磁気センサを用いた測定装置及び測定方法
【課題】磁性粒子と磁気センサ間の距離を最適にし、任意の形態の基材に固定された磁性粒子量を高Ｓ／Ｎ比かつ高汎用性で測定する磁気センサを用いた測定装置を提供する。
【解決手段】基材上１０２にあって、測定すべき物質との特異的結合を介して磁性粒子が固定された固定部１０１、固定部１０１を基材１０２と共に移動させる固定部１０７及びステッピングモータ１０４、移動された固定部１０１が通過する位置を含む領域に磁場を印加すると共に、印加された磁場の変化を検出する磁気センサ１０３とを設ける。このとき、磁性粒子が固定された固定部１０１の固定面から４５０μm以上、９００μm以下の距離にセンサ部分が置かれるよう磁気センサ１０３を配置する。
【解決手段】基材上１０２にあって、測定すべき物質との特異的結合を介して磁性粒子が固定された固定部１０１、固定部１０１を基材１０２と共に移動させる固定部１０７及びステッピングモータ１０４、移動された固定部１０１が通過する位置を含む領域に磁場を印加すると共に、印加された磁場の変化を検出する磁気センサ１０３とを設ける。このとき、磁性粒子が固定された固定部１０１の固定面から４５０μm以上、９００μm以下の距離にセンサ部分が置かれるよう磁気センサ１０３を配置する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気センサを使って磁気的な信号を検出し、検出された信号から物質を測定する磁気センサを用いた測定装置及び測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、磁性粒子を標識として測定すべき物質に付し、磁性粒子によって生じた磁気的な信号を検出することによって物質の有無あるいは量を測定する磁気センサを用いた測定装置及び測定方法にかかる。
現在、医療診断や環境計測等において、特異的結合を利用して試料中の検出すべき物質の量を測定することがなされている。なお、特異的結合とは、例えば、ある抗原と抗原に特有の抗体とだけが反応して結合する現象をいう。
【０００３】
特異的結合を利用した測定装置あるいは測定方法として、酵素免疫測定法や蛍光免疫測定法などが広く用いられている。酵素免疫測定法は、被検出物質と特異的に反応する物質に酵素で標識を付し、酵素反応による発色を光学的に計測する方法である。また、蛍光免疫測定法では、被検出物質と特異的に反応する物質を蛍光体で標識し、前記被検出物質が存在する場合には、蛍光体が発する蛍光強度を計測する方法である。
【０００４】
ただし、酵素反応による発色の計測は、酵素の安定性が低く、また、検出系の充分な感度が得がたいといった不具合がある。また、蛍光強度を計測する方法は、検出系の感度は高いものの、迷光の影響を受け易くバックグラウンドノイズが高い。また、微弱信号を検出するためには高価な測定装置が必要となる。さらに、標識となる蛍光体が褪色するといった不具合がある。
【０００５】
このような不具合を解消するものとして、近年では、磁力によって検出できる標識を被検出物質に付し、磁気センサによって磁力を検出することによって被検出物質を測定する装置が注目されている。磁気センサを使った測定では、バックグラウンドノイズの発生源となり得るのは磁性体のみであるため、光がバックグラウンドノイズとなる光学的測定よりも低ノイズであり、高い検出精度を得ることができる。
【０００６】
磁気センサを使った測定装置の従来技術としては、ホール素子及び磁気抵抗素子を用いた磁性粒子検出装置が提案されている(特許文献1)。この特許文献1に記載されている方式は、磁気センサ及び磁性粒子に５００エルステッド以上１０００エルステッド以下の静磁場を与え、磁気センサ上で磁性粒子を走査移動させることで静磁場を変化させ、磁性粒子を検出する。
【０００７】
また、磁気センサを使った測定装置としては、超伝導量子緩衝装置(Superconducting Quantum Interface Device；以下ＳＱＵＩＤという)が知られている。このＳＱＵＩＤは、超伝導ループにおける磁束の量子化を利用したデバイスで、２個のジョセフソン素子と超伝導配線で超伝導ループを形成した高感度の素子である。ただし、ＳＱＵＩＤは、測定の間、ピックアップループを冷却して低温に維持しなければならず、より測定を簡便に行うことが望まれている。
【０００８】
ＳＱＵＩＤを用いる抗原抗体反応を利用した免疫測定法は、例えば、特許文献２に開示されている。特許文献２に記載されている装置は、１つの抗原または抗体に磁性体微粒子を付して磁性体標識体とし、磁性体標識体と検体を抗原抗体反応させる。そして、反応後の検体から未反応の磁性体標識体を分離除去した後、検体の磁化の程度をＳＱＵＩＤで測定する。
【特許文献１】米国特許第６，５１８，７４７号明細書
【特許文献２】特開昭６３−９０７６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、磁性粒子による磁場の変化を磁気センサで検出する場合、磁性粒子と磁気センサとの距離が短いほど信号出力が大きくなることは一般によく知られている。しかしながら、磁性粒子と磁気センサとを近づけることによって接触ノイズと呼ばれるノイズが発生し、このノイズが信号の検出精度を低下させるおそれがある。
接触ノイズは、ばねを使って磁気センサから磁性粒子までを一定の距離以上に保つことによって防ぐことも可能である。ただし、このようにした場合、ばねの使用によって装置構成が複雑になり、また、磁性粒子を固定する基材の構成に制限が生じて装置の汎用性が低下する。
【００１０】
また、磁性粒子を固定する基材に高分子材料を使用した場合、基材自体に歪みが発生することがあり、磁性粒子と磁気センサとの距離に基材個々の歪みのばらつきも考慮する必要がある。特に、基材と磁気センサとの距離が比較的短く、磁気センサ上で基材を走査する場合、基材の歪みによって磁気センサに圧力がかかり、ピエゾノイズを発生させる。ピエゾノイズは、信号ノイズ出力比（以下、Ｓ／Ｎ比）を低下させる要因となり、磁性粒子が発する超微弱信号の検出においては大きな問題となる。
【００１１】
基材の歪みによる問題を解消するには、基材に金属を使用することも考えられる。基材を磁気センサ上で移動することにより信号出力を得るが、しかし基材を金属にした場合、基材自体からの信号もまた検出する可能性があり、結果として磁気的な信号ノイズとなる。さらに磁性粒子に印加すべく磁場発生源からの磁界を遮蔽してしまい、十分な感度・安定した検出が実施できない可能性がある。以上の理由で、基材に金属を使用することは好ましくない。
【００１２】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、磁性粒子を用いた測定において、磁性粒子と磁気センサ間の距離を最適にすることによって、任意の形態の基材に固定された磁性粒子量を高Ｓ／Ｎ比かつ高汎用性で測定する磁気センサを用いた測定装置及び測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
以上の課題を解決するため、本発明の磁気センサを用いた測定装置は、基材上にあって、測定すべき物質との特異的結合を介して磁性粒子が固定された固定部と、前記固定部を前記基材と共に移動させる移動手段と、前記移動手段によって移動された前記固定部が通過する位置を含む領域に磁場を印加する磁場発生手段と、前記磁場発生手段によって印加された前記磁場の変化を検出する磁気センサと、を備えてなり、前記磁気センサは、前記固定部において前記磁性粒子が固定される固定面からの距離が４５０μm以上、９００μm以下になる位置に配置されることを特徴とする。
【００１４】
このような発明によれば、磁場中を磁性粒子を移動させて磁場を変化させると共に、変化した磁場を磁気センサで検出することができる。このとき、磁気センサと磁性粒子との距離を最適化することにより、高Ｓ／Ｎ比の磁気センサの出力信号を得ると共に接触ノイズの発生を防ぐことができる。また、磁性粒子が固定された基材を磁場中で走査することによって磁場検出が可能であるので、測定すべきサンプルを固定あるいは保持するための特別な構成が不要になって様々な測定に汎用的に使用できる磁気センサを用いた測定装置を提供することができる。
【００１５】
また、本発明の磁気センサを用いた測定装置は、前記磁気センサが半導体磁気抵抗素子を備え、前記磁気センサは、この半導体磁気抵抗素子と前記固定面との距離が４５０μm以上、９００μm以下になる位置に配置されることを特徴とする。
このような発明によれば、磁気センサと磁性粒子との距離を最適化し、高Ｓ／Ｎ比の磁気センサの出力信号を得ると共に接触ノイズの発生を防ぐことができる。
【００１６】
また、本発明の磁気センサを用いた測定装置は、前記磁性粒子が、平均粒子径が０．1μｍ以上５μｍ以下であることを特徴とする。
このような発明によれば、サンプルの磁性体含有量を、免疫反応効率及び測定感度の点で望ましい値にすることができる。
また、本発明の磁気センサを用いた測定装置は、前記基材が、液体浸透性を持たない有機高分子材料でなることを特徴とする。
【００１７】
このような発明によれば、基材が、液体を含むサンプルの状態を測定中容易に保持することができる。
また、本発明の磁気センサを用いた測定装置は、前記有機高分子材料が、熱可塑性樹脂であることを特徴とする。
このような発明によれば、熱可塑性樹脂の加工が容易であることから、任意の形状を持った基材を容易に製造することができる。
【００１８】
また、本発明の磁気センサを用いた測定方法は、基材上にあって、測定すべき物質との特異的結合を介して磁性粒子が固定された固定部を、前記基材と共に移動させる移動工程と、前記移動工程において前記固定部が通過する位置を含む領域に磁場を印加する磁場発生工程と、前記固定部において前記磁性粒子が固定される固定面からの距離が４５０μm以上、９００μm以下になる位置に配置された磁気センサにより、前記磁場発生工程において印加された前記磁場の変化を検出する磁気検出工程とを含むことを特徴とする。
【００１９】
このような発明によれば、磁場中を磁性粒子を移動させて磁場を変化させると共に、変化した磁場を磁気センサで検出することができる。このとき、磁気センサと磁性粒子との距離を最適化することにより、高Ｓ／Ｎ比の磁気センサの出力信号を得ると共に接触ノイズの発生を防ぐことができる。また、磁性粒子が固定された基材を磁場中で走査することによって磁場検出が可能であるので、測定すべきサンプルを固定あるいは保持するための特別な構成が不要になって様々な測定に汎用的に使用できる磁気センサを用いた測定方法を提供することができる。
【発明の効果】
【００２０】
以上述べたように、本発明の磁気センサを用いた測定装置は、高Ｓ／Ｎ比の磁気センサの出力信号を得ると共に接触ノイズの発生を防ぐことができる。また、本発明の磁気センサを用いた測定装置は、磁性粒子が固定された基材を磁場中で走査することによって磁場検出が可能であるので、測定すべきサンプルを固定あるいは保持するための特別な構成が不要になって様々な測定に汎用的に使用することができる。
【００２１】
また、本発明の磁気センサを用いた測定装置は、磁気センサと磁性粒子との距離を最適化し、高Ｓ／Ｎ比の磁気センサの出力信号を得ると共に接触ノイズの発生を防ぐことができる。
また、本発明の磁気センサを用いた測定装置は、任意の形状を持った基材が容易に製造でき、ひいては測定装置の製造を簡易にすることができる。
【００２２】
また、本発明の磁気センサを用いた測定方法は、高Ｓ／Ｎ比の磁気センサの出力信号を得ると共に接触ノイズの発生を防ぐことができる。また、本発明の磁気センサを用いた測定方法は、磁性粒子が固定された基材を磁場中で走査することによって磁場検出が可能であるので、測定すべきサンプルを固定あるいは保持するための特別な構成が不要になって様々な測定に汎用的に使用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図を参照して本発明に係る本発明の一実施形態の磁気センサを用いた測定装置及び測定方法を説明する。
図１は、本実施形態の磁気センサを用いた測定装置（以下、単に測定装置と記す）の構成を説明するための図である。測定装置は、基材１０２を備え、基材１０２は、測定すべき物質（測定物質）との特異的結合を介して磁性粒子を固定しうる固定部１０１を備えている。なお、本実施形態でいう特異的結合とは、抗原と抗体、糖とレクチン、ヌクレオチド鎖とそれに相補的なヌクレオチド鎖、リガンドとレセプタ等の特異的な親和性を有する物質間での結合のことを指す。
【００２４】
本実施形態の基材１０２は、液体浸透性をもたない有機高分子材料であればよく、有機高分子材料は熱可塑性樹脂であれば特に限定されない。ただし、好ましい材料として、アクリルニトリルブタジエン−スチレン共重合体、ポリカーボネート、ポリスチレン等が挙げられる。
また、本実施形態の測定装置は、固定部１０１を基材１０２と共に移動させる移動手段を備えている。本実施形態では、基材１０２を固定台１０７に固定し、固定部１０１と共にステッピングモータ１０４等によって移動させる構成を移動手段とする。なお、移動手段は、図中に示す矢線Ａの方向に固定部１０１を移動させるものであって、移動の動作を固定部１０１の走査とも記す。
【００２５】
また、本実施形態の測定装置は、移動された固定部１０１が通過する位置を含む領域に磁場を印加すると共に、印加された磁場の変化を検出する磁気センサ１０３を備えている。そして、磁気センサ１０３は、固定部１０１において磁性粒子が固定された固定面Fからの距離が４５０μm以上、９００μm以下になる位置に配置されている。
さらに、図１に示した構成は、磁気センサ１０３が出力した信号を増幅する増幅回路１０５、増幅された信号をデジタル化するＡ／Ｄコンバータ１０６を備えている。
【００２６】
図２は、磁気センサ１０３を説明するための図である。図２（ａ）に示したように、磁気センサ１０３は、磁場を発生する磁場発生部２０２、発生された磁場の変化を検出するセンサ部２０１を備え、磁場発生部２０２、センサ部２０１が外装体２０４によって包囲されている。センサ部２０１は、半導体磁気抵抗素子であって、本実施形態では半導体薄膜である。また、磁場発生部２０２は、図中に示した矢線Ｂに沿う磁力線で表される磁場を発生する。
【００２７】
磁気センサ１０３は、センサ部２０１と固定部１０１の磁性粒子が固定された固定面Fとが所定の長さａ隔てた位置に配置される。距離ａは、４５０μm以上、９００μm以下、より好ましくは５５０μm以上、９００μm以下である。なお、固定面Fについては、後に詳述するものとする。
ここで、図３を用い、磁気センサ１０３と磁性粒子の固定面との距離ａについて説明する。図示するように、距離ａは、固定面からセンサ部２０１の上面に降ろした垂線の長さで表される。
【００２８】
基材１０２は、磁気センサ１０３の外装体表面２０４と接触せずに所定の距離ｃを隔てて保持される。距離ａは、センサ部２０１の上面から外装体２０４までの長さｂと距離ｃとを含んだ距離である。
距離bは、外装体の厚みあるいはセンサ部からの信号を取り出すのに必要な信号配線のワイヤループ高さ等によって決定される。また、距離ｃは、外装体２０４の表面と基材１０２の裏面との接触を防ぐのに充分な距離を確保できるよう定められる。
【００２９】
すなわち、本実施形態の構成では、距離ａが短いほど磁気センサ１０３から出力される信号の強度は大きくなる。一方、センサ部２０１を固定面に近づけるため基材１０２の厚さを薄くすると、基材１０２の強度は弱くなり、表面が歪む場合がある。信号検出の際、センサ部上において基材を移動するが、移動することにより空気圧が発生する。基材の強度が弱いとこの空気圧により、基材に歪みが生じ、基材上の場所によって、あるいは基材ごとに信号出力が異なるというように、安定に測定を実施できない。
【００３０】
また、歪みには、基材１０２によるばらつきがあり、距離ａの設定には歪みのばらつきも考慮しなければならない。センサ部２０１と基材１０２とが接触した場合には大きなノイズが発生し、信号出力のＳ／Ｎ比が大きく低下する。
本実施形態の測定装置は、センサ部２０１と磁性粒子の固定面との距離ａを４５０μm以上、９００μm以下に設定することにより、充分な精度が得られる大きさの信号を検出することができる。また、このような距離ａは、基材の歪みが測定に影響しない厚さ（１００μｍ程度）を充分確保することができる。さらに、センサ部２０１と基材１０２との接触を防ぐための距離のマージンをとって一定の値以上のＳ／Ｎ比をもった磁気信号の検出を可能にしている。
【００３１】
以上の点から、本実施形態は、基材１０２と磁気センサ１０３が接触しない状態で、必要な図３における距離ｂ (２００〜４００μm程度)を十分確保し、しかも歪みが測定に影響することを防ぐ基材の厚みを確保するものといえる。
なお、距離ａは、マイクロメータを用いて調節可能であり、また隙間ゲージなどを用いることにより容易に計測できる。
【００３２】
磁気センサ１０３の外装体２０４としては、金属材料、高分子材料などが用いられるが、鏡面仕上げが容易である、また電磁ノイズ除去という点で金属が好ましい。また、磁性粒子による磁界変化を検出する点から例えばアルミニウム等の非磁性材料を使用することが好ましい。
磁場発生部２０２には、永久磁石またはコイルに直流電流を流す形態の電磁石を適用することができる。ただし、磁場の安定性の点から永久磁石が好ましい。永久磁石を用いる場合、小型でありながら強い磁場がかけられるサマリウムコバルト磁石、ネオジウム磁石等を用いることが好ましい。
【００３３】
磁場発生部２０２によって印加される磁場の強度は、センサ部２０１として使用される半導体磁気抵抗素子が強磁場下で高感度であるという特性を考慮すると、５００エルステッド以上が好ましく、さらに、１０００エルステッド以上が好ましく、さらには１５００エルステッド以上が好ましい。
また、本実施形態でいう磁気センサは、図２（ｂ）に示したように、磁場発生部２０２の周囲に外装体２０４がない構成の磁気センサ２０３であってもよい。ただし、センサと磁石の距離が一定であることにより磁場発生部２０２を用いて高強度、かつ一様な磁場を安定に印加出来る点、また量産時において、センサと磁石の距離を一定にすることでセンサ出力の安定した測定装置を提供出来る点から図２（a）に示した磁気センサ１０３を用いることが好ましい。
【００３４】
なお、磁気センサ２０３の場合であっても、センサ部２０１と固定部１０１における固定面との距離が４５０μm以上、９００μm以下になる位置に配置されるものとする。
半導体薄膜を用いたセンサ部２０１としては、例えば、インジウムアンチモンなどの化合物半導体、シリコンなどの半導体が適用できる。また、本実施形態では、センサ部２０１が磁場の変化を抵抗の変化として測定するものとしたが、本実施形態は、このような構成に限定されるものでなく、磁場の変化を電圧変化、電流変化として測定するものであってもよい。
【００３５】
また、抵抗の変化を電圧変化として取り出す場合、図４に示すように、センサ部２０１と抵抗体３０１とを直列に接続し、一方をバイアス電圧３０２へ、他方をグランド３０３に接続し、中点Ｐでの電位変化を検出することによってセンサ部２０１の電気抵抗変化を検出することができる。なお、抵抗体３０１は、固定抵抗でも半導体磁気抵抗素子でもよい。
【００３６】
以上述べた測定装置は、次のように動作する。すなわち、磁気センサ１０３は、センサ部２０１と共に、磁場発生部２０２が固定部１０１が通過する位置を含む領域に磁場を印加する。固定部１０１は、走査されることによって印加された磁場中を横切ってローレンツ力を生じる。センサ部２０１は、生じたローレンツ力によって抵抗が変化する。このため、固定部１０１が磁場が印加された範囲の外から範囲内に入ったときセンサ部２０１から出力される信号が変化する。信号の変化量は、磁性粒子の量に対応し、磁性粒子は測定物質と特異的に結合して固定部１０１に固定されている。したがって、本実施形態の測定装置は、センサ部２０１が出力する信号によって磁場の変化を検出し、信号の大きさから測定物質を定量することが可能になる。
【００３７】
図５は、本実施形態の磁性粒子の固定について説明するための図である。図５に示すように、基材１０２の固定部１０１には、測定すべき抗原と特異的に結合する抗体５０１が固定されている。このような基材１０２に抗原５０５と特異的結合をし得る抗体５０２を備えた磁性粒子５０３と抗原５０５を反応させると、抗体５０１と測定すべき抗原５０５及び磁性粒子５０３に備わった抗体５０２とが抗原抗体反応によってサンドイッチ結合を生じ、特異的に結合する。この結果、磁性粒子が抗原５０５を介して基材１０２の固定部１０１に固定される。
【００３８】
なお、本実施形態は、抗原抗体反応によって抗原を測定する構成に限定されるものでなく、特異的結合によって結合する物質であればどのような物質を使うものであってもよい。また、本実施形態は、抗原５０５を検出するばかりでなく、抗原５０５を固定部１０１に固定し、抗体５０１を備えた磁性粒子５０３を固定された抗原５０５に結合させることによって抗体５０１を検出することも可能である。抗体５０１または抗原５０５の固定部１０１への固定は、周知の技術で実現でき、化学的または物理的な方法のいずれで行うものであってもよい。
【００３９】
磁性粒子５０３は、少なくとも外部から磁場を印加した場合に磁化する粒子であればよい。磁性粒子５０３の具体例としては、強磁性体を単独で粒子状に成形した粒子、強磁性体を核としてその表面をポリスチレン、シリカゲル、ゼラチン、もしくはポリアクリルアミドなどの高分子物質で被覆した粒子、ポリスチレン、シリカゲル、ゼラチン、もしくはアクリルアミドなどの高分子物質の粒子を核として強磁性体を被覆した粒子、または赤血球、リポソームもしくはマイクロカプセルなどの閉じた袋状の物質に強磁性体を封入した粒子等を挙げることができる。
なお、上記した強磁性体としては、例えば、鉄、コバルト、もしくはニッケル等の強磁性金属が挙げられる。また、強磁性金属を含む合金としては、例えば、非磁性体中に強磁性金属もしくは強磁性金属を含む合金を含有するもの、または強磁性金属中もしくは強磁性金属を含む合金中に非磁性体を含有するものが挙げられる。
【００４０】
なお、本実施形態で使用された磁性粒子は、一般的に超常磁性体といわれるもので、外部から磁力を作用させている間は磁化し、磁力の遮断によって速やかに減磁する点で本実施形態の測定装置に用いることが特に好ましい。このような磁性粒子としては、例えば、Ｄｙｎａｌ社製Ｄｙｎａｂｅａｄｓ Ｍ−４５０、Ｍ−２７０、Ｍｙｏｎｅ（以上、製品名）、Ｅｓｔａｐｏｒ社製Ｍ１−０７０−４０、Ｍ１−０７０−６０、Ｍ１−０３０−４０（以上、製品名）、Ｍｉｃｒｏｍｏｄ社製ｍｉｃｒｏｍｅｒ−Ｍ（製品名）、Ｓｅｒａｄｙｎ社製Ｓｅｒａ−ｍａｇ（製品名）等が挙げられる。磁性粒子は、適用される免疫反応物質等の種類に応じて、適切な表面処理がなされたもの、あるいは適切な官能基を有するものが選択される。
【００４１】
磁性粒子の粒子径は、免疫反応効率という点から大きすぎることは好ましくない。また測定感度という点から、磁性体含有量が少なすぎるほど小さいのは好ましくない。したがって本発明の粒子径は、０．１μｍ〜５μｍであり、好ましくは０．５μｍ〜３μｍである。磁性粒子の形状は球形であっても非球形であってもよい。
また、測定すべき物質と磁性粒子との吸着は、固定部１０１への固定と同様に、周知の化学または物理的な方法のいずれで行うものであってもよい。
【００４２】
次に、固定部１０１、固定部１０１の固定面について説明する。
図６〜８は、基材１０２及び固定部１０１を説明するための図であって、図６及び図７は、基材１０２として機能する生化学反応容器の組み立て前の図、図８は、図６及び図７に示した構成を組み立てて形成された生化学反応容器、図９は、図８に示した生化学反応容器と異なる形態の生化学反応容器を示した図である。
【００４３】
本実施形態では、図６、７に示す形状を得るための射出成形金型を作成し、液体不浸透性材料としてポリカーボネート樹脂、ポリスチレン樹脂にて基材６及び基材７を射出成形により作成した。基材６、７を嵌合させるためにピン６７及びピン受け７０を取付けている、また、被分析溶液を添加するための添加孔７１も具備されたものを成形した。基材６は多孔体２、３、５をそれぞれ担持する液体不浸透性基材２０、３０、５０を具備し、反応面４を形成する液体不浸透性基材４０を具備している。
【００４４】
反応面４は、本実施形態の測定装置において、固定面となる。
さらに液体不浸透性材料によって形成された溝状の通路７２、液体不浸透性材料７４によって形成された溝状の通路７５を具備している。いずれの樹脂を用いた場合も、特殊な条件を用いることなく汎用射出成型機で成形が可能であった。
基材６、基材７を嵌合して形成された生化学反応容器の内部にあって、基材６の上面（以下、底板と記す）には、図８に示したように、多孔体２、３、５及び反応面４が配置されている。また、図９は、図８に示した形態と異なる形態の多孔体２、３、５及び反応面４の配置を示している。
【００４５】
固定化される一次抗体は、欧州特許登録番号ＥＰ１１０４７７２号公報に開示されているマイコプラズマニューモニアのリボゾーム蛋白質Ｌ７／Ｌ１２に対するモノクローナル抗体ＡＭＭＰ−３を使用した。具体的には、当該抗体を０．１ｍｏｌｅ／ｌのＭＥＳ（ｐＨ６）緩衝液で１０μｇ／ｍｌ濃度に希釈し、上記で得られた基材６のうちポリカーボネート樹脂で作成した基材６の、反応面４上へ５μｌ正確に滴下し、湿潤箱中に設置したのち、冷蔵庫中にて一晩インキュベーションを実施し、その後蒸留水にて反応面表面を洗浄し窒素ガスエアーにて反応面表面を乾燥させたものを抗体固定化反応装置として一次抗体固定化反応面として調製し被検出物に特異的に反応する物質が固定された反応面４を得た。
【００４６】
本実施形態では、以上述べた測定装置によって磁性粒子の検出の実験を行い、測定装置によって得られる効果について確認した。以下、この実験について説明する。なお、実験では、上記した生化学反応容器を用い、抗原−抗体反応により磁性粒子をポリカーボネート上に固定して測定対象となるサンプルを作成し、本実施形態の測定装置によって測定した。
【００４７】
＜サンプルの準備＞
（多孔体２の準備）
グラスファイバー不織布を１２ｍｍ×８ｍｍに打ち抜き、多孔体２を得た。
（多孔体３の準備）
Ｂｉｏｔｉｎ−ＰＥＧ−ＣＯ2−ＮＨＳ（米国シェアーウオーター社製、ＭＷ３４００）を用いて抗体にＰＥＧ鎖を結合させた。Ｂｉｏｔｉｎ−ＰＥＧ−ＣＯ2−ＮＨＳ（米国シェアーウオーター社製、ＭＷ３４００）試薬２．９ｍｇを計量し、２００μｌの蒸留水に溶解し、４．２６ｍＭ水溶液を作成した。
欧州特許登録番号ＥＰ１１０４７７２号公報に開示されている抗マイコプラズマ抗体ＡＭＭＰ−１をＰＢＳに脱塩・ｂｕｆｆｅｒ交換したもの（抗体濃度６．９９ｍｇ／ｍｌ）１．５ｍｌと先に調製したＢｉｏｔｉｎ−ＰＥＧ−ＣＯ2−ＮＨＳ４．２６ｍＭ水溶液４９．２μｌとを混合し、室温で４時間反応させた。
【００４８】
上記反応液を遠心型限外ろ過膜（アミコン社、分子量３万カット）によって回転数７５００回転で１０分間濃縮し、さらに濃縮液にＰＢＳ３ｍｌを添加して、同限外ろ過膜で同様の条件で再び濃縮した。さらに、ＰＢＳ３ｍｌを添加して同様の条件で濃縮する操作を２回繰り返し、未反応のＢｉｏｔｉｎ−ＰＥＧ−ＣＯ2−ＮＨＳを除去した精製ＰＥＧ−ｂｉｏｔｉｎ化抗体液を取得した。
【００４９】
次にＤｙｎａｂｅａｄｓ ＭｙＯｎｅ ｓｔｒｅｐｔａｖｉｄｉｎ（ノルウェー国Ｄｙｎａｌ社製、直径１．０μｍ）の１％ＰＢＳ溶液１００μｌをエッペンドルフチューブに計量し、それに前記のＰＥＧ−ｂｉｏｔｉｎ化抗体溶液を４０μｌ添加しさらにＰＢＳ４６０μｌでｔｏｔａｌ液量５００μｌにメスアップしたのち、室温で４時間攪拌しながら反応を行った。この反応で得られた磁気ビーズ標識化二次抗体液からノルウェー国Ｄｙｎａｌ社製固定磁石を用いて磁気ビーズ標識化二次抗体のみ回収し、上澄みを除去した。
【００５０】
さらにＰＢＳ１ｍｌを添加し同様な操作でＰＥＧ鎖を介した磁気ビーズ標識化二次抗体のみを回収・洗浄し最終的に１％ＢＳＡ／ＰＢＳ溶液に調製したビーズを０．０５％濃度になるように溶解した。作成した磁気ビーズ標識化二次抗体分散液をグラスファイバー不織布に含浸させ、風乾させて多孔体３を得た。
（多孔体５の準備）
厚さ２ｍｍのセルロース不織布を１２ｍｍ×１１ｍｍの大きさに打ち抜いて多孔体５を得た。
【００５１】
（生化学分析容器の準備）
上記で得られた基材のうちポリカーボネート樹脂で作成した基材７及び基材６を用いて、得られた多孔体２、３、５を両面テープにて基材６の所定の位置に固定した。また基材７をピン位置が合うように基材６と嵌合し、本発明の生化学分析容器を得た。勘合した状態での生化学分析容器の強度は十分なものであり、反応面４が汚染されることなくハンドリング可能なものであった。
【００５２】
（生化学反応の検証）
上記の生化学分析容器の添加孔７１に、抗原を含む液１５０μＬを添加した。添加液は、多孔体２に吸収され、横流れ毛細管現象で多孔体３に到達し、多孔体３に担持された磁気ビーズ標識化二次抗体を解離して、ポリカーボネート樹脂３１によって形成された溝状の通路３２を通って反応面４を通過し、ポリカーボネート樹脂３３によって形成された溝状の通路７５を通って多孔体５に吸収されることが目視観測された。約１５分で添加孔７１、反応面４に残存していた液体はすべて多孔体５に吸収された。反応面４には、抗原−抗体反応を介して磁性粒子が固定される。
上記の手法で反応面４に磁性粒子が固定化された生化学反応容器と磁性粒子が全く固定化されていない生化学反応容器について、本発明の磁性粒子検出システムを用いて測定を行った。
【００５３】
＜磁性粒子の検出システム＞
図１０は、実験で用いた磁気センサ９０１を説明するための図である。磁気センサ９０１は、磁場発生部９０３に永久磁石を用い、センサ部９０２ａ、９０２ｂに村田製作所製磁気抵抗素子ＢＳ０５を用い、磁場発生部９０３及びセンサ部９０２ａ、９０２ｂをアルミニウム製の外装体２０４で包囲して構成されている。
電気抵抗変化検出は、図１１に示すように、２つのセンサ部９０２ａ、９０２ｂを直列に接続し、バイアス１００１に５Ｖ、もう一方の端子１００２をグランドに接続し、中点Ｐの電位の変化から検出した。実験においては、図１０に示したように、センサ部９０２ａ及び９０２ｂ上を固定部１０１に固定された磁性粒子を図中に示した矢線の方向に走査した。
【００５４】
中点Ｐから出力された信号は、図１で説明した増幅回路１０５によって約２０万倍に増幅され、増幅されたアナログ信号がＡ／Ｄコンバータ１０６によってデジタル信号に変換されて出力される。
図１２は、以上のようにして行った実験の結果、固定部１０１に磁性粒子が固定された場合に得られる信号と、磁性粒子が固定されていない場合に得られる信号との比を示したものである。図１２の縦軸は、磁性粒子が固定された生化学反応容器からの出力をＡ、磁性粒子が固定されていない生化学反応容器からの出力をＢとしたときのＡ／Ｂ比を示している。また、横軸は、磁気センサ９０１の外装体表面と基材１０２の底面との距離を示している。図１２によれば、磁気センサ９０１外装体表面と基材１０２の底面との距離が１５０μｍ以上、６００μｍ以下の範囲にあるときに比較的大きいＡ／Ｂ比が得られることが分かる。なお、信号の高Ａ／Ｂ比は、信号のＳ／Ｎ比が高いことを示している。
【００５５】
磁気センサ９０１と基材１０２の底面との距離は、センサ部９０２ａ、９０２ｂと反応面４との距離に対応する。本実施形態では、基材１０２の厚さが約１００μｍ程度であることと、使用した磁気センサにおいてセンサ部から外装体表面までの距離が約３００μmであることから、センサ部９０２ａ、９０２ｂと反応面４との距離は、横軸に示した距離に約４００μｍを加算した値を持つ。
したがって、本実施形態の測定装置は、センサ部９０２ａ、９０２ｂと反応面４との距離の範囲を４５０μm以上、９００μm以下に制限することによって高Ｓ／Ｎ比の信号を得られる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明の磁性粒子検出装置は、医療診断・環境計測等において測定対象溶液中の被検出物質を高感度に、簡便に測定できる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の一実施形態の測定装置の構成を説明するための図である。
【図２】図１に示した磁気センサを説明するための図である。
【図３】本発明の一実施形態の磁気センサと磁性粒子の固定面との距離について説明するための図である。
【図４】図２に示した磁気センサの抵抗の変化を電圧変化として取り出すことを説明するための図である。
【図５】本発明の一実施形態の磁性粒子の固定について説明するための図である。
【図６】本発明の一実施形態の基材及び固定部を説明するための図であって、組み立て前の生化学反応容器を示した図である。
【図７】本発明の一実施形態の基材及び固定部を説明するための図であって、組み立て前の生化学反応容器を示した他の図である。
【図８】図６及び図７に示した構成を組み立てて形成された生化学反応容器を示した図である。
【図９】図８に示した生化学反応容器と異なる形態の生化学反応容器を示した図である。
【図１０】本発明の測定装置で得られる効果を確認するために行った実験で用いた磁気センサを説明するための図である。
【図１１】実験において磁気センサの抵抗の変化を電圧変化として取り出すことを説明するための図である。
【図１２】実験の結果得られた信号を示した図である。
【符号の説明】
【００５８】
４ 反応面 、６，７ 基材、２０ 液体不浸透性基材、７１ 添加孔、１０１ 固定部、１０２ 基材、１０３，２０３ 磁気センサ、１０５ 増幅回路、１０６ Ａ／Ｄコンバータ、１０４ ステッピングモータ、１０７ 固定台、２０１ センサ部、２０２ 磁場発生部、２０４ 外装体、５０３ 磁性粒子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気センサを使って磁気的な信号を検出し、検出された信号から物質を測定する磁気センサを用いた測定装置及び測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、磁性粒子を標識として測定すべき物質に付し、磁性粒子によって生じた磁気的な信号を検出することによって物質の有無あるいは量を測定する磁気センサを用いた測定装置及び測定方法にかかる。
現在、医療診断や環境計測等において、特異的結合を利用して試料中の検出すべき物質の量を測定することがなされている。なお、特異的結合とは、例えば、ある抗原と抗原に特有の抗体とだけが反応して結合する現象をいう。
【０００３】
特異的結合を利用した測定装置あるいは測定方法として、酵素免疫測定法や蛍光免疫測定法などが広く用いられている。酵素免疫測定法は、被検出物質と特異的に反応する物質に酵素で標識を付し、酵素反応による発色を光学的に計測する方法である。また、蛍光免疫測定法では、被検出物質と特異的に反応する物質を蛍光体で標識し、前記被検出物質が存在する場合には、蛍光体が発する蛍光強度を計測する方法である。
【０００４】
ただし、酵素反応による発色の計測は、酵素の安定性が低く、また、検出系の充分な感度が得がたいといった不具合がある。また、蛍光強度を計測する方法は、検出系の感度は高いものの、迷光の影響を受け易くバックグラウンドノイズが高い。また、微弱信号を検出するためには高価な測定装置が必要となる。さらに、標識となる蛍光体が褪色するといった不具合がある。
【０００５】
このような不具合を解消するものとして、近年では、磁力によって検出できる標識を被検出物質に付し、磁気センサによって磁力を検出することによって被検出物質を測定する装置が注目されている。磁気センサを使った測定では、バックグラウンドノイズの発生源となり得るのは磁性体のみであるため、光がバックグラウンドノイズとなる光学的測定よりも低ノイズであり、高い検出精度を得ることができる。
【０００６】
磁気センサを使った測定装置の従来技術としては、ホール素子及び磁気抵抗素子を用いた磁性粒子検出装置が提案されている(特許文献1)。この特許文献1に記載されている方式は、磁気センサ及び磁性粒子に５００エルステッド以上１０００エルステッド以下の静磁場を与え、磁気センサ上で磁性粒子を走査移動させることで静磁場を変化させ、磁性粒子を検出する。
【０００７】
また、磁気センサを使った測定装置としては、超伝導量子緩衝装置(Superconducting Quantum Interface Device；以下ＳＱＵＩＤという)が知られている。このＳＱＵＩＤは、超伝導ループにおける磁束の量子化を利用したデバイスで、２個のジョセフソン素子と超伝導配線で超伝導ループを形成した高感度の素子である。ただし、ＳＱＵＩＤは、測定の間、ピックアップループを冷却して低温に維持しなければならず、より測定を簡便に行うことが望まれている。
【０００８】
ＳＱＵＩＤを用いる抗原抗体反応を利用した免疫測定法は、例えば、特許文献２に開示されている。特許文献２に記載されている装置は、１つの抗原または抗体に磁性体微粒子を付して磁性体標識体とし、磁性体標識体と検体を抗原抗体反応させる。そして、反応後の検体から未反応の磁性体標識体を分離除去した後、検体の磁化の程度をＳＱＵＩＤで測定する。
【特許文献１】米国特許第６，５１８，７４７号明細書
【特許文献２】特開昭６３−９０７６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、磁性粒子による磁場の変化を磁気センサで検出する場合、磁性粒子と磁気センサとの距離が短いほど信号出力が大きくなることは一般によく知られている。しかしながら、磁性粒子と磁気センサとを近づけることによって接触ノイズと呼ばれるノイズが発生し、このノイズが信号の検出精度を低下させるおそれがある。
接触ノイズは、ばねを使って磁気センサから磁性粒子までを一定の距離以上に保つことによって防ぐことも可能である。ただし、このようにした場合、ばねの使用によって装置構成が複雑になり、また、磁性粒子を固定する基材の構成に制限が生じて装置の汎用性が低下する。
【００１０】
また、磁性粒子を固定する基材に高分子材料を使用した場合、基材自体に歪みが発生することがあり、磁性粒子と磁気センサとの距離に基材個々の歪みのばらつきも考慮する必要がある。特に、基材と磁気センサとの距離が比較的短く、磁気センサ上で基材を走査する場合、基材の歪みによって磁気センサに圧力がかかり、ピエゾノイズを発生させる。ピエゾノイズは、信号ノイズ出力比（以下、Ｓ／Ｎ比）を低下させる要因となり、磁性粒子が発する超微弱信号の検出においては大きな問題となる。
【００１１】
基材の歪みによる問題を解消するには、基材に金属を使用することも考えられる。基材を磁気センサ上で移動することにより信号出力を得るが、しかし基材を金属にした場合、基材自体からの信号もまた検出する可能性があり、結果として磁気的な信号ノイズとなる。さらに磁性粒子に印加すべく磁場発生源からの磁界を遮蔽してしまい、十分な感度・安定した検出が実施できない可能性がある。以上の理由で、基材に金属を使用することは好ましくない。
【００１２】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、磁性粒子を用いた測定において、磁性粒子と磁気センサ間の距離を最適にすることによって、任意の形態の基材に固定された磁性粒子量を高Ｓ／Ｎ比かつ高汎用性で測定する磁気センサを用いた測定装置及び測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
以上の課題を解決するため、本発明の磁気センサを用いた測定装置は、基材上にあって、測定すべき物質との特異的結合を介して磁性粒子が固定された固定部と、前記固定部を前記基材と共に移動させる移動手段と、前記移動手段によって移動された前記固定部が通過する位置を含む領域に磁場を印加する磁場発生手段と、前記磁場発生手段によって印加された前記磁場の変化を検出する磁気センサと、を備えてなり、前記磁気センサは、前記固定部において前記磁性粒子が固定される固定面からの距離が４５０μm以上、９００μm以下になる位置に配置されることを特徴とする。
【００１４】
このような発明によれば、磁場中を磁性粒子を移動させて磁場を変化させると共に、変化した磁場を磁気センサで検出することができる。このとき、磁気センサと磁性粒子との距離を最適化することにより、高Ｓ／Ｎ比の磁気センサの出力信号を得ると共に接触ノイズの発生を防ぐことができる。また、磁性粒子が固定された基材を磁場中で走査することによって磁場検出が可能であるので、測定すべきサンプルを固定あるいは保持するための特別な構成が不要になって様々な測定に汎用的に使用できる磁気センサを用いた測定装置を提供することができる。
【００１５】
また、本発明の磁気センサを用いた測定装置は、前記磁気センサが半導体磁気抵抗素子を備え、前記磁気センサは、この半導体磁気抵抗素子と前記固定面との距離が４５０μm以上、９００μm以下になる位置に配置されることを特徴とする。
このような発明によれば、磁気センサと磁性粒子との距離を最適化し、高Ｓ／Ｎ比の磁気センサの出力信号を得ると共に接触ノイズの発生を防ぐことができる。
【００１６】
また、本発明の磁気センサを用いた測定装置は、前記磁性粒子が、平均粒子径が０．1μｍ以上５μｍ以下であることを特徴とする。
このような発明によれば、サンプルの磁性体含有量を、免疫反応効率及び測定感度の点で望ましい値にすることができる。
また、本発明の磁気センサを用いた測定装置は、前記基材が、液体浸透性を持たない有機高分子材料でなることを特徴とする。
【００１７】
このような発明によれば、基材が、液体を含むサンプルの状態を測定中容易に保持することができる。
また、本発明の磁気センサを用いた測定装置は、前記有機高分子材料が、熱可塑性樹脂であることを特徴とする。
このような発明によれば、熱可塑性樹脂の加工が容易であることから、任意の形状を持った基材を容易に製造することができる。
【００１８】
また、本発明の磁気センサを用いた測定方法は、基材上にあって、測定すべき物質との特異的結合を介して磁性粒子が固定された固定部を、前記基材と共に移動させる移動工程と、前記移動工程において前記固定部が通過する位置を含む領域に磁場を印加する磁場発生工程と、前記固定部において前記磁性粒子が固定される固定面からの距離が４５０μm以上、９００μm以下になる位置に配置された磁気センサにより、前記磁場発生工程において印加された前記磁場の変化を検出する磁気検出工程とを含むことを特徴とする。
【００１９】
このような発明によれば、磁場中を磁性粒子を移動させて磁場を変化させると共に、変化した磁場を磁気センサで検出することができる。このとき、磁気センサと磁性粒子との距離を最適化することにより、高Ｓ／Ｎ比の磁気センサの出力信号を得ると共に接触ノイズの発生を防ぐことができる。また、磁性粒子が固定された基材を磁場中で走査することによって磁場検出が可能であるので、測定すべきサンプルを固定あるいは保持するための特別な構成が不要になって様々な測定に汎用的に使用できる磁気センサを用いた測定方法を提供することができる。
【発明の効果】
【００２０】
以上述べたように、本発明の磁気センサを用いた測定装置は、高Ｓ／Ｎ比の磁気センサの出力信号を得ると共に接触ノイズの発生を防ぐことができる。また、本発明の磁気センサを用いた測定装置は、磁性粒子が固定された基材を磁場中で走査することによって磁場検出が可能であるので、測定すべきサンプルを固定あるいは保持するための特別な構成が不要になって様々な測定に汎用的に使用することができる。
【００２１】
また、本発明の磁気センサを用いた測定装置は、磁気センサと磁性粒子との距離を最適化し、高Ｓ／Ｎ比の磁気センサの出力信号を得ると共に接触ノイズの発生を防ぐことができる。
また、本発明の磁気センサを用いた測定装置は、任意の形状を持った基材が容易に製造でき、ひいては測定装置の製造を簡易にすることができる。
【００２２】
また、本発明の磁気センサを用いた測定方法は、高Ｓ／Ｎ比の磁気センサの出力信号を得ると共に接触ノイズの発生を防ぐことができる。また、本発明の磁気センサを用いた測定方法は、磁性粒子が固定された基材を磁場中で走査することによって磁場検出が可能であるので、測定すべきサンプルを固定あるいは保持するための特別な構成が不要になって様々な測定に汎用的に使用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図を参照して本発明に係る本発明の一実施形態の磁気センサを用いた測定装置及び測定方法を説明する。
図１は、本実施形態の磁気センサを用いた測定装置（以下、単に測定装置と記す）の構成を説明するための図である。測定装置は、基材１０２を備え、基材１０２は、測定すべき物質（測定物質）との特異的結合を介して磁性粒子を固定しうる固定部１０１を備えている。なお、本実施形態でいう特異的結合とは、抗原と抗体、糖とレクチン、ヌクレオチド鎖とそれに相補的なヌクレオチド鎖、リガンドとレセプタ等の特異的な親和性を有する物質間での結合のことを指す。
【００２４】
本実施形態の基材１０２は、液体浸透性をもたない有機高分子材料であればよく、有機高分子材料は熱可塑性樹脂であれば特に限定されない。ただし、好ましい材料として、アクリルニトリルブタジエン−スチレン共重合体、ポリカーボネート、ポリスチレン等が挙げられる。
また、本実施形態の測定装置は、固定部１０１を基材１０２と共に移動させる移動手段を備えている。本実施形態では、基材１０２を固定台１０７に固定し、固定部１０１と共にステッピングモータ１０４等によって移動させる構成を移動手段とする。なお、移動手段は、図中に示す矢線Ａの方向に固定部１０１を移動させるものであって、移動の動作を固定部１０１の走査とも記す。
【００２５】
また、本実施形態の測定装置は、移動された固定部１０１が通過する位置を含む領域に磁場を印加すると共に、印加された磁場の変化を検出する磁気センサ１０３を備えている。そして、磁気センサ１０３は、固定部１０１において磁性粒子が固定された固定面Fからの距離が４５０μm以上、９００μm以下になる位置に配置されている。
さらに、図１に示した構成は、磁気センサ１０３が出力した信号を増幅する増幅回路１０５、増幅された信号をデジタル化するＡ／Ｄコンバータ１０６を備えている。
【００２６】
図２は、磁気センサ１０３を説明するための図である。図２（ａ）に示したように、磁気センサ１０３は、磁場を発生する磁場発生部２０２、発生された磁場の変化を検出するセンサ部２０１を備え、磁場発生部２０２、センサ部２０１が外装体２０４によって包囲されている。センサ部２０１は、半導体磁気抵抗素子であって、本実施形態では半導体薄膜である。また、磁場発生部２０２は、図中に示した矢線Ｂに沿う磁力線で表される磁場を発生する。
【００２７】
磁気センサ１０３は、センサ部２０１と固定部１０１の磁性粒子が固定された固定面Fとが所定の長さａ隔てた位置に配置される。距離ａは、４５０μm以上、９００μm以下、より好ましくは５５０μm以上、９００μm以下である。なお、固定面Fについては、後に詳述するものとする。
ここで、図３を用い、磁気センサ１０３と磁性粒子の固定面との距離ａについて説明する。図示するように、距離ａは、固定面からセンサ部２０１の上面に降ろした垂線の長さで表される。
【００２８】
基材１０２は、磁気センサ１０３の外装体表面２０４と接触せずに所定の距離ｃを隔てて保持される。距離ａは、センサ部２０１の上面から外装体２０４までの長さｂと距離ｃとを含んだ距離である。
距離bは、外装体の厚みあるいはセンサ部からの信号を取り出すのに必要な信号配線のワイヤループ高さ等によって決定される。また、距離ｃは、外装体２０４の表面と基材１０２の裏面との接触を防ぐのに充分な距離を確保できるよう定められる。
【００２９】
すなわち、本実施形態の構成では、距離ａが短いほど磁気センサ１０３から出力される信号の強度は大きくなる。一方、センサ部２０１を固定面に近づけるため基材１０２の厚さを薄くすると、基材１０２の強度は弱くなり、表面が歪む場合がある。信号検出の際、センサ部上において基材を移動するが、移動することにより空気圧が発生する。基材の強度が弱いとこの空気圧により、基材に歪みが生じ、基材上の場所によって、あるいは基材ごとに信号出力が異なるというように、安定に測定を実施できない。
【００３０】
また、歪みには、基材１０２によるばらつきがあり、距離ａの設定には歪みのばらつきも考慮しなければならない。センサ部２０１と基材１０２とが接触した場合には大きなノイズが発生し、信号出力のＳ／Ｎ比が大きく低下する。
本実施形態の測定装置は、センサ部２０１と磁性粒子の固定面との距離ａを４５０μm以上、９００μm以下に設定することにより、充分な精度が得られる大きさの信号を検出することができる。また、このような距離ａは、基材の歪みが測定に影響しない厚さ（１００μｍ程度）を充分確保することができる。さらに、センサ部２０１と基材１０２との接触を防ぐための距離のマージンをとって一定の値以上のＳ／Ｎ比をもった磁気信号の検出を可能にしている。
【００３１】
以上の点から、本実施形態は、基材１０２と磁気センサ１０３が接触しない状態で、必要な図３における距離ｂ (２００〜４００μm程度)を十分確保し、しかも歪みが測定に影響することを防ぐ基材の厚みを確保するものといえる。
なお、距離ａは、マイクロメータを用いて調節可能であり、また隙間ゲージなどを用いることにより容易に計測できる。
【００３２】
磁気センサ１０３の外装体２０４としては、金属材料、高分子材料などが用いられるが、鏡面仕上げが容易である、また電磁ノイズ除去という点で金属が好ましい。また、磁性粒子による磁界変化を検出する点から例えばアルミニウム等の非磁性材料を使用することが好ましい。
磁場発生部２０２には、永久磁石またはコイルに直流電流を流す形態の電磁石を適用することができる。ただし、磁場の安定性の点から永久磁石が好ましい。永久磁石を用いる場合、小型でありながら強い磁場がかけられるサマリウムコバルト磁石、ネオジウム磁石等を用いることが好ましい。
【００３３】
磁場発生部２０２によって印加される磁場の強度は、センサ部２０１として使用される半導体磁気抵抗素子が強磁場下で高感度であるという特性を考慮すると、５００エルステッド以上が好ましく、さらに、１０００エルステッド以上が好ましく、さらには１５００エルステッド以上が好ましい。
また、本実施形態でいう磁気センサは、図２（ｂ）に示したように、磁場発生部２０２の周囲に外装体２０４がない構成の磁気センサ２０３であってもよい。ただし、センサと磁石の距離が一定であることにより磁場発生部２０２を用いて高強度、かつ一様な磁場を安定に印加出来る点、また量産時において、センサと磁石の距離を一定にすることでセンサ出力の安定した測定装置を提供出来る点から図２（a）に示した磁気センサ１０３を用いることが好ましい。
【００３４】
なお、磁気センサ２０３の場合であっても、センサ部２０１と固定部１０１における固定面との距離が４５０μm以上、９００μm以下になる位置に配置されるものとする。
半導体薄膜を用いたセンサ部２０１としては、例えば、インジウムアンチモンなどの化合物半導体、シリコンなどの半導体が適用できる。また、本実施形態では、センサ部２０１が磁場の変化を抵抗の変化として測定するものとしたが、本実施形態は、このような構成に限定されるものでなく、磁場の変化を電圧変化、電流変化として測定するものであってもよい。
【００３５】
また、抵抗の変化を電圧変化として取り出す場合、図４に示すように、センサ部２０１と抵抗体３０１とを直列に接続し、一方をバイアス電圧３０２へ、他方をグランド３０３に接続し、中点Ｐでの電位変化を検出することによってセンサ部２０１の電気抵抗変化を検出することができる。なお、抵抗体３０１は、固定抵抗でも半導体磁気抵抗素子でもよい。
【００３６】
以上述べた測定装置は、次のように動作する。すなわち、磁気センサ１０３は、センサ部２０１と共に、磁場発生部２０２が固定部１０１が通過する位置を含む領域に磁場を印加する。固定部１０１は、走査されることによって印加された磁場中を横切ってローレンツ力を生じる。センサ部２０１は、生じたローレンツ力によって抵抗が変化する。このため、固定部１０１が磁場が印加された範囲の外から範囲内に入ったときセンサ部２０１から出力される信号が変化する。信号の変化量は、磁性粒子の量に対応し、磁性粒子は測定物質と特異的に結合して固定部１０１に固定されている。したがって、本実施形態の測定装置は、センサ部２０１が出力する信号によって磁場の変化を検出し、信号の大きさから測定物質を定量することが可能になる。
【００３７】
図５は、本実施形態の磁性粒子の固定について説明するための図である。図５に示すように、基材１０２の固定部１０１には、測定すべき抗原と特異的に結合する抗体５０１が固定されている。このような基材１０２に抗原５０５と特異的結合をし得る抗体５０２を備えた磁性粒子５０３と抗原５０５を反応させると、抗体５０１と測定すべき抗原５０５及び磁性粒子５０３に備わった抗体５０２とが抗原抗体反応によってサンドイッチ結合を生じ、特異的に結合する。この結果、磁性粒子が抗原５０５を介して基材１０２の固定部１０１に固定される。
【００３８】
なお、本実施形態は、抗原抗体反応によって抗原を測定する構成に限定されるものでなく、特異的結合によって結合する物質であればどのような物質を使うものであってもよい。また、本実施形態は、抗原５０５を検出するばかりでなく、抗原５０５を固定部１０１に固定し、抗体５０１を備えた磁性粒子５０３を固定された抗原５０５に結合させることによって抗体５０１を検出することも可能である。抗体５０１または抗原５０５の固定部１０１への固定は、周知の技術で実現でき、化学的または物理的な方法のいずれで行うものであってもよい。
【００３９】
磁性粒子５０３は、少なくとも外部から磁場を印加した場合に磁化する粒子であればよい。磁性粒子５０３の具体例としては、強磁性体を単独で粒子状に成形した粒子、強磁性体を核としてその表面をポリスチレン、シリカゲル、ゼラチン、もしくはポリアクリルアミドなどの高分子物質で被覆した粒子、ポリスチレン、シリカゲル、ゼラチン、もしくはアクリルアミドなどの高分子物質の粒子を核として強磁性体を被覆した粒子、または赤血球、リポソームもしくはマイクロカプセルなどの閉じた袋状の物質に強磁性体を封入した粒子等を挙げることができる。
なお、上記した強磁性体としては、例えば、鉄、コバルト、もしくはニッケル等の強磁性金属が挙げられる。また、強磁性金属を含む合金としては、例えば、非磁性体中に強磁性金属もしくは強磁性金属を含む合金を含有するもの、または強磁性金属中もしくは強磁性金属を含む合金中に非磁性体を含有するものが挙げられる。
【００４０】
なお、本実施形態で使用された磁性粒子は、一般的に超常磁性体といわれるもので、外部から磁力を作用させている間は磁化し、磁力の遮断によって速やかに減磁する点で本実施形態の測定装置に用いることが特に好ましい。このような磁性粒子としては、例えば、Ｄｙｎａｌ社製Ｄｙｎａｂｅａｄｓ Ｍ−４５０、Ｍ−２７０、Ｍｙｏｎｅ（以上、製品名）、Ｅｓｔａｐｏｒ社製Ｍ１−０７０−４０、Ｍ１−０７０−６０、Ｍ１−０３０−４０（以上、製品名）、Ｍｉｃｒｏｍｏｄ社製ｍｉｃｒｏｍｅｒ−Ｍ（製品名）、Ｓｅｒａｄｙｎ社製Ｓｅｒａ−ｍａｇ（製品名）等が挙げられる。磁性粒子は、適用される免疫反応物質等の種類に応じて、適切な表面処理がなされたもの、あるいは適切な官能基を有するものが選択される。
【００４１】
磁性粒子の粒子径は、免疫反応効率という点から大きすぎることは好ましくない。また測定感度という点から、磁性体含有量が少なすぎるほど小さいのは好ましくない。したがって本発明の粒子径は、０．１μｍ〜５μｍであり、好ましくは０．５μｍ〜３μｍである。磁性粒子の形状は球形であっても非球形であってもよい。
また、測定すべき物質と磁性粒子との吸着は、固定部１０１への固定と同様に、周知の化学または物理的な方法のいずれで行うものであってもよい。
【００４２】
次に、固定部１０１、固定部１０１の固定面について説明する。
図６〜８は、基材１０２及び固定部１０１を説明するための図であって、図６及び図７は、基材１０２として機能する生化学反応容器の組み立て前の図、図８は、図６及び図７に示した構成を組み立てて形成された生化学反応容器、図９は、図８に示した生化学反応容器と異なる形態の生化学反応容器を示した図である。
【００４３】
本実施形態では、図６、７に示す形状を得るための射出成形金型を作成し、液体不浸透性材料としてポリカーボネート樹脂、ポリスチレン樹脂にて基材６及び基材７を射出成形により作成した。基材６、７を嵌合させるためにピン６７及びピン受け７０を取付けている、また、被分析溶液を添加するための添加孔７１も具備されたものを成形した。基材６は多孔体２、３、５をそれぞれ担持する液体不浸透性基材２０、３０、５０を具備し、反応面４を形成する液体不浸透性基材４０を具備している。
【００４４】
反応面４は、本実施形態の測定装置において、固定面となる。
さらに液体不浸透性材料によって形成された溝状の通路７２、液体不浸透性材料７４によって形成された溝状の通路７５を具備している。いずれの樹脂を用いた場合も、特殊な条件を用いることなく汎用射出成型機で成形が可能であった。
基材６、基材７を嵌合して形成された生化学反応容器の内部にあって、基材６の上面（以下、底板と記す）には、図８に示したように、多孔体２、３、５及び反応面４が配置されている。また、図９は、図８に示した形態と異なる形態の多孔体２、３、５及び反応面４の配置を示している。
【００４５】
固定化される一次抗体は、欧州特許登録番号ＥＰ１１０４７７２号公報に開示されているマイコプラズマニューモニアのリボゾーム蛋白質Ｌ７／Ｌ１２に対するモノクローナル抗体ＡＭＭＰ−３を使用した。具体的には、当該抗体を０．１ｍｏｌｅ／ｌのＭＥＳ（ｐＨ６）緩衝液で１０μｇ／ｍｌ濃度に希釈し、上記で得られた基材６のうちポリカーボネート樹脂で作成した基材６の、反応面４上へ５μｌ正確に滴下し、湿潤箱中に設置したのち、冷蔵庫中にて一晩インキュベーションを実施し、その後蒸留水にて反応面表面を洗浄し窒素ガスエアーにて反応面表面を乾燥させたものを抗体固定化反応装置として一次抗体固定化反応面として調製し被検出物に特異的に反応する物質が固定された反応面４を得た。
【００４６】
本実施形態では、以上述べた測定装置によって磁性粒子の検出の実験を行い、測定装置によって得られる効果について確認した。以下、この実験について説明する。なお、実験では、上記した生化学反応容器を用い、抗原−抗体反応により磁性粒子をポリカーボネート上に固定して測定対象となるサンプルを作成し、本実施形態の測定装置によって測定した。
【００４７】
＜サンプルの準備＞
（多孔体２の準備）
グラスファイバー不織布を１２ｍｍ×８ｍｍに打ち抜き、多孔体２を得た。
（多孔体３の準備）
Ｂｉｏｔｉｎ−ＰＥＧ−ＣＯ2−ＮＨＳ（米国シェアーウオーター社製、ＭＷ３４００）を用いて抗体にＰＥＧ鎖を結合させた。Ｂｉｏｔｉｎ−ＰＥＧ−ＣＯ2−ＮＨＳ（米国シェアーウオーター社製、ＭＷ３４００）試薬２．９ｍｇを計量し、２００μｌの蒸留水に溶解し、４．２６ｍＭ水溶液を作成した。
欧州特許登録番号ＥＰ１１０４７７２号公報に開示されている抗マイコプラズマ抗体ＡＭＭＰ−１をＰＢＳに脱塩・ｂｕｆｆｅｒ交換したもの（抗体濃度６．９９ｍｇ／ｍｌ）１．５ｍｌと先に調製したＢｉｏｔｉｎ−ＰＥＧ−ＣＯ2−ＮＨＳ４．２６ｍＭ水溶液４９．２μｌとを混合し、室温で４時間反応させた。
【００４８】
上記反応液を遠心型限外ろ過膜（アミコン社、分子量３万カット）によって回転数７５００回転で１０分間濃縮し、さらに濃縮液にＰＢＳ３ｍｌを添加して、同限外ろ過膜で同様の条件で再び濃縮した。さらに、ＰＢＳ３ｍｌを添加して同様の条件で濃縮する操作を２回繰り返し、未反応のＢｉｏｔｉｎ−ＰＥＧ−ＣＯ2−ＮＨＳを除去した精製ＰＥＧ−ｂｉｏｔｉｎ化抗体液を取得した。
【００４９】
次にＤｙｎａｂｅａｄｓ ＭｙＯｎｅ ｓｔｒｅｐｔａｖｉｄｉｎ（ノルウェー国Ｄｙｎａｌ社製、直径１．０μｍ）の１％ＰＢＳ溶液１００μｌをエッペンドルフチューブに計量し、それに前記のＰＥＧ−ｂｉｏｔｉｎ化抗体溶液を４０μｌ添加しさらにＰＢＳ４６０μｌでｔｏｔａｌ液量５００μｌにメスアップしたのち、室温で４時間攪拌しながら反応を行った。この反応で得られた磁気ビーズ標識化二次抗体液からノルウェー国Ｄｙｎａｌ社製固定磁石を用いて磁気ビーズ標識化二次抗体のみ回収し、上澄みを除去した。
【００５０】
さらにＰＢＳ１ｍｌを添加し同様な操作でＰＥＧ鎖を介した磁気ビーズ標識化二次抗体のみを回収・洗浄し最終的に１％ＢＳＡ／ＰＢＳ溶液に調製したビーズを０．０５％濃度になるように溶解した。作成した磁気ビーズ標識化二次抗体分散液をグラスファイバー不織布に含浸させ、風乾させて多孔体３を得た。
（多孔体５の準備）
厚さ２ｍｍのセルロース不織布を１２ｍｍ×１１ｍｍの大きさに打ち抜いて多孔体５を得た。
【００５１】
（生化学分析容器の準備）
上記で得られた基材のうちポリカーボネート樹脂で作成した基材７及び基材６を用いて、得られた多孔体２、３、５を両面テープにて基材６の所定の位置に固定した。また基材７をピン位置が合うように基材６と嵌合し、本発明の生化学分析容器を得た。勘合した状態での生化学分析容器の強度は十分なものであり、反応面４が汚染されることなくハンドリング可能なものであった。
【００５２】
（生化学反応の検証）
上記の生化学分析容器の添加孔７１に、抗原を含む液１５０μＬを添加した。添加液は、多孔体２に吸収され、横流れ毛細管現象で多孔体３に到達し、多孔体３に担持された磁気ビーズ標識化二次抗体を解離して、ポリカーボネート樹脂３１によって形成された溝状の通路３２を通って反応面４を通過し、ポリカーボネート樹脂３３によって形成された溝状の通路７５を通って多孔体５に吸収されることが目視観測された。約１５分で添加孔７１、反応面４に残存していた液体はすべて多孔体５に吸収された。反応面４には、抗原−抗体反応を介して磁性粒子が固定される。
上記の手法で反応面４に磁性粒子が固定化された生化学反応容器と磁性粒子が全く固定化されていない生化学反応容器について、本発明の磁性粒子検出システムを用いて測定を行った。
【００５３】
＜磁性粒子の検出システム＞
図１０は、実験で用いた磁気センサ９０１を説明するための図である。磁気センサ９０１は、磁場発生部９０３に永久磁石を用い、センサ部９０２ａ、９０２ｂに村田製作所製磁気抵抗素子ＢＳ０５を用い、磁場発生部９０３及びセンサ部９０２ａ、９０２ｂをアルミニウム製の外装体２０４で包囲して構成されている。
電気抵抗変化検出は、図１１に示すように、２つのセンサ部９０２ａ、９０２ｂを直列に接続し、バイアス１００１に５Ｖ、もう一方の端子１００２をグランドに接続し、中点Ｐの電位の変化から検出した。実験においては、図１０に示したように、センサ部９０２ａ及び９０２ｂ上を固定部１０１に固定された磁性粒子を図中に示した矢線の方向に走査した。
【００５４】
中点Ｐから出力された信号は、図１で説明した増幅回路１０５によって約２０万倍に増幅され、増幅されたアナログ信号がＡ／Ｄコンバータ１０６によってデジタル信号に変換されて出力される。
図１２は、以上のようにして行った実験の結果、固定部１０１に磁性粒子が固定された場合に得られる信号と、磁性粒子が固定されていない場合に得られる信号との比を示したものである。図１２の縦軸は、磁性粒子が固定された生化学反応容器からの出力をＡ、磁性粒子が固定されていない生化学反応容器からの出力をＢとしたときのＡ／Ｂ比を示している。また、横軸は、磁気センサ９０１の外装体表面と基材１０２の底面との距離を示している。図１２によれば、磁気センサ９０１外装体表面と基材１０２の底面との距離が１５０μｍ以上、６００μｍ以下の範囲にあるときに比較的大きいＡ／Ｂ比が得られることが分かる。なお、信号の高Ａ／Ｂ比は、信号のＳ／Ｎ比が高いことを示している。
【００５５】
磁気センサ９０１と基材１０２の底面との距離は、センサ部９０２ａ、９０２ｂと反応面４との距離に対応する。本実施形態では、基材１０２の厚さが約１００μｍ程度であることと、使用した磁気センサにおいてセンサ部から外装体表面までの距離が約３００μmであることから、センサ部９０２ａ、９０２ｂと反応面４との距離は、横軸に示した距離に約４００μｍを加算した値を持つ。
したがって、本実施形態の測定装置は、センサ部９０２ａ、９０２ｂと反応面４との距離の範囲を４５０μm以上、９００μm以下に制限することによって高Ｓ／Ｎ比の信号を得られる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明の磁性粒子検出装置は、医療診断・環境計測等において測定対象溶液中の被検出物質を高感度に、簡便に測定できる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の一実施形態の測定装置の構成を説明するための図である。
【図２】図１に示した磁気センサを説明するための図である。
【図３】本発明の一実施形態の磁気センサと磁性粒子の固定面との距離について説明するための図である。
【図４】図２に示した磁気センサの抵抗の変化を電圧変化として取り出すことを説明するための図である。
【図５】本発明の一実施形態の磁性粒子の固定について説明するための図である。
【図６】本発明の一実施形態の基材及び固定部を説明するための図であって、組み立て前の生化学反応容器を示した図である。
【図７】本発明の一実施形態の基材及び固定部を説明するための図であって、組み立て前の生化学反応容器を示した他の図である。
【図８】図６及び図７に示した構成を組み立てて形成された生化学反応容器を示した図である。
【図９】図８に示した生化学反応容器と異なる形態の生化学反応容器を示した図である。
【図１０】本発明の測定装置で得られる効果を確認するために行った実験で用いた磁気センサを説明するための図である。
【図１１】実験において磁気センサの抵抗の変化を電圧変化として取り出すことを説明するための図である。
【図１２】実験の結果得られた信号を示した図である。
【符号の説明】
【００５８】
４ 反応面 、６，７ 基材、２０ 液体不浸透性基材、７１ 添加孔、１０１ 固定部、１０２ 基材、１０３，２０３ 磁気センサ、１０５ 増幅回路、１０６ Ａ／Ｄコンバータ、１０４ ステッピングモータ、１０７ 固定台、２０１ センサ部、２０２ 磁場発生部、２０４ 外装体、５０３ 磁性粒子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材上にあって、測定すべき物質との特異的結合を介して磁性粒子が固定された固定部と、
前記固定部を前記基材と共に移動させる移動手段と、
前記移動手段によって移動された前記固定部が通過する位置を含む領域に磁場を印加する磁場発生手段と、
前記磁場発生手段によって印加された前記磁場の変化を検出する磁気センサと、を備えてなり、
前記磁気センサは、前記固定部において前記磁性粒子が固定される固定面からの距離が４５０μm以上、９００μm以下になる位置に配置されることを特徴とする磁気センサを用いた測定装置。
【請求項２】
前記磁気センサが半導体磁気抵抗素子を備え、前記磁気センサは、該半導体磁気抵抗素子と前記固定面との距離が４５０μm以上、９００μm以下になる位置に配置されることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサを用いた測定装置。
【請求項３】
前記磁性粒子は、平均粒子径が０．1μｍ以上５μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気センサを用いた測定装置。
【請求項４】
前記基材は、液体浸透性を持たない有機高分子材料でなることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の磁気センサを用いた測定装置。
【請求項５】
前記有機高分子材料は、熱可塑性樹脂であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の磁気センサを用いた測定装置。
【請求項６】
基材上にあって、測定すべき物質との特異的結合を介して磁性粒子が固定された固定部を、前記基材と共に移動させる移動工程と、
前記移動工程において前記固定部が通過する位置を含む領域に磁場を印加する磁場発生工程と、
前記固定部において前記磁性粒子が固定される固定面からの距離が４５０μm以上、９００μm以下になる位置に配置された磁気センサにより、前記磁場発生工程において印加された前記磁場の変化を検出する磁気検出工程と、を含むことを特徴とする磁気センサを用いた測定方法。
【請求項１】
基材上にあって、測定すべき物質との特異的結合を介して磁性粒子が固定された固定部と、
前記固定部を前記基材と共に移動させる移動手段と、
前記移動手段によって移動された前記固定部が通過する位置を含む領域に磁場を印加する磁場発生手段と、
前記磁場発生手段によって印加された前記磁場の変化を検出する磁気センサと、を備えてなり、
前記磁気センサは、前記固定部において前記磁性粒子が固定される固定面からの距離が４５０μm以上、９００μm以下になる位置に配置されることを特徴とする磁気センサを用いた測定装置。
【請求項２】
前記磁気センサが半導体磁気抵抗素子を備え、前記磁気センサは、該半導体磁気抵抗素子と前記固定面との距離が４５０μm以上、９００μm以下になる位置に配置されることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサを用いた測定装置。
【請求項３】
前記磁性粒子は、平均粒子径が０．1μｍ以上５μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気センサを用いた測定装置。
【請求項４】
前記基材は、液体浸透性を持たない有機高分子材料でなることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の磁気センサを用いた測定装置。
【請求項５】
前記有機高分子材料は、熱可塑性樹脂であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の磁気センサを用いた測定装置。
【請求項６】
基材上にあって、測定すべき物質との特異的結合を介して磁性粒子が固定された固定部を、前記基材と共に移動させる移動工程と、
前記移動工程において前記固定部が通過する位置を含む領域に磁場を印加する磁場発生工程と、
前記固定部において前記磁性粒子が固定される固定面からの距離が４５０μm以上、９００μm以下になる位置に配置された磁気センサにより、前記磁場発生工程において印加された前記磁場の変化を検出する磁気検出工程と、を含むことを特徴とする磁気センサを用いた測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００７−１８７５７２（Ｐ２００７−１８７５７２Ａ）
【公開日】平成１９年７月２６日（２００７．７．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−６３７９（Ｐ２００６−６３７９）
【出願日】平成１８年１月１３日（２００６．１．１３）
【出願人】（０００００００３３）旭化成株式会社 (901)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年７月２６日（２００７．７．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１月１３日（２００６．１．１３）
【出願人】（０００００００３３）旭化成株式会社 (901)
【Ｆターム（参考）】
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