性が種々、存在している。前述の可能性は当然、参照成分の選ばれた定義に依存する。好ましい一手法では、参照成分は、測定信号の粒子依存性成分と参照成分との間の位相シフトに基づいて判定される。これは、（磁化粒子の量を反映する）関心の粒子依存性成分と参照成分が同じ依存性を有しており、したがって、関連したハードウェア（増幅器、フィルタ等）の同じ動作条件を経験することになるということを意味している。
【００２３】
参照成分は任意的には、第１の周波数及び／又は第２の周波数とともにスケーリングされ得る（すなわち、上記周波数と比例するか、又は上記周波数の関数であり得る）。この場合、参照成分はスケーリングに基づいて判定することができる。前述の判定は通常、別々の２つの周波数の適用を含み、結果として生じる測定信号間の差は参照成分に帰することが可能である。
【００２４】
本発明は更に、分子診断、生体成分分析及び／又は化学サンプル分析（特に小分子の検出）のための、上記磁気センサ・デバイスの使用に更に関する。分子診断は例えば、標的分子に直接又は間接に付着させた磁気ビーズの助力によって実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明による磁気センサ・デバイスを示す概略図である。
【図２】本発明の測定手法に関する数式を要約した図である。
【図３】複素数平面におけるΔｆでの（磁気ビーズの導入前及び導入後の）測定信号の成分を示す図である。
【図４】図３の測定信号における直交成分ｕＱ及び同相成分ｕＩを求めるために使用することが可能な検出回路を示す図である。
【図５】磁気ビーズの導入前及び導入後の別々の２つの励起周波数における測定信号の図３の成分と同様に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明の前述及び他の局面は、後述する実施例を参照すると、明らかであり、明らかにされるであろう。前述の実施例は、例として、添付図面を援用して説明する。
【００２７】
図中の同じ参照符号は、同一又は同様の成分を表す。
【実施例】
【００２８】
図１は、サンプル・チェンバ内の磁気相互作用性粒子（例えば、超常磁性ビーズ３）の検出のためのバイオセンサとしての特定のアプリケーションにおける、本発明によるマイクロエレクトニック磁気センサ・デバイスを示す。磁気抵抗バイオチップ又はバイオセンサは、感度、特異性、統合、使いやすさ、及びコストの点で、生体分子診断の特性が期待される。前述のバイオチップの例は、本明細書及び特許請求の範囲にその内容を援用する国際公開第２００３／０５４５６６号、国際公開第２００３／０５４５２３号、国際公開第２００５／０１０５４２号、国際公開第２００５／０１０５４３号、及び国際公開第２００５／０３８９１１号に開示されている。
【００２９】
図１に示す磁気センサ・デバイス１００は、基板（図示せず）上に導線１として実現することができるか、又は、センサ・チップ外に配置され得る少なくとも１つの磁場発生器を備える。磁場発生器１は、隣接するサンプル・チェンバ内の交流の外部磁場Ｈ１を発生させるための第１の周波数ｆ１の正弦励起電流Ｉ１を備えた電流源４で駆動される。励起電流Ｉ１は、複素数表現及び（一定の、実数の）振幅Ｉｅｘの助力で図２の式（１）で表される。
【００３０】
発生した外部磁場Ｈ１はサンプル・チェンバ内のビーズ３を磁化し、ビーズ３は例えば、関心の（生体）分子のラベルとして使用することができる（更なる詳細については参考文献を参照されたい）。ビーズ３によって発生する反応磁場ＨＢは次いで、（励起場Ｈ１と併せて）近傍の巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサ素子２の電気抵抗に影響を及ぼす。
【００３１】
反応磁場ＨＢを測定するために、周波数ｆ２の正弦センサ電流Ｉ２が、更なる電流源５によって生成され、前記正弦センサ電流Ｉ２はＧＭＲセンサ素子２を導通する。このセンサ電流Ｉ２は式（２）において複素数表現で、かつ、（一定で実数の）振幅Ｉｓで表される。
【００３２】
ＧＭＲセンサ２の両端間で測定することが可能な電圧ｕＧＭＲはその場合、ＧＭＲセンサ２の抵抗を示し、よって、受ける磁場を示すセンサ信号を供給する。
【００３３】
図１は、励起配線１とＧＭＲセンサ２との間の寄生静電容量性結合をコンデンサ及び破線で更に示す。励起配線１とＧＭＲセンサ２との間の更なる誘導性結合及び／又は前述の静電容量性結合は、ＧＭＲセンサ２を通る関連した更なるクロストーク電流Ｉｘ及び測定電圧ｕＧＭＲのクロストーク成分ｕｘを誘導する。クロストーク電流Ｉｘは励起電流Ｉ１と比例するが、９０°位相シフトしている。クロストーク電流Ｉｘ及びセンサ電流Ｉ２はともに、ＧＭＲセンサ２を通る合計電流ＩＧＭＲをもたらす。前述の電流の対応する数学的表現は式（３）及び（４）において表され、αは定数である。
【００３４】
図１は、場Ｈ２がＧＭＲセンサ２に作用して、センサ電流ＩＧＭＲが自己磁化を誘導することを更に示す。式（５）は、ＧＭＲセンサ２が露出している合計磁場ＨＧＭＲを要約するものであり、β、γ及びεは定数であり、Ｂは、（表面上のビーズの一様な分布を前提として）求められる、センサの表面上のビード密度である。
【００３５】
式（６）は、ＧＭＲ素子２において支配的な合計磁場ＨＧＭＲに、センサ利得ｓを介して依存する定数（オーム）項Ｒ０及び変数項ΔＲの和として、ＧＭＲセンサ２の合計抵抗（ＲＧＭＲ）を表す。
【００３６】
式（７）は、ＧＭＲセンサ２によって生成され、評価装置１０（図１）によって処理される測定信号ｕＧＭＲを表し、ここで、μ、ａ１、ａ２、ａ３、ａ４、ａ５、ａ６は定数である。前述の測定信号ｕＧＭＲは、ＧＭＲセンサ２両端間の（オーム）電圧降下、及び上記更なるクロストーク電圧ｕｘを含む。この式から分かるように、測定信号ｕＧＭＲは、式（３）に定義された「直交電流」ＩＱ、励起電流Ｉ１、センサ電流Ｉ２の別々の積に比例するいくつかの成分を含む。式（１）乃至（３）及び三角恒等式を使用すれば、前述の成分が特定の周波数に対応するということを示すことが可能である。特に、積Ｉ１・Ｉ２及びＩＱ・Ｉ２は、他の積に生起しない（ｆ１＋ｆ２）における周波数成分、及び差分周波数Δｆ＝（ｆ１−ｆ２）における周波数成分を含む。評価装置１０において測定信号ｕＧＭＲを適切に（すなわち、差分周波数Δｆを中心とする帯域通過フィルタ１２に（増幅器１１における増幅後に）通過させることによって）処理することにより、式（８）によるフィルタリングされた信号ｕｆが得られる。差分周波数Δｆは、ＧＭＲセンサ２の熱雑音が、増幅器１１によってもたらされる１／ｆ雑音よりも支配的である（すなわち、チョッピングである）ように選ばれる。関心の数量（すなわち、センサ上のビーズの量の尺度である、Δｆでの信号ｕｆの増幅）をもたらすために、信号ｕｆは、情報信号と同相である差分周波数Δｆの復調信号ｕｄｅｍを使用して復調器１３において復調される。復調後、信号は、低域通過フィルタ１４において低域通過フィルタリングされ、任意的には、モジュール１５（例えば、ワークステーション）において更に処理される。
【００３７】
前述の磁気センサの課題は、センサ感度ｓが測定中に変動し得るという点である。更に、センサ電流振幅Ｉｓ及び励起電流振幅Ｉｅｘの変動、並びに、前置処理電子回路における利得及び位相の変動が生じ得る。したがって、参照センサを使用することなく、（以下、「参照成分」と呼ぶ）校正信号を提供することが望ましく、前述の参照成分により、センサ感度ｓにおける変動と、センサ及び励起電流における変動、並びに測定電子回路における変動とを補償することが可能になる。
【００３８】
前述の目的は、「同相」成分及び「直交」成分における式（８）の（複素）センサ信号ｕｆの分解によって達成される。これは図３に示す。図３は、複素数平面（Ｒｅ，Ｉｍ）におけるΔｆでの通常のフィルタリングされた測定信号ｕｆ（０）及びｕｆ（ｔ）を示し、時点「０」及び｛ｔ｝は、サンプル・チェンバへの磁化ビーズの導入の前及び後の測定それぞれを表す。フィルタリングされた測定信号は以下の別々の寄与分を含む。
【００３９】
１．「直交成分」又は略して「Ｑ成分」ｕＱ：  前述の通り、静電容量性クロストーク及び誘導性のクロストーク（センサ幾何構造に特有である）は、周波数が励起周波数ｆに等しい、ＧＭＲセンサを通るクロストーク電流Ｉｘをもたらす。更に、印加されたセンサ電流Ｉ２は、第２の周波数ｆ２において、ＧＭＲセンサにおける内部磁場Ｈ２（自己バイアス）をもたらす。それらの積は、情報担持信号に対して位相が９０°シフトした差分周波数ΔｆにおいてＱ成分ｕＱをもたらす。式（８）によれば、このＱ成分ｕＱの振幅はＡＱ＝｜ｕＱ｜＝２πｆ１αβｓＩｅｘＩｓであり、αは、クロストーク電流（Ｉｃ）を、印加励起電流（Ｉ１）で除算した商Ｉｃ／Ｉ１であり、βは自己バイアス係数Ｈ２／ＩＧＭＲ（すなわち、ＭＧＲを通る電流ＩＧＭＲによって誘導される、ＧＭＲセンサの感応層内の磁場強度Ｈ２）であり、ｓ＝ΔＲ／ΔＨはＧＭＲセンサの感度である。
【００４０】
２．磁場クロストーク・ベクトルｕＩ（０）：励起配線１及びＧＭＲセンサ配線２の（固有の）不整合は、励起電流Ｉ１によってもたらされる磁場Ｈ１に対するＧＭＲ応答ｕＩ（０）をもたらす。式（９）によれば、ｕＩ（０）＝γｓｌｅｘｌｓであり、ここで、γ＝Ｈ２／Ｉ１は、当該電流、及び励起配線を通る電流によって誘導されるＧＭＲの感応層における磁場強度間の比例定数である。
【００４１】
３．合計磁気ベクトル又は「Ｉ成分」ｕＩ（ｔ）：Ｉ成分ｕＩ（ｔ）＝ｕＩ（０）＋ｕＢは、ビーズによって生じる関心の信号ｕＢ、及び前述の磁気クロストークｕＩ（０）を含む。ｕＩ（ｔ）及びｕＢは式（９）及び（１１）において表され、ε＝ＨＢ／（ＢＩｅｘ）は、センサ表面における磁化ビーズによって誘導されるＧＭＲの感応層における磁場強度と、センサの表面上のビード密度であるＢとの間の比例定数である。
【００４２】
４．情報担持信号を表す式（１１）による「ビード・ベクトル」ｕＢ。
【００４３】
前述の通り、ベクトルｕｆ（０）は、磁気ビーズがない状態（時点０）におけるΔｆでの合計（測定可能）信号を表し、ベクトルｕｆ（ｔ）は、磁気ビーズがある状態（時点ｔ）におけるΔｆでの合計（測定可能）信号を表す。
【００４４】
Ｑ成分ｕＱは、ＧＭＲセンサの自己磁化によって求められ、センサ表面上の磁気ラベルと無関係である。したがって、Ｑ成分は、センサ感度の高精度校正及びロバストな処理の参照として使用することが可能である。
【００４５】
パラメータα、β、γ、εは全て、センサの幾何構造によって固定され、よって、測定中に変動するものでない。しかし、前述の値は、別々のセンサ間で異なり得る。これは、デバイス毎の個々の校正手順によって考慮に入れることが可能である。
【００４６】
更に、図３中のベクトルは全て、係数ｓｌｅｘｌｓを含む。したがって、（例えば、温度及び／又は外部磁場における変動の結果としての）感度ｓにおける変動、励起電流の振幅Ｉｅｘ、及びセンサ電流の振幅Ｉｓにおける変動、並びに前置処理電子回路における利得の変動は、測定スケール中、両方の軸Ｒｅ、Ｉｍにおいて同等に生じ得る。
【００４７】
図１によれば、フィルタリングされた測定信号ｕｆは、復調器１３において、周波数Δｆの復調信号ｕｄｅｍで復調される。復調信号ｕｄｅｍの位相は、Ｑ成分ｕＱ（スプリアス成分）に対して厳密に直交するように調節することが可能である。このことは、例えば、Ｉ成分又はＱ成分を支配的な信号寄与分に一時的にすることによって実現することが可能である。復調信号の前述の調節された位相により、Ｉ成分ｕＩのみが復調される一方、Ｑ成分は抑制される。
【００４８】
これとは対照的に、完全なＩＱ検出器の適用をここで提案しており、前述の検出器はＩ成分及びＱ成分を求める。Ｑ成分はこの場合、参照センサを使用することなく、校正信号としての役目を担う所望の参照成分をもたらす。図４は、前述のＩＱ検出器の例を示す。これは、元の復調信号ｕｄｅｍ及び９０°位相シフトされた復調信号それぞれが供給される２つの復調器１６及び１７を備える。
【００４９】
Ｉ成分及びＱ成分の振幅ＡＩ及びＡＱを式（９）及び式（１０）に定義する。式（１２）によれば、前述の振幅ＡＩ及びＡＱの比は、センサ感度及び印加電流振幅と無関係の数量をもたらし、ここで、定数α、β、γ、εはセンサ幾何構造によって全て固定され、Ｂはビード密度である。ビーズのない状態での（すなわち、生検前の時点０での）比ＡＩ／ＡＱ、及びビーズがある状態での時点ｔでの比ＡＩ／ＡＱの算出は、よって、（場合によっては時間変動する）センサ感度及び印加電流と無関係にビード密度Ｂを求めることを可能にする。
【００５０】
以下では、Ｉ成分及びＱ成分を求めるためにＩＱ検出器を使用する以外の別の方法は、図５を参照して説明する。この方法は、静電容量性及び誘導性のクロストークによって生じるＱ成分ｕＱが、式（１０）により、励起周波数ｆ１に線形的に依存するという認識に基づいている。元の周波数ｆ１のＮ倍の周波数
【００５１】
【数１】
2010513864.tif 000003
を有するが、同じ振幅を有する第２の励起信号をもたらすことにより、センサ電流のｆ２変調により（すなわち、
【００５２】
【数２】
2010513864.tif 000004
によって）生じる。ここでＮは有理数である。Ｉ成分の振幅はこの周波数シフトによって影響されない。しかし、Ｑ成分
【００５３】
【数３】
2010513864.tif 000005
は、Ｎ倍高くなる。これは図５の右の図（ｂ）に示し、ここで、ダッシュ付記号は概括的に、増加した周波数Ｎ・ｆ１の測定を表す。センサ電流周波数ｆ２は、表記の便宜上、例示では一定に維持しているが、これは必須でない。
【００５４】
フィルタリングされたセンサ出力信号ｕｆの直交分解を行う代わりに、この実施例では、センサ信号の振幅Ａｆ及び
【００５５】
【数４】
2010513864.tif 000006
が差分周波数Δｆ＝ｆ１−ｆ２及び
【００５６】
【数５】
2010513864.tif 000007
（すなわち、ベクトル
【００５７】
【数６】
2010513864.tif 000008
の長さ）において測定される。
【００５８】
Δｆ及び
【００５９】
【数７】
2010513864.tif 000009
における前置処理電子回路の位相伝達は異なり得、これは、図（ａ）に対する図（ｂ）の軸の回転をもたらす。この効果は、ここでは、別々の復調ベクトル
【００６０】
【数８】
2010513864.tif 000010
を割り当てることによって考慮に入れられる。
【００６１】
やはり、測定ベクトル
【００６２】
【数９】
2010513864.tif 000011
の振幅Ａｆ及び
【００６３】
【数１０】
2010513864.tif 000012
は、時点０でビーズがない状態で（すなわち、試験前に）、かつ、次いで、時点ｔでビーズがある状態で検出することが可能である。周波数ｆ１及びＮ・ｆ１による測定から、Ｑ成分ｕＱの振幅ＡＱは次いで式（１３）によって抽出することが可能であり、これは、時点０及びｔについて有効である。この点で、電子回路の増幅がΔｆ及び
【００６４】
【数１１】
2010513864.tif 000013
で等しいものとする。これは、Δｆ及び
【００６５】
【数１２】
2010513864.tif 000014
が近い（例えば、
【００６６】
【数１３】
2010513864.tif 000015
である）ように第２の励起周波数
【００６７】
【数１４】
2010513864.tif 000016
及び第２のセンサ周波数
【００６８】
【数１５】
2010513864.tif 000017
を選ぶことによって実現することが可能である。あるいは、周波数は
及び第２のセンサ周波数
【００６９】
【数１６】
2010513864.tif 000018
であり、２つの測定を時間多重化することが可能であるように選ぶことが可能である。
【００７０】
式（１３）は、同相Ｉ成分ｕＩ（時点０及びｔで有効である）の振幅ＡＩの表現を更に含む。前述の関係では、式（１２）と同様な算出を行うことが可能である、すなわち、ビーズ密度Ｂは、センサ感度ｓ及び印加電流と無関係に求めることが可能である。
【００７１】
本発明は特定の実施例を参照して上述したが、種々の修正及び拡張が考えられる。例えば、
分子分析に加えて、より大きな部分（例えば、細胞、ウイルス、細胞やウイルスの一部や、組織の抽出物等）を、本発明による磁気センサ・デバイスによって検出することが可能である。
【００７２】
検出は、バイオセンサ表面に対する、センサ素子の走査の有無に係わらず、行うことが可能である。
【００７３】
測定データは、端点の測定として得ることが可能であり、信号を動力学的に又は断続的に記録することによって得ることが可能である。
【００７４】
ラベルとしての役目を担う磁化粒子は、検出方法によって直接検出することが可能である。更に、粒子は検出前に更に処理することが可能である。更なる処理の例には、材料が追加されるか、又は、ラベルの（生）化学的特性又は物理的特性が、検出を容易にするよう修正されるということがある。
【００７５】
デバイス及び方法をいくつかの生化学分析タイプ（例えば、結合／解離分析、サンドイッチ分析、競合分析、置換分析、酵素分析等）によって使用することが可能である。
【００７６】
デバイス及び方法は、センサ多重化（すなわち、別々のセンサ及びセンサ表面の並列的な使用）、ラベル多重化（すなわち、各種ラベルの並列的な使用）、並びに、チェンバ多重化（すなわち、別々の反応チェンバの並列的な使用）に適している。
【００７７】
デバイス及び方法は、迅速で、ロバストで、かつ使用が容易なポイントオブケア・バイオセンサとして使用することが可能である。反応チェンバは、１つ又は複数の磁場発生手段及び１つ又は複数の検出手段を含むコンパクトな読み出し器とともに使用される対象の処分可能な品目であり得る。更に、本発明のデバイス、方法及びシステムを、自動化された高スループット検査において使用することが可能である。この場合、反応チェンバは例えば、自動化された計測器に収まるウェル・プレート又はキュベットである。
【００７８】
最後に、本願では、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」の語は、他の構成要素又は構成工程を排除せず、「ａ」又は「ａｎ」は複数形を排除せず、単一のプロセッサや他の装置はいくつかの手段の機能を満たし得る。本発明は、新しい特徴的構成全て及び特徴的構成の組合せ全てにおいて存在している。更に、特許請求の範囲における参照符号は、当該範囲を限定するものと解されるべきでない。
【図１】
2010513864.tif 000019
【図２】
2010513864.tif 000020
【図２−Ｉ】
2010513864.tif 000021
【図２−ＩＩ】
2010513864.tif 000022
【図３】
2010513864.tif 000023
【図４】
2010513864.tif 000024
【図５ａ】
2010513864.tif 000025
【図５ｂ】
2010513864.tif 000026
【手続補正書】
【提出日】平成21年6月23日(2009.6.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サンプル・チェンバ内の磁化粒子を検出する方法及び磁気センサ・デバイスに関する。更に、本発明は前述のデバイスの使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
国際公開第２００５／０１０５４３号及び国際公開第２００５／０１０５４２号から、例えば、磁気ビーズでラベリングされた（例えば、生体）分子の検出のためにマイクロ流体バイオセンサにおいて使用することができる磁気センサ・デバイスが知られている。マイクロセンサ・デバイスには、磁界の発生のための配線と、磁気ビーズによって生成された標遊磁界の検出のための巨大時期抵抗デバイス（ＧＭＲ）とを備えたセンサ・デバイスアレイが設けられている。ＧＭＲの抵抗はその場合、センサ・デバイス近くのビーズの数を示す。
【０００３】
前述の種類の磁気バイオセンサの問題は、測定が、印加された励起及びセンサ電流、センサ利得、温度等における制御可能でないパラメータ変動に対する感度が非常に高いという点である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この状況に基づけば、本発明の目的は、動作条件の変動に対して磁気センサ・デバイスの測定をよりロバストにする手段を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この目的は請求項１記載の磁気センサ・デバイス、請求項２記載の方法、及び請求項１１記載の使用する方法によって達成される。好ましい実施例は従属請求項に開示されている。
【０００６】
本発明による磁気センサ・デバイスは、（例えば、サンプル内で標的分子にラベリングする磁気ビーズの）磁化粒子を検出する目的を担う。これは以下の構成部分を有する。
【０００７】
検出する対象の粒子を備えることが可能であるサンプル・チャンバ。検出する対象の粒子を備えることが可能である。サンプル・チャンバは通常、空隙、又は、サンプルを吸収し得るジェルのような特定の物質で充填された空洞である。これは、開かれた空洞であっても、閉ざされた空洞であっても、流体連通チャネルにより、他の空洞に連通する空洞であってもよい。
【０００８】
サンプル・チェンバ内の（少なくともどこかに）励起磁場を発生させる第１の周波数を備えた励起電流で駆動される少なくとも１つの磁場発生器。「信号が特定の周波数を有する」という記載は、本明細書の以下記載では、上記信号のフーリエ・スペクトルが上記周波数について非ゼロであるということを簡潔にした表現である。磁場発生器は特に、マイクロエレクトロニクスのセンサの基板上の少なくとも１つの導線で実現することができる。
【０００９】
測定信号を生成するための第２の周波数を備えたセンサ電流によって駆動される、関連付けられた少なくとも１つの磁気センサ素子。磁気センサ素子は、発生器の励起磁場によって生じる影響が手の届く範囲にあるという意味合いで前述の磁場発生器に関連付けられる。磁気センサ素子は特に、コイル、ホール・センサ、平面型ホール・センサ、フラックス・ゲート・センサ、ＳＱＵＩＤ（超伝導量子干渉計）、磁気共鳴センサ、磁気制約センサ、又は、国際公開第２００５／０１０５４３Ａ１号や国際公開第２００５／０１０５４２Ａ２号に記載の種類の磁気抵抗素子（特に、ＧＭＲ（巨大磁気抵抗）素子、ＴＭＲ（トンネル磁気抵抗）素子、又はＡＭＲ（異方性磁気抵抗）素子）を含み得る。
【００１０】
励起電流及びセンサ電流は通常、特定の電源装置、例えば、定電流源によって供給される。
【００１１】
前述の測定信号の「参照成分」を求めるための評価装置において、参照成分は、励起電流に、かつ／あるいは、センサ電流に、かつ／あるいはセンサ利得に依存するが、サンプル・チェンバ内の磁化粒子の存在に依存するものでない。評価装置は、専用ハードウェア、並びに／あるいは、特定のマイクロコンピュータ・システム及び適切なソフトウェアによって実現することができる。好ましくは、配線により、測定信号を受信するために磁気センサ素子に結合される。励起電流及び／又はセンサ電流への参照成分の依存は特に、参照成分が励起電流及び／あるいはセンサ電流及び／あるいはセンサ利得（、並びに、時間依存性信号の場合、考えられる位相シフト）に比例する。センサ利得は、通常、測定する対象の数量（すなわち、センサが露出している磁場）に対する、磁場センサ（例えば、電圧）の信号の導関数として定義される。したがって、センサ利得は、測定する対象の数量と、センサ信号との間の全ての処理を含む。
【００１２】
一般に、特定の影響に対する信号の依存性は実用的に定義すべきである。すなわち、信号は、例えば、当該影響により、その平均値の５％超、変わり得る場合、その影響に依存するとみなし得る。
【００１３】
測定センサ・デバイスの測定信号における所望の粒子依存性成分を分離するための直接的な手法は、磁化粒子の存在に依存しない成分を全て抑制するというものである。これに対して、前述の磁気センサ・デバイスは、サンプル・チェンバ内の磁化粒子の存在に特に依存しない参照成分が求められるように測定信号を処理するための評価装置を備える。したがって、参照成分は通常、磁気センサ・デバイス及び一般的な動作条件のみに関係する情報を有する。この情報は例えば、関心の粒子依存性成分に関して測定信号が解釈される場合に使用することが可能である。参照成分は、励起電流及び／又はセンサ電流に依存する場合、前述の電流の周波数特性を共有し、それにより、その検出が容易になる。更に、前述の依存性は、参照成分が、関心の粒子依存性信号として物理処理の同様な連鎖に戻り、したがって、その関心信号に適切な動作条件を反映するということを示唆している。参照成分は、センサ利得に依存する場合、信号処理の決定的なパラメータを反映する。
【００１４】
本発明は、サンプル・チェンバ内の磁化粒子を検出する方法に更に関し、上記方法は、
第１の周波数を備えた励起電流で駆動される磁場発生器により、サンプル・チャンバ内に励起磁場を発生させる工程と、
第２の周波数を備えるセンサ電流で駆動される磁気センサ素子により、測定信号を生成する工程と、
評価装置により、励起電流に、かつ／あるいはセンサ電流に、かつ／あるいはセンサ利得に依存するが、サンプル・チェンバ内の磁化粒子の存在に依存しない測定信号の参照成分を判定する工程とを含む。
【００１５】
方法は、一般形では、前述の種類の磁気センサ・デバイスによって実行することが可能な工程を含む。したがって、前述の方法の詳細、効果、及び改良に関する更なる情報について、前述の説明を参照されたい。
【００１６】
以下では、本願提案の磁気センサ・デバイス及び方法に関する、本発明の好ましい実施例を説明する。
【００１７】
本発明によれば、参照成分は、磁気センサ素子に作用する磁場に依存する。参照成分はしたがって、磁気センサ素子によって磁場が検出される経路についての情報、特に、支配的な磁場の変動に対する測定信号の依存度についての情報（すなわち、センサ利得についての情報）を含む。特に、参照成分は、磁気センサ素子自体に対する、センサ電流によって発生する磁場の効果を表す、磁気センサ素子の自己磁化に依存する。
【００１８】
特に前述のものと組み合わせて実現することができる、本発明の別の実施例では、参照成分は、磁場発生器と磁気センサ素子との間の静電容量性クロストーク及び／又は誘導性クロストークに依存する。導電体が互いに近くに位置している場合、前述のクロストークは事実上、避けることができない。上記クロストークは通常、望ましくない擾乱とみなされるが、ここでは、有用な参照成分を生成するよう使用される。好ましい実施例では、参照成分は、センサ利得、並びに、励起電流及びセンサの積を含むように、静電容量性クロストーク及び／又は誘導性クロストーク（励起電流に関係する）に依存し、同時に、センサ素子の自己磁化（センサ電流に関係する）に依存する。参照成分は次いで、関心の信号（磁化粒子の検出された反応磁場により、励起電流及びセンサ電流に依存する）と同じ周波数依存性を示し、したがって、この信号の適切な動作条件を反映する。
【００１９】
本発明の更なる展開では、動作条件の変形が、求められた参照成分から検出される。参照成分は磁化粒子の存在と無関係であるので、サンプル・チェンバへの磁化粒子の導入によって変わらない。時間上、測定前及び測定中に生起する参照成分の変動はよって、動作条件における変動によるものでなければならない。すなわち、前述の変動は、測定信号に対する磁化粒子の影響から検出し、測定信号に対する磁化粒子の影響と分離することが可能である。
【００２０】
本発明の別の実施例では、サンプル・チェンバ内の磁化粒子の量を示す、測定信号の粒子依存性成分は、参照成分の助力によって補正される。前述の手法と組合せて、補正は特に、動作条件の検出された変動に基づき得る。
【００２１】
本発明の更に別の実施例では、測定信号は少なくとも１つの特定の周波数においてのみ処理される。前述の周波数は特に、第１の周波数と第２の周波数との間の差（又は、励起電流及び／又はセンサ電流における前述の周波数がいくつか存在している場合、第１の周波数及び第２の周波数の対全ての間の差）であり得る。処理を特定の周波数に制限することは、特定の物理的な効果による信号成分を分離することを可能にする。
【００２２】
測定信号から参照成分を求める別々の可能性が種々、存在している。前述の可能性は当然、参照成分の選ばれた定義に依存する。好ましい一手法では、参照成分は、測定信号の粒子依存性成分と参照成分との間の位相シフトに基づいて判定される。これは、（磁化粒子の量を反映する）関心の粒子依存性成分と参照成分が同じ依存性を有しており、したがって、関連したハードウェア（増幅器、フィルタ等）の同じ動作条件を経験することになるということを意味している。
【００２３】
参照成分は任意的には、第１の周波数及び／又は第２の周波数とともにスケーリングされ得る（すなわち、上記周波数と比例するか、又は上記周波数の関数であり得る）。この場合、参照成分はスケーリングに基づいて判定することができる。前述の判定は通常、別々の２つの周波数の適用を含み、結果として生じる測定信号間の差は参照成分に帰することが可能である。
【００２４】
本発明は更に、分子診断、生体成分分析及び／又は化学サンプル分析（特に小分子の検出）のための、上記磁気センサ・デバイスの使用に更に関する。分子診断は例えば、標的分子に直接又は間接に付着させた磁気ビーズの助力によって実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明による磁気センサ・デバイスを示す概略図である。
【図２】本発明の測定手法に関する数式を要約した図である。
【図３】複素数平面におけるΔｆでの（磁気ビーズの導入前及び導入後の）測定信号の成分を示す図である。
【図４】図３の測定信号における直交成分ｕＱ及び同相成分ｕＩを求めるために使用することが可能な検出回路を示す図である。
【図５】磁気ビーズの導入前及び導入後の別々の２つの励起周波数における測定信号の図３の成分と同様に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明の前述及び他の局面は、後述する実施例を参照すると、明らかであり、明らかにされるであろう。前述の実施例は、例として、添付図面を援用して説明する。
【００２７】
図中の同じ参照符号は、同一又は同様の成分を表す。
【実施例】
【００２８】
図１は、サンプル・チェンバ内の磁気相互作用性粒子（例えば、超常磁性ビーズ３）の検出のためのバイオセンサとしての特定のアプリケーションにおける、本発明によるマイクロエレクトニック磁気センサ・デバイスを示す。磁気抵抗バイオチップ又はバイオセンサは、感度、特異性、統合、使いやすさ、及びコストの点で、生体分子診断の特性が期待される。前述のバイオチップの例は、本明細書及び特許請求の範囲にその内容を援用する国際公開第２００３／０５４５６６号、国際公開第２００３／０５４５２３号、国際公開第２００５／０１０５４２号、国際公開第２００５／０１０５４３号、及び国際公開第２００５／０３８９１１号に開示されている。
【００２９】
図１に示す磁気センサ・デバイス１００は、基板（図示せず）上に導線１として実現することができるか、又は、センサ・チップ外に配置され得る少なくとも１つの磁場発生器を備える。磁場発生器１は、隣接するサンプル・チェンバ内の交流の外部磁場Ｈ１を発生させるための第１の周波数ｆ１の正弦励起電流Ｉ１を備えた電流源４で駆動される。励起電流Ｉ１は、複素数表現及び（一定の、実数の）振幅Ｉｅｘの助力で図２の式（１）で表される。
【００３０】
発生した外部磁場Ｈ１はサンプル・チェンバ内のビーズ３を磁化し、ビーズ３は例えば、関心の（生体）分子のラベルとして使用することができる（更なる詳細については参考文献を参照されたい）。ビーズ３によって発生する反応磁場ＨＢは次いで、（励起場Ｈ１と併せて）近傍の巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサ素子２の電気抵抗に影響を及ぼす。
【００３１】
反応磁場ＨＢを測定するために、周波数ｆ２の正弦センサ電流Ｉ２が、更なる電流源５によって生成され、前記正弦センサ電流Ｉ２はＧＭＲセンサ素子２を導通する。このセンサ電流Ｉ２は式（２）において複素数表現で、かつ、（一定で実数の）振幅Ｉｓで表される。
【００３２】
ＧＭＲセンサ２の両端間で測定することが可能な電圧ｕＧＭＲはその場合、ＧＭＲセンサ２の抵抗を示し、よって、受ける磁場を示すセンサ信号を供給する。
【００３３】
図１は、励起配線１とＧＭＲセンサ２との間の寄生静電容量性結合をコンデンサ及び破線で更に示す。励起配線１とＧＭＲセンサ２との間の更なる誘導性結合及び／又は前述の静電容量性結合は、ＧＭＲセンサ２を通る関連した更なるクロストーク電流Ｉｘ及び測定電圧ｕＧＭＲのクロストーク成分ｕｘを誘導する。クロストーク電流Ｉｘは励起電流Ｉ１と比例するが、９０°位相シフトしている。クロストーク電流Ｉｘ及びセンサ電流Ｉ２はともに、ＧＭＲセンサ２を通る合計電流ＩＧＭＲをもたらす。前述の電流の対応する数学的表現は式（３）及び（４）において表され、αは定数である。
【００３４】
図１は、場Ｈ２がＧＭＲセンサ２に作用して、センサ電流ＩＧＭＲが自己磁化を誘導することを更に示す。式（５）は、ＧＭＲセンサ２が露出している合計磁場ＨＧＭＲを要約するものであり、β、γ及びεは定数であり、Ｂは、（表面上のビーズの一様な分布を前提として）求められる、センサの表面上のビード密度である。
【００３５】
式（６）は、ＧＭＲ素子２において支配的な合計磁場ＨＧＭＲに、センサ利得ｓを介して依存する定数（オーム）項Ｒ０及び変数項ΔＲの和として、ＧＭＲセンサ２の合計抵抗（ＲＧＭＲ）を表す。
【００３６】
式（７）は、ＧＭＲセンサ２によって生成され、評価装置１０（図１）によって処理される測定信号ｕＧＭＲを表し、ここで、μ、ａ１、ａ２、ａ３、ａ４、ａ５、ａ６は定数である。前述の測定信号ｕＧＭＲは、ＧＭＲセンサ２両端間の（オーム）電圧降下、及び上記更なるクロストーク電圧ｕｘを含む。この式から分かるように、測定信号ｕＧＭＲは、式（３）に定義された「直交電流」ＩＱ、励起電流Ｉ１、センサ電流Ｉ２の別々の積に比例するいくつかの成分を含む。式（１）乃至（３）及び三角恒等式を使用すれば、前述の成分が特定の周波数に対応するということを示すことが可能である。特に、積Ｉ１・Ｉ２及びＩＱ・Ｉ２は、他の積に生起しない（ｆ１＋ｆ２）における周波数成分、及び差分周波数Δｆ＝（ｆ１−ｆ２）における周波数成分を含む。評価装置１０において測定信号ｕＧＭＲを適切に（すなわち、差分周波数Δｆを中心とする帯域通過フィルタ１２に（増幅器１１における増幅後に）通過させることによって）処理することにより、式（８）によるフィルタリングされた信号ｕｆが得られる。差分周波数Δｆは、ＧＭＲセンサ２の熱雑音が、増幅器１１によってもたらされる１／ｆ雑音よりも支配的である（すなわち、チョッピングである）ように選ばれる。関心の数量（すなわち、センサ上のビーズの量の尺度である、Δｆでの信号ｕｆの増幅）をもたらすために、信号ｕｆは、情報信号と同相である差分周波数Δｆの復調信号ｕｄｅｍを使用して復調器１３において復調される。復調後、信号は、低域通過フィルタ１４において低域通過フィルタリングされ、任意的には、モジュール１５（例えば、ワークステーション）において更に処理される。
【００３７】
前述の磁気センサの課題は、センサ感度ｓが測定中に変動し得るという点である。更に、センサ電流振幅Ｉｓ及び励起電流振幅Ｉｅｘの変動、並びに、前置処理電子回路における利得及び位相の変動が生じ得る。したがって、参照センサを使用することなく、（以下、「参照成分」と呼ぶ）校正信号を提供することが望ましく、前述の参照成分により、センサ感度ｓにおける変動と、センサ及び励起電流における変動、並びに測定電子回路における変動とを補償することが可能になる。
【００３８】
前述の目的は、「同相」成分及び「直交」成分における式（８）の（複素）センサ信号ｕｆの分解によって達成される。これは図３に示す。図３は、複素数平面（Ｒｅ，Ｉｍ）におけるΔｆでの通常のフィルタリングされた測定信号ｕｆ（０）及びｕｆ（ｔ）を示し、時点「０」及び｛ｔ｝は、サンプル・チェンバへの磁化ビーズの導入の前及び後の測定それぞれを表す。フィルタリングされた測定信号は以下の別々の寄与分を含む。
【００３９】
１．「直交成分」又は略して「Ｑ成分」ｕＱ：  前述の通り、静電容量性クロストーク及び誘導性のクロストーク（センサ幾何構造に特有である）は、周波数が励起周波数ｆに等しい、ＧＭＲセンサを通るクロストーク電流Ｉｘをもたらす。更に、印加されたセンサ電流Ｉ２は、第２の周波数ｆ２において、ＧＭＲセンサにおける内部磁場Ｈ２（自己バイアス）をもたらす。それらの積は、情報担持信号に対して位相が９０°シフトした差分周波数ΔｆにおいてＱ成分ｕＱをもたらす。式（８）によれば、このＱ成分ｕＱの振幅はＡＱ＝｜ｕＱ｜＝２πｆ１αβｓＩｅｘＩｓであり、αは、クロストーク電流（Ｉｃ）を、印加励起電流（Ｉ１）で除算した商Ｉｃ／Ｉ１であり、βは自己バイアス係数Ｈ２／ＩＧＭＲ（すなわち、ＭＧＲを通る電流ＩＧＭＲによって誘導される、ＧＭＲセンサの感応層内の磁場強度Ｈ２）であり、ｓ＝ΔＲ／ΔＨはＧＭＲセンサの感度である。
【００４０】
２．磁場クロストーク・ベクトルｕＩ（０）：励起配線１及びＧＭＲセンサ配線２の（固有の）不整合は、励起電流Ｉ１によってもたらされる磁場Ｈ１に対するＧＭＲ応答ｕＩ（０）をもたらす。式（９）によれば、ｕＩ（０）＝γｓｌｅｘｌｓであり、ここで、γ＝Ｈ２／Ｉ１は、当該電流、及び励起配線を通る電流によって誘導されるＧＭＲの感応層における磁場強度間の比例定数である。
【００４１】
３．合計磁気ベクトル又は「Ｉ成分」ｕＩ（ｔ）：Ｉ成分ｕＩ（ｔ）＝ｕＩ（０）＋ｕＢは、ビーズによって生じる関心の信号ｕＢ、及び前述の磁気クロストークｕＩ（０）を含む。ｕＩ（ｔ）及びｕＢは式（９）及び（１１）において表され、ε＝ＨＢ／（ＢＩｅｘ）は、センサ表面における磁化ビーズによって誘導されるＧＭＲの感応層における磁場強度と、センサの表面上のビード密度であるＢとの間の比例定数である。
【００４２】
４．情報担持信号を表す式（１１）による「ビード・ベクトル」ｕＢ。
【００４３】
前述の通り、ベクトルｕｆ（０）は、磁気ビーズがない状態（時点０）におけるΔｆでの合計（測定可能）信号を表し、ベクトルｕｆ（ｔ）は、磁気ビーズがある状態（時点ｔ）におけるΔｆでの合計（測定可能）信号を表す。
【００４４】
Ｑ成分ｕＱは、ＧＭＲセンサの自己磁化によって求められ、センサ表面上の磁気ラベルと無関係である。したがって、Ｑ成分は、センサ感度の高精度校正及びロバストな処理の参照として使用することが可能である。
【００４５】
パラメータα、β、γ、εは全て、センサの幾何構造によって固定され、よって、測定中に変動するものでない。しかし、前述の値は、別々のセンサ間で異なり得る。これは、デバイス毎の個々の校正手順によって考慮に入れることが可能である。
【００４６】
更に、図３中のベクトルは全て、係数ｓｌｅｘｌｓを含む。したがって、（例えば、温度及び／又は外部磁場における変動の結果としての）感度ｓにおける変動、励起電流の振幅Ｉｅｘ、及びセンサ電流の振幅Ｉｓにおける変動、並びに前置処理電子回路における利得の変動は、測定スケール中、両方の軸Ｒｅ、Ｉｍにおいて同等に生じ得る。
【００４７】
図１によれば、フィルタリングされた測定信号ｕｆは、復調器１３において、周波数Δｆの復調信号ｕｄｅｍで復調される。復調信号ｕｄｅｍの位相は、Ｑ成分ｕＱ（スプリアス成分）に対して厳密に直交するように調節することが可能である。このことは、例えば、Ｉ成分又はＱ成分を支配的な信号寄与分に一時的にすることによって実現することが可能である。復調信号の前述の調節された位相により、Ｉ成分ｕＩのみが復調される一方、Ｑ成分は抑制される。
【００４８】
これとは対照的に、完全なＩＱ検出器の適用をここで提案しており、前述の検出器はＩ成分及びＱ成分を求める。Ｑ成分はこの場合、参照センサを使用することなく、校正信号としての役目を担う所望の参照成分をもたらす。図４は、前述のＩＱ検出器の例を示す。これは、元の復調信号ｕｄｅｍ及び９０°位相シフトされた復調信号それぞれが供給される２つの復調器１６及び１７を備える。
【００４９】
Ｉ成分及びＱ成分の振幅ＡＩ及びＡＱを式（９）及び式（１０）に定義する。式（１２）によれば、前述の振幅ＡＩ及びＡＱの比は、センサ感度及び印加電流振幅と無関係の数量をもたらし、ここで、定数α、β、γ、εはセンサ幾何構造によって全て固定され、Ｂはビード密度である。ビーズのない状態での（すなわち、生検前の時点０での）比ＡＩ／ＡＱ、及びビーズがある状態での時点ｔでの比ＡＩ／ＡＱの算出は、よって、（場合によっては時間変動する）センサ感度及び印加電流と無関係にビード密度Ｂを求めることを可能にする。
【００５０】
以下では、Ｉ成分及びＱ成分を求めるためにＩＱ検出器を使用する以外の別の方法は、図５を参照して説明する。この方法は、静電容量性及び誘導性のクロストークによって生じるＱ成分ｕＱが、式（１０）により、励起周波数ｆ１に線形的に依存するという認識に基づいている。元の周波数ｆ１のＮ倍の周波数
【００５１】
【数１】
2010513864.tif 000027
を有するが、同じ振幅を有する第２の励起信号をもたらすことにより、センサ電流のｆ２変調により（すなわち、
【００５２】
【数２】
2010513864.tif 000028
によって）生じる。ここでＮは有理数である。Ｉ成分の振幅はこの周波数シフトによって影響されない。しかし、Ｑ成分
【００５３】
【数３】
2010513864.tif 000029
は、Ｎ倍高くなる。これは図５の右の図（ｂ）に示し、ここで、ダッシュ付記号は概括的に、増加した周波数Ｎ・ｆ１の測定を表す。センサ電流周波数ｆ２は、表記の便宜上、例示では一定に維持しているが、これは必須でない。
【００５４】
フィルタリングされたセンサ出力信号ｕｆの直交分解を行う代わりに、この実施例では、センサ信号の振幅Ａｆ及び
【００５５】
【数４】
2010513864.tif 000030
が差分周波数Δｆ＝ｆ１−ｆ２及び
【００５６】
【数５】
2010513864.tif 000031
（すなわち、ベクトル
【００５７】
【数６】
2010513864.tif 000032
の長さ）において測定される。
【００５８】
Δｆ及び
【００５９】
【数７】
2010513864.tif 000033
における前置処理電子回路の位相伝達は異なり得、これは、図（ａ）に対する図（ｂ）の軸の回転をもたらす。この効果は、ここでは、別々の復調ベクトル
【００６０】
【数８】
2010513864.tif 000034
を割り当てることによって考慮に入れられる。
【００６１】
やはり、測定ベクトル
【００６２】
【数９】
2010513864.tif 000035
の振幅Ａｆ及び
【００６３】
【数１０】
2010513864.tif 000036
は、時点０でビーズがない状態で（すなわち、試験前に）、かつ、次いで、時点ｔでビーズがある状態で検出することが可能である。周波数ｆ１及びＮ・ｆ１による測定から、Ｑ成分ｕＱの振幅ＡＱは次いで式（１３）によって抽出することが可能であり、これは、時点０及びｔについて有効である。この点で、電子回路の増幅がΔｆ及び
【００６４】
【数１１】
2010513864.tif 000037
で等しいものとする。これは、Δｆ及び
【００６５】
【数１２】
2010513864.tif 000038
が近い（例えば、
【００６６】
【数１３】
2010513864.tif 000039
である）ように第２の励起周波数
【００６７】
【数１４】
2010513864.tif 000040
及び第２のセンサ周波数
【００６８】
【数１５】
2010513864.tif 000041
を選ぶことによって実現することが可能である。あるいは、周波数は
及び第２のセンサ周波数
【００６９】
【数１６】
2010513864.tif 000042
であり、２つの測定を時間多重化することが可能であるように選ぶことが可能である。
【００７０】
式（１３）は、同相Ｉ成分ｕＩ（時点０及びｔで有効である）の振幅ＡＩの表現を更に含む。前述の関係では、式（１２）と同様な算出を行うことが可能である、すなわち、ビーズ密度Ｂは、センサ感度ｓ及び印加電流と無関係に求めることが可能である。
【００７１】
本発明は特定の実施例を参照して上述したが、種々の修正及び拡張が考えられる。例えば、
分子分析に加えて、より大きな部分（例えば、細胞、ウイルス、細胞やウイルスの一部や、組織の抽出物等）を、本発明による磁気センサ・デバイスによって検出することが可能である。
【００７２】
検出は、バイオセンサ表面に対する、センサ素子の走査の有無に係わらず、行うことが可能である。
【００７３】
測定データは、端点の測定として得ることが可能であり、信号を動力学的に又は断続的に記録することによって得ることが可能である。
【００７４】
ラベルとしての役目を担う磁化粒子は、検出方法によって直接検出することが可能である。更に、粒子は検出前に更に処理することが可能である。更なる処理の例には、材料が追加されるか、又は、ラベルの（生）化学的特性又は物理的特性が、検出を容易にするよう修正されるということがある。
【００７５】
デバイス及び方法をいくつかの生化学分析タイプ（例えば、結合／解離分析、サンドイッチ分析、競合分析、置換分析、酵素分析等）によって使用することが可能である。
【００７６】
デバイス及び方法は、センサ多重化（すなわち、別々のセンサ及びセンサ表面の並列的な使用）、ラベル多重化（すなわち、各種ラベルの並列的な使用）、並びに、チェンバ多重化（すなわち、別々の反応チェンバの並列的な使用）に適している。
【００７７】
デバイス及び方法は、迅速で、ロバストで、かつ使用が容易なポイントオブケア・バイオセンサとして使用することが可能である。反応チェンバは、１つ又は複数の磁場発生手段及び１つ又は複数の検出手段を含むコンパクトな読み出し器とともに使用される対象の処分可能な品目であり得る。更に、本発明のデバイス、方法及びシステムを、自動化された高スループット検査において使用することが可能である。この場合、反応チェンバは例えば、自動化された計測器に収まるウェル・プレート又はキュベットである。
【００７８】
最後に、本願では、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」の語は、他の構成要素又は構成工程を排除せず、「ａ」又は「ａｎ」は複数形を排除せず、単一のプロセッサや他の装置はいくつかの手段の機能を満たし得る。本発明は、新しい特徴的構成全て及び特徴的構成の組合せ全てにおいて存在している。更に、特許請求の範囲における参照符号は、当該範囲を限定するものと解されるべきでない。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化粒子を検出する磁気センサ・デバイスであって、
前記粒子を設けることが可能なサンプル・チェンバと、
前記サンプル・チェンバにおいて励起磁場を生成するための第１の周波数を備えた励起電流で駆動される少なくとも１つの磁場発生器と、
測定信号を生成するための第２の周波数を備えたセンサ電流で駆動される少なくとも１つの関連付けられた磁気センサ素子と、
前記サンプル・チャンバにおいて前記磁化粒子の存在に依存しないが前記磁気センサ素子の自己磁化に依存し、更に、前記励起電流及び／あるいは前記センサ電流及び／あるいはセンサ利得に依存する前記測定信号の参照成分を求める評価装置とを備える磁気センサ・デバイス。
【請求項２】
サンプル・チェンバにおいて磁化粒子を検出する方法であって、
第１の周波数を備えた励起電流で駆動される磁場発生器により、前記サンプル・チェンバにおいて励起磁場を発生させる工程と、
第２の周波数を備えたセンサ電流で駆動される磁気センサ素子により、測定信号を生成する工程と、
前記サンプル・チェンバにおいて前記磁化粒子の存在に依存しないが前記磁気センサ素子の自己磁化に依存し、更に、前記励起電流及び／あるいは前記センサ電流及び／あるいはセンサ利得に依存する、測定信号の参照成分を評価装置によって求める工程とを含む方法。
【請求項３】
請求項１記載の磁気センサ・デバイスであって、
前記参照成分は、前記磁場発生器と前記磁気センサ素子との間の静電容量性クロストークに依存する磁気センサ・デバイス。
【請求項４】
請求項１記載の磁気センサ・デバイスであって、
前記参照成分は、前記磁場発生器と前記磁気センサ素子との間の誘導性クロストークに依存する磁気センサ・デバイス。
【請求項５】
請求項１記載の磁気センサ・デバイスであって、
動作条件のばらつきは、前記求められた参照成分から検出される磁気センサ・デバイス。
【請求項６】
請求項１記載の磁気センサ・デバイスであって、
前記測定信号の粒子依存性成分は、前記求められた参照成分の助力によって補正される磁気センサ・デバイス。
【請求項７】
請求項１記載の磁気センサ・デバイスであって、前記測定信号の特定の周波数のみ、特に前記第１の周波数と前記第２の周波数との差、が処理される磁気センサ・デバイス。
【請求項８】
請求項１記載の磁気センサ・デバイスであって、
前記参照成分は、前記測定信号の粒子依存性成分に対する位相シフトに基づいて求められる磁気センサ・デバイス。
【請求項９】
請求項１記載の磁気センサ・デバイスであって、
前記参照成分は、前記第１の周波数及び／又は第２の周波数とともにスケーリングし、このスケーリングに基づいて求められる磁気センサ・デバイス。
【請求項１０】
請求項１記載の磁気センサ・デバイスであって、
前記磁気センサ素子は、コイル、ホール・センサ、平面型ホール・センサ、フラックス・ゲート・センサ、ＳＱＵＩＤ、磁気共鳴センサ、磁気拘束センサ、又は、ＧＭＲ、ＡＭＲ若しくはＴＭＲ素子のような磁気抵抗素子を含む磁気センサ・デバイス。
【請求項１１】
請求項１記載の磁気センサ・デバイスを使用する方法であって、分子診断、生体成分分析及び／又は化学サンプル分析のために、特に小分子の検出のために、前記磁気センサ・デバイスを使用する方法。
【国際調査報告】
2010513864.tif 000043
2010513864.tif 000044
2010513864.tif 000045
2010513864.tif 000046
2010513864.tif 000047