(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
検査されるサンプル中の対象の被検物質のＧＭＲに基づく検出に使用される信号処理システムであって、
少なくとも一つのＧＭＲセンサをルーティングすることによりＧＭＲセンサ測定回路を構成し、少なくとも一つの基準抵抗器をルーティングすることにより基準抵抗器測定回路を構成する測定回路構成ユニットと、
前記少なくとも一つのＧＭＲセンサに、周波数ω2のＡＣ磁場を印加する磁場励起ユニットと、
周波数ω1の搬送波信号を前記ＧＭＲセンサ測定回路に印加し、周波数ω1の搬送波信号、周波数ω1＋ω2の搬送波信号および周波数ω1−ω2の搬送波信号を前記基準抵抗器測定回路に印加する搬送波信号印加ユニットと、
前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路に接続され、前記基準抵抗器測定回路から基準抵抗器測定信号を収集し、前記ＧＭＲセンサ測定回路からＧＭＲセンサ測定信号を収集する測定信号ピックアップユニットと、
前記測定信号ピックアップユニットに接続され、前記基準抵抗器測定回路からの前記基準抵抗器測定信号および前記ＧＭＲセンサ測定回路からの前記ＧＭＲセンサ測定信号の両方に基づいて、前記少なくとも一つのＧＭＲセンサの抵抗変化を解析的に求める位相敏感解導出ユニットと、を備え、
前記搬送波信号印加ユニットは、前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路に搬送波電流を印加する搬送波電流源であり、
前記ＧＭＲセンサ測定回路は、前記搬送波電流源と前記グランドとの間に接続されるＧＭＲセンサ、または、互いに並列接続された複数のＧＭＲセンサにより構成され、
前記基準抵抗器測定回路は、前記搬送波電流源とグランドとの間に直列に接続される基準抵抗器により構成される信号処理システム。
【請求項２】
前記位相敏感解導出ユニットは、
対象の全ての周波数において同相正弦波基準信号および直交位相正弦波基準信号を生成する基準信号発生器と、
前記基準抵抗器測定信号および前記ＧＭＲセンサ測定信号に前記同相正弦波基準信号および前記直交位相正弦波基準信号を乗算して、前記基準抵抗器測定信号および前記ＧＭＲセンサ測定信号のそれぞれについて、対象の周波数全てにおける同相積および直交位相積を生成する乗算器と、
前記基準抵抗器測定信号および前記ＧＭＲセンサ測定信号のそれぞれについて、対象の周波数全てにおける前記同相積および前記直交位相積を累積する積分器と、
前記基準抵抗器測定信号および前記ＧＭＲセンサ測定信号のそれぞれについて、対象の周波数全てにおける前記同相積および前記直交位相積の累積値から前記ＧＭＲセンサの前記抵抗変化を求める閉形式求解器と、を備える、請求項１に記載の信号処理システム。
【請求項３】
前記対象の周波数は、ω1、ω1＋ω2およびω1−ω2である、請求項２に記載の信号処理システム。
【請求項４】
前記位相敏感解導出ユニットは更に、前記少なくとも一つのＧＭＲセンサの磁気抵抗変化を求める、請求項１に記載の信号処理システム。
【請求項５】
前記信号処理システムは、求められた前記少なくとも一つのＧＭＲセンサの前記磁気抵抗変化から、検査されている前記サンプル中の前記対象の被検物質の有無を判定する検出結果判定ユニットを更に備える、請求項４に記載の信号処理システム。
【請求項６】
前記信号処理システムは更に、求められた前記少なくとも一つのＧＭＲセンサの前記磁気抵抗変化から、検査されている前記サンプル中の前記対象の被検物質の濃度を決定する検出結果判定ユニットを備える、請求項４に記載の信号処理システム。
【請求項７】
前記ＧＭＲセンサ測定回路は、前記搬送波電流源と前記グランドとの間に直列に接続される一つのＧＭＲセンサ、または、前記搬送波電流源と前記グランドとの間に直列に接続される互いに並列接続された複数のＧＭＲセンサにより構成され、
前記ＧＭＲセンサは前記対象の被検物質用に機能化されており、ナノ磁性粒子が前記機能化されたＧＭＲセンサのセンサ表面に結合されている、請求項１に記載の信号処理システム。
【請求項８】
前記搬送波信号印加ユニットは、前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路に搬送波電圧を印加する搬送波電圧源であり、
前記ＧＭＲセンサ測定回路は、第１ブリッジアームと第２ブリッジアームとで構成されるホイートストンフルブリッジ回路であり、
前記第１ブリッジアームは、一つの第１分圧器または互いに並列接続された複数の第１分圧器を備え、
前記第１分圧器は、前記対象の被検物質用に機能化されたＧＭＲセンサおよび基準素子により構成され、ナノ磁性粒子が前記機能化されたＧＭＲセンサのセンサ表面に結合されており、
前記第２ブリッジアームは、一つの第２分圧器または互いに並列接続された複数の第２分圧器を備え、
前記第２分圧器は、前記対象の被検物質用に機能化されたＧＭＲセンサおよび基準素子により構成され、ナノ磁性粒子が前記機能化されたＧＭＲセンサのセンサ表面に結合されており、
前記第１分圧器の前記機能化されたＧＭＲセンサは前記搬送波電圧源に接続され、前記第１分圧器の前記基準素子はグランドに接続され、
前記第２分圧器の前記機能化されたＧＭＲセンサはグランドに接続され、前記第２分圧器の前記基準素子は前記搬送波電圧源に接続され、
前記基準素子は、検出すべき前記被検物質に対して機能化されていないＧＭＲセンサ、または、基準抵抗器のうちの１または複数である、請求項１に記載の信号処理システム。
【請求項９】
前記搬送波信号印加ユニットは、前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路に搬送波電圧を印加する搬送波電圧源であり、
前記ＧＭＲセンサ測定回路は、第１ブリッジアームと第２ブリッジアームとで構成されるホイートストンフルブリッジ回路であり、
前記第１ブリッジアームは、一つの第１分圧器または互いに並列接続された複数の第１分圧器を備え、
前記第１分圧器は、前記対象の被検物質用に機能化されたＧＭＲセンサおよび基準素子により構成され、ナノ磁性粒子が前記機能化されたＧＭＲセンサのセンサ表面に結合されており、
前記第２ブリッジアームは、一つの第２分圧器または互いに並列接続された複数の第２分圧器を備え、
前記第２分圧器は、前記対象の被検物質用に機能化されたＧＭＲセンサおよび基準素子により構成され、ナノ磁性粒子が前記機能化されたＧＭＲセンサのセンサ表面に結合されており、
前記第１分圧器の前記機能化されたＧＭＲセンサは前記搬送波電圧源に接続され、前記第１分圧器の前記基準素子はグランドに接続され、
前記第２分圧器の前記機能化されたＧＭＲセンサは前記搬送波電圧源に接続され、前記第２分圧器の前記基準素子はグランドに接続され、
前記基準素子は、検出すべき前記被検物質に対して機能化されていないＧＭＲセンサ、または、基準抵抗器のうちの１または複数である、請求項１に記載の信号処理システム。
【請求項１０】
前記基準抵抗器測定回路は、四つの基準抵抗器で構成されるホイートストンフルブリッジ回路であり、
前記四つの基準抵抗器のうちの三つの基準抵抗器は抵抗値が一致しており、
残りの一つの基準抵抗器の抵抗値は一致しない、請求項８または９に記載の信号処理システム。
【請求項１１】
前記搬送波信号印加ユニットは、前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路に搬送波電流を印加する搬送波電流源であり、
前記基準抵抗器測定回路は、二つの基準抵抗器で構成される基準抵抗分圧器を備えるアンダーソンループ回路であり、
前記ＧＭＲセンサ測定回路は、一つのＧＭＲセンサ分圧器、または、互いに並列接続された複数のＧＭＲセンサ分圧器を備えるアンダーソンループ回路であり、
前記ＧＭＲセンサ分圧器は、前記対象の被検物質用に機能化されたＧＭＲセンサおよび基準素子により構成され、
ナノ磁性粒子が前記機能化されたＧＭＲセンサのセンサ表面に結合されており、
前記基準素子は、検出すべき前記被検物質に対して機能化されていないＧＭＲセンサ、または、基準抵抗器のうちの１または複数である、請求項１に記載の信号処理システム。
【請求項１２】
前記基準素子は、検出すべき前記被検物質に対して機能化されていないＧＭＲセンサである、請求項８、９または１１に記載の信号処理システム。
【請求項１３】
前記基準素子は基準抵抗器である、請求項８、９または１１に記載の信号処理システム。
【請求項１４】
前記測定回路構成ユニットは、少なくとも一つのマルチプレクサを備える、請求項１に記載の信号処理システム。
【請求項１５】
前記測定回路構成ユニットは、自由に構成可能な複数のスイッチからなるバンクを備える、請求項１に記載の信号処理システム。
【請求項１６】
前記搬送波信号印加ユニットが前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路と比べて低いインピーダンス出力となるように、前記搬送波信号印加ユニットと前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路との間にバッファが接続される、請求項１に記載の信号処理システム。
【請求項１７】
前記測定信号ピックアップユニットは、差動増幅器およびＡ／Ｄコンバータを備え、
前記差動増幅器は、前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路に接続されて、前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路からの前記基準抵抗器測定信号および前記ＧＭＲセンサ測定信号を差動増幅するように構成され、
前記Ａ／Ｄコンバータは前記差動増幅器に接続され、増幅された前記基準抵抗器測定信号および前記ＧＭＲセンサ測定信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する、請求項１に記載の信号処理システム。
【請求項１８】
前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路が差動増幅器に比べて高いインピーダンス出力となるように、バッファが前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路と前記差動増幅器との間に接続される、請求項１に記載の信号処理システム。
【請求項１９】
検査されるサンプル中の対象の被検物質のＧＭＲに基づく検出に使用される信号処理方法であって、
ＧＭＲセンサ測定信号を取得する工程と、
基準抵抗器測定信号を取得する工程と、
基準抵抗器測定回路からの基準抵抗器測定信号およびＧＭＲセンサ測定回路からのＧＭＲセンサ測定信号の両方に基づいて、少なくとも一つのＧＭＲセンサの抵抗変化を解析的に求める工程と、を備え、
前記ＧＭＲセンサ測定信号を取得する工程は、
前記少なくとも一つのＧＭＲセンサをルーティングして前記ＧＭＲセンサ測定回路を構成する工程であって、前記ＧＭＲセンサ測定回路は、前記搬送波電流源と前記グランドとの間に接続される少なくとも一つのＧＭＲセンサ、または、互いに並列接続された複数のＧＭＲセンサにより構成される工程と、
周波数ω1の搬送波信号を前記ＧＭＲセンサ測定回路に印加する工程と、
周波数ω2のＡＣ磁場を前記少なくとも一つのＧＭＲセンサに印加する工程と、
前記ＧＭＲセンサ測定回路から前記ＧＭＲセンサ測定信号を収集する工程と、を含み、
前記基準抵抗器測定信号を取得する工程は、
少なくとも一つの基準抵抗器をルーティングして前記基準抵抗器測定回路を構成する工程であって、前記基準抵抗器測定回路は、前記搬送波電流源とグランドとの間に直列に接続される基準抵抗器により構成される工程と、
周波数ω1の搬送波信号、周波数ω1＋ω2の搬送波信号および周波数ω1−ω2の搬送波信号を前記基準抵抗器測定回路に印加する工程と、
前記基準抵抗器測定回路から前記基準抵抗器測定信号を収集する工程と、を含む信号処理方法。
【請求項２０】
前記基準抵抗器測定信号を取得する工程は、前記ＧＭＲセンサ測定信号を取得する工程より前に実行される、請求項１９に記載の信号処理方法。
【請求項２１】
前記少なくとも一つのＧＭＲセンサの抵抗変化を解析的に求める工程は、
対象の周波数全てにおける同相正弦波基準信号および直交位相正弦波基準信号を生成する工程と、
前記基準抵抗器測定信号および前記ＧＭＲセンサ測定信号に前記同相正弦波基準信号および前記直交位相正弦波基準信号を乗算して、前記基準抵抗器測定信号および前記ＧＭＲセンサ測定信号のそれぞれについて、対象の周波数全てにおける同相積および直交位相積を生成する工程と、
前記基準抵抗器測定信号および前記ＧＭＲセンサ測定信号のそれぞれについて、対象の周波数全てにおける前記同相積および前記直交位相積を累積する工程と、
前記基準抵抗器測定信号および前記ＧＭＲセンサ測定信号のそれぞれについて、対象の周波数全てにおける前記同相積および前記直交位相積の累積値から前記ＧＭＲセンサの前記抵抗変化を求める工程と、を含む、請求項１９に記載の信号処理方法。
【請求項２２】
前記対象の周波数は、ω1、ω1＋ω2およびω1−ω2である、請求項２１に記載の信号処理方法。
【請求項２３】
前記少なくとも一つのＧＭＲセンサの抵抗変化を解析的に求める工程は、前記少なくとも一つのＧＭＲセンサの磁気抵抗変化を求める工程を更に含む、請求項１９に記載の信号処理方法。
【請求項２４】
前記少なくとも一つのＧＭＲセンサの求められた前記磁気抵抗変化から、検査されている前記サンプル中の前記対象の被検物質の有無を判定する工程を更に備える、請求項２３に記載の信号処理方法。
【請求項２５】
前記少なくとも一つのＧＭＲセンサの求められた前記磁気抵抗変化から、検査されている前記サンプル中の前記対象の被検物質の濃度を決定する工程を更に備える、請求項２３に記載の信号処理方法。
【請求項２６】
前記搬送波信号を前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路に印加することは、搬送波電流源を使用して前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路に搬送波電流を印加することを含み、
前記基準抵抗器測定回路を構成する工程は、前記搬送波電流源とグランドとの間に基準抵抗器を直列に接続する工程を含み、
前記ＧＭＲセンサ測定回路を構成する工程は、前記搬送波電流源と前記グランドとの間に一つのＧＭＲセンサを直列に接続する工程、または、前記搬送波電流源と前記グランドとの間に互いに並列接続された複数のＧＭＲセンサを直列に接続する工程を含み、
前記ＧＭＲセンサは前記対象の被検物質用に機能化されており、ナノ磁性粒子が前記機能化されたＧＭＲセンサのセンサ表面に結合されている、請求項１９に記載の信号処理方法。
【請求項２７】
前記搬送波信号を前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路に印加することは、搬送波電圧源を使用して前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路に搬送波電圧を印加することを含み、
前記ＧＭＲセンサ測定回路を構成する工程は、第１ブリッジアームと第２ブリッジアームとで構成されるホイートストンフルブリッジ回路を構成する工程を含み、
前記第１ブリッジアームは、一つの第１分圧器または互いに並列接続された複数の第１分圧器を備え、
前記第１分圧器は、前記対象の被検物質用に機能化されたＧＭＲセンサおよび基準素子により構成され、ナノ磁性粒子が前記機能化されたＧＭＲセンサのセンサ表面に結合されており、
前記第２ブリッジアームは、一つの第２分圧器または互いに並列接続された複数の第２分圧器を備え、
前記第２分圧器は、前記対象の被検物質用に機能化されたＧＭＲセンサおよび基準素子により構成され、ナノ磁性粒子が前記機能化されたＧＭＲセンサのセンサ表面に結合されており、
前記第１分圧器の前記機能化されたＧＭＲセンサは前記搬送波電圧源に接続され、前記第１分圧器の前記基準素子はグランドに接続され、
前記第２分圧器の前記機能化されたＧＭＲセンサはグランドに接続され、前記第２分圧器の前記基準素子は前記搬送波電圧源に接続され、
前記基準素子は、検出すべき前記被検物質に対して機能化されていないＧＭＲセンサ、または、基準抵抗器のうちの１または複数である、請求項１９に記載の信号処理方法。
【請求項２８】
前記搬送波信号を前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路に印加することは、搬送波電圧源を使用して前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路に搬送波電圧を印加することを含み、
前記ＧＭＲセンサ測定回路を構成する工程は、第１ブリッジアームと第２ブリッジアームとで構成されるホイートストンフルブリッジ回路を構成する工程を含み、
前記第１ブリッジアームは、一つの第１分圧器または互いに並列接続された複数の第１分圧器を備え、
前記第１分圧器は、前記対象の被検物質用に機能化されたＧＭＲセンサおよび基準素子により構成され、ナノ磁性粒子が前記機能化されたＧＭＲセンサのセンサ表面に結合されており、
前記第２ブリッジアームは、一つの第２分圧器または互いに並列接続された複数の第２分圧器を備え、
前記第２分圧器は、前記対象の被検物質用に機能化されたＧＭＲセンサおよび基準素子により構成され、ナノ磁性粒子が前記機能化されたＧＭＲセンサのセンサ表面に結合されており、
前記第１分圧器の前記機能化されたＧＭＲセンサは前記搬送波電圧源に接続され、前記第１分圧器の前記基準素子はグランドに接続され、
前記第２分圧器の前記機能化されたＧＭＲセンサは前記搬送波電圧源に接続され、前記第２分圧器の前記基準素子はグランドに接続され、
前記基準素子は、検出すべき前記被検物質に対して機能化されていないＧＭＲセンサ、または、基準抵抗器のうちの１または複数である、請求項１９に記載の信号処理方法。
【請求項２９】
前記基準抵抗器測定回路を構成する工程は、四つの基準抵抗器で構成されるホイートストンフルブリッジ回路を構成する工程を含み、
前記四つの基準抵抗器のうちの三つの抵抗器は抵抗値が一致しており、
残りの一つの基準抵抗器の抵抗値は一致しない、請求項２７または２８に記載の信号処理方法。
【請求項３０】
前記搬送波信号を前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路に印加することは、搬送波電圧源を使用して前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路に搬送波電圧を印加することを含み、
前記基準抵抗器測定回路を構成する工程は、二つの基準抵抗器で構成される基準抵抗分圧器を備えるアンダーソンループ回路を構成する工程を含み、
前記ＧＭＲセンサ測定回路を構成する工程は、一つのＧＭＲセンサ分圧器、または、互いに並列接続された複数のＧＭＲセンサ分圧器を備えるアンダーソンループ回路を構成する工程を含み、
前記ＧＭＲセンサ分圧器は、前記対象の被検物質用に機能化されたＧＭＲセンサおよび基準素子により構成され、ナノ磁性粒子が前記機能化されたＧＭＲセンサのセンサ表面に結合されており、
前記基準素子は、検出すべき前記被検物質に対して機能化されていないＧＭＲセンサ、または、基準抵抗器のうちの１または複数である、請求項１９に記載の信号処理方法。
【請求項３１】
前記基準素子は、検出すべき前記被検物質に対して機能化されていないＧＭＲセンサである、請求項２７、２８または３０に記載の信号処理方法。
【請求項３２】
前記基準素子は基準抵抗器である、請求項２７、２８または３０に記載の信号処理方法。
【請求項３３】
前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路を構成することは、少なくとも一つのマルチプレクサを構成することを含む、請求項１９に記載の信号処理方法。
【請求項３４】
前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路を構成することは、自由に構成可能な複数のスイッチからなるバンクを構成することを含む、請求項１９に記載の信号処理方法。
【請求項３５】
前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路において前記ＧＭＲセンサ測定信号および前記基準抵抗器測定信号を収集する工程は、
前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路において前記ＧＭＲセンサ測定信号および前記基準抵抗器測定信号を差動増幅する工程と、
増幅された前記ＧＭＲセンサ測定信号および前記基準抵抗器測定信号をアナログ信号からデジタル信号へと変換する工程と、を含む請求項１９に記載の信号処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、米国特許仮出願第６２／７１１，３９６号（出願日：２０１８年７月２７日）に基づく優先権を主張するものであり、この米国特許出願の開示は、参照により全体として本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本開示は概して、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサに基づく被検物質の検出における測定信号を処理するシステムおよび方法に関する。本開示は特に、ＧＭＲに基づく被検物質の検出における測定信号を処理する位相敏感検出システムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
ＧＭＲセンサは、小型のシステムを使用して高感度且つ低コストの複数同時分析を可能にした。その結果、様々な用途に適したプラットフォームを提供できる可能性がある。従来技術において、ＧＭＲセンサ信号の振幅変調により測定の信号対雑音比（ＳＮＲ）を改善することができるという利点がすでに実証されている。しかしながら測定回路によっては、電圧振幅、位相および基礎となる磁気抵抗の関係が非常に複雑になる場合がある。その結果、従来の手法では、位相情報を無視する場合もあれば、ＤＣ測定の実行を選択する場合もあった。
【０００４】
ＡＣ測定を使用してＧＭＲ検出信号の位相敏感測定値を導出するには、従来の手法を改善する必要がある。
【発明の概要】
【０００５】
本明細書の実施形態は、被検物質検出で使用される磁気抵抗（ＧＭＲ）センサの位相敏感測定および抵抗値計算を達成するためのシステムおよび方法に関する。
【０００６】
本開示の一態様では、検査されるサンプル中の対象の被検物質のＧＭＲに基づく検出に使用される信号処理システムが提供される。信号処理システムは、
−少なくとも一つのＧＭＲセンサをルーティングすることによりＧＭＲセンサ測定回路を構成し、少なくとも一つの基準抵抗器をルーティングすることにより基準抵抗器測定回路を構成する測定回路構成ユニットと、
−前記少なくとも一つのＧＭＲセンサに、周波数ω2のＡＣ磁場を印加する磁場励起ユニットと、
−周波数ω1の搬送波信号を前記ＧＭＲセンサ測定回路に印加し、周波数ω1の搬送波信号、周波数ω1＋ω2の搬送波信号および周波数ω1ーω2の搬送波信号を前記基準抵抗器測定回路に印加する搬送波信号印加ユニットと、
−前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路に接続され、前記基準抵抗器測定回路から基準抵抗器測定信号を収集し、前記ＧＭＲセンサ測定回路からＧＭＲセンサ測定信号を収集する測定信号ピックアップユニットと、
−前記測定信号ピックアップユニットに接続され、前記基準抵抗器測定回路からの前記基準抵抗測定信号および前記ＧＭＲセンサ測定回路からの前記ＧＭＲセンサ測定信号の両方に基づいて、前記少なくとも一つのＧＭＲセンサの抵抗変化を解析的に求める位相敏感解導出ユニットと、を備える。
【０００７】
本開示の別の態様では、検査されるサンプル中の対象の被検物質のＧＭＲに基づく検出に使用される信号処理方法が提供される。信号処理方法は、
ＧＭＲセンサ測定信号を取得する工程を備える当該ＧＭＲセンサ測定信号取得する工程を備える。この工程は、
・少なくとも一つのＧＭＲセンサをルーティングしてＧＭＲセンサ測定回路を構成する工程と、
・周波数ω1の搬送波信号を前記ＧＭＲセンサ測定回路に印加する工程と、
・周波数ω2のＡＣ磁場を前記少なくとも一つのＧＭＲセンサに印加する工程と、
・前記ＧＭＲセンサ測定回路から前記ＧＭＲセンサ測定信号を収集する工程と、を含む。
前記信号処理方法は更に、基準抵抗器測定信号を取得する工程を備える。当該基準抵抗器測定信号を取得する工程は、
・前記少なくとも一つの基準抵抗器をルーティングして基準抵抗器測定回路を構成する工程と、
・周波数ω1の搬送波信号、周波数ω1＋ω2の搬送波信号および周波数ω1−ω2の搬送波信号を前記基準抵抗器測定回路に印加する工程と、
・前記基準抵抗器測定回路から前記基準抵抗器測定信号を収集する工程とを含む。
前記信号処理方法は更に、前記基準抵抗器測定回路からの前記基準抵抗器測定信号および前記ＧＭＲセンサ測定回路からの前記ＧＭＲセンサ測定信号の両方に基づいて、前記少なくとも一つのＧＭＲセンサの抵抗変化を解析的に求める工程を備える。
【０００８】
本開示の他の態様、特徴、および利点は、以下の詳細な説明、添付図面、および添付の特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
本開示の様々な実施形態は、図面を参照して本明細書で以下に説明される。
【００１０】
【図１】本開示の実施形態に係るシステムで使用される例示的なカートリッジ読み取り機の斜視図である。
【００１１】
【図２Ａ】本開示の実施形態に係るシステムで使用される例示的なカートリッジアセンブリの斜視図である。
【００１２】
【図２Ｂ】本明細書の実施形態に係る図２Ａのカートリッジアセンブリの分解図である。
【００１３】
【図２Ｃ】本明細書の実施形態に係る図２Ａのカートリッジアセンブリの概略図である。
【００１４】
【図２Ｄ】図２Ａのカートリッジアセンブリの断面を示しており、サンプル処理カードとその検知・通信基板との間の接続インターフェースが示されている。
【００１５】
【図３】本開示の実施形態に係るシステムの概略図である。
【００１６】
【図４】一実施形態に係る、図３の本明細書に開示されるシステムの特徴を使用する場合に、サンプル中の被検物質の検出を実行する方法における工程を示している。
【００１７】
【図５Ａ】いくつかの実施形態に係るチャネルの例を示す。
【００１８】
【図５Ｂ】ベース内に配置された複数のチャネルが示されている。
【００１９】
【図６Ａ】本開示の実施形態に係るカートリッジアセンブリに取り付けることができるＧＭＲセンサチップの構造を概略的に示している。
【図６Ｂ】本開示の実施形態に係るカートリッジアセンブリに取り付けることができるＧＭＲセンサチップの構造を概略的に示している。
【図６Ｃ】本開示の実施形態に係るカートリッジアセンブリに取り付けることができるＧＭＲセンサチップの構造を概略的に示している。
【００２０】
【図７】チャネル拡張部におけるチャネルの断面図である。
【００２１】
【図８Ａ】ＧＭＲセンサの位置においてチャネル拡張部が設けられていないチャネル本体を有するチャネルのより詳細な断面図である。
【００２２】
【図８Ｂ】ＧＭＲセンサの基本構造と原理を模式的に示している。
【００２３】
【図９Ａ】本明細書に記載の様々な分析用途に従ってＧＭＲセンサが動作する基本モードの一例が示されている。
【００２４】
【図９Ｂ】図９Ａのセンサ構造スキームに関連するプロセスフローが示されている。
【００２５】
【図１０Ａ】本明細書に記載の様々な分析用途に従ってＧＭＲセンサが動作する基本モードの別の例が示されている。
【００２６】
【図１０Ｂ】図１０Ａのセンサ構造スキームに関連するプロセスフローが示されている。
【００２７】
【図１１Ａ】被検物質の検出のためにサンドイッチ抗体を使用する例示的な付加プロセスにおけるセンサ構造状態を例示したセンサ構造図である。
【００２８】
【図１１Ｂ】図１１Ａのセンサ構造スキームに関連するプロセスフローの一例が示されている。
【００２９】
【図１２Ａ】心臓バイオマーカＤダイマーを検出するように設計された検査における時間（秒）に対するＧＭＲ信号（ｐｐｍ）のプロットを示している。
【００３０】
【図１２Ｂ】可変濃度、固定濃度のＤダイマーでサンプルを実行した場合のＤダイマーの検量線（ｐｐｍでのＧＭＲ信号対Ｄダイマー濃度）を示している。
【００３１】
【図１３】本開示の一実施形態に係るカートリッジリーダの機能ブロックを概略的に示す。
【００３２】
【図１４】本開示の一実施形態に係るカートリッジリーダのプロセスのフローチャートである。
【００３３】
【図１５】本開示の一実施形態に係る信号プロセッサの機能ブロックを概略的に示す。
【００３４】
【図１６】本開示の一実施形態に係る信号プロセッサの処理のフローチャートである。
【００３５】
【図１７】本開示の一実施形態に係る信号処理制御ユニットの機能ブロックを概略的に示す。
【００３６】
【図１８】本開示の一実施形態に係る信号処理制御ユニットの処理のフローチャートである。
【００３７】
【図１９】本開示の一実施形態に係る信号準備ユニットの機能ブロックを概略的に示す。
【００３８】
【図２０】本開示の一実施形態に係る信号準備ユニットの処理のフローチャートである。
【００３９】
【図２１】本開示の一実施形態に係る信号処理ユニットの機能ブロックを概略的に示す。
【００４０】
【図２２】本開示の一実施形態に係る信号処理ユニットの処理のフローチャートである。
【００４１】
【図２３】使用可能な１つの測定回路トポロジで得られた電圧測定の例を示す。
【００４２】
【図２４Ａ】本開示の信号処理技術を実施するのに利用可能な回路トポロジを示す。
【図２４Ｂ】本開示の信号処理技術を実施するのに利用可能な回路トポロジを示す。
【図２４Ｃ】本開示の信号処理技術を実施するのに利用可能な回路トポロジを示す。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
本開示は、磁気抵抗センサ技術を使用した被検物質の検出において得られる測定信号を処理するためのシステムおよび方法に関する。説明のために、幾つかの実施形態に係る、装置、システムおよび特徴は、ＧＭＲセンサを利用した場合について説明される。
【００４４】
図１〜４および以下の説明から明らかなように、本開示における信号処理技術は、金属、バイオマーカ等の被検物質がサンプル中に存在することを検出するのに使用されるサンプル処理システム（または本開示全体において、「システム」とも称する）に関する。一実施形態において、図３のシステム３００として示されるこのシステムは、（１）検査サンプル中のバイオマーカを検出するためのサンプル調製マイクロ流体チャネルおよび少なくとも１つの検知デバイス（またはセンサ）を有するサンプル処理システムまたは「カートリッジアセンブリ」、（２）データ処理・表示装置、または、カートリッジアセンブリの検知デバイスの検出データを処理するプロセッサもしくはコントローラを含む「カートリッジ読み取り機」および検出イベント表示用ディスプレイ、を備える。これら２つの構成要素によりシステムが構成されている。一実施形態では、これらの構成要素は変更可能な特徴を含んでもよく、例えば、１つ以上の試薬カートリッジ、廃棄物用カートリッジおよび空気圧流量コントローラのような流量制御系統を含んでもよいが、これらに限定されない。
【００４５】
一般に、被検物質、バイオマーカ等の検出をアセンブリによって行い、カートリッジ読み取り機を介して出力するために、カートリッジアセンブリでサンプルを準備するプロセスは次のように行われる。患者から採取した未加工のサンプルをカードに装填し、必要に応じてフィルタ膜でろ過した後、カード外部の空気力学によって生成された負圧によりサンプルをろ過して、分離した検査サンプル（血漿など）を得る。この分離された検査サンプルは、チャネル構造によってカード上で定量化される。サンプルはセンサ／検知デバイス上に流される前に、混合材料源（例えば、ブリスターパック、保管室、カートリッジ、ウェルなど）から供給された混合材料（例えば、試薬（乾燥試薬または含水試薬）、緩衝液および／または洗浄緩衝液、ビーズおよび／またはビーズ溶液等）との相互作用によりカード上で調製される。サンプル調製チャネルは、複数の患者サンプルを使用可能とすべく任意の数のチャネルをカード内に垂直方向に積み重ねるように設計してもよい。同様な構成をマイクロ流体装置の検出にも適用でき、複数のマイクロ流体装置を垂直方向に積み重ねてもよい。カートリッジアセンブリの一部であるサンプル調製カードは、ろ過、加熱、冷却、混合、希釈、試薬の添加、クロマトグラフィー分離およびこれらの組み合わせから選択される機能を提供する１つまたは複数の構造と、サンプルをサンプル調製カード中で移動させる手段とを備える。これらの機能に関する詳細は、以下で説明する。
【００４６】
図１は、一実施形態に係るシステム３００（図３参照）で使用されるカートリッジ読み取り機１００の一例を示している。カートリッジ読み取り機１００は、例えば、ハンドヘルドモバイル機器として使用できる程度に小型および／またはコンパクトになるように構成され得る。カートリッジ読み取り機１００は、ディスプレイ１２０を有する本体またはハウジング１１０と、カートリッジアセンブリを受容するためのカートリッジ受け部１３０とを備える。ハウジング１１０は、読み取り機１００がオペレータ操作者の手に保持された時により快適になるように、人間工学に基づいた設計を有してもよい。しかしながら、ハウジング１１０の形状および設計は特に限定されることを意図していない。
【００４７】
カートリッジ読み取り機１００は、例えば、カートリッジアセンブリ２００を当該読み取り機および／またはサンプルを入力および／または接続するようにユーザに促すのに使用されるインターフェース１４０およびディスプレイ１２０を備えてもよい一実施形態によれば、システム３００は、開示されるカートリッジアセンブリ２００と組み合わせて、センサ（磁気抵抗）技術を利用して、検査サンプル中の複数の検出バイオマーカ、例えば、５つの心臓バイオマーカ等、に関する処理、検出、分析および結果のレポートの生成を行い、１つのプロセスの一部として更にバイオマーカの結果を表示してもよい。
【００４８】
ディスプレイ１２０は、例えば、操作者またはユーザに情報を表示する。ディスプレイ１２０は、ハウジング１１０上に一体化して設けられる（例えば、ハプティックまたは触覚フィードバック付き）ディスプレイ画面またはタッチ画面、例えば、ＬＣＤ画面もしくはＬＥＤ画面または他のフラットパネルディスプレイの形態で提供されてもよい。そして（必要に応じて）操作者がコマンドや設定を読み取り機１００に入力するのに使用可能なエンドユーザーインターフェース（ＵＩ）１４０として機能するように設計された入力面を提供する。ディスプレイ１２０の大きさは様々であってもよい。より具体的には、一実施形態では、ディスプレイ１２０は、エンドユーザーインターフェースの一部としてシステム３００のコマンドおよび／または設定を入力するためのキー、ボタン、メニューおよび／またはキーボード機能を備えたコントロールパネルを表示するように構成されてもよい。一実施形態では、制御パネルは、機能キー、開始ボタンおよび停止ボタン、戻るボタンまたは入力ボタン、および、設定ボタンを含む。これに加えておよび／またはこれに代えて、図１には示されていないが、カートリッジ読み取り機１００は、一実施形態において、これらに限定されないが、ボタンおよびキーボードを含む任意の数の物理入力デバイスを含み得る。別の実施形態では、カートリッジ読み取り機１００は、別のデバイスを介して入力を受信してもよく、例えば、直接接続もしくは有線接続（例えば、プラグアンドコードを使用してコンピュータ（ＰＣまたはＣＰＵ）またはプロセッサに接続）または無線接続を介して受信してもよい。更に別の実施形態では、ディスプレイ１２０とは、一体化された画面を意味する、外部表示システム、または、その両方を意味するものであってもよい。表示制御ユニット１２０を介して、（例えば、図３を参照して説明するカートリッジリーダ３１０からの）検査結果を、一体化されている表示部または外部ディスプレイに表示することができる。更に別の実施形態では、ユーザーインターフェース１４０は、ディスプレイ１２０とは別個に設けられてもよい。例えば、ディスプレイ１２０にタッチスクリーンＵＩが使用されない場合、他の入力装置（例えば、リモコン、キーボード、マウス、ボタン、ジョイスティック等）がユーザーインターフェース１４０として利用されて、カートリッジ読み取り機１００および／またはシステム３００に関連付けられてもよい。したがって、カートリッジ読み取り機１００への入力に使用される装置および／または方法は、特に限定されない。一実施形態では、カートリッジ読み取り機１００および／またはシステム３００の全ての機能は、ディスプレイ１２０および／または入力デバイスを介して管理されてもよく、機能としては以下を含むがこれらに限定されない：処理方法の開始（例えば、開始ボタンを介して）、分析および／もしくはカートリッジアセンブリ２００の設定の選択および／もしくは変更、空気圧に関する選択および／もしくは設定、入力を促すプロンプトの確認、検査サンプルの処理方法のステップの表示、ならびに／または、（例えば、ディスプレイ１２０および／もしくはユーザーインターフェース１４０を介して）（ＧＭＲ）センサおよび制御ユニット／カートリッジリーダにより計算された検査結果および値の表示。ディスプレイ１２０は、サンプル中の被検物質の検出に関する情報を視覚的に表示してもよい。ディスプレイ１２０は、制御ユニット／カートリッジリーダにより生成された検査結果を表示するように構成されてもよい。一実施形態では、カートリッジリーダ／コントローラによって決定／処理された検査結果に関するリアルタイムフィードバックが（検出対象の被検物質またはバイオマーカの結果として決定される測定値を検知デバイスから受信することにより）、ディスプレイ１２０に表示される。
【００４９】
必要に応じて、音声出力を提供するべく、カートリッジ読み取り機１００の一部としてスピーカ（図示せず）を設けてもよい。これらに限定されないが、音声やアラームを含む任意の複数の音を出力してもよい。カートリッジ読み取り機１００は、これに加えてまたは代えて、任意の数のコネクタ、例えば、ＬＡＮコネクタおよびＵＳＢコネクタならびに／またはそれに関連付られた他の入力／出力デバイスを備えてもよい。取外し可能なストレージもしくはドライブまたは別のシステムを含む入力デバイスおよび／または出力デバイスをカートリッジ読み取り機１００に接続するために、これらＬＡＮコネクタおよび／またはＵＳＢコネクタを使用してもよい。
【００５０】
一実施形態では、カートリッジ受け部１３０は、カートリッジアセンブリ（例えば、図２のカートリッジアセンブリ２００）が挿入され得るハウジング１１０内の（図１に示されるような）開口部であってもよい。別の実施形態では、カートリッジ受け部１３０は、その中にカートリッジアセンブリを受容するように構成されたトレイを含んでもよい。そのようなトレイは、ハウジング１１０に対して、例えば、ハウジングに設けられた開口部から出し入れするように構成され、それによってカートリッジアセンブリ２００を受容し、カートリッジアセンブリをハウジング１１０へと収容するまたは取り出すようにしてもよい。一実施形態では、トレイは、ハウジング１１０に対して解放可能に係合するように構成されたバネ式トレイであってもよい。カートリッジ読み取り機１００に関連する更なる詳細は、図３を参照して後述する。
【００５１】
前述のように、カートリッジアセンブリ２００は、カートリッジ読み取り機１００に挿入されるように設計され、そこでサンプル（例えば、血液、尿）が調製、処理、分析されるようになっている。図２Ａ〜図２Ｃは、本明細書の実施形態に係るカートリッジアセンブリ２００の例示的な実施形態を示す。開示されるカートリッジアセンブリ２００に関連するいくつかの一般的な特徴は、これらの図を参照して説明される。しかし、後でより詳細に説明するように、複数の異なるタイプのカートリッジカード、すなわちカートリッジアセンブリを、カートリッジ読み取り機１００で使用して、システム３００の一部として提供することも可能である。いくつかの実施形態では、サンプリング処理システムまたはカートリッジアセンブリ２００は、別個の複数の検査を実施するための使い捨てアセンブリの形態を取り得る。すなわち、本明細書の説明により更に理解されるように、検査されるサンプルおよび／または被検物質の種類に応じて、異なるカートリッジカード構成および／またはカートリッジアセンブリを使用してもよい。図２Ａは、本明細書の実施形態に係るカートリッジアセンブリ２００の上面斜視図である。カートリッジアセンブリ２００は、サンプル処理カード２１０、検知基板および通信基板２０２を含む（図２Ｂも参照）。一般に、サンプル処理カード２１０は、（例えば、以下で説明する注入ポート等のサンプルポートを介して）サンプルを受け取り、サンプル処理カード２１０がカートリッジ読み取り機１００に挿入されるとサンプルが処理され、サンプルが流れて調製されたサンプルが作成される。カード２１０はまた、検査サンプルを調製するのに使用されたサンプルおよび／または液体から出た廃棄物を、内部廃棄物チャンバ（図２Ａには示されていないが、以下で更に説明される）に保管してもよい。メモリチップ２７５には、例えば、カートリッジの用途、センサの較正および必要なサンプル処理に関する情報を読み書きすることができ、それらを保存するのに使用される。一実施形態では、メモリチップ２７５は、カートリッジアセンブリ２００のカード２１０に選択的に圧力を加えるための工程および設定を含む空気圧系統プロトコルを記憶する。この場合、磁気抵抗センサまたは磁気センサ（ＧＭＲセンサチップ２８０など）に送るサンプルの調製方法を実装することになる。メモリチップは分析毎の自動化レシピを含むことから、各カートリッジアセンブリ２００が読み取り機１００に挿入される都度、誤ったカートリッジが挿入されるのを防止するのに当該メモリチップを使用してもよい。メモリチップ２７５は、各カード２１０および／またはカートリッジアセンブリ２００の製造に対するトレーサビリティ情報も含む。検知基板および通信基板２０２は、カートリッジ読み取り機１００との通信を確立および維持し、調製されたサンプルの特徴の受け取り、処理および検出を行うように構成されてもよい。基板２０２は、調製されたサンプルにおいて被検物質が検出されるように、カートリッジ読み取り機１００内のコントローラとの通信を確立する。サンプル処理カード２１０ならびに検知基板および通信基板２０２（例えば、図２Ｂを参照）を、互いに取り付けるまたは一緒に組み合せることにより、カートリッジアセンブリ２００を形成する。一実施形態では、カード２１０と基板２０２とを互いに接着するために、接着剤（例えば、図２Ｄを参照）を必要に応じて使用してもよい。一実施形態では、基板２０２は、サンプル処理カード２１０に貼り付けられた積層体であってもよい。一実施形態では、基板２０２は、サンプル処理カード２１０に積層される可撓性回路として設計されてもよい。別の実施形態では、サンプル処理カード２１０はセラミック材料から製造され、回路、センサ（センサチップ２８０）および流体チャネルがそこに形成されてもよい。これに代えて、カード２１０および基板２０２は、機械的に位置合わせされて互いに接続されてもよい。一実施形態では、図２Ａに示されるように、基板２０２の一部が、カード２１０の縁部または端部から延在してもよい。図２Ｂに示されるような別の実施形態では、基板２０２は、カード２１０と同様な外縁または小さい外縁を有するように配置されてもよいおよび／またはそのようなサイズに形成されてもよい。
【００５２】
図２Ｃは、一実施形態に係るカートリッジアセンブリ２００の特徴を概略的に示している。図示されるように、いくつかの特徴はサンプル処理カード２１０に提供され、他の特徴は基板２０２に関連付けられてもよい。一般に、（カードの本体内）検査サンプル（例えば、血液、尿）を受け取るために、カートリッジアセンブリ２００は、カード２１０の上部に設けられてもよいサンプル注入ポート２１５を有する。必要に応じてカード２１０の一部として、フィルタ２２０（本明細書ではろ過膜とも称される）、ベントポート２２５、バルブアレイ２３０（またはバルブアレイ領域２３０）、および、空気圧制御ポート２３５を設けてもよい。カード２１０のこれらの要素を流体接続するために、連通チャネル２３３がカード２１０内に提供される。空気圧制御ポート２３５は、カートリッジアセンブリ２００の空気圧インターフェースの一部であり、カードの連通チャネル２３３に加圧流体（空気）を選択的に供給してチャネルおよび／またはバルブアレイ２３０内の流体（空気、液体、検査サンプル等）の流れを誘導する。必要に応じて、カード２１０は、バルブアレイ２３０内の複数のバルブを制御するべく、指定された連通チャネル２３３に接続され、別個に形成された複数のバルブ制御ポート５３５を備えてもよい。カード２１０はまた、連通チャネル２３３を介して流体接続される１つ以上の計量チャンバ２４０、ガス透過性膜２４５および混合チャネル２５０を備えてもよい。計量チャンバは、連通チャネル２３３を介してその中に（直接またはろ過された）少なくとも検査サンプルを受け取るように設計されている。一般に、サンプルは、ポート２１５を介してカートリッジアセンブリ２００に注入され、フィルタ（例えば、フィルタ２２０）によるろ過、計量チャンバ２４０での計量、混合チャネル２５０での混合、（必要に応じて）加熱および／または冷却が行われ、連通チャネル２３３、空気圧制御ポート２３５およびバルブアレイ２３０を介して流量の誘導および変更が行われる。例えば、流体の流れは、空気圧系統（例えば、図３に示すカートリッジ読み取り機１００の空気圧系統３３０）と接続された、内部マイクロ流体チャネル（本開示においては、連通チャネル２３３とも称される）およびバルブ、ならびに、例えば空気圧制御ポート２３５または同様の接続部を有するカード２１０上の空気圧インターフェースを使用して制御されてもよい。一実施形態では、必要に応じて行われるカード２１０内の検査サンプルおよび／または混合材料／流体の加熱は、サーミスタを備えたＰＣＢ／基板２０２の上面に設けられたワイヤトレースの形態であり得るヒータ２５９によって行われてもよい。必要に応じて行われるカード２１０内の検査サンプルおよび／または混合材料／混合流体の冷却は、一実施形態では、カートリッジアセンブリ２００（例えば、基板２０２上）に一体化されたＴＥＣモジュールを介して、または別の実施形態では、カートリッジ読み取り機１００の内部に一体化されたモジュールを介して行われてもよい。例えば、読み取り機１００に冷却モジュールが設けられている場合には、冷却が必要な時に、カートリッジアセンブリ２００に冷却モジュールを押し付けるように構成してもよい。処理はまた、カード２１０上の任意の試薬領域２６０（および／またはブリスターパック）および／またはカートリッジ読み取り機１００のハウジング１１０内の試薬カートリッジを使用して、試薬を導入する工程を必要に応じて含んでもよい。分析されるサンプルおよびカートリッジアセンブリ２００のプロセスにおいて必要となる場合に、試薬を放出または混合するようにできる。更に、処理中に連通チャネル２３３を介して試薬、溶離剤、洗浄緩衝剤、磁性ナノ粒子、ビーズ溶液またはその他の緩衝液等の材料をサンプルに導入するために、カード２１０に必要に応じてブリスターパック２６５を設けてもよい。サンプルおよび試薬からの廃棄物を貯蔵するために、１つまたは複数の内部廃棄物チャンバ（本明細書では廃棄物貯蔵用の廃棄物タンクとも称される）２７０も、カード２１０に必要に応じて設けてもよい。以下に説明するように、出力ポート２５５（センサ供給ポートまたはセンサへの入力ポートとも称される）が設けられ、検査サンプル中の被検物質を検出するべく、調製されたサンプルをカード２１０からＧＭＲセンサチップ２８０へと出力する。検査サンプルおよび１つ以上の混合材料をセンサに送達するべく、出力ポート２５５が計量チャンバに流体接続されてもよい。したがって、センサは、少なくとも１つの出力ポート２５５を介して、検査サンプルおよび１つまたは複数の混合材料を受け取るように構成されてもよい。幾つかの実施形態では、ＧＭＲセンサチップ２８０から廃棄物チャンバ２７０に流体またはサンプルを出力するために、廃棄物送達ポートまたはセンサからの出力ポートとも称される、入力ポート２５７が設けられる。廃棄物チャンバ２７０は、連通チャネル２３３を介してカード２１０の他の要素（例えば、計量チャンバ２４０、入力ポート２５７またはこれらの両方）に流体的に接続されてもよい。
【００５３】
カートリッジアセンブリ２００は、メモリチップ２７５上にデータを記憶する、読み取るおよび／または書き込む能力を有し、メモリチップ２７５はカード２１０または基板２０２に関連付けられ得る。前述のように、メモリチップ２７５を使用して、カートリッジの用途、センサ較正および（サンプル処理カード内での）必要なサンプル処理に関連する情報を保存し、調製および処理済サンプルに基づく更なる情報を受信してもよい。メモリチップ２７５は、サンプル処理カード２１０上または基板２００上に位置してもよい。
【００５４】
前述のように、本明細書の実施形態によれば、磁気抵抗センサを利用して、本明細書で開示するシステムを使用した検査サンプル内の被検物質（バイオマーカなど）を見極めることができる。以下の説明および図面では、特定のタイプの磁気抵抗センサ、すなわち巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサが使用されているが、本開示はＧＭＲセンサプラットフォームに限定されないことを理解されたい。いくつかの実施形態によれば、センサは、例えば、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）センサおよび／または磁気トンネル接合（ＭＴＪ）センサであり得る。いくつかの実施形態では、他のタイプの磁気抵抗センサ技術を使用してもよい。説明のみを目的として、以下の記載および図では、磁気抵抗センサとしてＧＭＲセンサを使用した場合を説明している。
【００５５】
カートリッジアセンブリ２００の基板２０２は、これらに関連付けられる巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサチップ２８０および電気接点パッド２９０（または電気接点部）を有し得るＰＣＢ（プリント回路基板）等の電子インターフェースおよび／または回路インターフェースであってもよい、または、これらを備えてもよい。その他の構成要素も基板２０２上に提供され得る。一実施形態では、ＧＭＲセンサチップ２８０は少なくとも基板２０２に取り付けられる。ＧＭＲセンサチップ２８０は、例えば、基板２０２上に配置されて接着剤を使用して取り付けられてもよい。一実施形態では、ＧＭＲセンサ２８０とＰＣＢ基板２０２との間の接着には、液体接着剤またはテープ接着剤を使用することができる。このような設計では、例えば、底部でＰＣＢへの接合を行い、上部で処理カードの接合を行う必要がある場合もある。ＧＭＲセンサチップ２８０を基板２０２に取り付ける他の方法として、これに限定されないが、ＧＭＲセンサをＰＣＢに摩擦嵌めし、ＧＭＲセンサチップ２８０の上部を直接サンプル処理カード２１０に接続してもよい（例えば、特に、基板２０２がサンプル処理カード２１０の（背面に）積層されるフレキシブル回路の形態で提供される場合）。ＧＭＲセンサチップ２８０は、サンプル処理カード２１０の出力ポート２５５から、調製されたサンプルを受け取るように設計されてもよい。この場合、基板上のＧＭＲセンサチップ２８０の配置は、カード２１０上の出力ポート２５５の位置に基づいて変更または修正され得る（したがって、図２Ｂに示す例に限定することを意図していない）。一実施形態では、ＧＭＲセンサチップ２８０は、基板２０２の第１の側（例えば、図２Ｂに示されるようにカード２１０の下側に面する上側）に配置されて、例えば、カード２１０の下側に出力するように構成された出力ポートから調製済サンプルを受け取ってもよい。電気接点パッド２９０は反対側の基板の第２の側に配置される（例えば、カートリッジ読み取り機１００に挿入されるように完全に組み立てられた時に、電気接点パッド２９０がカートリッジアセンブリ２００の底面側に露出するように基板２０２の底側または下側に配置される）。ＧＭＲセンサチップ２８０は、ＰＣＢ／基板２０２上の電子接続を介してその下側に設けられた電気接点パッド２９０に電気的に接続されるＧＭＲセンサチップ２８０自身の接点パッド（例えば、金属ストリップまたはピン）を備えてもよい。この場合、カートリッジアセンブリ２００がカートリッジ読み取り機１００に挿入されると、電気接点パッド２９０が電子インターフェースとして機能して電気接続を確立し、カートリッジ読み取り機１００内の電子機器（例えば、カートリッジリーダ３１０）と電気接続する。したがって、センサチップ２８０内のセンサは、電気接点パッド２９０およびＧＭＲセンサチップ２８０の接点パッドを介してカートリッジ読み取り機１００内の電子機器に接続される。
【００５６】
図２Ｄは、カード２１０と基板２０２との嵌合インターフェースまたは接続インターフェースの例示的な断面図である。より具体的には、図２Ｄは、一実施形態に係るカード２１０上の出力ポート２５５と基板２０２のＧＭＲセンサチップ２８０との間のインターフェースを示している。例えば、本明細書に開示された実施形態のいずれかに係るカード２１０の下に隣接して配置されたＰＣＢ基板２０２が示されている。基板２０２は、カード２１０の底面に取り付けられてもよい。ここではマイクロ流体チャネル４３３（これはカード２１０内の多数の連通チャネルの１つ）と称されるチャネル機能を、カード２１０の少なくとも１つの層に有し、カード２１０内で処理される検査サンプルをＧＭＲセンサ２８０へと向かわせる出力ポート２５５へと導くように設計されている。必要に応じて、カード２１０の層の間に接着剤を塗布してもよく、例えば、試薬ポート４３４Ｂを有するカードの層とチャネル４３３の層との間に接着剤４３４Ａを塗布してもよい。基板２０２は、カード２１０のチャネル４３３および出力ポート２５５に隣接して配置されたＧＭＲセンサチップ２８０を備える。
【００５７】
（図３を参照して以下で説明する磁場発生器３６０とは異なる磁場発生器３６５からの）磁場を利用して、センサの近くに位置するナノ磁性粒子を励起することができる。
【００５８】
図３に示すように、カートリッジ読み取り機１００とカートリッジアセンブリ２００がどのように協働してサンプル中の被検物質を検出するシステム３００を提供しているかを更に説明すべく、カートリッジ読み取り機１００の更なる特徴が概略的に示されている。図示のように、カートリッジアセンブリ２００は、カートリッジ読み取り機１００のハウジング１１０に挿入されてもよい。一般に、カートリッジ読み取り機１００のハウジング１１０は、本明細書全体を通して「コントローラ」および／または「カートリッジリーダ」３１０とも呼ばれるプロセッサまたは制御ユニット３１０、電源３２０、空気圧系統３３０、通信ユニット３４０、（必要に応じて）診断ユニット３５０、磁場発生器３６０およびメモリ３７０（またはデータストレージ）、ならびに、ユーザーインターフェース１４０および／またはディスプレイ１２０を更に備えるまたは含み得る。必要に応じて、例えば、挿入されたカートリッジアセンブリ上の試薬ソースを開封するため、または、（例えば、試薬がアセンブリの特定の試薬領域に提供されていない場合）カートリッジアセンブリに試薬を導入するための試薬オープナー（図３には示されていない）を、カートリッジ読み取り機１００の一部として設けてもよい。カートリッジアセンブリ２００がカートリッジ読み取り機１００のハウジング１１０に挿入され、電気系統および空気圧系統が接続されると、カートリッジアセンブリ２００がカートリッジメモリチップ２７５を読み取る（例えば、カートリッジ読み取り機１００内のカートリッジリーダ３１０／制御ユニットまたはＰＣＢアセンブリによって読み取られる）。そして、カートリッジアセンブリ２００のカード２１０に選択的に圧力を加えるためのステップと設定を含む空気圧系統プロトコルを決定し、センサ（例えば、ＧＭＲセンサチップ２８０）へ送達されるサンプルの調製方法を実行する。このようにアセンブリ２００に配置されたサンプルに対して、前処理、処理および分析が行われる。制御ユニットまたはカートリッジリーダ３１０は、サンプル中の被検物質を検出するプロセスの自動化に必要な入力および出力を制御してもよい。カートリッジリーダ３１０は、特に、カートリッジアセンブリ２００および空気圧系統３３０に関連する巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサチップ２８０および／またはメモリチップ２７５を制御するように構成されたリアルタイムコントローラであってもよく、ユーザーインターフェースからの制御も加わり、例えば、磁場発生器３６０の駆動、および、カートリッジアセンブリ２００に関連するセンサチップおよび／またはメモリへの／からの信号の送受信を制御する。一実施形態では、カートリッジリーダ３１０は、追加のチップ、メモリ、デバイスを含み得るＰＣＢ（プリント回路基板）の形態で提供される。カートリッジリーダ３１０は、例えば、内部メモリユニット、システムオペレーションイニシャライザ、信号準備ユニット、信号処理ユニットおよび／またはデータストレージ（いずれも図示せず）と通信および／または制御するように構成されてもよい。カートリッジリーダ３１０は、通信ユニット３４０に対して信号を送受信するように構成されてもよく、それにより、（例えば、クラウドサーバとの）ネットワーク接続性およびテレメトリが確立されて、例えば、不揮発性レシピが実装されてもよい。通信ユニット３４０は概して、カートリッジ読み取り機１００が無線または有線技術を使用してデータを送受信可能にする。内蔵電池の形態の電源３２０を介してまたはそれに接続された外部電源を介して（例えば、コードおよびプラグを介して）電力を受け取るコネクタの形態で、カートリッジ読み取り機１００に電力を供給することができる。電源３２０は、カートリッジ読み取り機１００の起動時および／またはカートリッジアセンブリ２００が読み取り機１００に嵌合される時に、カートリッジ読み取り機１００の部品に電力を供給する。例えば、電源３２０は、カートリッジリーダ３１０の制御ユニットおよびＰＣＢアセンブリ５６０、磁場発生器３６０、ディスプレイ１２０および／またはユーザーインターフェース１４０ならびに空気圧系統３３０（例えば、任意のモータ、バルブおよび／またはそれに関連するポンプを含む）に電力を供給してもよい。本明細書の一実施形態によれば、電源３２０は、少なくとも１つの内蔵電池パック３２０であってもよい。空気圧系統３３０は、サンプル処理カード２１０の内部およびサンプル処理カード２１０に沿って流体を移動および誘導することにより（例えば、空気圧接続部２３５を介して、チャネルにより、エラストマー製バルブへと導くべく接続することにより）カートリッジアセンブリ２００に入れられたサンプル（例えば、血液、尿）を処理および調製するのに使用される。空気圧系統３３０は、例えば、流体と接触するプランジャおよび／またはピストンを使用可能な、流体を移動させるためのシステムおよび／またはデバイスであり得る。磁場発生器３６０は、カートリッジ読み取り機１００の回路基板もしくはカートリッジアセンブリ２００に設けられる１つ以上のチップ（例えば、センサチップ２８０）と何らかの方法で一体化されるまたは読み取り機１００に取り付けられる、外部磁気コイルまたは他の磁場発生装置であり得る。磁場発生器３６０は、信号を読み取ると同時に、ＧＭＲセンサチップ２８０の近くの磁性ナノ粒子を励磁するのに使用される。幾つかの実施形態では、コイルまたはその他の磁場発生器であり得る第２の磁場発生器３６５は、カートリッジ読み取り機１００の一部としてハウジング１１０内に設けられてもよい。例えば、一実施形態では、第２の磁場発生器３６５は磁場発生器３６０とは別個の異なる発生器であってもよい。この第２の磁場発生器３６５は、サンプルの調製および処理中に、アセンブリ２００のサンプル処理カード２１０の一部（例えば、上部、下部、側面）に不均一な磁場を印加できるように当該磁場を生成するように構成され得る。例えば、緩衝液および／または磁気ビーズ等の混合材料を混合材料ソースから移動させる時、および、カード内の検査サンプルを移動させる時にこのような磁場が印加される。一実施形態では、第２の磁場発生器３６５は、カートリッジ読み取り機の反対側の端部または側面（例えば、読み取り機１００のハウジング１１０の上部に位置する）に、すなわちＧＭＲ検知に使用される磁場発生器３６０から離れて設けられる。一実施形態では、第２の磁場発生器３６５は、磁場発生器３６０に対してカートリッジ読み取り機の反対側の端部に設けられる（例えば、第２の磁場発生器は読み取り機１００のハウジング１１０の上部に配置され、磁場発生器３６０は読み取り機１００の下端（例えば、カートリッジ受け部１３０の近く）に設けられる）。一実施形態では、バイオマーカを感知するための磁場全体は、ＧＭＲセンサチップ２８０の近くの磁性ナノ粒子からの外乱に加えて、（外部またはセンサチップと一体化した）磁場発生器３６０から印加される磁場を含む。試薬オープナは、ＧＭＲセンサチップ２８０のサンプル処理および読み取り中に試薬を導入するために必要に応じて使用される（例えば、試薬がカードの特定の試薬領域に含まれていない場合）。前述のように、ユーザーインターフェース／ディスプレイ１２０により、オペレータは情報を入力し、プロセスを制御し、システムフィードバックを提供し、検査結果を（タッチスクリーン等の出力表示画面を介して）表示できる。
【００５９】
図４は、本明細書で開示されるシステム３００を使用して、サンプル中の被検物質の検出を実行するための方法４００の一般的な工程を示す。ステップ４１０において、システムが初期化される。例えば、システムの初期化には、システム３００（カートリッジ読み取り機１００を含む）の電源投入、システムの設定情報の決定、計算結果の読み取り、機能（例えば、磁場発生器と搬送波信号）がオンラインであり準備完了しているかどうかの判定等が含まれる。ステップ４１５において、全検査サンプルがカートリッジアセンブリ２００に添加または装填される（例えば、図２Ｃに示すように、サンプルが注入ポート２１５から注入される）。ステップ４１０およびステップ４１５の順序を変更してもよい。すなわち、アセンブリ２００への全検査サンプルの追加は、システムが初期化される前または後に行われてもよい。ステップ４２０において、カートリッジアセンブリ２００がカートリッジ読み取り機１００に挿入される。必要に応じて、方法４００の一部として、ユーザーインターフェース／ディスプレイ１２０を介してカートリッジ読み取り機１００および／またはシステム３００にユーザ指示を入力してもよい。次に、ステップ４２５において、制御ユニット３１０を介してサンプルの処理が開始される。処理の開始は、例えば、ユーザーインターフェース／ディスプレイ１２０および／または読み取り機１００に接続されたシステムを介して、オペレータまたはユーザによる入力を受信することを含み得る。別の実施形態では、カートリッジアセンブリ２００をカートリッジ読み取り機１００に挿入し、読み取り機内のカートリッジアセンブリ２００の存在を検出することにより（例えば、アセンブリ２００上の電気接点パッド２９０と制御ユニット３１０との電気接続、および、メモリチップ２７５からの命令の自動読み出しにより）、処理を自動的に開始することができる。調整済サンプルを生成するために、（例えば、メモリチップ２７５から取得した）空気圧制御命令を使用してステップ４２５においてサンプルの処理が行われる。上記で説明したように（および、以下で更に説明されるように）、サンプルの処理は、サンプルのタイプおよび／または読み取り機１００に挿入されたカートリッジアセンブリ２００のタイプに依存し得る。場合によっては、処理は、サンプルを調製する前に、混合、緩衝液または試薬の導入などを含む多くのステップを有する場合がある。サンプルが調製されると、調製済サンプルが、ＧＭＲセンサチップ２８０に供給される（例えば、空気圧系統３３０および制御ユニット３１０を介して、空気圧制御によりカード２１０のチャネルを通って出力ポート２５５に送達される）。ステップ４４０において、調製済サンプル中の被検物質がＧＭＲセンサチップ２８０で検出される。次に、ステップ４４５において、ＧＭＲセンサチップ２８０からの信号が、例えば、カートリッジリーダ３１０（制御ユニット；例えば、１つ以上のプロセッサを含む）を介して受信され、処理される。信号処理により、例えば、ディスプレイ１２０／ユーザーインターフェースを介して検査結果をステップ４５０において表示することができる。ステップ４５５において、検査結果が保存される。例えば、検査結果は、クラウドサーバーおよび／またはカートリッジアセンブリ２００に搭載されたメモリチップ２７５に保存されてもよい。幾つかの実施形態では、流体またはサンプルは、ＧＭＲセンサチップ２８０から入力ポート２５７を通って廃棄チャンバ２７０へと送達されてもよい。その後、全ての検査が実行され検知デバイス／ＧＭＲセンサチップ２８０によって数値が読み取られた後は、カートリッジアセンブリ２００はカートリッジ読み取り機１００から取り出されてもよい。一実施形態において、カートリッジアセンブリの取り出しは自動的に実行されてもよく、例えば、カートリッジ読み取り機１００のハウジング１１０内の機構がハウジング１１０からアセンブリ２００を押し出す、またはオペレータにより（ボタンもしくは力を使用して）手動で実行されてもよい。
【００６０】
一実施形態では、本明細書に記載のシステム３００は、同日出願の国際特許出願Ｎｏ．ＰＣＴ／ＵＳ２０１９／＿＿＿＿、「ＳＹＳＴＥＭ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤ  ＦＯＲ  ＧＭＲ−ＢＡＳＥＤ  ＤＥＴＥＣＴＩＯＮ  ＯＦ  ＢＩＯＭＡＲＫＥＲＳ（ＧＭＲによるバイオマーカの検出のためのシステムおよび方法」（代理人整理番号０２６４６２−０５０４８４６）に開示されているような空気圧制御系統を使用してもよく、上記の出願は参照により本明細書に組み込まれる。
【００６１】
一実施形態では、本明細書に記載のシステム３００は、同日出願の国際特許出願Ｎｏ．ＰＣＴ／ＵＳ２０１９／＿＿＿＿、「ＳＹＳＴＥＭ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤ  ＦＯＲ  ＳＡＭＰＬＥ  ＰＲＥＰＡＲＡＴＩＯＮ  ＩＮ  ＧＭＲ−ＢＡＳＥＤ  ＤＥＴＥＣＴＩＯＮ  ＯＦ  ＢＩＯＭＡＲＫＥＲＳ（ＧＭＲによるバイオマーカの検出におけるサンプル調整のためのシステムおよび方法」（代理人整理番号０２６４６２−０５０４８４７）に開示されているようなカートリッジアセンブリを（例えば、サンプル調整およびセンサへの送達に）使用してもよく、上記の出願は参照により本明細書に組み込まれる。
【００６２】
一実施形態では、本明細書に記載のシステム３００は、国際特許出願Ｎｏ．ＰＣＴ／ＵＳ２０１９／＿＿＿＿、「ＳＹＳＴＥＭ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤ  ＦＯＲ  ＳＥＮＳＩＮＧ  ＡＮＡＬＹＴＥＳ  ＩＮ  ＧＭＲ−ＢＡＳＥＤ  ＤＥＴＥＣＴＩＯＮ  ＯＦ  ＢＩＯＭＡＲＫＥＲＳ（ＧＭＲによるバイオマーカの検出における被検物質の検出システムおよび方法」（代理人整理番号０２６４６２−０５０４８４８）に開示されているように被検物質を感知してもよい。例えば、一実施形態では、検知デバイスまたはＧＭＲセンサチップ２８０は、上記の代理人整理番号０２６４６２−０５０４８４８の出願に開示されるように、１つまたは複数のマイクロ流体チャネル、および、当該１つまたは複数のマイクロ流体チャネル内に配置される複数のセンサパッドを含み得る。一実施形態では、このようなチャネルは、当該チャネル内に配置された複数のＧＭＲセンサを必要に応じて含んでもよい。複数のＧＭＲセンサを、一の被検物質を検出するように全て同一に構成してもよく、この場合、冗長性により検出を強化することができる。これに代えて、複数のＧＭＲセンサを数多くの被検物質を検出するように全て異なる構成にすることもでき、また、冗長性を持たせつつ複数の異なる構成のセンサの組み合わせにすることもできる。チャネルの構成は制限されない。チャネル内の複数のＧＭＲセンサが集合的に、ＧＭＲセンサチップ２８０からの出力（検査結果）を提供するように設計してもよい。
【００６３】
図１および図２Ａ〜図２Ｄは、サンプル中の被検物質を検出するための本明細書に開示されるシステム３００の一部であるカートリッジリーダ読み取り機１００およびカートリッジアセンブリ２００の代表的な特徴を示した概略図である。図は説明のみを目的としており、これに限定することを意図したものではない。
【００６４】
図５Ａには、いくつかの実施形態に係る例示的なチャネル５００が示されている。チャネル５００は構造的に蛇行しているように示されているが、幾何学的に必ずしもこれに限定されない。チャネル５００は、チャネル本体５２０内に配置された複数のＧＭＲセンサ５１０を備える。複数のＧＭＲセンサ５１０を、一の被検物質を検出するように全て同一に構成して５１０もよく、この場合、冗長性により検出を強化することができる。これに代えて、複数のＧＭＲセンサ５１０を数多くの被検物質を検出するように全て異なる構成にすることもでき、また、冗長性を持たせつつ複数の異なる構成のセンサの組み合わせにすることもできる。チャネル５００は更に、任意のサンプル、試薬、ビーズ懸濁液等がチャネル本体５２０にへと入るチャネル入口５３０を有する。チャネル入口５３０における正圧下またはチャネル出口５４０における真空下により、チャネル本体５２０を通る流れが調整される。
【００６５】
図５Ｂには、ベース５５０内に配置された複数のチャネル５００が示されている。チャネル５００はそれぞれ、各ＧＭＲセンサ５１０を囲む拡張領域であるチャネル拡張部５６０を特徴としている（図５Ａ；図面を明確にするために図５Ｂには示されていない）。理論に限定されるものではないが、チャネル拡張部５６０は、ＧＭＲセンサ上を材料が通過する際により良く混合されるための手段を提供すると仮定している。ベース５５０の周囲には、チャネル拡張部５６０に配置されたＧＭＲセンサと残りの回路との間の導電部として機能する一対の接点パッド５７０が配置されている。ＧＭＲセンサ５１０は、配線（図示せず）を介して接点パッド５７０に電子的に結合されている。
【００６６】
図６Ａ、図６Ｂおよび図６Ｃは、本開示の実施形態に係るカートリッジアセンブリ２００に取り付けることができるＧＭＲセンサチップ２８０の構造を概略的に示している。図６Ａに示すように、ＧＭＲセンサチップ２８０は、チップのほぼ中央に配置された少なくとも１つのチャネル６１０、６２０および６３０と、チャネル内に配置された複数のＧＭＲセンサ６８０と、ＧＭＲセンサチップの２つの対向端に配置された電気接点パッド６４０Ａ、６４０Ｂと、電気接点パッド８４０Ａ、８４０Ｂに接続された金属ワイヤ６５０、６６０、６７０Ａ、６７０Ｂ、６７０Ｃ、６９０Ａ、６９０Ｂ、６９０Ｃとを備える。
【００６７】
チャネル６１０、６２０および６３０はそれぞれ、より多くのセンサを内部に詰め込めるように蛇行形状を有してもよい。複数のチャネル拡張部６８５をチャネルに沿って配置して、複数のＧＭＲセンサを収容することができる。検査される流体は、チャネル入口６１５Ａ、６２５Ａ、６３５Ａおよびチャネル出口６１５Ｂ、６２５Ｂ、６３５Ｂを介してそれぞれチャネル６１０、６２０、６３０に流入および流出する。図６Ａには、ＧＭＲセンサ６８０が８×６個のセンサアレイ状に配置され、３つのチャネル６１０、６２０、６３０それぞれに１６個ずつのセンサが配置されてるように示されている。しかしながら、検出対象物の特定の要件を満たすべく、他の組み合わせを使用可能である。
【００６８】
電気接点パッド６４０Ａ、６４０Ｂは、複数の電気接点ピンを備える。金属ワイヤ６５０、６６０、６７０Ａ、６７０Ｂ、６７０Ｃは、ＧＭＲセンサを対応する電気接点ピン６４５Ａ、６４５Ｂ、６７５に接続する。電気接点パッド６４０Ａ、６４０Ｂは、カートリッジアセンブリ２００に設けられた電気接点パッド２９０に接続されている。カートリッジアセンブリ２００がカートリッジリーダ３１０に挿入されると、ＧＭＲセンサチップ２８０とカートリッジリーダ３１０との間に電気接続が形成され、ＧＭＲセンサからカートリッジリーダ３１０へ測定信号の送信が可能になる。
【００６９】
図６Ｂは、ＧＭＲセンサの詳細を示している。例えば、ＧＭＲセンサはそれぞれ、並列に接続された５つのＧＭＲストリップで構成されてもよい。一端において、ＧＭＲセンサはそれぞれ２本のメイン金属ワイヤ（ワイヤ６５０または６６０）のうちの一方によって、２つのコモンピンのうちの一方（ピン６４５Ａまたは６４５Ｂ）に接続される。ＧＭＲセンサの他端は、別個の金属ワイヤ６７０Ａ、６７０Ｂ、６７０Ｃによって、電気接点パッド６４０Ａまたは６４０Ｂ上の別個のピン６７５に接続される。
【００７０】
図６Ａには、チャネルの１つにそれぞれ対応するチャネル入口および／またはチャネル出口の近くに配置された流体検出金属ワイヤ６９０Ａ、６９０Ｂ、６９０Ｃも示されている。流体検出機能は、それぞれの流体検出金属ワイヤに配置されたスイッチ６９５Ａ、６９５Ｂ、６９５Ｃによって実行される。図６Ｃは、スイッチ６９５Ａの構造を詳細に示している。導電性流体（例えば、プラズマ）がその上を流れたと認識されると、スイッチ６９５Ａは一方の側のワイヤ６９６Ａを他方の側のワイヤ６９６Ｂに結合し、流体検出信号を生成する。
【００７１】
図６Ａ〜図６Ｃに示されるＧＭＲセンサチップの構造および配線は本質的に例示に過ぎず、他の構造および配線が同じまたは同様の機能を達成するために実装可能であることは当業者には明らかであろう。図７には、チャネル拡張部７３０におけるチャネル７００の断面が示されている。チャネル拡張部７３０内にはＧＭＲセンサ７１０が配置され、その上に１つまたは複数の生体分子７２５が固定化されている。生体分子７２５のＧＭＲセンサ７１０への固定化は、従来の表面化学を利用して行われる（図８に更に詳細に示されている）。生体分子７２５は、実施されている特定の分析の性質に応じて、ペプチドまたはタンパク質、ＤＮＡ、ＲＮＡ、オリゴ糖、ホルモン、抗体、糖タンパク質等であり得る。ＧＭＲセンサ７１０はそれぞれワイヤ７９５により、チャネル７００の外側に位置する接点パッド７７０に接続されている。ある実施形態では、ワイヤ７９５は、センサ底部でＧＭＲセンサ７１０に接続される。
【００７２】
図８Ａには、ＧＭＲセンサ８１０の位置においてチャネル拡張部が設けられていないチャネル本体８３０を有するチャネル８００のより詳細な断面が示されている。生体分子８２５は、生体表面８４５へ付着することによりセンサに対して固定化される。そのような生体表面固定化化学は、当技術分野で知られている。例えば、Ｃｈａ他、「Ｉｍｍｏｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｏｒｉｅｎｔｅｄ  ｐｒｏｔｅｉｎ  ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ  ｏｎ  ｐｏｌｙ（ｅｔｈｙｌｅｎｅ  ｇｌｙｃｏｌ）−ｃｏａｔｅｄ  Ｓｉ（１１１）  （ポリエチレングリコール被覆Ｓｉ（１１１）上の配向タンパク質分子の固定化」プロテオミクス４：１９６５−１９７６、（２００４）；Ｚｅｌｌａｎｄｅｒ他、  「Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｐｏｒｅ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ｉｎ  Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｌｙ  Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ  Ｐｏｌｙ（２−ｈｙｄｒｏｘｙｅｔｈｙｌ  ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）−Ｐｏｌｙ（ｅｔｈｙｌｅｎｅ  ｇｌｙｃｏｌ）  Ｄｉａｃｒｙｌａｔｅ  （ＰＨＥＭＡ−ＰＥＧＤＡ）  生物学的に機能するポリ（２−ヒドロキシエチルメタクリレート）−ポリ（エチレングリコール）ジアクリレート（ＰＨＥＭＡ−ＰＥＧＤＡ）の細孔構造の特性評価」、ＰＬＯＳ  ＯＮＥ  ９（５）：ｅ９６７０９、（２０１４）を参照されたい。幾つかの実施形態では、生体表面８４５は、ＰＨＥＭＡで架橋されたＰＥＧポリマーを含む。幾つかの実施形態では、架橋基は以下の式（Ｉ）によって表される。
ＰＡ−ＬＧ−ＰＡ      （Ｉ）
式中、ＰＡは光もしくは金属で活性化または活性化された基であり、ＬＧは連結基である。幾つかの実施形態では、ＰＡは同じであり、他の実施形態では、それぞれのＰＡは異なる。幾つかの実施形態では、ＰＡは光活性化または金属活性化されて、Ｃ−Ｈおよび／またはＯ−Ｈ挿入が可能なナイトレン（ｎｉｔｒｅｎｅ）中間体を形成する。例えば、「Ｐｈｏｔｏｇｅｎｅｒａｔｅｄ  ｒｅａｃｔｉｖｅ  ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅｓ  ａｎｄ  ｔｈｅｉｒ  ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ（光生成反応性中間体とその特性）」、Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ  ｉｎ  Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ａｎｄ  Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｉｏｌｏｇｙ  （生化学および分子生物学の実験室技術）第２章、Ｅｌｓｅｖｉｅｒ  Ｐｒｅｓｓ、１２：８−２４（１９８３）に記載されている。幾つかの実施形態において、ＰＡは、Ｃ−Ｈおよび／またはＯ−Ｈ挿入が可能なカルベン（ｃａｒｂｅｎｅ）またはカルベノイド中間体を形成するように活性化された金属である。例えば、ドイル他、「Ｃａｔａｌｙｔｉｃ  Ｃａｒｂｅｎｅ  Ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ  ｉｎｔｏ  Ｃ−Ｈ  Ｂｏｎｄｓ（Ｃ−Ｈ結合への触媒的カルベン挿入）」Ｃｈｅｍ．Ｒｅｖ．２：７０４−７２４（２０１０）を参照のこと。
【００７３】
幾つかの実施形態において、ＰＡはそれぞれアジド（ａｚｉｄｅ）（−Ｎ3）部分であり、光活性化によりＣ−Ｈおよび／またはＯ−Ｈ挿入可能なナイトレン中間体が生成され、それによりＰＥＧポリマーおよびＰＨＥＭＡポリマーの架橋を媒介する。幾つかの実施形態において、ＰＡはそれぞれジアゾ（ｄｉａｚｏ）（−Ｎ2）であり、金属触媒分解反応によりＣ−Ｈおよび／またはＯ−Ｈ挿入可能なカルベンまたはカルベノイド中間体が形成され、それによりＰＥＧポリマーおよびＰＨＥＭＡポリマーの架橋を媒介する。アジドおよびジアゾの調製は両方とも当技術分野で周知であり、アジドの場合、脱離基を有する適切な有機部分を用いたアジドアニオン、Ｎ3-のＳN2置換反応により容易に調製される。
【００７４】
式（Ｉ）のＬＧは、各ＰＡ部分の存在をサポートする任意の有機フラグメントであってもよい。直鎖または分岐鎖の単純なＣ2−Ｃ20炭化水素鎖であってもよい。そのような炭化水素は、任意の程度のフッ素置換を伴ってもよいフッ素化変異体を含み得る。幾つかの実施形態では、ＬＧは芳香族炭化水素を含み得る。例えば、ベンゼン、ナフタレン、ビフェニル、ビナフチル、または、芳香族構造とＣ2−Ｃ20炭化水素鎖との組み合わせを含むがこれらに限定されない。したがって、いくつかの実施形態では、ＬＧは、アルキル、アリールまたはアラルキル構造であり得る。幾つか実施形態において、アルキル連結基は、酸素（Ｏ）またはアミン（ＮＲ）で置換された１つ以上の炭素を鎖内に有してもよく、ここでＲは、ＨまたはＣ1−Ｃ6アルキルである。
【００７５】
前述の実施形態によれば、架橋ＰＥＧ−ＰＨＥＭＡ構造は、式（ＩＩ）で表すことができる。
ＰＥＧ−Ａ−ＬＧ−Ａ−ＰＨＥＭＡ      （ＩＩ）
ＰＥＧがポリエチレングリコール部分である場合、Ａはそれぞれアジドまたはジアゾの触媒反応からの付着原子であり、すなわちＣＨ2またはＮＨであり、ＬＧは上記の連結基である。
【００７６】
図８Ａにおいて、磁気ビーズ結合体８１５は、生体分子８２５または目的の分析物、例えば、抗体−分析物−磁気ビーズ結合抗体のサンドイッチ複合体のようなものと相互作用する。生体表面８４５の下には、絶縁層８５５が設けられている。絶縁層８５５は、ＧＭＲセンサ８１０と直接接触してもよく、例えば、金属酸化物層を含んでもよい。生体表面層８４５は、絶縁層８４５と直接接触している。ベース８６５は、その上に設けられる各構成要素、ＧＭＲセンサ８１０、絶縁層８５５および生体表面層８４５の足場として機能する。幾つかの実施形態では、ベース８６５はシリコンウェハから作られる。
【００７７】
図８Ｂは、ＧＭＲセンサの基本構造と原理を模式的に示している。典型的なＧＭＲセンサは、２つの磁性層８８０Ａおよび８８０Ｂの間に非磁性導電性中間層８９０が挟まれた金属多層構造を有する。非磁性導電性中間層８９０は、多くの場合、銅薄膜である。磁性層８８０Ａおよび８８０Ｂは、強磁性合金材料から形成されてもよい。
【００７８】
金属多層構造の電気抵抗は、磁性層８８０Ａおよび８８０Ｂの相対的な磁化方向に応じて変化する。平行磁化（図８Ｂの右半分に示す）の部分は抵抗が低くなり、反平行磁化（図８Ｂの左半分に示す）の部分は抵抗が高くなる。磁化の方向は、外部から印加される磁場によって制御可能である。このように、金属多層構造の電気抵抗の変化は外部磁場の関数となる。
【００７９】
ＧＭＲセンサは、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）センサまたはホール（Ｈａｌｌ）センサの感度を上回る感度を有する。この特性により、ナノメートルスケールで磁性材料からの漂遊磁場を検出することができる。例えば、センサ表面に結合した磁性ナノ粒子からの浮遊磁場は、磁性層の磁化を変化させ、ＧＭＲセンサの抵抗を変化させる。したがって、単位面積あたりのＧＭＲセンサに結合される磁性ナノ粒子数の変化は、ＧＭＲセンサの抵抗値の変化に反映され得る。
【００８０】
図９Ａおよび図１０Ａには、ＧＭＲセンサが本明細書に記載されている様々な分析用途に従って動作する２つの例示的な基本モードが示されている。図９Ａに例示される第１のモードでは、分析の開始時に、磁気ビーズ９１５が生体表面９６５を介してＧＭＲセンサ（図８Ａ、８１０を参照）の近くに装填される。分析中、対象の被検物質が存在すると、磁気ビーズ９１５が生体表面９６５から移動する（したがって、ＧＭＲセンサから移動する）。磁気ビーズがセンサ表面の近くから取り除かれることから、このモードはいわゆる除去（ｓｕｂｔｒａｃｔｉｖｅ）モードである。図１０Ａには、第２のメインモード、すなわち、付加（ａｄｄｉｔｉｖｅ）モードでの動作が示されている。このモードの分析では、対象の被検物質が存在する場合、ＧＭＲセンサ（図８Ａ、８１０を参照）の近くに磁気ビーズ１０１５が付加される。除去型または付加型のいずれかのモードは、センサ表面に近いビーズ（９１５、１０１５）の数の変化に依存しており、それによってＧＭＲセンサシステムの抵抗が変化する。この抵抗の変化が測定され、対象の被検物質の濃度を定量的に決定することができる。
【００８１】
図８Ａには、例示的な除去型プロセスを通じたセンサ構造を示すセンサ構造図が示されている。プロセスの開始時に、システムは状態９００ａにあり、この状態において、関連付けられた磁気ビーズ９１５を備える複数の分子（典型的には生体分子）９２５が、ＧＭＲセンサの生体表面９６５上に配置されている。生体表面９６５の上側の体積部分は、乾燥し始めるまたは溶媒が存在してもよい。乾燥している場合、検出プロセスは、例えば、緩衝液による溶媒プライミング工程を含んでもよい。被検物質が導入された後、システムは、被検物質の濃度に比例した量の磁気ビーズ９１５が分子９２５から除去された状態９００ｂとなる。状態９００ａおよび状態９００ｂの変化は測定可能な抵抗の変化を提供し、それにより対象の被検物質の定量化が可能となる。幾つかの実施形態では、分子９２５から被検物質により直接ビーズを取り除く単純な機構としてもよい。他の実施形態において、被検物質は分子９２５と化学的に反応してビーズ９１５が付着した分子の一部を切断し、それにより、ビーズ９１５を分子９２５の切断された部分共に放出するようにしてもよい。
【００８２】
一実施形態では、生体表面９６５はポリマーを含む。分子９２５が生体表面９６５へ共有結合するのを促進するように特定のポリマーを選択してもよい。他の実施形態において、分子９２５は、静電相互作用を介して生体表面９６５に結合されてもよい。例えば、生体分子を共有結合で固定するための従来の結合させる化学的構造を使用するべく、ポリマーコーティングを選択または修飾してもよい。結合させる化学的構造には、有機官能基ハンドルを含む任意の化学部分が挙げられ、特にこれらに限定されないが、アミン、アルコール、カルボン酸およびチオール基が挙げられる。共有結合させる化学的構造として、エステル、アミド、チオエステルおよびイミンの形成が含まれるが、これらに限定されない（これらは結合後、還元、すなわち還元的アミノ化される）。生体表面９６５は、これに限定されないが、陰イオン界面活性剤、陽イオン界面活性剤および双性イオン界面活性剤を含む界面活性剤等の表面改質剤を含んでもよい。
【００８３】
幾つかの実施形態では、磁気ビーズ９１５は、球状ナノ粒子を含むナノ粒子であってもよい。そのようなナノ粒子は、約２〜５０ナノメートル（ｎｍ）、約５〜２０ｎｍまたは約５〜１０ｎｍの範囲の有効径を有してもよい。幾つかの実施形態において、分子９２５への共有結合を促進するために磁気ビーズ９１５はコーティングされてもよい。他の実施形態では、磁気ビーズ９１５をコーティングして、分子９２５との静電的結合を促進してもよい。磁気ビーズ９１５には、マルチプレックス検出スキームを容易にするために、異なる複数のタグ付けおよび／またはコーティングされてもよい。そのような実施形態では、異なるタグ付けおよび／またはコーティングは、異なる複数のＧＭＲセンサ上または複数の異なる分子空間的に組織化されてアドレス可能な信号を生成する１つのセンサ上に配置された異なる複数の分子と相互作用するように異なる複数のビーズが構成される。
【００８４】
図９Ｂは、図９Ａのセンサ構造スキームに関連するプロセスフロー９０１を示している。このプロセスは、ステップ９２０においてサンプルをカートリッジアセンブリに注入することから開始される。次いで、ステップ９３０において、濾過、希釈および／または化学修飾等の必要な工程を通じた処理をサンプルに施す。これらの前処理工程の順序は、サンプルの性質および検出対象の被検物質に依存する。システム内における移動は空気圧で制御してもよい。ステップ９４０は、処理済みサンプルを、対象物指定の流量でＧＭＲセンサに送達することを含む。流量は、ＧＭＲセンサ表面の化学反応速度を反映するように選択してもよい。ステップ９５０において、ＧＭＲセンサ表面における磁気ビーズの濃度の変化が反映されたＧＭＲセンサからの読み取り値が取得される。これらの測定値により、ステップ９６０において抵抗の変化を検出する。最後に、ステップ９７０において、抵抗の変化に基づいて検出結果を計算する。
【００８５】
図１０Ａには、例示的な付加型プロセスを通じたセンサ構造を示すセンサ構造図が示されている。プロセスの開始時に、システムは状態１０００ａにあり、この状態において、複数の分子（典型的には生体分子）１０２５が、ＧＭＲセンサの生体表面１０６５上に配置されている。第２の状態１０００ｂでは、複数の分子１０２５が選択されて対象の被検物質１０９０と結合する。検出対象の被検物質１０９５は、磁気ビーズ１０１５を結合するように構成されている。幾つかの実施形態では、検出対象の被検物質１０９５は、生体表面１０６５を通過する前にビーズに結合される。例えば、これは検査されるサンプルの前処理中に発生する場合がある。（他の実施形態では、図１７Ａを参照して以下で説明するように、検出対象の被検物質１０９５が最初に生体表面を通過し、次に被検物質が生体表面１０６５に結合した後、検出対象の被検物質１０９５を磁気ビーズ１０１５で修飾してもよい）。幾つかの実施形態では、所与の検出対象の被検物質１０９５は、磁性粒子１０１５と結合する前に化学修飾を必要としてもよい。幾つかの実施形態では、磁気ビーズ１０１５は、検出対象の被検物質１０９５と相互作用するように修飾されてもよい。磁気ビーズ１０１５が存在しない状態１０００ａから磁気ビーズ１０１５が生体表面１０６５に結合されている状態１０００ｂまでの測定抵抗値の変化により、被検物質の量を測ることができる。
【００８６】
図１０Ｂは、図１０Ａのセンサ構造スキームに関連するプロセスフロー１００１を示している。このプロセスは、ステップ１０２０においてサンプルをカートリッジアセンブリに注入することから開始される。次いで、ステップ１０３０において、濾過、希釈および／または化学修飾等の必要な工程を通じた処理をサンプルに施す。これらの前処理工程の順序は、サンプルの性質および検出対象の被検物質に依存する。システム内における移動は空気圧で制御してもよい。ステップ１０４０は、処理されたサンプルを反応チャンバに送ることを含む。次いでステップ１０５０は、ビーズを反応チャンバに導入し、検出対象の被検物質を修飾することを含む。上述のように、このような修飾は反応チャンバ内ではなく、センサ表面上で直接実行されてもよい。ステップ１０６０において、修飾されたサンプルは、目標流量でＧＭＲセンサへと送られる。流量は、ＧＭＲセンサ表面の化学反応速度を反映するように選択してもよい。ステップ１０７０において、ＧＭＲセンサ表面における磁気ビーズの濃度の変化が反映されたＧＭＲセンサからの読み取り値が取得される。これらの測定値により、ステップ１０８０において抵抗の変化を検出する。最後に、ステップ１０９０において、抵抗の変化に基づいて検出結果を計算する。
【００８７】
図１１Ａには、被検物質１１９５（状態１１００ｂ）の検出のためにサンドイッチ抗体を使用する例示的な付加プロセスにおけるセンサ構造状態１１００ａ〜ｄを示したセンサ構造図が示されている。プロセスの開始時に、システムは状態１１００ａにあり、この状態において、複数の抗体１１２５が、ＧＭＲセンサの生体表面１１６５上に配置されている。次に、状態１１００ｂにおいて、被検物質１１９５は生体表面１１６５上を通過し、被検物質１１９５が抗体１１２５へ結合する。次いで、状態１１００ｃにおいて、共有結合したビオチン部分（Ｂ）が設けられた二次抗体１１３５に結合することにより、被検物質１１９５が修飾される。次いで、ストレプトアビジン（Ｓ）で修飾された磁気ビーズ１１１５が添加されて、ビオチン−ストレプトアビジンの強力な結合が可能となり、状態１１００ｄとなる。いくつかの実施形態において、ストレプトアビジンは、磁気ビーズ１１１５上のコーティングとして提供される。
【００８８】
図１１Ｂは、図１１Ａのセンサ構造スキームに関連するプロセスフロー１１０１を示している。このプロセスは、ステップ１１１０においてサンプルをカートリッジアセンブリに注入することから開始される。次いで、ステップ１１２０において、濾過、希釈等の必要な工程を通じた処理をサンプルに施す。これらの前処理工程の順序は、サンプルの性質および検出対象の被検物質に依存する。システム内における移動は空気圧で制御してもよい。ステップ１１３０において、処理されたサンプルが指定流量でＧＭＲセンサに送られる。そのような流速は、ＧＭＲセンサ表面における生体表面に結合した抗体と被検物質との間の化学動力学を反映するように選択されてもよい。次に、ステップ１１４０において、ビオチン化抗体（Ａｂ）をＧＭＲセンサに導入する。これにより、２つの抗体間に挟まれた被検物質の「サンドイッチ」構造が作成される。ステップ１１５０において、ストレプトアビジンで被覆されたビーズがＧＭＲセンサに導入され、ビオチン結合抗体と相互作用する。ステップ１１６０において、ＧＭＲセンサ表面における磁気ビーズの濃度の変化が反映されたＧＭＲセンサからの読み取り値が取得される。これらの測定値により、ステップ１１７０において抵抗の変化を検出する。最後に、ステップ１１８０において、抵抗の変化に基づいて検出結果を計算する。
【００８９】
図１１Ａおよび図１１Ｂのスキームは、心臓バイオマーカで実施され、概念実証の結果が図１２Ａ〜図１７Ｃに示されている。図１２Ａは、心臓バイオマーカＤダイマーを検出するように設計された検査における時間（秒）に対するＧＭＲ信号（ｐｐｍ）のプロットを示している。このデータを生成するのに、０．０５％アジ化ナトリウムを含むＰＢＳ緩衝液中の１ｍｇ／ｍＬのＤ−ダイマー抗体２ｎＬを使用して、Ｄ−ダイマー捕捉抗体を印刷して生体表面を用意した。また、潜在的な交差反応性を検査するために、０．０５％アジ化ナトリウムを含むＰＢＳ緩衝液中に１ｍｇ／ｍＬトロポニンＩ抗体の溶液２ｎＬを使用して、２つの複合捕捉抗体を印刷することにより、生体表面をトロポニンＩ捕捉抗体で官能化した。更に、他の２つの対照群を生体表面に印刷した。１つ目は、０．０５％アジ化ナトリウムを含むＰＢＳ緩衝液中の０．５％ＢＳＡ溶液２ｎＬを印刷することにより調製された陰性対照群であり、２つ目は、マウスＩｇＧとビオチンとの複合体１ｍｇ／ｍＬを含有する０．０５％アジ化ナトリウムを含むＰＢＳ緩衝液２ｎＬを印刷することにより調製された陽性対照群である。印刷されたセンサは心臓検査カートリッジに組み込まれ、図１１Ａおよび図１１Ｂを参照して前述した「サンドイッチ」構造アッセイを使用するように構成されている。
【００９０】
サンプル検査中に、１２０マイクロリットルの血漿または全血をカートリッジのサンプルウェルに装填した。サンプルがサンプルウェルからフローチャネルに引き込まれる際に薄膜フィルタによって血球が除去される。４０マイクロリットルの血漿（または全血の血漿成分）を計量チャネルに流し、抗体／ビオチン結合体、ブロッカーおよびマウスＩｇＧを含有するチャネル内の沈殿粉末をサンプル溶液中に溶解する。センサ領域上を流れる間に、センサ表面に固定された被検物質、抗体／ビオチン複合体および抗体は、抗体−被検物質−ビオチン化抗体のサンドイッチ構造を形成する。流量は検査の種類に応じて調整される。トロポニンＩの場合、サンプルは１マイクロリットル／分の流量で２０分間センサへと流される。Ｄダイマーの場合、サンプルは４マイクロリットル／分の流量で５分間流される。サンプルの流れに続いて、ストレプトアビジンでコーティングされた磁気ビーズが導入される。磁気ビーズは、センサ表面上のビオチン化抗体が結合している場所に結合する。ＧＭＲセンサは、結合した磁気ビーズを測定する。これは、サンプルに含まれる被検物質の濃度に比例する。ビーズ溶液は、４〜１０マイクロリットル／分の流量でセンサへと５分間流される。ビーズが結合し始めてから３００秒以内に、信号のピーク値を読み取った。
【００９１】
図１２Ａのプロットに示されているように、ＢＳＡだけを印刷した陰性対照はＤ−ダイマーに結合しなかったため、想定された通り、信号はベースライン近くに留まった。ビオチン化マウスを用いた陽性対照は、想定された通り、有効なビーズ結合を示した。６６６．６ｎｇ／ｍＬのヒトＤダイマーの実際のサンプルのプロットには、実際のサンプルでＤダイマーが正常に検出されたことを示す約７５０ｐｐｍのピーク検出信号が表われている。２つの結合トロポニンＩ捕捉抗体との交差反応性は実質的に見られなかった（明確にするため、これらのラインは陰性対照のラインに非常に近いため、表示していない）。
【００９２】
図１２Ｂは、可変濃度、固定濃度のＤダイマーでサンプルを実行した場合のＤダイマーの検量線（ｐｐｍでのＧＭＲ信号対Ｄダイマー濃度）を示している。検量線により、分析対象の被検物質としてＤダイマーを含有する未知のサンプルの濃度を計算できる。図１２Ｃに示す同様のプロットは、心臓バイオマーカ、トロポニンＩについてのプロットであり、これらの結果を合わせて、被験者の血液または血漿サンプル中のＤ−ダイマー及びトロポニンＩの検出の実行可能性が確立される。
【００９３】
図１３には、本開示の一実施形態に係るカートリッジリーダ３１０の機能ブロックが概略的に示されている。図１３に示すように、カートリッジリーダ３１０は、サンプル調製制御部と信号処理部に大別することができる。メモリ読み込みユニット１３１０およびサンプル調製制御ユニット１３２０により、サンプル調製制御部が構成されている。メモリ読み込みユニット１３１０は、カートリッジアセンブリ２００がカートリッジリーダ３１０に挿入されたことを示す信号を受信すると、カートリッジアセンブリ２００上のメモリチップ２７５に格納された情報を読み取る。サンプル調製制御ユニット１３２０は、メモリチップ２７５から読み出された情報に基づいて空気圧制御信号を生成し、それを空気圧系統３３０に送信する。いくつかの実施形態では、カートリッジアセンブリ２００のカートリッジリーダ３１０への挿入が認識されると、カートリッジアセンブリ２００によって指示信号が生成され、挿入イベントを通知するべく当該信号がメモリ読み込みユニット１３１０に送られる。これに代えて、他の実施形態では、このような指示信号は、カートリッジリーダ３１０の他の構成要素によって作成され、メモリ読み込みユニット１３１０に送信されてもよい。
【００９４】
カートリッジリーダ３１０の信号処理機能は、主に信号プロセッサ１３３０によって実行される。信号プロセッサ１３３０は、電気素子を制御し信号を準備および収集し、検出結果を処理、表示、保存および／または外部システムに中継する。例えば、信号プロセッサ１３３０は、磁場発生器３６０を制御する制御信号を生成するように動作し、その結果、カートリッジアセンブリ２００内のＧＭＲセンサにおいて磁界が励起される。カートリッジアセンブリ２００のＧＭＲセンサおよびカートリッジアセンブリ２００内に配置された少なくとも１つの基準抵抗器および／または信号プロセッサ１３３０から測定信号を受信した後、信号プロセッサ１３３０は測定信号を処理して被検物質の検出検査結果を取得する。表示制御ユニットユニット１２０を介して、検査結果が一体化されたディスプレイまたは外部ディスプレイに表示される。更に、信号プロセッサ１３３０は、ユーザからの命令を受信するためにユーザーインターフェース１４０に接続される。いくつかの実施形態では、信号プロセッサ１３３０は、通信ユニット３４０および／または診断ユニット３５０に接続されて、検査結果単独または他の外部の利用可能なデータと組み合わせた評価および診断を可能にする。
【００９５】
図１４は、本開示の一実施形態に係るカートリッジリーダ３１０のプロセスのフローチャートである。図１４に示されるように、ステップ１４１０において、カートリッジリーダ３１０は、システム設定プロファイルおよび／またはユーザがユーザーインターフェース１４０を介して入力した命令に基づいて動作モードを初期化することにより、動作を開始する。次に、ステップ１４２０において、カートリッジアセンブリ２００がカートリッジリーダ３１０に挿入されたことを示す信号を待つ。この信号は、挿入の認識時に、カートリッジアセンブリ２００またはカートリッジリーダ３１０のいずれかによって生成されてもよい。この信号を受信すると、ステップ１４３０において、カートリッジリーダ３１０はカートリッジアセンブリ２００上のメモリチップ２７５を読み出す。次に、ステップ１４４０において、カートリッジリーダ３１０は読み出された情報に基づいて制御信号を生成し、検査されるサンプルの調製に使用される空気圧制御のために、この制御信号を空気圧系統３３０に送信する。ステップ１４５０において、カートリッジリーダ３１０はＧＭＲセンサおよび少なくとも１つの基準抵抗器において測定信号を準備し、当該信号を受信する。次に、ステップ１４６０において、カートリッジリーダ３１０は受信した測定信号を処理して検査結果を生成する。最後に、ステップ１４７０において、カートリッジリーダ３１０は、生成された検査結果を表示制御ユニット１２０に送信し、ユーザに対して表示する。
【００９６】
図１５は、本開示の一実施形態に係る信号プロセッサ１３３０の機能ブロックを概略的に示す。図１５に示されるように、信号プロセッサ１３３０は、システムオペレーションイニシャライザ１５１０、設定プロファイル１５２０、信号処理制御ユニット１５３０、信号準備ユニット１５４０、信号処理ユニット１５５０および必要に応じて設けられるデータストレージ１５６０を含む。システムオペレーションイニシャライザ１５１０は、設定プロファイル１５２０から読み取られたシステム設定情報および／またはユーザーインターフェース１４０を介して受信した命令に基づいて、システム動作環境をセットアップして信号プロセッサ１３３０の機能を初期化する、特に、信号処理制御ユニット１５３０の機能を初期化する。信号処理制御ユニット１５３０は、信号準備ユニット１５４０および信号処理ユニット１５５０を制御するための制御信号を生成するように動作する。また、信号処理制御ユニット１５３０は、表示制御ユニット１２０を介してディスプレイ上の求解結果および検出結果の表示を制御し、信号処理制御ユニット１５５０と通信ユニット３４０および／または診断ユニット３５０との間のデータ通信を制御するように動作する。信号準備ユニット１５４０は、信号処理制御ユニット１５３０の制御下で、測定回路を準備し、ＧＭＲセンサに印加されるＡＣ磁場を励起し、測定回路に印加される搬送波信号を作成し、増幅およびアナログデジタル変換後の測定信号を信号処理ユニット１５５０に供給する。信号処理ユニット１５５０は、検出結果を解析的に求めることにより受信した測定信号を処理し、検出結果を信号処理制御ユニット１５３０に送信する。更に、いくつかの実施形態では、結果のデータは、必要に応じて設けられるデータストレージ１５６０に保存されてもよい。
【００９７】
図１６は、本開示の一実施形態に係る信号プロセッサ１３３０の処理のフローチャートである。図１６に示すように、最初に、ステップ１６１０において、設定プロファイルからシステム設定情報を読み取りおよび／またはユーザーインターフェース１４０を介してユーザの指示を受信して、システム動作環境を初期化する。次に、ステップ１６２０において、信号準備ユニット１５４０および信号処理ユニット１５５０の動作を管理するために、信号処理制御ユニット１５３０によって一連の制御信号が生成される。ステップ１６３０において、ＧＭＲセンサおよび少なくとも１つの基準抵抗器からの測定信号を準備するべく、信号処理制御ユニット１５３０からの制御信号に基づいて信号準備ユニット１５４０により測定回路が構成される。次に、ステップ１６４０において、準備された測定信号が信号処理ユニット１５５０によって処理され、被検物質検出の検査結果の値が求められる。最後に、ステップ１６５０において、生成された検査結果が信号処理ユニット１５５０から表示制御ユニット１２０に送信されて、ユーザに表示される。
【００９８】
図１７は、本開示の一実施形態に係る信号処理制御ユニット１５３０の機能ブロックを概略的に示している。図１７に示すように、信号処理制御ユニット１５３０は、マルチプレクサ制御信号生成部１７１０、マルチプレクサ制御信号出力部１７２０、Ｄ／Ａコンバータ制御信号生成部１７３０、Ｄ／Ａコンバータ制御信号出力部１７４０、および求解およびＩ／Ｏ制御部１７５０を備える。システム構成に関する情報および／またはユーザインターフェース１４０を介して入力された情報に基づいて、マルチプレクサ制御信号生成部１７１０は、信号準備ユニット１５４０内の一つまたは複数のマルチプレクサに対する制御信号を生成し、マルチプレクサ制御信号出力部１７２０を介して対応するマルチプレクサに送信する。Ｄ／Ａコンバータ制御信号生成部１７３０およびＤ／Ａコンバータ制御信号出力部１７４０は、信号準備ユニット１５４０内の１つ以上のＤ／Ａコンバータに対する制御信号の生成および送信を行う。求解およびＩ／Ｏ制御部１７５０は、信号処理ユニット１５５０による測定信号の処理を管理し、処理結果を受信し、それらを表示制御ユニット１２０に送信する。必要に応じて、求解およびＩ／Ｏ制御ユニット１７５０は、通信ユニット３４０および診断ユニット３５０のインターフェースとしても機能する。
【００９９】
図１８は、本開示の一実施形態に係る信号処理制御ユニット１５３０の処理のフローチャートである。プロセスはステップ１８１０から開始され、設定プロファイルから読み取られた情報および／またはユーザインターフェース１４０から受信されたユーザ命令に基づいて、マルチプレクサ制御信号生成部１７１０によりマルチプレクサ制御信号が生成される。ステップ１８２０において、生成された制御信号が信号準備ユニット１５４０内の少なくとも１つのマルチプレクサに送信されて、測定回路構造が構成される。ステップ１８３０において、設定情報および／またはユーザ指示に基づいて、Ｄ／Ａコンバータ制御信号生成部１７３０によってＤ／Ａコンバータ制御信号が生成され、ステップ１８４０において信号準備ユニット１５４０内の少なくとも１つのＤ／Ａコンバータへと送信される。次に、ステップ１８５０において、設定情報および／またはユーザ指示に基づいて、求解およびＩ／Ｏ制御部１７５０が、信号処理ユニット１５５０が行う測定信号の信号処理を制御する。信号処理が完了した後、ステップ１８６０において、求解およびＩ／Ｏ制御部１７５０は、信号処理ユニット１５５０から検査結果を受け取る。次に、ステップ１８７０において、求解およびＩ／Ｏ制御部１７５０は、受信した検査結果をディスプレイ制御ユニット１２０に送信して一体化されているディスプレイまたは外部ディスプレイに表示させる。ステップ１８１０〜１８２０および１８３０〜１８４０の順序は変更可能である。すなわち、マルチプレクサの制御は、Ｄ／Ａコンバータの制御の前でも後でもよい、または、同時に実行可能である。
【０１００】
図１９には、本開示の一実施形態に係る信号準備ユニット１５４０の機能ブロックが概略的に示されている。図１９に示すように、信号準備ユニット１５４０は、搬送波信号生成部、磁界励起部、回路構成部、信号ピックアップ部、クロック同期部を備えている。説明を簡単にするために、図１９には磁場発生器３６０およびカートリッジアセンブリ２００内のＧＭＲセンサも示されているが、これらは信号準備ユニット１５４０の構成要素ではない。
【０１０１】
Ｄ／Ａコンバータ１９１０、搬送波信号生成器１９２０および搬送波信号バッファ１９３０は、搬送波信号生成部を構成している。Ｄ／Ａコンバータ１９１０は、信号処理制御ユニット１５３０のＤ／Ａコンバータ制御信号出力部１７４０から制御信号を受信し、受信した制御信号に基づいて搬送波信号生成パラメータを生成する。搬送波信号生成器１９２０は、Ｄ／Ａコンバータ１９１０からの搬送波信号生成パラメータに基づいて、測定回路で使用されるＡＣ搬送波信号を生成する。搬送波信号バッファ１９３０は、搬送波信号発生器１９２０と測定回路との間に接続されて、搬送波信号発生器１９２０が測定回路の高いインピーダンスと比較して相対的に低いインピーダンス出力となるようにしている。必要に応じて、測定回路に入力される搬送波信号入力にフィルタを配置して、存在する可能性のある高調波を除去してもよい。
【０１０２】
図１９では測定回路に印加される搬送波信号としてＡＣ電圧信号が示されているが、測定回路の構造に応じて、搬送波信号はＡＣ電流信号、ＤＣ電圧信号またはＤＣ電流信号であり得る。
【０１０３】
Ｄ／Ａコンバータ１９１０および磁場駆動装置１９４０は、磁場励起部を構成する。Ｄ／Ａコンバータ１９１０は、信号処理制御ユニット１５３０のＤ／Ａコンバータ制御信号出力部１７４０から受信した制御信号に基づいて、磁場発生パラメータを生成する。磁場駆動装置１９４０は、磁場発生パラメータに基づいて磁場発生器３６０を駆動し、ＡＣ磁場をＧＭＲセンサに印加する。図１９の搬送波信号生成部および磁場励起部は一つのＤ／Ａコンバータを共有しているが、それぞれが各々のＤ／Ａコンバータを使用して搬送波信号制御パラメータおよび磁場励起制御パラメータを生成してもよい。
【０１０４】
回路構成部は、少なくとも１つのマルチプレクサ１９５０および少なくとも１つの基準抵抗器１９５５を含む。カートリッジアセンブリ２００がカートリッジリーダ３１０に挿入されると、カートリッジアセンブリ２００に設けられた電気接点パッド２９０を介して、カートリッジアセンブリ２００のＧＭＲセンサチップ２８０の電気接点パッド６４０Ａ、６４０Ｂと、カートリッジリーダ３１０の信号準備ユニット１５４０とが電気的に接続される。信号処理制御ユニット１５３０から受信したマルチプレクサ制御信号に基づいて、少なくとも１つのマルチプレクサ１９５０は１つ以上のＧＭＲセンサまたは１つ以上の基準抵抗器をルーティングして、適切な測定回路が構成される。
【０１０５】
いくつかの実施形態では、コストを考慮して、マルチプレクサ１９５０および基準抵抗器１９５５をカートリッジリーダ３１０に配置する。これに代えて、他の実施形態では、これらをカートリッジアセンブリ２００に配置して、マルチプレクサとＧＭＲセンサ間の配線径路長の短縮、カートリッジアセンブリ２００からカートリッジリーダ３１０等への接続箇所の削減を図ってもよい。または、マルチプレクサおよび基準抵抗器を、カートリッジリーダ３１０およびカートリッジアセンブリ２００の両方に配置してもよい。
【０１０６】
測定信号バッファ１９６０、差動増幅器１９７０およびＡ／Ｄコンバータは、信号ピックアップ部（「差動電圧プローブ」または「電圧プローブ」とも呼ばれる）を構成する。測定信号バッファ１９６０は、マルチプレクサ１９５０と差動増幅器１９７０との間に接続されて、差動増幅器１９７０の入力点において測定回路が相対的に高いインピーダンスを示すようにする。差動増幅器１９７０は、測定回路からの電圧観測値の時系列を把握し、増幅した測定信号をＡ／Ｄコンバータ１９８０に送信する。Ａ／Ｄコンバータ１９８０は、アナログデジタル変換した測定信号を信号処理ユニット１５５０に送信する。必要に応じて、フィルタを差動増幅器１９７０および／またはＡ／Ｄコンバータ１９８０において使用して、高調波を除去してもよい。
【０１０７】
好ましくは、幾つかの実施形態では、クロック同期装置１９９０を使用して、搬送波信号生成部、磁場励起部および信号ピックアップ部間の同期を行ってもよい。より具体的には、Ｄ／Ａコンバータ１９１０による搬送波信号生成パラメータおよび磁場生成パラメータの生成は、Ａ／Ｄコンバータ１９８０と同じソース、すなわちクロック同期装置１９９０により、同期がとられてもよい。
【０１０８】
図２０は、本開示の一実施形態１５４０に係る信号準備ユニットの処理のフローチャートである。図２０に示すように、プロセスはステップ２０１０で開始し、信号処理制御ユニット１５３０からマルチプレクサ制御信号を受信する。次に、ステップ２０１５において、信号準備ユニット１５４０のマルチプレクサ１９５０は、受信したマルチプレクサ制御信号に基づいて特定のＧＭＲセンサおよび／または基準抵抗器をルーティングして測定回路を構成する。ステップ２２２０において、信号準備ユニット１５４０は、信号処理制御ユニット１５３０からＤ／Ａコンバータ制御信号を受信する。ステップ２０２５において、信号準備ユニット１５４０のＤ／Ａコンバータ１９１０は、Ｄ／Ａコンバータ制御信号に基づいて搬送波信号生成パラメータを生成する。次に、ステップ２２３０において、生成された搬送波信号生成パラメータに基づいて搬送波信号が生成され、バッファリングされた後、ステップ２０１５において構成された測定回路に印加される。ステップ２０３５において、信号準備ユニット１５４０のＤ／Ａコンバータ１９１０は、Ｄ／Ａコンバータ制御信号に基づいて磁場生成パラメータを生成する。次に、ステップ２０４０において、磁場駆動装置１９４０により磁場生成パラメータに基づいて磁場が励起され、磁場生成器３６０を介してＧＭＲセンサに印加される。ステップ２０４５において、構成された測定回路で収集された測定信号がバッファリングされた後、信号準備ユニット１５４０の差動増幅器１９７０によって増幅される。ステップ２０５０において、増幅された測定信号が信号準備ユニット１５４０内のＡ／Ｄコンバータ１９８０によってデジタル信号に変換される。最後にステップ２０５５において、変換されたデジタル信号が更なる処理のために信号処理ユニット１７３０に送信される。ステップ２０２５〜２０３０および２０３５〜２０４０の順序は変更可能である。すなわち、磁場励起の生成は、搬送波信号の生成の前でも後でもよい、または、同時に実行してもよい。
【０１０９】
図２１は、本開示の一実施形態に係る信号処理ユニット１５５０の機能ブロックを概略的に示している。図２１に示されるように、信号処理ユニット１５５０は、基準信号発生器２１１０、乗算器２１２０、積分器２１３０、積分タイミング制御装置２１４０および閉形式求解ユニット２１５０を備える。
【０１１０】
基準信号発生器２１１０は、信号処理制御ユニット１５３０の求解およびＩ／Ｏ制御部１７５０から制御信号を受信し、受信した制御信号に基づいて、対象の全ての周波数において同相正弦波基準信号および直交位相（９０度回転）正弦波基準信号を生成し、生成した基準信号を乗算器２１２０に送信する。乗算器２１２０は、信号準備ユニット１５４０のＡ／Ｄコンバータ１９８０から測定信号を受信し、測定信号に基準信号発生器２１１０からの基準信号を乗算して、測定信号それぞれの対象の周波数における同相積および直交位相積を生成する。同相積と直交位相積は、積分器２１３０に送信される。積分器２１３０は、積分タイミング制御装置２１４０の制御下でこれらの積を累積し、累積値を閉形式求解ユニット２１５０に送信する。閉形式求解ユニット２１５０は、受信された累積値から、印加された搬送波信号の周波数、振幅もしくは位相または搬送波信号を供給する回路の振幅もしくは位相反応の影響を受けない位相正確なＧＭＲセンサ抵抗値および磁気抵抗値を求める。
【０１１１】
図２２は、本開示の一実施形態１５５０に係る信号処理ユニットの処理のフローチャートである。図２２に示すように、プロセスはステップ２２１０で開始し、信号処理制御ユニット１５３０の求解およびＩ／Ｏ制御部１７５０から制御信号を受信する。ステップ２２１５において、対象の全ての周波数における同相正弦波基準信号および直交位相正弦波基準信号（ｉｎ−ｐｈａｓｅ  ａｎｄ  ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ  ｓｉｎｕｓｏｉｄ  ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  ｓｉｇｎａｌｓ）が、制御信号に基づいて信号処理ユニット１５５０において生成される。次に、ステップ２２２０において、基準抵抗器測定信号を信号準備ユニット１５４０から受信する。ステップ２２２５において、基準抵抗測定信号に、ステップ２２１５で生成された同相正弦波基準信号および直交位相正弦波基準信号を乗算し、対象の周波数全てにおける同相積および直交位相積（ｉｎ−ｐｈａｓｅ  ａｎｄ  ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ  ｐｒｏｄｕｃｔｓ）を生成する。ステップ２２３０において、ステップ２２２５で得られた同相積および直交積を、積分タイミング制御の下に累積する。ステップ２２３５〜２２５０において、ＧＭＲセンサの受信測定信号に対して同様の処理が実行される。ステップ２２５０において、基準抵抗器測定信号およびＧＭＲセンサ測定信号両方の同相積および直交位相積から、閉形式で検査結果を求める。最後に、ステップ２２５５において、求めた検査結果を、信号処理制御ユニット１５３０の求解およびＩ／Ｏ制御部１７５０へと送信する。
【０１１２】
ステップ２２２０〜２２３０および２２３５〜２２４５の順序は変更可能である。すなわち、基準抵抗測定信号の累積は、ＧＭＲセンサ測定信号の累積の前でも後に行ってもよい。
【０１１３】
図８Ｂを参照して上述したように、ＧＭＲセンサの電気抵抗は磁場の影響下で変化する。ＧＭＲセンサはリアルタイムで監視でき、分析の間に超常磁性ナノ粒子はＧＭＲセンサに結合する。磁場の局所的な変化はセンサ抵抗の変化として読み取ることができ、適切に構成された測定回路における電圧の変化として観察される。
【０１１４】
ただし、例えば、ホイートストンブリッジ回路やアンダーソンループ回路等の従来の差動測定回路を使用した場合、電圧プローブの電圧に基づいて、増加する磁気抵抗と減少する磁気抵抗とを直接識別することはできない。使用可能な測定回路トポロジで得られた電圧測定値の一例を図２３にプロットした。プロットから分かるように、位相感度がないため、センサインピーダンス（Ｚｓ）と基準インピーダンス（Ｚｒ）との間の正しい関係を導き出すのは困難である。電圧増加から分かることは、測定回路内の構成要素が互いに対して変化しているということだけである。その結果、ＡＣ測定でこのような従来の回路を使用する場合、この問題に対処するのに、最適とは言えない方法を取る必要がある。
【０１１５】
この最適とは言えない方法の一つとして、電圧プローブにおける電圧信号が決してゼロ交差しないように、測定回路をバランスがとれた状態からバイアスする方法がある。しかしながらこの方法は、測定回路の信号対雑音比に悪影響を及ぼす。更に、バイアスがあっても、推論または他の間接的な知見を用いて、増加する磁気抵抗なのかまたは減少する磁気抵抗なのかを推定する必要がある。
【０１１６】
バランスの取れた測定回路を採用して良好な信号対雑音比レベルを達成すると、テレメトリに大きなアーチファクトが現れる：磁気抵抗はゼロにまで減少した後、増加するように見える（図２３に示すようなＶ字形状は常に正であるように見える）が、実際には、減少のみまたは増加のみしている可能性もある。
【０１１７】
本開示では、正確な測定値を導出するために、ＧＭＲに基づく検出のコンテキストに位相感度を導入する。本明細書で開示される信号処理技術は、従来技術の問題を解決し、完全にバランスのとれたＧＭＲ測定回路（例えば、バランスの取れたホイートストンブリッジ）で測定を可能にする能力を有する。更に、この方法は、利用可能な任意の回路トポロジに適用可能な程度に十分一般的であり、ＧＭＲセンサにおける位相抵抗測定および磁気抵抗の計算を達成する。ここに開示される方法の一般性により、エンドユーザに同一の出力信号を送り続ける一方で、異なる回路トポロジの直接比較を可能にするという、更なる競争上の利点を提供できる。
【０１１８】
図２４Ａは、この技術を実施するための簡単な回路トポロジを示している。図２４Ｂおよび図２４Ｃは、他の利用可能な回路トポロジを示している。アンダーソンループとＡＣ電流源に基づく回路トポロジが図２４Ｂに例示され、ホイートストンブリッジとＡＣ電圧源に基づく回路トポロジが図２４Ｃに示されている。回路トポロジは、搬送波源２４１０または２４１５、第１制御回路Ｃｋｔ１  ２４２０、第２制御回路Ｃｋｔ２  ２４３０、電圧プローブ２４４０、少なくとも１つのＧＭＲセンサ２４５０、少なくとも１つの高精度基準抵抗器２４６０、および、磁場生成器２４７０を含む。
【０１１９】
図２４Ａに示されるように、搬送波源２４１０は、周波数ω1のＡＣ搬送波信号を印加するためのバッファ電流源を提供する（異なる測定回路構成の場合、搬送波源２４１５はバッファ電圧源を提供するように動作してもよい）。図２４Ａにおいて、第１の制御回路Ｃｋｔ１  ２４２０は、搬送波源２４１０からのＡＣ搬送波信号をＧＭＲセンサ２４５０に印加するべく、ＧＭＲセンサ２４５０と既知の特性を有する同様に配置された高精度基準抵抗器２４６０との間の切り替えを可能にする。Ｃｋｔ１内に検出径路を構築し基準径路を複製することにより、本方法はバランスのとれた寄生素子（ｐａｒａｓｉｔｉｃ  ｅｌｅｍｅｎｔ）を実現する。このような構造では、寄生素子は等価な位置に現れる。したがって、電圧プローブにおける差動電圧は、差動電圧プローブにおけるコモンモード除去に起因して生じる、測定されるＧＭＲセンサと基準抵抗との差から主に発生している。他の実施形態では、これに加えてまたは代えて、寄生素子の効果を打ち消すべく、測定信号から分解するために、寄生要素を明示的にモデル化する。
【０１２０】
第２の制御回路Ｃｋｔ２  ２４３０および磁場発生器２４７０は、周波数ω2の正弦磁場をＧＭＲセンサ２４５０に印加するのに使用される。印加された磁場はＧＭＲセンサの抵抗を変調するが、高精度の基準抵抗２４６０には影響しない。
【０１２１】
差動電圧プローブ２４４０は、ＧＭＲセンサ２４５０または高精度基準抵抗器２４６０のインピーダンスを検出するべく接続されている。電圧プローブ２４４０は、十分に高いインピーダンスを有するように設計されており、したがって、ＧＭＲセンサおよび基準抵抗器の測定値が乱されることはない。
【０１２２】
印加された正弦波磁場がＧＭＲセンサの抵抗を変調するため、周波数ω2のこの正弦波磁場を印加し、周波数ω1の搬送波信号を印加すると、ＧＭＲセンサ２４５０に関連する電圧の振幅が変調され、側波帯電圧が上昇する。側波帯電圧の最初のセットは、周波数ω1−ω2およびω1＋ω2で発生する。
【０１２３】
これらの側波帯電圧は、正弦波磁場の印加によって高精度基準抵抗器２４６０に誘導されない。したがって、観測のために高精度基準抵抗器２４６０を測定回路へと切り替える場合には、基準抵抗器２４６０の両端にこれらの側波帯電圧を手動で誘起する必要がある。これは、搬送波の振幅に等しい振幅を持つ側波帯信号を搬送波に混合することで実行可能である。言い換えると、側波帯信号は、バッファされた電圧源または電流源のバッファの上流において搬送波信号に加えることによって誘起できる。より具体的には、側波帯信号は、搬送波と同じ振幅で搬送波信号に加えられる。
【０１２４】
図２４Ａに示すトポロジの場合の測定プロセスは次の通りである。搬送信号と正弦波磁場の両方が印加されている間に、第１の制御回路Ｃｋｔ１  ２４２０を介して、ＧＭＲセンサ２４５０が測定回路へと切り替えられる。電圧プローブ２４４０を使用して、ノイズ要件に基づいて選択された期間ｔ1の間、電圧の時系列を記録する。
【０１２５】
同様に、高精度基準抵抗器２４６０が測定回路へと切り替えられる。今度は、周波数ω1の搬送波信号と、搬送波に等しい振幅を持つ周波数ω1−ω2および周波数ω1＋ω2の混合信号とが印加される。電圧プローブ２４４０を再び使用して、ノイズ要件に基づいて選択される期間ｔ2の間、電圧の時系列を記録する。
【０１２６】
次に、各時系列のサンプルに対して、周波数ω1、ω1−ω2およびω1＋ω2の同相正弦波時系列からのサンプルと、周波数ω1、ω1−ω2およびω1＋ω2の９０度オフセットの直交位相正弦波からのサンプルとを乗算する。ＧＭＲセンサ２４５０および高精度基準抵抗２４６０について、各周波数における同相積および直交位相積を積分器で累積することにより、ＧＭＲセンサ２４５０および高精度基準抵抗器２４６０の観測中に、周波数ω1、ω1−ω2およびω1＋ω2におけるそれぞれのプローブ電圧に比例する６つの複素数が生成される。
【０１２７】
次に、ＧＭＲセンサの累積値をｔ1で除算し、基準抵抗器の累積値をｔ2で除算する。同相の累積値を実数成分とし、直交位相の累積値を虚数成分として指定することにより、ＧＭＲセンサ２４５０に関する複素電圧比例項ｖsが構成され、ｖs（ω1）、ｖs（ω1−ω2）およびｖs（ω1＋ω2）を得る。同様に、高精度基準抵抗２４６０に関連する複素電圧比例項ｖtx、すなわち、ｖtx（ω1）、ｖtx（ω1−ω2）およびｖtx（ω1＋ω2）が取得される。次に、６つの複素数項ｖs（ω1）、ｖs（ω1−ω2）、ｖs（ω1＋ω2）、ｖtx（ω1）、ｖtx（ω1−ω2）およびｖtx（ω1＋ω2）から、ＧＭＲセンサのゼロ磁場抵抗（Ｒ０）を解析的に解き、サイドトーンにおけるテイラー級数展開からｄＲを導く。ｄＲ／Ｒ０から磁気抵抗比ＭＲを得る。これは、ＧＭＲセンサの正弦波磁場の抵抗変化を、ゼロ磁場が印加されたセンサ抵抗値で除算した値である。
【０１２８】
上記では、期間ｔ1と期間ｔ2の両方がノイズ要件を満たすように選択される。ω1、ω2、ω1−ω2およびω1−ω2における信号に対する２ラジアンを法としない蓄積時間の割合が、総蓄積時間と比較して小さくなるようにｔ1を選択することにより、有限のｔ1から生じるシステムの時間変動によるノイズを最小化できる。ランダムノイズは、ｔ1を大きくすることにより低減できる。ｔ1と同様に、期間ｔ2が選択される。
【０１２９】
開示される技術では、バランスのとれた状態から離脱するようにバイアスをかける必要なしに、最適なゲイン調整および改善された信号対雑音比レベルを可能とする。また、抵抗成分と反応成分とを分解でき、更に寄生要素を測定して除去できる。そして、特別な処理を行わずに、大きな位相オフセットとして現れるコンバータグループの遅延等、対処が困難なアーチファクトを打ち消すことができる。更に、検査中のＧＭＲセンサの上流および下流の伝達関数を打ち消すと、構成要素の許容誤差に対してハードウェアの独立性が高いため、明白な研究開発の利点が得られる。Ｃｋｔ１およびＣｋｔ２以外の要素によって測定が乱されることはないため、次の３つの明確な利点がある。（１）設計者は、出力テレメトリを変更することなく、Ｃｋｔ１およびＣｋｔ２の外側の回路要素を自由に変更できる。（２）Ｃｋｔ１およびＣｋｔ２の外側の要素に対して厳しい許容誤差を要求しなくても、高精度の測定値を取得できる。（３）高精度測定では、Ｃｋｔ１以外の要素の明示的なモデリングは不要である。
【０１３０】
当業者は、図２４Ａ〜図２４Ｃは、適用可能な回路トポロジの限られた例にすぎないことは理解できる。ＧＭＲベースの被検物質検出システムは、これらの回路トポロジおよびその他の利用可能な回路トポロジのいずれかを中心に構成することができる。Ｒ０、ｄＲおよびＭＲテレメトリの出力は、これらの回路のいずれかで直接比較してもよい。これらの回路の性能は、システム仕様の観点から評価できる。システム開発中に評価を行うことにより、回路トポロジの変更につながる場合がある。電圧の代わりに磁気抵抗の観点から信号を出力することにより、エンドユーザのワークフローを中断することなく回路トポロジを変更できる。
【０１３１】
このようなシステムの性能および構造を詳細に例示するために、ＧＭＲに基づくの被検物質の検出システムの例を以下に示す。このシステムの例は、図２４Ｃに示される再構成可能なオンチップ・ホイートストンブリッジトポロジにおける振幅変調された磁気抵抗信号の位相敏感ＡＣ測定について説明する。図２４Ｃに示すホイートストンブリッジは、ＧＭＲセンサチップ２８０内のＧＭＲセンサ対と、カートリッジアセンブリ２００もしくはカートリッジリーダ３１０またはその両方に配置された基準抵抗器対ＲＴＸ１ａ〜ＲＴＸ２ｂとを備える。黒色で示されているＧＭＲセンサＧＭＲ１ａ、ＧＭＲ２ｂは分析のために機能し、ＧＭＲセンサは白色で示されているＧＭＲ１ｂ、ＧＭＲ２ａはブロックされている。
【０１３２】
前述のように、ＧＭＲセンサ自体は、全磁場のサイズと方向に依存する抵抗を持つ電気抵抗素子である。全磁場には、磁場発生器（ＧＭＲセンサチップの外側に設けられるまたはＧＭＲセンサチップと一体に設けられる）から印加される磁場と、センサ近傍の磁性ナノ粒子からの外乱とが含まれる。
【０１３３】
したがって、システムの基本原理は、機能化された磁性ナノ粒子の適用前、適用中、適用後のＧＭＲセンサ素子の抵抗と磁気抵抗を監視することである。分析の構成要素は、センサ表面に結合した磁性ナノ粒子の数の増加または減少を引き起こす可能性がある。この増加または減少は、基準素子と比較して観察することができる。基準素子は、陰性対照群または基準抵抗器を備えた基準センサであってもよい。この基準素子のグループは、動作しているセンサの変化を観察するためのベースラインとして機能してもよい。
【０１３４】
例示のシステムは、電気的減算を利用して、陰性対照（または基準抵抗器）を備えた基準センサと比較して、動作しているＧＭＲセンサの抵抗および磁気抵抗の変化を観察する。正弦波電圧を印加することにより機能化された磁性ナノ粒子を適用すると同時に、この正弦波電圧または正弦波電流が存在する場合の基準素子と比較したセンサの振る舞いを観察した後に、動作しているＧＭＲセンサの抵抗および磁気抵抗の変化を観察する。この例では、印加される信号は電圧であるため、センサおよび基準素子を流れる電流を直接差し引くことができる。動作しているＧＭＲセンサと基準素子とを分圧器に配置し、中間点の電圧を減算することにより、正弦波電圧が印加された状態での電気的減算を行うことができる。他の例では、印加される正弦波が電流の場合、動作しているＧＭＲセンサと基準素子との間の電圧降下を差し引くことにより、電気的減算を実行できる。
【０１３５】
動作しているセンサと基準素子との減算を観測する各回の間には、システムは、信号プロセッサ１３３０内のコードが知る値を持つ高精度基準抵抗器における信号減算を観測する。信号プロセッサ１３３０は、各センサの算術除算、基準素子の前（または後）に位置する基準抵抗器による当該基準素子の観測値および基準抵抗器の観測値を使用して、正弦波電圧または電流信号を供給するセンサ上流の全ての回路の伝達関数を打ち消す、および、センサ下流の信号を観測するのに使用されている全ての回路の伝達関数を打ち消す。これにより、位相敏感測定が可能になり、伝達関数が打ち消された回路の変動にも影響されない。この変動に対する耐性は、１つのユニットにおける時間経過の場合、一のユニットに対する他のユニットに対する場合、および、一のシステム設計を次のユニット設計へと更新する場合において有効である。
【０１３６】
印加される磁界を供給する回路の振幅応答は、ユニット毎の較正による信号プロセッサ１３３０の除算ベースの伝達関数の打消しとは別に扱われて、印加される磁界の強度が意図した通りになることを確かにする。印加される磁界がＤＣではなく正弦波の場合、印加される正弦波電流搬送波または正弦波電圧搬送波の振幅変調が作成される。この振幅変調があると、磁気抵抗は上側側波帯と下側側波帯に現れる。印加される磁界を供給する回路の位相応答は側波帯に現れる。下側側波帯は印加電界の位相の負の分だけ回転し、上側側波帯は印加電界の位相の正の分だけ回転する。印加磁界からのこの回転は、側波帯の位相をその平均まで回転させることにより、信号プロセッサシステム１３３０のコードによって打ち消される。したがって、磁界を印加する回路の伝達関数は完全にされ、印加された磁界がＡＣであっても、位相敏感であり位相が正確な磁気抵抗測定が可能になる。重要なのは、位相敏感で位相正確な測定により、磁気抵抗が減少するシナリオと増加するシナリオを区別できるということである。位相敏感な測定でなければ、これを識別することは困難である。
【０１３７】
高精度基準抵抗器２４６０は、カートリッジリーダ３１０またはカートリッジアセンブリ２００のいずれかに配置することができる。どちらの場所であっても、論理的な機能と接続は同じであるが、物理的な配置とコストパフォーマンスとのトレードオフがある。カートリッジアセンブリ２００のＧＭＲセンサに近接して高精度基準抵抗器２４６０を配置することにより、一般的なアーチファクトを更に打ち消して理論的に性能を改善することができる。またこれにより、カートリッジ毎に、ＧＭＲセンサに合わせて基準抵抗器をマッチングさせることもできる。しかしながら、カートリッジアセンブリ２００のコストを抑えたい場合であり、カートリッジアセンブリ２００が信号準備ユニット１５４０と比較して大量生産品である場合、カートリッジリーダ３１０に高精度の基準抵抗器２４６０を配置することにはコスト上の利点がある。
【０１３８】
同様に、マルチプレクサは、カートリッジアセンブリ２００、カートリッジリーダ３１０またはその両方に配置することができる。システムをコストおよびパフォーマンスを最適化するようにマルチプレクサの配置を選択する必要があるが、設計はカートリッジアセンブリ２００とカートリッジリーダ３１０との間の管理可能な接続数によって制限されると同時に、システム内のアドレス可能なセンサの望ましい数をサポートする必要がある。マルチプレクサがカートリッジアセンブリ２００とカートリッジリーダ３１０との両方に配置され、複数のＧＭＲセンサに対応するため一緒に使用される設計では、多くの信号がカートリッジアセンブリ２００からカートリッジリーダ上のマルチプレクサに送信される。カートリッジアセンブリ上のマルチプレクサの２番目の層により、バンクを切り替えることができる。これにより、アドレス可能なセンサの数を増やすことができる。
【０１３９】
ＧＭＲセンサおよび基準抵抗器の観測は、アナログ−デジタルコンバータ１９１０を使用して離散時間でセンサを流れる電流または電圧を測定することにより行われる。印加される正弦波電圧または正弦波電流を生成し印加される磁場を生成するＤ／Ａコンバータ１９１０は、Ａ／Ｄコンバータ１９８０と同じソースを使用してクロック同期される。信号プロセッサ１３３０はコードにロックイン増幅器を実装して、対象の全ての周波数において、Ａ／Ｄコンバータ１９８０で観測された信号と、内部で生成された同相正弦波および直交位相（９０度回転）正弦波との相関を測定する。Ａ／Ｄコンバータ１９８０からの信号は、内部の同相正弦波および直交位相正弦波で乗算されて、対象の周波数それぞれにおける各サンプルの同相積および直交位相積が生成される。これらの積は、各観測期間中に蓄積される。
【０１４０】
無限の観測期間を持つ時不変系では、所与の回路およびセンサ条件に対して、同相積および直交積の累積値の比率が固定される。信号プロセッサ１３３０は、対象の全ての信号が各観測の開始時と終了時に同じ位相角になるように、磁場発生器の周波数と観測期間を自動的に選択する。これにより、システムは非常に短い観測期間であっても、時不変系の動作を模倣できる。また、信号プロセッサ１３３０は、一の観測から次の観測まで一貫した全ての磁場発生器位相角を用いてセンサ観測を開始する。これにより、印加される正弦波電流または正弦波電圧を生成する回路と印加される磁界を生成する回路との間の位相応答および群遅延の違いによって生じる可能性のある変動を取り除くことができる。
【０１４１】
ＧＭＲセンサによる測定は次のように実行される。信号プロセッサ１３３０は、カートリッジアセンブリ２００もしくはカートリッジリーダ３１０またはその両方に配置されたマルチプレクサ１９５０に対して適切なコマンドを送信することにより、基準抵抗器構造を観察するための回路を構成する。Ｄ／Ａコンバータ１９１０は、印加される正弦波電圧または正弦波電流および印加される磁界を生成するために使用される。マルチプレクサの切り替えから安定するまで、最小限の待機時間が観測される。この最小限の待機時間の後、信号プロセッサ１３３０は、Ａ／Ｄコンバータ１９８０で観測された基準抵抗器信号から導出された同相積および直交積の累積を開始する。全ての内部（および外部）正弦波発生器２１１０について、整数であるサイクル数が経過した後、積分器２１３０をフリーズさせて数値を取得する。経過したサイクルの数は、観測頻度によって異なるが、整数でなければならない。積分器２１３０の値を最初に取得した後、信号プロセッサ１３３０がマルチプレクサ１９５０に命令してＧＭＲセンサの観察のための回路を構成する間、デジタルアナログ生成器１９１０からの信号生成が継続される。マルチプレクサの切り替えから安定するまで、最小限の待機時間が観測される。この最小待機時間の後、信号プロセッサ１３３０は、全ての信号生成器が所定の位相角に到達するのを待つ。所定の位相角に到達した後、信号プロセッサ１３３０は、Ａ／Ｄコンバータ１９８０で観測されたセンサ信号から導出される同相積および直交位相積の累積を開始する。全ての内部（および外部）正弦波発生器２１１０について、整数であるサイクル数が経過した後、積分器２１３０を再びフリーズさせて数値を取得する。信号プロセッサ１３３０は、取得されたセンサ累積値を取得した基準抵抗器の累積値で除算し、この商と基準抵抗値の事前知識とを用いて、位相正確なセンサ抵抗値および磁気抵抗値を計算する。これらセンサ抵抗値および磁気抵抗値は、印加された正弦波電流もしくは正弦波電圧の周波数、振幅もしくは位相、または、正弦波電流もしくは正弦波電圧を供給する回路の振幅もしくは位相応答の影響を受けない。センサの抵抗値および磁気抵抗値はまた、印加される磁場の周波数や位相角の影響を受けず、印加される磁場を供給する回路の位相応答の影響も受けない。したがって、これらの要素のいずれかを自由に変更して、抵抗や磁気抵抗のテレメトリを乱すことなく、例えば、最適な信号対雑音比を実現できる。
【０１４２】
上述したように、ＧＭＲセンサは、全磁場に比例して変化する抵抗としてモデル化される。この抵抗値は、
Ｒ＝Ｒｎ（１＋ｋＨ）で表される。
ここで、Ｒｎはゼロ磁場が印加されたＧＭＲセンサの公称抵抗、Ｈは全磁場、ｋは抵抗変化を全磁場に関連付けるＧＭＲセンサの特性、Ｒは磁場によって誘導される抵抗の変化も含んだ全抵抗値である。
【０１４３】
無次元量である磁気抵抗（ＭＲ）は、ＧＭＲセンサの抵抗の変化の尺度として定義される。これは、磁場が存在する場合の全抵抗を、磁場がゼロの公称抵抗で割ったものとして表される。したがって、
ＭＲ＝Ｒｎ（１＋ｋＨ）／Ｒｎ＝１＋ｋＨ、となる。
【０１４４】
分析用に機能化されたＧＭＲセンサでは、磁性ナノ粒子がセンサ表面に結合するため、全磁場が変化し、その結果、磁気抵抗が変化する。ＭＲのこの変化、デルタ（ＭＲ）が、最終的に観測されるものである。これは、機能化されたセンサに近接した磁性ナノ粒子の濃度に直接関係する量であり、したがって、その存在を推測し、その濃度を測定するのに利用できる。
【０１４５】
図２４Ｃに示すように、フルブリッジトポロジ用に分圧センサのペアが設けられている。各ペアは、分析用に機能化された１つのセンサと１つのブロックされたセンサとで構成されている。これらの分圧器のいずれかに電圧を印加し、機能化されたおよびブロックされたセンサの動作がその他の点では同一であると仮定すると、これら分圧器の中間点において、磁性ナノ粒子が機能化されたセンサに付着することによって生じるデルタ（ＭＲ）のみによって変化する電圧を観察できる。センサの動作の他の側面が時間軸においては不安定になる可能性があるが、同一のセンサを分圧器のペアに配置することによって、これらの時間的変化（例えば、熱変化）によって生じるアーチファクトを打ち消すメカニズムが提供される。
【０１４６】
図２４Ｃから分かるように、分圧器センサのペアは、２つの配置のうちのいずれかを有している。機能化されたセンサ（図２４Ｃの黒いＧＭＲ１ａ、ＧＭＲ２ｂ）は、電圧源またはグランドに接続されてもよい。ブロックされたセンサ（図２４Ｃの白いＧＭＲ１ｂ、ＧＭＲ２ａ）は隣接して配置されている。トポロジには少なくとも１つのマルチプレクサが示されているが、実際には、複数のノードを同時にルーティングできるように、自由に構成可能な複数のスイッチのバンクを使用してもよい。ドレイン（たとえば、ドレインＡおよびＢ）を備えた自由に構成可能なマルチチャネルスイッチを使用することにより、分圧器の中間点を計装アンプの反転入力または非反転入力に接続することができる。
【０１４７】
例えば、一の回路配置における１つ以上の分圧器をドレインＡに接続し、他の回路配置における１つ以上の分圧器をドレインＢに接続することにより、有意なデルタ（ＭＲ）測定を実行できる。これに代えて、同様な配置の分圧器の中点をドレインＡまたはドレインＢの一方に接続し、高精度の基準抵抗分圧器ペア（図２４Ｃでは基準抵抗はＲＴＸ１ａ、ＲＴＸ１ｂ、ＲＴＸ２ａ、ＲＴＸ２ｂに指定されている）の中間点を他方のドレインに接続してもよい。これに代えて、３番目の配置としては、２つの高精度基準抵抗分圧器ペアの中間点をそれぞれ各ドレインに接続してもよい。この３番目の配置は、ブリッジの外側の回路の特性を測定する手段を提供できる。
【０１４８】
一例として、図２４Ｃに示すトポロジの測定は次のように行われる。磁性ナノ粒子の導入前に、センサ分圧器の中間点が一のドレインと接続され高精度抵抗器分圧器の中間点が他方のドレインと接続されたブリッジ構成において、全てのセンサ分圧器は個別に測定される。センサ分圧器それぞれについて、抵抗バランスおよび磁気抵抗バランスを個別に確認できる。規格外となった分圧器については、ブリッジが静的に構成されている設計ではブリッジ全体の検査が必要なのに対して、本構成では個々の分圧器を調べることができる。
【０１４９】
分析測定自体については、幾つかの実施形態では、任意の数の分圧器ペアの中間点をドレインに同時に接続することができるが、これは、分圧器ペアの機能化センサが同じターゲットに対して機能化され、同様の配置の分圧器の中間点が同じドレインに接続され他の配置の分圧器の中間点が他のドレインに接続される限りにおいてである。他の実施形態では、差動電圧プローブを０ボルトからバイアスする必要がないため、配置１（または２）における１以上の分圧器センサペアの中間点を電圧プローブの一の入力に接続し、配置１（または２）における１以上の分圧器センサペアの中間点を電圧プローブの他の入力に接続してもよい。利点は二つあり、一つ目は多くの分圧器を接続することで有効なセンサ面積を増やすことができるということ、２つ目は機能化されたセンサが機能化されていないセンサに対して変化するまで、差動プローブに現れる電圧が０に見えることである。言い換えれば、電圧はこの差によってのみ発生する。つまり、最適なゲイン調整とＳＮＲの改善を意味する。
【０１５０】
このようにノイズと変動係数を減らすことができることから、多くの分圧器を同時に接続することは有用である。同時に接続された複数の分圧器については、それらのセンサが単一ユニットとして機能することから自由層の体積を結合することができ、磁気抵抗センサのノイズが自由層の体積の平方根を超えて減少する。より大きな検知面積で磁性ナノ粒子のランダム分布をより良く測定できることから、変動係数が減少する（そして、磁気抵抗センサは、自由層に対するナノ粒子の位置に基づいてナノ粒子を異なる方法で検出することが知られている）。
【０１５１】
一例では、ドレインＢに接続されているのと同じ数の分圧器のペアがドレインＡに接続されていることを確かにするために、更なる改良が行われる。同数の分圧器を接続すると、計装アンプの反転入力と非反転入力にバランスの取れたインピーダンスが与えられ、計装アンプのコモンモード除去比が最大になる。ただし、この例で説明する手順とアルゴリズムは、異なるペア数の分圧器が２つのドレインに接続されているような他の例でも同様に有効である。
【０１５２】
センサの磁気抵抗を観察するために、構成されたブリッジにＡＣ電圧が接続されると同時にＡＣ磁場が印加される。ＡＣ磁場を印加すると、磁気抵抗効果によりセンサの抵抗が変調される。分析用に機能化されたセンサへの磁性ナノ粒子の付着により、センサ分圧器はデルタ（ＭＲ）に予測可能な関連した形でアンバランスになる。これにより、振幅変調された電圧が、デルタ（ＭＲ）に関連する上側側波帯側波帯および下側側波帯成分と共に計装アンプに現れる。
【０１５３】
Ａ／Ｄコンバータ１９８０は、計装アンプ１９７０の出力に接続されている。Ａ／Ｄコンバータ１９８０の出力は、信号処理ユニット１５５０によって収集される。信号処理ユニット１５５０の内部では、ブリッジに印加される搬送波電圧の周波数および搬送波の振幅変調から生じる側波帯電圧の周波数で、同相正弦波および直交位相（９０度回転）正弦波が生成される。内部同相信号および内部直交位相信号とＡ／Ｄコンバータ１９８０で観測される信号との相関は、３つの周波数全てにおいて整数のサイクル数が経過するまでの時間にわたって、内部生成信号とＡ／Ｄコンバータ１９８０の出力で観測されるサンプルとの積の累積平均を評価することにより測定される。各周波数での同相および直交位相相関は各周波数で観測される複素電圧に対応し、ブリッジの外側の回路およびロジックの伝達関数との乗算により正規化される。
【０１５４】
センサブリッジの観測の各回の直前または直後に、高精度基準抵抗器ブリッジの観測が実行される。基準抵抗器ブリッジにゼロ以外の電圧を生成するには、１つまたは複数の基準抵抗器１９５５を他の抵抗器と一致させないようにする必要がある。ここで示した算術演算では、一の抵抗器の値が他の抵抗器の値と一致せず、これら３つの他の抵抗器が同じ値を有してもよい。
【０１５５】
基準抵抗器ブリッジは磁場の影響を受けないため、振幅変調された側波帯電圧は当該ブリッジに現れない。代わりに、搬送波周波数および２つの側波帯周波数において電圧が生成されて足し合わされたものが、基準抵抗器ブリッジに直接一緒に印加される。センサブリッジの観測と同様に、上記の３つの周波数における複素電圧が、内部で生成された同相正弦波と直交位相正弦波の乗算によって測定される。ここで３つの周波数全てにおいて整数値であるサイクル数が経過した期間にわたって、平均相関も累積される。対象の３つの周波数において基準抵抗器ブリッジで観測される複素電圧は、センサ電圧に現れるのと同じ伝達関数で乗算することにより正規化される。
【０１５６】
センサブリッジで観測された３つの電圧と基準抵抗器ブリッジで同じ周波数で観測された３つの電圧との計６つの電圧から、デルタ（ＭＲ）を求めるために、磁気抵抗のモデルＲ＝Ｒｎ（１＋ｋＨ）は１次テイラー近似に分解される。近似した時、定数項は搬送波周波数で観測されたセンサブリッジ電圧の関係を表し、Ｈに比例する２番目の項は、２つの側波帯で観測されたセンサブリッジ電圧とＲｎ、ｋおよびＨの全てとの関係を表している。
【０１５７】
基準抵抗器ブリッジで観察される電圧によって除算することにより、以下のように、下側側波帯と上側側波帯に現れるデルタ（ＭＲ）成分の位相敏感解を直接導くことができる。
デルタ（ＭＲ、下側）＝（４＊（ＲＴＸ’−ＲＴＸ）＊（ＲＴＸ＋ＲＴＸ’）＊ｖs（
下側）＊ｖtx（搬送波）＊ｖtx（搬送波））／（（ＲＴＸ’−ＲＴＸ）＊（ＲＴＸ’−Ｒ
ＴＸ）＊ｖs（搬送波）＊ｖs（搬送波）＊ｖtx（下側）−４＊（ＲＴＸ＋ＲＴＸ’）＊
（ＲＴＸ＋ＲＴＸ’）＊ｖtx（下側）＊ｖtx（搬送波）＊ｖtx（搬送波））
デルタ（ＭＲ、上側）＝（４＊（ＲＴＸ’−ＲＴＸ）＊（ＲＴＸ＋ＲＴＸ’）＊ｖs（
上側）＊ｖtx（搬送波）＊ｖtx（搬送波））／（（ＲＴＸ’−ＲＴＸ）＊（ＲＴＸ’−Ｒ
ＴＸ）＊ｖs（搬送波）＊ｖs（搬送波）＊ｖtx（上側）−４＊（ＲＴＸ＋ＲＴＸ’）＊
（ＲＴＸ＋ＲＴＸ’）＊ｖtx（上側）＊ｖtx（搬送波）＊ｖtx（搬送波））
上記の方程式における、変数は次のように定義される。
・デルタ（ＭＲ、下側）：複素数。下側側波帯電圧から観測されるデルタＭＲの成分
・デルタ（ＭＲ、上側）：複素数。上側側波帯電圧から観測されたデルタＭＲの成分
・ＲＴＸ：基準抵抗器ブリッジの一致している３つの抵抗器の値
・ＲＴＸ’：基準抵抗器ブリッジの一致していない４番目の抵抗器の値
・ｖs（搬送波）：センサブリッジで観測される搬送波周波数における複素電圧
・ｖs（下側）：センサブリッジで観測される下側側波帯周波数における複素電圧
・ｖs（上側）：センサブリッジで観測される上側波帯周波数の複素電圧
・ｖtx（搬送波）：基準抵抗ブリッジで観測される搬送波周波数の複素電圧
・ｖtx（下側）：基準抵抗器ブリッジで観測される下側側波帯周波数の複素電圧
・ｖtx（上側）：基準抵抗器ブリッジで観測される上側側波帯周波数での複素電圧
【０１５８】
基準抵抗器の分圧により、センサブリッジ外部の回路の伝達関数は大幅に打ち消される。デルタ（ＭＲ）の位相敏感で位相正確な測定値を取得するためのステップの残りの一つは、印加されているＡＣ磁場の位相角をキャンセルすることである。これにより、デルタ（ＭＲ、下側）とデルタ（ＭＲ、上側）の両方が一つは負の方向に、もう一方は正の方向に回転される。ＭＲは抵抗に単純に依存することが知られており、様々な周波数で現れるデルタ（ＭＲ）の成分は全て同じであり、全て厳密に実数である。したがって、印加されている磁場の位相オフセットによるデルタ（ＭＲ）の回転は、デルタ（ＭＲ、下側）の見かけの位相角とデルタ（ＭＲ、上側）の見かけの位相角との平均を計算することによって消すことができる。これは、正のデルタ（ＭＲ）で約０度、負のデルタ（ＭＲ）で約１８０度になる。つまり、デルタ（ＭＲ）は実数軸に表示される。ブリッジの両側に寄生要素をバランスよく配置することにより、デルタ（ＭＲ）の見かけ上の実数軸からの偏差を最小限に抑えることができる。このようなバランスの取れた配置（例えば、ブリッジの両側の構成に単一のマルチチャネルスイッチを使用すること）により、実数軸からのデルタ（ＭＲ）の見かけの偏差を、多くの場合、システムのノイズフロアまで小さくすることができる。
【０１５９】
デルタ（ＭＲ）の大きさは、単純にデルタ（ＭＲ、下側）とデルタ（ＭＲ、上側）の大きさの合計として計算できる。次に、計算されたデルタ（ＭＲ）の実数成分を使用して、磁気抵抗の位相敏感で位相正確な（つまり、実数の）概念が、一つの無次元量で実現できる。この無次元量は、負または正であり、擾乱なしでゼロを自由に横切る可能性がある。このデルタ（ＭＲ）は、センサ自体の非ＭＲ変動と同様に、外部回路において生じる可能性のある変動の大きな集合体の影響を受けない。
【０１６０】
従来技術によるＧＭＲ検出システムでは、位相を計算することなく、ＧＭＲに依存する電圧の大きさが直接使用されている。これはある程度機能するなるが、上記の本開示の設計に比べて欠点がある。対照的に、本開示には以下の利点がある。
−伝達関数の打消しがある回路の常時の実行時較正を行える。
−温度等に対する回路の経時変化に対する耐性がある。
ユニットに特に更なる労力をかけることなく、回路に関連するシステム操作の面における非常に優れたユニット間一貫性を有する。
−出力テレメトリを乱すことなく性能改善のために設計を自由に最適化することができ、研究開発を合理化できる。
−位相感度を有すること。これは、磁気抵抗が減少している場合と磁気抵抗が増加している場合とを常に識別可能であることを意味する。
【０１６１】
本明細書の実施形態によれば、検査試料中の標的被検物質のＧＭＲに基づく検出に使用される信号処理システムを提供する。システムは、少なくとも一つのＧＭＲセンサをルーティングすることによりＧＭＲセンサ測定回路を構成し、少なくとも一つの基準抵抗器をルーティングすることにより基準抵抗器測定回路を構成する測定回路構成ユニットと、前記少なくとも一つのＧＭＲセンサに、周波数ω2のＡＣ磁場を印加する磁場励起ユニットと、周波数ω1の搬送波信号を前記ＧＭＲセンサ測定回路に印加し、周波数ω1の搬送波信号、周波数ω1＋ω2の搬送波信号および周波数ω1−ω2の搬送波信号を前記基準抵抗器測定回路に印加する搬送波信号印加ユニットと、前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路に接続され、前記基準抵抗器測定回路から基準抵抗器測定信号を収集し、前記ＧＭＲセンサ測定回路からＧＭＲセンサ測定信号を収集する測定信号ピックアップユニットと、前記測定信号ピックアップユニットに接続され、前記基準抵抗器測定回路からの前記基準抵抗測定信号および前記ＧＭＲセンサ測定回路からの前記ＧＭＲセンサ測定信号の両方に基づいて、前記少なくとも一つのＧＭＲセンサの抵抗変化を解析的に求める位相敏感解導出ユニットと、を備える。
【０１６２】
幾つかの実施形態において、前記位相敏感解導出ユニットは、対象の全ての周波数において同相正弦波基準信号および直交位相正弦波基準信号を生成する基準信号発生器と、前記基準抵抗器測定信号および前記ＧＭＲセンサ測定信号に前記同相正弦波基準信号および前記直交位相正弦波基準信号を乗算して、前記基準抵抗器測定信号および前記ＧＭＲセンサ測定信号のそれぞれについて、対象の周波数全てにおける同相積および直交位相積を生成する乗算器と、前記基準抵抗器測定信号および前記ＧＭＲセンサ測定信号のそれぞれについて、対象の周波数全てにおける前記同相積および前記直交位相積を累積する積分器と、前記基準抵抗器測定信号および前記ＧＭＲセンサ測定信号のそれぞれについて、対象の周波数全てにおける前記同相積および前記直交位相積の前記累積値から前記ＧＭＲセンサの前記抵抗変化を求めるように構成された閉形式求解器と、を備える。幾つかの実施形態において、前記対象の周波数は、ω1、ω1＋ω2およびω1−ω2である。
【０１６３】
幾つかの実施形態において、前記位相敏感解導出ユニットは更に、前記少なくとも一つのＧＭＲセンサの磁気抵抗変化を求めるように構成されている。幾つかの実施形態において、前記信号処理システムは、求められた前記少なくとも一つのＧＭＲセンサの前記磁気抵抗変化から、検査されている前記サンプル中の前記対象の被検物質の有無を判定する検出結果判定ユニットを備える。幾つかの実施形態において、前記信号処理システムは更に、求められた前記少なくとも一つのＧＭＲセンサの前記磁気抵抗変化から、検査されている前記サンプル中の前記対象の被検物質の濃度を決定する検出結果判定ユニットを備える。
【０１６４】
幾つかの実施形態において、前記搬送波信号印加ユニットは、前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路に搬送波電流を印加する搬送波電流源であり、前記基準抵抗器測定回路は、前記搬送波電流源とグランドとの間に直列に接続される基準抵抗器により構成され、前記ＧＭＲセンサ測定回路は、前記搬送波電流源と前記グランドとの間に直列に接続される一つのＧＭＲセンサ、または、前記搬送波電流源と前記グランドとの間に直列に接続される互いに並列接続された複数のＧＭＲセンサにより構成され、前記ＧＭＲセンサは前記対象の被検物質用に機能化されている、
【０１６５】
幾つかの実施形態において、前記搬送波信号印加ユニットは、前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路に搬送波電圧を印加する搬送波電圧源であり、前記ＧＭＲセンサ測定回路は、第１ブリッジアームと第２ブリッジアームとで構成されるホイートストンフルブリッジ回路であり、前記第１ブリッジアームは、一つの第１分圧器または互いに並列接続された複数の第１分圧器を備え、前記第１分圧器は、前記対象の被検物質用に機能化されたＧＭＲセンサおよび基準素子により構成され、前記第２ブリッジアームは、一つの第２分圧器または互いに並列接続された複数の第２分圧器を備え、前記第２分圧器は、前記対象の被検物質用に機能化されたＧＭＲセンサおよび基準素子により構成され、前記第１分圧器の前記機能化されたＧＭＲセンサは前記搬送波電圧源に接続され、前記第１分圧器の前記基準素子はグランドに接続され、前記第２分圧器の前記機能化されたＧＭＲセンサはグランドに接続され、前記第２分圧器の前記基準素子は前記搬送波電圧源に接続される。
【０１６６】
ある実施形態において、前記搬送波信号印加ユニットは、前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路に搬送波電圧を印加する搬送波電圧源であり、前記ＧＭＲセンサ測定回路は、第１ブリッジアームと第２ブリッジアームとで構成されるホイートストンフルブリッジ回路であり、前記第１ブリッジアームは、一つの第１分圧器または互いに並列接続された複数の第１分圧器を備え、前記第１分圧器は、前記対象の被検物質用に機能化されたＧＭＲセンサおよび基準素子により構成され、前記第２ブリッジアームは、一つの第２分圧器または互いに並列接続された複数の第２分圧器を備え、前記第２分圧器は、前記対象の被検物質用に機能化されたＧＭＲセンサおよび基準素子により構成され、前記第１分圧器の前記機能化されたＧＭＲセンサは前記搬送波電圧源に接続され、前記第１分圧器の前記基準素子はグランドに接続され、前記第２分圧器の前記機能化されたＧＭＲセンサは前記搬送波電圧源に接続され、前記第２分圧器の前記基準素子はグランドに接続される。
【０１６７】
幾つかの実施形態において、前記基準抵抗器測定回路は、四つの基準抵抗器で構成されるホイートストンフルブリッジ回路であり、前記四つの基準抵抗器のうちの三つの抵抗器は抵抗値が一致しており、残りの一つの基準抵抗器の抵抗値は一致しない。
【０１６８】
幾つかの実施形態において、前記搬送波信号印加ユニットは、前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路に搬送波電流を印加する搬送波電流源であり、前記基準抵抗器測定回路は、二つの基準抵抗器で構成される基準抵抗分圧器を備えるアンダーソンループ回路であり、前記ＧＭＲセンサ測定回路は、一つのＧＭＲセンサ分圧器、または、互いに並列接続された複数のＧＭＲセンサ分圧器により構成されるアンダーソンループ回路であり、前記ＧＭＲセンサ分圧器は、前記対象の被検物質用に機能化されたＧＭＲセンサおよび基準素子により構成される。
【０１６９】
幾つかの実施形態において、前記基準素子は、検出すべき前記被検物質に対して機能化されていないＧＭＲセンサである。
【０１７０】
幾つかの実施形態において、前記基準素子は基準抵抗器である。
【０１７１】
幾つかの実施形態において、前記測定回路構成ユニットは、少なくとも一つのマルチプレクサを備える。
【０１７２】
幾つかの実施形態において、前記測定回路構成ユニットは、自由に構成可能な複数のスイッチからなるバンクを備える。
【０１７３】
幾つかの実施形態において、前記搬送波信号印加ユニットが前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路と比べて低いインピーダンス出力となるように、前記搬送波信号印加ユニットと前記測定回路との間にバッファが接続される。
【０１７４】
幾つかの実施形態において、前記測定信号ピックアップユニットは、差動増幅器およびＡ／Ｄコンバータを備え、前記差動増幅器は、前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路に接続されて、前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路からの前記基準抵抗器測定信号および前記ＧＭＲセンサ測定信号を差動増幅するように構成され、前記Ａ／Ｄコンバータは前記差動増幅器に接続され、増幅された前記基準抵抗器測定信号および前記ＧＭＲセンサ測定信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する。
【０１７５】
幾つかの実施形態において、前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路が前記差動増幅器に比べて高いインピーダンス出力となるように、バッファが前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路と前記差動増幅器との間に接続される。
【０１７６】
ある実施形態によれば、検査されるサンプル中の対象の被検物質のＧＭＲに基づく検出に使用される信号処理方法が提供される。方法は、ＧＭＲセンサ測定信号を取得する工程を備える。当該ＧＭＲセンサ測定信号取得する工程は、少なくとも一つのＧＭＲセンサをルーティングしてＧＭＲセンサ測定回路を構成する工程と、周波数ω1の搬送波信号を前記ＧＭＲセンサ測定回路に印加する工程と、周波数ω2のＡＣ磁場を前記少なくとも一つのＧＭＲセンサに印加する工程と、前記ＧＭＲセンサ測定回路から前記ＧＭＲセンサ測定信号を収集する工程とを備える。前記信号処理方法は更に、基準抵抗器測定信号を取得する工程を備える。当該基準抵抗器測定信号を取得する工程は、前記少なくとも一つの基準抵抗器をルーティングして基準抵抗器測定回路を構成する工程と、周波数ω1の搬送波信号、周波数ω1＋ω2の搬送波信号および周波数ω1−ω2の搬送波信号を、前記基準抵抗器測定回路に印加する工程と、前記基準抵抗器測定回路から前記基準抵抗器測定信号を収集する工程とを備える。前記信号処理方法は更に、前記基準抵抗器測定回路からの前記基準抵抗器測定信号および前記ＧＭＲセンサ測定回路からの前記ＧＭＲセンサ測定信号の両方に基づいて、前記少なくとも一つのＧＭＲセンサの抵抗変化を解析的に求める工程を備える。
【０１７７】
幾つかの実施形態において、前記方法において、前記基準抵抗器測定信号を取得する工程は、前記ＧＭＲセンサ測定信号を取得する工程より前に実行される。
【０１７８】
幾つかの実施形態において、前記少なくとも一つのＧＭＲセンサの抵抗変化を解析的に求める工程は、対象の周波数全てにおける同相正弦波基準信号および直交位相正弦波基準信号を生成する工程と、前記基準抵抗器測定信号および前記ＧＭＲセンサ測定信号に前記同相正弦波基準信号および前記直交位相正弦波基準信号を乗算して、前記基準抵抗器測定信号および前記ＧＭＲセンサ測定信号のそれぞれについて、対象の周波数全てにおける同相積および直交位相積を生成する工程と、前記基準抵抗器測定信号および前記ＧＭＲセンサ測定信号のそれぞれについて、対象の周波数全てにおける前記同相積および前記直交位相積を累積する工程と、前記基準抵抗器測定信号および前記ＧＭＲセンサ測定信号のそれぞれについて、対象の周波数全てにおける前記同相積および前記直交位相積の前記累積値から前記ＧＭＲセンサの前記抵抗変化を求める工程と、を含む。幾つかの実施形態において、前記対象の周波数は、ω1、ω1＋ω2およびω1−ω2である。
【０１７９】
幾つかの実施形態において、前記少なくとも一つのＧＭＲセンサの抵抗変化を解析的に求める工程は、前記少なくとも一つのＧＭＲセンサの磁気抵抗変化を求める工程を更に含む。幾つかの実施形態において、前記方法は、前記少なくとも一つのＧＭＲセンサの求められた前記磁気抵抗変化から、検査されている前記サンプル中の前記対象の被検物質の有無を判定する工程を更に備える。
【０１８０】
幾つかの実施形態において、前記方法は、前記少なくとも一つのＧＭＲセンサの求められた前記磁気抵抗変化から、検査されている前記サンプル中の前記対象の被検物質の濃度を決定する工程を更に備える。
【０１８１】
幾つかの実施形態において、前記搬送波信号を前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路に印加することは、搬送波電流源を使用して前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路に搬送波電流を印加することを含み、前記基準抵抗器測定回路を構成する工程は、前記搬送波電流源とグランドとの間に基準抵抗器を直列に接続する工程を含み、前記ＧＭＲセンサ測定回路を構成する工程は、前記搬送波電流源と前記グランドとの間に一つのＧＭＲセンサを直列に接続する工程、または、前記搬送波電流源と前記グランドとの間に互いに並列接続された複数のＧＭＲセンサを直列に接続する工程を含む。前記ＧＭＲセンサは前記対象の被検物質用に機能化されている。
【０１８２】
幾つかの実施形態において、前記搬送波信号を前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路に印加することは、搬送波電圧源を使用して前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路に搬送波電圧を印加することを含み、前記ＧＭＲセンサ測定回路を構成する工程は、第１ブリッジアームと第２ブリッジアームとで構成されるホイートストンフルブリッジ回路を構成する工程を含み、前記第１ブリッジアームは、一つの第１分圧器または互いに並列接続された複数の第１分圧器を備え、前記第１分圧器は、前記対象の被検物質用に機能化されたＧＭＲセンサおよび基準素子により構成され、前記第２ブリッジアームは、一つの第２分圧器または互いに並列接続された複数の第２分圧器を備え、前記第２分圧器は、前記対象の被検物質用に機能化されたＧＭＲセンサおよび基準素子により構成され、前記第１分圧器の前記機能化されたＧＭＲセンサは前記搬送波電圧源に接続され、前記第１分圧器の前記基準素子はグランドに接続され、前記第２分圧器の前記機能化されたＧＭＲセンサはグランドに接続され、前記第２分圧器の前記基準素子は前記搬送波電圧源に接続される。
【０１８３】
幾つかの実施形態において、前記搬送波信号を前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路に印加することは、搬送波電圧源を使用して前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路に搬送波電圧を印加することを含み、前記ＧＭＲセンサ測定回路を構成する工程は、第１ブリッジアームと第２ブリッジアームとで構成されるホイートストンフルブリッジ回路を構成する工程を含み、前記第１ブリッジアームは、一つの第１分圧器または互いに並列接続された複数の第１分圧器を備え、前記第１分圧器は、前記対象の被検物質用に機能化されたＧＭＲセンサおよび基準素子により構成され、前記第２ブリッジアームは、一つの第２分圧器または互いに並列接続された複数の第２分圧器を備え、前記第２分圧器は、前記対象の被検物質用に機能化されたＧＭＲセンサおよび基準素子により構成され、前記第１分圧器の前記機能化されたＧＭＲセンサは前記搬送波電圧源に接続され、前記第１分圧器の前記基準素子はグランドに接続され、前記第２分圧器の前記機能化されたＧＭＲセンサは前記搬送波電圧源に接続され、前記第２分圧器の前記基準素子はグランドに接続される。
【０１８４】
幾つかの実施形態において、前記基準抵抗器測定回路を構成する工程は、四つの基準抵抗器で構成されるホイートストンフルブリッジ回路を構成する工程を含み、前記四つの基準抵抗器のうちの三つの抵抗器は抵抗値が一致しており、残りの一つの基準抵抗器の抵抗値は一致しない。
【０１８５】
幾つかの実施形態において、前記搬送波信号を前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路に印加することは、搬送波電圧源を使用して前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路に搬送波電圧を印加することを含み、前記基準抵抗器測定回路を構成する工程は、二つの基準抵抗器で構成される基準抵抗分圧器を備えるアンダーソンループ回路を構成する工程を含み、前記ＧＭＲセンサ測定回路を構成する工程は、一つのＧＭＲセンサ分圧器または互いに並列接続された複数のＧＭＲセンサ分圧器により構成されるアンダーソンループ回路を構成する工程を含み、前記ＧＭＲセンサ分圧器は、前記対象の被検物質用に機能化されたＧＭＲセンサおよび基準素子により構成される。
【０１８６】
幾つかの実施形態において、前記方法における前記基準素子は、検出すべき前記被検物質に対して機能化されていないＧＭＲセンサである。
【０１８７】
幾つかの実施形態において、前記方法における前記基準素子は、基準抵抗器である。
【０１８８】
幾つかの実施形態において、前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路を構成する工程は、少なくとも一つのマルチプレクサを構成する工程を含む。
【０１８９】
幾つかの実施形態において、前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路を構成する工程は、自由に構成可能な複数のスイッチのバンクを構成する工程を含む。
【０１９０】
幾つかの実施形態において、前記測定回路ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路において測定信号を収集する工程は、前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路において前記測定信号を差動増幅する工程と、増幅された前記測定信号をアナログ信号からデジタル信号へと変換する工程と、を含む。
【０１９１】
上記の例示的な実施形態において本開示の原理が明確にされたが、本開示の実施に使用される構造、配置、比率、要素、材料および構成要素に対して様々な変形を加えることが可能であることは当業者であれば理解できる。
【０１９２】
従って、そのような変形例であっても本開示の特徴は完全におよび有効に達成されるだろう。上記の好ましい具体的な実施形態は、本開示の機能的および構造的な原理を例示することを目的として説明および図示したものであり、そのような原理の範囲内において変更され得る。従って、本開示は、添付の特許請求の範囲の精神および範囲に含まれる全ての変形例について包含する。
本発明は、以下の項目を提供する。
（項目１）
検査されるサンプル中の対象の被検物質のＧＭＲに基づく検出に使用される信号処理システムであって、
少なくとも一つのＧＭＲセンサをルーティングすることによりＧＭＲセンサ測定回路を構成し、少なくとも一つの基準抵抗器をルーティングすることにより基準抵抗器測定回路を構成する測定回路構成ユニットと、
前記少なくとも一つのＧＭＲセンサに、周波数ω2のＡＣ磁場を印加する磁場励起ユニットと、
周波数ω1の搬送波信号を前記ＧＭＲセンサ測定回路に印加し、周波数ω1の搬送波信号、周波数ω1＋ω2の搬送波信号および周波数ω1−ω2の搬送波信号を前記基準抵抗器測定回路に印加する搬送波信号印加ユニットと、
前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路に接続され、前記基準抵抗器測定回路から基準抵抗器測定信号を収集し、前記ＧＭＲセンサ測定回路からＧＭＲセンサ測定信号を収集する測定信号ピックアップユニットと、
前記測定信号ピックアップユニットに接続され、前記基準抵抗器測定回路からの前記基準抵抗測定信号および前記ＧＭＲセンサ測定回路からの前記ＧＭＲセンサ測定信号の両方に基づいて、前記少なくとも一つのＧＭＲセンサの抵抗変化を解析的に求める位相敏感解導出ユニットと、を備える信号処理システム。
（項目２）
前記位相敏感解導出ユニットは、
対象の全ての周波数において同相正弦波基準信号および直交位相正弦波基準信号を生成する基準信号発生器と、
前記基準抵抗器測定信号および前記ＧＭＲセンサ測定信号に前記同相正弦波基準信号および前記直交位相正弦波基準信号を乗算して、前記基準抵抗器測定信号および前記ＧＭＲセンサ測定信号のそれぞれについて、対象の周波数全てにおける同相積および直交位相積を生成する乗算器と、
前記基準抵抗器測定信号および前記ＧＭＲセンサ測定信号のそれぞれについて、対象の周波数全てにおける前記同相積および前記直交位相積を累積する積分器と、
前記基準抵抗器測定信号および前記ＧＭＲセンサ測定信号のそれぞれについて、対象の周波数全てにおける前記同相積および前記直交位相積の累積値から前記ＧＭＲセンサの前記抵抗変化を求める閉形式求解器と、を備える、項目１に記載の信号処理システム。
（項目３）
前記対象の周波数は、ω1、ω1＋ω2およびω1−ω2である、項目２に記載の信号処理システム。
（項目４）
前記位相敏感解導出ユニットは更に、前記少なくとも一つのＧＭＲセンサの磁気抵抗変化を求める、項目１に記載の信号処理システム。
（項目５）
前記信号処理システムは、求められた前記少なくとも一つのＧＭＲセンサの前記磁気抵抗変化から、検査されている前記サンプル中の前記対象の被検物質の有無を判定する検出結果判定ユニットを更に備える、項目４に記載の信号処理システム。
（項目６）
前記信号処理システムは更に、求められた前記少なくとも一つのＧＭＲセンサの前記磁気抵抗変化から、検査されている前記サンプル中の前記対象の被検物質の濃度を決定する検出結果判定ユニットを備える、項目４に記載の信号処理システム。
（項目７）
前記搬送波信号印加ユニットは、前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路に搬送波電流を印加する搬送波電流源であり、
前記基準抵抗器測定回路は、前記搬送波電流源とグランドとの間に直列に接続される基準抵抗器により構成され、
前記ＧＭＲセンサ測定回路は、前記搬送波電流源と前記グランドとの間に直列に接続される一つのＧＭＲセンサ、または、前記搬送波電流源と前記グランドとの間に直列に接続される互いに並列接続された複数のＧＭＲセンサにより構成され、
前記ＧＭＲセンサは前記対象の被検物質用に機能化されている、項目１に記載の信号処理システム。
（項目８）
前記搬送波信号印加ユニットは、前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路に搬送波電圧を印加する搬送波電圧源であり、
前記ＧＭＲセンサ測定回路は、第１ブリッジアームと第２ブリッジアームとで構成されるホイートストンフルブリッジ回路であり、
前記第１ブリッジアームは、一つの第１分圧器または互いに並列接続された複数の第１分圧器を備え、
前記第１分圧器は、前記対象の被検物質用に機能化されたＧＭＲセンサおよび基準素子により構成され、
前記第２ブリッジアームは、一つの第２分圧器または互いに並列接続された複数の第２分圧器を備え、
前記第２分圧器は、前記対象の被検物質用に機能化されたＧＭＲセンサおよび基準素子により構成され、
前記第１分圧器の前記機能化されたＧＭＲセンサは前記搬送波電圧源に接続され、前記第１分圧器の前記基準素子はグランドに接続され、
前記第２分圧器の前記機能化されたＧＭＲセンサはグランドに接続され、前記第２分圧器の前記基準素子は前記搬送波電圧源に接続される、項目１に記載の信号処理システム。
（項目９）
前記搬送波信号印加ユニットは、前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路に搬送波電圧を印加する搬送波電圧源であり、
前記ＧＭＲセンサ測定回路は、第１ブリッジアームと第２ブリッジアームとで構成されるホイートストンフルブリッジ回路であり、
前記第１ブリッジアームは、一つの第１分圧器または互いに並列接続された複数の第１分圧器を備え、
前記第１分圧器は、前記対象の被検物質用に機能化されたＧＭＲセンサおよび基準素子により構成され、
前記第２ブリッジアームは、一つの第２分圧器または互いに並列接続された複数の第２分圧器を備え、
前記第２分圧器は、前記対象の被検物質用に機能化されたＧＭＲセンサおよび基準素子により構成され、
前記第１分圧器の前記機能化されたＧＭＲセンサは前記搬送波電圧源に接続され、前記第１分圧器の前記基準素子はグランドに接続され、
前記第２分圧器の前記機能化されたＧＭＲセンサは前記搬送波電圧源に接続され、前記第２分圧器の前記基準素子はグランドに接続される、項目１に記載の信号処理システム。
（項目１０）
前記基準抵抗器測定回路は、四つの基準抵抗器で構成されるホイートストンフルブリッジ回路であり、
前記四つの基準抵抗器のうちの三つの基準抵抗器は抵抗値が一致しており、
残りの一つの基準抵抗器の抵抗値は一致しない、項目８または９に記載の信号処理システム。
（項目１１）
前記搬送波信号印加ユニットは、前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路に搬送波電流を印加する搬送波電流源であり、
前記基準抵抗器測定回路は、二つの基準抵抗器で構成される基準抵抗分圧器を備えるアンダーソンループ回路であり、
前記ＧＭＲセンサ測定回路は、一つのＧＭＲセンサ分圧器、または、互いに並列接続された複数のＧＭＲセンサ分圧器を備えるアンダーソンループ回路であり、
前記ＧＭＲセンサ分圧器は、前記対象の被検物質用に機能化されたＧＭＲセンサおよび基準素子により構成される、項目１に記載の信号処理システム。
（項目１２）
前記基準素子は、検出すべき前記被検物質に対して機能化されていないＧＭＲセンサである、項目８、９または１１に記載の信号処理システム。
（項目１３）
前記基準素子は基準抵抗器である、項目８、９または１１に記載の信号処理システム。
（項目１４）
前記測定回路構成ユニットは、少なくとも一つのマルチプレクサを備える、項目１に記載の信号処理システム。
（項目１５）
前記測定回路構成ユニットは、自由に構成可能な複数のスイッチからなるバンクを備える、項目１に記載の信号処理システム。
（項目１６）
前記搬送波信号印加ユニットが前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路と比べて低いインピーダンス出力となるように、前記搬送波信号印加ユニットと前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路との間にバッファが接続される、項目１に記載の信号処理システム。
（項目１７）
前記測定信号ピックアップユニットは、差動増幅器およびＡ／Ｄコンバータを備え、
前記差動増幅器は、前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路に接続されて、前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路からの前記基準抵抗器測定信号および前記ＧＭＲセンサ測定信号を差動増幅するように構成され、
前記Ａ／Ｄコンバータは前記差動増幅器に接続され、増幅された前記基準抵抗器測定信号および前記ＧＭＲセンサ測定信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する、項目１に記載の信号処理システム。
（項目１８）
前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路が前記差動増幅器に比べて高いインピーダンス出力となるように、バッファが前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路と前記差動増幅器との間に接続される、項目１に記載の信号処理システム。
（項目１９）
検査されるサンプル中の対象の被検物質のＧＭＲに基づく検出に使用される信号処理方法であって、
ＧＭＲセンサ測定信号を取得する工程と、
基準抵抗器測定信号を取得する工程と、
基準抵抗器測定回路からの基準抵抗器測定信号およびＧＭＲセンサ測定回路からのＧＭＲセンサ測定信号の両方に基づいて、少なくとも一つのＧＭＲセンサの抵抗変化を解析的に求める工程と、を備え、
前記ＧＭＲセンサ測定信号を取得する工程は、
前記少なくとも一つのＧＭＲセンサをルーティングして前記ＧＭＲセンサ測定回路を構成する工程と、
周波数ω1の搬送波信号を前記ＧＭＲセンサ測定回路に印加する工程と、
周波数ω2のＡＣ磁場を前記少なくとも一つのＧＭＲセンサに印加する工程と、
前記ＧＭＲセンサ測定回路から前記ＧＭＲセンサ測定信号を収集する工程と、を含み、
前記基準抵抗器測定信号を取得する工程は、
少なくとも一つの基準抵抗器をルーティングして前記基準抵抗器測定回路を構成する工程と、
周波数ω1の搬送波信号、周波数ω1＋ω2の搬送波信号および周波数ω1−ω2の搬送波信号を前記基準抵抗器測定回路に印加する工程と、
前記基準抵抗器測定回路から前記基準抵抗器測定信号を収集する工程と、を含む信号処理方法。
（項目２０）
前記基準抵抗器測定信号を取得する工程は、前記ＧＭＲセンサ測定信号を取得する工程より前に実行される、項目１９に記載の信号処理方法。
（項目２１）
前記少なくとも一つのＧＭＲセンサの抵抗変化を解析的に求める工程は、
対象の周波数全てにおける同相正弦波基準信号および直交位相正弦波基準信号を生成する工程と、
前記基準抵抗器測定信号および前記ＧＭＲセンサ測定信号に前記同相正弦波基準信号および前記直交位相正弦波基準信号を乗算して、前記基準抵抗器測定信号および前記ＧＭＲセンサ測定信号のそれぞれについて、対象の周波数全てにおける同相積および直交位相積を生成する工程と、
前記基準抵抗器測定信号および前記ＧＭＲセンサ測定信号のそれぞれについて、対象の周波数全てにおける前記同相積および前記直交位相積を累積する工程と、
前記基準抵抗器測定信号および前記ＧＭＲセンサ測定信号のそれぞれについて、対象の周波数全てにおける前記同相積および前記直交位相積の前記累積値から前記ＧＭＲセンサの前記抵抗変化を求める工程と、を含む、項目１９に記載の信号処理方法。
（項目２２）
前記対象の周波数は、ω1、ω1＋ω2およびω1−ω2である、項目２１に記載の信号処理方法。
（項目２３）
前記少なくとも一つのＧＭＲセンサの抵抗変化を解析的に求める工程は、前記少なくとも一つのＧＭＲセンサの磁気抵抗変化を求める工程を更に含む、項目１９に記載の信号処理方法。
（項目２４）
前記少なくとも一つのＧＭＲセンサの求められた前記磁気抵抗変化から、検査されている前記サンプル中の前記対象の被検物質の有無を判定する工程を更に備える、項目２３に記載の信号処理方法。
（項目２５）
前記少なくとも一つのＧＭＲセンサの求められた前記磁気抵抗変化から、検査されている前記サンプル中の前記対象の被検物質の濃度を決定する工程を更に備える、項目２３に記載の信号処理方法。
（項目２６）
前記搬送波信号を前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路に印加することは、搬送波電流源を使用して前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路に搬送波電流を印加することを含み、
前記基準抵抗器測定回路を構成する工程は、前記搬送波電流源とグランドとの間に基準抵抗器を直列に接続する工程を含み、
前記ＧＭＲセンサ測定回路を構成する工程は、前記搬送波電流源と前記グランドとの間に一つのＧＭＲセンサを直列に接続する工程、または、前記搬送波電流源と前記グランドとの間に互いに並列接続された複数のＧＭＲセンサを直列に接続する工程を含み、
前記ＧＭＲセンサは前記対象の被検物質用に機能化されている、項目１９に記載の信号処理方法。
（項目２７）
前記搬送波信号を前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路に印加することは、搬送波電圧源を使用して前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路に搬送波電圧を印加することを含み、
前記ＧＭＲセンサ測定回路を構成する工程は、第１ブリッジアームと第２ブリッジアームとで構成されるホイートストンフルブリッジ回路を構成する工程を含み、
前記第１ブリッジアームは、一つの第１分圧器または互いに並列接続された複数の第１分圧器を備え、
前記第１分圧器は、前記対象の被検物質用に機能化されたＧＭＲセンサおよび基準素子により構成され、
前記第２ブリッジアームは、一つの第２分圧器または互いに並列接続された複数の第２分圧器を備え、
前記第２分圧器は、前記対象の被検物質用に機能化されたＧＭＲセンサおよび基準素子により構成され、
前記第１分圧器の前記機能化されたＧＭＲセンサは前記搬送波電圧源に接続され、前記第１分圧器の前記基準素子はグランドに接続され、
前記第２分圧器の前記機能化されたＧＭＲセンサはグランドに接続され、前記第２分圧器の前記基準素子は前記搬送波電圧源に接続される、項目１９に記載の信号処理方法。
（項目２８）
前記搬送波信号を前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路に印加することは、搬送波電圧源を使用して前記前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路に搬送波電圧を印加することを含み、
前記ＧＭＲセンサ測定回路を構成する工程は、第１ブリッジアームと第２ブリッジアームとで構成されるホイートストンフルブリッジ回路を構成する工程を含み、
前記第１ブリッジアームは、一つの第１分圧器または互いに並列接続された複数の第１分圧器を備え、
前記第１分圧器は、前記対象の被検物質用に機能化されたＧＭＲセンサおよび基準素子により構成され、
前記第２ブリッジアームは、一つの第２分圧器または互いに並列接続された複数の第２分圧器を備え、
前記第２分圧器は、前記対象の被検物質用に機能化されたＧＭＲセンサおよび基準素子により構成され、
前記第１分圧器の前記機能化されたＧＭＲセンサは前記搬送波電圧源に接続され、前記第１分圧器の前記基準素子はグランドに接続され、
前記第２分圧器の前記機能化されたＧＭＲセンサは前記搬送波電圧源に接続され、前記第２分圧器の前記基準素子はグランドに接続される、項目１９に記載の信号処理方法。
（項目２９）
前記基準抵抗器測定回路を構成する工程は、四つの基準抵抗器で構成されるホイートストンフルブリッジ回路を構成する工程を含み、
前記四つの基準抵抗器のうちの三つの抵抗器は抵抗値が一致しており、
残りの一つの基準抵抗器の抵抗値は一致しない、項目２７または２８に記載の信号処理方法。
（項目３０）
前記搬送波信号を前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路に印加することは、搬送波電圧源を使用して前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路に搬送波電圧を印加することを含み、
前記基準抵抗器測定回路を構成する工程は、二つの基準抵抗器で構成される基準抵抗分圧器を備えるアンダーソンループ回路を構成する工程を含み、
前記ＧＭＲセンサ測定回路を構成する工程は、一つのＧＭＲセンサ分圧器、または、互いに並列接続された複数のＧＭＲセンサ分圧器を備えるアンダーソンループ回路を構成する工程を含み、
前記ＧＭＲセンサ分圧器は、前記対象の被検物質用に機能化されたＧＭＲセンサおよび基準素子により構成される、項目１９に記載の信号処理方法。
（項目３１）
前記基準素子は、検出すべき前記被検物質に対して機能化されていないＧＭＲセンサである、項目２７、２８または３０に記載の信号処理方法。
（項目３２）
前記基準素子は基準抵抗器である、項目２７、２８または３０に記載の信号処理方法。
（項目３３）
前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路を構成することは、少なくとも一つのマルチプレクサを構成することを含む、項目１９に記載の信号処理方法。
（項目３４）
前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路を構成することは、自由に構成可能な複数のスイッチからなるバンクを構成することを含む、項目１９に記載の信号処理方法。
（項目３５）
前記測定回路ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路において前記ＧＭＲセンサ測定信号および前記基準抵抗器測定信号を収集する工程は、
前記ＧＭＲセンサ測定回路および前記基準抵抗器測定回路において前記ＧＭＲセンサ測定信号および前記基準抵抗器測定信号を差動増幅する工程と、
増幅された前記ＧＭＲセンサ測定信号および前記基準抵抗器測定信号をアナログ信号からデジタル信号へと変換する工程と、を含む項目１９に記載の信号処理方法。
【図１】
0006982098.tif 000002
【図２Ａ】
0006982098.tif 000003
【図２Ｂ】
0006982098.tif 000004
【図２Ｃ】
0006982098.tif 000005
【図２Ｄ】
0006982098.tif 000006
【図３】
0006982098.tif 000007
【図４】
0006982098.tif 000008
【図５Ａ】
0006982098.tif 000009
【図５Ｂ】
0006982098.tif 000010
【図６Ａ】
0006982098.tif 000011
【図６Ｂ】
0006982098.tif 000012
【図６Ｃ】
0006982098.tif 000013
【図７】
0006982098.tif 000014
【図８Ａ】
0006982098.tif 000015
【図８Ｂ】
0006982098.tif 000016
【図９Ａ】
0006982098.tif 000017
【図９Ｂ】
0006982098.tif 000018
【図１０Ａ】
0006982098.tif 000019
【図１０Ｂ】
0006982098.tif 000020
【図１１Ａ】
0006982098.tif 000021
【図１１Ｂ】
0006982098.tif 000022
【図１２Ａ】
0006982098.tif 000023
【図１２Ｂ】
0006982098.tif 000024
【図１２Ｃ】
0006982098.tif 000025
【図１３】
0006982098.tif 000026
【図１４】
0006982098.tif 000027
【図１５】
0006982098.tif 000028
【図１６】
0006982098.tif 000029
【図１７】
0006982098.tif 000030
【図１８】
0006982098.tif 000031
【図１９】
0006982098.tif 000032
【図２０】
0006982098.tif 000033
【図２１】
0006982098.tif 000034
【図２２】
0006982098.tif 000035
【図２３】
0006982098.tif 000036
【図２４Ａ】
0006982098.tif 000037
【図２４Ｂ】
0006982098.tif 000038
【図２４Ｃ】
0006982098.tif 000039