(57)【要約】【課題】迅速かつ正確に磁性体粒子の量を測定可能なバイオセンサを提供する。【解決手段】本発明のバイオセンサは、弱磁場を印加した場合における弱磁場出力値と、磁気センサに磁性体粒子５１が未結合の状態における出力値と、の差分を各ホール素子について算出し、全てのホール素子についての差分値分布の散布度に基づき、磁気センサに結合した磁性体粒子５１の量を特定する。未結合の状態における出力値の代わりに強磁場を印加した場合における強磁場出力値を用いてもよい。【選択図】図１
2007212233.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検知した磁場の強さに応じた出力値を出力する複数の磁場検知素子がＸ行Ｙ列（Ｘ及びＹは自然数である）の２次元に配置されてなる磁気センサを備え、前記磁気センサに結合した磁性体粒子の量を前記出力値に基づいて測定するバイオセンサであって、
前記各磁場検知素子の出力値と、前記磁気センサに磁性体粒子が未結合の状態における当該磁場検知素子の出力値と、の差分値を、前記複数の磁場検知素子から得て、前記複数の磁場検知素子から得た差分値分布の散布度に基づいて、前記結合した磁性体粒子の量を算出する信号処理手段を備えることを特徴とするバイオセンサ。
【請求項２】
検知した磁場の強さに応じた出力値を出力する複数の磁場検知素子がＸ行Ｙ列（Ｘ及びＹは自然数である）の２次元に配置されてなる磁気センサを備え、前記磁気センサに結合した磁性体粒子の量を前記出力値に基づいて測定するバイオセンサであって、
前記磁性体粒子が結合した前記磁気センサに、種々の強度の外部磁場を印加する外部磁場印加手段を備え、前記種々の強度の外部磁場のうち１つは、前記結合した磁性体粒子の少なくとも一部の磁化が飽和状態となるような範囲内の強度である強磁場であり、他の１つは、前記結合した磁性体粒子の透磁率が初透磁率から最大透磁率の間にあるような範囲内の強度である弱磁場であるとともに、
前記弱磁場が印加された場合における前記各磁場検知素子の弱磁場出力値と、前記強磁場が印加された場合における当該磁場検知素子の強磁場出力値と、の差分値を、前記複数の磁場検知素子から得て、前記複数の磁場検知素子から得た差分値分布の散布度に基づいて、前記結合した磁性体粒子の量を算出する信号処理手段を備えることを特徴とするバイオセンサ。
【請求項３】
前記信号処理手段は、前記磁気センサに配置される複数の磁場検知素子の出力値から一部の出力値を省き、残りの出力値に基づいて、前記結合した磁性体粒子の量を特定することを特徴とする請求項１又は２に記載のバイオセンサ。
【請求項４】
前記信号処理手段は、前記差分値分布の散布度として、互いに異なる統計関数により算出される２種類以上の散布度を用いて、前記結合した磁性体粒子の量を算出することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のバイオセンサ。
【請求項５】
前記磁場検知素子は、磁場の検知が可能な検知空間に形成される磁束の磁束密度に比例する出力値を出力するものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のバイオセンサ。
【請求項６】
前記磁場検知素子は、ホール素子であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のバイオセンサ。
【請求項７】
前記各磁場検知素子が、互いに異なる磁性体粒子を検知するような間隔をおいて配置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のバイオセンサ。
【請求項８】
前記磁気センサ表面に結合していない磁性体粒子を該磁気センサ表面から遠ざけるような磁場を発生する第１の磁場発生手段を、前記磁気センサ表面の対向位置に設けたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のバイオセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はバイオセンサに関し、特に特に磁性体粒子の量を測定することにより測定対象物の分析を行うためのバイオセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、抗原とそれに対する抗体との結合等の、特定の分子同士の特異的な結合を利用して抗原、抗体、ＤＮＡ（Ｄｅｏｘｙｒｉｂｏｎｕｃｌｅｉｃ  Ａｃｉｄ）、ＲＮＡ（Ｒｉｂｏｎｕｃｌｅｉｃ  Ａｃｉｄ）等を検出する、免疫学的手法による臨床診断・検出や遺伝子の解析が行われている。
これらの分析の手法の１つである固相結合分析において、磁性体粒子を用いる方法がある。従来の磁性体粒子を用いた固相分析の模式図が、図９に示されている。
【０００３】
図に示されるように、この分析は、固相９１と、捕捉用分子受容体６１と、磁性体粒子５１と、検出用分子受容体６３と、を用いて行われ、測定対象物質６２の分析を行う。
固相９１は、試料溶液と接する固相面を有し、該固相面に捕捉用分子受容体６１を固定する。固相には、ポリスチレンビーズ、反応槽壁面、基板表面などが用いられる。
捕捉用分子受容体６１は、試料溶液中に存在する抗原、抗体、ＤＮＡ、ＲＮＡ等の測定対象物質６２を選択的に固相に保持する物質である。測定対象物質６２に特異的に結合する分子が用いられ、抗原、抗体、ＤＮＡ、ＲＮＡ等が用いられる。
【０００４】
磁性体粒子５１は、磁性を帯びた標識物質である。この磁性体粒子の形成する磁場を検知することにより、後述のような状態にある磁性体粒子５１の量を特定し、試料溶液中の測定対象物の有無あるいは濃度を認識することができる。磁性体粒子５１のほかに標識として、放射性物質、蛍光体、化学発光体、酵素など検知可能な信号を発するものが用いられている。これら標識を用いた検査法としては、抗原−抗体反応を利用した酵素免疫測定法（ＥＩＡ法）や、イムノアッセイの標識化合物として化学発光性化合物で標識する狭義の化学発光法（ＣＬＩＡ）や化学発光性化合物を検出系に用いて酵素活性を高感度に検出する化学発光酵素法（ＣＬＥＩＡ）等の化学発光法（ＣＬ法）等が公知である。
【０００５】
検出用分子受容体６３は、あらかじめ磁性体粒子５１に結合された測定対象物質６２に特異的に結合するものであり、抗体などが用いられる。
図に示される分析においては、まず、あらかじめ捕捉用分子受容体６１が固定された固相９１に、測定対象物質６２を含む試料溶液を投入する。これにより、測定対象物質６２が、特異的に結合する。試料溶液中に含まれる他の物質は、固相９１に結合することなく、試料溶液中を浮遊する。次に、検出用分子受容体６３を固定した磁性体粒子５１を試料溶液中に投入する。これにより、検出用分子受容体６３が、固相に固定された捕捉用分子受容体６１に特異的に結合した測定対象物質６２に、特異的に結合する。次に、この磁性体粒子の磁気を検知し、固相９１面に結合した磁性体粒子５１の量を特定する。これにより、固相９１面に結合した測定対象物質６２の濃度あるいは、位置を特定することができる。この磁気の検知を、アレイ状に配置した磁気抵抗素子により検出する方法が特許文献１及び特許文献２により開示されている。
【０００６】
これら標識を利用した分析の手法として、上述の分子受容体に特異的に結合した測定対象物に、さらに標識を付けた別の分子を特異的に結合させるサンドイッチアッセイ法以外にも、測定対象物と標識を付けた別の分子とを分子受容体に競合させて結合させる競合アッセイ法等がある。
【特許文献１】米国特許第５，９８１，２９７号明細書
【特許文献２】国際特許ＷＯ９７／４５７４０明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の手法では、標識からの発光等の信号を光学的な検出装置等の該信号の検知が可能な装置により検出している。これらの方法では、固相表面に固定されている結合分子に特異的に結合している分子の標識からの信号のみを捕らえる必要がある。しかしながら、光学的な検出の場合、未結合の標識分子が存在すると、この標識からの信号も捕らえることになり、正確な解析が行えない。
従って、未結合の標識分子は完全に洗い流す必要がある。また、光学的な検出装置では、微弱な光信号を検出する必要があり、検出装置の小型化や低価格化が困難である。
【０００８】
又、上述の特許文献１で開示されているように磁性体粒子を標識に用いて磁気抵抗素子により検出する方法では、未結合の標識分子を洗い流す必要はない。しかしながら、磁気抵抗素子をアレイ状に配置した検出チップでは、個々の素子の信号を独立に取り出すためには、スイッチング回路が必要となる。アレイ状の個々の素子からスイッチング回路まではそれぞれ電気配線が必要である。このため、素子の数が増えるほど、配線が複雑かつ配線の占める面積が増えて小型化が困難である等の問題がある。
【０００９】
上述の特許文献２では、磁気抵抗素子により構成されるブリッジ回路とスイッチ素子となるトランジスタで磁性体粒子の検出回路を構成している。しかしながら、磁気抵抗素子は磁性材料を必要とする為、トランジスタを含む回路の一部を一般的な集積回路製造プロセスで加工した後、磁性薄膜の形成及び加工工程が必要となる。
本発明の目的は、抗原、抗体、ＤＮＡ、ＲＮＡ等の測定対象物を磁場の検知により分析することにより未結合の標識分子を洗い流すことが不要なバイオセンサにおいて、小型かつ低価格で、より検知の精度が高いバイオセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１によるバイオセンサは、検知した磁場の強さに応じた出力値を出力する複数の磁場検知素子がＸ行Ｙ列（Ｘ及びＹは自然数である）の２次元に配置されてなる磁気センサを備え、前記磁気センサに結合した磁性体粒子の量を前記出力値に基づいて測定するバイオセンサであって、
前記各磁場検知素子の出力値と、前記磁気センサに磁性体粒子が未結合の状態における当該磁場検知素子の出力値と、の差分値を、前記複数の磁場検知素子から得て、前記複数の磁場検知素子から得た差分値分布の散布度に基づいて、前記結合した磁性体粒子の量を算出する信号処理手段を備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明の請求項２によるバイオセンサは、検知した磁場の強さに応じた出力値を出力する複数の磁場検知素子がＸ行Ｙ列（Ｘ及びＹは自然数である）の２次元に配置されてなる磁気センサを備え、前記磁気センサに結合した磁性体粒子の量を前記出力値に基づいて測定するバイオセンサであって、
前記磁性体粒子が結合した前記磁気センサに、種々の強度の外部磁場を印加する外部磁場印加手段を備え、前記種々の強度の外部磁場のうち１つは、前記結合した磁性体粒子の少なくとも一部の磁化が飽和状態となるような範囲内の強度である強磁場であり、他の１つは、前記結合した磁性体粒子の透磁率が初透磁率から最大透磁率の間にあるような範囲内の強度である弱磁場であるとともに、
前記弱磁場が印加された場合における前記各磁場検知素子の弱磁場出力値と、前記強磁場が印加された場合における当該磁場検知素子の強磁場出力値と、の差分値を、前記複数の磁場検知素子から得て、前記複数の磁場検知素子から得た差分値分布の散布度に基づいて、前記結合した磁性体粒子の量を算出する信号処理手段を備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項３によるバイオセンサは、請求項１又は２において、前記信号処理手段は、前記磁気センサに配置される複数の磁場検知素子の出力値から一部の出力値を省き、残りの出力値に基づいて、前記結合した磁性体粒子の量を特定することを特徴とする。
本発明のバイオセンサでは、ある特定の生体分子どうしの特異的な結合を利用するものであるが、一般にこれらの反応系では非特異的な結合が、ある確率で存在する。例えば、測定対象物が無い場合でも分子受容体同士が結合し、磁性体粒子が凝集し塊となってセンサ表面に非特異的に結合する場合もある。２次元に配置した磁気検知素子上で、一部の素子に突発的に磁性体粒子の塊が結合したり、逆に一部の素子のみ全く磁性体粒子が結合しない場合がある。そこで出力値の異常な一部の磁気検知素子の出力値を省くことにより、突発的な生体分子の反応が生じたとしても、より正確な磁性体粒子量の特定が可能となる。
【００１３】
本発明の請求項４によるバイオセンサは、請求項１〜３のいずれか一項において、前記信号処理手段は、前記差分値分布の散布度として、互いに異なる統計関数により算出される２種類以上の散布度を用いて、前記結合した磁性体粒子の量を算出することを特徴とする。
均一に分散した磁性体粒子が特異的にセンサ表面に結合した場合と、磁性体粒子が凝集して塊となってセンサ表面に非特異的に結合した場合とでは、センサ表面での磁性体粒子の分布状態が異なる。散布度を示す関数としては、平均偏差や尖度などが挙げられ、分布状態が偏っていると尖度の値が大きく変化する。このように複数の散布度を示す指標を用いることにより、結合状態まで特定することが可能となり、より正確な測定が可能になる。
【００１４】
本発明の請求項５によるバイオセンサは、請求項１〜４のいずれか一項において、前記磁場検知素子は、磁場の検知が可能な検知空間に形成される磁束の磁束密度に比例する出力値を出力するものであることを特徴とする。
このように、出力値が検知空間の磁束密度に対して比例する磁場検知素子を用いることにより、上述のように種々の強度の外部磁場における磁束密度の測定精度を向上させることができる。
本発明の請求項６によるバイオセンサは、請求項１〜５のいずれか一項において、前記磁場検知素子は、ホール素子であることを特徴とする。
上述のように、出力値が検知空間の磁束密度に対して比例するホール素子を用いること
により、測定精度が優れたものとなる。
【００１５】
本発明の請求項７によるバイオセンサは、請求項１〜６のいずれか一項において、前記各磁場検知素子が、互いに異なる磁性体粒子を検知するような間隔をおいて配置されていることを特徴とする。
これにより、隣接する磁場検知素子同士が同一の磁性体粒子を検知するなどの干渉を抑えることができる。
本発明の請求項８によるバイオセンサは、請求項１〜７のいずれか一項において、前記磁気センサ表面に結合していない磁性体粒子を該磁気センサ表面から遠ざけるような磁場を発生する第１の磁場発生手段を、前記磁気センサ表面の対向位置に設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のバイオセンサによれば、正確な測定が可能である。また、ホール素子を磁場検知素子として用いることにより、バイオセンサは安価で、小型となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
次に、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
（バイオセンサの全体構成について）
図５には、バイオセンサ全体の構成が示されている。バイオセンサは、試料溶液を投入、測定を行うためのセンサチップ１と、センサチップ１と信号を交換する測定装置本体と、を備えて構成される。センサチップ１上には、ホール素子アレイ９、アレイ選択回路７１、増幅回路８１を搭載する。測定装置本体側には、電磁石８５、電磁石電源８６、電磁石８５による磁場をモニターするモニタ用磁気センサ８７、及び、その他の制御回路８２を搭載する。電磁石８５は、本発明の外部磁場印加手段及び第１の磁場発生手段を構成するものであり、センサチップ１表面の対向位置に設けられる。また、制御回路８２は、電磁石電源８６を制御するための電磁石制御回路、センサチップの制御を行うためのセンサチップ制御回路、ホール素子からの出力信号に基づき、磁性体粒子数を演算する信号処理回路（本発明の信号処理手段に相当）等を備えて構成される。センサチップ１は１回の測定毎に新たなものと取り替える。
【００１８】
（センサチップの構成について）
図１は、上記センサチップ１の一部の概略を示す図である。センサチップ１は、以下に説明するように製造される。
センサチップ１は、周知の技術であるＣＭＯＳ（ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  ｍｅｎｔａｌ−ｏｘｉｄｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｄｅｖｉｃｅ）製造プロセスによりシリコン基板１１上に形成される。センサチップ１表面の凹部１３の下には、本発明の磁場検知素子となるホール素子が形成されており、個々のホール素子の入力及び出力はゲート電極３０及び金属配線４を介して行われる。最表面はプラズマＣＶＤ（ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によるチッ化シリコン膜或いは酸化シリコン膜で覆われる。
【００１９】
ＣＭＯＳ製造プロセスでシリコン基板１１上にホール素子等を形成した後、センサチップ１表面に抗原、抗体、ＤＮＡ、ＲＮＡ等の分子受容体をシランカップリング剤等を介して固定する。
次に、試料溶液をセンサチップ１表面に滴下し、抗原、抗体、ＤＮＡ、ＲＮＡ等の測定対象物をセンサチップ１表面の分子受容体と結合させる。更に、センサチップ１表面に抗原、抗体、ＤＮＡ、ＲＮＡ等を結合させた磁性体粒子５１を導入し、測定対象物を介してホール素子上に結合させる。
【００２０】
このホール素子がセンサチップ１表面に結合する磁性体粒子５１により形成される磁場を検知する検知空間は、その空間に存在する磁性体粒子５１が１分子程度となるような大きさであることが望ましい。すなわち、１つの磁性体粒子５１を１つのホール素子で検出することが望ましい。また、ホール素子が複数の磁性体粒子５１により形成される磁場を検知可能な空間を構成しても良い。
【００２１】
（磁性体粒子の検出原理について）
次に、図２を用いて本発明のバイオセンサの検出原理を説明する。図２（ａ）は、センサチップ１のホール素子２（２ａ、２ｂ、２ｃ）近辺の断面を模式的に表したものである。センサチップ１の表面には、抗体として構成される分子受容体６１が固定されている。そして、その分子受容体６１には測定対象物６２が特異的に結合し、さらに、その測定対象物６２には、磁性体粒子５１が検出用分子受容体６３と測定対象物６２との特異的結合を介して結合している。
センサチップ１には、図２（ａ）に示されるように、磁束がセンサチップ１に対して垂直に形成されるような外部磁場が印加される。本実施形態においては、ホール素子２によって検知される磁束の断面積が磁性体粒子５１の最大断面積よりも小となるように、ホール素子２の表面積を磁性体粒子５１の最大断面積と同等な大きさとしている。
【００２２】
これにより、検知空間に存在する磁性体粒子５１の個数を１個程度に制限することができる。このため、１のホール素子２で１の磁性体粒子５１の存在の有無を検知することにより測定を行うような場合に、２個以上の磁性体粒子５１が１のホール素子に検知されることを防ぐことができ、測定を確実に行うことができる。ただし、本発明は、測定方法を、１のホール素子により１の磁性体粒子の存在の有無を検知することにより行うように限定するものではない。すなわち、ホール素子２の表面積を、磁性体粒子の複数個分の最大断面積と同等な大きさとし、１のホール素子により複数の磁性体粒子の存在を検知しても良い。
【００２３】
磁性体粒子５１が存在しない状態では、ホール素子２で検出される磁束密度は外部磁場と同じＢである。磁性体粒子５１が結合した状態では、外部磁場により磁性体粒子５１が磁化されるため、ホール素子２で検出される磁束密度は変化する。
図２（ｂ）は、磁束密度Ｂの外部磁場に対する図２（ａ）の点線ａの位置での磁束密度の変化率を示すグラフである。図２（ｂ）において縦軸は磁束密度の変化率を表し、横軸は図２（ａ）のホール素子の配置に対応する位置を表している。そして、実線Ｌ１は磁性体粒子５１の透磁率が初透磁率から最大透磁率の間にあるような弱い外部磁場を印加した時の磁束密度の変化率を示し、点線Ｌ２は磁性体粒子の一部あるいは全ての磁化が飽和状態にある時の磁束密度の変化率を示す。
【００２４】
初透磁率から最大透磁率の間では磁性体粒子５１の磁化は外部磁場に比例するため磁束密度の変化率は大きいが、外部磁場強度を強くしていくと磁性体粒子５１の磁化が飽和してくるため磁束密度の変化率は小さくなる。
また、結合した磁性体粒子５１の直下（ホール素子２ａの配置位置）では、磁性体粒子５１の磁化により磁束密度は増加するが、磁性体粒子５１の直下から少し離れた位置（ホール素子２ｂの配置位置）では、磁性体粒子５１の磁化により磁束密度は減少する。
【００２５】
さらに、弱い外部磁場を印加した時に比べ、強い外部磁場を印加した時は、ホール素子２ａ、２ｂの配置位置での磁束密度の変化率は正負の違いはあるが、絶対値は減少する。磁性体粒子５１から離れた位置（ホール素子２ｃの配置位置）での磁束密度の変化率は外部磁場の強弱に依存しない。
従って、磁性体粒子の透磁率が初透磁率から最大透磁率の間にある弱い外部磁場と、磁性体粒子の一部あるいは全ての磁化が飽和する強い外部磁場での磁束密度の変化率が変わるか否かをホール素子の出力に基づいて判定することにより、該ホール素子の近傍に磁性体粒子が結合しているか否かが判定できる。
【００２６】
ホール素子２ａのように磁性体粒子が真上にあるときだけではなく、ホール素子２ｂのように磁性体粒子の近傍の磁束密度が減少する領域でも磁束密度の変化率が変わるため、センサチップ１表面全面に分子受容体６１を固定して、磁性体粒子近傍における磁束密度の変化を検知するようにしてもよい。また、図２（ｂ）において、磁性体粒子５１真下の磁束密度増加領域の変化率の方が周辺の磁束密度減少領域の変化率より大きいため、ホール素子の真上だけに磁性体粒子が結合するように分子受容体をホール素子の真上だけに選択的に固定してもよい。さらに、隣接のホール素子上に結合した磁性体粒子の影響を受けないように、例えば図２（ａ）のホール素子２ａと２ｃ程度に離して、ホール素子を配置しても良い。
【００２７】
本発明ではホール素子間の感度バラツキがあったとしても、磁束密度の変化率が変わる
か否かの判定で磁性体粒子の有無が判定できるため、感度補正の基準用のホール素子が不
要となる。
なお、印加する外部磁場は弱磁場、強磁場ともに直流磁場であっても交流磁場であって
も良い。また、弱磁場領域（結合した磁性体粒子の透磁率が初透磁率から最大透磁率の間
にあるような磁場強度の範囲）の測定を交流磁場とし、強磁場領域（結合した磁性体粒子
の少なくとも一部の磁化が飽和状態となるような磁場強度の範囲）の測定はこの交流磁場
に強い直流磁場を付加することにより行っても良い。この時、磁性体粒子の磁化が完全に
飽和するように直流磁場を印加すると、変化率はゼロとなり、より正確な測定が可能とな
る。
【００２８】
（ホール素子の構造について）
ホール素子の構造を図３を用いて説明する。
このホール素子２の上面図が同図（ａ）に、一点鎖線ａでの断面が同図（ｂ）に、一点鎖線ｂでの断面が図（ｃ）に、示されている。このホール素子はゲート電極３０、ソース電極３１、ドレイン電極３２、出力電極３３、３４、及び、絶縁層３５を含んで構成され、Ｐウエル領域３６に形成される。出力電極を除くとｎ型ＭＯＳＦＥＴと同じ構成であり、図中では各々の電極への金属配線は省略してある。出力電極３３、３４は、センサチップ表面に略垂直に形成される磁束と、ソース−ドレイン極間を流れる電流と、に垂直に電流が流れるように構成する。
【００２９】
このホール素子２の動作について説明する。ゲート電極３０、ソース電極３１、ドレイン電極３２にバイアスを印加し、ＭＯＳＦＥＴと同様な動作状態に設定する。この時の動作状態は線形領域にあることが望ましい。この状態で外部から加わる磁束が存在しない場合、２つの出力電極３３、３４は同電位である。外部からホール素子面に対して垂直な磁束が加わると、磁束密度に比例した電圧が出力電極３３と３４との間に差動電圧として現れる。
【００３０】
（ホール素子のアレイ状の配置、及び、各ホール素子の選択方法について）
次に、図４を用いてアレイ状に配置した各々のホール素子を選択して出力を取り出す方法について説明する。
各々のホール素子（Ｅ（０，０），Ｅ（０，１），・・・）のソース電極、ドレイン電極、及び一対の出力電極はスイッチ（Ｒ０，Ｒ１，・・・）を介してＶL、ＶH、ＯＵＴ１、ＯＵＴ２へ接続されており、行方向Ｘの同一の行に共通に接続されている。また列方向Ｙの同一の列のゲート電極も共通で、各列毎に共通のゲート電極線Ｃ０、Ｃ１、・・・へと接続されている。ＶL、ＶHはホール素子側へバイアスを供給する配線であり、ＯＵＴ１、ＯＵＴ２はホール素子からの出力を増幅回路へ送る配線である。
【００３１】
ホール素子Ｅ（０，０）を選択する場合について説明する。スイッチＲ０のみをオンし、スイッチＲ１、Ｒ２、・・・はオフする。またゲート電極線Ｃ０のみホール素子が動作状態になる電圧に設定し、ゲート電極線Ｃ１、Ｃ２、・・・はホール素子が動作しない電圧、すなわちソース電極、ドレイン電極にバイアスを印加してもソース−ドレイン間に電流が流れない状態に設定する。
【００３２】
この時、ホール素子Ｅ（０，０）及び同一の行にあるホール素子のソース電極、ドレイン電極にＶL、ＶHが印加されるが、電流はホール素子Ｅ（０，０）しか流れない。ホール素子Ｅ（０，０）の出力電極には磁束密度に応じた電圧が現れる。ホール素子Ｅ（０，０）の同一の列に並んだホール素子の出力電極は、動作状態になっていないため、ＯＵＴ１，ＯＵＴ２へはホール素子Ｅ（０，０）の出力電圧がそのまま出力される。この構成ではアレイの数が増えたとしても、アレイ内の配線数は同じで端部にスイッチが付け足されるだけなので、センサチップの面積はほぼアレイの数に比例し、容易にホール素子数の多いセンサチップを構成することができる。
【００３３】
（バイオセンサの動作について）
次に、図６のフローチャートを用いて、本実施形態のバイオセンサ全体の回路動作について説明する。
ステップＳ１０１においては、測定対象物及び磁性体粒子をセンサチップ１上に導入した状態で、予め設定した時間、測定対象物及び磁性体粒子を反応させ、センサチップ１表面へ磁性体粒子を結合させる。
ステップＳ１０２においては、電磁石８５によりセンサチップ１表面の対向位置から磁場を発生させ、センサチップ表面へ結合していない磁性体粒子をセンサチップ表面から遠ざけ、センサチップが結合している磁性体粒子のみを検出できるようにする。
ステップＳ１０３においては、予め設定した、結合していない磁性体粒子のセンサチップ表面からの除去が完了する時間まで待機する。
【００３４】
結合していない磁性体粒子の除去完了後、ステップＳ１０４においては、磁性体粒子の透磁率が初透磁率から最大透磁率の間にあるような弱磁場を電磁石８５により発生させ、ホール素子の出力信号を取得する。ステップＳ１０５においては、磁性体粒子の一部あるいは全てが磁化する強磁場を電磁石８５により発生させホール素子の出力信号を取得する。具体的には、測定装置本体側にあるセンサチップ制御回路８２より特定のホール素子を選択するためのアドレス信号を、センサチップ１にあるアレイ選択回路７１に送る。アレイ選択回路７１は、このアドレス信号に基づいて、上述のように、指定されたホール素子を選択する。そのホール素子からの出力信号は、センサチップ上の増幅回路８１によって増幅される。増幅された出力信号はメモリ８３に保存される。
【００３５】
ステップＳ１０６においては、上述のように、出力信号を取得すべき全てのホール素子
から信号を取得したか否か判断し、取得していない場合には、再びステップＳ１０４に移
行する。これにより、全てのホール素子における出力信号を取得する。
ステップＳ１０７においては、電磁石の磁場をＯＦＦする。
ステップＳ１０８においては、ステップＳ１０４及びステップＳ１０５において取得し
た強磁場及び弱磁場における各々のホール素子の出力値をメモリ８３から取り出す。そし
て、信号処理回路８２において、強磁場及び弱磁場における各々のホール素子の出力値の差分を算出し、複数のホール素子についての差分値分布の散布度を算出する。
【００３６】
ステップＳ１０９においては、ステップＳ１０８で算出した散布度に基づき特定の磁性体粒子数を算出する。
これらステップＳ１０８〜Ｓ１０９において、差分値分布の散布度を算出し、磁性体粒子数を算出する方法の具体例については、後述する。また、磁性体粒子数を算出する際のデータの選別方法についても２種類の方法を後述する。
【００３７】
以上、弱磁場と強磁場の出力値の差分を算出し、差分値分布の散布度に基づいて、磁性体粒子数を算出する場合の動作例について述べたが、バイオセンサの動作はこれに限定されない。例えば、強磁場の出力値と弱磁場の出力値を比較する代わりに、センサチップに磁性体粒子が未結合状態におけるホール素子の出力値と、磁性体粒子がセンサチップに結合した状態で弱磁場を印加した場合におけるホール素子の出力値とを比較することも可能である。この場合は、測定時に強磁場と弱磁場を夫々印加し、夫々の場合における出力値を得るのではなく、磁性体粒子をセンサチップに導入する前に、未結合状態における各ホール素子の出力値を取得してメモリ８３に記憶しておき、測定時には弱磁場を印加して各ホール素子の出力値を取得する。その後は、上記ステップＳ１０８〜Ｓ１０９と同様にして、弱磁場の各出力値と、未結合状態における各出力値の差分を算出し、複数のホール素子出力についての差分値分布の散布度を算出し、これに基づき結合した磁性体粒子の量を算出する。
【００３８】
（磁性体粒子の量を算出する原理について）
図７（ａ）はホール素子のＡＣ磁場（弱磁場）中とＡＣ＋ＤＣ磁場（強磁場）中でのＡＣ出力の関係を説明する為の図である。弱磁場と強磁場のＡＣ磁場成分は同じである。
磁性体粒子がホール素子上に無く、ノイズが無い状態では弱磁場中と強磁場中でのホール素子のＡＣ出力は等しくそれぞれ１である。しかしながら、一般的なＣＭＯＳプロセスで同一センサチップ上に加工される複数のホール素子の感度は、加工バラツキなどから、等しくなくバラツキを有する。従って、複数のホール素子のＡＣ出力をプロットすると図７（ａ）の傾き１の矢印１の方向に分布する。
【００３９】
次に、ホール素子の真上に磁性体粒子が結合した場合、図２でも説明したように、弱磁場では磁性体粒子により磁束が収束され、ホール素子のＡＣ出力は増加する。強磁場では磁性体粒子の磁化が飽和するため、磁束のＡＣ成分の収束効果は低減され、ホール素子のＡＣ出力は弱磁場の出力値ほどは増加しない。従って、図７（ａ）の矢印２の方向に分布する。
ホール素子の真上ではなく、少しはずれた位置に磁性体粒子が結合した場合、図２でも説明したように、磁束は磁性体粒子直下に収束される為、逆に減少する。この時は図７（ａ）の矢印３の方向に分布する。
さらに実際に作製したホール素子ではノイズを含むため、図７（ａ）の矢印４の様に全方向にばらつく。
【００４０】
次に、実際に磁性体粒子が結合していない時（図７（ｂ））と結合している時（図７（ｃ））の各ホール素子のＡＣ磁場（弱磁場）中とＡＣ＋ＤＣ磁場（強磁場）中でのＡＣ出力の測定例を示す。弱磁場と強磁場のＡＣ磁場成分は同じである。
磁性体粒子が結合していない状態では図７（ｂ）の様に傾き約１の直線の周辺に分布している。磁性体粒子が結合した状態では図７（ｃ）から明らかなように、縦軸方向にプロットの分散状態が広がっている。
【００４１】
（算出方法１について）
以上をもとに、図６のステップＳ１０８〜Ｓ１０９に示すように、差分値分布の散布度を求め、磁性体粒子数を算出する具体例として、算出方法１を説明する。
まず、算出方法１では、以下のようにして差分値分布の散布度を算出する。
図７（ｃ）の各プロットに示すような磁性体粒子の結合状態における弱磁場中での出力値（以下、単に「弱磁場出力値」と記すこともある。）及び強磁場中での出力値（以下、単に「強磁場出力値」と記すこともある。）の回帰直線が、例えば下記式（１）で表されるとする。
弱磁場中出力  ＝  （Σａn）／（Σｂn）  ×  （強磁場中出力）
…（１）
【００４２】
なお、式中、ａnは弱磁場出力値を表し、下付き文字ｎはｎ番目のホール素子の出力値であることを表し、Σａnはｎ個のホール素子の弱磁場出力値の総和を表す。また、同様に、ｂnは強磁場出力値を表し、Σｂnはｎ個のホール素子の強磁場出力値の総和を表す。
この場合において、この回帰直線と、実際の弱磁場出力値の残差は、以下の式（２）のように表される。
ａn  −  （Σａn）／（Σｂn）  ×  ｂn          …  （２）
【００４３】
さらに、これをｎ個のホール素子についての弱磁場出力値の平均値（Σａn／ｎ）で除し、式（３）に示すような値Ｙnを得る。
Ｙn  ＝  ａn／（Σａn／ｎ）  −  ｂn／（Σｂn／ｎ）    …  （３）
このＹnは、強磁場出力値及び弱磁場出力値を夫々平均値により規格化した値の差分となっている。そして、このＹnをｎ個のホール素子について求めて、式（４）に示すように差分値分布の散布度を算出する。
（１／ｎ）  ×  Σ  ｜  Ｙn  ｜      …  （４）
【００４４】
結合した磁性体粒子が無い場合、ホール素子及び測定回路に全くノイズの無い理想的な状態であれば、平均偏差の値はゼロであるが、実際にはノイズが存在する為に、そのノイズレベルに応じた値となる。これに磁性体粒子が結合すると、データは全体的に図７でも明らかなように、縦軸方向に広がる為、上記式（４）の値が、磁性体粒子が無い状態よりも大きくなる。この値は結合する磁性体粒子量に依存するので、これに基づき磁性体粒子の量を算出することができる。また、ホール素子及び測定回路のノイズレベルは予め測定しておくことが可能であるので、上記式（４）の値によりセンサ表面に結合した磁性体粒子の量を算出する。
弱磁場出力値と強磁場出力値の回帰直線の傾きは、理想的には１であるが、ホール素子感度の磁場に対する線形性や印加する磁場の変動等により、１にならない場合もある。従って、傾きは、全てのホール素子のデータから最小二乗法等により求めるのが望ましい。
【００４５】
以上、弱磁場出力値と強磁場出力値の差分値分布の散布度を求める例について説明したが、同様にして、弱磁場出力値と未結合状態における出力値との差分から差分値分布の散布度を求めることができる。例えば、上記式（１）〜（４）の演算により算出する場合には、強磁場出力値を未結合状態における各ホール素子の出力値に置き換える。すなわち、強磁場中で磁性体粒子の磁化が完全に飽和している場合には、この強磁場出力値は磁性体粒子が未結合の状態の出力値と全く同じ値になるからである。従って、これによって求められる差分値の散布度も同じ値になり、これに基づき磁性体粒子の量を算出することができる。但し、測定条件において弱磁場出力値と強磁場出力値を得て、この差分値の散布度を得る方がより好ましい。
なお、式（４）の値に限らず、例えば、以下式（７）に示すような平均偏差の値を用いることもできる。
Σ｜（ａn  −  ｂn）  −  （ａn  −  ｂn）′｜／ｎ        …（７）
なお、式（７）中、（ａn  −  ｂn）′は、ａ  −  ｂの平均値を意味する。
【００４６】
（算出方法２について）
次に、他の例である算出方法２について説明する。
磁性体粒子が無い場合、図７（ｂ）からも分かるように傾き１の直線を中心に対称に分布している。磁性体粒子がある場合、図７（ｃ）からも分かるようにこの分布が非対称となり直線よりも弱磁場中でのＡＣ出力が増加する方向により大きく分布する傾向にある。
直線の傾きを、原点を通る直線として最小二乗法により求めた場合、全データに対して直線からの差分を算出してその和を取ると、磁性体粒子の有無に拘らずゼロとなる。
【００４７】
そこで、本実施形態では、以下のようにする。
まず、算出方法１における場合と同様に、図７（ｃ）の各プロットに示すような磁性体粒子の結合状態における弱磁場出力値と強磁場出力値の関係を示す回帰直線を求める。
そして、この回帰直線を境界として、直線より上の領域にあるホール素子群と、直線より下の領域にあるホール素子群と、に分け、夫々のホール素子群について差分値分布の散布度を求める。ここで、直線より上の領域にあるホール素子群は直近（真上）に磁性体粒子が結合し、直線より下の領域にあるホール素子群は真上ではなく近傍に磁性体粒子が結合していると推定される。算出方法２では、差分の大きさをより大きく評価するために、算出方法１で用いた式（３）の値Ｙnを２乗し、下記式（５）に示す値Ｙ２nを得る。
Ｙ２n  ＝  （ａn／（Σａn／ｎ）  −  ｂn／（Σｂn／ｎ））2  …  （５）
【００４８】
夫々のホール素子群について求められた上記Ｙ２nの値から、夫々のホール素子群についての差分値分布の散布度を算出し、直線より上の領域にあるホール素子群の差分値分布の散布度から、下の領域にあるホール素子群の差分値分布の散布度を減算する（下記式（６））。
（ΣＹ２nup）／ｎup  −  （ΣＹ２ndown）／ｎdown      …  （６）
式（６）中、Ｙ２nupは直線より上の領域にあるデータのＹ２n値、ΣＹ２nupは直線より上の領域にあるデータ群のＹ２n値の総和、ｎupは直線より上の領域にあるデータ群の要素数である。Ｙ２ndownについても同様に、直線より上の領域にあるデータのＹ２n値である。
磁性体粒子が無い場合、直線に対してデータの分布は対称であるから、データを２乗しても上の領域の差分値分布の散布度と下の領域の差分値分布の散布度は等しく、その差分はほぼゼロとなる。
【００４９】
磁性体粒子が結合した場合、弱磁場出力値が増加する方向に大きく分布する傾向にあることから、直線より上の領域にある差分値分布の散布度の方が大きくなり、差分はゼロとはならない。すなわち、磁性体粒子がある場合は直線より上の領域に分布する割合が増え、磁性体粒子の数に応じて差分値分布の散布度の差分は大きくなることから、この大きさに基づいて、磁性体粒子の数を算出する。なお、後述するが、この差分値分布の散布度の差分は、磁性体粒子の結合状態の判定にも用いることができる。
一方、磁性体粒子が無い場合、センサあるいは測定回路のノイズによるバラツキは直線に対して対称に分布するため、ノイズのレベルによらず算出値はゼロとなる。
この手法によれば、算出方法１のように予めノイズレベルを測定しておかなくても、磁性体粒子の有無を判定することが可能となる。
【００５０】
（測定データの選別方法１について）
例えば、ホール素子を１６行１６列配置したセンサを用いる場合を例に説明する。上記算出方法１又は２により式（４）や（６）の値を１行毎に１６個のホール素子について算出する。算出した１６の値の内、最大と最小の２行の値を削除し、残りの１４行の値の平均値を算出し、この値をもとに磁性体粒子の数を定量する。
最大と最小の行のデータを省くことにより、センサー面上の正常な生体反応ではなく、異常な反応が生じて、磁性体粒子が過剰に結合したり、逆に結合していない領域のデータを削除し、より正常な生体反応を反映した磁性体粒子の結合量を測定することができる。省くデータの数は最大と最小の２行に限定されるものではなく、例えば最大と最小から２行づつ削除してもよい。
【００５１】
（測定データの選別方法２について）
磁性体粒子がセンサー面上に均一に分布している場合は、図７の様なプロットをすると、傾き１の直線を中心に比較的対称に測定データは分布する。異常な反応で凝集した磁性体粒子が結合した場合、その直下のホール素子の出力信号は異常に大きくなり、データの分布の非対称性が異常に大きくなる。この非対称性の度合いにより磁性体粒子の結合状態を判別し、異常な測定データを選別する。
対称性の指標としては、上記算出方法２での計算方法を用いることができる。例えば免疫反応によりセンサ表面に磁性体粒子を結合させる場合に、反応系中に抗原が存在しない場合、磁性体粒子はセンサ表面に結合できない。しかし異常な反応により磁性体粒子が凝集し、非特異的にセンサ表面にその塊が結合した場合、散布度の算出方法１と散布度の算出方法２ともにある値をとる。
【００５２】
ここで磁性体粒子が1個結合した場合にホール素子の出力が０．１％増加する場合を例に説明する。ホール素子の数を２０個とし、この内５個のホール素子にそれぞれ１個の磁性体粒子が結合した場合の出力結果を模式的に表したものが図８（ａ）である。このとき算出方法１による値は３．７５Ｅ−４、算出方法２による値は２．３４Ｅ−７となる。磁性体粒子５個が１つのホール素子上に結合した場合の出力結果を模式的に表したものが図８（ｂ）である。このとき算出方法１による値は４．７５Ｅ−４、算出方法２による値は２．１５Ｅ−６となる。このように同じ粒子数でも結合の仕方により、算出方法２の値は大きく異なる。このような２種類の算出方法による値を比較することにより、その結合状態を推定することができる。すなわち算出方法２のような非対称性の影響を大きく受ける指標の数値が異常に大きい場合は、異常に凝集した磁性体粒子が結合していると推定でき、その場合、計測が異常であると判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】センサチップ１の一部の概略を示す図である。
【図２】バイオセンサの検出原理を説明する図である。
【図３】ホール素子の構造を説明する図である。
【図４】ホール素子の選択方法について説明する図である。
【図５】バイオセンサ全体の構成を示すブロック図である。
【図６】バイオセンサ全体の回路動作を説明するフローチャートである。
【図７】弱磁場出力値と強磁場出力値との関係を示す図である。
【図８】測定データの選別が行うことの効果を説明する図である。
【図９】磁性体粒子を用いた固相分析を説明する模式図である。
【符号の説明】
【００５４】
１     センサチップ、２，２ａ，２ｂ，２ｃ ホール素子、４       金属配線、５  磁性体粒子、１１  シリコン基板、１３   凹部、３０    ゲート電極、３１     ソース電極、３２ ドレイン電極、３３   出力電極、３５       絶縁層、３６  ウエル領域、５１        磁性体粒子、６１     捕捉用分子受容体、６２      測定対象物質、６３   検出用分子受容体、９１   固相、Ｃ０，Ｃ１     ゲート電極線
【図１】
2007212233.tif 000003
【図２】
2007212233.tif 000004
【図３】
2007212233.tif 000005
【図４】
2007212233.tif 000006
【図５】
2007212233.tif 000007
【図６】
2007212233.tif 000008
【図７】
2007212233.tif 000009
【図８】
2007212233.tif 000010
【図９】
2007212233.tif 000011