(57)【要約】【課題】微量のバイオ分子標的の検出を実現するためのバイオ分子標的検出器およびその検出方法を提供する。【解決手段】バイオ分子標的と結合した磁気ビーズの漏洩磁界の検出することによって、前記バイオ分子標的を検知するバイオ分子標的検出器であって、前記バイオ分子標的および前記磁気ビーズを含む検体液が流れる主流路と、前記主流路と接続し、かつ前記主流路と異なる方向に、前記バイオ分子標的および前記磁気ビーズを含む検体液が流れる副流路と、電源と前記電源と接続された電極配線とを有し、前記電極配線に電流を印加することで、前記主流路に対して、前記副流路の検体液が流れる方向の誘導磁界を発生させ、かつ、副流路に交流磁界を発生させる回路と、前記副流路に設けた前記バイオ分子標的と結合可能なリガンドと、前記副流路の磁界を検出する磁気センサーとを備えたバイオ分子標的検出器を提供する。【選択図】図２
2013029440.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオ分子標的と結合した磁気ビーズの漏洩磁界の検出することによって、前記バイオ分子標的を検知するバイオ分子標的検出器であって、
前記バイオ分子標的および前記磁気ビーズを含む検体液が流れる主流路と、
前記主流路と接続し、かつ前記主流路と異なる方向に、前記バイオ分子標的および前記磁気ビーズを含む検体液が流れる副流路と、
電源と前記電源と接続された電極配線とを有し、前記電極配線に電流を印加することで、前記主流路に対して前記副流路の検体液が流れる方向の誘導磁界を発生させ、かつ、前記副流路に対して交流磁界を発生させる回路と、
前記副流路に設けた前記バイオ分子標的と結合可能なリガンドと、
前記副流路の磁界を検出する磁気センサーと、
を備えたバイオ分子標的検出器。
【請求項２】
前記副流路は、複数のビア状構造である、
請求項１記載のバイオ分子標的検出器。
【請求項３】
前記リガンドが、ＤＮＡあるいはＲＮＡまたは抗体分子である、
請求項１記載のバイオ分子標的検出器。
【請求項４】
前記磁気センサーが、少なくとも２つ以上の磁気抵抗素子である、
請求項１記載のバイオ分子標的検出器。
【請求項５】
前記磁気センサーが、少なくとも２つ以上の磁気抵抗素子であり、かつ、前記磁気抵抗素子の少なくとも一つを参照素子とした差動回路を含んで構成されている、
請求項４記載のバイオ分子標的検出器。
【請求項６】
前記磁気センサーが、少なくとも２つ以上の前記磁気抵抗素子を用いたブリッジ回路を含んで構成されており、かつ、前記磁気抵抗素子の少なくとも一つは参照素子とすることを特徴とする請求項４記載のバイオ分子標的検出器。
【請求項７】
請求項１記載のバイオ分子標的検出器がマトリクス状に複数配置されている、
するバイオ分子標的検出システム。
【請求項８】
バイオ分子標的検出器を用いて、バイオ分子標的と結合した磁気ビーズの漏洩磁界の検出することによって、前記バイオ分子標的を検知するバイオ分子標的検出方法であって、
前記バイオ分子標的検出器は、
前記バイオ分子標的および前記磁気ビーズを含む検体液が流れる主流路と、
前記主流路と接続し、かつ前記主流路と異なる方向に、前記バイオ分子標的および前記磁気ビーズを含む検体液が流れる副流路と、
電源と前記電源と接続された電極配線とを有し、前記電極配線に電流を印加することで、前記主流路に対して前記副流路の検体液が流れる方向の誘導磁界を発生させ、かつ、前記副流路に対して交流磁界を発生させる回路と、
前記副流路に設けた前記バイオ分子標的と結合可能なリガンドと、
前記副流路の磁界を検出する磁気センサーとを備え、
前記回路により、主流路に誘導磁界を発生させるステップと、
前記回路により、副流路に交流磁界を発生させるステップと、
前記磁気センサーにより、副流路の磁界を検出し、検出した磁界が所定の閾値以上の場合には、前記バイオ分子標的があると判別し、検出した磁界が所定の閾値より小さい場合には、前記バイオ分子標的がないと判別するステップとを有する、
バイオ分子標的検出方法。
【請求項９】
前記交流磁界を発生させるステップの後に、前記バイオ分子標的と結合していない磁気ビーズを排除するステップを有する、
請求項８記載のバイオ分子標的検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオ分子標的と結合した磁気ビーズの漏洩磁界を高感度に検出してバイオ分子標的を検出する技術に関し、バイオ分子標的検出器、バイオ分子標的検出システム、およびその検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本明細書において、ウィルス、ＤＮＡ（Deoxyribonucleic Acid）、又はＲＮＡ（Ribonucleic Acid）を含む数十ｎｍ以下の大きさを有する微小の物質を、バイオ分子標的（bimolecular target）という。バイオ分子標的は、
微少量、あるいは低濃度のバイオ分子標的でも環境に対して悪い影響を与える可能性がある。よって、バイオ分子標的を高感度に検出することにより、バイオ分子標的の影響の拡大を早期かつ未然に防ぐ必要性が増してきている。早期検出のためには、検出システムは、高感度で、かつ、高速に検出でき、さらに、持ち運び可能であり、かつ、安価であることが要求される。
【０００３】
特許文献１では、磁気センサーとして磁気ビーズの漏洩磁界を磁気抵抗変化で検出する磁気抵抗素子を用いた例が示されている。特許文献２では、磁気センサーとして磁気ビーズの漏洩磁界をホール電圧変化で検出するホール素子を用いた例が示されている。特許文献３では、磁気センサーとしてバイオ分子標的分子の透磁率μの変化を検出する磁気抵抗素子を用いた例が示されている。特許文献４では、磁気ビーズ固定部位に磁気ビーズを引き寄せる磁界を発生させる例が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００７−５１４９３２号公報
【特許文献２】特許第４２４０３０３号公報
【特許文献３】特開２００４−２０５４９５号公報
【特許文献４】特開２００３−２７９５７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
微量のバイオ分子標的の検出を実現するためには、検知可能な領域にバイオ分子標的を誘導し、バイオ分子標的を高感度に検出することが必要である。例えば、流路容積μＬ（幅１００μｍ×高１００μｍ×長１００ｍｍ）内に６００分子程度（１ｆＭレベル）の場合に、１０μｍ×１０μｍのセンサー領域での分子の存在確率は６×１０-3程度であり、検知領域にバイオ分子標的の誘導無しには高感度検出は期待できない。特許文献１から４では、高感度なトンネル型磁気抵抗素子（MTJ）や半導体ホール素子をセンサーとして用いることを開示しているが、具体的に、微量なバイオ分子標的を誘導し、かつ検出する手法についての記載はない。
【０００６】
また、特許文献１−４にて代表される先行技術では、標的だけでなく、夾雑物などを含む非標的も同様に主流路を流れる。よって、リガンドを配したセンサー領域にて、互いの凝集や不必要な吸着を引き起こしてしまい、バイオ分子標的を高感度に検出することは困難である。標的を選択的にセンサー領域に誘導して、かつ高感度検出を可能とする構成が必要である。本発明は、前記従来の課題を解決するもので、高感度なバイオ分子標的の検出を実現する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明のバイオ分子標的検出器は、バイオ分子標的と結合した磁気ビーズの漏洩磁界の検出することによって、前記バイオ分子標的を検知するバイオ分子標的検出器であって、前記バイオ分子標的および前記磁気ビーズを含む検体液が流れる主流路と、前記主流路と接続し、かつ前記主流路と異なる方向に、前記バイオ分子標的および前記磁気ビーズを含む検体液が流れる副流路と、電源と前記電源と接続された電極配線とを有し、前記電極配線に電流を印加することで、前記主流路に対して、前記副流路の検体液が流れる方向の誘導磁界を発生させ、かつ、副流路に交流磁界を発生させる回路と、前記副流路に設けた前記バイオ分子標的と結合可能なリガンドと、前記副流路の磁界を検出する磁気センサーとを備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、高感度のバイオ分子標的の検出を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明のバイオ分子標的検出器の一例の構成概略斜視図。
【図２】本発明のバイオ分子標的検出器の一例の構成概略断面図。
【図３】本発明のバイオ分子標的検出の原理模式図。
【図４】従来技術のバイオ分子標的検出の関係模式図。
【図５】本発明のバイオ分子標的検出器の別の一例の構成概略断面図。
【図６Ａ】本発明のバイオ分子標的検出器に用いる磁気抵抗素子の構成概略図。
【図６Ｂ】本発明のバイオ分子標的検出器に用いる磁気抵抗素子の構成概略図。
【図７】本発明のバイオ分子標的検出器の別の一例の構成概略斜視図。
【図８】本発明のバイオ分子標的検出器の別の一例の構成概略断面図。
【図９Ａ】本発明のバイオ分子標的検出器の磁界印可用電極配線の構成概略図。
【図９Ｂ】本発明のバイオ分子標的検出器の磁界印可用電極配線の構成概略図。
【図１０Ａ】本発明のバイオ分子標的検出器に用いる磁気センサーの回路概略図。
【図１０Ｂ】本発明のバイオ分子標的検出器に用いる磁気センサーの回路概略図。
【図１１Ａ】本発明のバイオ分子標的検出器の製造方法を示す概略断面図。
【図１１Ｂ】本発明のバイオ分子標的検出器の製造方法を示す概略断面図。
【図１１Ｃ】本発明のバイオ分子標的検出器の製造方法を示す概略断面図。
【図１１Ｄ】本発明のバイオ分子標的検出器の製造方法を示す概略断面図。
【図１１Ｅ】本発明のバイオ分子標的検出器の製造方法を示す概略断面図。
【図１１Ｆ】本発明のバイオ分子標的検出器の製造方法を示す概略断面図。
【図１１Ｇ】本発明のバイオ分子標的検出器の製造方法を示す概略断面図。
【図１１Ｈ】本発明のバイオ分子標的検出器の製造方法を示す概略断面図。
【図１１Ｉ】本発明のバイオ分子標的検出器の製造方法を示す概略断面図。
【図１１Ｊ】本発明のバイオ分子標的検出器の一例を示す概略断面図。
【図１２Ａ】本発明のバイオ分子標的検出器の製造方法を示す概略断面図。
【図１２Ｂ】本発明のバイオ分子標的検出器の製造方法を示す概略断面図。
【図１３Ａ】本発明のバイオ分子標的検出器の製造方法を示す概略断面図。
【図１３Ｂ】本発明のバイオ分子標的検出器の製造方法を示す概略断面図。
【図１３Ｃ】本発明のバイオ分子標的検出器の製造方法を示す概略断面図。
【図１３Ｄ】本発明のバイオ分子標的検出器の製造方法を示す概略断面図。
【図１３Ｅ】本発明のバイオ分子標的検出器の製造方法を示す概略断面図。
【図１３Ｆ】本発明のバイオ分子標的検出器の製造方法を示す概略断面図。
【図１３Ｇ】本発明のバイオ分子標的検出器の製造方法を示す概略断面図。
【図１３Ｈ】本発明のバイオ分子標的検出器の製造方法を示す概略断面図。
【図１３Ｉ】本発明のバイオ分子標的検出器の製造方法を示す概略断面図。
【図１３Ｊ】本発明のバイオ分子標的検出器の一例を示す概略断面図。
【図１４】本発明のバイオ分子標的検出器の一例を示す概略断面図。
【図１５】本発明のバイオ分子標的検出器の検出方法を示す工程図。
【図１６】本発明のバイオ分子標的検出器の検出方法を示すデータの一例を示す図。
【図１７】本発明のバイオ分子標的検出器の検出方法を示すデータの一例を示す図。
【図１８】本発明のバイオ分子標的検出器の検出方法を示す工程図。
【図１９】本発明のバイオ分子標的検出の原理模式図。
【図２０】本発明のバイオ分子標的検出のデータの一例を示す図。
【図２１】実施例１で用いたバイオ分子標的１のＤＮＡおよびリガントとなる相補鎖ＤＮＡの塩基配列の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明は、以下の実施形態および実施例の説明に限定されない。以下の説明では、特定の数値や特定の材料を例示する場合があるが、本発明の効果が得られる限り、他の数値や他の材料を適用してもよい。
【００１１】
図１に、本実施の形態のバイオ分子標的検出器１０の斜視図を示す。図２に、図１に示すバイオ分子標的検出器１０の切断面図を示す。
【００１２】
バイオ分子標的検出器１０は、バイオ分子標的１および磁気ビーズ２を含む検体液が流れる主流路１１と、主流路１１と接続して、かつ主流路１１と並走する溝状構造を有する副流路１２と、主流路１１から副流路１２に磁気ビーズ２を誘導するための誘起磁界４を発生するための電極配線５および電極配線６と、副流路１２に設けたバイオ分子標的１と結合可能なリガンド７と、副流路１２の側面周辺に設けた漏洩磁界を検出可能な磁気抵抗素子からなる磁気センサー８とを備える。
【００１３】
図１に、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を示す。Ｘ軸は、主流路１１を検体液が流れる方向である。Ｙ軸は、主流路１１の検体液が流れる面において、X軸と直交する方向である。Ｚ軸は、主流路１１を検体液が流れる面と垂直な方向である。
【００１４】
＜バイオ分子標的１及び磁気ビーズ２＞
バイオ分子標的１とは、ウィルス、ＤＮＡ（Deoxyribonucleic Acid）、又はＲＮＡ（Ribonucleic Acid）を含む数十ｎｍ以下の大きさを有する微小の物質をいう。バイオ分子標的検出器１０は、バイオ分子標的１を検出する。図２に示すように、磁気ビーズ２は、バイオ分子標的１と相補的に結合するリガンド９が付与されている。磁気ビーズ２は、リガンド９を介して、バイオ分子標的１と結合する。
【００１５】
＜主流路１１及び副流路１２＞
主流路１１及び副流路１２は、絶縁体１３で形成されている。
【００１６】
例えば、主経路１１は、１対の側壁と、１対の側壁の間を接続する下面とを有する。１対の側壁と下面とにより、凹状の溝部を形成する。バイオ分子標的１及び磁気ビーズ２を含む検体液は、溝部を流れる。
【００１７】
副流路１２は、主流路１１における検体液が流れる方向と、異なる方向に検体液が流れる流路である。副流路１２は、好ましくは、主流路１１における検体液が流れる方向と垂直なＺ軸方向に伸びた溝を有する。
【００１８】
例えば、主経路１１の下面に、溝の形状を有する副流路１２が形成されている。副流路１２である溝は、主経路１１を検体液が流れる方向と異なる方向に伸びる。これにより、検体液中の磁気ビーズ２と結合したバイオ分子標的１を選択的に、副流路１２に誘導できる。具体的な誘導方法は、後述する。
【００１９】
＜電極配線５及び６＞
電極配線５及び電極配線６は、図示しない電源と接続されている。例えば、電極配線５の両端部と電極配線６の両端部とをそれぞれ電気的に接続することで、回路を形成する。この回路中に、電源を挿入する。例えば、電極配線５及び電極配線６は、図１に示すように、主流路１１及び副流路１２を形成する絶縁体１３の内部に形成されている。
【００２０】
電極配線５および電極配線６に、互いに逆方向の電流を印加することで、縦方向（Ｚ軸方向）の磁界を発生させる。ここで、「縦方向」は、主経路１１を検体液が流れる方向と異なり、かつ、副流路１２の溝が伸びる方向である。
【００２１】
図１におけるX軸方向に互いに逆方向の電流を印加することで、縦方向の磁界が発生する。図２に示すように、電極配線５は、紙面の表面から裏面に向けて電流が流れる。電極配線６は、紙面の裏面から表面に向けて電流が流れる。その結果、矢印の方向に、誘起磁界が発生する。誘起磁界４により、主流路１１から副流路１２に磁気ビーズ２を誘導することができる。
【００２２】
縦方向の磁界は誘起磁界４の一例である。誘起磁界４は、主流路１１を流れる検体液に対して、副流路１２を検体液が流れる方向への磁界であれば良い。
【００２３】
磁気ビーズ２と結合していないバイオ分子標的１、又は非標的分子３である夾雑物などは、磁性を有さないため、縦方向の磁界により、副流路１２には誘導されない。以下、磁気ビーズ２と結合していないバイオ分子標的１、及び非標的分子３である夾雑物を、「非標的物質」と称する。単に「バイオ分子標的１」と称する時は、磁気ビーズ２と結合しているバイオ分子標的１と、磁気ビーズ２と結合していないバイオ分子標的１とを含む場合がある。
【００２４】
磁気ビーズ２と結合しているバイオ分子標的１を、選択的に副流路１２に誘導できる。その結果、副流路１２の検体液中に含まれるバイオ分子標的１の密度が向上し、かつ、非標的物質の密度を低減させることができる。よって、バイオ分子標的１の検出確率の向上を図ることができる。
【００２５】
＜磁気センサー８＞
副流路１２に誘導されたバイオ分子標的１は、熱揺らぎなどの影響によって動かされることによって、あるいは副流路側壁表面への吸着力によって、副流路１２の副流路側面１５に近づく。そして、バイオ分子標的１は、副流路１２の副流路側面１５に配したリガンド７と結合する。以下、副流路１２の副流路側面１５を「検出領域」とも標記する。
【００２６】
磁気センサー８は、バイオ分子標的１に結合した磁気ビーズ２から発生する漏洩磁界を検知する。具体的には、磁気センサー８は、副流路１２中の磁界を検出する。磁気センサー８は、漏洩磁界が閾値以上の場合に、バイオ分子標的１がリガンド７と結合していると判別する。磁気センサー８は、漏洩磁界が閾値より小さい場合に、バイオ分子標的１がリガンド７と結合していないと判別する。磁気センサー８は、好適には、磁気抵抗素子で構成される。具体的な構成は後述する。
【００２７】
例えば、磁気センサー８は、図１に示すように、主流路１１及び副流路１２を形成する絶縁体１３の内部に形成されている。磁気センサー８は、副流路１２中の磁界が検出できる位置に配置されればよい。
【００２８】
＜バイオ分子標的１の検出＞
図３に、磁気的な方法を用いて、バイオ分子標的１を検出する様子を示す。バイオ分子標的１は、磁気ビーズ２に配したリガンド９と相補的に結合する。バイオ分子標的１は、副流路１２の副流路側面１５に配したリガンド７とも相補的に結合する。このバイオ分子標的１の状態をダブルハイブリダイズ状態３０と呼ぶ。
【００２９】
磁気センサー８は、磁気ビーズ２からの漏洩磁界３１を検出する。磁気センサー８が、所定の閾値以上の漏洩磁界３１を検出した場合、バイオ分子標的１が有ると判別する。磁気センサー８が、所定の閾値より小さい漏洩磁界３１を検出した場合、バイオ分子標的１は無いとを判別する。
【００３０】
図２で示すリガンド７及びリガンド９は、バイオ分子標的１がＤＮＡ又はＲＮＡであると想定している。しかし、図１９に示すように、バイオ分子標的１３５が抗原、リガンド１３６が第１抗体分子、リガンド１３７が第２抗体分子の場合にも、同様に磁気センサー８で判別できる。
【００３１】
磁気ビーズ２のリガンド９とバイオ分子標的１との結合の工程は、主流路１１内で行っても良い。また、磁気ビーズ２のリガンド９と結合したバイオ分子標的１を含む検体液を主経路１１に導入しても良い。
【００３２】
＜従来技術との比較＞
図４は、従来技術におけるバイオ分子標的の検出する様子を示す。微量のバイオ分子標的４１が検出領域に誘導されている場合を示す。誘導されたバイオ分子標的４１は、熱揺らぎや吸着力によって磁気センサー８のある検出領域に近づき、リガンド４７と結合する。
【００３３】
しかしながら、非標的４３も、同様に熱揺らぎや吸着力によって検知領域に近づいて吸着してしまう。そのため検出領域は、非標的分子３である夾雑物などを含む非標的４３の吸着し、バイオ分子標的４１の密度が低くなる。そのため、バイオ分子標的４１の検出感度が低下する。従来技術の電極配線４５への電流印加によって誘起する誘起磁界４６では、検出領域に対する法線方向に駆動力成分が存在するため、検出領域への吸着を促進する働きは期待できるものの、非標的吸着の抑制は期待できない。
【００３４】
一方、図２に示すバイオ分子標的検出器１０は、副流路１２へ磁気ビーズ２を介してバイオ分子標的１を選択的に誘導する。その結果、標的検出の確率向上および非標的吸着の抑制が期待できる。
【００３５】
＜電極配線の変形例＞
図５に、バイオ分子標的検出器５０の一例を示す。バイオ分子標的検出器５０は、電極配線５１、５２、５３、５４を有する。電極配線５１及び電極配線５２と、電極配線５３及び電極配線５４とをそれぞれ１組とする。電極配線５１及び電極配線５２に、逆方向の電流印加することにより、誘導磁界５５を発生する。電極配線５３及び電極配線５４に、逆方向の電流印加することにより、誘導磁界５５を発生する。
【００３６】
電極配線５１及び電極配線５２による誘導磁界５５と、電極配線５３及び電極配線５４による誘導磁界５５とが打ち消すことにより、検出領域である副流路１２の側面１５の法線方向に対して駆動力を低減できる。その結果、誘導磁界５５と磁気ビーズ２からの漏洩磁界との検出信号の分離が容易になるため好ましい。
【００３７】
＜磁気抵抗素子＞
図６Ａ及び図６Ｂに、磁気センサー８の好ましい一例である磁気抵抗素子を示す。磁気抵抗素子は、磁性層（６１、６５）/非磁性層（６２、６６）/磁性層（６３、６７）で構成される。
【００３８】
図６Ａに示す磁気抵抗素子は、GMR（Giant Magnetoresistance）を利用した素子である。図６Ａに示す磁気抵抗素子は、金属非磁性層６２の材料がＣｕなどの金属であり、各層に平行に電流６４を印加して磁気抵抗を検出する。
【００３９】
図６Ｂに示す磁気抵抗素子は、TMR（Tunnel Magnetoresistance）を利用した素子である。図６Ｂに示す磁気抵抗素子は、絶縁非磁性層６６が絶縁体のトンネルバリアで、各層に垂直に電流６８を印加して磁気抵抗を検出する。
【００４０】
また、磁性体の異方性磁気抵抗を検出するAMR（Anisotropic Magnetoresistance）を利用した磁気抵抗素子、強相関電子系材料を用いたCMR(Colossal Magnetoresistance)を利用した磁気抵抗素子を用いることができる。
【００４１】
本実施形態において、磁気センサー８は、ＴＭＲを利用した磁気抵抗素子が好ましい。非磁性層６６にＭｇＯ（酸化マグネシウム）又はＭｇＡｌ2Ｏ4（アルミニウム酸マグネシウム）を用いることにより、数百％のＭＲ比（磁気抵抗変化率）が実現できる。
【００４２】
磁気抵抗素子の検出磁界感度は、ＭＲ比の大きさに反比例する。よって、磁気抵抗素子が高いＭＲ比を有することによって、バイオ分子標的を高感度に検出することが期待できる。微量のバイオ分子標的を検出するため、検出領域にバイオ分子標的を誘導し、かつ、高感度にバイオ分子標的を検出できる磁気抵抗素子を用いるのが好ましい。
【００４３】
なお、磁気ビーズ２からの漏洩磁界を検出するために、磁気抵抗素子を構成する２つの磁性層（磁性層６１および磁性層６５と、磁性層６３および磁性層６７）の磁化方向が互いに直交するように配置することが好ましい。
【００４４】
例えば、磁性層を磁場中で成膜する、又は磁性層を成膜後に磁界中でポストアニールをする。これにより、磁化方向が互いに直交する２つの磁性層（磁性層６１および磁性層６５と、磁性層６３および磁性層６７）を有する磁気抵抗素子を製造できる。
【００４５】
＜バイオ分子標的検出器の変形例＞
図７に、バイオ分子標的検出器７０の斜視図を示す。図８に、図７に示すｂ−ｂ線におけるバイオ分子標的検出器７０の断面図を示す。図７に示すバイオ分子標的検出器７０は、図１に示すバイオ分子標的検出器１０と、副流路７２の構造が異なること以外は、同様の構成を有する。
【００４６】
バイオ分子標的検出器７０は、バイオ分子標的１および磁気ビーズ２を含む検体液が流れる主流路７１と、主流路７１と接続してかつ主流路７１と並列に接続されるビア状構造を有する副流路７２と、主流路７１から副流路７２に磁気ビーズ２を誘導するための誘起磁界７４を発生する、副流路７２の開口部に配した電極配線７５と電極配線７６と、副流路７２に設けたバイオ分子標的１と結合可能なリガンド７と、副流路７２の側面周辺に設けた漏洩磁界を検出可能な磁気抵抗素子からなる磁気センサー７８とを備える。
【００４７】
電極配線７５と電極配線７６に互いに逆方向の電流を印加することで、縦方向の誘起磁界７４を発生させる。この誘起磁界７４により、副流路７２に磁気ビーズ２を誘導する。バイオ分子標的１は、熱揺らぎ又は吸着力によって、副流路７２の副流路側面７３に近づく。副流路７２に近づいたバイオ分子標的１は、副流路側面７３に配したリガンド７と結合する。バイオ分子標的１の結合有無は、同じく結合した磁気ビーズ２の漏洩磁界を、副流路側面７３周辺に配した磁気センサー７８で検知することより行う。
【００４８】
電極配線７５と電極配線７６は図９Ａのように接続して配することで単一のターンコイルを形成できる。また図９Ｂのようにターンコイルを多数配しても所望の動作を実現できる。さらにコイルをソレノイドコイルとして配しても所望の動作を実現できる。
【００４９】
＜磁気センサー８の構成例＞
高感度にバイオ分子標的１の有無を判別するためには、磁気センサー８は、差動検出を用いるのが好ましい。図１０Ａに、磁気センサー８の構成例を示す。
【００５０】
磁気抵抗素子１０１及び参照抵抗１０２を用いて、負帰還回路を用いた負帰還増幅器１０３及び前値負帰還増幅器１０４を介して、変位電圧Ｖsig１０５および参照電圧Vref１０６を検出する。増幅器１０７は、変位電圧Ｖsig１０５および参照電圧Vref１０６を差動増幅して、検知電圧Vout１０８を得る。
【００５１】
図１０Bに示すブリッジ回路を用いて、検知電圧Ｖｏｕｔ１０８を得ることもできる。図１０Ｂに示すブリッジ回路は、参照抵抗１１１と、参照抵抗１１２と、参照抵抗１１３とを含む。ブリッジ回路により、検知出力電圧Vout１１４を、磁気抵抗素子１１０の抵抗変化として得ることが出来る。参照抵抗１０２、参照抵抗１１１、参照抵抗１１２、及び参照抵抗１１３は、磁気抵抗素子１０１および磁気抵抗素子１１０と同等の抵抗を有する磁気抵抗素子であることが好ましい。
【００５２】
＜製造方法＞
図１１Ａから図１１Ｊに、本実施の形態のバイオ分子標的検出器の製造方法の一例を示す。図１１Ａから図１１Ｊは、バイオ分子標的検出器の断面図を示している。
【００５３】
＜ステップＳ１＞
図１１Ａに示すように、絶縁体層１２０、磁性体層１２１、トンネル絶縁層１２２、及び導電体層１２３を層状に堆積して、膜を形成する。以下、絶縁体層１２０、磁性体層１２１、トンネル絶縁層１２２、及び導電体層１２３を含む膜を「多層膜１２００」と表記する。
【００５４】
以下、具体的に説明する。絶縁体層１２０上に、複数の磁性体層１２１及びトンネル絶縁層１２２を形成する。トンネル絶縁層１２２は、磁性体層１２１で挟まれている。複数の磁性体層１２１及びトンネル絶縁層１２２の上に、絶縁体層１２０を形成する。絶縁体層１２０の上に、導電体層１２３を形成する。導電体層１２３の上に、絶縁体層１２０を形成する。なお、絶縁体層１２０と接する面が磁性体層１２１であれば、複数のトンネル絶縁層１２２を形成しても良い。
【００５５】
絶縁体層１２０の材料は、絶縁体であれば良い。例えば、絶縁体層１２０の材料は、ＴＥＯＳ（Tetra ethyl ortho silicate）を原料とするＳｉＯ2膜、熱酸化Ｓｉ（ＳｉＯ2）、ＳｉＯＣ、ＳｉＮ（Ｓｉ3Ｎ4）、低誘電率を有する有機系材料などである。
【００５６】
磁性体層１２１の好適な材料は、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉである。また、磁性体層１２１の好適な材料は、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉのいずれかを含む合金、Ｂ（ボロン）を含むアモルファス磁性合金である。また、磁性体層１２１は、ＦｅＰｔなどの垂直磁化を有する磁性層でも良い。
【００５７】
トンネル絶縁層１２２の好適な材料は、Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2、ＭｇＯ、又はＭｇＡｌ2Ｏ4である。これらの材料は、高ＭＲ比を有するため、好適に用いられる。
【００５８】
導電体層１２３の材料は、抵抗率が１００ｍΩｃｍ以下の導電性を有していればよい。例えば、導電体層１２３の材料は、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、白金（Ｐｔ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、窒化タンタル（Ｔａ−Ｎ）、窒化チタン（Ｔｉ−Ｎ）、又は窒化アルミチタン（Ｔｉ−Ａｌ−Ｎ）などである。
【００５９】
本実施の形態のバイオ分子標的検出器を形成する基体（図示していない）には、たとえばシリコン基板などを用いることができる。
【００６０】
図１１Ａに示す多層膜１２００を、半導体回路が実装された基板上に形成しても良い。トランジスタ又はコンタクトプラグなどが予め形成された基板上に、図１１Ａに示す多層膜１２００を形成した場合には、信号計測を行う上で好ましい。
【００６１】
＜ステップＳ２＞
図１１Ｂに示すように、エッチング技術（etching technique）を用いて、図１１Ａに示す多層膜１２００の両端を除去する。エッチング技術を用いて除去された空間を、除去空間１２４（removal space）と称する。エッチング技術は、乾式エッチング、または湿式エッチングを用いることができる。
【００６２】
エッチング後の多層膜１２００を急峻な形状にするためには、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）が適している。急峻な形状とは、図１１Ｂに示すように、多層膜１２００の断面形状における角度（θ）が鋭角であることを意味する。
【００６３】
多層膜１２００の材料に含まれる磁性金属を加工するためには、アルゴンイオンミリングが適している。
【００６４】
＜ステップＳ３＞
図１１Ｃに示すように、多層膜１２００を覆うように、絶縁体層１２５を堆積する。除去空間１２４及び多層膜１２００の上部に、絶縁体層１２５を形成する。ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）などを用いて、絶縁体層１２５の上面部を平坦化しておくのが好ましい。絶縁体層１２５の材料は、絶縁体層１２０と同様の材料を用いる。
【００６５】
＜ステップＳ４＞
図１１Ｄに示すように、エッチング技術を用いて、多層膜の上部に形成されている絶縁体層１２５の一部を除去する。除去した部分１２６が、主流路１１となる。
【００６６】
＜ステップＳ５＞
図１１Ｅに示すように、除去部分１２６及び絶縁体層１２５の上に、パターンマスク材１４０を塗布する。パターンマスク材は、レジスト材又は感光性ポリマーである。パターンマスク材１４０は、副流路となる部分１２７を形成するための感光パターンとなる。
【００６７】
＜ステップＳ６＞
図１１Ｆに示すように、エッチング技術を用いて、多層膜１２００の一部を除去する。除去された部分１２７が副流路に相当する。除去された部分１２７の形状は、図１に示す副流路１２の溝状形状、又は図７に示す副流路７２のビア状形状とする。図１１Ｆに示すように、除去部分１２７は、多層膜１２００を貫通する空間となる。
【００６８】
＜ステップＳ７＞
図１１Ｇに示すように、除去部分１２７の形成により、外部空間に露出されている多層膜を覆うように、保護層１２８を形成する。また、保護層１２８は、パターンマスク材１４０も覆うように形成される。
【００６９】
保護層１２８の材料は、絶縁体であり、かつ、水溶液に対する耐性のある材料である。保護層１２８の好適な材料は、ＳｉＯ2又はＳｉＮである。
【００７０】
＜ステップＳ８＞
図１１Ｈに示すように、除去部分（副流路）１２７に接する保護層１２８に、表面処理を行う。カルボキシル基（-COOH）、チオール基（-SH）、アミノ基（-NH２）などを付与する表面処理を施した副流路１２７の側面にリガンド１２９を配する。
【００７１】
＜ステップＳ９＞
図１１Ｉに示すように、パターンマスク材１４０及びパターンマスク材１４０の上に形成されている保護膜１２８を除去することで、本実施の形態のバイオ分子検出器を形成する。
【００７２】
図１１Jに示すように、導電体層１２３が、電極配線５および電極配線６に相当する。複数の磁性体層１２１及びトンネル層１２２が、磁気センサー８に相当する。電極配線５および電極配線６に電流を印加し、誘起磁界４を発生させる。誘起磁界４により、副流路１２７に磁気ビーズ２は誘導される。磁気ビーズ２と結合するバイオ分子標的１を磁気センサー８で検出する。
【００７３】
図１１A〜図１１Jに示す製造工程では、図１１Ｅ〜図１１Ｈにおいて、感光性のパターンマスク材１４０を示している。本実施形態においては、主経路１２６及び副流路１２７の加工には、同様の感光性パターン材を用いたフォトリソグラフィーを施している。
【００７４】
副流路１２７が多層膜を貫通している場合、図１２Ｂに示すように、副流路１２７の下部に、下部主経路１３１を形成する。副流路１２７を流れた検体液は、次に下部経路１３１を流れる。
【００７５】
図１２Ａに示すように、下部主経路１３１を設ける場合、多層膜の下に予め犠牲層１３０を配しておく。ステップＳ６において、副流路１２７を形成する際に、犠牲層１３０を除去することにより、下部主流路１３１を形成することができる。検体液は、上部の主流路１２６から副流路１２７を経由して。下部主流路１３１に流れる。その結果、副流路１２６に、非標的物質を残留させることが無く好ましい。
【００７６】
犠牲層１３０は、ＭＥＭＳ加工で用いられるガラス又はＳｉＮ、若しくはレジストに代表されるような有機材料を用いる。
【００７７】
図５、図９Ａ、又は図９Ｂに示すように電極配線の組が複数ある場合、図１１ＡのステップＳ１において、複数の導電体層１２３を形成する。例えば、複数の磁性体層１２１及びトンネル絶縁層１２２の下に、絶縁層１２０を挟んで、導電体層１２３を形成する。
【００７８】
本実施形態のバイオ分子標的検出器を複数のアレイ状に配置するバイオ分子標的システムを形成することもできる。バイオ分子標的システムは、アレイ状に配置したバイオ分子標的検出器に、多種リガンドを配置することにより、リガンドに応じた多種のバイオ分子標的の検出できる。
【００７９】
＜他の製造方法＞
図１３Ａから図１３Jに、バイオ分子標的検出器の別の製造方法の一例を示す。図１３Ａ〜図１３Jは、バイオ分子標的検出器の断面図を示している。以下に説明する製造方法は、図１３Ｇの工程が上述の製造方法の図１１Ｇの工程と異なること以外は、概ね同様である。
【００８０】
＜ステップＳ１１＞
図１３Ａに示すように、絶縁体層１２０、磁性体層１２１、及び導電体層１２３を堆積して、多層膜を形成する。絶縁体層１２０、磁性体層１２１、及び導電体層１２３を含む膜を、「多層膜１３００」と標記する。
【００８１】
具体的には、絶縁体層１２０の上に、磁性体層１２１を形成する。磁性体層１２１の上に、絶縁体層１２０を形成する。その絶縁体層１２０の上に、導電体層１２３を形成する。磁性体層１２１と導電体層１２３との間には、絶縁体層１２０がある。
【００８２】
＜ステップＳ１２＞
図１３Ｂに示すように、エッチング技術（etching technique）を用いて、図１３Ａに示す多層膜１３００の両端を除去する。エッチング技術を用いて除去された空間を、除去空間１２４（removal space）と称する。
【００８３】
＜ステップＳ１３＞
図１３Ｃに示すように、多層膜１３００を覆うように、絶縁体層１２５を堆積する。この際、上面部はＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）などの手法を用いて、平坦化しておくのが好ましい。
【００８４】
＜ステップＳ１４＞
図１３Ｄに示すように、エッチング技術を用いて、多層膜の上部に形成されている絶縁体層１２５の一部を除去する。除去した部分１２６が、主流路１１となる。
【００８５】
＜ステップＳ１５＞
図１３Ｅに示すように、除去部分１２６及び絶縁体層１２５の上に、パターンマスク材１４０を塗布する。パターンマスク材は、レジスト材又は感光性ポリマーである。パターンマスク材１４０は、副流路となる部分１２７を形成するための感光パターンとなる。
【００８６】
＜ステップＳ１６＞
図１３Ｆに示すように、エッチング技術を用いて、多層膜１３００の一部を除去する。除去された部分１２７の一部が副流路に相当する。
【００８７】
＜ステップＳ１７＞
図１３Gに示すように、多層膜１３００の除去した部分に、トンネル絶縁層１３２、磁性体層１３３、保護層１２８を堆積する。トンネル絶縁層１３２の材料は、Ａｌ2Ｏ3又はＴｉＯ2を好適に用いる。多層膜１３００の側面への形成が簡便なためである。
【００８８】
特に、Ａｌ又はＴｉを予め堆積した後に、酸素雰囲気にて自然酸化させる手法が好ましい。また、堆積及び酸化の多段階工程で形成することにより、極薄の高品質トンネル絶縁層を形成できる。
【００８９】
磁性体層１２１の好適な材料は、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉである。また、磁性体層１２１の好適な材料は、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉのいずれかを含む合金、Ｂ（ボロン）を含むアモルファス磁性合金である。また、磁性体層１２１は、ＦｅＰｔなどの垂直磁化を有する磁性層でも良い。保護層１２８の材料は、水溶液に対する耐性を有する物質である。保護層１２８の好適な材料は、ＳｉＯ2又はＳｉＮである。
【００９０】
＜ステップＳ１８＞
図１３Ｈに示すように、除去部分（副流路）１２７に接する保護層１２８に、表面処理を行う。カルボキシル基（-COOH）やチオール基（-SH）、アミノ基（-NH2）などを付与する表面処理を施した副流路１２７の側面にリガンド１３４を配する。
【００９１】
＜ステップＳ１９＞
図１３Iにて示すようにパターンマスク材１４０及びパターンマスク材１４０の上に形成されている保護膜１２８を除去することで、本実施の形態のバイオ分子検出器を形成する。
【００９２】
図１３Jに示すバイオ分子標的検出器は、電極配線５および電極配線６への電流印加により磁気ビーズ２を誘導する。誘導した磁気ビーズ２の、磁気抵抗素子からなる磁気センサー８で検出を行う、図２で示したのと同じ構造を実現できる。ここで示した磁気抵抗素子は、図１４にて示すように縦型にアレイ化して形成できる上、トンネル絶縁層１３２を一回のプロセスで形成できるため、素子特性のバラつきを抑える効果が期待できる。
【００９３】
図１１Ａ〜図１１J、図１２Ａ〜図１２Ｂ、図１３Ａ〜図１３Jに示す各工程は、公知の技術、たとえば、半導体素子の製造プロセスや、薄膜形成プロセスや、微細加工プロセスで用いられている技術を適用できる。
【００９４】
各層の形成には、たとえば、原子層堆積法（ＡＬＤ）、パルスレーザデポジション（ＰＬＤ）、イオンビームデポジション（ＩＢＤ）、クラスターイオンビーム、およびＲＦ、ＤＣ、電子サイクロトン共鳴（ＥＣＲ）、ヘリコン、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）、対向ターゲットなどの各種スパッタリング法、分子線エピタキシャル法（ＭＢＥ）、イオンプレーティング法などを適用できる。これらＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法の他に、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、ＭＯＣＶＤ（Metalorganic Chemical Vapor Deposition）法、メッキ法、ＭＯＤ（Metalorganic Decomposition）法、あるいは、ゾルゲル法などを用いてもよい。
【００９５】
各層の微細加工には、たとえば、半導体素子の製造プロセスや、磁性デバイス（ＧＭＲやＴＭＲなどの磁気抵抗素子など）の製造プロセスに用いられる方法を適用できる。たとえば、イオンミリング、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）、ＦＩＢ（Focused Ion Beam）などの物理的あるいは化学的エッチング法を用いてもよい。また、微細パターン形成のためのステッパー、ＥＢ（Electron Beam）法などを用いたリソグラフィー技術を組み合わせて用いてもよい。
【００９６】
層間絶縁層や、コンタクトホールに堆積させた導電体の表面の平坦化は、たとえば、ＣＭＰやクラスターイオンビームエッチングなどで行うことができる。
【００９７】
また、トンネル絶縁層の製造時における酸化処理や還元処理は、たとえば、酸素の、原子、分子、イオンまたはラジカルなどを含む適当な雰囲気中で行われる。酸化処理は、雰囲気、温度、時間、反応性を変化させてもよい。なお、プラズマやラジカルを発生させる手段としては、たとえば、ＥＣＲ放電、グロ−放電、ＲＦ放電、ヘリコンあるいはＩＣＰ等の公知の手段を適用できる。窒素を用いた窒化についても、同様の手法によって実施できる。
【００９８】
＜バイオ分子標的の検出方法＞
本実施形態のバイオ分子標的検出器がバイオ分子標的１を検出する方法について述べる。図１５に、バイオ分子標的１の検出工程を示す。一例として、図８に示すバイオ分子標的検出器７０がバイオ分子標的１を検出する場合を説明する。
【００９９】
＜ステップＳ１５１＞
電極配線７５と電極配線７６に電流を印加することで、主流路７１に対して縦方向の磁界を誘起する。例えば、電極配線７５と電極配線７６は、図９Ａに示すターンコイルにより形成されている。主流路７１に流れるバイオ分子標的１と結合した磁気ビーズ２を副流路７２に誘導する静磁界７４を発生させる。
【０１００】
静磁界は、一定電流で誘起する直流磁界を表している。ただし、静磁界は、磁気ビーズの動きよりも十分長い振動周期となる低周波磁界でも構わない。例えば、０．０１Ｈｚ以上１００Ｈｚ以下の低周波数を有する磁界でも構わない。
【０１０１】
＜ステップＳ１５２＞
電極配線７５と電極配線７６に交流電流を印加することにより、副流路７２に対して交流磁界７４を発生させる。これにより、バイオ分子標的１と結合した磁気ビーズ２を副流路７２内で振動させて、リガンド７との結合を促進させる。例えば、ステップＳ１５１により縦方向の磁界を発生させた所定時間後に、交流磁界を発生させる。
【０１０２】
数十ｎｍ以下の大きさを有する微小の物質であるバイオ分子標的１は、副流路７２の幅に対して、非常に小さい。よって、副流路７２に配置されたリガンド７と結合せずに、副流路７２を流れてしまう可能性がある。交流磁界７４により、バイオ分子標的１と結合した磁気ビーズ２を副流路７２内で振動させることにより、リガンド７と結合する確率を向上させることができる。
【０１０３】
副流路７２を検体液が流れる方向が重力方向である場合、交流磁界７４は好ましい。交流磁界７４は、副流路の長さによって適する振動周期が異なる。例えば、１Ｈｚ以上１０ｋＨｚ以下の範囲の周波数が好ましい。
【０１０４】
＜ステップＳ１５３＞
磁気センサー７８が、副流路７２中の磁界を検出する（ステップＳ１５３）。具体的には、磁気センサー７８は、リガンド７と結合した磁気ビーズ２からの漏洩磁界を検出する。
【０１０５】
＜ステップＳ１５４＞
磁気センサー８は、所定の閾値上の漏洩磁界３１を検出した場合、バイオ分子標的１が有ると判別する。磁気センサー８は、所定の閾値より小さい漏洩磁界３１を検出した場合、バイオ分子標的１は無いとを判別する。磁気センサー８が漏洩磁界を検出し、図示しない判別部に漏洩磁界のデータを送信し、判別部がバイオ分子標的１の有無を判別しても良い。また、磁気センサー８がバイオ分子標的１の有無を判別している。バイオ分子標的１が有ると判別した場合には、バイオ分子標的１の数又は種類等を判別してもよい。
【０１０６】
＜ステップＳ１５５＞
バイオ分子標的１が有ると判別とした場合、検出した漏洩磁界３１のデータを収集して検知を完了する。例えば、バイオ分子標的検出器７８が有する記録部に記録する。
【０１０７】
予め漏洩磁界の大きさと、バイオ分子標的１の数又は種類と対応付けた関係を保持しておいても良い。磁気センサー８又は判別部が、この関係を用いて、検出した漏洩磁界の大きさを参照して、副流路７２に存在するバイオ分子標的１の数又は種類を特定しても良い。
【０１０８】
例えば、検体液に存在する磁気ビーズ２が同等の磁力を有する場合、検出した漏洩磁界の大きさが大きいほど、バイオ分子標的１の数が多いことになる。よって、漏洩磁界の大きさと、バイオ分子標的１の数とが比例している関係を有していれば良い。
【０１０９】
また、磁気ビーズ２の磁力の大きさ毎に、結合しているリガンド９の種類を変更しても良い。例えば、バイオ分子標的１の種類に応じて、結合するリガンド９が異なる場合には、その磁力の大きさ（整数倍の値を含む）とバイオ分子標的１の種類とを対応付けた関係を有していれば良い。
【０１１０】
図１８に、バイオ分子標的１の検出工程の変形例を示す。図１８に示す検出工程は、図１５に示すステップＳ１５２とステップＳ１５３との間に、静磁界印可による余分な磁気ビーズ２の除去工程（ステップＳ１８１）を有する。図１８に示すそのほかの検出工程は、図１５に示す検出工程と同様である。
さらに、ステップＳ１５２とステップ１８１とを所定の回数繰り返すことが、より好ましい。
【０１１１】
ここで、余分な磁気ビーズ２とは、バイオ分子標的１が結合していない磁気ビーズ２を意味する。余分な磁気ビーズ２を排除することにより、より正確にバイオ分子標的１に対応する出力信号を得やすくなる。
【０１１２】
図１６に、ステップＳ１５１からステップＳ１５３における磁気センサー８が検知した出力電圧の一例を示す。
【０１１３】
ステップＳ１５１及びステップＳ１５２で発生する磁界による信号が、出力電圧にも表れている。またステップＳ１５２の途中で出力電圧に変調が現れているが、結合した磁気ビーズの漏洩磁界による出力が重畳して検出されている。ステップＳ１５３では磁界を印加無しの下で、出力電圧の有無を判定して、検出を行う。
【０１１４】
図１７に、磁気センサー８が検知した出力電圧の異なる例を示す。ステップＳ１５１は図１６に示す例と場合と同じである。図１７に示すステップＳ１５２での入力変調に一定の周波数を用いることにより、出力電圧からその周波数成分を除去できる。よって、ステップＳ１５２の途中でも、バイオ分子標的１の検出できるため好ましい。
【０１１５】
本実施形態のバイオ分子検出器によれば、ポリメラーゼ連鎖反応（polymerase chain reaction：ＰＣＲ）を含む増幅工程などを必要としないため望ましい。従来のバイオ分子標的検出の手法が提案され、一部利用されている。しかしながら、水晶振動子を用いる手法や電界効果を用いる手法、蛍光マーカーを用いた光学検知手法では、多くの分子を必要とするため、検出感度が低く、通常ＰＣＲを用いての増幅工程が含まれる。また、蛍光マーカーを用いる場合、未結合のマーカーやバイオ分子標的を洗浄除去する工程をも含まれるため、望ましくない。
【０１１６】
本実施形態のバイオ分子検出器によれば、磁気ビーズ２に結合したバイオ分子標的１を、その漏洩磁界により検知できる。よって、磁気ビーズ自体を磁場で駆動出来るため、未結合のマーカーを磁界で取り除くことができる。磁気ビーズと未結合のバイオ分子標的は検出されないという特徴から、原理的に余分な洗浄工程を行わずに、バイオ分子標的１を検知できる。バイオ分子標的１は非磁性あるいは小透磁率の分子であるため、他の手法に比べてノイズ成分が小さいという利点がある。つまり、磁気ビーズの漏洩磁界を高感度に検出することができれば、高いＳ／Ｎでの検知が期待できる。
【０１１７】
以下、具体的な実施例によって本発明をより詳細に説明する。
【０１１８】
（実施例１）
実施例１では、図１１Ａ〜図１１Jに示すバイオ分子標的検出器の製造方法を用いて図７のバイオ分子標的検出器７０を作製した。作製したバイオ分子標的検出器７０（サンプル１−１）の検出特性を評価した。
【０１１９】
図１１Ａに示す多層膜を準備した。多層膜に対して、表面に熱酸化膜（ＳｉＯ2膜）５００ｎｍが形成されたＳｉ基板の上に、磁性層１２１としてＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０を、非磁性層１２２としてＭｇＯ（２ｎｍ）を堆積した。但し磁性層（下部）／非磁性層／磁性層（上部）の構造は詳細には、下から順にＴａ（５）/Ｃｕ（２００）/Ｔａ（５）/Ｐｔ４７Ｍｎ５３（３０）/Ｃｏ５０Ｆｅ５０（３）/Ｒｕ（０．７）/ＣｏＦｅＢ（３）を下部磁性層として、下から順にＣｏＦｅＢ（５）/Ｔａ（５）/Ｃｕ（２００）/Ｔａ（５）/Ｐｔ（２０）を上部磁性層として形成した。括弧内数字は膜厚（ｎｍ）を示している。
【０１２０】
上部下部Ｃｕを磁気抵抗素子の出力電圧を得るための配線電極に対応する。下部ＰｔＭｎ/ＣｏＦｅ/Ｒｕ/ＣｏＦｅＢを固定磁性層に対応する。上部ＣｏＦｅＢを自由磁性層に対応する上部Ｐｔはパシベーションイ対応する。
【０１２１】
各層の成膜はマグネトロンスパッタ手法で行った。成膜は室温にて磁気抵抗素子を形成する標準的な条件で行った。具体的な条件としてＣｏＦｅＢは圧力０．８ｍＴｏｒｒ、ＲＦ出力５０Ｗで形成した。またＭｇＯは室温下で圧力４ｍＴｏｒｒ、ＲＦ出力５０Ｗで形成した。その後に絶縁体層１２０としてＴＥＯＳ膜８００ｎｍ、導電体層１２３となる窒化チタン（ＴｉＮ）膜２００ｎｍ、またその上に絶縁体層１２０としてＴＥＯＳ膜８００ｎｍを堆積した。ＴｉＮ層は、Ｔｉターゲットを用いたマグネトロンスパッタリング法によって堆積させた。
【０１２２】
スパッタリングは、窒素ガスとアルゴンガスとの混合ガス（窒素ガス：アルゴンガスの体積比が約４：１）の雰囲気下（圧力：０．１Ｐａ）において、基板温度を０〜３５０℃の範囲（主に２８０℃）とし、印加電力をＤＣ４ｋＷとして作製を行った。この後に磁化方向の直交化を施すため、磁界５ＫＯｅ中で２８０℃の真空熱処理を行った。
【０１２３】
次に図１１Ｂとして標準的なリソグラフィーおよびエッチング手法を用いて加工した。ここでのリソグラフィーはコンタクト露光および電子ビーム露光を、エッチングにはいずれもアルゴンイオンミリング手法を用いて行った。加工によって形成した配線幅は１００μｍとした。その後図１１Ｃにて示すようなＴＥＯＳ膜１μｍを堆積した。続いて図１１Ｄに準じた主流路１２６となる凹部を形成した。凹部の幅は５０μｍ、高さは１〜１．２μｍとした。次にポジレジスト１４０を用いて図１１Ｆに準じた副流路１２７となるビアを形成した。ビア径は約１０μｍφにて約１００μｍ間隔で一列に５個形成した。次に図１１Ｇにて示すようにＳｉＯ2１００ｎｍを成膜して保護膜とした。成膜はＲＦスパッタにて行ったため、副流路側壁部の膜厚は形成膜厚の１／２以下となっており、典型的には３０ｎｍ程度であった。
【０１２４】
次に副流路表面に処理を行い、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）の修飾を行った。修飾処理には末端基がメチルエステルであるカルボメトキシエチルトリクロロシラン（ＣＭＥＴＳ）を用いて、０．５ｍｍｏｌ／ｌのトルエン溶液とし、副流路全体が浸かるようにして１時間保持した後、アセトン、メタノール、純水の順にそれぞれ５分間の超音波洗浄をして、表面へのＣＭＥＴＳ付与を行った。その後、ＣＭＥＴＳの末端基であるメチルエステルを加水分解処理することで、表面の−ＣＯＯＨ化を行った。加水分解処理にはＨＣｌ溶液に副流路全体が浸かるようにして２時間保持して行った。表面を−ＣＯＯＨ化した後に、Ｎ−ヒドロキシサクシイミド基で活性化を行い、その後にストレプトアビジンを付けて固定化する。本実施例ではバイオ分子標的１として図２１に示す（１）のＡＬＤＨ２遺伝子の一部を用いた、野生型の（２）の配列を有するＤＮＡを用いるため、３’末端側にビオチン修飾した（３）の配列を有する相補型（complimentary  ;c-）DNAを用いて、ストレプトアビジン−ビオチンの結合体を設けてリガンド７（および１２９）を構成した。各試薬の主流路・副流路への導入には、溶液を脱気してとけ込んでいる空気を少なくすることで導入し易くし、また流路全体を僅かに減圧状態にして導入を促進した。また磁気ビーズとしては、ストレプトアビジンが表面に付着した鉄酸化物（Ｆｅ3Ｏ4）からなる球体磁気ビーズ（直径２μｍ：micromod社製Ｍｉｃｒｏｍｅｒ−Ｍ）を基に、５’末端側にビオチン修飾した（４）の配列を有する相補型（complimentary  ;c-）DNAを用いて、ストレプトアビジン−ビオチンの結合体を設けてリガンド９を付与した磁気ビーズ２を構成した。トリスヒドロキシメチルアミノメタン（Ｔｒｉｓ）とエチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）とでなるＴＥ緩衝液に分散した１ｎＭバイオ分子標的１を磁気ビーズ２と共に主流路に導入して、作成したバイオ分子標的検出器の評価を実施した。評価は２５℃、空気中にてバイオ分子標的検出器を設置して行った。
【０１２５】
なお図２１で示した配列は以下の通りである。
（１）ＡＬＤＨ２遺伝子の一部
ttgggcgagt acgggctgca ggcatacact  g  aagtgaaaac tgtgagtgtg ggacctgctg ggggctcagg
gcctgttggg  gcttgagggt ctgctggtgg ctcggagcct gctgggggat tggggtctgt tgggggctcg gggcctgcca
gaggttcagg acctgccggg gactcagggc gactcagggc ctgctggaag  ttcaggacct gctggggatc agggcctgcc
（２）バイオ分子標的となる遺伝子配列
５'-ttgggcgagt acgggctgca ggcatacact g aagtgaaaac tgtgagtgtg ggacctgctg ggggctcagg-３'
（３）相補型ＤＮＡの遺伝子配列
３'-aacccgctca tgcccgacgt ccgtatgt-５'
（４）相補型ＤＮＡの遺伝子配列
３'-ctcacac cctggacgac ccccgagtcc-５'
図１８の検出工程に従って、電極配線に定電流１０ｍＡ印加して静磁界を発生させて磁気ビーズ２の副流路１２７への誘導を促した後に、周波数１Ｈｚにて１０ｍＡを印加して交流磁界を発生させた。図１７に準じた検出方法により磁気抵抗変化による電圧を計測した。図２０は磁気ビーズ駆動用の磁界影響を除去した後の検出波形の一例を示す。図中のτ、Vsはそれぞれ交流磁界印可時間、検出した出力電圧を示している。τ時間後の出力電圧の低下は直流磁界を印加して、未結合の余分な磁気ビーズを排除した際の信号であり、検出出力としては、排除後の電圧Vsを検出出力電圧とした。交流磁界印可時間を変化させた際の検出出力電圧の変化は表１に示す通りで、交流磁界の印加によって検出確率が向上することが示された。さらに本実施例のバイオ分子標的検出器における用いた磁気ビーズのカタログ磁化量（3emu/g）から算出した磁気ビーズ当たり検出感度はおよそ１０μV/個であることから、バイオ分子標的の数個レベルでの検出が、１ｎＭと低濃度においても可能であることが示された。
【０１２６】
【表１】
2013029440.tif 000003
【０１２７】
本実施例ではＡＬＤＨ２遺伝子の一部からなるＤＮＡのバイオ分子標的を用いたが、基本的にはどのようなＤＮＡを用いても同程度の高感度検出が可能である。
【０１２８】
（実施例２）
実施例２では、実施例１で用いた標的ＤＮＡおよび相補鎖ＤＮＡのかわりに、標的抗原および抗体を用いて形成したサンプル２−１を作製し、その抗原-抗体反応によって結合する磁気ビーズの漏洩磁界の検出特性について評価した。
【０１２９】
用いたバイオ分子標的検出器は実施例１と全く同様で図７に準じる構成を図１１Ａ〜図１１Ｊに示す製造方法で形成した。
【０１３０】
副流路表面に処理を行い、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）の修飾を行った。方法は実施例１と同様で処理した。表面を−ＣＯＯＨ化した後に、Ｎ−ヒドロキシサクシイミド基で活性化を行った。本実施例ではバイオ分子標的１としてＢＳＡ（ウシ血清アルブミン）抗原を用いるため、活性化表面に抗BSA抗体（ポリクローナル抗体）を付けて固定化し、リガンド７（および１２９）とした。各試薬の主流路・副流路への導入には、溶液を脱気してとけ込んでいる空気を少なくすることで導入し易くし、また流路全体を僅かに減圧状態にして導入を促進した。また磁気ビーズとしては、予めBSA抗体が表面に付着した鉄酸化物（Ｆｅ3Ｏ4）からなる球体磁気ビーズ（直径２５０ｎｍ：micromod社製ｎａｎｏｍａｇ−Ｄ）を用いて、リガンド９を付与した磁気ビーズ２を構成した。リン酸緩衝液に分散した１ｎＭバイオ分子標的１を磁気ビーズ２と共に主流路に導入して、作成したバイオ分子標的検出器の評価を実施した。評価は２５℃、空気中にてバイオ分子標的検出器を設置して行った。
【０１３１】
図１８の検出工程に従って、電極配線に定電流１０ｍＡ印加して静磁界を発生させて磁気ビーズ２の副流路１２７への誘導を促した後に、周波数１０Ｈｚにて１０ｍＡを印加して交流磁界を発生させた。図１７に準じた検出方法により磁気抵抗変化による電圧を計測した。交流磁界印可時間の増加に伴い、検出出力電圧が増加することから、交流磁界の印加によって検出確率が向上することが示された。
【０１３２】
本実施例ではＢＳＡ抗原からなるバイオ分子標的を用いたが、基本的にはどのような抗原を用いても同様の手法で高感度検出が可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１３３】
本発明は、バイオ分子標的検出器およびそれを含む電子機器等に適用できる。また、本発明のバイオ分子標的の検出方法では、検出確率の向上および検出時間の短縮ができるため、本発明は、例えば、ウィルスや食品検査などのその場診断技術等として適用可能なものである。
【符号の説明】
【０１３４】
１、１３５  バイオ分子標的
２  磁気ビーズ
３  非標的分子
４、４６、５５  誘起磁界
５、６、４５、５１、５２、５３、５４、７５、７６  電極配線
７、９、４７、１２９、１３４、１３６、１３７  リガンド
８、７８  磁気センサー
１０、５０、７０  バイオ分子標的検出器
１１、７１  主流路
１２、７２  副流路
１３  絶縁体
１５、７３  副流路側面
３０  ダブルハイブリダイズ状態
３１  漏洩磁界
４１  バイオ分子標的
４３  非標的
６１、６３、６５  磁性層
６２  金属非磁性層
６６  絶縁非磁性層
【図１】
2013029440.tif 000004
【図２】
2013029440.tif 000005
【図３】
2013029440.tif 000006
【図４】
2013029440.tif 000007
【図５】
2013029440.tif 000008
【図６Ａ】
2013029440.tif 000009
【図６Ｂ】
2013029440.tif 000010
【図７】
2013029440.tif 000011
【図８】
2013029440.tif 000012
【図９Ａ】
2013029440.tif 000013
【図９Ｂ】
2013029440.tif 000014
【図１０Ａ】
2013029440.tif 000015
【図１０Ｂ】
2013029440.tif 000016
【図１１Ａ】
2013029440.tif 000017
【図１１Ｂ】
2013029440.tif 000018
【図１１Ｃ】
2013029440.tif 000019
【図１１Ｄ】
2013029440.tif 000020
【図１１Ｅ】
2013029440.tif 000021
【図１１Ｆ】
2013029440.tif 000022
【図１１Ｇ】
2013029440.tif 000023
【図１１Ｈ】
2013029440.tif 000024
【図１１Ｉ】
2013029440.tif 000025
【図１１Ｊ】
2013029440.tif 000026
【図１２Ａ】
2013029440.tif 000027
【図１２Ｂ】
2013029440.tif 000028
【図１３Ａ】
2013029440.tif 000029
【図１３Ｂ】
2013029440.tif 000030
【図１３Ｃ】
2013029440.tif 000031
【図１３Ｄ】
2013029440.tif 000032
【図１３Ｅ】
2013029440.tif 000033
【図１３Ｆ】
2013029440.tif 000034
【図１３Ｇ】
2013029440.tif 000035
【図１３Ｈ】
2013029440.tif 000036
【図１３Ｉ】
2013029440.tif 000037
【図１３Ｊ】
2013029440.tif 000038
【図１４】
2013029440.tif 000039
【図１５】
2013029440.tif 000040
【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
2013029440.tif 000044
【図２０】
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【図２１】
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