JP6812986B2 - センサ及びバイオチップ - Google Patents
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Description
本発明は、バイオセンサ、生体分子の検出方法、及びバイオチップに関する。
本願は、２０１５年１１月１０日に、日本に出願された特願２０１５−２２０７２８号、及び２０１６年６月２４日に、日本に出願された特願２０１６−１２５９６１号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
本願は、２０１５年１１月１０日に、日本に出願された特願２０１５−２２０７２８号、及び２０１６年６月２４日に、日本に出願された特願２０１６−１２５９６１号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
磁気センサとしては、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）素子、磁気トンネル接合（ＴＭＲ）素子、異方性磁気抵抗効果（ＡＭＲ）等の磁気抵抗効果素子を用いることが多い（特許文献１参照）。磁気抵抗効果素子は、入力される磁界に応じて出力される抵抗値が変化する素子であり、この出力される抵抗値に基づいて、検出された磁界の変化を計測することができる。
図７及び図８は、従来のバイオセンサ５００を説明する図である。図７に示すように、バイオセンサ５００は、基板１０１と、磁気抵抗効果素子１０２と、保護膜１０７と、標的とする生体分子を捕捉する生体分子捕捉層１０９とを、この順に備えている。試料中の生体分子が、生体分子捕捉層１０９に捕捉され、前記生体分子に親和性を有する磁気ビーズが、前記生体分子を介して生体分子捕捉層１０９上に捕捉された後に、磁界を横向きに印加すると（印加磁界１０５）、磁気ビーズ１０４から浮遊磁界１１１が発生し、浮遊磁界１１１が磁気抵抗効果素子１０２に入力される。
図８は、従来のバイオセンサ５００に用いられる、従来の磁気抵抗効果素子１０２の詳細を示した図である。図８に示すように、磁気抵抗効果素子１０２は、三本一組のミアンダ構造を有している。
図７に示すように、従来のバイオセンサ５００では、外部磁界の印加方向が磁気抵抗効果素子１０２の感磁方向と一致しているため、磁気ビーズ１０４からの浮遊磁界１１１を増やすために外部磁界として印加磁界１０５を強めると、磁気抵抗効果素子の感磁層の磁化が飽和してしまい、必要な出力が得られなくなってしまう問題点があった。
図８に示すように、ミアンダ構造では、磁気ビーズ１０４が磁気抵抗効果素子１０２上に配置される場合と、磁気抵抗効果素子１０２間に配置される場合とがある。係る配置の違いにより、即ち、磁気抵抗効果素子１０２と磁気ビーズ１０４との相対位置により出力が変動するため、磁気ビーズの数量又は濃度の測定値にバラツキが生じて、十分な精度が得られない問題点があった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、高精度かつ高感度に試料中の生体分子を検出するバイオセンサ、前記バイオセンサを用いた生体分子の検出方法、及び前記バイオセンサを用いたバイオチップを提供する。
上記課題を解決するために、本発明のバイオセンサは、試料中の生体分子を検出するためのバイオセンサであって、基板と、入力される磁界の向きに応じて検出される抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子に隣接配置された軟磁性体薄膜と、前記軟磁性体薄膜の表面を覆う保護膜と、を備え、前記保護膜は、その外表面に前記生体分子を認識する第一の親和性物質を備え、前記軟磁性体薄膜は、前記軟磁性体薄膜上に集積される磁気ビーズの浮遊磁界の積層面内方向成分を前記磁気抵抗効果素子へ伝達する機能を有することを特徴とする。
上記構成により、試料中に含まれている生体分子の分子数を算出でき、試料中の生体分子の定量性を高精度かつ高感度に確保できる。
更に、前記磁気抵抗効果素子は、磁化固定層と磁化自由層とを備えたスピンバルブ型素子であり、前記磁化固定層の磁化固定方向は、前記軟磁性体薄膜の端面から入力される磁界である漏れ磁界と、略平行又は略反平行であり、かつ、前記磁気抵抗効果素子の膜面方向であることにより、より高感度に試料中の生体分子を検出できる。
更に、前記磁気抵抗効果素子と前記基板との間に、検出対象電流に基づいて、前記磁気抵抗効果素子に対して印加される磁界とは逆方向の補償磁界を磁気抵抗効果素子に付与する補償電流線を備えることにより、環境温度や外部からのノイズに起因する磁気抵抗効果素子の抵抗の予期せぬ変化による悪影響を低減できるため、磁界検出精度が向上する。
更に、前記磁気抵抗効果素子は、第一の磁気抵抗効果素子と第二の磁気抵抗効果素子とからなり、各々前記軟磁性体薄膜を挟んで両側に位置し、更に、接続点間の作動電圧を検出可能なように構成されたハーフブリッジ回路を備えることにより、磁界の検出精度の向上を図ることができる。
更に、前記第一の磁気抵抗効果素子及び第二の磁気抵抗効果素子は、磁化固定層と磁化自由層とを備えたスピンバルブ型素子であり、前記磁化固定層の磁化固定方向は、前記軟磁性体薄膜の端面から入力される磁界である漏れ磁界と、略平行又は略反平行であり、かつ、前記磁気抵抗効果素子の膜面方向であり、前記第一の磁気抵抗効果素子の磁化固定方向と前記第二の磁気抵抗効果素子の磁化固定方向が略平行であることにより、より高感度に試料中の生体分子を検出できる。
更に、前記磁気抵抗効果素子と前記基板との間に、検出対象電流に基づいて、前記第一の磁気抵抗効果素子及び前記第二の磁気抵抗効果素子に対して印加される各磁界とは逆方向の補償磁界を前記第一の磁気抵抗効果素子及び前記第二の磁気抵抗効果素子の各々に付与する補償電流線を備えることにより、環境温度や外部からのノイズに起因する磁気抵抗効果素子の抵抗の予期せぬ変化による悪影響を低減できるため、磁界検出精度が向上する。
更に、前記基板に対向する磁気抵抗効果素子の主面と前記基板に対向する前記軟磁性体薄膜の主面とが、前記基板に対する法線方向において異なる位置に配置されていることにより、検出磁界が前記磁気抵抗効果素子に効率よく入力され、磁界検出精度が向上する。
本発明の生体分子の検出方法は、前記本発明のバイオセンサを用いた生体分子の検出方法であって、前記生体分子を含有する試料を前記保護膜に接触させて、前記生体分子を前記第一の親和性物質を介して前記保護膜上に集積させる工程と、前記磁気ビーズを前記保護膜に接触させて、前記生体分子を介して前記保護膜上に集積させる工程と、前記軟磁性体薄膜と交差する方向に磁界を印加して、検出磁界を前記磁気抵抗効果素子に入力させ、抵抗値を検出する工程と、を有することを特徴とする。
上記構成により、試料中の生体分子の定量性を確保でき、試料中の生体分子を高感度かつ高精度に検出できる。
本発明の生体分子の検出方法は、前記本発明のバイオセンサを用いた生体分子の検出方法であって、前記生体分子を含有する試料と前記磁気ビーズとを混合し、前記第一の親和性物質の前記生体分子認識部位とは異なる部位を認識する第二の親和性物質を介し前記磁気ビーズに前記生体分子を捕捉させる工程と、前記生体分子を捕捉した磁気ビーズを前記保護膜に接触させて、前記生体分子を介して、前記磁気ビーズを前記保護膜上に集積させる工程と、前記軟磁性体薄膜と交差する方向に磁界を印加して、検出磁界を前記磁気抵抗効果素子に入力させ、抵抗値を検出する工程と、を有することを特徴とする。
上記構成により、試料中の生体分子の定量性を確保でき、試料中の生体分子を高感度かつ高精度に検出できる。
本発明のバイオチップは、前記本発明のバイオセンサを備えたことを特徴とする。
上記構成により、高感度かつ高精度の診断を行うことができる。
本発明によれば、高精度かつ高感度に試料中の生体分子を検出するバイオセンサ、前記バイオセンサを用いた生体分子の検出方法、及び前記バイオセンサを用いたバイオチップを提供することできる。
本発明のバイオセンサの実施の形態について説明する。
なお、本実施の形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
なお、本明細書において、「バイオセンサ」とは、酵素、抗原、抗体、核酸（ＤＮＡ，ＲＮＡ等に限らず、例えば、ＬＮＡ等の人工核酸も含む。）等の生体材料（天然由来であってもよく、化学合成したものであってもよい。）を感知するセンサを意味する。
なお、本実施の形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
なお、本明細書において、「バイオセンサ」とは、酵素、抗原、抗体、核酸（ＤＮＡ，ＲＮＡ等に限らず、例えば、ＬＮＡ等の人工核酸も含む。）等の生体材料（天然由来であってもよく、化学合成したものであってもよい。）を感知するセンサを意味する。
［バイオセンサ］
＜第一実施形態＞
図１は、第一実施形態のバイオセンサ主要部の斜視図であり、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。以下にて記述する、第一の平面、第二の平面、第三の平面、第四の平面は仮想的な平面で、平面上の部材の位置関係を定義するために便宜的に導入したものである。
＜第一実施形態＞
図１は、第一実施形態のバイオセンサ主要部の斜視図であり、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。以下にて記述する、第一の平面、第二の平面、第三の平面、第四の平面は仮想的な平面で、平面上の部材の位置関係を定義するために便宜的に導入したものである。
本実施形態のバイオセンサ１０は、試料中の生体分子を検出する。
バイオセンサ１０は、基板１と、入力される磁界の向きに応じて検出される抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子２と、磁気抵抗効果素子２に隣接配置された軟磁性体薄膜３と、軟磁性体薄膜３の表面を覆う保護膜７と、を備え、保護膜７は、その外表面に前記生体分子を認識する第一の親和性物質を備える。
更に、本実施形態においては、前記第一の親和性物質の前記生体分子認識部位とは異なる部位を認識する第二の親和性物質を備えた磁気ビーズ４が、前記保護膜７上に、第一の親和性物質−生体分子−第二の親和性物質複合体を介して集積し、軟磁性体薄膜３と交差する方向に磁界（印加磁界５）を印加したときに、検出磁界６（漏れ磁界）が磁気抵抗効果素子２に入力される。
バイオセンサ１０は、基板１と、入力される磁界の向きに応じて検出される抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子２と、磁気抵抗効果素子２に隣接配置された軟磁性体薄膜３と、軟磁性体薄膜３の表面を覆う保護膜７と、を備え、保護膜７は、その外表面に前記生体分子を認識する第一の親和性物質を備える。
更に、本実施形態においては、前記第一の親和性物質の前記生体分子認識部位とは異なる部位を認識する第二の親和性物質を備えた磁気ビーズ４が、前記保護膜７上に、第一の親和性物質−生体分子−第二の親和性物質複合体を介して集積し、軟磁性体薄膜３と交差する方向に磁界（印加磁界５）を印加したときに、検出磁界６（漏れ磁界）が磁気抵抗効果素子２に入力される。
図２に示すように、基板１の主面から離間して位置し、基板１の主面と略平行な第一の平面１００には、磁気抵抗効果素子２が配置される。また、第一の平面１００よりも基板１の主面から離間して位置する第二の平面２００には、軟磁性体薄膜３が配置される。即ち、本実施形態においては、基板１に対向する磁気抵抗効果素子２の主面と、基板１に対向する軟磁性体薄膜３の主面とが、基板１に対する法線方向において異なる位置に配置されている。
軟磁性体薄膜３の表面は、保護膜７で覆われており、保護膜７の外表面は、検出対象の生体分子を捕捉する第一の親和性物質を備えている。磁気ビーズ４も生体分子を捕捉する第二の親和性物質を備えている。第一の親和性物質と第二の親和性物質は、お互いに生体分子中の異なる部位を認識する。即ち、第一の親和性物質−生体分子−第二の親和性物質複合体の形成を可能とする。
更に、第一の平面及び第二の平面よりも基板１の主面から離間して位置する図示略の第三の平面には、図示略の電極端子が配置される。電極端子は、図示略の内部配線を経由して磁気抵抗効果素子２と接続される。
更に、第一の平面及び第二の平面よりも基板１の主面から離間して位置する図示略の第三の平面には、図示略の電極端子が配置される。電極端子は、図示略の内部配線を経由して磁気抵抗効果素子２と接続される。
基板１としては、シリコンやＡｌＴｉＣ（アルティック）等の半導体や導電体、又はアルミナやガラス等の絶縁体から構成されるものが挙げられ、その形態は特に問われるものではない。
基板１の厚さは、特に限定はないが、例えば４００μｍ以上２０００μｍ以下であればよい。基板１の厚さがこのような範囲であることで、適度な強度を有し、薄型化及び軽量化されたバイオセンサを得ることができる。
ここで、「基板の厚さ」とは、基板全体の厚さを意味し、例えば、複数層からなる基板の厚さとは、基板を構成するすべての層の合計の厚さを意味する。
基板１の厚さは、特に限定はないが、例えば４００μｍ以上２０００μｍ以下であればよい。基板１の厚さがこのような範囲であることで、適度な強度を有し、薄型化及び軽量化されたバイオセンサを得ることができる。
ここで、「基板の厚さ」とは、基板全体の厚さを意味し、例えば、複数層からなる基板の厚さとは、基板を構成するすべての層の合計の厚さを意味する。
第一の平面１００に配置される磁気抵抗効果素子２は、積層面内の一定方向に固着された磁化方向を有する磁化固定層と、外部磁界に応じて磁化方向が変化する磁化自由層と、を備えたスピンバルブ型素子であることが好ましく、磁化固定層の磁化固定方向は、前記軟磁性体薄膜の端面から入力される磁界である漏れ磁界と、略平行又は略反平行であり、かつ、前記磁気抵抗効果素子の膜面方向であることが好ましい。
本実施形態において、略平行又は略反平行とは、凡そ平行又は反平行であればよく、０．１゜以上１０゜以下の範囲でずれていてもよい。
更に、磁気抵抗効果素子２は、磁化固定層と、非磁性体の導体又は絶縁体からなる中間層と、磁化自由層と、を含み、磁化固定層と磁化自由層とで中間層を挟む積層体を有していることがより好ましい。
なお、中間層が導体の場合、磁気抵抗効果素子２は、一般にＧＭＲ（巨大磁気抵抗効果素子）と呼ばれ、絶縁体の場合、ＴＭＲ（トンネル型磁気抵抗効果素子）と呼ばれる。磁気抵抗効果素子２の抵抗は、磁化固定層の磁化方向と磁化自由層の平均の磁化方向の角度に応じて変化する。一般に、磁化固定層の磁化方向を感磁方向と定義する。
本実施形態において、略平行又は略反平行とは、凡そ平行又は反平行であればよく、０．１゜以上１０゜以下の範囲でずれていてもよい。
更に、磁気抵抗効果素子２は、磁化固定層と、非磁性体の導体又は絶縁体からなる中間層と、磁化自由層と、を含み、磁化固定層と磁化自由層とで中間層を挟む積層体を有していることがより好ましい。
なお、中間層が導体の場合、磁気抵抗効果素子２は、一般にＧＭＲ（巨大磁気抵抗効果素子）と呼ばれ、絶縁体の場合、ＴＭＲ（トンネル型磁気抵抗効果素子）と呼ばれる。磁気抵抗効果素子２の抵抗は、磁化固定層の磁化方向と磁化自由層の平均の磁化方向の角度に応じて変化する。一般に、磁化固定層の磁化方向を感磁方向と定義する。
磁化自由層は、例えば、ＮｉＦｅ等の軟磁性膜から構成される。中間層は、例えば、Ｃｕ等の導電体膜、又は、アルミナ・酸化マグネシウム等の絶縁体膜から構成される。
磁化固定層は、反強磁性膜と磁化固定膜とからなり、磁化固定膜が中間層と接する。反強磁性膜は例えばＩｒＭｎやＰｔＭｎ等の反強磁性Ｍｎ合金等から構成される。磁化固定膜は、例えば、ＣｏＦｅやＮｉＦｅ等の強磁性体から構成されるか、或いは、Ｒｕの薄膜層をＣｏＦｅ等で挟む構成をとってもよい。
磁化固定層は、反強磁性膜と磁化固定膜とからなり、磁化固定膜が中間層と接する。反強磁性膜は例えばＩｒＭｎやＰｔＭｎ等の反強磁性Ｍｎ合金等から構成される。磁化固定膜は、例えば、ＣｏＦｅやＮｉＦｅ等の強磁性体から構成されるか、或いは、Ｒｕの薄膜層をＣｏＦｅ等で挟む構成をとってもよい。
軟磁性体薄膜３は、積層面の略法線方向に印加された磁界（印加磁界５）の方向を変え、軟磁性体薄膜３の積層面端部に漏れ磁界（検出磁界６）として、磁気抵抗効果素子２の感磁方向の磁界成分を生成する機能と、軟磁性体薄膜３上に集積される磁気ビーズ４の浮遊磁界の積層面内方向成分を磁気抵抗効果素子２へ伝達する機能とがある。
軟磁性体薄膜３は、軟磁性体薄膜３に印加される磁界の印加方向から見て、磁気抵抗効果素子２の磁化固定方向に沿って同一直線上に配置されていることが好ましい。また、図２では、印加磁界５の方向（図２の符号５で示す方向）から平面視して軟磁性体薄膜３と、磁気抵抗効果素子２とが重ならない（軟磁性体薄膜３と磁気抵抗効果素子２とが基板１に平行な面に投影した場合に重ならない）場合を図示しているが、後述の実施例３に示すように、印加磁界５の方向から平面視して軟磁性体薄膜３が磁気抵抗効果素子２に重なる様に配置されてもよいし、また、印加磁界５の方向から平面視して軟磁性体薄膜３が磁気抵抗効果素子２に接する様に配置されてもよい。バイオセンサの感度（磁性ビーズ１個当たり磁気抵抗効果素子が受ける磁界の大きさ）の観点で、接する様に配置する場合が最も好ましく、重なる様に配置する場合、重ならない様に配置する場合の順となる（図６（Ａ）参照）。一方、製造の容易さの観点では、平面視して軟磁性体薄膜３が磁気抵抗効果素子２と重なる様に配置されることが好ましい。
軟磁性体薄膜３は、軟磁性体薄膜３に印加される磁界の印加方向から見て、磁気抵抗効果素子２の磁化固定方向に沿って同一直線上に配置されていることが好ましい。また、図２では、印加磁界５の方向（図２の符号５で示す方向）から平面視して軟磁性体薄膜３と、磁気抵抗効果素子２とが重ならない（軟磁性体薄膜３と磁気抵抗効果素子２とが基板１に平行な面に投影した場合に重ならない）場合を図示しているが、後述の実施例３に示すように、印加磁界５の方向から平面視して軟磁性体薄膜３が磁気抵抗効果素子２に重なる様に配置されてもよいし、また、印加磁界５の方向から平面視して軟磁性体薄膜３が磁気抵抗効果素子２に接する様に配置されてもよい。バイオセンサの感度（磁性ビーズ１個当たり磁気抵抗効果素子が受ける磁界の大きさ）の観点で、接する様に配置する場合が最も好ましく、重なる様に配置する場合、重ならない様に配置する場合の順となる（図６（Ａ）参照）。一方、製造の容易さの観点では、平面視して軟磁性体薄膜３が磁気抵抗効果素子２と重なる様に配置されることが好ましい。
軟磁性体薄膜３は例えば、パーマロイ等が好ましい。
少なくとも軟磁性体薄膜３上には、絶縁膜からなる保護膜７が形成されていている。保護膜７としては、例えばアルミナ、窒化アルミ、酸化シリコン、窒化シリコン等の無機物や、ポリイミド等の有機物が好ましい。
軟磁性体薄膜３の大きさとしては、捕捉する磁気ビーズ４の数や大きさによって適宜選択されるが、０．１μｍ以上１０００μｍ以下四方が好ましく、０．５μｍ以上５００μｍ以下四方がより好ましく、５０μｍ以上２００μｍ以下四方が特に好ましい。
軟磁性体薄膜３の厚みとしては、０．０１μｍ以上１００μｍ以下が好ましく、０．１μｍ以上５０μｍ以下がより好ましく、０．５μｍ以上５μｍ以下が特に好ましい。
少なくとも軟磁性体薄膜３上には、絶縁膜からなる保護膜７が形成されていている。保護膜７としては、例えばアルミナ、窒化アルミ、酸化シリコン、窒化シリコン等の無機物や、ポリイミド等の有機物が好ましい。
軟磁性体薄膜３の大きさとしては、捕捉する磁気ビーズ４の数や大きさによって適宜選択されるが、０．１μｍ以上１０００μｍ以下四方が好ましく、０．５μｍ以上５００μｍ以下四方がより好ましく、５０μｍ以上２００μｍ以下四方が特に好ましい。
軟磁性体薄膜３の厚みとしては、０．０１μｍ以上１００μｍ以下が好ましく、０．１μｍ以上５０μｍ以下がより好ましく、０．５μｍ以上５μｍ以下が特に好ましい。
磁気ビーズ４は、磁性を帯びている粒子であれば特に限定されないが、例えば酸化鉄粒子等が挙げられる。磁気ビーズ４の直径としては、保護膜７の面積との兼ね合いによるが、例えば、０．０１μｍ以上１００μｍ以下が好ましく、０．０５μｍ以上５０μｍ以下がより好ましく、０．１μｍ以上５μｍ以下が特に好ましい。
磁性ビーズ４は、生体分子と特異的に結合する第二の親和性物質を備え、第二の親和性物質を介して生体分子を捕捉する。磁性ビーズ４は、第二の親和性物質がコーティング処理等により付加されたものであってもよく、第二の親和性物質自体からなるものであってもよい。
磁気ビーズ４の表面は、捕捉する生体分子に応じて、ポリマーやシリカマトリックスでコーティング処理されることが好ましい。生体分子としてリガンドを捕捉したい場合には、磁気ビーズ４の表面は親水性であることが好ましく、生体分子として抗体を捕捉したい場合には、磁気ビーズ４の表面は疎水性であることが好ましい。
磁性ビーズ４は、生体分子と特異的に結合する第二の親和性物質を備え、第二の親和性物質を介して生体分子を捕捉する。磁性ビーズ４は、第二の親和性物質がコーティング処理等により付加されたものであってもよく、第二の親和性物質自体からなるものであってもよい。
磁気ビーズ４の表面は、捕捉する生体分子に応じて、ポリマーやシリカマトリックスでコーティング処理されることが好ましい。生体分子としてリガンドを捕捉したい場合には、磁気ビーズ４の表面は親水性であることが好ましく、生体分子として抗体を捕捉したい場合には、磁気ビーズ４の表面は疎水性であることが好ましい。
保護膜７の外表面は、試料中の生体分子と接触する表面である。この外表面は、検出対象の生体分子と特異的に結合する第一の親和性物質を備えている。また、磁気ビーズ４も生体分子と特異的に結合する第二の親和性物質を備えている。
これら親和性物質を備えることにより、検出対象の生体分子が試料中（検体中）に存在する場合にのみ、生体分子が保護膜７の外表面に第一の親和性物質を介して固定され、次いで、磁気ビーズ４が第二の親和性物質を介して生体分子と結合することにより、磁気ビーズ４が保護膜７表面に固定される。
これら親和性物質を備えることにより、検出対象の生体分子が試料中（検体中）に存在する場合にのみ、生体分子が保護膜７の外表面に第一の親和性物質を介して固定され、次いで、磁気ビーズ４が第二の親和性物質を介して生体分子と結合することにより、磁気ビーズ４が保護膜７表面に固定される。
検出対象の生体分子としては、例えば、ＤＮＡ、ｍＲＮＡ、ｍｉＲＮＡ、ｓｉＲＮＡ、人工核酸（例えば、ＬＮＡ（Ｌｏｃｋｅｄ Ｎｕｃｌｅｉｃ Ａｃｉｄ）、ＢＮＡ（Ｂｒｉｄｇｅｄ Ｎｕｃｌｅｉｃ Ａｃｉｄ））等の核酸（天然由来であってもよく、化学合成したものであってもよい。）；リガンド、サイトカイン、ホルモン等のペプチド；受容体、酵素、抗原、抗体等のタンパク質；細胞、ウイルス、細菌、真菌等が挙げられる。
検出対象の生体分子を含む試料としては、例えば、血液、血清、血漿、尿、パフィーコート、唾液、精液、胸部滲出液、脳脊髄液、涙液、痰、粘液、リンパ液、腹水、胸水、羊水、膀胱洗浄液、気管支肺胞洗浄液、細胞抽出液、細胞培養上清等が挙げられる。
検出対象の生体分子を含む試料としては、例えば、血液、血清、血漿、尿、パフィーコート、唾液、精液、胸部滲出液、脳脊髄液、涙液、痰、粘液、リンパ液、腹水、胸水、羊水、膀胱洗浄液、気管支肺胞洗浄液、細胞抽出液、細胞培養上清等が挙げられる。
また、検出対象の生体分子としては、検出対象となる生体分子に別の生体分子を複合体化させたもの、又は、検出対象となる生体分子を別の生体分子に変換したものであってもよい。例えば、ＲＮＡに対して、ビオチンを末端に有するＤＮＡをハイブリダイゼーションにより複合体化させたもの（以下、「ＲＮＡ−ＤＮＡ−ビオチン複合体」と称する場合がある。）等が挙げられる。複合体化によりＲＮＡにビオチンが付加されたことにより、ストレプトアビジンと特異的に結合することが可能となる。よって、例えば、ＲＮＡ−ＤＮＡ−ビオチン複合体に含まれるＲＮＡ、又はＤＮＡがハイブリダイズしていない核酸部分に対し、ハイブリダイズし得るＲＮＡ、又はＤＮＡを第一の親和性物質として用いることで、本実施形態のバイオセンサ上に捕捉し、更に、ストレプトアビジンを第二の親和性物質して用いることにより、前記ＲＮＡ−ＤＮＡ−ビオチン複合体を特異的に検出することができる。
生体分子と特異的に結合する第一の親和性物質及び第二の親和性物質としては、検出対象の生体分子が核酸の場合には、この核酸に相補的な核酸が挙げられ、検出対象の生体分子が抗原の場合には、抗原に親和性を有する抗体が挙げられ、検出対象の生体分子が１次抗体の場合には、この１次抗体に親和性を有する抗原、２次抗体が挙げられ、検出対象の生体分子が細胞、ウイルス、細菌、真菌等の場合には、これらの表面に提示されている抗原を認識する抗体が挙げられる。
検出対象の生体分子が、血液中に存在するｍｉＲＮＡの場合、第一の親和性物質としては、例えばこのｍｉＲＮＡの５’端１０塩基に相補的な第一の核酸が挙げられ、第二の親和性物質としては、このｍｉＲＮＡの３’端１０塩基に相補的な第二の核酸が挙げられる。
検出対象の生体分子が、血液中に存在する抗原タンパク質の場合、第一の親和性物質としては、例えばこの抗原タンパク質を認識する第一の抗体が挙げられ、第二の親和性物質としては、この抗原タンパク質を認識し、第一の抗体とはエピトープが異なる第二の抗体が挙げられる。
上述の説明では保護膜７表面に固定された生体分子に磁気ビーズ４が結合する例を挙げたが、本発明では、これに限定されず、予め磁気ビーズ４に検出対象の生体分子を結合させておき、これを試料として保護膜７表面に接触させてもよい。
軟磁性体薄膜３を覆う保護膜７表面への磁気ビーズ４固定方法は、従来の又は今後開発されるべきあらゆる技術が適用可能であり、磁気ビーズ４を測定することで間接的に検出対象の生体分子の存在を検出できるように構成されるものであれば、如何なる手法であっても構わない。なお、磁気抵抗効果素子２上部の保護膜７表面は、検出対象の生体分子と特異的に結合する第一の親和性物質を備えてない方が好ましい。
図示略の電極端子は、図示略の第三の平面に配置され、図示略の内部配線を経て磁気抵抗効果素子２と接続されており、磁気抵抗効果素子２の抵抗変化を出力として外部に取り出すことができる。電極端子及び内部配線としては、例えばＡｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ等の導体金属やこれらの合金等が好ましい。
磁気抵抗効果素子２と軟磁性体薄膜３と電極端子は、図示略の絶縁層で隔てられており、各部相互の電気的な短絡を防止できる。また、基板１が導電性材料の場合、基板１の主面には絶縁層が形成されており、基板１を経由した電気的短絡を防止できる。絶縁層としては、例えばアルミナ、窒化アルミ、酸化シリコン、窒化シリコン等の無機物や、ポリイミド等の有機物が好ましい。
生体分子を介して保護膜７上に磁気ビーズ４が集積し、軟磁性体薄膜３と交差する方向に磁界（印加磁界５）を印加したときに、検出磁界６（漏れ磁界）が磁気抵抗効果素子２に入力される。印加磁界５の方向としては、磁気抵抗効果素子２の主面に対して垂直であることが好ましい。印加磁界５としては、特に限定されないが、０．１ｍテスラ以上１００ｍテスラ以下が好ましく、１ｍテスラ以上１０ｍテスラ以下がより好ましい。印加磁界５が係る場合、漏れ磁界は、１ｎテスラ以上１０ｍテスラ以下が好ましく、１０μテスラ以上５ｍテスラ以下がより好ましく、５０μテスラ以上１ｍテスラ以下が特に好ましい。
検出磁界６（漏れ磁界）は、保護膜７を介して磁気抵抗効果素子２の主面上を占める磁気ビーズ４の割合によって影響を受ける。保護膜７に集積する磁気ビーズ４の数が多いほど、検出される抵抗値が増加する。実施例において後述するように、保護膜７に集積する磁気ビーズ４の数と漏れ磁界を介して検出される抵抗値は、線形相関している。
そして、磁気ビーズ４が備える第二の親和性物質の力価（例えば、第二の親和性物質が捕捉する生体分子の分子数）をもとに、保護膜７上に集積した生体分子全体の分子数を算出することができる。即ち、本実施形態によれば、試料中に含まれている生体分子の分子数を算出できる。このように、本実施形態においては、試料中の生体分子の定量性を高精度に確保できる。
そして、磁気ビーズ４が備える第二の親和性物質の力価（例えば、第二の親和性物質が捕捉する生体分子の分子数）をもとに、保護膜７上に集積した生体分子全体の分子数を算出することができる。即ち、本実施形態によれば、試料中に含まれている生体分子の分子数を算出できる。このように、本実施形態においては、試料中の生体分子の定量性を高精度に確保できる。
また、本実施形態のバイオセンサは、高感度であり、数十ナノテスラまで検出可能である。具体的には、磁気ビーズ１５００個に対して１０個の増減を検出できる。即ち約０．５％の変化を検出可能である。
更に、本実施形態のバイオセンサは、磁気ビーズを用いるため、蛍光と比べて高感度で寿命も長い。従ってＥＬＩＳＡ等の検出手段と比較して格段に優れている。
更に、本実施形態のバイオセンサは、磁気ビーズを用いるため、蛍光と比べて高感度で寿命も長い。従ってＥＬＩＳＡ等の検出手段と比較して格段に優れている。
＜第二実施形態＞
図３は、第二実施形態のバイオセンサ主要部の斜視図である。
本実施形態のバイオセンサ２０において、磁気抵抗効果素子は、第一の磁気抵抗効果素子１２と第二の磁気抵抗効果素子２２とからなり、各々軟磁性体薄膜３を挟んで両側に位置する。
更に、本実施形態のバイオセンサ２０は、接続点間の作動電圧を検出可能なように構成された図示略のハーフブリッジ回路を備えている。図３において、図１、２に示したバイオセンサ１０と同一の構成要素には同一符号を付して、その説明を省略する。
図３は、第二実施形態のバイオセンサ主要部の斜視図である。
本実施形態のバイオセンサ２０において、磁気抵抗効果素子は、第一の磁気抵抗効果素子１２と第二の磁気抵抗効果素子２２とからなり、各々軟磁性体薄膜３を挟んで両側に位置する。
更に、本実施形態のバイオセンサ２０は、接続点間の作動電圧を検出可能なように構成された図示略のハーフブリッジ回路を備えている。図３において、図１、２に示したバイオセンサ１０と同一の構成要素には同一符号を付して、その説明を省略する。
図３は、第二実施形態のバイオセンサ主要部の斜視図である。図３に示すように、本実施形態では、２つの磁気抵抗効果素子１２，２２の間に軟磁性体薄膜３が配置されている。各々の磁気抵抗効果素子１２，２２の磁化固定方向は同一であるが、軟磁性体薄膜３からの漏れ磁界の感磁方向成分の方向が逆向きとなるため、磁気抵抗効果素子１２，２２の抵抗変化の向きが逆向きとなる。２つの磁気抵抗効果素子１２，２２を直列接続する事で、２つの磁気抵抗効果素子１２，２２を接続する中点で差動電圧が出力されるため、第一実施形態のバイオセンサと比べて磁界の検出精度の向上を図ることができる。更に、図３の構成を２個組み合わせることで、ホイートストンブリッジ回路を構成して更に検出精度を向上させてもよい。
また、第一実施形態と同様、第一の磁気抵抗効果素子１２及び第二の磁気抵抗効果素子２２は、磁化固定層と磁化自由層とを備えたスピンバルブ型素子であることが好ましく、前記磁化固定層の磁化固定方向は、前記軟磁性体薄膜３の端面から入力される磁界である漏れ磁界と、略平行又は略反平行であり、かつ、前記磁気抵抗効果素子の膜面方向であり、前記第一の磁気抵抗効果素子１２の磁化固定方向と前記第二の磁気抵抗効果素子２２の磁化固定方向とが略平行であることが好ましい。係るスピンバルブ型素子を用いることにより、より高感度に試料中の生体分子を検出できる。
＜第三実施形態＞
図４は、第三実施形態のバイオセンサの断面図である。
本実施形態のバイオセンサ３０は、磁気抵抗効果素子２と基板１との間に、検出対象電流に基づいて、磁気抵抗効果素子２に対して印加される磁界とは逆方向の補償磁界を磁気抵抗効果素子に付与する補償電流線８を備える。
図４は、第三実施形態のバイオセンサの断面図である。
本実施形態のバイオセンサ３０は、磁気抵抗効果素子２と基板１との間に、検出対象電流に基づいて、磁気抵抗効果素子２に対して印加される磁界とは逆方向の補償磁界を磁気抵抗効果素子に付与する補償電流線８を備える。
図４に示すように、本実施形態では、第一実施形態に加えて補償電流線８が配置されている。補償電流線８は、基板１の主面と第一の平面１００との間に存在する第四の平面４００に配置されている。補償電流線８には、磁気抵抗効果素子２が検出する外部磁界を打ち消す方向の補償磁界を磁気抵抗効果素子２に付与するための補償電流が流される。補償電流を流すと、検出対象の外部磁界と補償磁界との合成磁界が磁気抵抗効果素子２に印加される。合成磁界は、磁気抵抗効果素子２の感磁方向成分を含む。合成磁界の感磁方向成分がゼロになる平衡点は、本実施形態のセンサにおける磁気抵抗効果素２子の磁界検知出力がゼロになる点である。この平衡点に達したときの補償電流の大きさは、検出対象の外部磁界に比例しているので、補償電流の値が分かれば、検出対象の外部磁界を検出できることになる。
補償電流線８の一端は、基板１の主面の法線方向に立ち上がる図示略の内部配線によって、図示略の電極端子と接続される。係る構成とすることにより、環境温度や外部からのノイズに起因する磁気抵抗効果素子２の抵抗の予期せぬ変化による悪影響を低減できるため、磁界検出精度が向上する。補償電流線８は、例えば、Ｃｕ等の導体から構成され、磁気抵抗効果素子２とは図示略の絶縁層で隔てられる。絶縁層としては、例えばアルミナ、窒化アルミ、酸化シリコン、窒化シリコン等の無機物や、ポリイミド等の有機物が好ましい。
更に、本実施形態においては、第二実施形態と同様に、磁気抵抗効果素子が、第一の磁気抵抗効果素子と第二の磁気抵抗効果素子とからなることが好ましい。即ち、本実施形態のバイオセンサは、磁気抵抗効果素子と基板との間に、検出対象電流に基づいて、第一の磁気抵抗効果素子及び第二の磁気抵抗効果素子に対して印加される各磁界とは逆方向の補償磁界を前記第一の磁気抵抗効果素子及び前記第二の磁気抵抗効果素子の各々に付与する補償電流線を備えていることが好ましい。係る構成により、更に磁界検出精度が向上する。
［生体分子の検出方法］
＜第一実施形態＞
本実施形態の生体分子の検出方法は、上述したバイオセンサを用いた生体分子の検出方法である。本実施形態の生体分子の検出方法は、前記生体分子を含有する試料を前記保護膜に接触させて、前記生体分子を前記第一の親和性物質を介して前記保護膜上に集積させる工程１と、前記磁気ビーズを前記保護膜に接触させて、前記生体分子を介して前記保護膜上に集積させる工程２と、前記軟磁性体薄膜と交差する方向に磁界を印加して、検出磁界を前記磁気抵抗効果素子に入力させ、抵抗値を検出する工程３と、を有する。
各工程について詳細に説明する。
＜第一実施形態＞
本実施形態の生体分子の検出方法は、上述したバイオセンサを用いた生体分子の検出方法である。本実施形態の生体分子の検出方法は、前記生体分子を含有する試料を前記保護膜に接触させて、前記生体分子を前記第一の親和性物質を介して前記保護膜上に集積させる工程１と、前記磁気ビーズを前記保護膜に接触させて、前記生体分子を介して前記保護膜上に集積させる工程２と、前記軟磁性体薄膜と交差する方向に磁界を印加して、検出磁界を前記磁気抵抗効果素子に入力させ、抵抗値を検出する工程３と、を有する。
各工程について詳細に説明する。
〈工程１〉
工程１は、生体分子を含有する試料を保護膜に接触させて、生体分子を第一の親和性物質を介して前記保護膜上に集積させる工程である。簡便である等の観点から、バイオセンサはマイクロ流体デバイス中で用いられることが好ましい。工程１において、まずマイクロ流路中に生体分子を含有する試料を流す。試料としては、検出対象の生体分子を含有するものであれば、特に限定されないが、例えば、本実施形態の生体分子の検出方法を疾患の診断に用いる場合には、疾患の発症が確認されている者、若しくは疾患の発症が疑われている者、又は疾患に対する治療を受けている患者等の被験者の血液、リンパ液、髄液、精液、唾液、尿等が挙げられる。
工程１は、生体分子を含有する試料を保護膜に接触させて、生体分子を第一の親和性物質を介して前記保護膜上に集積させる工程である。簡便である等の観点から、バイオセンサはマイクロ流体デバイス中で用いられることが好ましい。工程１において、まずマイクロ流路中に生体分子を含有する試料を流す。試料としては、検出対象の生体分子を含有するものであれば、特に限定されないが、例えば、本実施形態の生体分子の検出方法を疾患の診断に用いる場合には、疾患の発症が確認されている者、若しくは疾患の発症が疑われている者、又は疾患に対する治療を受けている患者等の被験者の血液、リンパ液、髄液、精液、唾液、尿等が挙げられる。
例えば、血中循環腫瘍細胞の表面に存在する抗原、受容体等のペプチド・タンパク質を検出対象にする場合には、マイクロ流路中に試料をそのまま流してもよい。例えば、ｍｉＲＮＡは、がん、心血管疾患、神経変性疾患、精神疾患、慢性炎症性疾患等の発症と進行に関わることが報告されている。ｍｉＲＮＡをはじめとして、ゲノムＤＮＡ、ｃＤＮＡ、Ｔｏｔａｌ ＲＮＡ、ｍＲＮＡ、ｒＲＮＡ等の核酸を検出対象とする場合には、血液、リンパ液、髄液、精液、唾液、尿等から核酸を抽出することが好ましい。抽出方法は、核酸の種類に応じて定法から適宜選択される。
マイクロ流路中を流れる試料中の生体分子は、保護膜上の第一の親和性物質に捕捉され、保護膜上に集積する。第一の親和性物質としては、上述した通り、核酸、抗体等が挙げられる。生体分子は、ハイブリダイゼーション、抗原抗体反応等により、保護膜上で、第一の親和性物質と複合体を形成する。
保護膜上に第一の親和性物質−生体分子複合体が形成された後、保護膜を、バッファー等を用いて洗浄することが好ましい。洗浄により、保護膜上に非特異的に結合している夾雑物を除去することができ、生体分子の検出精度を向上させることができる。
〈工程２〉
工程２は、磁気ビーズを保護膜に接触させて、生体分子を介して前記保護膜上に集積させる工程である。上述した通り、磁気ビーズは、生体分子を捕捉する第二の親和性物質を備えている。例えば、マイクロ流路中を磁気ビーズが流れ、保護膜と接触した場合、保護膜上に形成されている第一の親和性物質−生体分子複合体中の生体分子と、第二の親和性物質を介して結合する。工程２により、保護膜上に第一の親和性物質−生体分子−第二の親和性物質複合体が形成される。即ち、第二の親和性物質を備えた磁気ビーズが保護膜上に集積する。
工程２は、磁気ビーズを保護膜に接触させて、生体分子を介して前記保護膜上に集積させる工程である。上述した通り、磁気ビーズは、生体分子を捕捉する第二の親和性物質を備えている。例えば、マイクロ流路中を磁気ビーズが流れ、保護膜と接触した場合、保護膜上に形成されている第一の親和性物質−生体分子複合体中の生体分子と、第二の親和性物質を介して結合する。工程２により、保護膜上に第一の親和性物質−生体分子−第二の親和性物質複合体が形成される。即ち、第二の親和性物質を備えた磁気ビーズが保護膜上に集積する。
保護膜上に第一の親和性物質−生体分子−第二の親和性物質複合体が形成された後、工程１と同様に保護膜を、バッファー等を用いて洗浄することが好ましい。洗浄により、保護膜上に非特異的に結合している磁気ビーズを除去することができ、生体分子の検出精度を向上させることができる。
〈工程３〉
工程３は、軟磁性体薄膜と交差する方向に磁界を印加して、検出磁界を前記磁気抵抗効果素子に入力させ、抵抗値を検出する工程である。
検出磁界（漏れ磁界）は、保護膜を介して磁気抵抗効果素子の主面上を占める磁気ビーズの割合によって影響を受ける。保護膜に集積する磁気ビーズの数が多いほど、検出される抵抗値が増加する。
工程３は、軟磁性体薄膜と交差する方向に磁界を印加して、検出磁界を前記磁気抵抗効果素子に入力させ、抵抗値を検出する工程である。
検出磁界（漏れ磁界）は、保護膜を介して磁気抵抗効果素子の主面上を占める磁気ビーズの割合によって影響を受ける。保護膜に集積する磁気ビーズの数が多いほど、検出される抵抗値が増加する。
工程３により、保護膜上に集積した磁気ビーズの数を正確に定量することができる。そして、磁気ビーズが備える第二の親和性物質の力価（例えば、第二の親和性物質が捕捉する生体分子の分子数等）をもとに、保護膜上に集積した生体分子全体の分子数を算出することができる。即ち、本実施形態によれば、試料中に含まれている生体分子の分子数を算出できる。そのため、試料中の生体分子の分子数と病状に正の相関がみられる場合には、試料中の生体分子の分子数を遂次算出することにより、病状の経過観察をすることができる。
このように、本実施形態においては、試料中の生体分子の定量性を確保できる。
このように、本実施形態においては、試料中の生体分子の定量性を確保できる。
＜第二実施形態＞
本実施形態の生体分子の検出方法は、生体分子を含有する試料と磁気ビーズとを混合し、第二の親和性物質を介し磁気ビーズに生体分子を捕捉させる工程４と、生体分子を捕捉した磁気ビーズを保護膜に接触させて、前記生体分子を介して、前記磁気ビーズを前記保護膜上に集積させる工程５と、前記軟磁性体薄膜と交差する方向に磁界を印加して、検出磁界を前記磁気抵抗効果素子に入力させ、抵抗値を検出する工程３と、を有する。
第一の親和性物質−生体分子−第二の親和性物質複合体を形成させる際に、生体分子−第二の親和性物質複合体を先に形成させること以外は、第一実施形態と同様であるため、説明を省略する。
本実施形態の生体分子の検出方法は、生体分子を含有する試料と磁気ビーズとを混合し、第二の親和性物質を介し磁気ビーズに生体分子を捕捉させる工程４と、生体分子を捕捉した磁気ビーズを保護膜に接触させて、前記生体分子を介して、前記磁気ビーズを前記保護膜上に集積させる工程５と、前記軟磁性体薄膜と交差する方向に磁界を印加して、検出磁界を前記磁気抵抗効果素子に入力させ、抵抗値を検出する工程３と、を有する。
第一の親和性物質−生体分子−第二の親和性物質複合体を形成させる際に、生体分子−第二の親和性物質複合体を先に形成させること以外は、第一実施形態と同様であるため、説明を省略する。
［バイオチップ］
本実施形態のバイオチップは、上述したバイオセンサを備えたものである。
保護膜上に備える第一の親和性物質が異なるバイオセンサを複数備えることにより、試料の有する性質を網羅的に解析することができる。
本実施形態のバイオチップとしては、例えば、癌診断用バイオチップ、癌腫別診断用バイオチップ、インフルエンザウイルス検出用バイオチップ等が挙げられる。
本実施形態のバイオチップは、上述したバイオセンサを備えたものである。
保護膜上に備える第一の親和性物質が異なるバイオセンサを複数備えることにより、試料の有する性質を網羅的に解析することができる。
本実施形態のバイオチップとしては、例えば、癌診断用バイオチップ、癌腫別診断用バイオチップ、インフルエンザウイルス検出用バイオチップ等が挙げられる。
〈癌診断用バイオチップ〉
保護膜上に備える第一の親和性物質としては、例えば、癌遺伝子又は癌抑制遺伝子由来の核酸に相補的な核酸等が挙げられる。癌遺伝子又は癌抑制遺伝子に、癌患者特有の変異が存在する場合には、係る変異を含む核酸に相補的な核酸が好ましい。
保護膜上に備える第一の親和性物質としては、例えば、癌遺伝子又は癌抑制遺伝子由来の核酸に相補的な核酸等が挙げられる。癌遺伝子又は癌抑制遺伝子に、癌患者特有の変異が存在する場合には、係る変異を含む核酸に相補的な核酸が好ましい。
がん遺伝子としては、例えば、ｓｉｓ等の増殖因子をコードする遺伝子群；ｅｒｂＢ、ｆｍｓ、ｒｅｔ等のレセプター型チロシンキナーゼをコードする遺伝子群；ｆｅｓ等の非レセプター型チロシンキナーゼをコードする遺伝子群；ｒａｓ等のＧＴＰ／ＧＤＰ結合タンパク質をコードする遺伝子群；ｓｒｃ、ｍｏｓ、ｒａｆ等のセリン／スレオニンキナーゼをコードする遺伝子群；ｍｙｃ、ｍｙｂ、ｆｏｓ、ｊｕｎ、ｅｒｂＡ等の核内タンパク質をコードする遺伝子群；ｃｒｋ等のシグナル伝達アダプター分子をコードする遺伝子群；Ｂｃｒ−Ａｂｌ等の融合遺伝子等が挙げられる。
更に、がん遺伝子として、例えば、Ｓｈｃ、Ｇｒｂ２、Ｓｏｓ、ＭＥＫ、Ｒｈｏ、Ｒａｃ遺伝子等のＲａｓ−ＭＡＰキナーゼ経路関連遺伝子；ＰＬＣγ、ＰＫＣ等のホスホリパーゼＣガンマ-プロテインキナーゼＣ経路関連遺伝子；ＰＩ３Ｋ、Ａｋt、Ｂａｄ等のＰＩ３Ｋ−Ａｋt経路関連遺伝子；ＪＡＫ、ＳＴＡＴ等のＪＡＫ−ＳＴＡＴ経路関連遺伝子；ＧＡＰ、ｐ１８０、ｐ６２等のＧＡＰ系経路関連遺伝子等が挙げられる。
がん抑制遺伝子としては、例えば、ＲＢ、ｐ５３、ＷＴ１、ＮＦ１、ＡＰＣ、ＶＨＬ、ＮＦ２、ｐ１６、ｐ１９、ＢＲＣＡ１、ＢＲＣＡ２、ＰＴＥＮ、Ｅカドヘリン遺伝子等が挙げられる。
また、第一の親和性物質として上述した遺伝子の遺伝産物であるタンパク質を捕捉するもの、例えば、抗体、リガンド、受容体等であってもよい。
〈癌腫別診断用バイオチップ〉
本実施形態のバイオチップにおいて、保護膜上に備える第一の親和性物質としては、１種類の癌腫から抽出される複数の核酸に相補的な核酸であってもよい。即ち、本実施形態のバイオチップは癌腫別診断用バイオチップであってもよい。
本実施形態のバイオチップにおいて、保護膜上に備える第一の親和性物質としては、１種類の癌腫から抽出される複数の核酸に相補的な核酸であってもよい。即ち、本実施形態のバイオチップは癌腫別診断用バイオチップであってもよい。
癌腫としては、例えば、皮膚癌、肺癌、大腸癌、胃癌、乳癌、前立腺癌、甲状腺癌等が挙げられる。上述したがん遺伝子及びがん抑制遺伝子をはじめとして、癌腫特異的な遺伝子の発現／変異パターンが存在することが報告されている。そのため、癌腫ごとの遺伝子発現プロファイル等に基づいて、本実施形態のバイオチップを作製することにより、診断の精度を高めることができる。
また、本実施形態のバイオチップを用いれば、抗がん剤の感受性／耐性の予測をすることができる。例えば、ＥＧＦＲ阻害剤であるゲフィニチブの場合、被検サンプル中のＥＧＦＲがＬ８５８Ｒ変異又はＧ７１９Ｘ変異を有している場合には、ゲフィニチブ感受性を示すことが報告されている。
一方、被検サンプル中のＥＧＦＲがＴ７９０Ｍ変異及び／又はＤ７６１Ｙ変異を有している場合には、ゲフィニチブ耐性を示すことが報告されている。また、ゲフィニチブ耐性を示すこれらの変異は、病期が進むにつれて検出される頻度が高くなることが報告されている。本実施形態のバイオチップは、耐性変異を示すＥＧＲＦ遺伝子を容易に定量することができることから、本実施形態によれば、がんの進行度を調べることもできる。
〈インフルエンザウイルス検出バイオチップ〉
また、本実施形態のバイオチップにおいて、保護膜上に備える第一の親和性物質としては、インフルエンザウイルス由来の核酸に相補的な核酸であってもよい。即ち、本実施形態のバイオチップはインフルエンザウイルス検出用バイオチップであってもよい。
また、本実施形態のバイオチップにおいて、保護膜上に備える第一の親和性物質としては、インフルエンザウイルス由来の核酸に相補的な核酸であってもよい。即ち、本実施形態のバイオチップはインフルエンザウイルス検出用バイオチップであってもよい。
本実施形態のバイオチップとしては、例えば、Ａ型、Ｂ型、Ｃ型それぞれのゲノムにおいて、報告されている変異をはじめとするあらゆる変異部位を認識する核酸を保護膜上に固定したもの等が挙げられる。また、第一の親和性物質としては、Ａ型、Ｂ型、及びＣ型ウイルスのそれぞれを特異的に認識可能な抗体であってもよい。
本実施形態によれば、インフルエンザウイルスの感染を早期に発見することができる。
更に、本実施形態のバイオチップを経時的に用いることにより、ウイルス感染後の病状の経過観察をすることができる。
更に、本実施形態のバイオチップを経時的に用いることにより、ウイルス感染後の病状の経過観察をすることができる。
以下、実施例及び比較例等を挙げて本発明を更に詳述するが、本発明はこれらの実施例等に限定されるものではない。
［実施例１］
図４に記載の第三実施形態のバイオセンサを用いて、保護膜上に載せる磁気ビーズの数と、検出される電圧の相関性とを確認した。磁気ビーズとして、直径２．８μｍのｄｙｎａｂｅａｄｓＭ−２７０を用いた。磁気抵抗効果素子としては、ＧＭＲ細線（線長１００μｍ、線幅２μｍ）を２本用い、ハーフブリッジ回路に接続した。ＧＭＲハーフブリッジの電圧を０．６３Ｖとした。
ＧＭＲの膜構造は、表１に示すとおりである。
図４に記載の第三実施形態のバイオセンサを用いて、保護膜上に載せる磁気ビーズの数と、検出される電圧の相関性とを確認した。磁気ビーズとして、直径２．８μｍのｄｙｎａｂｅａｄｓＭ−２７０を用いた。磁気抵抗効果素子としては、ＧＭＲ細線（線長１００μｍ、線幅２μｍ）を２本用い、ハーフブリッジ回路に接続した。ＧＭＲハーフブリッジの電圧を０．６３Ｖとした。
ＧＭＲの膜構造は、表１に示すとおりである。
保護膜上に載せる磁気ビーズの数を横軸に、保護膜上に載せる磁気ビーズの数が０のときの電圧を基準電圧とし、測定電圧−基準電圧の値を縦軸にプロットした。結果を図５に示し、具体的な数値を表２に示す。バイオセンサを３個作製し、独立して試験を行った（chip #1, chip #2, chip #3）。
図５及び表２に示すように、保護膜上に載せる磁気ビーズの数と、検出される電圧との間に、線形相関が確認された。相関係数は、０．９８以上であり、感度（１粒子当たりに増加する電圧）は、約０．１５μＶであった。
［実施例２］
実施例１で作製したバイオセンサ（chip #2）を用いて、保護膜上に載せる磁気ビーズの数が０のときの電圧を３回測定し、３σを算出し、実施例１で得られた感度を用いて、３σ／感度を算出した。詳細な数値を表３に示す。直径２．８μｍの磁気ビーズが、１００μｍ四方の保護膜上に乗る総個数は１２７５個と算出される。３σ／感度を総個数で割り、総個数に対する計数誤差の割合は、０．５７８％と算出された。
実施例１で作製したバイオセンサ（chip #2）を用いて、保護膜上に載せる磁気ビーズの数が０のときの電圧を３回測定し、３σを算出し、実施例１で得られた感度を用いて、３σ／感度を算出した。詳細な数値を表３に示す。直径２．８μｍの磁気ビーズが、１００μｍ四方の保護膜上に乗る総個数は１２７５個と算出される。３σ／感度を総個数で割り、総個数に対する計数誤差の割合は、０．５７８％と算出された。
［実施例３］
図６（Ａ）及び（Ｂ）に記載のとおり、磁気抵抗効果素子と軟磁性体薄膜との重なり（−０．５μｍ、又は１μｍ）が異なるバイオセンサを用いて、磁気抵抗効果素子と軟磁性体薄膜との間の距離と、磁気抵抗効果素子が受ける磁界（磁性ビーズ１個当たり）との相関性を確認した。磁気ビーズとして、直径２．８μｍのｄｙｎａｂｅａｄｓＭ−２７０を用いた。磁気抵抗効果素子としては、ＧＭＲ細線（線長１００μｍ、線幅２μｍ、又は５μｍ）を１本用い、ハーフブリッジ回路に接続した。ＧＭＲハーフブリッジの電圧を０．６３Ｖとした。
ＧＭＲの膜構造は、上記表１と同様である。
図６（Ａ）及び（Ｂ）に記載のとおり、磁気抵抗効果素子と軟磁性体薄膜との重なり（−０．５μｍ、又は１μｍ）が異なるバイオセンサを用いて、磁気抵抗効果素子と軟磁性体薄膜との間の距離と、磁気抵抗効果素子が受ける磁界（磁性ビーズ１個当たり）との相関性を確認した。磁気ビーズとして、直径２．８μｍのｄｙｎａｂｅａｄｓＭ−２７０を用いた。磁気抵抗効果素子としては、ＧＭＲ細線（線長１００μｍ、線幅２μｍ、又は５μｍ）を１本用い、ハーフブリッジ回路に接続した。ＧＭＲハーフブリッジの電圧を０．６３Ｖとした。
ＧＭＲの膜構造は、上記表１と同様である。
磁気抵抗効果素子と軟磁性体薄膜との間の距離を横軸に、磁気抵抗効果素子が受ける磁界（磁性ビーズ１個当たり）を縦軸にプロットした。結果を図６（Ａ）に示す。図６（Ａ）において、「ＧＭＲ ｗｉｄｔｈ ＝ ２μｍ（ｓｉｍ．）」とは、ＧＭＲ細線の線幅２μｍの場合におけるシミュレーションでの予測値をプロットしたものであり、「ＧＭＲ ｗｉｄｔｈ ＝ ２μｍ（ｅｘｐ．）」とは、ＧＭＲ細線の線幅２μｍの場合における実測値をプロットしたものである。また、同様に、「ＧＭＲ ｗｉｄｔｈ ＝ ５μｍ（ｓｉｍ．）」とは、ＧＭＲ細線の線幅５μｍの場合におけるシミュレーションでの予測値をプロットしたものであり、「ＧＭＲ ｗｉｄｔｈ ＝ ５μｍ（ｅｘｐ．）」とは、ＧＭＲ細線の線幅５μｍの場合における実測値をプロットしたものである。
図６の（Ａ）から、ＧＭＲ細線の線幅２μｍの場合における実測値において、磁気抵抗効果素子と軟磁性体薄膜との重なりが−０．５μｍであるとき、磁気抵抗効果素子が受ける磁界（磁性ビーズ１個当たり）が約４８ｎＴであるのに対し、磁気抵抗効果素子と軟磁性体薄膜との重なりが１μｍであるとき、磁気抵抗効果素子が受ける磁界（磁性ビーズ１個当たり）が約４０ｎＴであった。
また、ＧＭＲ細線の線幅５μｍの場合における実測値において、磁気抵抗効果素子と軟磁性体薄膜との重なりが−０．５μｍであるとき、磁気抵抗効果素子が受ける磁界（磁性ビーズ１個当たり）が約３６ｎＴであるのに対し、磁気抵抗効果素子と軟磁性体薄膜との重なりが１μｍであるとき、磁気抵抗効果素子が受ける磁界（磁性ビーズ１個当たり）が約２８ｎＴであった。
また、ＧＭＲ細線の線幅２μｍ及び５μｍのいずれの場合においても、実測値とシミュレーションでの予測値とで大きなずれはなかった。
また、ＧＭＲ細線の線幅２μｍ及び５μｍのいずれの場合においても、実測値とシミュレーションでの予測値とで大きなずれはなかった。
よって、本発明のバイオセンサにおいて、磁気抵抗効果素子の一部と軟磁性体薄膜とが重なることで、磁気抵抗効果素子が受ける磁界（磁性ビーズ１個当たり）が約２０〜３０％大きくなることが確かめられた。
本発明によれば、高精度かつ高感度に試料中の生体分子を検出するバイオセンサ、前記バイオセンサを用いた生体分子の検出方法、及び前記バイオセンサを用いたバイオチップを提供することできる。また、保護膜上に備える第一の親和性物質が異なるバイオセンサを複数備えることにより、試料の有する性質を網羅的に解析可能なバイオチップを提供することができる。本発明のバイオチップとして、具体的には、癌診断用バイオチップ、癌腫別診断用バイオチップ、インフルエンザウイルス検出用バイオチップ等を提供することができる。
１０，２０，３０，５００…バイオセンサ、１，１０１…基板、２，１２，２２，１０２…磁気抵抗効果素子、７，１０７…保護膜、１０９…生体分子捕捉層、４，１０４…磁気ビーズ、５，１０５…印加磁界、１１１…浮遊磁界、３，１４１…軟磁性体薄膜、１００…第一の平面、２００…第二の平面、４００…第四の平面、６…検出磁界、８…補償電流線、１１２…電極。
Claims (6)
- 基板と、
入力される磁界の向きに応じて検出される抵抗値が変化する第一の磁気抵抗効果素子及び第二の磁気抵抗効果素子と、
前記第一の磁気抵抗効果素子及び前記第二の磁気抵抗効果素子に隣接配置された軟磁性体薄膜と、を備え、
前記軟磁性体薄膜の膜面に垂直な方向からの平面視において、前記第一の磁気抵抗効果素子及び前記第二の磁気抵抗効果素子は、前記軟磁性体薄膜を挟んで両側に位置することを特徴とするセンサ。 - 更に、接続点間の作動電圧を検出可能なように構成されたハーフブリッジ回路を備えた請求項１に記載のセンサ。
- 前記第一の磁気抵抗効果素子及び前記第二の磁気抵抗効果素子は、磁化固定層と磁化自由層とを備えたスピンバルブ型素子であり、
前記磁化固定層の磁化固定方向は、前記軟磁性体薄膜の端面から入力される磁界である漏れ磁界と、略平行又は略反平行であり、かつ、前記第一の磁気抵抗効果素子及び前記第二の磁気抵抗効果素子の膜面方向であり、
前記第一の磁気抵抗効果素子の磁化固定方向と前記第二の磁気抵抗効果素子の磁化固定方向が略平行である請求項１又は２に記載のセンサ。 - 前記第一の磁気抵抗効果素子及び前記第二の磁気抵抗効果素子と前記基板との間に、検出対象電流に基づいて、前記第一の磁気抵抗効果素子及び前記第二の磁気抵抗効果素子に対して印加される各磁界とは逆方向の補償磁界を前記第一の磁気抵抗効果素子及び前記第二の磁気抵抗効果素子の各々に付与する補償電流線を備えた請求項１〜３のいずれか一項に記載のセンサ。
- 前記基板に対向する前記第一の磁気抵抗効果素子及び前記第二の磁気抵抗効果素子の主面と前記基板に対向する前記軟磁性体薄膜の主面とが、前記基板に対する法線方向において異なる位置に配置されている請求項１〜４のいずれか一項に記載のセンサ。
- 請求項１〜５のいずれか一項に記載のセンサを備えたことを特徴とするバイオチップ。
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