(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の磁区が一方向に連なり、且つ隣り合う該磁区同士が互いに反対方向の磁化容易軸を有する多磁区構造体を備えている磁気センサ素子であって、
前記多磁区構造体は表面領域を有し、
該表面領域の内、前記多磁区構造体の一方の端から数えて２ｎ−１番目（ｎは自然数）の磁区と２ｎ番目の磁区との境界に位置する第１の表面部と、２ｎ番目の磁区と２ｎ＋１番目の磁区との境界に位置する第２の表面部とは、磁性粒子あるいは該磁性粒子に固定可能な物質に対する親和性が互いに異なることを特徴とする磁気センサ素子。
【請求項２】
前記多磁区構造体は、柱状の磁性体よりなり、該磁性体の長手方向に沿って前記複数の磁区が連なっており、前記長手方向と交差する方向における前記磁性体の切断面の周方向に前記磁化容易軸を有する、請求項１に記載の磁気センサ素子。
【請求項３】
前記切断面の形状が円形である請求項２に記載の磁気センサ素子。
【請求項４】
前記切断面の形状が、該断面の中心点を点対称とする多角形である請求項２に記載の磁気センサ素子。
【請求項５】
前記多磁区構造体は、基板上に積層された複数の磁性膜よりなり、該磁性膜の積層方向と交差する方向に前記磁化容易軸を有する、請求項１に記載の磁気センサ素子。
【請求項６】
前記第１の表面部には、前記磁性粒子あるいは該磁性粒子に固定可能な物質が、前記多磁区構造体の表面に選択的に付着するための膜が設けられている、請求項１に記載の磁気センサ素子。
【請求項７】
前記第２の表面部には、前記磁性粒子あるいは該磁性粒子に固定可能な物質が、前記多磁区構造体の表面に付着することを抑制する膜が設けられている、請求項１に記載の磁気センサ素子。
【請求項８】
前記多磁区構造体の表面に選択的に付着するための膜が、Ａｕ膜であることを特徴とする請求項６に記載の磁気センサ素子。
【請求項９】
前記多磁区構造体の表面に付着することを抑制する膜が、ＳｉＯ2膜であることを特徴とする請求項７に記載の磁気センサ素子。
【請求項１０】
検出装置であって、
請求項１から９のいずれか１項に記載の磁気センサ素子と、
前記磁気センサ素子に交流電流を供給するための交流電源と、を備え、
検出対象物質が有する前記磁性粒子あるいは該磁性粒子に固定可能な物質によって印加される磁場の大きさに依存して、前記磁気センサ素子のインピーダンスが変化することを用いて、該検出対象物質の検出を行うことを特徴とする検出装置。
【請求項１１】
前記検出装置が、内部に流路を備える筐体を有し、且つ前記磁気センサ素子が該流路中に収容されている、請求項１０に記載の検出装置。
【請求項１２】
前記磁気センサ素子に静磁場を印加するための静磁場印加手段を有する、請求項１１に記載の検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁性粒子或は該磁性粒子に固定可能な物質を検出するための磁気センサ素子に関する。更に、該磁気センサ素子を備えた検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
定量的なイムノアッセイとして、放射免疫分析法（RIA : radio immunoassay、もしくは、IRMA：immunoradiometric assay）が古くから知られている。この方法では、放射性核種によって、競合する抗原あるいは抗体を標識化し、比放射能の測定結果から抗原が定量的に測定される。つまり、抗原などの標的物質を標識化してこれを間接的に測定する。この放射免疫分析法方法は、感度が高いことから、臨床診断に大きく貢献した。しかし、放射性核種には取り扱う上での問題が有るため、放射免疫分析法を用いる場合は、専用の施設や装置が必要となってしまう。
【０００３】
そこで、より扱いやすい方法として、例えば、蛍光物質、酵素、電気化学発光分子、磁性粒子などの標識を用いる方法が提案されている。蛍光標識、酵素標識、電気化学発光標識等を標識として用いる場合は、光学的な測定方法により、光の吸収率や透過率、あるいは発光光量を計測することによって、標的物質の検出が行われる。標識に酵素を用いる酵素免疫測定法（EIA：Enzyme Immunoassay）は、抗原−抗体反応を行った後に、酵素標識抗体を反応させ、その酵素に対する基質を添加して発色させ、その吸光度により比色定量する方法である。
【０００４】
また、幾つかの研究機関によって、磁性粒子を標識とし、磁気センサ素子によって間接的に生体分子を検出するバイオセンサの研究報告がなされている。この検出方法に用いられる磁気センサ素子には、いくつかの種類がある。非特許文献１には、磁気抵抗効果素子を用いたものが記載されている。非特許文献２には、ホール素子を用いたものが記載されている。非特許文献３には、ジョセフソン素子を用いたものが記載されている。非特許文献４には、コイルを用いたものが記載されている。非特許文献５には、磁気インピーダンスが変化するＭＩ素子（磁気インピーダンス素子）を用いたものが記載されている。
【０００５】
これらの素子を用いた生体物質の検出方法には、それぞれ特徴が有り、特に、ＭＩ素子は簡素な構造とすることができるという利点を持つ。
【０００６】
ＭＩ素子は、一様な組成の磁性体あるいは非磁性導体の周囲を磁性材料で覆われた構造を持つ。円柱状のＭＩ素子は、長手方向に直交するセンサ断面の円周方向に磁化容易軸を有する。
【０００７】
薄膜形状のＭＩ素子は、長手方向に垂直でかつ膜の面内方向に磁化容易軸を有する。ＭＩ素子は、この磁化容易軸の方向に沿って磁化される多磁区構造を有する。
【０００８】
図１に、多磁区構造を有するＭＩ素子を模式的に示す。図１を参照すると、ＭＩ素子は、円柱状のセンサ素子であって、長手方向に直交するセンサ断面の円周方向に磁化容易軸を有する複数の磁区１１９０を有する。ＭＩ素子の両端部は、交流電源１５０２に接続されている。隣接する磁区１１９０の間では、磁区内磁化の向き１１９１が互いに逆向きになっている。
【０００９】
このＭＩ素子に交流電流を流すと、表皮効果によって電子は素子表面を流れるが、素子に磁化容易軸方向の磁場が印加されることで、素子の透磁率が変化する。交流磁場中でのインピーダンスの変化量ΔZ/Zから、素子に印加された磁場の大きさを測定することが可能である。ただし、ＭＩ素子によって検出される磁場は、素子長手方向の磁場である。
【００１０】
また、印加する交流磁場の測定には、素子に表皮効果が生じる周波数により、高周波数モードと低周波数モードの２つのモードの測定方法がある。低周波数モードでは、印加される交流磁場に伴う素子の磁壁移動が生じる。一方、高周波数モードでは、磁壁は移動困難になり、磁化の回転が生じる。
【００１１】
図２は、ＭＩ素子を用いた高周波数モードでの磁場測定を説明するための図である。図２（ａ）は検出磁場が０の場合の磁化の状態を示し、図２（ｂ）は検出磁場が小さな場合の磁化の状態を示し、図２（ｃ）は検出磁場が大きな場合の磁化の状態を示す。また、図２（ｄ）は交流磁場によるインピーダンス変化量と検出磁場の関係を示す。
【００１２】
図２（ａ）から図２（ｃ）に示すように、検出磁場が大きくなるにつれて、磁区内の磁化の向きが回転する（磁化の回転）。図２（ｄ）に示すように、交流磁場によるインピーダンス変化量ΔZ/Zは、正極時と負極時とで左右対称のグラフ特性を示す。
【００１３】
非特許文献５には、ＭＩ素子を用いたＤＮＡの検出方法が記載されている。ＭＩ素子の周りをポリマーで覆い、これにビオチンを介して所望の塩基配列を持つＤＮＡを固定する。このＤＮＡが固定されたＭＩ素子を、磁性粒子を有する溶液中に浸漬させる。ただし、磁性粒子には、調べたいＤＮＡがビオチンを介して固定されている。調べたいＤＮＡ、つまり、この場合は磁性粒子に固定されているＤＮＡが、ＭＩ素子の表面に固定されているＤＮＡと相補的であるならば、ＤＮＡの結合によって、磁性粒子は素子表面に固定される。ＭＩ素子は、磁性粒子から発せられる浮遊磁場に依存したインピーダンスを示すので、間接的にＤＮＡが相補的であるか否かを検出することが可能となる。
【非特許文献１】H. A. Ferreira, et al, J. Appl. Phys., 93 7281 (2003)
【非特許文献２】Pierre-A. Besse, et al, Appl. Phys. Lett. 80 4199 (2002)
【非特許文献３】SeungKyun Lee, et al, Appl. Phys. Lett. 81 3094 (2002)
【非特許文献４】Richard Luxton, et al, Anal. Chem.16 1127 (2001)
【非特許文献５】Horia Chiriac, et al, J. Magn. Magn. Mat. 293 671 (2005)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
インピーダンスの測定では、非特許文献５に記載されているように、ＭＩ素子と直列に固定抵抗と交流電源を接続した電気回路が用いられ、固定抵抗の両端に生じる電圧を測定する。磁性粒子が固定される前後でそれぞれ測定したインピーダンスを比較する。
【００１５】
ＭＩ素子を用いた磁場測定では、図１に示したように、磁化容易軸が円周方向を向いている磁性体に、表皮効果が得られる周波数の交流電流を流すことで、磁化容易軸方向の交流磁場を素子表面に沿って印加する。このとき、素子長方向の検出磁場によって、各磁壁の磁化が容易軸に対して傾く効果の足し合わせが、図２（ｄ）に示すようなインピーダンスの変化となって観測される。つまり、ＭＩ素子による磁場測定は、各磁区がそれぞれ受ける検出磁場の影響の和を、出力として得ることになる。
【００１６】
このため、磁性粒子がＭＩ素子の表面に固定された後の磁場測定において、ＭＩ素子の磁区の位置と磁性粒子の付着位置との関係が変化すると、被検体の検出感度が大きく変化する。特に、後述するように、磁性粒子と磁区の位置関係によっては、磁性粒子からの磁場が磁区内で打ち消し合う状態となって、磁性粒子が存在するにもかかわらず、素子のインピーダンス変化を正確に検出できない場合がある。
【００１７】
そこで、本発明の目的は、上記問題を解決し、検出対象物質（磁性物質あるいは磁性物質に固定可能な物質）を高精度に検出することができる磁気センサ素子、及び当該素子を用いた検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明に係る磁気センサ素子は、複数の磁区が一方向に連なり、且つ隣り合う該磁区同士が互いに反対方向の磁化容易軸を有する多磁区構造体を備えている磁気センサ素子であって、前記多磁区構造体は表面領域を有し、該表面領域の内、前記多磁区構造体の一方の端から数えて２ｎ−１番目（ｎは自然数）の磁区と２ｎ番目の磁区との境界に位置する第１の表面部と、２ｎ番目の磁区と２ｎ＋１番目の磁区との境界に位置する第２の表面部とは、磁性粒子あるいは該磁性粒子に固定可能な物質に対する親和性が互いに異なる、ことを特徴とする。
【００１９】
また、別の本発明の磁気センサ素子は、複数の磁区が一方向に隣接して形成される多磁区構造を備え、前記複数の磁区のそれぞれが前記一方向と交差する所定の方向に磁化容易軸を有する磁気センサ素子であって、当該磁気センサ素子の表面における検出対象物質との親和性が、前記複数の磁区のそれぞれの境界に形成された複数の磁壁のうちの、前記多磁区構造の一方の端部から数えて奇数番目に位置する磁壁の部分と偶数番目に位置する磁壁の部分とで異なる、ことを特徴とする。
【００２０】
また、別の本発明に係る磁気センサ素子は、複数の磁区が一方向に隣接して形成される多磁区構造を備え、前記複数の磁区のそれぞれが前記一方向と交差する所定の方向に磁化容易軸を有する磁気センサ素子であって、前記多磁区構造の一方の端部から数えて２ｎ−１番目（ｎは自然数）に位置する磁壁上の前記センサ素子の第１の表面部と、２ｎ＋１番目（ｎは自然数）に位置する磁壁上の前記センサ素子の第２の表面部との間には、表面特性が異なる第３の表面部を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、磁気センサ素子に付着する磁性粒子などの付着位置を規定できる。具体的には、磁性粒子からの多磁区構造体に印加される磁場が、一の磁区内で打ち消し合う状態となることを低減することができ、これにより、検出対象物質の高精度な検出が実現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００２３】
図１５は、本発明に係る磁気センサ素子について説明するための概念図である。図１５Ａには、複数の磁区（５００１から５００６）が一方向に連なり、且つ隣り合う該磁区同士が互いに反対方向の磁化容易軸（図中の矢印）を有する多磁区構造体５０００を備えている様子が示されている。６００１から６００６は、磁区同士の境界であり、これを磁壁という場合もある。そして、多磁区構造体５０００は表面領域を有する。ここで表面領域とは、多磁区構造体の表面のことであり、磁区５００１から５００６で構成される表面全体のことである。また、多磁区構造体が、柱状の磁性体よりなり、該磁性体の長手方向に沿って前記複数の磁区が連なり、前記長手方向と交差する方向における前記磁性体の切断面の周方向に前記磁化容易軸を有するように構成することも好ましい。そして、前記切断面の形状を例えば、円形にすることができる。また、前記多磁区構造体は、基板上に積層された複数の磁性膜より構成し、該磁性膜の積層方向にと交差する方向に前記磁化容易軸を有するようにすることもできる。
【００２４】
上記表面領域の内、多磁区構造体５０００の一方の端から数えて２ｎ−１番目（ｎは自然数）の磁区５００１、５００３、５００５と２ｎ番目の磁区５００２、５００４、５００６との境界６００１、６００３、６００５に位置するのが、第１の表面部である。なお、一方の端を図の左端として、示している。そして、２ｎ番目の磁区（５００２、５００４、５００６）と２ｎ＋１番目の磁区（５００３、５００５）との境界（６００２、６００４、６００６）に位置するのが、第２の表面部である。この第１の表面部と第２の表面部とは、磁性粒子あるいは該磁性粒子に固定可能な物質に対する親和性が互いに異なるように構成することが本発明の特徴である。
【００２５】
そして、両者の親和性を異ならせることにより、検出対象となる磁性粒子あるいは該磁性粒子に固定可能な物質を、第１の表面部か第２の表面部の一方に付着し易くすることができる。
【００２６】
具体的には、図１５Ｂに示すように、磁区同士の境界６００１、６００３、６００５を含む多磁区構造体５０００の第１の表面部（７００１、７００３、７００５で示す点線で囲んだ領域）に、例えば、磁性粒子固定膜（不図示）を設ける。あるいは、図１５Ｃに示すように、磁区同士の境界６００１、６００３、６００５以外の境界（６００２、６００４）を含む領域８００１、８００２、８００３、８００４に、磁性粒子非固定化膜（不図示）を設ける。勿論、図１５Ｂ及び図１５Ｃの概念を併用することもできる。
【００２７】
なお、磁性粒子固定膜に代表されるように、上記第１の表面部には、上記磁性粒子あるいは該磁性粒子に固定可能な物質が、上記多磁区構造体の表面に選択的に付着するための膜を設けることが好ましい。
【００２８】
また、上記第２の表面部には、磁性粒子非固定膜に代表されるように、上記磁性粒子あるいは該磁性粒子に固定可能な物質が、上記多磁区構造体の表面に付着することを抑制する膜を設けることが好ましい。
【００２９】
また、図１５Ｂと図１５Ｃでは、第１の表面部に当該検出対象を付着し易くする手法を説明する。勿論、本発明は、第１の表面部ではなく、第２の表面部に当該検出対象を付着し易くすることを除外するものではない。
【００３０】
このように、第１の表面部か第２の表面部の一方に、選択的に検出対象物質を付着させることで、付着位置の変動に伴う測定精度の低下を回避することができる。
【００３１】
図３は、本発明の一実施形態である磁気センサ素子を備える磁性物質を検出するための検出装置の模式図である。
【００３２】
図３を参照すると、磁性物質検出装置の主要部は、磁気センサ素子であるＭＩ素子１と、ＭＩ素子１に交流電流を流すための交流電源２とを有する。
【００３３】
ＭＩ素子１には、CoSiB、FeCoSiB、FeCoMoSiBなどからなるアモルファス磁性ワイヤや、検出感度を向上させるために、磁性ワイヤの中央部を非磁性の導電性材料で形成した素子等を用いることができる。
【００３４】
ＭＩ素子１の断面形状（長手方向と交差する方向に切断した面）は特に限定されるものではなく、長手方向の磁場を検出できるのであれば、どのような形状であってもよい。ＭＩ素子１の断面形状は、例えば円形や多角形であってもよい。断面形状が多角形の場合は、その断面の中心点で点対称な形状とされる。また、ＭＩ素子１は、柱状のものに限定されるものではなく、薄膜構造のものであってもよい。
【００３５】
図３に示す例では、ＭＩ素子１は四角柱の形状であって、その両端部は、交流電源２に接続されている。このＭＩ素子１では、長手方向に直交する方向における断面の周方向（所定の方向）に磁化容易軸を有する複数の磁区１１９０からなる多磁区構造が形成される。隣接する磁区１１９０の間では、磁区内の磁化の向きは互いに逆向きになっている。各磁区１１９０の境界に磁壁が形成される。
【００３６】
例えば高周波数モードでの磁場測定において、ＭＩ素子１の磁壁部表面付近を、一方の端面から順に領域Ｒ１、領域Ｒ２・・・領域Ｒｎと定義する。これら領域のうち奇数番目の領域（黒地に白点で示す領域）である磁壁表面付近１６０１と偶数番目の領域（白地に黒点で示す領域）である磁壁表面付近１６０２とでは、検出対象物質（磁性粒子或は磁性粒子に固定可能な物質）との親和性が異なる。磁性粒子は磁性物質であり、磁性粒子に固定可能な物質は非磁性物質（生体物質）である。ここでは、磁壁表面付近１６０１が親和性の高い領域とされ、磁壁表面付近１６０２における親和性は、磁壁表面付近１６０１に比べて低くなっている。親和性は、磁壁表面付近１６０１から磁壁表面付近１６０２の間で徐々に変化してもよい。また、親和性は、磁壁表面付近１６０１、１６０２のそれぞれで局所的に異なっていても構わない。
【００３７】
スパッタやめっき、蒸着などの膜形成手法を用いて、よりＭＩ素子１の表面に膜を形成し、該素子表面の膜構造を奇数番目の磁壁表面付近と偶数番目の磁壁表面付近とで異なるようにする。これにより、磁壁表面付近１６０１と磁壁表面付近１６０２とで、磁性粒子或は磁性粒子に固定可能な物質との親和性を変化させることができる。この際、ＭＩ素子１の磁区構造に合わせてマスクを用いることも有効である。ＭＩ素子１の表面に形成する膜の厚みや組成を徐々に変化させることで、奇数番目の磁壁表面付近と偶数番目の磁壁表面付近で磁性粒子或は磁性粒子に固定可能な物質との親和性を変化させることができる。
【００３８】
磁性粒子或は磁性粒子に固定可能な物質と親和性の高い（或は低い）材料を用いて膜を形成し、奇数番目の磁壁表面付近で最も厚い膜厚が得られるようにしても良い。この場合は、コリメートスパッタや、選択スパッタなどで成膜可能である。さらに、別の手法として、ＭＩ素子を筐体に埋め込み、露出したセンサ面内で上記の膜構造を実現することも可能である。
【００３９】
図４（ａ）に示す例では、磁性粒子或は磁性粒子に固定可能な物質と親和性の高い材料よりなる磁性粒子固定膜１２０４が磁壁表面付近１６０１にのみ形成されている。磁性粒子固定膜１２０４は、磁壁表面付近１６０２には形成されていない。この膜構成によれば、図５（ａ）に示すように、磁壁表面付近１６０１にのみ磁性粒子１４０１が固定される。
【００４０】
図４（ｂ）に示す例では、磁性粒子或は磁性粒子に固定可能な物質と親和性の低い材料よりなる磁性粒子非固定膜１２０５が、素子表面のうち、磁壁表面付近１６０１を除くに形成されている。この膜構成によれば、図５（ｂ）に示すように、磁壁表面付近１６０１にのみ磁性粒子１４０１が固定される。
【００４１】
次に、図４（ａ）に示したような磁性粒子固定膜１２０４が形成され、または、図４（ｂ）に示したような磁性粒子非固定膜１２０５が形成されたＭＩ素子にて検出される素子長手方向成分の磁場強度について詳細に説明する。
【００４２】
図６は、ＭＩ素子で検出可能な素子長手方向成分の磁場強度を説明するための模式図である。図６を参照すると、磁化mを持つ１個の磁性粒子１４０１が、円柱状のＭＩ素子１２００上に固定されている。素子長手方向をＺ方向とする。磁性粒子１４０１が接する箇所の、素子長手方向に垂直な面における一方の方向をＸ方向、他方の方向をＹ方向とする。ＭＩ素子１２００上の点Ｐにおける、磁性粒子１４０１から生じる浮遊磁場Ｈsは、以下の（1）式で表される。
【００４３】
【数１】
0005349840.tif 000002
【００４４】
ここで、（1）式を解いて、検出可能な素子長手方向成分の磁場強度|Hs(z)|の面積分をとり、Ｈssumとする。
【００４５】
図７（a）に、奇数番目または偶数番目の磁壁表面付近にのみ磁性粒子１４０１が存在する場合の素子長手方向成分の磁場の状態を示し、図７（ｂ）に、磁区の中央付近に磁性粒子１４０１が存在する場合の素子長手方向成分の磁場の状態を示す。図７（ａ）の状態（以下、状態Ａと称す）と図７（ｂ）の状態（以下、状態Ｂと称す）とでは、Ｈssumの値が大きく異なる。以下に、最も磁性粒子の影響を受ける、磁性粒子に最近接の磁区をとり上げて説明する。
【００４６】
ここでは、状態Ａは、磁性粒子が奇数番目の磁壁表面付近にのみに存在する状態と仮定する。この状態Ａでは、磁性粒子に最近接の磁区は、奇数番目の磁壁を挟んで隣接する第１および第２の磁区がある。これら第１および第２の磁区が磁性粒子から受ける磁場は磁壁を境に逆向きになるが、それぞれの磁区内における磁場の向きは同じである。
【００４７】
一方、状態Ｂでは、磁性粒子に最近接の磁区がその磁性粒子から受ける磁場は、ＭＩ素子の磁性粒子との接点を含む素子断面を境に逆向きになる。このため、磁区内では、磁性粒子からの磁場が打ち消し合うように働く。この結果、逆向きのＨsが一つの磁区内で足し合わされ、最近接の磁区が受ける磁場は小さくなる。
【００４８】
上記から分かるように、Ａの状態の場合は、磁区内で磁場が打ち消し合うことはないので、磁場の検出感度が高くなる。これに対して、Ｂの状態の場合は、磁区内で磁場が打ち消し合うことになるので、磁場の検出感度が低くなる。なお、奇数番目または偶数番目の磁壁表面付近に複数の磁性粒子１４０１が付着してもよい。
【００４９】
磁区内で磁場が打ち消し合う状態の別の形態として、図８（ａ）に、奇数番目または偶数番目の磁壁の、対向する磁壁表面付近に磁性粒子１４０１が付着した場合の素子長手方向成分の磁場の状態を示す。この状態においては、同一磁区内において、一方の側に付着した磁性粒子からの磁場と他方の側に付着した磁性粒子からの磁場とが打ち消し合うことになるので、磁場の検出感度が低くなる。
【００５０】
磁区内で磁場が打ち消し合う状態のさらに別の形態として、図８（ｂ）に、奇数番目および偶数番目の各磁壁の磁壁表面付近に磁性粒子１４０１が付着した場合の素子長手方向成分の磁場の状態を示す。この状態においては、同一磁区内において、一方の側の壁部表面に付着した磁性粒子からの磁場と他方の側の壁部表面に付着した磁性粒子からの磁場とが打ち消し合うことになるので、磁場の検出感度が低くなる。
【００５１】
実際のＭＩ素子の出力には、より詳細な条件が影響するが、図７（ａ）や図８（ａ）に示したように、磁性粒子が奇数番目（あるいは偶数番目）の磁壁表面付近にのみ付着するように構成することで、高い出力が得られる。
【００５２】
磁性粒子の検出時に、外部から静磁場をかけるなどして磁性粒子の磁化をある方向に設定して検出を行うことで、軟磁性の磁性粒子の検出においても、上述した計算モデルに似た状況を実現することができる。状態Ａで、高い感度で磁性粒子の検出が可能となるため、発生する磁場がより少ない磁性粒子の検出も可能となる。
【００５３】
所望の磁場が印加できるのであれば、静磁場印加手段はどのような手段であってもよい。例えば、静磁場印加手段は、永久磁石であってもよく、電磁石であってもよい。静磁場の印加方向は、磁性粒子が検出可能な条件であれば、どの方向でも構わない。磁性粒子の検出が困難方向とされる、ＭＩ素子の長手方向に対して垂直な方向に、静磁場をかけることで、ＭＩ素子の感度の飽和を回避することができる。
【００５４】
以上、主に１個の磁性粒子がＭＩ素子表面に固定された場合について説明したが、複数の磁性粒子が固定されている場合においても、同様に考えられる。
【００５５】
ＭＩ素子の特定位置に磁化が固定された領域（ピン止め領域）を形成する、或いは膜形状の効果を利用して、高周波磁場印加時のＭＩ素子の磁区構造を制御し、より精度良く状態Ａに近い構造を実現することが好ましい。
【００５６】
また、上記効果が得られる条件であればよく、測定条件は、高周波数モードの測定に限るものでもない。
【００５７】
ＭＩ素子を用いた磁性粒子の検出装置は、非特許文献５に記載されているような、交流電源と固定抵抗器をＭＩ素子に直列に接続し、固定抵抗器の両端の電圧を検出する電圧計を接続した構造であっても構わない。
【００５８】
本発明に係る多磁区構造は、例えば、柱状の磁性体よりなり、該磁性体の長手方向に沿って前記複数の磁区が形成され、前記長手方向と交差する方向に前記磁性体を切断した断面における周方向に前記磁化容易軸を有する。また、前記多磁区構造は、基板上に形成された磁性膜よりなり、該磁性膜の面内方向において、前記複数の磁区が前記一方向に形成され、前記一方向と交差する方向に前記磁化容易軸を有するように構成してもよい。
【００５９】
また、別の本発明に係る磁気センサ素子は、以下の特徴を有する。
【００６０】
具体的には複数の磁区が一方向に隣接して形成される多磁区構造を備え、前記複数の磁区のそれぞれが前記一方向と交差する所定の方向に磁化容易軸を有する磁気センサ素子であって、該素子の表面特性に関して以下の特徴を有する。
【００６１】
前記多磁区構造の一方の端部から数えて２ｎ−１番目（ｎは自然数）に位置する磁壁上の前記センサ素子の第１の表面部と、２ｎ＋１番目（ｎは自然数）に位置する磁壁上の前記センサ素子の第２の表面部との間に、第３の表面部を有するのである。ここで、第３の表面部は、第１及び第２の表面部と表面特性（例えば、磁性粒子や生体などの非磁性物質との親和性）が異なる。第３の表面部は、例えば、２ｎ番目（ｎは自然数）に位置する磁壁上に主として設けられる。表面特性は、必ずしも物質の親和性のみならず、表面荒れなどの形状の相違であっても、結果として検出対象物質を選択的に検知しやすくなるのであれば特に制限されるものではない。
【実施例１】
【００６２】
図９に、本発明の第１の実施例である免疫センサの構成を示す。免疫センサを構成するＭＩ素子１２００は、直径φが１５μｍのＣｕからなる非磁性導電体１２０１を備える。非磁性導電体１２０１の表面は、膜厚が７．５μｍのFeCoSiBからなる磁性膜１２０２で覆われている。
【００６３】
４０ＭＨｚの交流電流を非磁性導電体１２０１に印加した際に、ＭＩ素子１２００に形成される磁区構造について、片一方のセンサ端面から数えて、奇数番目の磁壁表面付近１６０１に、２０ｎｍのＡｕからなる磁性粒子固定膜１２０４が形成されている。
【００６４】
磁性粒子固定膜１２０４と磁性膜１２０２の間には、膜厚が５０ｎｍのＳｉＯ2からなる絶縁薄膜１２０３が形成されている。ただし、ＭＩ素子１２００を構成する各部の材料や膜厚は、ここで説明したものに限定されるものではなく、磁性粒子が検出可能であるならば、ＭＩ素子１２００はどのような構成にしてもよい。
【００６５】
ＭＩ素子１２００は、筐体１３０１内の流路１３０２中に、その両端が支持される状態で収容されている。ＭＩ素子１２００の全長は約６ｍｍである。図９では、ＭＩ素子１２００は、一本の直線状のものとされているが、これに限定されるものではない。ＭＩ素子１２００は、流路中で折り返して配されてもよい。
【００６６】
また、ＭＩ素子１２００の収容形態は、図９に示した構成に限定されるものではない。図１０に、ＭＩ素子１２００の別の収容形態を示す。図１０を参照すると、筐体１３０１はその内部に断面形状が四角形の流路１３０２を備える。複数のＭＩ素子１２００が筐体１３０１の内壁部に埋め込まれている。各ＭＩ素子１２００の表面の一部が流路１３０２内に僅かに露出している。
【００６７】
図１１に、ＭＩ素子の表面の一部が流路内に僅かに露出している状態を模式的に示す。この例では、ＭＩ素子１２００の表面のうち、長手方向全体に亘る一部の表面が流路内に露出している。筐体１３０１の内壁である筐体表面１３０３により流路１３０２の壁部（流路壁）が形成されている。ＭＩ素子１２００の両端に、交流電源１５０２から交流電流が供給される。静磁場は、筐体表面１３０３に垂直な方向に印加される。ＭＩ素子１２００の流路１３０２内に露出した面に、磁性粒子１４０１が付着する。
【００６８】
このようにＭＩ素子１２００を筐体１３０１内に埋め込む収容形態によれば、磁性粒子１４０１が、ＭＩ素子１２００の長軸に対して線対称の位置に付着するのを防ぐことができる。
【００６９】
なお、ＭＩ素子１２００を筐体１３０１内に埋め込む収容形態は、図１０に示す構成に限定されるものではない。筐体１３０１内の流路を断面形状が円形の流路として、複数のＭＩ素子１２００をその表面の一部が流路１３０２内に僅かに露出するように、筐体１３０１の壁部内に埋め込んでもよい。また、前記磁気センサ素子が、該磁気センサ素子の長手方向に渡って表面の一部が前記流路中に露出するように前記筐体の内壁に埋め込まれていてもよい。
【００７０】
図１２に、抗原−抗体反応によって、磁性粒子固定膜上に磁性粒子が付着する状態を模式的に示す。図１２を参照すると、磁性粒子１４０１は、磁性粒子固定膜１２０４上に、一次抗体１４０２、抗原１４０３および二次抗体１４０４を介して固定される。抗原１４０３は、具体的には、前立腺癌のマーカーとして知られている前立腺特異抗原（ＰＳＡ）である。
【００７１】
免疫センサでは、以下のプロトコールに従って、抗原１４０３である前立腺特異抗原（ＰＳＡ）の検出が行われる。
【００７２】
（１）流路１３０２内に露出したＭＩ素子１２００の表面部分には、抗原（ＰＳＡ）１４０３を認識する一次抗体１４０２が固定化されている。被検体であるＰＳＡ１４０３を含むリン酸緩衝生理食塩水（被検体溶液）を流路１３０２内に注入し、５分間インキュベートする。
【００７３】
（２）リン酸緩衝生理食塩水を流路１３０２内に流し、未反応のＰＳＡ１４０３を除去する。
【００７４】
（３）磁性粒子１４０１により標識された二次抗体（抗ＰＳＡ抗体）１４０４を含むリン酸緩衝生理食塩水を流路１３０２内に注入し、５分間インキュベートする。
【００７５】
（４）未反応の標識抗体をリン酸緩衝生理食塩水で洗浄する。
【００７６】
上述のプロトコールによって、磁性粒子１４０１が、抗ＰＳＡ抗体１４０４、ＰＳＡ１４０３および一次抗体１４０２を介してＭＩ素子１２００の表面に固定される。つまり、被検体の中にＰＳＡ１４０３が存在しない場合は、磁性粒子１４０１は、ＭＩ素子１２００の表面に固定されないので、磁性粒子１４０１の有無を検出することによって、ＰＳＡ１４０３を検出することができる。
【００７７】
次に、磁性粒子１４０１の測定手順について説明する。
【００７８】
図１３に、免疫センサを用いた基本的な検出回路を示す。図１３を参照すると、検出回路は、ＭＩ素子１２００と、ＭＩ素子１２００に直列に接続された交流電源１５０２および固定抵抗１５０１と、固定抵抗１５０１の両端の電圧を検出する電圧計１５０３とからなる。ＭＩ素子１２００の中心に設けられたＣｕ部に４０ＭＨｚの交流電流を流すことで、ＭＩ素子１２００の外周に沿って高周波数の磁場を印加する。
【００７９】
図１４に、免疫センサを用いた磁性物質検出装置の構成を示す。図１４を参照すると、ＭＩ素子１２００によりなる検出部１３００が、磁極１１０１と磁極１１０２の間の中央に配される。ただし、図１４は断面図であり、磁極１１０１、磁極１１０２および検出部１３００はそれぞれ、図面に対して垂直方向に長い形状とされる。
【００８０】
筐体表面に対して垂直な方向が、ＭＩ素子１２００の磁場の検出が困難な方向である。静磁場を筐体表面に対して垂直な方向に印加し、ＭＩ素子１２００の表面に固定された磁性粒子１４０１の磁化方向を筐体表面にほぼ垂直な方向に揃える。
【００８１】
ＭＩ素子１２００の検出信号の大きさから、ＭＩ素子１２００の表面に固定された磁性粒子１４０１の数量を特定し、被検体中に含まれる抗原１４０３の量を間接的に求めることができる。
【００８２】
本実施例の免疫センサにおいて、筐体１３０１内の流路１３０２の数は１つとされているが、これに限定されるものではない。筐体１３０１内に複数の流路を形成し、各流路に、図１４に示したような状態で検出部１３００を設けてもよい。この場合は、各流路で異なる抗原-抗体反応が生じるようにすることで、一度に複数の抗原を検出することができる。
【００８３】
また、測定に用いる交流磁場の周波数は、ＭＩ素子に表皮効果が生じ、高周波モード測定が可能であれば、任意に選択できる。
【００８４】
また、ＭＩ素子１２００は、非磁性導体を含まず、一様な組成の磁性材料で構成されていてもよい。
【００８５】
さらに、ＭＩ素子１２００の、長手方向と交差する方向における断面の形状は、その断面の中心点を点対称とする多角形であってもよい。
【実施例２】
【００８６】
免疫センサを構成するＭＩ素子は、薄膜構造であってもよい。ＭＩ素子は、基板上に形成された磁性膜（薄膜）を有する。磁性膜の膜面内において、磁性膜の長手方向と交差する方向、すなわち略垂直方向（所定の方向）に磁化容易軸を有する。このＭＩ素子も、印加される磁場の大きさに依存してインピーダンスが変化するセンサ素子であって、磁性膜は、その長手方向に沿って複数の磁区が隣接して形成された多磁区構造を有する。ＭＩ素子のどちらか一方の端部から数えて、奇数番目の磁壁表面付近における検出対象物質との親和性と、偶数番目の磁壁表面付近における検出対象物質との親和性が異なる。具体的には、奇数番目および偶数番目のいずれか一方の磁壁表面付近における検出対象物質との親和性が他方の親和性より高くなっている。
【００８７】
上記の構成のＭＩ素子を備える免疫センサによっても、第１の実施例の免疫センサと同様な効果を得られる。なお、本例の免疫センサにおいて、磁性粒子の磁化を揃えるために加える静磁場は、磁性膜の膜面に垂直な方向に印加するのが好ましい。
【００８８】
以上説明した本発明の磁気センサ素子およびそれを用いた磁性物質検出装置によれば、磁性粒子の付着位置は、奇数番目または偶数番目の磁壁部分の素子表面付近に限定される。よって、磁性粒子からの磁場が磁区内で打ち消し合う状態となることを抑制することができ、これにより、検出対象物質（磁性粒子あるいは磁性粒子を標識とした非磁性物質）を高精度に検出することができる。
【００８９】
以上説明した実施形態は、本発明の一例であり、その構成および動作は発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜に変更することができる。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明は、例えば、臨床検査におけるＤＮＡ診断に用いることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】多磁区構造を有するＭＩ素子を示す模式図である。
【図２】ＭＩ素子を用いた高周波数モードでの磁場測定を説明するための図である。
【図３】本発明の一実施形態である磁気センサ素子を備える磁性物質検出装置の構成を示す模式図である。
【図４】図３に示す磁気センサ素子の磁壁表面付近の構成を説明するための図で、（ａ）は磁性粒子固定膜が形成された磁壁表面付近の状態を示す模式図、（ｂ）は磁性粒子非固定膜が形成された磁壁表面付近の状態を示す模式図である。
【図５】（ａ）は図４（ａ）に示す磁性粒子固定膜に磁性粒子が付着した状態を示す模式図、（ｂ）は図４（ｂ）に示す磁性粒子非固定膜以外の部分に磁性粒子が付着した状態を示す模式図である。
【図６】ＭＩ素子で検出可能な素子長手方向成分の磁場強度を説明するための模式図である。
【図７】（a）は奇数番目または偶数番目の磁壁表面付近にのみ磁性粒子が存在する場合の素子長手方向成分の磁場の状態を示す模式図、（ｂ）は磁区の中央付近に磁性粒子が存在する場合の素子長手方向成分の磁場の状態を示す模式図である。
【図８】（a）は磁区内で磁場が打ち消し合う状態の別の形態を示す模式図、（ｂ）は磁区内で磁場が打ち消し合う状態のさらに別の形態を示す模式図である。
【図９】本発明の第１の実施例である免疫センサの構成を示す模式図である。
【図１０】図９に示すＭＩ素子の別の収容形態を示す模式図である。
【図１１】図１０に示すＭＩ素子の表面の一部が流路内に僅かに露出している状態を示す模式図である。
【図１２】抗原−抗体反応によって、磁性粒子固定膜上に磁性粒子が付着する状態を示す模式図である。
【図１３】図９に示す免疫センサを用いた基本的な検出回路を示す回路図である。
【図１４】図９に示す免疫センサを用いた磁性物質検出装置の構成を示す模式図である。
【図１５】本発明に係る磁気センサ素子について説明するための図である。
【符号の説明】
【００９２】
１  ＭＩ素子
２  交流電源
１１９０  磁区
１１９１  磁区内磁化の向き
１２０１  非磁性導体
１２０２  磁性体
１６０１、１６０２  磁壁表面付近
【図７】
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【図８】
0005349840.tif 000004
【図９】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図１０】
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【図１１】
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