JP4731927B2

JP4731927B2 - 磁性体センサおよび検出キット

Info

Publication number: JP4731927B2
Application number: JP2005023519A
Authority: JP
Inventors: 貴司池田; 和宏藩
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2005-01-31
Filing date: 2005-01-31
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2025-01-31
Also published as: JP2006208296A; CN101111763A; CN101111763B; US8486334B2; US20070290683A1; WO2006080571A1

Description

本発明は磁性体を検出するためのセンサおよびこの検出センサを利用したバイオセンサに関するものである。

これまで免疫分析には、放射免疫分析法、酵素抗体法など多くの技術が提案され実施されてきた。例えば放射免疫分析法（ＲＩＡ : radio immunoassayもしくはＩＲＭＡ：immunoradiometric assay）は、放射性核種によって、競合抗原あるいは抗体を標識し、比放射能の測定結果から抗原を定量的に測定する。この方法の利点として、感度が高いことがあげられるが、放射性核種の安全性の問題が有り、専用の施設や装置が必要となる。また、抗体の標識に酵素を用いる酵素抗体法は、放射免疫分析法と比較した場合、扱いがより容易であり、かつ、実用的な感度を満たしているが、更なる感度向上と取り扱いの容易さが求められている。

そのような状況にあって、近年、磁気抵抗効果膜を用いることによって標的物質に結合させた磁性粒子を検出し、標的物質を容易に検出する方法がD. L. Graham, et al. Biosensors & Bioelectronics 18, 483 (2003)（非特許文献１）にて提案されている。非特許文献1では2μｍ×6μｍのサイズのＧＭＲ（Giant Magnetic Resistance effect）膜を２つ用い、直径２μｍの磁性粒子の検出を行なっている。一方のＧＭＲ膜の表面には磁性粒子が固定化されるようにビオチンが結合されており、他方のＧＭＲ膜の表面にはビオチンは結合されていない。また、磁性粒子はアビジン修飾されている。

アビジンとビオチンは非常に強く結合するために、一方のＧＭＲ膜の上には磁性粒子が固定され、他方のＧＭＲ膜には磁性粒子は固定されない。磁性粒子が固定されているＧＭＲ膜は磁性粒子から生じる浮遊磁界の影響を受け、磁性粒子が固定されていないＧＭＲ膜とは抵抗値が異なる。ＧＭＲ膜は２つの磁性膜とその間に形成された非磁性金属膜の多層膜を基本構成としている。その抵抗値は２つの磁性膜の相対的な磁化方向に依存しており、磁化方向が平行であると抵抗値が比較的小さく、反平行であると比較的大きいという特徴を持つ。平行、反平行という磁化状態を実現させるためにＧＭＲ膜の２つの磁性膜は一方の磁性膜の磁化方向は固定され、他方は磁性粒子からの浮遊磁界によって磁化反転可能であるような保磁力を有する磁性材料で構成される。

磁性粒子およびＧＭＲ膜に膜面内方向に磁界を印加し、磁性粒子の磁化を印加磁界の方向へ向けると、図９に示すように、磁性粒子１００１から生じる浮遊磁界９０４は、外部磁界９０３とは逆の方向にＧＭＲ膜９０５に印加される。したがって、ＧＭＲ膜９０５の２つの磁性膜による磁化９０２は、磁性粒子９０１近傍においては平行とはならない。一方、磁性粒子９０１が固定されていないＧＭＲ膜９０５の磁性膜は、浮遊磁界９０４の影響を受けないので、膜全面において磁化方向は平行である。つまり２つのＧＭＲ膜９０５では磁化状態が異なるので抵抗値に差が生じ、磁性粒子９０１の検出が可能となる。

以上のようにＧＭＲ膜を用いた磁性粒子の検出方法は、磁性粒子を所望の方向に磁化し、磁性粒子から発する浮遊磁界によって磁気抵抗効果膜の磁化方向を変化させて行うものであり、磁性粒子を容易に検出することが可能である。

また、G. Li, et al. J. Appl. Phys. 93, 7557 (2003)（非特許文献２）には、磁性粒子が固定され得るＧＭＲ膜と固定されないＧＭＲ膜をシリコンウエハ上に作成し、これらＧＭＲ膜と他の２つの抵抗を用いてホイーストンブリッジ回路を形成し、センスアンプを通して磁性粒子の検出信号をロッキンアンプに入力するセンサが開示されている。
D. L. Graham, et al. Biosensors & Bioelectronics 18, 483 (2003) G. Li, et al. J. Appl. Phys. 93, 7557 (2003)

非特許文献１において、１つのＧＭＲ膜を用いた磁性粒子の検出信号が、磁性粒子の個数によって異なることが記載されている。これは磁性粒子から生じる浮遊磁界のＧＭＲ膜に影響を及ぼす面積が磁性粒子の個数によって異なるからであるが、ＧＭＲ膜の全面積に対する磁性粒子からの浮遊磁界が影響を及ぼす面積の比率が著しく小さくなると、検出信号が著しく小さくなり、磁性粒子の検出が不可能となる。非特許文献１において、検出電流が８mAの場合に、直径２ミクロンの磁性粒子１個を２μｍ×６μｍのＧＭＲ膜で検出した場合の検出信号が400μV以下であるから、２つのＧＭＲ膜の抵抗値の差は0.05Ω以下となる。この実験結果からも分るように、１つのＧＭＲ膜で検出できる磁性粒子の個数は１個からせいぜい数個程度である。したがって、非特許文献１に記載の検出系では、広いレンジで磁性粒子を検出することは不可能である。

非特許文献２には複数のＧＭＲ膜が並列に接続され、その半数はフォトレジスト膜によって覆われており、磁性粒子が表面に固定化できない構成が開示されている。このような構成にした場合、広いレンジで磁性粒子の検出を行なうことが可能であるが、配線や周辺回路が占める面積が広くなってしまうという問題がある。さらには配線の取り回しが複雑になり、ＧＭＲ膜を緻密に配置することが困難であり、検出エリアの全面積が増えてしまう等の問題もある。

本発明は上記課題に鑑み、広いレンジで磁性粒子の検出を行なうことができるとともに検出エリアの増加を抑制することのできる磁性体センサを実現することを目的とし、磁気抵抗効果膜を用いて磁性粒子を検出する磁性体センサにおいて、複数の磁気抵抗効果膜を直列に接続した検出素子と、該検出素子に接続された選択トランジスタとセンスアンプを備えた磁性体センサとしたものである。

具体的には、本発明の磁性体センサは、
電気的に直列に接続された複数の磁気抵抗効果膜をそれぞれ備えた複数の検出部と、
前記複数の検出部に対応して設けられ、各検出部に一端が電気的に接続された複数の選択デバイスと、
前記複数の選択デバイスの他端に共通に電気的に接続された第１の定電流源と、
電気的に直列に接続された複数の磁気抵抗効果膜を備えた参照部と、
前記参照部を選択するための参照部選択デバイスと、
前記参照部に電流を供給する第２の定電流源と、
前記検出部および前記参照部からの信号を入力とするセンスアンプを備える。

本発明によるセンサは、上記のいずれかに記載の磁性体センサを用い、該磁性体センサによって検出する磁性体を、所望の場所へ固定するように働く標的物質を検出する。

本発明の検出キットは、上記のセンサ、および標的物質に特異的に結合する物質が形成された磁性体を有する。

本発明の磁性体センサによれば、磁性粒子の個数を広いレンジで検出可能で、かつコンパクトな磁性体センサおよびバイオセンサが実現可能である。

先述のとおり、ＧＭＲ膜は２つの磁性膜を有し、一方の磁性膜の磁化方向は外部磁界の方向に向きやすく、他方の磁性膜の磁化方向は固定されている。磁化が外部磁界の方向に向きやすい磁性膜としては、例えばNiFeが挙げられるが、磁気抵抗変化率が小さいために、NiFeCoやNiFeとFeCoの交換結合膜が使用されることが多い。交換結合膜を用いる場合は、大きな磁気抵抗変化率を誘起するFeCo膜が、２つの磁性体の間に形成されるCu等の非磁性体に接するように配置される。磁気抵抗変化率とは、２つの磁性膜の磁化方向が平行状態から反平行状態に遷移したときに変化する抵抗値の割合のことを言う。つまり、磁気抵抗変化率が大きいほど大きな検出信号が得られる。

磁気抵抗効果膜にはGMR膜の他にTMR（Tunneling Magnetic Resistance effect）膜がある。TMR膜はGMR膜の非磁性金属膜を誘電体薄膜に置き換えた構成が基本構成である。検出電流はTMR膜の膜面に垂直な方向に流し、電子が誘電体膜中をトンネリングするようにする。TMR膜はGMR膜と比べて、磁気抵抗変化率が大きく、抵抗値も大きい。したがって、配線抵抗の影響がほとんど無く、大規模集積回路を用いたセンサに適している。TMR膜に用いられる誘電体膜として、Al₂O₃やMgOが一般に用いられる。

磁気抵抗効果膜の２つの磁性膜は、界面に働く静磁結合の影響を受け、磁化方向が反平行になりにくいという特徴を有する。したがって２つの磁性膜の磁化反転磁界の差が小さいと磁化は反平行状態となりにくく、その結果、大きな磁気抵抗変化が得られないという問題がある。そこで、磁化方向を固定する磁性膜に反強磁性膜を交換結合させて反平行状態を実現するスピンバルブ型磁気抵抗効果膜が提案されている。反強磁性膜は、隣接するスピンが互いに逆方向を向いているために見かけ上磁化を持たず、大きな磁界を印加してもスピンの方向が反転しない磁性体である。したがってこの反強磁性膜に強磁性膜を交換結合させると、強磁性膜の磁化は、反強磁性膜のスピンをも反転させる必要があるので、磁化反転しにくくなるのである。

磁気抵抗効果膜に一般に用いられるNiFeやFeCo等の遷移金属からなる磁性膜は面内磁化膜であり、磁性体センサのサイズを小さくしていくと、反磁界が増大して膜面内で磁化方向が渦状になったり、保磁力が増大して磁化反転させるために大きな磁界を要するようになる。この問題を回避する方法として、磁性膜に膜面垂直方向に容易に磁化される磁性材料を用いる方法がある。そのような材料には例えば、希土類金属と遷移金属の合金膜や多層膜、貴金属と遷移金属の人工格子膜、CoCr合金膜あるいはBaフェライト合金膜等がある。

図１に本発明による磁性体センサの回路図を示す。直列に接続されたN個の磁気抵抗効果膜R₁₁₁、R₁₁₂、R₁₁₃、‥‥‥、R_11Nにより構成された検出部の一端が、選択トランジスタTr₁₁を介してセンスアンプSA₁の入力端子および定電流源CC₁₁に接続され、他端は接地されている。さらに同様に構成された複数の検出部（R₁₂₁、R₁₂₂、R₁₂₃、‥‥‥R_12N、〜R_1M1、R_1M2、R_1M3、‥‥‥R_1MN）が、選択トランジスタTr₁₂〜Tr_1Nを介して並列に接続されている。センスアンプSA₁には参照電圧Ｖ_refが入力されており、これらの比較結果Ｖ_OUTにより磁性体の個数が検出される。上記のように多くの磁気抵抗効果膜を配置することによって、広いレンジで磁性体の個数を検出することができるものとなっている。

磁気抵抗効果膜の表面には磁性粒子を固定するための処理が施される。それは例えばAu膜の形成である。磁性粒子の表面をチオールで修飾しておくことにより、Au-チオール結合によって磁性ビーズは磁気抵抗効果膜表面に固定される。磁気抵抗効果膜の磁性膜の磁化を全て一方向に揃えておき、例えば磁界の印加によって固定された磁性ビーズの磁化方向を揃えると、磁性ビーズが固定されている磁気抵抗効果膜の抵抗値が高くなる。検出部の抵抗値の増加量は磁性ビーズの数に依存しており、検出部の電圧を参照電圧と比較することによって固定されている磁性ビーズの数を検出することが可能である。

図２は本発明の磁性体センサの磁気抵抗効果膜および選択トランジスタの膜断面図を模式的に示した図である。シリコン基板２０７および該シリコン基板２０７上に形成された絶縁膜２０６にはソース２０８、ゲート２０９、ドレイン２１０からなる選択トランジスタが形成されている。絶縁膜２０６上には直列に接続された磁気抵抗効果膜２０４が形成され、磁気抵抗効果膜２０４のうち、最端に位置する磁気抵抗効果膜２０４は、下部電極２０５およびプラグによって選択トランジスタのソース２０８（もしくはドレイン２１０）に接続されている。また、磁気抵抗効果膜２０４の上部電極２０１上には磁性粒子２０２を固定化させるための固定化膜２０３が形成されている。センサの総面積を小さくするために、図３に示すように選択トランジスタを磁気抵抗効果膜に重なるように配置しても良い。

図４は本発明による磁性体センサの他の実施形態の構成を示す回路図である。本実施形態における、磁気抵抗効果膜R₁₁₁〜R_11N、R₁₂₁〜R_11N、R_1N1〜R_1NN、選択トランジスタTr₁₁〜Tr_1N、定電流源CC₁₁による検出部の構成は図１に示した回路と同様である。本実施形態においては、図１に示した回路でセンスアンプSA₁に入力されていた参照電圧Ｖ_refの代わりに、検出回路を構成する磁気抵抗効果膜と同様の磁気抵抗効果膜R₀₁₁〜R_01Nを参照抵抗とし、定電流源CC₀₁と接地との間に設けることによって得られる電圧を参照電圧とすることによって、検出精度を高くしている。参照抵抗R₀₁₁〜R_01Nは検出回路を構成する磁気抵抗効果膜と同様のものであるが、その上部には磁性粒子が固定されないものとされている。このように参照抵抗を形成しておくと、製造プロセスの影響によって磁気抵抗効果膜の抵抗値が変動した場合においても、センスアンプに適切な参照電圧を与えることが容易となる。

本発明による磁性体センサは、磁性粒子を数個から数万個まで高精度に検出できるために、特にバイオセンサとして用いるとよい。その反応には一般的に、ＤＮＡハイブリダイゼーション、抗原抗体反応などが用いられる。その際に標的物質となる抗原としては、生体分子（タンパク質、核酸、糖鎖）やアレルゲン、バクテリア、ウイルス等の物質が挙げられるが、上記に限定されない。これらの抗原を特異的に認識する抗体を、磁気抵抗効果膜、および磁性粒子に固定化し、抗原抗体反応を行わせることができるものであればよい。。例えば、磁気抵抗効果膜上部に一本鎖の状態のDNAプローブを固定しておく。その後、標的物質である検体DNAで修飾された磁性粒子を含む溶液を検出部上部に滴下し、DNAプローブと検体DNAが結合したときのみ磁性粒子が磁気抵抗効果膜上部に固定される。固定されない磁性粒子を洗浄などによって検出部から除去した後、磁性粒子の測定を行なう。このとき磁性粒子の存在が確認されれば、検体DNAは所望のDNA配列を持つものであると確認される。以上はDNAの検出方法について述べたが、その他にも例えば抗原の検出を行なうことも可能である。磁気抵抗効果膜上に所望の抗原に特異的に結合する一次抗体を固定化しておく。その後、検体である溶液を検出部に滴下する。このとき検体中に抗原が存在するならば、一次抗体と抗原が特異的に結合する。検出部表面の検体を洗浄し、不要な物質を除去しておく。検出に用いる磁性粒子には抗原に特異的に結合する二次抗体を固定しておき、この磁性粒子を含む溶液を検出部に滴下する。さらに検出部表面を洗浄し、抗原と結合しなかった磁性粒子を除去する。測定によって、磁性粒子を検出することによって間接的に抗原を検出する。以上に、本発明の磁性体を用いたバイオセンサの反応例を述べたが、アビジン−ビオチン反応、抗原−アプタマー（特定構造を有するＲＮＡ断片）相互作用、リガンド−レセプター相互作用、ＤＮＡ−タンパク質（転写因子等）相互作用、レクチン−糖鎖相互作用等を用いてもよい。
以下、本発明を実施例を挙げてさらに詳細に説明する。

図５は本発明の磁性体センサの一実施例の構成を示す回路図である。本実施例においては、８個の磁気抵抗効果膜R₁₁₁、R₁₁₂、‥‥‥、R₁₁₈を直列に接続し、検出部とする。この検出部を構成する磁気抵抗効果膜の上部にはAu膜を形成し、磁性粒子を固定可能な状態にしておく。この検出部の一端はグランド等の一定電位の電源に接続され、他端は選択トランジスタTr₁₁を介してセンスアンプSA₁の入力および定電流源CC₁₁に接続する。さらに、他の検出部を構成する８個の磁気抵抗効果膜R₁₂₁、R₁₂₂、‥‥‥、R₁₂₈の一端をグランドに接続し、他端をTr₁₂を介してセンスアンプSA₁の入力に接続する。磁気抵抗効果膜R₁₃₁からR₁₈₈も同様に接続し、６４個の磁気抵抗効果膜の電圧変化をSA₁で検出する回路とする。

また、参照セルとして用いられる８個の磁気抵抗効果膜R₀₁₁、R₀₁₂、‥‥‥、R₀₁₈を直列に接続し、その一端をグランドに、他端を選択トランジスタTr₀₁を介してセンスアンプSA₁の入力および定電流源CC₀₁に接続する。これら８個の磁気抵抗効果膜上部にはSiO₂膜が形成され、磁性粒子が固定されないようにしておく。直列に接続されたR₀₁₁からR₀₁₈の８個の磁気抵抗効果膜およびTr₀₁により得られる電圧は参照電圧として用いられる。

磁気抵抗効果膜R₀₂₁からR₀₂₈およびR₂₁₁からR₂₈₈、選択トランジスタTr₂₁からTr₂₈、定電流源CC₁₂およびCC₀₂、センスアンプSA₂も上記の磁気抵抗効果膜R₀₁₁からR₀₁₈およびR₁₁₁からR₁₈₈、選択トランジスタTr₁₁からTr₁₈、定電流源CC₁₁およびCC₀₁、センスアンプSA₁と同様に接続する。図５には記載されていないが、上記と同様の検出回路をさらに９８個作製し接続する。したがって本実施例の磁性体センサは磁性粒子が固定し得る磁気抵抗効果膜が６４００個存在する。

磁気抵抗効果膜は、図６に示した膜構成である。Ptからなる下部電極（不図示）上にMnIr合金膜、FeCo合金膜、Al₂O₃膜、FeCo合金膜、NiFe合金膜、Pt膜を順次成膜する。作製した磁気抵抗効果膜は１５０degで真空アニールする。

アニール温度はMnIr合金膜に一方向異方性を誘起できる温度であり、かつ選択トランジスタやAl₂O₃膜が破損しない温度であれば良い。真空アニール時には膜面内一方向に磁界を印加しておく。磁界の大きさは昇温時に磁性膜の磁化が印加磁界の方向に向く大きさであれば良く、本実施例においては500Ｏｅである。MnIr膜と交換結合しているFeCo合金膜（ピンド層）の磁化方向は、MnIr合金膜の一方向異方性の方向にピン止めされており、一方向性異方性の方向と逆の方向の磁界に対してピンド層の磁化は反転しにくい。一方、NiFe合金膜とFeCo合金膜の交換結合膜（フリー層）の磁化は、印加磁界の方向に容易に揃う。磁気抵抗効果膜の磁化方向は、初期状態ではMnIr合金膜の一方向異方性の方向に揃えておく。磁気抵抗効果膜の最表面に形成されているPt膜は、後工程において磁気抵抗効果膜の腐食を防止するための保護膜である。それぞれの磁気抵抗効果膜の大きさは2.3μm×0.8μmの長方形であり、長手方向にMnIr合金膜の一方向性異方性が向いている。

本実施例で検出する磁性粒子は表面がSiO₂で覆われており、この磁性粒子を酢酸溶液中でメルカプトシラノールと反応させ、SH基を結合させている。したがってこの磁性粒子を含む溶液を検出部表面に滴下すると、チオール基と磁気抵抗効果膜上部のAu膜が結合し、磁性粒子が磁気抵抗効果膜上部に固定される。SiO₂被服膜を含めた磁性粒子の直径は約４００nmであり、一つの磁気抵抗効果膜の上部には最大で１０個程度の磁性粒子が固定され得るので、本実施例によると磁性粒子の個数の検出範囲は１個から約６万個である。磁気抵抗効果膜の個数を増やすことによって、さらに多くの磁性粒子の検出が可能である。

磁性粒子を固定した後、MnIr合金膜の一方向異方性と同じ方向に磁界を印加し、磁性粒子を印加磁界の方向に磁化する。図９に示したように、磁性粒子から浮遊磁界が発生し、磁気抵抗効果膜に対してその浮遊磁界は、印加磁界すなわち初期の磁化方向とは逆の方向に作用する。したがって、浮遊磁界が比較的強く作用する領域において、磁気抵抗効果膜のフリー層の磁化は初期の方向から傾く。このとき、ピンド層の磁化はMnIr合金膜によってピン止めされているために、初期の方向と比較してほとんど変化しない。つまり、初期状態においてはフリー層の磁化方向とピンド層の磁化方向は平行状態であったのに対して、浮遊磁界を印加された状態にあっては２つの磁化方向は異なっているので、磁気抵抗効果膜の抵抗値は大きくなる。磁気抵抗効果膜の上部にさらに多くの磁性粒子が固定されると、フリー層の磁化が傾く領域が広くなるため、磁気抵抗効果膜の抵抗変化は磁性粒子の数にしたがって大きくなる。

例えば、磁気抵抗効果膜R₀₁₁からR₀₁₈のように磁性ビーズが固定されない参照セルの抵抗値は、検体中に磁性粒子が存在していてもその抵抗値は初期状態のままであるので、検出部と参照セルに流す電流値を同じ大きさにすることによって、磁性粒子の個数をセンスアンプで検出することが可能である。１つのセンスアンプに接続されている８つの検出部は、選択トランジスタを制御することにより検出時にはかならず１つのみ電流が流れ、その他の検出部には電流が流れないようにしておく。選択トランジスタを順次アクティブに切り替えていくことによって8つの検出部の出力信号を得るようにする。ただし、参照セルには検出時は常に電流を流しておく。以上のように磁性粒子の検出は、電気的に処理されるために極めて短い時間で完了する。

磁性粒子の粒径が磁気抵抗効果膜よりも著しく小さくなると、浮遊磁界が印加される領域が小さくなるために、１個の磁性粒子の検出が困難になる。したがって、粒径の小さな磁性粒子を検出するためには磁気抵抗効果膜も小さくする必要がある。しかし、面内磁化膜を小さくすると、保磁力が増加し、磁化方向は変化しにくくなってしまうので、やはり磁性粒子の検出は容易ではなくなる。この問題を解決する方法として、磁気抵抗効果膜の磁性膜に膜面垂直方向に容易に磁化される磁性体を用いるものがある。

本実施例では粒径が５０nmと小さな磁性粒子を検出する例を示す。検出する磁性粒子は実施例１と同様にSH基が結合しており、磁気抵抗効果膜の上部にはAu膜が形成されている。センサの回路構成は実施例１と同様である。磁気抵抗効果膜は図７に示すように、TbFeCo合金膜、FeCo合金膜、Al₂O₃膜、FeCo膜、GdFeCo合金膜、Pt膜を順次積層する。

TbFeCo合金膜は補償組成付近の組成であって大きな保磁力を有する垂直磁化膜である。TbFeCo合金膜とFeCo合金膜は交換結合しており、FeCo合金膜の磁化は所望の方向で固定される。つまり、TbFeCo合金膜とFeCo合金膜からなる２層膜はピンド層として機能する。GdFeCo合金膜とそれに接するFeCo合金膜は交換結合しており、この２層膜をフリー層とする。このFeCo合金膜の磁化は、零磁場中において膜面垂直に向いているが、磁化方向と逆の方向の磁界を印加すると直ちに磁化が傾く。ただし、角形の磁化曲線は示さず、磁化が減少し始める磁界の大きさと磁化が飽和する磁界の大きさは異なるように設計しておく。磁気抵抗効果膜のサイズは１８０nm×１８０nmであり、1つの磁気抵抗効果膜上に磁性粒子が１０個程度固定化可能である。

検出前の初期状態においては、ピンド層とフリー層の磁化方向を膜面上向きに揃えておく。磁性粒子を磁気抵抗効果膜上に固定した後、磁気抵抗効果膜の膜面垂直方向下向の磁界を磁性粒子に印加する。印加磁界と浮遊磁界の両磁界が印加される領域では、比較的大きな磁界が印加されるので、磁気抵抗効果膜のフリー層の磁化は初期方向から大きく傾き、浮遊磁界が印加されない領域では、外部磁界のみがフリー層に印加されるので、フリー層の磁化の傾きは小さい。つまり、磁性粒子が存在すると、参照セルの電圧に比べて検出部の電圧は高く、その電圧の差は磁性粒子の数に依存する。

検出の際に印加する磁界は膜面内方向に印加しても構わない。膜面内方向に磁化が印加されると、フリー層の磁化は膜面垂直方向から膜面内方向に傾く。磁性粒子が磁気抵抗効果膜の上部に固定されていると、磁性粒子からの浮遊磁界が外部磁界の方向とは逆の方向に印加されるので、磁気抵抗効果膜に印加される正味の磁界の大きさは小さくなり、磁性粒子が固定されていない場合に比べると、フリー層の磁化方向の変化量は小さい。したがって、この場合には、参照セルの電圧は、検出部の電圧よりも高くなる。

本発明の磁性体センサはバイオセンサとしても使用可能である。本実施例では、前立腺癌のマーカーとして知られている前立腺特異抗原（PSA）を検出するバイオセンサについて述べる。

磁気抵抗効果膜の膜構成は、実施例１の磁気抵抗効果膜と同じとし、その大きさを１．３μm×０．５μmとした。また、磁性粒子の粒径は約２５０nmである。

磁気抵抗効果膜上に形成されるAu膜の表面に一次抗体を担持するために、Au膜の表面は、ピラニア溶液（硫酸：過酸化水素＝３：１）処理された後、10−カルボキシ−1−デカンチオールの1mMエタノール溶液で処理されることで、カルボキシル基が表面に提示された自己組織化膜（SAM）が形成される。さらに一次抗体を固定化させるために、水溶性カルボジイミド（WSC）、Ｎ−ヒドロキシスクシンイミド（NHS）を反応させ、Au膜表面のカルボキシル基を活性エステル基に変換される。この変換は、全反射吸収測定法（ATR）等により確認することができる。続いて、抗PSA抗体を接触させることで、抗体のアミノ基がSAM上に結合して固定化される。上記の抗体固定化はATRにより抗体由来のアミド結合を検出することで確認することができる。なお、抗体固定化後はAu膜表面を高濃度のエタノールアミンで処理することで、未反応の活性エステル基をブロッキングする。以上の操作により、一次抗体として抗PSA抗体が固定された検出用センサが構築される。。

上記の検出センサを用い、以下のプロトコールに従って前立腺癌のマーカーとして知られている前立腺特異抗原（PSA）の検出を試みることができる。検出センサには、PSAを認識する一次抗体が固定化されている。

（１）抗原（被検体）であるPSAを含むリン酸緩衝生理食塩水（被検体溶液）に上記検出センサを浸し、５分間インキュベートする。

（２）未反応のPSAをリン酸緩衝生理食塩水で洗浄する。

（３）磁性粒子により標識された抗PSA抗体（二次抗体）を含むリン酸緩衝生理食塩水に工程（１）および（２）が終了した上記検出センサを浸し、５分間インキュベートする。

（４）未反応の該標識抗体をリン酸緩衝生理食塩水で洗浄する。

上記プロトコールによって、図８に示すように二次抗体８０１、抗原８０３、一次抗体８０４がそれぞれ結合し、磁性粒子８０２が磁気抵抗効果膜を構成するAu膜８０５の上部に固定されている。つまり、被検体の中に抗原が存在しない場合には、磁性粒子は磁気抵抗効果膜上部に固定されないので、磁性粒子の有無を検出することによって、抗原の検出が可能である。また、固定された磁性粒子の数を検出することによって、被検体中に含まれる抗原の量を間接的に知ることが可能である。

本発明の磁性体センサは、微小な磁性体の個数の検出において広いレンジでの検出が可能であり、かつ短時間での検出が可能である磁性体センサとして用いられ、さらに磁性体に修飾処理を施すことによって、生体物質など検出が可能なセンサとして用いられる。

本発明の磁性体センサの回路図である。本発明の磁性体センサの検出部および選択トランジスタの断面を模式的に示した図である。検出部の下に選択トランジスタが形成されている本発明の磁性体センサの検出部および選択トランジスタの断面を模式的に示した図である。参照セルを設けた本発明の磁性体センサの回路図である。本発明の実施例１の磁性体センサの回路図である。本発明の実施例１の磁性体センサに用いられる磁気抵抗効果膜の膜構成を模式的に示す図である。本発明の実施例２の磁性体センサに用いられる磁気抵抗効果膜の膜構成を模式的に示す図である。本発明の実施例３のバイオセンサにおいて、磁性粒子が固定される様子を模式的に示した概念図である。磁性粒子から生じる浮遊磁界の方向を説明するための概念図である。

符号の説明

２０１上部電極
２０２磁性粒子
２０３固定化膜
２０４磁気抵抗効果膜
２０５下部電極
２０６絶縁膜
２０７シリコン基板
２０８ソース
２０９ゲート
２１０ドレイン
８０１二次抗体
８０２磁性粒子
８０３抗原
８０４一次抗体
８０５ Au膜

Claims

電気的に直列に接続された複数の磁気抵抗効果膜をそれぞれ備えた複数の検出部と、
前記複数の検出部に対応して設けられ、各検出部に一端が電気的に接続された複数の選択デバイスと、
前記複数の選択デバイスの他端に共通に電気的に接続された第１の定電流源と、
電気的に直列に接続された複数の磁気抵抗効果膜を備えた参照部と、
前記参照部を選択するための参照部選択デバイスと、
前記参照部に電流を供給する第２の定電流源と、
前記検出部および前記参照部からの信号を入力とするセンスアンプを備える磁性体センサ。
前記磁気抵抗効果膜がスピントンネル磁気抵抗効果膜であることを特徴とする請求項１に記載の磁性体センサ。
前記磁気抵抗効果膜を構成する磁性膜の磁化容易軸方向が、膜面垂直方向であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の磁性体センサ。
前記選択デバイスの一部が、前記検出部下に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の磁性体センサ。
前記検出部あるいはその近傍に直接あるいは間接的に検出される磁性体が固定化される物質が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の磁性体センサ。
複数の前記選択デバイスのいずれかをアクティブにして複数の前記検出部に順次電流を供給し、前記複数の検出部に順次電流を流す間、前記第２の定電流源により前記参照部に電流を供給し続ける請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の磁性体センサ。
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の磁性体センサを用い、該磁性体センサによって検出する磁性体を、所望の場所へ固定するように働く標的物質を検出するセンサ。
請求項７に記載のセンサ、および標的物質に特異的に結合する物質が形成された磁性体を有する検出キット。