(57)【要約】【課題】多数の標本を同時に試験することができる磁気生体感知システムを提供すること。【解決手段】本発明による磁気生体センサは，自由層と，固定層と，自由層と固定層との間の非磁性層とを有する。外部磁界がないとき，自由層又は固定層のうち少なくとも一つは，自由層又は固定層の主面からずれた磁気モーメントを有してもよい。磁気生体センサはまた，磁気スタックの上に配置された標本容器と，標本スタックの上の標本容器の底面に付着した複数の捕捉抗体と，自由層又は固定層の主面に実質的に垂直な磁界を発生するように構成された磁界発生器とを含んでもよい。【選択図】図２Ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気生体センサであって，
自由層及び固定層を含む磁気センサであって，前記自由層又は前記固定層のうち少なくとも一つが，外部磁界がないとき，それぞれ前記自由層又は前記固定層の主面からずれた方向を向く磁気モーメントを有する磁気センサと，
磁気スタックの上に配置された標本容器と，
前記磁気スタックの上の前記標本容器の底面に付着させた複数の捕捉抗体と，
前記自由層又は前記固定層の前記主面に実質的に垂直の磁界を発生させるように構成された磁界発生器と，
を備える磁気生体センサ。
【請求項２】
前記標本容器内に配置された複数の磁気でマーク付けされた抗原を更に有し，前記複数の捕捉抗体のうち少なくとも一つ捕捉抗体が前記複数の磁気でマーク付けされた抗原のうち少なくとも一つを捕捉するように構成され，前記複数の磁気でマーク付けされた抗原はそれぞれ，磁気ナノ粒子（ＭＮＰ）に結合した抗原を含み，前記ＭＮＰは約１００ナノメートル未満の直径を規定する，請求項１に記載の磁気生体センサ。
【請求項３】
前記標本容器内に配置された複数の磁気でマーク付けされた抗原を更に有し，前記複数の捕捉抗体のうち少なくとも一つ捕捉抗体が前記複数の磁気でマーク付けされた抗原のうち少なくとも一つを捕捉するように構成され，前記複数の磁気でマーク付けされた抗原はそれぞれ，磁気マイクロビーズに結合した抗原を含み，前記磁気マイクロビーズは約１マイクロメートルと約２マイクロメートルとの間の直径を規定する，請求項１に記載の磁気生体センサ。
【請求項４】
前記固定層の前記磁気モーメントは，前記外部磁界がないとき，前記固定層の前記主面からずれた方向を向いており，前記自由層の前記磁気モーメントは，前記外部磁界がないとき，前記自由層の前記主面に平行の方向を向いている，請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁気生体センサ。
【請求項５】
前記固定層の前記磁気モーメントは，前記外部磁界がないとき，前記固定層の前記主面に実質的に垂直の方向を向いている，請求項４に記載の磁気生体センサ。
【請求項６】
前記自由層の前記磁気モーメントは，前記外部磁界がないとき，前記自由層の前記主面からずれた方向を向いており，前記固定層の前記磁気モーメントは，前記外部磁界がないとき，前記固定層の前記主面に平行の方向を向いている，請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁気生体センサ。
【請求項７】
前記自由層の前記磁気モーメントは，前記外部磁界がないとき，前記自由層の前記主面に実質的に垂直の方向を向いている，請求項６に記載の磁気生体センサ。
【請求項８】
前記自由層の前記磁気モーメントは，前記外部磁界がないとき，前記自由層の前記主面からずれた方向を向いており，前記固定層の前記磁気モーメントは，前記外部磁界がないとき，前記固定層の前記主面からずれた方向を向いている，請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁気生体センサ。
【請求項９】
前記固定層の前記磁気モーメントは，前記外部磁界がないとき，前記固定層の前記主面に実質的に垂直の方向を向いており，前記自由層の前記磁気モーメントは，前記外部磁界がないとき，前記自由層の前記主面に実質的に垂直の方向を向いている，請求項８に記載の磁気生体センサ。
【請求項１０】
非磁性層を更に含み，前記非磁性層は前記固定層の上に形成され，前記自由層は前記非磁性層の上に形成される，請求項１〜９のいずれか一項に記載の磁気生体センサ。
【請求項１１】
非磁性層を更に含み，前記非磁性層は前記自由層の上に形成され，前記固定層は前記非磁性層の上に形成される，請求項１〜９のいずれか一項に記載の磁気生体センサ。
【請求項１２】
第１端部及び第２端部を含む非磁性層であって，前記自由層が前記第１端部に隣接して形成され，前記固定層が前記第２端部に隣接して形成される，非磁性層と，
前記自由層及び前記非磁性層の前記第１端部に電気結合された電流源と，
前記固定層及び前記非磁性層の前記第２端部に電気結合された電圧源であって，前記固定層及び前記非磁性層の前記第２端部の磁気抵抗を測定するように構成された電圧源と，
を更に含む，請求項１〜９のいずれか一項に記載の磁気生体センサ。
【請求項１３】
前記自由磁性層は複数の自由磁性層を含み，前記非磁性層は複数の第１端部を含み，前記複数の自由磁性層の対応するものが前記複数の第１端部の対応するものに隣接して形成され，前記自由磁性層はそれぞれ，前記電流源に電気結合されている，請求項１２に記載の磁気生体センサ。
【請求項１４】
磁気生体センサアレイであって，
前記磁気生体センサアレイの少なくとも一つ周辺端部に沿って配置された複数の電気接点と，
標本容器と，
複数の磁気生体センサであって，それぞれが前記標本容器の表面に隣接して配置され，それぞれが自由層及び固定層を含み，外部磁界がないとき，前記自由層又は前記固定層のうち少なくとも一つが，それぞれ前記自由層又は前記固定層の主面からずれた方向を向いた磁気モーメントを有する，磁気生体センサと，
前記標本容器の前記表面に付着させた複数の捕捉抗体と，
を有する磁気生体センサアレイ。
【請求項１５】
前記複数の磁気生体センサはそれぞれ，磁気トンネル接合センサ，巨大磁気抵抗センサ又はホールセンサのうち少なくとも一つを含む，請求項１４に記載の磁気生体センサアレイ。
【請求項１６】
前記複数の電気接点の対応する１又は複数が，前記複数の磁気生体センサの対応する１又は複数に電気結合しており，前記複数の電気接点のうち対応するものが，感知した試験データを計算装置に伝送するために，複数のプローブのうち対応するものに接触するように構成される，請求項１４又は１５に記載の磁気生体センサアレイ。
【請求項１７】
前記標本容器は標本穴又は微小流体チャネルのうち少なくとも一つを含む，請求項１４〜１６のいずれか一項に記載の磁気生体センサアレイ。
【請求項１８】
前記複数の捕捉抗体は第１の複数の捕捉抗体及び第２の複数の捕捉抗体を含み，前記第１の複数の捕捉抗体は，前記複数の磁気生体センサの第１磁気生体センサの上の前記標本容器の底面に付着しており，前記第２の複数の捕捉抗体は，前記複数の磁気生体センサの第２磁気生体センサの上の前記標本容器の底面に付着している，請求項１４〜１７のいずれか一項に記載の磁気生体センサアレイ。
【請求項１９】
前記標本容器は約４０ミリリットルの容積を規定する，請求項１４〜１８のいずれか一項に記載の磁気生体センサアレイ。
【請求項２０】
前記標本容器は約４ミリリットルの容積を規定する，請求項１４〜１８のいずれか一項に記載の磁気生体センサアレイ。
【請求項２１】
前記固定層の前記磁気モーメントは，前記外部磁界がないとき，前記固定層の前記主面からずれた方向を向いており，前記自由層の前記磁気モーメントは，前記外部磁界がないとき，前記自由層の前記主面に平行の方向を向いている，請求項１４〜２０のいずれか一項に記載の磁気生体センサアレイ。
【請求項２２】
前記固定層の前記磁気モーメントは，前記外部磁界がないとき，前記固定層の前記主面に実質的に垂直の方向を向いている，請求項２１に記載の磁気生体センサアレイ。
【請求項２３】
前記自由層の前記磁気モーメントは，前記外部磁界がないとき，前記自由層の前記主面からずれた方向を向いており，前記固定層の前記磁気モーメントは，前記外部磁界がないとき，前記固定層の前記主面に平行の方向を向いている，請求項１４〜２０のいずれか一項に記載の磁気生体センサアレイ。
【請求項２４】
前記自由層の前記磁気モーメントは，前記外部磁界がないとき，前記自由層の前記主面に実質的に垂直の方向を向いている，請求項２１に記載の磁気生体センサアレイ。
【請求項２５】
前記自由層の前記磁気モーメントは，前記外部磁界がないとき，前記自由層の前記主面からずれた方向を向いており，前記固定層の前記磁気モーメントは，前記外部磁界がないとき，前記固定層の前記主面からずれた方向を向いている，請求項１４〜２０のいずれか一項に記載の磁気生体センサアレイ。
【請求項２６】
前記固定層の前記磁気モーメントは，前記外部磁界がないとき，前記固定層の前記主面に実質的に垂直の方向を向いており，前記自由層の前記磁気モーメントは，前記外部磁界がないとき，前記自由層の前記主面に実質的に垂直の方向を向いている，請求項２５に記載の磁気生体センサアレイ。
【請求項２７】
前記複数の磁気生体センサのうち少なくとも一つの磁気生体センサは非磁性層を更に含み，前記非磁性層は前記固定層の上に形成され，前記自由層は前記非磁性層の上に形成される，請求項１４〜２６のいずれか一項に記載の磁気生体センサアレイ。
【請求項２８】
前記複数の磁気生体センサのうち少なくとも一つの磁気生体センサは非磁性層を更に含み，前記非磁性層は前記自由層の上に形成され，前記固定層は前記非磁性層の上に形成される，請求項１４〜２６のいずれか一項に記載の磁気生体センサアレイ。
【請求項２９】
前記複数の磁気生体センサのうち少なくとも一つの磁気生体センサは，
第１端部及び第２端部を含む非磁性層であって，前記自由層が前記第１端部に隣接して形成され，前記固定層が前記第２端部に隣接して形成される，非磁性層と，
前記自由層及び前記非磁性層の前記第１端部に電気結合された電流源と，
前記固定層及び前記非磁性層の前記第２端部に電気結合された電圧源であって，前記固定層及び前記非磁性層の前記第２端部の磁気抵抗を測定するように構成された電圧源と，
を更に含む，請求項１４〜２６のいずれか一項に記載の磁気生体センサアレイ。
【請求項３０】
前記自由磁性層は複数の自由磁性層を含み，前記非磁性層は複数の第１端部を含み，前記複数の自由磁性層の対応するものが前記複数の第１端部の対応するものに隣接して形成され，前記自由磁性層はそれぞれ，前記電流源に電気結合されている，請求項２９に記載の磁気生体センサアレイ。
【請求項３１】
磁気生体感知システムであって，
複数のプローブを含むプローブアレイと，
請求項１４〜３０のいずれか一項に記載の磁気生体センサアレイであって，前記複数の電気接点が前記磁気生体センサアレイの少なくとも一つ周辺端部に沿って配置され，前記複数のプローブの対応するものを受け入れるように構成されている，磁気生体センサアレイと，
前記プローブアレイを前記磁気生体センサに近づけたり，遠ざけたりして，前記複数のプローブと前記複数の電気接点とを結合させたり，解除させたりするように構成されたモータと，
前記磁気生体センサアレイの主面に垂直な方向に磁界を印加するための，前記磁気生体センサアレイの下に配置される磁界発生器と，
を備える磁気生体感知システム。
【請求項３２】
請求項１４〜３０のいずれか一項に記載の磁気生体センサアレイが，請求項１４〜３０のいずれか一項に記載の複数の磁気生体センサアレイを含む，請求項３１に記載の磁気生体感知システム。
【請求項３３】
スピンテーブルを更に備え，前記複数の磁気生体センサアレイが前記スピンテーブルの上に配置され，前記スピンテーブルは，前記プローブアレイの下で前記複数の磁気生体センサアレイのうち対応する一つを回転させるように構成された，請求項３１又は３２に記載の磁気生体感知システム。
【請求項３４】
前記スピンテーブルの回転を制御するステッパモータを更に備える，請求項３３に記載の磁気生体感知システム。
【請求項３５】
リニアアクチュエータ又はモータのうち少なくとも一つを更に備え，前記リニアアクチュエータ又は前記モータのうち前記少なくとも一つが前記プローブアレイを移動させる，請求項３１〜３４のいずれか一項に記載の磁気生体感知システム。
【請求項３６】
前記プローブアレイは，前記標本容器に溶液を分配するように構成された複数の標本ディスペンサを含む，請求項３１〜３５のいずれか一項に記載の磁気生体感知システム。
【請求項３７】
磁気生体センサを形成する方法であって，
自由層及び固定層を含む磁気センサを形成するステップであって，前記自由層又は前記固定層のうち少なくとも一つが，外部磁界がないとき，それぞれ前記自由層又は前記固定層の主面からずれた方向を向いた磁気モーメントを有する，ステップと，
磁気スタックの上に標本容器を配置するステップと，
前記磁気スタックの上の前記標本容器の底面に複数の捕捉抗体を付着させるステップと，
を有する方法。
【請求項３８】
前記自由層又は前記固定層の前記主面に実質的に垂直の印加磁界を発生させるように構成された磁界発生器を，前記磁気スタックに隣接して配置するステップを更に有する，請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記磁気センサは，巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）磁気センサ，磁気トンネル接合（ＭＴＪ）磁気センサ，巨大磁気インピーダンス（ＧＭＩ）磁気センサ，又はホール磁気センサのうち一つを含む，請求項３７又は３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記自由層及び前記固定層を含む前記磁気センサを形成するステップは，
第１端部及び第２端部を含む非磁性層を形成するステップと，
前記第１端部に隣接して前記自由層を形成するステップと，
前記第２端部に隣接して前記固定層を形成するステップと，
前記自由層及び前記非磁性層の前記第１端部に電流源を結合させるステップと，
前記固定層及び前記非磁性層の前記第２端部に電圧源を結合させるステップであって，前記電圧源は前記固定層及び前記非磁性層の前記第２端部の磁気抵抗を測定するように構成される，ステップと，
を含む磁気センサを形成するステップを含む，請求項３７〜３９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４１】
前記自由磁性層は複数の自由磁性層を含み，前記非磁性層は複数の第１端部を含み，
前記自由磁性層のうち対応するものが，前記複数の第１端部のうち対応するものに隣接して形成され，前記自由磁性層はそれぞれ，前記電流源に電気結合している，請求項４０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁気生体分子感知用のシステム及び技法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超低濃度の生体分子を検出し，定量化する生体分析は，基礎医学と，疾病管理及び診断と，創薬と，環境監視とを含む多くの分野において大いに必要とされている。生体分析は，ＤＮＡ−ＤＮＡ相互作用又はＲＮＡ−ＲＮＡ相互作用，小分子‐生体分子相互作用，アプタマ−生体分子相互作用，タンパク質相互作用などのオリゴヌクレチド間特定相互作用に基づいて，疾病又は病原体を検出するために用いることができる。
【０００３】
磁気生体感知技法は磁界を用いて生体分子を検出し，定量化する。いくつかの実施例において，磁気ナノ粒子（ＭＮＰ）又は磁気マイクロビーズのような磁気ラベルを試薬内の分析物に付着させることができる。磁気ラベルに付着していない同一の分析物が血清標本内に存在することがある。試薬及び血清標本は，磁気センサ及び複数の捕捉分子を含むセンサに導入してもよく，捕捉分子は，例えば共有結合性又はイオン性の結合を用いて分析物を捕捉するように構成される。磁気センサは，磁気モーメントが特定の方向に固定された磁性層（固定層）と，磁気モーメントが外部磁界の影響下で自由に回転する磁性層（自由層）とを含んでもよい。電磁石又は永久磁石を用いて外部磁界がセンサに印加されたとき，自由層の磁気モーメントは，当該層に印加された実効磁界によって決定される方向に回転する。実効磁界は，外部から印加された磁界，任意の磁性体（例えば，センサ面上の磁気粒子）からの磁界，読み取り過程の最中に磁気センサを通る電流によって発生する磁界，及び磁気センサの別の磁性層（例えば固定層）によって発生する磁界からの成分を含んでもよい。そして，血清標本内の分析物濃度は磁気生体センサを用いて測定することができる。何となれば，磁気マーカに結合した分析物が捕捉分子によって捕捉されたとき，自由層の磁気モーメントの方向が磁気ラベルの影響下で回転するからである。磁気生体センサ及び関連技法の更なる詳細は，米国仮特許出願第６１／５３４，６３６号に記載されており，ここに参照によって組み込む。
【０００４】
いくつかの磁気生体センサにおいては，面内（ｉｎ‐ｐｌａｎｅ）外部磁界構成が用いられる（すなわち，自由層及び固定層の主面（ｍａｊｏｒ  ｐｌａｎｅ）に平行の方向に外部磁界がセンサに印加される）。図１にこの構成の計測及び動作原理を簡略に示す。この構成においては，１又は複数の標本１０を含む標本プレート１８が，矢印１６で示す面内（すなわち，自由磁性層の主面に対する面内）の磁界を発生する二つの対向する磁石１２と１４との間の１又は複数の磁気センサ（図示せず）の上に置かれる。この面内構成は試験プレートの限られたサイズ（例えば，長さ２〜５ｃｍ）に関しては使用できるが，台上（ｂｅｎｃｈ  ｔｏｐ）システムとは適合しない，大きな磁石１２及び１４を使用しない限り，大きな標本プレート（例えば，長さ５０ｃｍ）には使用できない。試験中の標本内の生体分子を正確に検出するためには，均一，かつ比較的大きな（例えば，約２０エルステッド（Ｏｅ）から約１００Ｏｅ）面内磁界が必要なため，大きな磁石が必要である。大きな電磁石を有する構成は台上運用に適さないだけでなく，大きな電磁石を動作させるためには大きな電力も必要である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は，自由層及び固定層の主面に垂直な外部磁界（垂直磁界）が磁気センサに印加される磁気生体感知システムに関する。このようなシステムは，十分大きく，より均一な磁界を同時により多くのセンサに印加することができるため，多数の標本を同時に試験することを容易にすることができる。いくつかの例においては，この新規な磁気生体感知システムを用いて，台上生体医学検出システムが同時に数千以上の標本を，例えば５分間といった比較的短時間以内に試験することができる。さらに，ここで説明する磁気生体感知システムは，例えばプログラムされたロボットによって，標本操作及び試験を自動的に行うことができる。先行技術による感知方式及び計測は，このように多くの標本を同時に試験することはできない。
【０００６】
いくつかの実現例において，磁気生体感知システムは，（複数の磁気センサの磁気センサごとに）自由層又は固定層のうち少なくとも一つが面外（ｏｕｔ‐ｏｆ‐ｐｌａｎｅ）磁気異方性を有する（すなわち，層の磁化容易軸が層の主面からずれている）複数の磁気センサを用いる。さらに，自由層及び固定層の主面に垂直方向の外部磁界が磁気センサに印加される。標本保持プレートは，一般に主面が複数のセンサの自由層及び固定層の主面に平行になるように向けられているため，外部磁界もまた，標本保持プレートの主面に垂直に印加される。この装置は，標本プレートの下にあるセンサの下に外部磁界を発生させる磁石を配置する。これによって，（面内磁界構成に比べて）磁石のずっと近くにある大きくて自動制御された標本プレートを使用することができるようになり，各標本が磁石から実質的に同一の距離にあるため，標本プレート内のすべての標本に対する磁界が実質的に均一になる。
【０００７】
ここで説明した磁気生体感知システムは，スピンバルブ構造を有してもよい磁気トンネル接合（ＭＴＪ）センサ，スピンバルブ構造を有してもよい巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサ，スピンバルブ構造を有してもよいホールセンサ，巨大磁気インピーダンス（ＧＭＩ）センサ，などのような種々の磁気センサと共に用いてもよい。この磁気生体感知システムは，磁気センサ電極へ電子制御部を単純かつ高信頼に接続及び切断するために多プローブ台（ｓｔａｇｅ）又はステーションを使用してもよい。
【０００８】
磁気生体感知システムは，磁気生体センサの最上層又は被覆に付着した，磁気ナノ粒子（ＭＮＰ）又は磁気マイクロビーズを含むわずかに大きな磁気粒子などの磁気ラベルを有する生体分子を磁化及び捕捉することができる。磁気生体センサは，通常数ナノメートルから約１００ナノメートル（ｎｍ）未満の範囲，より典型的には１から１０ｎｍ程度であるＭＮＰに付着した生体分子を捕捉するように設計してもよい。別の例として，生体センサは，１マイクロメートル（μｍ）以下から２μｍまで（例えば，１００ｎｍから約２０００ｎｍ）の範囲であってよい磁気マイクロビーズに付着した生体分子を捕捉するように構成してもよい。
【０００９】
一つの態様において，本発明は，自由層と，固定層と，自由層と固定層との間の非磁性層とを有する磁気生体センサに関する。外部磁界がないとき，自由層又は固定層のうち少なくとも一つは，自由層又は固定層の主面からずれた磁気モーメントを有してもよい。磁気生体センサはまた，磁気スタックの上に配置された標本容器と，標本スタックの上の標本容器の底面に付着した複数の捕捉抗体と，自由層又は固定層の主面に実質的に垂直な磁界を発生するように構成された磁界発生器とを含んでもよい。
【００１０】
別の態様において，本発明は磁気生体センサアレイに関し，磁気生体センサアレイの少なくとも一つの周辺端部に沿って配置された複数の電極と，標本容器と，標本容器に隣接してそれぞれ配置された複数の磁気生体センサとを備え，また，自由層と，固定層と，自由層及び固定層の間の非磁性層とを含む磁気スタックを備える。自由層及び固定層のうち少なくとも一つは，外部磁界がないとき，それぞれ自由層又は固定層の主面からずれた磁気モーメントを有してもよい。磁気生体センサはまた，複数の磁気生体センサの上の標本用器の底面に付着した複数の捕捉抗体を含んでもよい。
【００１１】
更なる態様において，本発明は，複数のプローブと，磁気生体センサアレイとを備えるプローブアレイを備えた磁気生体感知システムに関する。磁気生体センサアレイは，磁気生体センサアレイの少なくとも一つの周辺端部に沿って配置された複数の電極と，標本容器と，標本容器に隣接してそれぞれ配置された複数の磁気生体センサとを備え，また，自由層と，固定層と，自由層及び固定層の間の非磁性層とを含む磁気スタックを備える。自由層及び固定層のうち少なくとも一つは，外部磁界がないとき，それぞれ自由層又は固定層の主面からずれた磁気モーメントを有してもよい。磁気生体センサはまた，複数の磁気生体センサの上の標本用器の底面に付着した複数の捕捉抗体を含んでもよい。複数の電気接点はセンサチップの少なくとも一つの端部に沿って配置され，複数のプローブのうち対応するものを受け入れるように構成される。磁気生体感知システムはまた，プローブアレイを磁気生体センサアレイに近づけたり，遠ざけたりするように移動させて，複数のプローブと複数の電気接点とを結合（ｅｎｇａｇｅ）及び解除（ｄｉｓｅｎｇａｇｅ）するように構成されたモータと，磁気生体センサアレイの主面に垂直な方向に磁界を印加するための磁気生体センサアレイの下に配置される磁界発生器とを含んでもよい。
【００１２】
更なる態様において，本発明は磁気生体センサを形成するための方法に関する。この方法は，自由層と，固定層と，自由層及び固定層の間の非磁性層と含む磁気スタックを形成するステップを含んでもよい。自由層及び固定層のうち少なくとも一つは，外部磁界がないとき，それぞれ自由層又は固定層の主面からずれた磁気モーメントを有してもよい。この方法はまた，磁気スタックの上に標本用器を置くステップと，磁気生体センサの上の標本用器の底面に複数の捕捉抗体を付着させるステップとを含んでもよい。
【００１３】
添付の図面及び以降の説明において，１又は複数の例の詳細を述べる。本発明のほかの特徴と，目的と，利点とは，発明の詳細な説明及び図面から，また請求項から明白になるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】外部磁界がセンサの自由層に対して面内を向いている，例示磁気生体感知システムのブロック図である。
【図２Ａ】磁気生体センサが標本内の分析物の濃度を検出できる例示技法を示すブロック図である。
【図２Ｂ】磁気生体センサが標本内の分析物の濃度を検出できる例示技法を示すブロック図である。
【図３Ａ】磁気生体センサが標本内の分析物の濃度を検出できる別の例示技法を示すブロック図である。
【図３Ｂ】磁気生体センサが標本内の分析物の濃度を検出できる別の例示技法を示すブロック図である。
【図３Ｃ】磁気生体センサが標本内の分析物の濃度を検出できる別の例示技法を示すブロック図である。
【図３Ｄ】磁気生体センサが標本内の分析物の濃度を検出できる別の例示技法を示すブロック図である。
【図４】外部磁界がセンサの自由層に対して垂直方向を向いている，例示磁気生体感知システムのブロック図である。
【図５Ａ】複数の標本を並行試験するための垂直印加磁界を有する磁気生体感知システムの例を示す画像である。
【図５Ｂ】複数の標本を並行試験するための垂直印加磁界を有する磁気生体感知システムの例を示す画像である。
【図５Ｃ】複数の標本を並行試験するための垂直印加磁界を有する磁気生体感知システムの例を示す画像である。
【図５Ｄ】複数の標本を並行試験するための垂直印加磁界を有する磁気生体感知システムの例を示す画像である。
【図６】固定層内の面内磁気異方性と，自由層内の面外磁気異方性とを有する磁気生体センサの概念図である。
【図７】固定層内の面外磁気異方性と，自由層内の面内磁気異方性とを有する磁気生体センサの概念図である。
【図８】自由層内の面内磁気異方性と，固定層内の面外磁気異方性とを有する例示磁気トンネル接合（ＭＴＪ）の積層材料の図である。
【図９】面外印加磁界に対する，直径約６０ｎｍの円形磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子の例示磁気抵抗対印加磁界曲線を示す図である。
【図１０Ａ】例示プローブの概略図である。
【図１０Ｂ】例示プローブアレイの画像である。
【図１１Ａ】互いに所定の位置にあり固定プローブの例示３層ステーションの概略図である。
【図１１Ｂ】プローブのうち一つの例示チップスタイルを示す図である。
【図１２Ａ】複数のプローブへの電気接続を有しない複数の個別磁気生体センサを含む例示磁気生体センサアレイの概念図である。
【図１２Ｂ】複数のプローブへの電気接続を有する複数の個別磁気生体センサを含む例示磁気生体センサアレイの概念図である。
【図１２Ｃ】プローブステーションが磁気生体センサアレイに接触していない例示プローブステーション及び磁気生体センサアレイの画像である。
【図１２Ｄ】プローブステーションが磁気生体センサアレイに接触している例示プローブステーション及び磁気生体センサアレイの画像である。
【図１３】回転標本ホルダ及び可動プローブ装置を含む例示磁気生体センサシステムの概念図である。
【図１４】例示高スループット磁気生体センサシステムの概念図である。
【図１５】磁界発生器の間に固定されるように構成された例示磁気生体センサアレイの概略図である。
【図１６Ａ】磁気生体センサアレイの上及び下に固定された磁界源を含む例示多磁気生体センサシステムの画像である。
【図１６Ｂ】磁気生体センサアレイの上及び下に固定された磁界源を含む例示多磁気生体センサシステムの画像である。
【図１６Ｃ】磁気生体センサアレイの上及び下に固定された磁界源を含む例示多磁気生体センサシステムの画像である。
【図１６Ｄ】磁気生体センサアレイの上及び下に固定された磁界源を含む例示多磁気生体センサシステムの画像である。
【図１６Ｅ】磁気生体センサアレイの上及び下に固定された磁界源を含む例示多磁気生体センサシステムの画像である。
【図１６Ｆ】磁気生体センサアレイの上及び下に固定された磁界源を含む例示多磁気生体センサシステムの画像である。
【図１７】例示磁気生体センサシステムの概略図である。
【図１８】台に接続された多磁気生体センサシステムの例を示す概略図である。
【図１９】固定層内の面外磁気モーメント及び自由層内の面外磁気モーメントを含む垂直磁気異方性を有する例示磁気生体センサの概念図である。
【図２０】固定層内の面外磁気モーメント及び自由層内の面外磁気モーメントを含む垂直磁気異方性を有する磁気生体センサ用の例示磁気トンネル接合スタックの概念図である。
【図２１】図２０に示した例と一致する磁気生体センサの面外印加磁界に対する，例示正規化トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）対印加磁界曲線を示す図である。
【図２２】磁気スタックに実質的に垂直の方向に印加された外部磁界を有する磁気生体センサにおいて用いることができる別の例示磁気トンネル接合スタックの概念図である。
【図２３】図２２に示した例と一致する磁気トンネル接合スタックの面外印加磁界に対する，例示磁気抵抗対印加磁界曲線を示す図である。
【図２４】図２３に示した磁気抵抗対印加磁界曲線を発生させるために用いられた磁気トンネル接合スタック及び磁界源の例示構成を示す概念図である。
【図２５】図２２に示した例と一致する磁気トンネル接合スタックの面外印加磁界に対する，例示磁気抵抗対印加磁界曲線の図である。
【図２６】図２５に示した磁気抵抗対印加磁界曲線を発生させるために用いられた磁気トンネル接合スタック及び磁界源の例示構成を示す概念図である。
【図２７】磁気スタックに実質的に垂直の方向に印加された外部磁界を有する磁気生体センサにおいて用いることができる別の例示磁気トンネル接合スタックの概念図である。
【図２８】図２７に示した例と一致する磁気トンネル接合スタックの面外印加磁界に対する，例示磁気抵抗対印加磁界曲線の図である。
【図２９】図２８に示した磁気抵抗対印加磁界曲線を発生させるために用いられた磁気トンネル接合スタック及び磁界源の例示構成を示す概念図である。
【図３０】図２７に示した例と一致する磁気トンネル接合スタックの面外印加磁界に対する，例示磁気抵抗対印加磁界曲線の図である。
【図３１】図３０に示した磁気抵抗対印加磁界曲線を発生させるために用いられた磁気トンネル接合スタック及び磁界源の例示構成を示す概念図である。
【図３２】図２７に示した例と一致する磁気トンネル接合スタックの面内印加磁界に対する，例示磁気抵抗対印加磁界曲線の図である。
【図３３】図３２に示した磁気抵抗対印加磁界曲線を発生させるために用いられた磁気トンネル接合スタック及び磁界源の例示構成を示す概念図である。
【図３４】種々の寸法の反応容器間の差を示す概念図である。
【図３５】複数の個別磁気生体センサを含む例示磁気生体センサアレイの概念図である。
【図３６】標本を複数の標本容器に分配する複数のディスペンサを含む例示磁気感知システムの概念図である。
【図３７】タンパク質多重検出に使用可能な例示生体センサアレイの概念図である。
【図３８】交流信号に対する結合した磁気マーク抗原の効果を示す正規化振幅対位相の例示プロットの図である。
【図３９】エストラジオールを検出するように構成された磁気生体センサの例示構成を示す概念図である。
【図４０】複数の微小流体チャネルを含む例示基板の概念図である。
【図４１】別の例示磁気生体センサを示す概念図である。
【図４２】並列に接続された図４１に示した複数のセンサの概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は磁気生体分子センサ及び磁気生体分子感知システムに関する。１又は複数の態様において，本発明は，自由層，固定層又は双方を有し，磁気安定状態（例えば，外部磁界がない状態）にある層の主面から外れた方向を向いた磁気モーメントを有する磁気センサを含む磁気生体分子センサに関する。いくつかの例において，自由層，固定層又は双方の磁気モーメントは，磁気安定状態にある層の主面に実質的に垂直方向を向いていてもよい。
【００１６】
自由層，固定層又は双方の磁気モーメントが面外方向であることは，自由層の主面に垂直の方向で磁気センサに外部磁界を印加することを容易にする。外部磁界を自由層の主面に垂直の方向に印加することによって，複数の標本（例えば，数十，数百又は数千の標本）を同時に処理するように構成されたシステムが構築できる。例えば，このシステムは，磁界源と，磁界源の上に配置された複数の磁気生体センサと，複数の磁気生体センサ上に配置された複数の磁気生体センサとを含んでもよい。この構成において，磁界源と複数の磁気生体センサそれぞれとの間の距離は実質的に同一であってもよく，これによって，複数の磁気生体センサそれぞれが実質的に同一の印加磁界にさらされることになる。したがって，複数の標本を複数の磁気センサによって並行して処理することができる。
【００１７】
標本ホルダは，それぞれが標本を保持するように構成された複数の標本容器を含んでもよい。いくつかの実現例において，標本容器は反応穴（ｗｅｌｌ）であってよく，その中に標本が置かれ，試験の間中留まる。種々の例において，標本容器は少量の標本（例えば，ナノリットル（ｎｌ）又はマイクロリットル（μｌ））又は多量の標本（例えばミリリットル（ｍｌ））を保持するように構成することができる。種々の寸法の標本容器を種々の標本試験に用いてもよい。例えば，小容量の標本ホルダを創薬に用い，大容量の標本ホルダを診断試験に用いてもよい。
【００１８】
いくつかの実現例において，標本容器は微小流体チャネルであってもよく，それを通じて標本が流れる。一連のセンサを微小流体チャネルの底にそって実質的に整列させて，微小流体チャネルを通じて移動する分析物を検出するようにしてもよい。このように，磁気生体分子センサは種々の試験応用に利用することができる。
【００１９】
図２Ａ及び２Ｂは，磁気生体センサ２０が標本内の分析物の濃度を検出できるようにする一技法を示す概念図である。図２Ａ及び２Ｂに概念的に示された技法は競合的検出（ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｂｙ  ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎ）と呼ばれる。図２に示すように，磁気生体センサ２０は磁気スタック２２及び標本容器２４を含んでもよい。図２に示す単純化した例においては，磁気スタック２２は固定磁性層２６と，非磁性層２８と，自由磁性層３０とを含む。いくつかの実現例においては，磁気スタックが追加層を含んでもよい。磁気生体センサ２０に用いることができるほかの磁気スタックの例を次に説明する。
【００２０】
固定磁性層２６は，固定磁性層２６の磁気モーメント３２が，固定磁性層２６が体験する磁界下で選択された方向に実質的に固定されるように形成された磁性材料を含む。図２Ａ及び２Ｂに示すように，固定磁性層２６の磁気モーメント３２は面内方向（すなわち，固定磁性層２６の主面内の方向）に固定される。別の例においては，磁気モーメント３２は固定磁性層２６の面外方向に固定してもよい。例えば，磁気モーメント３２は面外に約１度と約９０度との間の傾いた角度で固定してもよい（ここで，９０度は固定磁性層２６の主面に実施的に垂直である）。いくつかの実現例において，磁気モーメント３２は固定磁性層２６の主面に実質的に垂直の方向に固定してもよい。いくつかの例において，固定磁性層２６の磁気モーメント３２は，磁気スタック２２内の１又は複数の追加層（図示せず）を用いて，例えば，反強磁性結合を用いて固定される。
【００２１】
固定磁性層２６を形成するために，例えば，コバルト・鉄・ボロン（ＣｏＦｅＢ）合金，パラジウム／コバルト（Ｐｄ／Ｃｏ）多層構造，これらの組合せ又は類似物を含む種々の磁性材料を用いることができる。固定磁性層２６の厚みは，例えば，固定磁性層２６を形成するために用いられた材料，非磁性層２８の厚み，自由磁性層３０の厚み，及びほかの変数に依存する。
【００２２】
非磁性層２８は固定磁性層２６と自由磁性層３０との間に間隔をあける。非磁性層２８は，例えば酸化物又は誘電材料のような非磁性材料を含んでもよい。いくつかの例においては，非磁性層２８は酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含んでもよい。非磁性層２８の厚みは，例えば自由磁性層３０及び固定磁性層２６の特性に基づいて変化し，また選択することができる。一例においては，非磁性層２８はＭｇＯで形成され，約１．７ｎｍの厚みを有してもよい。いくつかの例において，非磁性層２８はスペーサ層と呼んでもよい。
【００２３】
自由磁性層３０は，自由磁性層３０の磁気モーメント３４が外部磁界の影響下（すなわち，磁気スタックの外部）で回転できるように形成された磁性材料を含む。自由磁性層３０はまた，自由磁性層３０の磁気モーメント３４が外部磁界のないとき（磁気安定状態と呼ばれる），選択された方向を向くように構成される。図２Ａ及び２Ｂに示した例において，磁気モーメント３４は，磁気安定状態が自由磁性層３０の主面に垂直であるように形成される。別の例においては，磁気モーメント３２は自由磁性層３０の面外の別の方向に磁気安定状態を有してもよい。例えば，磁気モーメント３４は，面外に約１度と約９０度との間の傾いた角度の磁気安定状態を有してもよい（ここで，９０度は自由磁性層３０の主面に実施的に垂直である）。別の実現例において，例えば固定磁性層２６の磁気モーメント３２が固定磁性層２６の面外方向に固定されているとき，自由磁性層３０の磁気モーメント３４は，自由磁性層３０の主面に平行の磁気安定状態を有してもよい。
【００２４】
自由磁性層３０は，磁性金属又は例えばＣｏＦｅＢ合金のような合金で形成してもよい。磁性層３０の厚みは，例えば，選択された感知体制，磁気スタック２２に印加される外部磁界，固定磁性層２６及び非磁性層２８の構造及び／又は厚み，などを含むいくつかの変数に基づいて選択してもよい。いくつかの例において，自由磁性層３０の厚みは約１ｎｍと約３ｎｍとの間，例えば，約１．１ｎｍ，約１．５ｎｍ，約１．７ｎｍ又は約２ｎｍであってよい。
【００２５】
磁気生体センサ２０はまた磁界発生器４６も含み，磁界発生器は例えば永久磁石又は電磁石を含んでもよい。磁界発生器４６は，自由層３０の主面に垂直方向を向く実質的に一定の磁界を発生する。磁界４８は，自由層３０の磁気モーメント３４を磁界４８に実質的に平行な方向に偏向させる。
【００２６】
標本容器２４は，標本を入れるのに適した任意の材料で形成してよい。例えば，標本容器２４は，標本の成分と実質的に非反応性である重合体，プラスチック又はガラスで形成してよい。いくつかの例において，標本容器２４は反応穴である。別の例においては，標本容器２４は微小流体チャネルである。標本容器２４は，例えば，中空円筒，中空立方体，細長いチャネル，などを含む任意の適切な形状であってよい。いくつかの例において，標本容器２４は少量の標本，例えば，ｎｌ又はμｌの標本が入る寸法に決められる。例えば，標本容器２４は約４０μｌの標本が入る寸法に決めてもよい。別の例においては，標本容器２４は大量の標本，例えばｍｌの標本が入る寸法に決められる。例えば，標本容器２４は半径約２５ミリメートル（ｍｍ），高さ約２ｍｍの円筒状穴であってよく，これは約３．９２５ｍｌの容量を有する。
【００２７】
いくつかの例においては，（図２Ａ及び２Ｂに示すように）一つの標本容器２４が一つの磁気スタック２２に結合又は関係する代わりに，一つの標本容器２４が複数の磁気スタック２２に関係又は結合してもよい。例えば，一つの標本容器２４は少なくとも４個のセンサ，例えば２５個又は３２０個のセンサと関係又は結合してもよい。
【００２８】
複数の捕捉分子又は捕捉抗体４４が標本容器２４内にあり，標本容器２４の表面に付着，例えば化学結合している。捕捉抗体４４は，標本容器２４内に配置された標本の注目する分子を捕捉するように選択してもよい。図２Ａ及び２Ｂには１種類の捕捉抗体４４が示されているが，ほかの例においては，複数種類の捕捉抗体４４（例えば，注目する別の分子を捕捉するように構成されている）が，標本容器２４の表面，例えば標本容器２４の別の場所に付着してもよい。いくつかの実現例においては，標本穴２４が複数の異なる種類の捕捉抗体４４を含むとき，各種類の抗体４４が異なる磁気スタック２２に隣接して配置されてもよい。例えば，１種類の捕捉抗体４４が一つの磁気スタック２２に関係し，標本容器２４が複数の磁気スタック２２に関係してもよい。
【００２９】
競合的検出技法においては，標本は複数のマーク付けされていない分析物４２又はマーク付けされていない抗原４２を含み，試薬は複数の磁気でマーク付けされた分析物３６を含み，標本と試薬とが混合され，図２Ａに示すように標本容器２４に入れられる。磁気でマーク付けされた分析物３６は，磁気でマーク付けされた抗原３８とも呼ばれる注目する分子を含む。磁気でマーク付けされた抗原３８はマーク付けされていない抗原と同一の分子であってもよいし，マーク付けされていない抗原４２と同一の（抗体４４を捕捉するための）結合特性を有してもよい。
【００３０】
磁気でマーク付けされた抗原３８は磁気ナノ粒子（ＭＮＰ）４０に結合している。ＭＮＰ４０は，ＦｅＣｏ，ＦｅＣｏＮ，ＦｅＳｉ，ＦｅＣ，ＦｅＮ，鉄と，窒素と，炭素と，ケイ素との化合物，又はこれらの類似物のような高磁気モーメント材料を含んでもよい。ＭＮＰ４０は，ナノ粒子物理蒸着を含む種々の技法を用いて作成することができる。ＭＮＰ４０の寸法は，例えば３〜１００ｎｍの範囲になるように管理してもよい。ＭＮＰ４０の寸法及び形状はＭＮＰ４０の磁気特性に影響を与え，磁気特性は磁気スタック２２の動作に影響を与えるため，ＭＮＰ４０の寸法及び形状は実質的に均一になるように管理される。いくつかの例において，ＭＮＰ４０は形状が実質的に立方体であり，例えばそれぞれのＭＮＰ４０の幅によって規定される寸法と実質的に同一の寸法であってもよい。
【００３１】
図２Ｂに示すように，磁気でマーク付けされた抗原３８及びマーク付けされていない抗原４２は，捕捉抗体４４と結合する際に競合する。このため，補捉抗体４４によって結合された磁気的にマーク付けされた抗原３８の数は，標本内のマーク付けされていない抗原４２の濃度に反比例する。ＭＮＰ４０は磁界を発生し，これが磁気モーメント３４の方向に影響を与える。例えば，図２Ｂに示すように，補捉抗体４４によって補捉された磁気でマーク付けされた分析物３６のＭＮＰ４０によって発生された磁界は，磁気モーメント３４に，図２Ｂの下方向に影響を与える。自由層３０の磁気モーメント３４のこの変化は磁気スタック２２の磁気抵抗を変化させる。磁気抵抗は，磁気スタック２２の両端に電圧を印加し，得られる電流を測定することによって測定することができる。マーク付けされていない抗原４２の既知の濃度に対する測定された電流の較正曲線を生成した後，較正曲線及び測定された磁気スタック２２を横断する電流を用いて，標本内のマーク付けされていない抗原の濃度を決定することができる。
【００３２】
図３Ａ〜３Ｄは，磁気生体センサが標本内の分析物の濃度を検出できるようにする別の技法を示す概念図である。図３Ａ〜３Ｄに示されている技法は，３層技法又はサンドイッチ技法と呼んでもよい。
【００３３】
図３Ａ〜３Ｄに示すように，いくつかの実現例において，磁気生体センサ５０はここで説明する差異を除いて，図２Ａ及び２Ｂの磁気生体センサに類似している。例えば，磁気スタック２２は，図２Ａ及び２Ｂに関して説明した磁気スタック２２の構成のうちいずれか，又は次に説明するほかの例と実質的に類似又は同一であってよい。同様に，標本容器２４及び磁界発生器４６は，図２Ａ及び２Ｂに関して説明した構造と類似又は同一であってよい。
【００３４】
３層技法は，図３Ａに示すように，分析物又は抗原５２を含む標本が最初に標本容器２４に入れられる点で，競合的検出（２層）技法と異なっている。そして，抗原５２に図３Ｂに示すように抗体４４を捕捉するために結合する時間が与えられる。抗原５２に抗体４４を捕捉するために結合する時間が与えられると，標本が除去され，いくつかの実現例においては，標本残留物を取り除くために標本容器を溶剤ですすいでもよい。
【００３５】
図３Ｃに示すように，過剰な磁気でラベル付けされた検出抗体５４を含む溶液が標本容器２４に入れられる。磁気でラベル付けされた検出抗体５４はそれぞれＭＮＰ４０を含み，このＭＮＰは図２Ａ及び２ＢのＭＮＰ４０及び検出抗体５６に類似又は同一であってよい。検出抗体５６は抗原５２に結合するように調整される。
【００３６】
図３Ｄに示すように，磁気でラベル付けされた検出抗体５４は抗原５２に結合する。結合させるために十分な時間の後，溶液及び過剰な磁気でラベル付けされた検出抗体５４を除去し，磁気スタック２２の抵抗を測定するために磁気スタック２２の両端に電圧を印加してもよい。上述のとおり，磁気スタックの抵抗は，固定層２６の磁気モーメント３２及び自由層３０の磁気モーメント３４の相対方向の関数である。磁気モーメント３４の方向はＭＮＰ４０によって発生される磁界から影響を受けるため，抵抗は，抗原５２に結合した磁気でマーク付けされた検出抗体５４の数に基づいて変化することがある。例えば，図３Ｄに示すように，磁気でマーク付された検出抗体５２のＭＮＰ４０によって発生された磁界は，図３Ｄの下方向に磁気モーメント３４に影響を与える。自由層３０の磁気モーメント３４のこの変化は磁気スタック２２の磁気抵抗を変化させ，磁気抵抗は，磁気スタック２２の両端に電圧を印加し，得られる電流を測定することによって測定することができる。抗原５２の既知の濃度に対する測定された電流の較正曲線を生成した後，較正曲線及び測定された磁気スタック２２を横断する電流を用いて，標本内のマーク付けされていない抗原の濃度を決定することができる。
【００３７】
図２Ａ，２Ｂ及び３Ａ〜３Ｄに示した磁気生体センサ２０，５０を用いて，種々の抗原の濃度を検出し，定量化することができる。例えば，磁気生体センサ２０，５０を用いて，ＤＮＡ−ＤＮＡ相互作用又はＲＮＡ−ＲＮＡ相互作用，小分子−生体分子相互作用，アプタマ−生体分子相互作用，タンパク質相互作用，などのようなオリゴヌクレチドの特定相互作用に基づいて，抗原を検出することができる。このようにして，磁気生体センサ２０，５０は，磁気スタックの主面（例えば，自由層３０の主面）に垂直な外部磁界を印加することができる。このような構成によって，一つのシステムを用いて，別個の標本容器内の複数の標本を実質的に同時又は並行して試験することを容易にすることができる。
【００３８】
図４は，外部磁界（矢印６２で示す）が標本プレート６４の主面に実質的に垂直を向いている，例示磁気生体感知システム６０を示す概略図である。実質的に垂直又は面外の構成を用いることによって，多数の標本を実質的に同時又は並行して試験することが可能になる。
【００３９】
図４に示すように，標本はそれぞれ，磁気生体センサ６６の対応する一つに入れることができる。いくつかの例において，磁気生体センサ６６はそれぞれ，図２Ａ及び２Ｂ又は図３Ａ〜３Ｄに示した磁気生体センサ２０又は５０に関して説明し，示したものと類似の構成を有してもよい。そして磁気生体センサ６６それぞれの構成は，同一であってもよいし，異なっていてもよい。図４には示していないが，磁気生体センサ６６それぞれの磁気スタックの自由層（例えば，図２Ａ，２Ｂ及び３Ａ〜３Ｄの自由層３０）の主面は，標本プレート６４の主面に実質的に平行の方向を向いていてもよい。したがって，外部磁界（矢印６２で示す）は，生体センサ６６のうち対応する一つそれぞれの自由層の主面に実質的に垂直の方向を向いている。磁気生体感知システム６０のこの構成は，（例えば，図１に示す面内構成と比較して）標本プレート６４を磁界発生器６８のより近くに配置することを可能にする。
【００４０】
図４に示した例において，磁界発生器６８は電磁石であり，磁界を発生させるコイル７０を含む。別の例においては，磁界発生器６８は，永久磁石のような別の種類の磁界発生器であってもよい。この設計はまた，磁界発生器６８の表面を覆う，実質的に均一で大きな面外磁界（例えば約８００Ｏｅ）を供給することができる。磁気生体感知システム６０のこの構成を用いて，台上型生体医学検出システムを構築することができ，このシステムは，例えば，数十，数百又は数千以上の標本を実質的に同時又は短時間，例えば約５分間以内に試験することができる。また，いくつかの実現例においては，磁気生体感知システム６０は，例えば計算機制御ロボットシステムによって，標本の自動処理及び試験を可能にすることができる。
【００４１】
図５Ａ〜５Ｄは，複数の標本を並行試験するための垂直印加磁界を有する磁気生体感知システムの例の画像である。図５Ａは，台上装置と両立し，電磁石アセンブリの上面のかなりの部分に，５００Ｏｅを超える実質的に均一な磁界を供給することができる電磁石アセンブリ（磁界発生器）を示している。図５Ｂに示すように，電磁石アセンブリは，２４個の個別チップに広がる１６００個の磁気生体センサを保持することができるように寸法が決められている。いくつかの例において，図５Ｂに示す磁気生体センサは，磁気生体センサ２０又は磁気生体センサ５０と同一又は類似の構成を有してもよい。図３Ｃは，３８４個の個別反応穴（例えば，標本容器）を有する磁気生体センサに配置された標本ホルダを示している。反応穴はそれぞれ一つの標本を保持することができる。図５Ｄは完全に組み立てられた磁気生体感知システムを示している。標本ホルダは，磁石アセンブリの上に置かれた磁気生体センサの上に置かれている。この構成によって多数の標本を実質的に同時に試験することができる。
【００４２】
上述のとおり，面外磁界を磁気生体センサ６６と共に用いることを容易にするため，生体センサ６６の磁気スタックは，面外磁気異方性（例えば，磁気安定状態における面外磁気モーメント）を有する自由層，固定層又は双方を含んでもよい。面外磁気異方性を有する積層材料の二つの励磁構成を図６及び７に関して説明する。
【００４３】
図６は，固定層８４内の面内磁気異方性と，自由層８８内の面外磁気異方性とを有する磁気生体センサ８０の概念図である。磁気生体センサ８０は基板８２を含み，基板は，例えばガラス，シリコン又はほかの非磁性材料を含んでもよい。基板８２の上に固定層８４が形成され，この固定層は，図２Ａ，２Ｂ及び３Ａ〜３Ｄの固定層２６と類似又は同一の材料及び厚みであってよい。固定層８４は面内磁気異方性を有し，このことは固定層８４の磁気モーメントが面内方向に固定されていることを意味する。非磁性層８４が固定層８２の上に形成され，この非磁性層は図２Ａ，２Ｂ及び３Ａ〜３Ｄの非磁性層２８と類似又は同一の材料及び厚みであってよい。自由層８８が非磁性層８６の上に形成され，この自由層は図２Ａ，２Ｂ及び３Ａ〜３Ｄの自由層３０と類似又は同一の材料及び厚みであってよい。自由層８８は面内磁気異方性を有し，このことは自由層８８の磁気モーメントが自由層８８の面外方向に逆平行の安定状を有することを意味する。上述のとおり，いくつかの例において，自由層８８は自由層８８の主面に実質的に垂直の磁気安定状態を有してもよいし，０度を超える任意の角度で，自由層８８の主面からずれて傾いた磁気安定状態を有してもよい。
【００４４】
自由層３０の上に第１電気導線９０ａ及び第２電気導線９０ｂ（集合的に「電気導線９０」と呼ぶ）が形成される。電気導線９０の間にはＳｉＯ２絶縁層９２が形成される。電気導線９０は磁気生体センサ８０の磁気スタックの両端に電圧を印加するために用いられ，この電圧は磁気スタックの抵抗を検出するために用いられる。上述のとおり，磁気スタックの抵抗は固定層８４及び自由層８８の磁気モーメントの相対方向に依存する。自由層８８の磁気モーメントは，印加された磁界（例えば印加磁界Ｈａｐｐ）又は磁気ラベル９４によって発生された磁界下で回転する。磁気生体センサの動作は，図２Ａ，２Ｂ及び３Ａ〜３Ｄの磁気生体センサ２０及び５０と類似又は同一であってよい。
【００４５】
図７は，固定層８４内の面外磁気異方性と，自由層８８内の面内磁気異方性とを有する磁気生体センサ１００の概念図である。磁気生体センサ１００は，固定層８４及び自由層８８の磁気異方性の差異を除いては，図６の磁気生体センサ８０と実質的に類似である。
【００４６】
図８は，図７と類似する，自由層内の面内磁気異方性と，固定層内の面外磁気異方性とを有する例示磁気トンネル接合（ＭＴＪ）センサ用の積層材料の概略図である。ＭＴＪセンサ１１０は基板及び下層１１２を含んでもよい。下層１１２は，コバルト／パラジウム交互層を形成するための結晶格子を設定する材料を含んでもよい。固定層１１３はコバルト（Ｃｏ）１１４及びパラジウム（Ｐｄ）１１６の対からなる１０層を含む。固定層１１３はまた，最上Ｐｄ層１１６の上に形成されたＣｏＦｅＢ層１１８も含む。図８に示した例において，固定層１１３は，固定層１１３の主面からはずれた方向，例えば，固定層１１３の面に垂直に固定された磁気モーメントを有する。固定層１１３（すなわち，ＣｏＦｅＢ層１１８）の上に第１酸化マグネシウム（ＭｇＯ）非磁性層１２０が形成される。ＣｏＦｅＢ自由層１２２は，第１非磁性層１２０の上に形成される。ＣｏＦｅＢ自由層１２２は，外部磁界がないとき，面内を向いた磁気モーメントを有する。第２ＭｇＯ非磁性層１２４はＣｏＦｅＢ自由層１２２の上に形成される。第２ＭｇＯ非磁性層１２４の上には第３ＣｏＦｅＢ層１２６が形成され，ルテニウム（Ｒｕ）層１２６によって，ＣｏＦｅ層１３０に反強磁性に結合する。ＣｏＦｅ層１３０と第３ＣｏＦｅＢ層１２６との反強磁性結合は，第３ＣｏＦｅＢ層１２６の磁気モーメントを選択された方向，例えば，図８に示すように第３ＣｏＦｅＢ層１２６の面内に固定することができる。ＰｔＭｎ電極層１３２がＣｏＦｅ層１３０の上に形成され，キャップ層１３４はＰｔＭｎ電極層１３２の上に形成される。この構造は形成されたとき，約３００°Ｃで約１時間アニールしてもよい。いくつかの実現例においては，電子ビームリトグラフィによって直径６０ｎｍの円形ＭＴＪ素子を作成してもよい。
【００４７】
図９は，面外印加磁界下の直径６０ｎｍの円形ＭＴＪ素子の例示磁気抵抗対磁界曲線の図である。このＭＴＪ素子は図８に示したものと類似の構造を有し，面外に固定された磁気モーメントを有する固定磁性層１１３と，外部磁界がないとき，面内を向いている磁気モーメントを有するＣｏＦｅＢ自由層とを含む。点“Ａ”において，自由層及び固定層双方の磁気モーメントは面外かつ印加磁界に平行の方向を向いており，ＭＴＪ素子の抵抗は極小である。ＭＴＪ素子の磁気抵抗は，ＣｏＦｅＢ自由層の磁気モーメントが面に垂直から面方向に回転することによって負磁界が減少すると，実質的に線形に増加する。点“Ｂ”において，ＣｏＦｅＢ自由層の磁気モーメントは印加磁界の除去（零印加磁界）によって完全に面方向に回転する。点“Ｃ”に示すように，磁界が正方向に増加すると，始めはＭＴＪ素子の磁気抵抗が増加し続けるが，約１１００Ｏｅ（点“Ｄ”付近）で磁気抵抗が急に低下する。この点でＣｏ／Ｐｄ層の磁気モーメントが逆転する。理想的には，二つの層のモーメントが互いに完全に垂直であるとき，この逆転は抵抗を変化させないはずである。抵抗の小さな急変は，ＣｏＦｅＢ自由層の磁化が，この磁界下で既にわずかに面からずれているためである。磁界を正方向に約４，０００Ｏｅまで更に増加させると，磁化及び抵抗双方が飽和する。点“Ｅ”において，ＣｏＦｅＢ自由層及び固定層双方の磁気モーメントは完全に平行になり，ＭＴＪ素子は再度極小になる。
【００４８】
抵抗対印加磁界曲線のループの，点“Ａ”から点“Ｂ”の部分及び点“Ｅ”から点“Ｆ”の反対方向の部分は面外印加磁界下で線形であり，磁気生体センサとして用いることができる。しかし，ループの線形部分に印加された磁界の範囲は極めて大きい。磁気生体センサが実質的に線形の抵抗の変化を示す印加磁界の範囲は，磁気スタックのパラメータを変更することによって，例えば固定層内のＣｏ／Ｐｄ交互層をより低い異方性磁界を有するほかの面外磁性材料，例えばＣｏＦｅＢ又はホイスラー合金（Ｃｏ２ＦｅＡｌ）で置き換えることによって選択することができる。
【００４９】
ここで説明した磁気生体センサ構成を用いて高スループット試験，例えば，複数の標本の実質的に同時の試験又は比較的短時間の試験を可能にするためには，生体センサアレイから試験器具に電子信号を迅速かつ高信頼に接続することができる装置が必要である。多プローブ台は，このような装置を実現するための一つの技法である。
【００５０】
図１０Ａ及び１０Ｂはそれぞれ，例示プローブの概略図及び例示プローブアレイの画像である。図１０Ａは，プローブの種々の部分の例示測定値を示している。プローブは，例えば，磁気生体センサと磁気生体センサの抵抗を測定するための電気システムとの電気通信のための，磁気生体センサを囲む導電パッドへの電気接点として用いられる。図１０Ａに示した第１測定値はインチ単位であり，第２測定値はミリメートル単位である。
【００５１】
図１０Ｂは，複数のプローブ１４２を含む例示プローブアレイ１４０を示している。プローブは，複数の磁気生体センサを含む基板上の対応する数の接触パッドとの電気接触のために用いることができる。プローブは，プローブを互いに間隔を保って固定する搭載プレート１４４に取り付けられる。プローブ１４２は搭載プレート１４４に取り付けるためのソケット（図１０Ｂには示していない）を含む。いくつかの例において，プローブ１４２のソケットは，複数の磁気生体センサを含む基板上に多ピン接続を実現するために十分小さい。基板上の電極はわずか約０．７ｍｍ×約０．４ｍｍの寸法でよいため，接続は直径が小さいソケットを必要とする。ソケットの最大直径は，ソケットの上部にあるプレスリングである（図１０Ｂには示していない）。プレスリングの外径は約０．５５８８ｍｍ（約０．０２２インチ）であり，隣接ピンとの間に十分な間隔を取ることができる。いくつかの例において，プローブの長さは約２９．７２ｍｍ（約１．１７０インチ）であり，台上診断システムの空間を節約することができる。
【００５２】
各プローブ１２４に対する定格バネ力は２．７ｍｍ（０．１０７インチ）のストロークで４５ｇ（１．６オンス）である。バネは２／３ストローク（２．７ｍｍ），１，０００，０００サイクルで評価される。全ストロークは約４．０６ｍｍ（約０．１６０インチ）である。
【００５３】
図１１Ａ及び１１Ｂはそれぞれ，プローブを互いに間隔を保って固定するための例示３層ステーション及びプローブの一つの例示チップスタイルの概略図である。３層ステーション１５０は，すべてのプローブ１５２の一直線かつ平行な整列を容易にすることができる。３層ステーション１５０は，プローブ１５２がプレスリング１６２を用いて搭載される搭載プレート１５４を含む。３層ステーションはまた，第１案内プレート１５６ａ及び第２案内プレート１５６ｂも含む。搭載プレート１５４と第１案内プレート１５６ａとはスペーサの第１集合１５８ａで分離される。第１案内プレート１５６ａと第２案内プレート１５６ｂとはスペーサの第２集合１５８ｂで分離される。また，プローブ１５２はそれぞれ，電圧源に電気接続される導線に電気接続される。いくつかの例において，３層ステーション１５０を用いたプローブ１５２の整列は，（例えば，プローブを複数の磁気生体センサを含む基板の電気接点に接触させるとき）プローブ１５２それぞれに均一な力を与えることを容易にすることができる。
【００５４】
現地水環境試験のような３層ステーション１５０を用いることができる多くの状況において，電気接点の表面は理想とは程遠いことがある。図１１Ｂの槍形状は，比較的鋭いチップによって，汚染された電気接点への接触を改善できる。
【００５５】
図１２Ａ及び１２Ｂはそれぞれ，複数のプローブへの電気接続を有しない複数の個別磁気生体センサを含む例示磁気生体センサアレイと，複数のプローブへの電気接続を有する複数の個別磁気生体センサを含む例示磁気生体センサアレイとの概念図である。磁気生体センサアレイの一つのあり得る設計は，センサ領域１７２に配置された６４個のセンサと，一つのダイ（チップ又は基板）内の（２本のバス線を含む）６６個の電極１７４とを有してもよい。いくつかの例においては，磁気生体センサ１７０を励起し，制御し，又は設置するために，追加電極（例えば，センサより多い電極１７４）を用いることができる。いくつかの実現例においては，磁気生体センサアレイ１７０は約１６ｍｍ×１６ｍｍである。電極１７４は，磁気生体センサアレイ１７０の周辺端に沿って配置してもよい。周辺に沿った電極１７４はそれぞれ，センサ領域１７２のセンサに接続され，センサ領域は磁気生体センサアレイ１７０の中央領域に配置してもよい。この接触を介して電極１７４が励起され，各センサとの間で信号を伝送することができる。例えば，生体標本穴内のセンサで感知されたレベルは対応する電極１７４に転送することができ，この信号が，例えば各感知穴内に配置された生体センサ上の感知チップに生体結合された磁気ラベルの数を示す。そしてこのデータはプローブを介して制御器に接続された計算装置に返送され，それによって利用者がデータを利用することができる。
【００５６】
図１２Ｂは，複数のプローブ１７６が対応する電極１７４と接触するようになった例の概略図を示している。図１２Ｂに示すように，プローブ装置は磁気生体センサアレイ１７０の電力配置と類似した配置で配置されたプローブ１７６を含んでもよく，これによって各プローブ１７６が電極１７４の対応する一つと接触する。プローブ１７６と電極１７４との間の接触は，外部計測装置と，生体標本化が行われる磁気生体センサ１７０のセンサとの関門（ｇａｔｅｗａｙ）であってよい。電極１７４はそれぞれ，例えば，図１０Ｃ及び１０Ｄの画像に示すようにリニアアクチュエータアームがプローブ装置を下げて各電極１７４と接触するようにしたとき，対応するプローブ１７６を受け入れるように構成される。（例えば，図１３に示すように）スピンテーブルが用いられる例においては，各プローブ装置が磁気生体センサアレイ１７０の上に降りるようにスピンテーブルが回転する。磁気生体センサアレイ１７０の電極１７４がプローブ装置内の対応するプローブ１７６を受け入れると，データ転送と，磁気生体センサアレイ１７０の励起が開始される。
【００５７】
図１２Ｃ及び１２Ｄはそれぞれ，プローブステーションが磁気生体センサアレイと接触していない例示プローブステーション及び磁気生体センサアレイと，プローブステーションが磁気生体センサアレイと接触している例示プローブステーション及び磁気生体センサアレイとの写真である。図１２Ｃ及び１２Ｄは，プローブステーションと磁気生体センサアレイとの接続がどのように行われるかと，プローブステーションの動き及び個々のプローブと個々の電極との接触の過程とを示している。
【００５８】
図１３は，回転標本ホルダ及び可動プローブアセンブリを含む例示磁気生体センサシステム１８０の概念図である。特に，図１３はＧＭＲ及び／又はＭＴＪ磁気生体センサアレイ１８４を試験するためにスピンテーブル１８２を用いることを示している。図示のとおり，スピンテーブル１８２上には複数の標本を置くことができる。スピンテーブル１８２のスピン運動の角度及び速度は，ステッピングモータ１８６によって制御される。スピンテーブルの下には大きなコイル１８８が配置されて，スピンテーブル１８２の面に垂直の磁界を発生する。スピンテーブル１８２とコイル１８８との間に薄い空気間隙を残すことによって，スピンテーブルがより容易に回転することができ，また，磁気生体センサ１８４の面における磁界は依然として十分大きく，実質的に垂直であることができる。プローブステーション１９０のｚ軸運動（図１３に示す直交ｘ−ｙ−ｚ軸は説明を容易にするものに過ぎない）は，制御器１９６を介して，別のプローブステーションのステッパモータ１９２及びリニアアクチュエータ１９４によって正確に制御される。計算機１９８は，例えばデスクトップ計算機，ラップトップ計算機，携帯計算装置又はデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）のいずれかであってよく，ステッパモータ１８６及び１９２を制御するために制御器１９６と対話することができる。プローブステーション１９０の下で新たな標本を回転させたとき，リニアアクチュエータ１９４はステッパモータ１９２の力によってプローブステーション１９０を下げて磁気生体センサアレイ１８４と接続させる。一つの試験を完了すると，制御器１９６は信号をステッパモータ１９２及びリニアアクチュエータ１９４に送信してプローブステーション１９０を持ち上げ，またステッパモータ１８６に信号を送信してステッパモータ１８２を回転させ，磁気生体センサアレイ１８４の次の一つをプローブステーション１９０の下に配置して試験を繰り返す。計算機１９８はアルゴリズム又は制御ソフトウェアを実行し，複数の試験（例えば，複数標本及び／又は複数の磁気生体センサアレイ１８４の試験）を一つのプロセスで自動的に実行するように磁気生体センサシステム１８０を制御することができる。
【００５９】
磁気生体感知システム１８０は利用者２００によって制御され，利用者は計算機１９８の利用者インタフェースにデータを入力することができる。計算機１９８は制御器１９６に信号又はコマンドを出力し，制御器はステッパモータ１８６，１９２及び／又はリニアアクチュエータ１９４の動きを制御する信号を出力する。計算機１９８が制御器１９６に転送したデータは，追加又は代替として標本化の態様又は標本化パラメータを制御することに関係してもよい。磁気生体感知システムシステム１８０によって標本化が行われると，スピンテーブル１８２又は標本台の上に配置された磁気生体センサアレイ１８４から収集されたデータは，例えばプローブステーション１９０に結合されたプローブを介して，磁気生体センサアレイ１８４から制御器１９６へ送信してもよい。そして制御器１９６はデータを計算機１９８に送信して，利用者２００及び／又は計算機１９８が分析用に利用できるようにする。
【００６０】
データの転送及びスピンテーブル１８２を含む磁気生体感知システム１８０を制御するために，計算機１９８，制御器１９６及び／又はスピンテーブル１８２内で１又は複数のプロセッサを用いてもよい。
【００６１】
いくつかの例において，コイル１８８を含む電磁石を永久磁石で置き換えてもよい。いくつかの実現例においては，スピンテーブル１８２が回転可能である代わりに，又はそれに加えて，例えば，計算機１９８，制御器１９６及び／又はステッパモータ１８６の制御下で，永久磁石又は電磁石を移動可能にして，磁気生体センサアレイ１８４のうち対応するものの下に移動させてもよい。
【００６２】
図１４は，例示高スループット磁気生体感知システム２１０の概念図である。磁気生体センサアレイ試験のためのプローブステーション構想に基づいて，多数の標本を同時に試験できるようにするために，高スループットシステムを用いてもよい。一例として，高スループット磁気生体センサシステム２１０は磁界発生器２１８を含んでもよく，磁界発生器は電磁石であってもよいし，永久磁石であってもよい。複数の磁気生体センサ又は複数の磁気生体センサアレイを磁界発生器２１８の上に配置してもよい。システム２１０はまたプローブステーション２１４を含んでもよく，プローブステーションには複数のプローブ２１６が取り付けられる。プローブステーション２１４はリニアアクチュエータ２１２に取り付けられ，リニアアクチュエータはプローブステーション２１４を垂直に移動させて，複数のプローブ２１６を，磁気生体センサアレイ２２０の電気接点と接触させたり，切り離したりする。いくつかの例においては，２５個の磁気生体センサアレイ２２０を磁界発生器２１８の上面に配置してもよい。磁気生体センサアレイ２２０はそれぞれ，例えば６６個の電気接点を含んでもよい。１６５０（２５×６６）個のプローブをプローブステーション２１４に取り付けることができ，リニアアクチュエータ２１２はプローブ２１４を上下に駆動して，磁気生体センサアレイ２２０の電気接点とプローブ２１６とを接続したり，切断したりすることができる。プローブステーション２１４だけが移動する（そして，磁気生体センサアレイ２２０は移動しない）ため，磁気生体感知システム２１０が（例えば，磁気生体感知システム１８０と比べて）より安定になり，試験の反復が可能になる。したがって，例えば，２５個の標本を実質的に同時に試験することが可能かつ効率的になり，同一の原理を追加の磁気生体センサアレイ２２０及びプローブ２１６に適用することによって，より大きな容量を有するより大きなシステムも可能になるであろう。
【００６３】
図１５は，磁界発生器の間に固定（ｃｌａｍｐ）されるように構成された磁気生体センサアレイの概略図である。磁気生体センサアレイ２３０は，標本（又は反応）穴２３６と，標本穴２３６の中，例えば，穴２３６の底面に配置された４個の磁気生体センサクラスタ２３２ａ〜２３２ｄそれぞれの中の４個の磁気生体センサの配列とを含む。磁気生体センサクラスタ２３２ａ〜２３２ｄはそれぞれ，４個の磁気生体センサを含んでもよい。磁気生体センサクラスタ２３２ａ〜２３２ｄそれぞれの大きさは，いくつかの例においては，約１．６ｍｍ×約１．６ｍｍを基準としてよい。いくつかの例においては，隣接する磁気生体センサクラスタ２３２ａ〜２３２ｄ間の距離は，例えば中心間で測定して約３．５ｍｍであってよい。（例えばクラスタ２３２ａ〜２３２ｄの中の）個々の磁気生体センサは，複数のセンサを用い，センサの出力が試験に十分であるように，センサは十分小さいように選択された大きさであってよい。例えば，各センサの総面積は，約１００μｍ×１００μｍであってよい。
【００６４】
また，磁気生体センサアレイ２３０の配置は実質的に均一であってよい。例えば，クラスタ内（例えばクラスタ２３２ａ内）のセンサ間間隔は，例えば中心間で測定して約０．５ｍｍであってよい。図１５に示すとおり，各センサはピン２３４の対応する１又は複数に結合され，ピンはセンサと，磁気生体センサアレイ２３０の外部にある制御回路とを電気接続する。いくつかの例において，ピン２３４はそれぞれ，長さ約３．３ｍｍ，直径約０．５ｍｍであり，ピンは（例えば，中心間を測定して）約１ｍｍの距離だけ間隔が空いている。いくつかの実現例においては，磁気生体センサアレイ２３０は幅約１７．３ｍｍ，長さ約２６ｍｍであってよいが，磁気生体センサアレイ２３０の大きさはほかの例においては異なっていてもよい。
【００６５】
図１６Ａ〜１６Ｆは，磁気生体センサアレイの上下に固定された磁界発生器を含む例示多重磁気生体センサシステムの画像である。図１６Ａは付加された反応穴を含む磁気生体センサアレイを示している。図１６Ｂは付加された反応穴を含む磁気生体センサアレイの上面図であり，個々の磁気生体センサに接続された電気導線（ｔｒａｃｅ）と，磁気生体センサを外部制御回路に接続する電気ピンとを示している。図１６Ｃは，４個の磁気生体センサの拡大した画像である。薄色の線はＡｕ電極及び接続線である。図１６Ｄは，磁気生体センサアレイの両側に固定された磁界発生器を有する検出システムに組み立てられた磁気生体センサアレイを示している。図１６Ｄはまた固定電子接続線を示しており，制御器及びセンサチップは，センサチップの電極が固定機構によってプローブ装置に結合されたとき，複数のプローブ装置を介して通信するように構成されている。図１６Ｅは例示磁気生体感知システム並びに信号処理チップ及び制御器（例えば計算機）への接続線の画像である。図１６Ｆは，ＬａｂＶＩＥＷ（テキサス州オースチンのNational Instruments Corp.から入手できるシステム設計ソフトウェア）のような計算機実行制御ソフトウェアに電気接続された磁気生体感知システムの画像である。
【００６６】
図１７は，例示磁気生体センサシステムの概略図である。この例においては，磁気生体センサシステム２５０は直接チップリーダ２５２に差し込んでもよい。いくつかの実現例においては，磁気生体センサシステム２５０は，図１５に示す磁気生体センサアレイ２３０と類似又は実質的に同一の構成を有してもよい。チップリーダ２５２は，磁気生体センサシステム２５０のピン２５４を受け入れるように構成された電気伝導性接点を含み，例えば磁気生体センサシステム２５０との間でデータを転送し，磁気生体センサシステム２５０を励起するための，磁気生体センサシステム２５０とチップリーダ２５２との間の通信用の接点を生成する。チップリーダ２５２を計算機のような計算装置に接続するために，はん用直列バス（ＵＳＢ）のようなコネクタを用いてもよい。チップリーダ２５２はまた，無線テレメトリ技法を用いて計算装置と通信してもよい。
【００６７】
いくつかの例において，磁気生体センサシステム２５０は，複数の磁気生体センサシステム２５０を互いに接続できるように構成してもよい。図１８は，台２５６の上の接続された複数の磁気生体センサシステム２５０の例を示す概略図である。磁気生体センサシステムのこの配置は，一つの台の上で各チップの標本化が実質的に同時に起こるように，複数の磁気生体センサシステム２５０を台２５６の上に配置する方法の例である。このような配置は，図１４に関して説明した，磁気生体センサシステム２５０が同様に用いられる高スループットシステムに用いてもよい。
【００６８】
図１９は，固定層２６４内の面外磁気モーメントと，自由層２６８内の面外磁気モーメントとを含む垂直磁気異方性を有する例示磁気生体センサ２６０の概念図である。磁気生体センサ２６０は，固定層２６４及び自由層２６８の磁気異方性の違いを除けば，図６の磁気生体センサ８０に実質的に類似である。
【００６９】
図２０は，図１９の磁気生体センサ２６０に類似の，固定層内の面外磁気モーメントと，自由層内の面外磁気モーメントとを含む垂直磁気異方性を有する磁気生体センサ用の例示磁気トンネル接合スタックの概念図である。磁気トンネル接合スタック２８０は，上部導線３００及び底部導線２８２を含み，これらは磁気トンネル接合スタック２８０へ電気接続するために用いられる。したがって，底部導線２８２及び上部導線３００は電気伝導性金属を含んでもよい。底部導線２８２及び上部導線３００はそれぞれ，タンタル（Ｔａ）２８４及び２９８の層に隣接し，各層は厚み約５ｎｍである。Ｔａ２８４の下位層の上に，Ｃｏ２０Ｆｅ６０Ｂ２０のようなＣｏＦｅＢ合金を含む。
【００７０】
非磁性層２８８は自由層２８６の上に形成され，ＭｇＯのような非磁性材料を含んでもよい。いくつかの例において，ＭｇＯの非磁性層２８８は約７Ωμｍ２の抵抗面積積（ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ）を有してもよい。固定層２９０は非磁性層２８８の上に形成される。固定層２９０は，ＣｏＦｅＢ合金のような磁性材料を含んでもよい。ＣｏＦｅＢ合金の一例はＣｏ２０Ｆｅ６０Ｂ２０である。固定層２９０は，例えば約１．５ｎｍの選択された厚みを有してもよい。固定層２９０は，ルテニウム（Ｒｕ）２９２の層によって，Ｃｏ／Ｐｄ多層構造２９５に反強磁性的に結合している。いくつかの例において，Ｒｕ２９２の層は厚さ約０．３ｎｍである。Ｃｏ／Ｐｄ多層構造２９５は，複数のＣｏ層２９４及びＰｄ層２９６の対，例えば１０層対を含んでもよい。いくつかの例において，各Ｃｏ層２９４の厚さは約０．３ｎｍであり，各Ｐｄ層２９６の厚さは約１．０ｎｍである。Ｔａ２８６の最上層は，最上Ｐｄ層２９８の上に形成される。この磁気トンネル接合スタック２８０は，固定層２９０及び自由層２８６に垂直異方性を生成するための材料で構成される。いくつかの例において，磁気スタック２８０は，スタック２８０を形成する際に，温度約２００°Ｃ，圧力約１×１０−６Ｔｏｒｒで約２時間アニールしてもよい。磁気トンネル接合スタック２８０は，ここで説明した任意の磁気生体センサに用いることができる。
【００７１】
図２１は，図２０に示した例と一致する磁気生体センサの面外印加磁界に対する，例示の正規化トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）対印加磁界曲線の図である。いくつかの例において，試験した磁気トンネル接合スタック２８０は図２１の曲線を示し，自由層２８６は厚さ約１．２ｎｍであった。ｙ軸は正規化磁気抵抗（ＭＲ）の値を含む。ｘ軸は垂直磁界（Ｏｅ）を示す。図２１に示す例において，磁気トンネル接合スタック２８０の感度は約０．２５％／Ｏｅである。
【００７２】
図２２は，磁気スタックに実質的に垂直の方向に印加された外部磁界を有する磁気生体センサにおいて用いることができる別の例示磁気トンネル接合スタックの概念図である。磁気トンネル接合スタック３１０は，タンタル（Ｔａ）及びルテニウム（Ｒｕ）の交互層であって，Ｔａ／Ｒｕ／Ｔａ／Ｒｕ／Ｔａの順であり，各層が厚さ約５ｎｍである交互層で形成された底部導線３１２を含む。磁気トンネル接合スタック３１０はまた上部導線３２８も含み，上部導線は底部導線３１２に類似して形成してもよいし，又は別の材料化合物を用いて形成してもよい。底部導線３１２及び上部導線３２８は磁気トンネル接合スタック３１０と電気接続するために用いられる。
【００７３】
底部導線３１２の上には厚さ１７ｎｍの白金・マンガン（ＰｔＭｎ）層３１４が形成される。ＰｔＭｎ層３１４の上には厚さ２．５ｎｍのコバルト・鉄（ＣｏＦｅ）層３１６が形成される。コバルト・鉄・ボロン（ＣｏＦｅＢ）合金を含む固定層３２０は，厚さ０．８５ｎｍのルテニウム（Ｒｕ）層３１８によってＣｏＦｅ層３１６及びＰｔＭｎ層３１４に反強磁性的に結合する。固定層３２０は厚さ約３ｎｍであってよく，また固定層３２０の面に磁気異方性を有してもよい。したがって，固定層３２０の磁気モーメント３３０は面内方向に実質的に固定される。
【００７４】
ＭｇＯ非磁性層３２２が固定層３２０の上に形成され，厚さ約１．７ｎｍである。ＭｇＯ非磁性層の上にはＣｏＦｅＢ合金を含む自由層３２４が形成される。自由層３２４は厚さ約１．１ｎｍである。自由層３２４は，自由層３２４の主面に実質的に垂直の逆平行方向に磁気安定状態を有する磁気モーメント３３２を有する。磁気スタック３２６はまた，自由層３２４と上部導線３２８との間に形成されたタンタル（Ｔａ）の上部層を含む。磁気スタック３１０は，ここで説明した任意の磁気生体センサに使用することができる。
【００７５】
図２３は，図２２に示した例と一致する磁気トンネル接合スタックの面外印加磁界に対する例示磁気抵抗対印加磁界曲線の図である。図２４は，図２３に示した磁気抵抗対印加磁界曲線を発生するために用いられた磁気トンネル接合スタック及び磁界源の例示構成を示す概念図である。図２４に示すとおり，電磁石３４２は，台３４４の主面及び磁気スタック３４６に実質的に垂直の磁界３５０を発生させるように構成される。磁気スタック３４６は，磁気スタック３４６の形状異方性によって規定される磁化容易軸３４８を有する。変化する磁界３５０を磁気スタック３４６に印加した結果が図２３に示されており，この結果は約０．８％の正規化磁気抵抗において，曲線に比較的大きな実質的に線形の部分があることを示している。
【００７６】
図２５は，図２２に示した例と一致する磁気トンネル接合スタックの面外印加磁界に対する，例示磁気抵抗対印加磁界曲線の図である。図２６は，図２５に示した磁気抵抗対印加磁界曲線を発生するために用いられた磁気トンネル接合スタック及び磁界源の例示構成を示す概念図である。図２６に示すとおり，電磁石３５２は，台３５４の主面及び磁気スタック３５６に実質的に垂直の磁界３６０を発生させるように構成される。磁気スタック３５６は，磁気スタック３５６の形状異方性によって規定される磁化容易軸３５８を有する。変化する磁界３６０を磁気スタック３５６に印加した結果が図２５に示されており，この結果は約０．４％の正規化磁気抵抗において，曲線に比較的大きな実質的に線形の部分があることを示している。
【００７７】
図２７は，磁気スタックに実質的に垂直の方法に印加された外部磁界を有する，ここで説明した任意の磁気生体センサに用いることができる別の例示磁気トンネル接合スタック３７０の概念図である。磁気トンネル接合スタック３７０は，ここで説明する差異を除いて，図２２に関して説明した磁気トンネル接合スタック３１０に概略類似している。
【００７８】
自由層３７２はＭｇＯ非磁性層３３２の上に形成される。自由層３７２は厚さ約１．７ｎｍのＣｏＦｅＢ合金を含む。自由層３７４は，自由層３７２の主面に実質的に平行な逆平行方向に磁気安定状態を有する磁気モーメント３７４を有する。磁気スタック３７０は，ここで説明する任意の磁気生体センサに利用できる。
【００７９】
図２８は，図２７に示した例と一致する磁気トンネル接合スタックの面外印加磁界に対する，例示磁気抵抗対印加磁界曲線の図である。図２９は，図２８に示した磁気抵抗対印加磁界曲線を発生するために用いられた磁気トンネル接合スタック及び磁界源の例示構成を示す概念図である。図２９に示すとおり，電磁石３８２は，台３８４の主面及び磁気スタック３８６に実質的に垂直の磁界３９０を発生させるように構成される。磁気スタック３８６は，磁気スタック３８６の形状異方性によって規定される磁化容易軸３８８を有する。変化する磁界３９０を磁気スタック３８６に印加した結果が図２８に示されており，この結果は約１１．６％の正規化磁気抵抗において，曲線に比較的大きな実質的に線形の部分があることを示している。
【００８０】
図３０は，図２７に示した例と一致する磁気トンネル接合スタックの面外印加磁界に対する，例示磁気抵抗対印加磁界曲線の図である。図３１は，図３０に示した磁気抵抗対印加磁界曲線を発生するために用いられた磁気トンネル接合スタック及び磁界源の例示構成を示す概念図である。図３１に示すとおり，電磁石３９２は，台３９４の主面及び磁気スタック３９６に実質的に垂直の磁界４００を発生させるように構成される。磁気スタック３９６は，磁気スタック３９６の形状異方性によって規定される磁化容易軸３９８を有する。変化する磁界４００を磁気スタック３９６に印加した結果が図３０に示されており，この結果は約２５％の正規化磁気抵抗において，曲線に実質的に線形の部分があることを示している。
【００８１】
図３２は，図２７に示した例と一致する磁気トンネル接合スタックの面内印加磁界に対する，例示磁気抵抗対印加磁界曲線の図である。図３３は，図３２に示した磁気抵抗対印加磁界曲線を発生するために用いられた磁気トンネル接合スタック及び磁界源の例示構成を示す概念図である。図３３に示すとおり，第１電磁石４０２及び第２電磁石４０４は，台４０６の主面及び磁気スタック４０８に実質的に垂直の磁界４１２を発生させるように構成される。磁気スタック４０８は，磁気スタック４０６の形状異方性によって規定される磁化容易軸１４０を有する。変化する磁界４１２を磁気スタック４０８に印加した結果が図３２に示されており，この結果は約３３％の正規化磁気抵抗において，曲線に実質的に線形の部分があることを示している。
【００８２】
上記のとおり，磁気生体センサは反応穴のような反応容器を含んでもよい。種々の用途のために，種々の大きさの反応容器を適合させてもよい。例えば，４０μｌの小さな反応容器は創薬などのためによく適合できる。しかし，この大きさの反応容器は，血液検査のようなほかの用途にはよく適合しないことがある。いくつかの例において，血液検査のような試験には，より大きな反応容器がよく合うことがある。図３４は，種々の大きさの反応容器間の差を示す概念図である。
【００８３】
図３４の例において，反応容器は反応穴である。反応穴４２２はより大きな反応容器であり，例えば，４ｍｌの流体を保持することができることがある。反応穴４２２は，磁気生体センサ又は磁気生体センサアレイ４２４に取り付けられる。上述のとおり，いくつかの実現例においては，磁気生体センサアレイ４２４は複数の生体センサを含んでもよく，各生体センサは，類似の分析物を検出するように構成してもよいし，別の分析物を検出するように構成してもよい。
【００８４】
反応穴４２６はより小さな反応容器であり，例えば，４０μｌの流体を保持することができることがある。反応穴４２６は，磁気生体センサ又は磁気生体センサアレイ４２８に取り付けられる。磁気生体センサアレイ４２４と類似して，いくつかの実現例においては，磁気生体センサアレイ４２８は複数の生体センサを含んでもよく，各生体センサは，類似の分析物を検出するように構成してもよいし，別の分析物を検出するように構成してもよい。
【００８５】
反応穴４２２及び４２６はそれぞれ，反応穴４２６又は４２６によって囲まれた容積内のセンサ４２４の表面に結合した複数の捕捉抗体４３０を含む。さらに，反応穴４２２及び４２６はそれぞれ，複数の抗原４３２を含む標本を含む。標本の容積は，反応穴４２２においては，反応穴４２６よりも約１００倍大きいため，各標本内の抗原４３２の濃度が同一のとき，反応穴４２２は反応穴４２６よりも約１００倍の抗原４３２を含む。
【００８６】
矢印４３４及び４３６は，反応穴４２２内の標本内のブラウン運動の相対強度を示している。捕捉抗体４３０に近く抗原４３２は捕捉抗体４３０と結合する機会があるため，補捉抗体４３０のすぐ上に（抗原４３２の）低濃度領域が形成される（標本内の抗原４３２の容積濃度に比べて）。このことは，矢印４３４及び４３６が示すように捕捉抗体４３０に向かうブラウン運動（すなわち，拡散）の不均衡につながる。このことは，捕捉抗体４３０に向かう抗原４３２の動きを駆動し続けることに役立ち，抗原４３２が捕捉抗体４３０に結合する機会を改善することができる。
【００８７】
しかし，反応穴４２６にはより少数の抗原４３２しかない。したがって，抗原４３２が反応穴４２６内の捕捉抗体４３０に結合したとき，捕捉抗体４３０の上により小さな枯渇領域が形成され，反応穴４２２より速く濃度均衡に到達する。このことは，抗原４３２が捕捉抗体４３０と結合する機会を低下させることがある。この観察に基づくと，抗原４３２の期待濃度が低い標本を試験するときは，より大きな反応穴４２２を用いることが好ましい。
【００８８】
図３５は，複数の個別磁気生体センサを含む例示磁気生体センサアレイの概念図である。磁気生体センサアレイ４４０の一つのあり得る設計は，センサ領域４４２に配置された３２０個のセンサと，一つのダイ（チップ又は基板）内の類似する数の電極４４４（及び任意選択で追加バス線）とを含んでもよい。いくつかの例においては，磁気生体センサ４４０を励起，制御又は接地するために追加電極（例えば，センサの数を超える電極４４４）を用いてもよい。いくつかの実現例においては，磁気生体センサ４４０は約８０ｎｍ×約８０ｎｍである。このような磁気生体センサアレイ４４０を，容積約４ｍｌの標本穴（例えば，半径約２５ｍｍ，高さ約２ｍｍの穴）（図３５には示していない）と共に用いてもよい。
【００８９】
いくつかの例において，複数の標本の並行した自動化試験に加えて，システムは自動化標本分配機構を含んでもよい。図３６は，標本を複数の標本容器に分配する複数のディスペンサを含む例示磁気生体感知システムの概念図である。いくつかの実現例において，図３５の磁気生体感知システム４５０は，ここで説明する差異を除いては，図４に示す磁気生体感知システム２１０に類似するものでよい。
【００９０】
磁気生体感知システム４５０は磁界発生器４５２を含み，磁界発生器は永久磁石であってもよいし，電磁石であってもよい。磁界発生器４５２の上面に標本プレート４５４が置かれ，標本プレートは複数の磁気生体センサアレイ４５６を保持する。磁気生体センサアレイ４５６はそれぞれ，反応穴（図３５ではラベル付けされていない）と，複数の磁気生体センサ（図３５ではラベル付けされていない）とを含む。
【００９１】
磁気生体感知システム４５０はまた，可動台４６０も含む。台４６０には複数の標本ディスペンサ４５８及び複数のプローブ４６８が取り付けられる。台４６０はトラック４６６に移動可能に取り付けられる。ステッパモータであってもよい第１モータ４６２は，トラック４６６に沿って垂直に台４６０を移動させるように構成され，台４６０を標本プレート４５４に近づけたり，遠ざけたりする。
【００９２】
第２モータ４６４は，複数の標本ディスペンサ４５８の対応するものを制御可能に伸ばしたり，引っ込めたりするように構成される。伸ばした位置においては，標本ディスペンサ４５８は，標本又は試薬溶液を標本穴のうち対応する一つに分配するように配置される。引っ込めた位置においては，標本ディスペンサ４５８は，例えば図１２Ａ〜１２Ｄに関して説明したとおり，プローブ４６８が磁気生体センサ４５６上の電気接点に接触できるようにすることを妨げない。いくつかの例において，複数の標本ディスペンサ４５８は，標本ディスペンサ４５８が標本を標本穴に分配できるように配置される。換言すれば，複数の標本ディスペンサ４５８は一つの標本穴の上に配置される。このようにして標本ディスペンサ４５８は，複数の標本のうち１又は複数を各反応穴に制御可能に分配することを可能にすることができる。いくつかの実現例においては，各標本穴の上に４個の標本ディスペンサ４５８が配置でき，各標本穴に四つの異なる溶液のうち１又は複数を制御可能に分配できる。
【００９３】
いくつかの例においては，磁気生体感知システム４５０は（例えば，図１３の磁気生体感知システムと類似の）制御器又は計算機に結合してもよい。制御器又は計算機は，標本ディスペンサ４５８から選択した標本を分配すること及び磁気生体センサ４５６を用いて標本を試験することを制御することができる。このようにして，磁気生体感知システム４５０は，標本の分配を含む試験工程の更なる自動化を容易にすることができる。
【００９４】
ここで説明した磁気生体センサは，タンパク質多重検出（ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）用のいくつかの実現例に用いてもよい。例えば，多量の標本，例えば４ｍｌを保持する標本容器と関係する磁気生体センサアレイを，タンパク質多重検出のために用いてもよい。図３７は，タンパク質多重検出に用いることができる例示磁気生体センサアレイの概念図である。いくつかの例において，磁気生体センサアレイは３２０個の個別磁気生体センサを含んでもよい。図３７に示すとおり，いくつかの実現例においては，磁気生体センサの二つの隣接する列を，特定タンパク質を検出するように構成された一つの捕捉抗体で印刷してもよい。別の列対には別の捕捉抗体を印刷してもよい。捕捉抗体がそれぞれ，別個のタンパク質を捕捉するように構成してもよい。いくつかの例において，各列の最後の行はブロッキング制御センサのために留保される。
【００９５】
いくつの実現例においては，一つの標本内の別個の抗原との特定結合を検出するために着色法（ｃｏｌｏｒｉｎｇ）を用いてもよい。図３８は，交流信号に関する結合磁気マーク付け抗原の効果を示す正規化振幅対位相の例示プロットである。位相は次の技法を用いて直接測定してもよい。始めにＤＣ電流が磁気生体センサの磁気スタックに印加される。磁気生体センサ（又は，より詳細には磁気スタック）は交流（ＡＣ）磁界にさらされる。図３８に示すＡＣ信号はセンサの応答からもたらされる。磁気生体センサの表面の捕捉分子に磁気でマーク付けされた抗原粒子が結合した後，磁気ナノ粒子（ＭＮＰ）は，ＭＮＰが結合していないときのようには容易に回転できないが，ＭＮＰの電子スピンは変化するＡＣ磁界によって回転し続ける。ＡＣ磁界の周波数を，例えば約１００キロヘルツ（ｋＨｚ）以上に増加させることによって，ＭＮＰのニール（Ｎｅｅｌ）緩和は変化するＡＣ磁界に追随できない。この結果，磁気生体センサの応答に（図３８に示す）位相遅れが生じる。４７２個のＭＮＰ結合の前と，４７４個のＭＮＰ結合の後の位相応答は，ＭＮＰを結合させると位相遅延を生じることを示している。ＭＮＰを生体センサに結合させる前の位相応答は数学的にＨ０ｃｏｓ（ωｔ）と表すことができる。ここでＨ０は印加された（外部）磁界であり，ωは角周波数（２πｆ，ｆはＡＣ磁界の周波数）である。ＭＮＰが磁気生体センサに結合した後の位相応答は数学的にＨ０ｃｏｓ（ωｔ）−Ｈｅｆｆｃｏｓ（ωｔ＋φ）と表すことができる。ここでＨｅｆｆはＭＮＰによって磁気生体センサに印加された実効磁界であり，φは位相遅延である。別個のＭＮＰは別個の位相遅延を生じさせる。したがって，特定のＭＮＰで特定の抗体を（３層検出方式で）ラベル付けすることによって，磁気生体センサは標本内の特定の抗原を識別することができる。
【００９６】
図３９は，エストラジオールを検出するように構成された磁気生体センサの例示構成を示す概念図である。エストラジオールは，乳がん細胞内のエストロゲン受容体に結合する主要な活性ホルモンである。エストラジオールは，例えば約１ピコモーラー（ｐＭ）と約１ナノモーラー（ｎＭ）の間の低濃度であっても，腫瘍増殖を刺激することがある。薬物治療後のエストラジオールの検査は，更なる腫瘍増殖を防止するために重要である。
【００９７】
図３９に示すように，標本穴の底面は単クローン抗ウサギ免疫グロブリンＧ（ＩｇＧ）で被覆される。次に標本穴は，トレーサ，抗血清及び基準物又は標本で培養される。培養後，標本穴はすべての未結合試薬を除去するために洗浄される。次に穴は，単クローン抗ウサギＩｇＧに結合したチオール基の濃度値を定量化することができるエルマン試薬（5,5'-dithiobis-(2-nitrobenzoic acid)，すなわちＤＴＮＢ）で発育（ｄｅｖｅｌｏｐ）させる。代替として，エストラジオールトレーサがヨウ素１２５結合エストラジオールで置き換えられているときは，この方法は放射線免疫分析に用いることができる。
【００９８】
図４０は，複数の微小流体チャネル４８２を含む例示基板４８０の概念図である。微小流体チャネル４８２は，ここで説明した磁気生体センサのいずれもが使用できる一種の標本容器である。図４０には示していないが，複数の磁気生体センサは微小流体チャネル４８２それぞれの下に配置してもよい。微小流体チャネル４８２それぞれの底面は，複数の磁気生体センサそれぞれの上の底面に付着させた複数の捕捉抗体を含んでもよい。いくつかの例においては，複数の磁気生体センサそれぞれの上の複数の捕捉抗体は，微小流体チャネル４８２のうち一つの中では同一である。別の例においては，別の捕捉抗体を別の磁気生体センサの上に付着させてもよい。類似して，いくつかの例において，別の捕捉抗体を磁気生体センサ４８２のうち別のものの上に付着させてもよい。別の例においては，同一の捕捉抗体は微小流体チャネル４８２それぞれの中に付着している。
【００９９】
微小流体チャネル４８２は，基礎医学，疾病管理及び診断，創薬及び環境監視を含む種々の用途の磁気生体感知システムの標本容器として用いることができる。さらに，微小流体チャネル４８２を種々の容積の標本を試験するために用いてもよい。いくつかの例において，微小流体チャネル４８２の寸法は選択された容積を含むように選択してもよい。基板４８０を試験に用いることができる総容積は，例えば基板４８０内により多くの微小流体チャネル４８２を形成し，微小流体チャネル４８２の大きさを増加させ，又は微小流体チャネルを通る標本の流速を増加させることによって増加させることができる。しかし，いくつかの例においては，微小流体チャネル４８２を用いて合理的な時間内に試験できる標本の容積を増加させるためのこれらの選択肢のうち１又は複数は実行可能でないことがある。これらの例のうちいくつかにおいては，図３４に示す反応穴４２２のような反応穴又は標本穴を代わりに用いてもよい。
【０１００】
図４１は，別の例示磁気生体センサを示す概念図である。磁気生体センサ４９０は第１強磁性層４９２及び第２強磁性層４９４を含む。第１強磁性層４９２は，印加された磁界下で回転することができる磁気モーメント５１０を有してもよい（すなわち，第１強磁性層４９２は自由層である）。いくつかの例においては，図４１に示すとおり，磁気モーメント５１０は，（印加磁界がないとき）第１強磁性層４９２の主面に平行の磁気安定状態５１０ａを有してもよい。別の例においては，磁気モーメント５１０は，例えば第１強磁性層４９２の主面に実質的に垂直の，第１強磁性層４９２の主面からずれた磁気安定状態５１０ａを有してもよい。
【０１０１】
第２強磁性層４９４は，磁気生体センサ４９０が使用中に露出するように設計された磁界下の方向に実質的に固定されている磁気モーメント５１８を有している（すなわち，第２強磁性層４９４は固定層である）。第２強磁性層４９４は，磁気モーメント５１８の方向を固定する反強磁性層４９６に反強磁性的に結合している。図４１に示すとおり，磁気モーメント５１８は，いくつかの例において，第２強磁性層４９４の主面からずれて，例えば第２強磁性層４９４の主面に実質的に垂直の方向を向いていてもよい。別の例において，磁気モーメント５１８は第２強磁性層４９４の主面に平行の方向を向いていていもよい。
【０１０２】
第１強磁性層４９２及び第２強磁性層４９４はそれぞれ，上述した強磁性材料で形成してもよい。
【０１０３】
非磁性層５００は，第１強磁性層４９２と第２強磁性層４９４とを接続する。第１強磁性層４９２は非磁性層５００の第１端部に隣接して形成され，第２強磁性層４９４は非磁性層５００の第２端部に隣接して形成される。いくつかの例において，非磁性層５００は例えば，グラフェン，硫化モリブデン（ＭｏＳ２）又は別の半導体材料のような半導体で形成してもよい。別の例においては，非磁性層５００は，銅（Ｃｕ），銀（Ａｇ）又は類似物のような別の非磁性材料で形成してもよい。
【０１０４】
図４１には示していないが，複数の捕捉抗体を第１強磁性層又は第１強磁性層の上に形成された層（例えば，標本容器（図４１には示されていない）の底面）の表面に付着させてもよい。複数の捕捉抗体は，選択された抗原を捕捉又は結合するように構成してもよい。上述のとおり，標本は選択された抗原を含んでもよく，試薬は磁気でマーク付けされた抗原を含んでもよい。図４１に一つの磁気でマーク付けされた抗原５０６を示す。磁気でマーク付けされた抗原５０６は，選択された抗原に結合したＭＮＰ又は磁性微小球体のような磁気マーカを含んでもよい。
【０１０５】
利用中，磁気生体センサ４９０は印加された垂直磁界５１９（例えば，第１磁性層４９２の主面に実質的に垂直の方向を向いた磁界）にさらされる。標本及び試薬は標本容器（図４１には示されていない）の中に入れられ，選択された抗原（磁気的にマーク付けされているか，マーク付けされていない）が捕捉抗体に結合できるようになる。標本内の選択された抗原の濃度に依存して，いくつかの磁気的にマーク付けされた抗原５０６は対応する数の捕捉抗体によって捕捉される。結合が完了すると，標本及び試薬は標本容器から除去され，余分なマーク付けされていない抗原及び磁気でマーク付けされた抗原５０６を除去するために，容器がすすがれる。上述の技法は，図２Ａ及び２Ｂに関して説明したものと類似の２層技法である。別の例においては，磁気生体センサ４９０が図３Ａ〜３Ｄに関して説明したものと類似の３層技法において利用される。
【０１０６】
図４１に示すように，第１強磁性層４９２は電流源５０２に接続してもよい。マーク付けされていない抗原及び磁気でマーク付けされた抗原５０６が捕捉抗体と結合できるようにされた後，電流源５０２によって電流を第１強磁性層４９２に印加してもよい。捕捉された磁気でマーク付けされた抗原５０６は磁界５０８を発生させ，磁界は第１強磁性層４９２の磁気モーメント５１０の方向に影響を与える。第１強磁性層４９２に電流が印加されたとき，（例えば，第１強磁性層４９２の磁化方向により類似する上向き又は下向きの）一定のスピン状態を有するチャージ電子（線５１２で表す）及び散乱電子（線５１４で表す）が第１強磁性層４９２を含む閉ループ回路内を移動する。しかし，反対のスピンを有する散乱電子（線５１６で表す）はグラフェン層５００を通って磁気生体センサ４９０の反対側（例えば，第２強磁性層４９４に隣接するグラフェン層の部分）へ拡散する。磁気モーメント５１８の相対方向及び第２強磁性層４９４に隣接する散乱電子のスピンは，電圧源５０４に接続された閉ループ回路の抵抗に影響を与える。この抵抗を測定することによって，例えば図２Ａ，２Ｂ及び３Ａ〜３Ｄに関して説明した較正曲線を用いて，標本内の抗原の濃度を決定できる。図４１に示す生体センサ構成は，ＧＭＲ型センサ及びＭＴＪ型センサ双方の面に垂直の電流を利用することができ，ここで説明した標本容器及び／又は磁気生体感知システムのいずれにも使用することができる。
【０１０７】
いくつかの例においては，磁気生体センサ４９０を，並列に接続されたいくつかのセンサ４９０を含むより大きなセンサに統合してもよい。図４２は，一つの磁気生体センサ５２０内の並列に接続された複数のセンサ４９０の概念図である。図４２の例においては，複数のセンサスタック５２２ａ〜５２２ｄ（集合的に「センサスタック５２２」と呼ぶ）が接続されている一つの検出スタック５４２が用いられる。センサスタック５２２はそれぞれ，自由磁性層５２６ａ〜５２６ｄ（集合的に「自由磁性層５２６」と呼ぶ）のうち対応するものを含む。自由磁性層５２６はそれぞれ，底部電極５２８ａ〜５２８ｄ（集合的に「底部電極５２８」と呼ぶ）のうち対応するものに接続される。底部電極５２８は電流源（図４２には示していない）に接続される。自由磁性層５２６はそれぞれ，非磁性層５２４の端部に隣接（例えば，接続又は近接）して形成される。
【０１０８】
非磁性層５２４はまた，検出器スタック５４２にも接続される。図４２の例において，非磁性層５２４のもう一つの端部は固定磁性層５３４に隣接（例えば，接続又は近接）しており，固定磁性層は反強磁性層５３６に隣接し，反強磁性的に結合している。反強磁性層５３６６は検出器電極５３８に付着させられ，電極は電圧源５４０に電気接続されている。非磁性層５２４はまた，検出器スタック５４２の近傍の位置にある電圧源５４０にも電気接続されている。
【０１０９】
さらに，センサスタック５２２それぞれの上には複数の捕捉抗体がある。捕捉抗体５３０は，図４２に示すとおり非磁性層５２４の上面に付着させてもよいし，生体センサ５２０の上に置かれた標本容器の底面に付着させてもよい。
【０１１０】
図４１に示した生体センサ４９０と類似して，磁気でマーク付けされた抗原５３２が捕捉抗体と結合できるようになったとき，磁気マーカによって発生された磁界は自由磁性層５２６それぞれの磁気モーメントの方向に影響を与える。自由磁性層５２６それぞれに，例えば底部電極５２８の対応するものを用いて電流を印加したとき，（例えば，自由磁性層５２６の磁化方向により類似する上向き又は下向きの）一定のスピン状態を有するチャージ電子及び散乱電子が自由磁性層５２６及び底部電極５２８を含む閉ループ回路内を移動する。しかし，反対のスピンを有する散乱電子は非磁性層５２４を通って，検出器スタック５４２に隣接する磁気生体センサ５２０の反対側へ拡散する。磁気モーメントの相対方向及び自由磁性層５３４に隣接する散乱電子のスピンは，電圧源５４０に接続された検出器スタック５４２の抵抗に影響を与える。この抵抗を測定することによって，例えば図２Ａ，２Ｂ及び３Ａ〜３Ｄに関して説明した較正曲線を用いて，標本内の抗原の濃度を決定できる。複数のセンサスタック５２２が一つの検出器スタック５４２に並列に接続されているため，磁気生体センサ５２０は抗原の濃度が低い標本に特に有用である。何となれば各センサスタック５２２における散乱効果が検出器スタック５４２に加わるためである。図４２に示した生体センサ構成は，個々で説明した標本容器及び／又は磁気生体感知システムのいずれにも利用することができる。
【０１１１】
磁気生体センサ，磁気生体センサアレイ及び磁気生体感知システムのいくつかの代替構成をここに説明した。一緒に用いることができるすべての可能な構成を明示的に説明した訳ではないが，当業者であれば種々のセンサ，アレイ及びシステムをいくつかの異なる方法で組み合わせてもよいことが分かるであろう。さらに，上述のとおり，標本穴について主に説明したが，磁気生体センサ，磁気生体センサアレイ及び磁気生体感知システムは標本穴の代わりに，又は追加で微小流体チャネルと共に利用してもよい。
【０１１２】
種々の例を説明した。例えば，例示の磁気生体センサ，生体センサアレイ及び感知システムを説明した。これらの例はいずれも，ほかの例とともに用いてもよい。これらの例は本願請求項の範囲内にある。
【図１】
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【図２Ａ−２Ｂ】
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【図３Ａ−３Ｄ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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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１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１２Ｄ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
2015503085.tif 000026
【図１６Ｂ】
2015503085.tif 000027
【図１６Ｃ】
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【図１６Ｄ】
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【図１６Ｅ】
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【図１６Ｆ】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年5月16日(2014.5.16)
【手続補正１】
【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】
磁気生体センサであって，
自由層及び固定層を含む磁気センサであって，前記自由層又は前記固定層のうち一つが，外部磁界がないとき，それぞれ前記自由層又は前記固定層の主面からずれた方向を向く磁気モーメントを有し，前記自由層又は前記固定層の他方は，前記外部磁界がないとき，前記自由層又は前記固定層の前記主面に平行の方向を向いた磁気モーメントを有する，磁気センサと，
磁気スタックの上に配置された標本容器と，
前記磁気スタックの上の前記標本容器の底面に付着させた複数の捕捉抗体と，
前記自由層又は前記固定層の前記主面に実質的に垂直の磁界を発生させるように構成された磁界発生器と，
を備える磁気生体センサ。
【請求項２】
前記固定層の前記磁気モーメントは，前記外部磁界がないとき，前記固定層の前記主面からずれた方向を向いており，前記自由層の前記磁気モーメントは，前記外部磁界がないとき，前記自由層の前記主面に平行の方向を向いている，請求項１に記載の磁気生体センサ。
【請求項３】
前記自由層の前記磁気モーメントは，前記外部磁界がないとき，前記自由層の前記主面からずれた方向を向いており，前記固定層の前記磁気モーメントは，前記外部磁界がないとき，前記固定層の前記主面に平行の方向を向いている，請求項１に記載の磁気生体センサ。
【請求項４】
第１端部及び第２端部を含む非磁性層であって，前記自由層が前記第１端部に隣接して形成され，前記固定層が前記第２端部に隣接して形成される，非磁性層と，
前記自由層及び前記非磁性層の前記第１端部に電気結合された電流源と，
前記固定層及び前記非磁性層の前記第２端部に電気結合された電圧源であって，前記固定層及び前記非磁性層の前記第２端部の磁気抵抗を測定するように構成された電圧源と，
を更に含む，請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁気生体センサ。
【請求項５】
磁気生体センサアレイであって，
前記磁気生体センサアレイの少なくとも一つ周辺端部に沿って配置された複数の電気接点と，
標本容器と，
複数の磁気生体センサであって，それぞれが前記標本容器の表面に隣接して配置され，それぞれが自由層及び固定層を含み，外部磁界がないとき，前記自由層又は前記固定層のうち一つが，それぞれ前記自由層又は前記固定層の主面からずれた方向を向いた磁気モーメントを有し，前記自由層又は前記固定層の他方は，前記外部磁界がないとき，前記自由層又は前記固定層の前記主面に平行の方向を向いた磁気モーメントを有する，磁気生体センサと，
前記標本容器の前記表面に付着させた複数の捕捉抗体と，
を有する磁気生体センサアレイ。
【請求項６】
前記複数の電気接点の対応する１又は複数が，前記複数の磁気生体センサの対応する１又は複数に電気結合しており，前記複数の電気接点のうち対応するものが，感知した試験データを計算装置に伝送するために，複数のプローブのうち対応するものに接触するように構成される，請求項５に記載の磁気生体センサアレイ。
【請求項７】
前記複数の捕捉抗体は第１の複数の捕捉抗体及び第２の複数の捕捉抗体を含み，前記第１の複数の捕捉抗体は，前記複数の磁気生体センサの第１磁気生体センサの上の前記標本容器の底面に付着しており，前記第２の複数の捕捉抗体は，前記複数の磁気生体センサの第２磁気生体センサの上の前記標本容器の底面に付着している，請求項５又は６に記載の磁気生体センサアレイ。
【請求項８】
前記固定層の前記磁気モーメントは，前記外部磁界がないとき，前記固定層の前記主面からずれた方向を向いており，前記自由層の前記磁気モーメントは，前記外部磁界がないとき，前記自由層の前記主面に平行の方向を向いている，請求項５〜７のいずれか一項に記載の磁気生体センサアレイ。
【請求項９】
前記自由層の前記磁気モーメントは，前記外部磁界がないとき，前記自由層の前記主面からずれた方向を向いており，前記固定層の前記磁気モーメントは，前記外部磁界がないとき，前記固定層の前記主面に平行の方向を向いている，請求項５〜７のいずれか一項に記載の磁気生体センサアレイ。
【請求項１０】
前記複数の磁気生体センサのうち少なくとも一つの磁気生体センサは，
第１端部及び第２端部を含む非磁性層であって，前記自由層が前記第１端部に隣接して形成され，前記固定層が前記第２端部に隣接して形成される，非磁性層と，
前記自由層及び前記非磁性層の前記第１端部に電気結合された電流源と，
前記固定層及び前記非磁性層の前記第２端部に電気結合された電圧源であって，前記固定層及び前記非磁性層の前記第２端部の磁気抵抗を測定するように構成された電圧源と，
を更に含む，請求項５〜９のいずれか一項に記載の磁気生体センサアレイ。
【請求項１１】
磁気生体感知システムであって，
複数のプローブを含むプローブアレイと，
請求項５〜１０のいずれか一項に記載の磁気生体センサアレイであって，前記複数の電気接点が前記磁気生体センサアレイの少なくとも一つ周辺端部に沿って配置され，前記複数のプローブの対応するものを受け入れるように構成されている，磁気生体センサアレイと，
前記プローブアレイを前記磁気生体センサに近づけたり，遠ざけたりして，前記複数のプローブと前記複数の電気接点とを結合させたり，解除させたりするように構成されたモータと，
前記磁気生体センサアレイの主面に垂直な方向に磁界を印加するための，前記磁気生体センサアレイの下に配置される磁界発生器と，
を備える磁気生体感知システム。
【請求項１２】
前記プローブアレイは，前記標本容器に溶液を分配するように構成された複数の標本ディスペンサを含む，請求項１１に記載の磁気生体感知システム。
【請求項１３】
磁気生体センサを形成する方法であって，
自由層及び固定層を含む磁気センサを形成するステップであって，前記自由層又は前記固定層のうち一つが，外部磁界がないとき，それぞれ前記自由層又は前記固定層の主面からずれた方向を向いた磁気モーメントを有し，前記自由層又は前記固定層の他方は，前記外部磁界がないとき，前記自由層又は前記固定層の前記主面に平行の方向を向いた磁気モーメントを有する，ステップと，
磁気スタックの上に標本容器を配置するステップと，
前記磁気スタックの上の前記標本容器の底面に複数の捕捉抗体を付着させるステップと，
を有する方法。
【請求項１４】
前記自由層又は前記固定層の前記主面に実質的に垂直の印加磁界を発生させるように構成された磁界発生器を，前記磁気スタックに隣接して配置するステップを更に有する，請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記自由層及び前記固定層を含む前記磁気センサを形成するステップは，
第１端部及び第２端部を含む非磁性層を形成するステップと，
前記第１端部に隣接して前記自由層を形成するステップと，
前記第２端部に隣接して前記固定層を形成するステップと，
前記自由層及び前記非磁性層の前記第１端部に電流源を結合させるステップと，
前記固定層及び前記非磁性層の前記第２端部に電圧源を結合させるステップであって，前記電圧源は前記固定層及び前記非磁性層の前記第２端部の磁気抵抗を測定するように構成される，ステップと，
を含む磁気センサを形成するステップを含む，請求項１３又は１４に記載の方法。
【国際調査報告】
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