JP5207668B2 - Detection apparatus and detection method - Google Patents
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Description
本発明は、物質の存在、数量あるいは濃度を磁気的に検出するための検出装置及び検出方法に関する。 The present invention relates to a detection apparatus and a detection method for magnetically detecting the presence, quantity or concentration of a substance.
磁性粒子を標識とし磁気センサ素子によって間接的に生体分子を検出するバイオセンサの研究報告が幾つかの研究機関によってなされている。この検出方法で用いられる磁気センサ素子には種々のものが挙げられるが、磁気抵抗効果素子を用いたバイオセンサが多く検討されている（非特許文献１）。 Several research institutions have reported biosensors that detect magnetic molecules indirectly using magnetic sensor elements with magnetic particles as labels. There are various types of magnetic sensor elements used in this detection method, but many biosensors using magnetoresistive elements have been studied (Non-patent Document 1).
磁気抵抗効果素子を用いたバイオセンサではＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子が多く使用されている。ＧＭＲ素子はＦｅ／ＣｒやＣｏ／Ｃｕ人工格子膜からなるものや、２つの強磁性膜の間にＣｕなどの非磁性金属膜が形成されているサンドイッチ構成のものが有る。非特許文献１ではこの人工格子型のＧＭＲ素子が用いられている。サンドイッチ構成のＧＭＲ素子で一方の強磁性膜に反強磁性膜を交換結合させ、強磁性膜の磁化方向が容易に回転しないようにした構造のものをスピンバルブ型ＧＭＲ素子と呼ぶ。 In biosensors using magnetoresistive elements, many GMR (Giant Magnetistance) elements are used. Some GMR elements are made of Fe / Cr or Co / Cu artificial lattice films, and others have a sandwich structure in which a nonmagnetic metal film such as Cu is formed between two ferromagnetic films. In Non-Patent Document 1, this artificial lattice type GMR element is used. A GMR element having a sandwich structure in which an antiferromagnetic film is exchange-coupled to one ferromagnetic film and the magnetization direction of the ferromagnetic film is not easily rotated is called a spin valve type GMR element.
ＧＭＲ素子の他にＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）の素子として用いられるＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子が挙げられる。この素子はサンドイッチ構成のＧＭＲ素子の非磁性膜をＡｌＯx等からなるトンネル膜に置き換えた構造である。 In addition to the GMR element, a TMR (Tunnel Magnetoresistance) element used as an element of an MRAM (Magnetic Random Access Memory) can be given. This element has a structure in which the nonmagnetic film of a GMR element having a sandwich structure is replaced with a tunnel film made of AlO x or the like.
磁気抵抗効果素子は磁界の印加によってその抵抗値が変化するが、ＴＭＲ素子はＧＭＲ素子よりも大きな抵抗変化を示すので、極めて小さな局所磁界の検出や高速に駆動するデバイスにおいて多く利用される。また、ＴＭＲ素子において、近年、より大きな抵抗変化を示す構成が報告されている（特許文献１）。 The resistance value of the magnetoresistive effect element changes with application of a magnetic field. However, since the TMR element exhibits a larger resistance change than the GMR element, it is often used in a device that detects an extremely small local magnetic field or drives at a high speed. In addition, in recent years, there has been reported a structure showing a greater resistance change in the TMR element (Patent Document 1).
特許文献１に開示された構成は、磁性膜にＦｅＣｏＢ等のアモルファス材料を、トンネル膜にＭｇＯ単結晶膜を、用いたものとなっている。この構成では、ＡｌＯxトンネル膜を用いたＴＭＲ素子の抵抗変化の３倍から４倍程度の抵抗変化を示す。また、ＴＭＲ素子のセンサ応用を示唆するものとして、特許文献２〜４が挙げられる。 The configuration disclosed in Patent Document 1 uses an amorphous material such as FeCoB for the magnetic film and an MgO single crystal film for the tunnel film. In this configuration, the resistance change is about 3 to 4 times the resistance change of the TMR element using the AlO x tunnel film. Further, Patent Documents 2 to 4 can be cited as suggesting sensor applications of TMR elements.
磁気抵抗効果素子を用いた磁性粒子の検出方法について、図５、図６を用いて説明する。 A method for detecting magnetic particles using a magnetoresistive element will be described with reference to FIGS.
図５は検出回路の一例を示すものであり、図６は素子周辺部を説明するものである。 FIG. 5 shows an example of the detection circuit, and FIG. 6 explains the peripheral portion of the element.
コイル５０４の磁界方向に、センサ素子５０１及びリファレンス素子５０２が配されている。電磁石用電源５０５、正弦波発生装置５０７を用いてコイル５０４に交流電流が印加される。センサ素子５０１及びリファレンス素子５０２は、２つの固定抵抗を用いて、ホイーストンブリッジ回路が形成されている。センスアンプ５０３には、ホイーストンブリッジ回路からの信号が入力される。センスアンプ５０３の出力と正弦波発生回路の出力の一部とがロックインアンプ５０６に入力され、ロックインアンプ５０６に接続されたコンピュータ５０８を用いて解析される。 A sensor element 501 and a reference element 502 are arranged in the magnetic field direction of the coil 504. An alternating current is applied to the coil 504 using the electromagnet power source 505 and the sine wave generator 507. The sensor element 501 and the reference element 502 form a Wheatstone bridge circuit using two fixed resistors. A signal from the Wheatstone bridge circuit is input to the sense amplifier 503. The output of the sense amplifier 503 and a part of the output of the sine wave generation circuit are input to the lock-in amplifier 506 and analyzed using the computer 508 connected to the lock-in amplifier 506.
磁性粒子６０２は反応領域内で２つの磁気抵抗効果素子５０１（センサ素子５０１、リファレンス素子５０２）のうち一方の素子（センサ素子５０１）の表面にのみ固定される。検出の際には、電磁石用電源５０５、正弦波発生装置５０７を用いてコイル５０４に交流電流が印加される。この結果、２つの磁気抵抗効果素子の構成要素である磁気抵抗効果膜に垂直な方向に交流磁界６０３が印加され、磁性粒子６０２が磁化される。磁化ベクトル６０５に示すように、磁化された磁性粒子から浮遊磁界６０４が発生し、磁性粒子下部の磁気抵抗効果素子６０１に膜面内方向成分の磁界が印加される。磁気抵抗効果膜は膜面内方向の磁界の影響によって抵抗が変化する。２つの磁気抵抗効果素子と２つの固定抵抗を用いて、ホイーストンブリッジ回路を形成する。ホイーストンブリッジ回路の信号の交流成分を、センスアンプ５０３を用いて増幅した後に、ロックインアンプ５０６で印加磁界の周波数の２倍の周波数成分のみ増幅し、磁性粒子の存在を示す検出信号を得、コンピュータ５０８によって解析する（非特許文献１）。 The magnetic particles 602 are fixed only on the surface of one element (sensor element 501) of the two magnetoresistive elements 501 (sensor element 501 and reference element 502) in the reaction region. At the time of detection, an alternating current is applied to the coil 504 using the electromagnet power source 505 and the sine wave generator 507. As a result, an alternating magnetic field 603 is applied in a direction perpendicular to the magnetoresistive film that is a component of the two magnetoresistive elements, and the magnetic particles 602 are magnetized. As indicated by the magnetization vector 605, a stray magnetic field 604 is generated from the magnetized magnetic particles, and a magnetic field having an in-film direction component is applied to the magnetoresistive element 601 below the magnetic particles. The resistance of the magnetoresistive film changes due to the influence of a magnetic field in the in-plane direction. A Wheatstone bridge circuit is formed using two magnetoresistive elements and two fixed resistors. After the AC component of the signal of the Wheatstone bridge circuit is amplified using the sense amplifier 503, only the frequency component twice the frequency of the applied magnetic field is amplified by the lock-in amplifier 506 to obtain a detection signal indicating the presence of magnetic particles. The computer 508 analyzes (Non-Patent Document 1).
また、特許文献４では、磁界に対する感度の高い方向、すなわち磁気抵抗効果膜の膜面内方向に磁界を印加し、磁性粒子からの浮遊磁界の影響により、磁気抵抗効果膜の磁化反転が生じる印加磁界の大きさの違いを検出する。こうすることにより、磁性粒子の存在を検出する方法が記載されている。
磁性粒子は検体溶液中で分散性が良いことが好ましく、その観点から軟磁性であることが好ましい。また、例えば体液中の生体分子などに磁性粒子を結合させる場合には、反応効率の観点から、粒径の小さな磁性粒子が好ましく、そのような磁性粒子は、大きな磁化飽和磁界を示す傾向が有る。 It is preferable that the magnetic particles have good dispersibility in the sample solution, and from this point of view, the magnetic particles are preferably soft magnetic. In addition, for example, when binding magnetic particles to biomolecules in body fluids, from the viewpoint of reaction efficiency, magnetic particles having a small particle diameter are preferable, and such magnetic particles tend to exhibit a large magnetization saturation magnetic field. .
したがって、そのような磁性粒子を検出に用いる場合には、磁性粒子に磁界を印加し、磁化を所望の方向に誘起させる必要がある。この場合、十分大きな磁化を誘起させるためには、ＭＲＡＭや磁気センサに用いられる磁気抵抗効果膜の磁化反転磁界よりも大きな磁界を印加する必要がある。もし、磁性粒子の磁化が小さければ、磁性粒子から発生する浮遊磁界も小さく、そのような場合においては磁性粒子の検出は困難である。 Therefore, when using such magnetic particles for detection, it is necessary to apply a magnetic field to the magnetic particles to induce magnetization in a desired direction. In this case, in order to induce sufficiently large magnetization, it is necessary to apply a magnetic field larger than the magnetization reversal field of the magnetoresistive effect film used in the MRAM or the magnetic sensor. If the magnetization of the magnetic particles is small, the stray magnetic field generated from the magnetic particles is also small. In such a case, it is difficult to detect the magnetic particles.
磁性粒子を検出する際には、センサ素子である磁気抵抗効果素子の近傍に磁性粒子が固定されているので、磁性粒子に印加した磁界は、磁気抵抗効果素子にも印加されてしまう。したがって、特許文献４に開示されているように、磁気抵抗効果素子の磁化容易方向に磁界を印加して、磁性粒子を検出する場合、軟磁性体であって、かつ磁化飽和磁界が大きい磁性粒子を検出するには、
１．印加磁界が小さければ磁性粒子の磁化が小さいために検出信号が得られず、
２．磁性粒子の磁化が十分に大きくなるような磁界を印加すると、磁気抵抗効果素子の検出感度を超えるために磁性粒子の検出が困難であった。
When magnetic particles are detected, the magnetic particles are fixed in the vicinity of the magnetoresistive effect element that is a sensor element, so that the magnetic field applied to the magnetic particles is also applied to the magnetoresistive effect element. Therefore, as disclosed in Patent Document 4, when detecting a magnetic particle by applying a magnetic field in the direction of easy magnetization of the magnetoresistive effect element, the magnetic particle is a soft magnetic material and has a large magnetization saturation magnetic field. To detect
1. If the applied magnetic field is small, the detection signal cannot be obtained because the magnetization of the magnetic particles is small,
2. When a magnetic field that sufficiently increases the magnetization of the magnetic particles is applied, the detection sensitivity of the magnetoresistive effect element is exceeded, making it difficult to detect the magnetic particles.
本発明は、磁気抵抗効果素子の磁化容易方向に磁界を印加し、軟磁性の磁性粒子を容易に検出する検出装置及び検出方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a detection device and a detection method for easily detecting soft magnetic particles by applying a magnetic field in the direction of easy magnetization of a magnetoresistive effect element.
本発明は、検出層となる第１の磁性膜、非磁性膜、及び、磁化固定層となる第２の磁性膜がこの順に積層された磁気抵抗効果膜からなり、磁性粒子を検出するためのセンサ素子と、前記センサ素子に電流を供給する電源と、前記センサ素子の電圧を検出する電圧検出手段と、前記検出層の磁化容易方向に磁界を印加する磁気発生手段とを具備し、前記センサ素子に該磁気発生手段から磁界を印加し、印加された磁界の強度と前記センサ素子で検出される電圧の大きさとから前記磁性粒子の検出を行う検出装置であって、
前記第２の磁性膜の磁化方向が前記磁気発生手段から印加される磁界の方向と平行であり、
前記第１の磁性膜が、１００Ｏｅ以上で磁化反転する磁性膜であり、
前記磁気発生手段から印加される磁界が、前記第２の磁性膜の一方向異方性の向きであることを特徴とする検出装置である。
The present invention comprises a magnetoresistive film in which a first magnetic film serving as a detection layer, a nonmagnetic film, and a second magnetic film serving as a magnetization fixed layer are laminated in this order, and for detecting magnetic particles A sensor element; a power source for supplying a current to the sensor element; a voltage detection means for detecting a voltage of the sensor element; and a magnetism generation means for applying a magnetic field in the easy magnetization direction of the detection layer. element a magnetic field is applied from the magnetic generating means, said a detection device for detecting magnetic particles and applied magnetic field strength from the magnitude of the voltage detected by said sensor element,
The magnetization direction of the second magnetic film is parallel to the direction of the magnetic field applied from the magnetism generating means;
The first magnetic film is a magnetic film whose magnetization is reversed at 100 Oe or more;
The detection apparatus according to claim 1, wherein the magnetic field applied from the magnetism generation unit is unidirectionally anisotropic in the second magnetic film.
さらに、上述の検出装置を用い、前記印加される磁界の強度を、前記検出層の磁化反転磁界よりも小さな磁界から徐々に大きくし、前記センサ素子の電圧の大きさを測定することで前記磁性粒子を検出することを特徴とする磁性粒子の検出方法である。 Further, using the above-described detection device, the intensity of the applied magnetic field is gradually increased from a magnetic field smaller than the magnetization reversal magnetic field of the detection layer, and the voltage of the sensor element is measured to measure the magnetic field. A method for detecting magnetic particles, comprising detecting particles.
本発明の検出装置を用いることによって、軟磁性の磁性粒子を容易に検出することが可能である。 By using the detection apparatus of the present invention, it is possible to easily detect soft magnetic particles.
以下、本発明の物質検出装置をバイオセンシングに用いる場合を念頭において、本発明を実施するための最良の形態について説明する。なお、本発明の範囲は各請求項によって定められるものである。本願発明は、以下に記載の形態のみならず、当業者が理解可能な範囲でさまざまな形態を包含する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in consideration of the case where the substance detection device of the present invention is used for biosensing. The scope of the present invention is defined by each claim. The present invention includes not only the following forms but also various forms within a range that can be understood by those skilled in the art.
また、本発明の物質検出装置あるいは物質検出方法の一方について好ましい形態あるいは適用可能な形態として記載されている形態は、特に断りがない限り他方にも適用可能である。 Moreover, the form described as a preferable form or applicable form for one of the substance detection apparatus or substance detection method of the present invention is applicable to the other unless otherwise specified.
本実施形態に係る検出装置及び検出方法の概要を述べる。 An outline of the detection apparatus and detection method according to the present embodiment will be described.
まず、検出層となる第１の磁性膜、非磁性膜、及び、磁化固定層となる第２の磁性膜がこの順に積層された磁気抵抗効果膜からなるセンサ素子が、この検出装置には含まれる。そして、センサ素子に電流を供給する電源と、センサ素子の電圧を検出する電圧検出手段と、検出層の磁化容易方向に磁界を印加する磁気発生手段とを更に具備する。この検出装置は、センサ素子に印加された磁界の強度とセンサ素子の電圧の大きさとから、センサ素子近傍に存在する磁性粒子を検出する検出装置である。具体的には、センサ素子上、あるいはセンサ素子近傍に存在する磁性粒子の存在に関する情報を検出するものである。 First, a sensor element including a magnetoresistive film in which a first magnetic film serving as a detection layer, a nonmagnetic film, and a second magnetic film serving as a magnetization fixed layer are stacked in this order is included in the detection device. It is. The power supply further supplies a current to the sensor element, voltage detection means for detecting the voltage of the sensor element, and magnetism generation means for applying a magnetic field in the easy magnetization direction of the detection layer. This detection apparatus is a detection apparatus that detects magnetic particles existing in the vicinity of a sensor element from the intensity of a magnetic field applied to the sensor element and the magnitude of the voltage of the sensor element. Specifically, information on the presence of magnetic particles present on or near the sensor element is detected.
上述の検出装置を用い、印加される磁界の強度を、検出層の磁化反転磁界よりも小さな磁界から徐々に大きくし、センサ素子の電圧の大きさを測定することで磁性粒子を検出することを特徴とする検出方法である。 Using the detection device described above, the intensity of the applied magnetic field is gradually increased from a magnetic field smaller than the magnetization reversal magnetic field of the detection layer, and magnetic particles are detected by measuring the magnitude of the voltage of the sensor element. This is a featured detection method.
さらに、磁気抵抗効果膜と磁性粒子とが検出対象である物質によって特異的に結合されている場合、該磁性粒子を標識として検出対象である物質を間接的に検出することが可能である。 Furthermore, when the magnetoresistive film and the magnetic particles are specifically bound by the substance to be detected, it is possible to indirectly detect the substance to be detected using the magnetic particles as a label.
ここで、第２の磁性膜の磁化方向が磁気発生手段から印加される磁界の方向と平行であり、かつ、第１の磁性膜が、１００Ｏｅ以上（１００エルステッド以上）で磁化反転する磁性膜であることが好ましい。そして、磁気発生手段から印加される磁界が、第２の磁性膜の一方向異方性の向きであるように当該装置を構成する。 Here, the magnetization direction of the second magnetic film is parallel to the direction of the magnetic field applied from the magnetism generating means, and the first magnetic film is a magnetic film whose magnetization is reversed at 100 Oe or more (100 Oersted or more). Preferably there is. Then, the apparatus is configured such that the magnetic field applied from the magnetism generating means has a unidirectional anisotropy direction of the second magnetic film.
図１は本発明の検出装置の概念図である。センサ素子である磁気抵抗効果膜に、電流を流すための電流源１０８と、磁気抵抗効果膜の電圧変化を検出するための電圧検出手段１０９が接続されている。 FIG. 1 is a conceptual diagram of the detection apparatus of the present invention. A current source 108 for passing a current and a voltage detection means 109 for detecting a voltage change of the magnetoresistive effect film are connected to the magnetoresistive effect film which is a sensor element.
磁気抵抗効果膜は、検出層１０１である磁性膜と磁化固定層１０３である磁性膜の間に非磁性膜１０２が形成される。非磁性膜１０２が金属である場合は巨大磁気抵抗効果膜（ＧＭＲ膜）であり、非磁性誘電体膜である場合はスピントンネル膜（ＴＭＲ膜）である。 In the magnetoresistive film, a nonmagnetic film 102 is formed between a magnetic film that is the detection layer 101 and a magnetic film that is the magnetization fixed layer 103. When the nonmagnetic film 102 is a metal, it is a giant magnetoresistive film (GMR film), and when it is a nonmagnetic dielectric film, it is a spin tunnel film (TMR film).
ＴＭＲ膜には電流を膜面垂直方向に流して検出を行う。ＧＭＲ膜では電流方向に制約はないが、膜面垂直方向に流すと比較的大きな検出信号が得られる。 Detection is performed by passing an electric current through the TMR film in a direction perpendicular to the film surface. In the GMR film, the current direction is not limited, but a relatively large detection signal can be obtained by flowing in the direction perpendicular to the film surface.
ＧＭＲ膜の非磁性金属膜にはＣｕやＣｒなどの金属が好適に用いられる。また、ＴＭＲ膜の非磁性誘電体膜にはＡｌＯx膜やＭｇＯ膜が好適に用いられる。中でもＭｇＯ膜を用いたＴＭＲ膜は高い検出信号を得ることが可能であるのでより好ましい。 For the nonmagnetic metal film of the GMR film, a metal such as Cu or Cr is preferably used. In addition, an AlO x film or an MgO film is preferably used as the nonmagnetic dielectric film of the TMR film. Among these, a TMR film using an MgO film is more preferable because a high detection signal can be obtained.
磁化固定層は著しく大きな保磁力を有する強磁性膜、あるいは強磁性膜に一方向異方性を有する反強磁性膜を交換結合させた多層膜が用いられる。そのような磁性膜を用いることによって、磁界を印加しても磁化反転しないようにすることが可能である。大きな保磁力を有する磁性膜としてはＴｂと遷移金属の合金や人工格子膜などが挙げられる。Ｔｂと遷移金属からなる合金は組成を調整することによって保磁力を所望の大きさにすることが可能である。 As the magnetization fixed layer, a ferromagnetic film having a remarkably large coercive force, or a multilayer film in which an antiferromagnetic film having unidirectional anisotropy is exchange-coupled to the ferromagnetic film is used. By using such a magnetic film, it is possible to prevent magnetization reversal even when a magnetic field is applied. Examples of magnetic films having a large coercive force include alloys of Tb and transition metals, artificial lattice films, and the like. An alloy composed of Tb and a transition metal can have a desired coercive force by adjusting the composition.
また、人工格子膜では、各磁性膜の膜厚を調整することで所望の保磁力とすることが可能である。強磁性膜と反強磁性膜の交換結合膜に用いられる反強磁性膜にはＭｎＩｒ、ＭｎＰｔなどが好適に用いられる。この交換結合膜は強磁性膜の膜厚を調整することによって、磁化反転磁界を所望の値に調整することが可能である。 In the artificial lattice film, a desired coercive force can be obtained by adjusting the thickness of each magnetic film. MnIr, MnPt, or the like is preferably used for the antiferromagnetic film used for the exchange coupling film of the ferromagnetic film and the antiferromagnetic film. This exchange coupling film can adjust the magnetization reversal field to a desired value by adjusting the film thickness of the ferromagnetic film.
磁気抵抗効果膜を用いたメモリ素子（ＭＲＡＭ）やハードディスクの検出素子などに用いられるセンサは微弱な磁界で動作するように、検出層には保磁力の小さな磁性体が用いられる。それらは例えば、ＮｉＦｅＣｏ、ＮｉＦｅ、ＦｅＣｏＢ、ＧｄＦｅなどである。 A sensor used for a memory element (MRAM) using a magnetoresistive effect film, a detection element of a hard disk, or the like uses a magnetic material having a small coercive force so that it operates with a weak magnetic field. They are, for example, NiFeCo, NiFe, FeCoB, GdFe and the like.
しかし、軟磁性体からなる磁性粒子を検出する場合、センサに大きな磁界が印加されるため、そのような磁性膜は好ましくない。 However, when detecting magnetic particles made of a soft magnetic material, such a magnetic film is not preferable because a large magnetic field is applied to the sensor.
そこで本発明では、検出層の磁化反転が比較的大きな磁界で生じるようにする。そのような磁性膜としてはＧｄＴｂＦｅ、ＧｄＴｂＣｏ、ＧｄＴｂＦｅＣｏなどである。つまり、Ｇｄ、Ｔｂ及び遷移金属の合金である。あるいはＤｙＦｅ、ＤｙＣｏ、ＤｙＦｅＣｏなどのＤｙと遷移金属の合金、又は、ＧｄＤｙＦｅ、ＧｄＤｙＣｏ、ＧｄＤｙＦｅＣｏなどＧｄ、Ｄｙ、及び、遷移金属の合金が挙げられる。また、上述の希土類金属と遷移金属の人工格子膜としても所望の磁性膜を形成することが可能である。これらの保磁力は従来用いられてきた上記材料の保磁力よりも大きければ本発明の効果が生じる。従来の材料の保磁力は数Ｏｅから数十Ｏｅ程度である。さらに、検出対象となる磁性粒子は酸化鉄を用いることが多く、例えば、その磁化は印加磁界が５００Ｏｅ程度まで線形に増加する。５００Ｏｅでの磁化の大きさは飽和磁化の７割程度、１ｋＯｅで９割程度に達し、１ｋＯｅよりも大きな磁界では緩やかに飽和に近づいていく。したがって、本発明で用いる磁気抵抗効果膜の検出層の保磁力は、１００Ｏｅ以上であることが好ましく、さらに５００Ｏｅ以上であることがより好ましい。本発明における検出層の保磁力の上限としては、例えば５ｋＯｅ以下、好ましくは、１ｋＯｅ以下である。 Therefore, in the present invention, the magnetization reversal of the detection layer is caused to occur with a relatively large magnetic field. Examples of such a magnetic film are GdTbFe, GdTbCo, GdTbFeCo, and the like. That is, it is an alloy of Gd, Tb, and a transition metal. Alternatively, an alloy of Dy and a transition metal such as DyFe, DyCo, or DyFeCo, or an alloy of Gd, Dy, or a transition metal such as GdDyFe, GdDyCo, or GdDyFeCo can be given. Also, a desired magnetic film can be formed as an artificial lattice film of the rare earth metal and transition metal described above. If these coercive forces are larger than the coercive force of the above-mentioned materials that have been conventionally used, the effects of the present invention will occur. The coercive force of the conventional material is about several Oe to several tens Oe. Further, iron particles are often used as magnetic particles to be detected. For example, the magnetization thereof linearly increases until the applied magnetic field is about 500 Oe. The magnitude of the magnetization at 500 Oe reaches about 70% of the saturation magnetization and reaches about 90% at 1 kOe, and gradually approaches saturation with a magnetic field larger than 1 kOe. Therefore, the coercive force of the detection layer of the magnetoresistive film used in the present invention is preferably 100 Oe or more, and more preferably 500 Oe or more. The upper limit of the coercive force of the detection layer in the present invention is, for example, 5 kOe or less, preferably 1 k Oe or less.
保磁力は組成や膜厚の調整によって所望の値を得ることが可能である。さらに、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ等の遷移金属やこれらの合金に反強磁性膜を交換結合させ、磁化反転する磁界を大きくすることが可能である。 The coercive force can obtain a desired value by adjusting the composition and the film thickness. Furthermore, it is possible to exchange-couple the antiferromagnetic film to transition metals such as Ni, Fe, and Co and alloys thereof to increase the magnetic field for magnetization reversal.
磁気抵抗効果膜表面に検出対象である生体物質１０６が特異的に結合する物質１０７を固定しておく。このために、磁気抵抗効果膜上部には固定化膜１１０が形成される。また、標識として用いられる磁性粒子１０４表面にも検出対象である生体物質が特異的に固定される物質１０５が修飾される。そのようにすることで、検出対象である生体物質１０６が検体溶液中に存在する場合にのみ、磁性粒子１０４が磁気抵抗効果膜表面に固定され、生体物質１０６を検出することが可能となる。検出対象である生体物質１０６は例えば抗原であり、これに特異的に結合する物質１０５／１０７は例えば抗体である。あるいは検出対象である生体物質１０６は例えばＤＮＡであり、これに特異的に結合する物質１０５/１０７は相補的なＤＮＡである。 A substance 107 to which the biological substance 106 to be detected specifically binds is fixed on the surface of the magnetoresistive film. For this purpose, a fixed film 110 is formed on the magnetoresistive film. In addition, the surface of the magnetic particle 104 used as a label is modified with a substance 105 on which a biological substance to be detected is specifically immobilized. By doing so, the magnetic particles 104 are fixed to the magnetoresistive film surface only when the biological material 106 to be detected is present in the sample solution, and the biological material 106 can be detected. The biological substance 106 to be detected is, for example, an antigen, and the substance 105/107 that specifically binds thereto is, for example, an antibody. Alternatively, the biological substance 106 to be detected is, for example, DNA, and the substance 105/107 that specifically binds to this is complementary DNA.
検出の際には、磁界を印加し、磁気抵抗効果膜の電圧の値から生体分子の有無や数を検出する。例えば図１に示す様に膜面内方向に磁界１１１を印加した場合、磁性粒子１０４はこの磁界方向に磁化され、磁気抵抗効果膜に対して、印加磁界１１１の方向とは逆方向に浮遊磁界１１２が印加される。したがって、検体溶液中に検出対象である生体分子１０６が存在し、特異的に磁性粒子１０４が固定されれば、検出層１０１の磁化反転はし難くなる。つまり、磁気抵抗効果膜の電圧（電気抵抗）と印加磁界の大きさの関係から生体物質１０６を間接的に検出することが可能である。 At the time of detection, a magnetic field is applied, and the presence or number of biomolecules is detected from the voltage value of the magnetoresistive film. For example, when a magnetic field 111 is applied in the in-plane direction as shown in FIG. 1, the magnetic particles 104 are magnetized in this magnetic field direction, and the stray magnetic field is opposite to the direction of the applied magnetic field 111 with respect to the magnetoresistive film. 112 is applied. Therefore, if the biomolecule 106 to be detected exists in the sample solution and the magnetic particles 104 are specifically fixed, it is difficult to reverse the magnetization of the detection layer 101. That is, the biological material 106 can be indirectly detected from the relationship between the voltage (electric resistance) of the magnetoresistive film and the magnitude of the applied magnetic field.
図２は検出層に一方向異方性を有する反強磁性体膜と強磁性体膜の交換結合膜を用いた場合の検出信号について説明する図であり、印加磁界の大きさと磁気抵抗効果膜の電気抵抗の関係を示す。実線は生体物質が無い場合を示し、破線は生体分子が存在し、磁性粒子がセンサ素子上部に固定された場合を示す。 FIG. 2 is a diagram for explaining a detection signal when an anti-ferromagnetic film having unidirectional anisotropy and an exchange coupling film of a ferromagnetic film are used as a detection layer. The relationship of electrical resistance is shown. A solid line indicates a case where there is no biological material, and a broken line indicates a case where a biomolecule exists and magnetic particles are fixed on the upper part of the sensor element.
印加磁界の大きさは、使用する磁性粒子の大きさや磁気特性、磁気抵抗効果膜の磁気特性等によって適宜選択されるが、磁性粒子の磁化が飽和する磁界強度以上とすると高感度で検出することが可能となる。したがって、検出層の磁化反転磁界は磁性粒子の磁化飽和磁界程度とすることが好ましい。ただし、磁性粒子の磁化飽和磁界よりも小さな磁界であっても検出可能である場合は、検出層の磁化反転磁界を磁性粒子の磁化飽和磁界よりも小さくしても良い。 The magnitude of the applied magnetic field, the size and magnetic characteristics of the magnetic particles used is appropriately selected depending on the magnetic characteristics of the magnetoresistance effect film, the magnetization of the magnetic particles to be detected with high sensitivity and higher magnetic field strength to saturate Is possible. Therefore, the magnetization reversal field of the detection layer is preferably about the magnetization saturation field of the magnetic particles. However, if it is possible to detect even a magnetic field smaller than the magnetization saturation magnetic field of the magnetic particles, the magnetization reversal magnetic field of the detection layer may be made smaller than the magnetization saturation magnetic field of the magnetic particles.
また、図１には１つのセンサ素子が図示されているが、複数のセンサを配し、多くの生体分子が検出できるようにしても良い。 Further, although one sensor element is shown in FIG. 1, a plurality of sensors may be provided so that many biomolecules can be detected.
なお、検出層が一方向異方性を有する反強磁性膜と強磁性膜の交換結合膜であり、磁界を印加しない状態では一方向異方性は印加磁界と反平行に向いているように構成することも好ましい。 It should be noted that the detection layer is an exchange coupling film of an antiferromagnetic film and a ferromagnetic film having unidirectional anisotropy, and the unidirectional anisotropy is oriented antiparallel to the applied magnetic field when no magnetic field is applied. It is also preferable to configure.
そして、検出層がＧｄ、Ｔｂ及び遷移金属の合金、あるいはＤｙと遷移金属の合金、あるいはＧｄ、Ｄｙと遷移金属の合金からなるフェリ磁性体であり、磁界を印加しない状態では検出層の磁化方向が印加磁界と反平行に向いている形態も好適である。 The detection layer is a ferrimagnetic material made of an alloy of Gd, Tb and a transition metal, an alloy of Dy and a transition metal, or an alloy of Gd, Dy and a transition metal, and the direction of magnetization of the detection layer when no magnetic field is applied A configuration in which is oriented antiparallel to the applied magnetic field is also suitable.
前述の磁性粒子は軟磁性体であること好ましい形態である。センサ素子と磁性粒子が検出対象である物質によって特異的に結合されていることが好ましい。 The above-mentioned magnetic particles are preferably a soft magnetic material. It is preferable that the sensor element and the magnetic particles are specifically bound by a substance to be detected.
なお、前述の検出装置を用いて磁性粒子を検出する方法としては、以下のように行うのがよい。具体的には、印加される磁界の強度を、検出層の磁化反転磁界よりも小さな磁界から徐々に大きくし、センサ素子の電圧の大きさを測定することで磁性粒子を検出する。 In addition, as a method of detecting magnetic particles using the above-described detection device, it is preferable to carry out as follows. Specifically, the magnetic particles are detected by gradually increasing the strength of the applied magnetic field from a magnetic field smaller than the magnetization reversal magnetic field of the detection layer, and measuring the magnitude of the voltage of the sensor element.
（実施例）
（実施例１）
本実施例では、前立腺特異抗原（ＰＳＡ）を検出するバイオセンサに本発明を適用した例について図３を用いて詳細に説明する。
(Example)
Example 1
In this embodiment, an example in which the present invention is applied to a biosensor for detecting prostate specific antigen (PSA) will be described in detail with reference to FIG.
半導体プロセスにより、Ｓｉ基板３１０上に選択トランジスタ３１１と、該選択トランジスタ３１１に電気的に接続された磁気抵抗効果膜を形成する。選択トランジスタ３１１にはセンサ素子に電流を流す電流源３０８と、電圧計３０９とが接続される。 A selection transistor 311 and a magnetoresistive film electrically connected to the selection transistor 311 are formed on the Si substrate 310 by a semiconductor process. The selection transistor 311 is connected to a current source 308 that supplies current to the sensor element and a voltmeter 309.
本実施例及び後述の実施例２では、選択トランジスタとしてｎ型のＭＯＳ ＦＥＴを用いた。選択トランジスタ３１１は、通常の方法で製造できるので特に製造方法については記載しない。 In this example and Example 2 described later, an n-type MOS FET was used as the selection transistor. Since the selection transistor 311 can be manufactured by a normal method, the manufacturing method is not particularly described.
磁気抵抗効果膜となる、Ｔａ、ＭｎＩｒ、ＣｏＦｅＢ、Ｒｕ、ＣｏＦｅＢ、ＭｇＯ、ＣｏＦｅＢ、ＭｎＩｒ、Ｔａを、スパッタリング法を用いて順次形成する。 Ta, MnIr, CoFeB, Ru, CoFeB, MgO, CoFeB, MnIr, and Ta, which are magnetoresistive films, are sequentially formed using a sputtering method.
ここで、ＭｎＩｒ／ＣｏＦｅＢ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢは磁化固定層３０３であり、非磁性膜３０２であるＭｇＯの後に形成されるＣｏＦｅＢ／ＭｎＩｒは検出層３０１である。 Here, MnIr / CoFeB / Ru / CoFeB is the magnetization fixed layer 303, and CoFeB / MnIr formed after MgO which is the nonmagnetic film 302 is the detection layer 301.
尚、Ｔａは、ＭｎＩｒの結晶性の向上及び磁気特性の劣化を防止する働きをする。 Note that Ta functions to improve the crystallinity of MnIr and prevent deterioration of magnetic properties.
これらの磁性膜は膜面内方向に一方向異方性、及び、一軸異方性を有する。磁化固定層３０３の２つのＣｏＦｅＢの磁化は相互作用により反平行に向く。また、磁化固定層３０３のＭｎＩｒと検出層３０１のＭｎＩｒの一方向異方性は反平行とする。 These magnetic films have unidirectional anisotropy and uniaxial anisotropy in the in-plane direction. The magnetizations of the two CoFeBs in the magnetization fixed layer 303 are antiparallel due to the interaction. The unidirectional anisotropy of MnIr of the magnetization fixed layer 303 and MnIr of the detection layer 301 is antiparallel.
成膜された磁気抵抗効果膜は、エッチング法を用い、選択トランジスタ３１１と接続される互いに絶縁されたセンサ素子に切り分けられる。本実施例においてはセンサ素子の大きさを３μｍ×９μｍとし、上記一方向異方性、及び、一軸異方性の方向は、素子長辺平行な方向とする。磁気抵抗効果膜の上部には、生体物質が特異的に結合する物質を固定しておく固定化膜となるＡｕからなる上部電極３１５及び非固定化膜３１２となるＳｉＮ膜が形成される。磁気抵抗効果膜と対応する領域の非固定化膜３１２となるＳｉＮ膜が除去され、上部電極３１５が露出されている。 The formed magnetoresistive film is cut into sensor elements that are insulated from each other and connected to the selection transistor 311 using an etching method. In this embodiment, the size of the sensor element is 3 μm × 9 μm, and the direction of the unidirectional anisotropy and the uniaxial anisotropy is a direction parallel to the long side of the element. On the magnetoresistive film, an upper electrode 315 made of Au serving as an immobilizing film for immobilizing a substance to which a biological substance specifically binds and an SiN film serving as an unimmobilized film 312 are formed. The SiN film that becomes the non-fixed film 312 in the region corresponding to the magnetoresistive effect film is removed, and the upper electrode 315 is exposed.
非固定化膜３１２となるＳｉＮ膜から露出している上部電極３１５上に抗体（第一の抗体）３０７が固定されている。非固定化膜は、抗体が固定されない膜で、抗体が固定化されない膜であればＳｉＮ以外の材料であっても良い。 An antibody (first antibody) 307 is immobilized on the upper electrode 315 exposed from the SiN film to be the non-immobilized film 312. The non-immobilized film may be a material other than SiN as long as the antibody is not immobilized and the antibody is not immobilized.
検査プロトコールは次の通りである。検体溶液をセンサ素子表面に滴下し５分間インキュベートし、リン酸緩衝生理食塩水によって、未反応のＰＳＡ３０６を洗浄除去する。次いで、磁性粒子３０４により標識された第二の抗体（標識抗体）３０５を含むリン酸緩衝生理食塩水をセンサ素子表面に滴下し、５分間インキュベートする。
The test protocol is as follows. The sample solution is dropped on the surface of the sensor element and incubated for 5 minutes, and
その後、未反応の標識抗体をリン酸緩衝生理食塩水で洗浄除去する。検体溶液中にＰＳＡ３０６が存在するならば、センサ素子表面上に磁性粒子３０４が固定される。
Thereafter, unreacted labeled antibody is washed away with phosphate buffered saline. If
磁性粒子３０４を固定させた後、磁化固定層３０３の一方向異方性の向きに磁界を印加する。磁界は、コイル３１３に電磁石用電源から電流をコイルに流すことで得ることができる。図３では、一方向異方性の向きがシリコン基板３１０の表面に平行な方向であるので、コイル３１３は、発生する磁界が、シリコン基板３１０の表面と平行になるように配置されている。尚、磁界の向きはいずれの方向であっても基板に平行な磁界であれば特に問題はない。 After the magnetic particles 304 are fixed, a magnetic field is applied in the direction of unidirectional anisotropy of the magnetization fixed layer 303. The magnetic field can be obtained by passing a current from the electromagnet power source to the coil 313. In FIG. 3, since the direction of unidirectional anisotropy is a direction parallel to the surface of the silicon substrate 310, the coil 313 is arranged so that the generated magnetic field is parallel to the surface of the silicon substrate 310. There is no particular problem as long as the magnetic field is in any direction as long as it is parallel to the substrate.
本実施例で用いる磁気抵抗効果素子の検出層３０１の磁化反転磁界は約５００Ｏｅである。本実施例で使用する磁性粒子３０４は、粒径が２００ｎｍで、ポリスチレン中に２０ｎｍの粒径のＦｅ2Ｏ3を複数含有する構造を持っている。Ｆｅ2Ｏ3は、磁化飽和磁界が、約１０ｋＯｅで、５００Ｏｅで飽和磁化の約７０％の磁化の大きさを示す軟磁性体である。検出時に印加磁界を４００Ｏｅから６００Ｏｅの範囲で徐々に大きくしていく。もし、磁性粒子３０４が素子上に固定されていれば、センサ素子の磁化反転は比較的大きな磁界で生じることから、ＰＳＡ３０６が検体溶液中に存在することが確認される。ひとつの素子に１０個程度の磁性粒子が固定されている場合、その素子で１０μＶの信号が検出される。ただし、この場合、検出電流の大きさは２０μＡで、素子上部から下部へ向けて流す。各素子に接続される選択トランジスタ３１１を順次ＯＮにしていき、全素子の検出信号を積算することで、素子上に固定される磁性粒子の個数を知ることが可能である。
The magnetization reversal magnetic field of the detection layer 301 of the magnetoresistive effect element used in this embodiment is about 500 Oe. The magnetic particles 304 used in this example have a structure in which the particle diameter is 200 nm and polystyrene contains a plurality of Fe 2 O 3 particles having a particle diameter of 20 nm. Fe 2 O 3 is a soft magnetic material having a magnetization saturation magnetic field of about 10 kOe and a magnetization magnitude of about 70% of saturation magnetization at 500 Oe. At the time of detection, the applied magnetic field is gradually increased in the range of 400 Oe to 600 Oe. If the magnetic particles 304 are fixed on the element, the magnetization reversal of the sensor element is caused by a relatively large magnetic field, so that it is confirmed that the
従来の磁気抵抗効果素子を用いた場合には、印加磁界の大きさは例えば１０Ｏｅ程度で、そのような磁界を印加した際に磁性粒子から生じる浮遊磁界は、本実施例において磁性粒子が発する浮遊磁界の大きさの２〜３％程度である。そのような場合、検出信号はノイズレベルよりも低く、磁性粒子の検出は不可能である。 When a conventional magnetoresistive element is used, the magnitude of the applied magnetic field is, for example, about 10 Oe, and the stray magnetic field generated from the magnetic particles when such a magnetic field is applied is a floating magnetic field generated by the magnetic particles in this embodiment. It is about 2-3% of the magnitude of the magnetic field. In such a case, the detection signal is lower than the noise level, and magnetic particles cannot be detected.
（実施例２）
本実施例では、実施例１と同様に前立腺特異抗原（ＰＳＡ）を検出するバイオセンサに本発明を適用した例について記載する。ただし、本実施例で用いる磁気抵抗効果膜は、垂直磁化膜である磁性体が用いられる。
(Example 2)
In this example, an example in which the present invention is applied to a biosensor that detects prostate specific antigen (PSA) as in Example 1 will be described. However, the magnetoresistive film used in this embodiment is a magnetic material that is a perpendicular magnetization film.
デバイスの回路構成は実施例１と同様である。磁気抵抗効果膜はＴａ、ＴｂＦｅＣｏ、ＦｅＣｏ、Ａｌ2Ｏ3、ＦｅＣｏ、ＧｄＤｙＦｅＣｏ、Ｔａをスパッタリングによって順次形成する。ＴｂＦｅＣｏ／ＦｅＣｏは磁化固定層４０３であり、ＦｅＣｏ／ＧｄＤｙＦｅＣｏは検出層４０１である。 The circuit configuration of the device is the same as in the first embodiment. The magnetoresistive effect film is formed by sputtering Ta, TbFeCo, FeCo, Al 2 O 3 , FeCo, GdDyFeCo, and Ta sequentially. TbFeCo / FeCo is the magnetization fixed layer 403, and FeCo / GdDyFeCo is the detection layer 401.
これらの磁性膜は膜面垂直方向に一軸異方性を有する。本実施例で用いられるフェリ磁性膜、すなわちＴｂＦｅＣｏ膜とＧｄＤｙＦｅＣｏ膜の組成はいずれも遷移金属副格子磁化優勢な組成とする。ただし、希土類副格子磁化優勢となる組成としても本発明は実施可能である。 These magnetic films have uniaxial anisotropy in the direction perpendicular to the film surface. The composition of the ferrimagnetic film used in this example, that is, the TbFeCo film and the GdDyFeCo film, is a composition in which transition metal sublattice magnetization is dominant. However, the present invention can also be implemented as a composition that has a rare earth sublattice magnetization dominant.
また、磁化固定層４０３の２つの膜の遷移金属副格子磁化は交換結合により常に平行となっている。検出層４０１についても同様である。検出層４０１の磁化方向（すなわち遷移金属副格子磁化方向）と磁化固定層４０３の磁化方向は、初期状態では反平行に向けておく。 The transition metal sublattice magnetizations of the two films of the fixed magnetization layer 403 are always parallel due to exchange coupling. The same applies to the detection layer 401. In the initial state, the magnetization direction of the detection layer 401 (that is, the transition metal sublattice magnetization direction) and the magnetization direction of the magnetization fixed layer 403 are set to be antiparallel.
成膜された磁気抵抗効果膜は、エッチング法を用い、選択トランジスタ４１１と接続される互いに絶縁されたセンサ素子に切り分けられる。選択トランジスタ４１１にはセンサ素子に電流を流す電流源４０８と、電圧計４０９とが接続される。 The formed magnetoresistive film is cut into sensor elements that are insulated from each other and connected to the selection transistor 411 using an etching method. The selection transistor 411 is connected to a current source 408 that supplies current to the sensor element and a voltmeter 409.
磁気抵抗効果膜の上部には、生体物質が特異的に結合する物質を固定しておく固定化膜となるＡｕからなる上部電極４１５及び非固定化膜４１２となるＳｉＮ膜が形成される。磁気抵抗効果膜と対応する領域の非固定化膜４１２となるＳｉＮ膜が除去され、上部電極４１５が露出されている。 On the magnetoresistive film, an upper electrode 415 made of Au serving as an immobilizing film for immobilizing a substance to which a biological substance specifically binds and an SiN film serving as an unimmobilized film 412 are formed. The SiN film that becomes the non-fixed film 412 in the region corresponding to the magnetoresistive effect film is removed, and the upper electrode 415 is exposed.
非固定化膜４１２となるＳｉＮ膜から露出している上部電極４１５上に抗体（第一の抗体）４０７が固定されている。非固定化膜は、抗体が固定されない膜で、抗体が固定化されない膜であればＳｉＮ以外の材料であっても良い。 An antibody (first antibody) 407 is immobilized on the upper electrode 415 exposed from the SiN film to be the non-immobilized film 412. The non-immobilized film may be a material other than SiN as long as the antibody is not immobilized and the antibody is not immobilized.
検査プロトコールは次の通りである。検体溶液をセンサ素子表面に滴下し５分間インキュベートし、リン酸緩衝生理食塩水によって、未反応のＰＳＡ４０６を洗浄除去する。次いで、磁性粒子４０４により標識された第二の抗体（標識抗体）４０５を含むリン酸緩衝生理食塩水をセンサ素子表面に滴下し、５分間インキュベートする。 The test protocol is as follows. The sample solution is dropped on the surface of the sensor element and incubated for 5 minutes, and unreacted PSA406 is washed away with phosphate buffered saline. Next, phosphate buffered saline containing a second antibody (labeled antibody) 405 labeled with magnetic particles 404 is dropped on the surface of the sensor element and incubated for 5 minutes.
その後、未反応の標識抗体をリン酸緩衝生理食塩水で洗浄除去する。本実施例で用いる磁性粒子４０４の粒径は２００ｎｍとした。検体溶液中にＰＳＡ４０６が存在するならば、センサ素子表面上に磁性粒子４０４が固定される。
Thereafter, unreacted labeled antibody is washed away with phosphate buffered saline. The particle size of the magnetic particles 404 used in this example was 200 nm. If
磁性粒子４０４を固定させた後、磁化固定層４０３の一方向異方性の向きに磁界を印加する。磁界は、コイル４１３に電磁石用電源から電流をコイルに流すことで得ることができる。図４では、一方向異方性の向きがシリコン基板４１０の表面に垂直な方向であるので、コイル４１３は、発生する磁界が、シリコン基板４１０の表面と垂直になるように配置されている。尚、磁界の向きはいずれの方向であっても基板に垂直な磁界であれば特に問題はない。 After the magnetic particles 404 are fixed, a magnetic field is applied in the direction of unidirectional anisotropy of the magnetization fixed layer 403. The magnetic field can be obtained by passing a current from the electromagnet power source to the coil 413. In FIG. 4, since the direction of unidirectional anisotropy is a direction perpendicular to the surface of the silicon substrate 410, the coil 413 is arranged so that the generated magnetic field is perpendicular to the surface of the silicon substrate 410. There is no particular problem as long as the magnetic field is in any direction as long as it is perpendicular to the substrate.
本実施例で用いる磁気抵抗効果膜を用いたセンサ素子の検出層４０１の磁化反転磁界は約１ｋＯｅである。本実施例で使用する磁性粒子４０４の粒径は１００ｎｍで、ポリスチレン中に１５ｎｍの粒径のＦｅ2Ｏ3を複数含有する構造を持っている。Ｆｅ2Ｏ3は、磁化飽和磁界が、約１０ｋＯｅで、１ｋＯｅで飽和磁化の約８０％の磁化の大きさを示す軟磁性体である。検出時に印加磁界を９００Ｏｅから１１００Ｏｅの範囲で徐々に大きくしていく。もし、磁性粒子４０４がセンサ素子上に固定されていれば、センサ素子の磁化反転は比較的大きな磁界で生じることから、ＰＳＡが検体溶液中に存在することが確認される。 The magnetization reversal field of the detection layer 401 of the sensor element using the magnetoresistive film used in this example is about 1 kOe. The particle size of the magnetic particles 404 used in this example is 100 nm, and has a structure containing a plurality of Fe 2 O 3 particles having a particle size of 15 nm in polystyrene. Fe 2 O 3 is a soft magnetic material having a magnetization saturation magnetic field of about 10 kOe and a magnetization magnitude of about 80% of saturation magnetization at 1 kOe. At the time of detection, the applied magnetic field is gradually increased in the range of 900 Oe to 1100 Oe. If the magnetic particles 404 are fixed on the sensor element, the magnetization reversal of the sensor element is caused by a relatively large magnetic field, so that it is confirmed that PSA is present in the sample solution.
１０１、３０１、４０１ 検出層
１０２、３０２、４０２ 非磁性層
１０３、３０３、４０３ 磁化固定層
１０４、３０４、４０４、６０２ 磁性粒子
１０５、１０７ 特異的結合物質
１０６ 生体物質（検出対象）
１０８、３０８、４０８ 電流源
１０９ 電圧検出手段
１１０ 固定化膜
１１１ 磁界
１１２、６０４ 浮遊磁界
３０５、４０５ 第二の抗体
３０６、４０６ ＰＳＡ
３０７、４０７ 第一の抗体
３０９、４０９ 電圧計
３１０、４１０ シリコン基板
３１１、４１１ 選択トランジスタ
３１２、４１２ 非固定化膜
３１３、４１３、５０４ コイル
３１４、４１４、５０５ 電磁石用電源
３１５、４１５ 上部電極
５０１ センサ素子
５０２ リファレンス素子
５０３ センスアンプ
５０６ ロックインアンプ
５０７ 正弦波発生装置
５０８ コンピュータ
６０１ 磁気抵抗効果素子
６０３ 交流磁界
６０５ 磁化ベクトル
101, 301, 401 Detection layer 102, 302, 402 Nonmagnetic layer 103, 303, 403 Magnetization fixed layer 104, 304, 404, 602 Magnetic particle 105, 107 Specific binding substance 106 Biological substance (detection target)
108, 308, 408 Current source 109 Voltage detection means 110 Immobilized film 111 Magnetic field 112, 604 Floating magnetic field 305, 405
307, 407 First antibody 309, 409 Voltmeter 310, 410 Silicon substrate 311, 411 Select transistor 312, 412 Non-immobilized film 313, 413, 504 Coil 314, 414, 505 Electromagnet power supply 315, 415 Upper electrode 501 Sensor Element 502 Reference element 503 Sense amplifier 506 Lock-in amplifier 507 Sine wave generator 508 Computer 601 Magnetoresistive element 603 AC magnetic field 605 Magnetization vector
Claims (7)
前記第２の磁性膜の磁化方向が前記磁気発生手段から印加される磁界の方向と平行であり、
前記第１の磁性膜が、１００Ｏｅ以上で磁化反転する磁性膜であり、
前記磁気発生手段から印加される磁界が、前記第２の磁性膜の一方向異方性の向きであることを特徴とする検出装置。 A sensor element for detecting magnetic particles, comprising a magnetoresistive film in which a first magnetic film serving as a detection layer, a nonmagnetic film, and a second magnetic film serving as a magnetization fixed layer are laminated in this order; comprising a power source for supplying a current to the sensor element, a voltage detecting means for detecting a voltage of said sensor element, and a magnetism generating means for applying a magnetic field in the easy magnetization direction of the detection layer, the magnetic on the sensor element by applying a magnetic field from the generating means, a detection device for detecting the magnetic particles from the magnitude of the voltage detected at the applied magnetic field strength the sensor element,
The magnetization direction of the second magnetic film is parallel to the direction of the magnetic field applied from the magnetism generating means;
The first magnetic film is a magnetic film whose magnetization is reversed at 100 Oe or more;
The detection apparatus according to claim 1, wherein the magnetic field applied from the magnetism generation unit is unidirectionally anisotropic in the second magnetic film.
磁界を印加しない状態では前記一方向異方性は印加磁界と反平行に向いていることを特徴とする請求項１に記載の検出装置。 The detection layer is an exchange coupling film of an antiferromagnetic film and a ferromagnetic film having unidirectional anisotropy,
The detection apparatus according to claim 1, wherein the unidirectional anisotropy is antiparallel to the applied magnetic field when no magnetic field is applied.
磁界を印加しない状態では前記検出層の磁化方向が印加磁界と反平行に向いていることを特徴とする請求項１に記載の検出装置。 The detection layer is a ferrimagnetic material composed of an alloy of Gd, Tb, and a transition metal, an alloy of Dy and a transition metal, or an alloy of Gd, Dy, and a transition metal,
The detection device according to claim 1, wherein in a state where no magnetic field is applied, the magnetization direction of the detection layer is antiparallel to the applied magnetic field.
前記印加される磁界の強度を、前記検出層の磁化反転磁界よりも小さな磁界から徐々に大きくし、前記センサ素子の電圧の大きさを測定することで前記磁性粒子を検出することを特徴とする検出方法。 A method for detecting the magnetic particles using the detection device according to any one of claims 1 to 5,
The strength of the applied magnetic field is gradually increased from a magnetic field smaller than the magnetization reversal magnetic field of the detection layer, and the magnetic particles are detected by measuring the magnitude of the voltage of the sensor element. Detection method.
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