專利名稱：磁檢測元件及檢測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于檢測》茲性粒子或以磁性粒子標記的非/磁性物質(zhì)的 磁檢測元件，并且還涉及磁檢測方法。
背景技術：
很久以來放射性免疫分析法(RIA)或免疫放射分析法(IRMA) 就作為定量免疫分析技術。在這些測定方法中，密切相關的抗原(或 抗體)被標記以放射性核素，而靶物質(zhì)(抗體或抗原)通過測量比放 射性被間接測定。這種測定方法由于具有很高的敏感度對于臨床診斷 是很有用的。然而，這種方法要求對于放射性核苷酸是安全的，并且 需要設備或裝置用于處理放射性核苷酸。因此，提出了更加簡單且更 安全的方法而不是放射分析法，這些方法應用比如熒光物質(zhì)、酶、電 化學發(fā)光分子、磁性粒子等標記。
在以諸如熒光標記、酶標記、或電化學發(fā)光標記〗故標記的測定中， 通過測量光學特性如吸光度、光透射度和發(fā)光數(shù)量來檢測靶物質(zhì)。在 以酶做標記的酶免疫分析法(EIA)中，抗原-抗體反應被引發(fā)，使得 酶標記抗體與酶底物發(fā)生反應而顯色，而后通過比色法定量測量吸光 度。
有幾家研究機構發(fā)表了一些關于使用磁性傳感器元件的生物傳感 器的研究報告。磁性生物傳感器直接檢測以磁性粒子標記的生物學分 子。磁性傳感器元件包括磁阻元件、Hall元件、約瑟夫森元件、線圏 元件、磁可變阻抗元件和磁通門(FG)傳感器。
日本專利申請公開No. 2005-315744 (專利文件1); 2006-208368 (專利文件2); H. A. Ferreira等，J. Appl. Phys. ， 93 7281 ( 2003)， (非專利文件1); Pierre畫A. Besse等，Appl. Phys. Lett. 80 4199( 2002 )，
4(非專利文件2 ); SeungKyun Lee等，Appl. Phys. Lett. 81 3094( 2002 )， (非專利文件3 ); Richard Luxton等，Anal. Chem. 16 1127 ( 2001 )(非 專利文件4 );以及Horia Chiriac等，J. Magn. Magn. Mat. 293 671 (非
專利文件5)。
FG傳感器以軟磁部件和線圏檢測感應電動勢。應用上述元件來 檢測生物物質(zhì)的檢測方法具有各自的特點。在它們中間，F(xiàn)G傳感器 具有磁場的高分辨率、對所施加磁場的高線性輸出以及對溫度的高穩(wěn) 定性的優(yōu)點。
FG傳感器粗略地分成兩種類型平行型傳感器和正交型傳感器。 平行型FG傳感器通常包括軟磁芯，用于對該磁芯施加交變磁場的激 勵線圏，以及用于檢測磁芯內(nèi)磁性變化的檢測線圏。采用此傳感器， 磁場通過利用磁通量的變化而被檢測，所述磁通量變化是由在交變磁 場Hac中軟磁芯內(nèi)的磁性變化導致的.("Zikikohgaku no Kiso to Oyoh": Denki Gakkai magnetics Technology Committee第171頁 ("Base and Application of Magnetic Engineering": The Institude of Electical Engineers of Japan, Magnetics Technology Committee: 第 171頁(非專利文件6))。
圖13示出了典型的平行型FG傳感器元件的構造。在圖13中， 傳感器對檢測線圏1250、 1260縱向上的磁場進行檢測。如圖所示，平 行型FG傳感器元件置于外部磁場H。(要檢測的磁場)中，使檢測線 圈1250、 1260的縱向與外部磁場Ho平行。用激勵線圏1230將交變磁 場Hac施加到軟磁芯1200。
圖14是顯示FG傳感器元件的操作原理的視圖。
在與交流電源1502通過激勵線圏1230施加的電流方向相對應的 方向上，使得在激勵線圏1230中產(chǎn)生磁場。在圖中，在激勵線圏1230 內(nèi)圖中向右所產(chǎn)生的磁場引發(fā)檢測線圏1250中向上的磁場和檢測線 圖1260中向下的磁場。相反，在激勵線圏1230內(nèi)圖中向左所產(chǎn)生的 磁場引發(fā)圖中檢測線圏1250中向下的磁場和檢測線圏1260中向上的 磁場。在外部磁場H。以固定方向被施加時，所施加的交變》茲場Hac
5在檢測線圏1250中的區(qū)域PA與檢測線圈1260中的區(qū)域Pe之間的極 性被反轉，如圖14所示。由此，外部磁場H。的偏磁效應在位置PA
與PB之間^皮反轉。
圖15A至15D是顯示圖13所示FG傳感器元件的磁場檢測輸出 過程的圖表。在如圖15A所示的交變磁場施加到激勵線圏1230上的 情況中，軟磁芯1200如下所述在區(qū)域Pa和Pb上被磁化。在Hac和 Ho相互平行的情況下，在如下Hac下磁飽和，即該Hac比HQ=0時的 Hac低H。。在Hac和Ho相互逆向平行的情況下，軟磁芯1200在如下 Hac下》茲飽和，即該Hac比H0=0時的Hac高H0。
據(jù)此，穿過檢測線圏1250、 1260的磁通量①a和①b如圖15B所 示隨時間隨磁化的改變而變化，其中實線表示①a而虛線表示①b。相 應地，如圖15C中所示在檢測線圏1250、 1260中感應產(chǎn)生電動勢， 其中實線表示線圏1250中的電動勢，而虛線表示線圏1260中的電動 勢?？傒敵鲈趫D15D中予以示出。從感應電動勢(圖15D)的相位與 Hac (圖15A)相位的偏差，可檢測Ho的強度，如圖15B所示。如圖 15A所示對軟^茲芯1200施加反向Hac,能夠以兩倍的頻率對感應電動 勢進行檢測以去除測量頻率中的噪音，從而改善信噪比。平行型FG 傳感器以相同的操作原理發(fā)揮作用，即使其結構不同。

發(fā)明內(nèi)容
平行型FG傳感器元件采用電路來檢測磁場，所述電路包含軟磁 芯1200、激勵線圏1230以及如非專利文件6所述纏繞/F茲芯的檢測線 圏。使交變電流流過激勵線圏1230，并且由軟磁芯1200中》茲變導致 的檢測線圈1250、 1260中磁通量的變化作為感應電動勢^皮檢測。在該 檢測中，施加到軟磁芯1200上的磁場是要被檢測的磁場與由激勵線圏 1230施加的交變磁場Hac之和。因此，軟磁芯1200中磁化變化依據(jù) 要,皮檢測的》茲場與Hac之間關系而變化。通過比較磁性粒子固定之前 和之后的傳感器輸出，磁性粒子可通過由磁性粒子產(chǎn)生的磁場(Hs) 凈皮檢測出。在通過平行FG傳感器元件對由磁性粒子產(chǎn)生的本地磁場Hs進行 檢測時，磁性粒子對于檢測線圏的相對位置的改變會由于傳感器元件 中感應電動勢的抵消作用而降低傳感器輸出。因此，在某些情況下， 即使存在磁性粒子，由于傳感器的輸出不足，磁性粒子也不能被檢測 到。
本發(fā)明已完成以解決傳統(tǒng)技術的前述問題。本發(fā)明試圖提供在檢 測由檢測目標物質(zhì)形成的磁場方面具有提高的靈敏度的磁檢測元件及 利用該元件的檢測方法。
本發(fā)明涉及一種》茲檢測元件，包括
由軟磁材料構成的芯體，用于檢測施加到所述芯體上的/P茲場的檢 測線圏，以及用于對所述芯體施加交變磁場的激勵線圏；其中芯體的 表面沿檢測線圈的縱向被分為第一區(qū)域和第二區(qū)域，所述第一區(qū)域以 及第二區(qū)域?qū)τ跈z測目標物質(zhì)的親合力不同。
本發(fā)明涉及一種磁檢測元件，包括由軟磁材料構成的芯體，用 于檢測施加到所述芯體上的磁場的檢測線圏，以及用于對所述芯體施 加AC磁場的激勵線圏；其中檢測線圏由相互串聯(lián)且各自的纏繞方向 互為相反的兩個線圏構成，從檢測線圏的一個端部開始交替配置第一 區(qū)域和第二區(qū)域，所述第一區(qū)域和第二區(qū)域?qū)τ跈z測目標物質(zhì)的親合
力不同。
在磁檢測元件中，可將膜配置在所述第 一 區(qū)域的至少一部分上， 所述膜由非磁性材料構成，該非磁性材料對于檢測目標物質(zhì)的親合力 比所述第二區(qū)域高。
本發(fā)明涉及一種應用所述磁檢測元件的檢測方法，包括將檢測 目標物質(zhì)固定在磁檢測元件的表面上，施加用于限定檢測目標物質(zhì)的 磁化方向的靜磁場，施加交變磁場，以及利用磁檢測元件測量在檢測 線圏中產(chǎn)生的信號強度，以便檢測所述檢測目標物質(zhì)的存在或濃度。
置處的切面正交。
所述檢測目標物質(zhì)可以包括不能磁化的物質(zhì)以及固定在所述不能磁化的物質(zhì)上的磁性粒子。
所述不能磁化的物質(zhì)可以是生物物質(zhì)。 所述檢測目標物質(zhì)可以是磁性物質(zhì)。
本發(fā)明能夠在磁性粒子或標記有磁性粒子的非磁性物質(zhì)的檢測 中，使得檢測由磁性粒子導致的磁場的靈敏度增強。
本發(fā)明的進一步的特征將從以下參考附圖對示例性實施方式的描 述中變得清楚。


圖l是描繪本發(fā)明FG傳感器元件的結構的示意圖。 圖2示意性示出了圖1中所示FG傳感器的示例。 圖3示意性示出了磁性粒子固定在圖2中所示FG傳感器元件上 的示例。
圖4A和4B是描繪固定在FG傳感器元件上的磁性粒子的坐標的 視圖。
圖5A、 5B和5C是顯示由磁性粒子施加到傳統(tǒng)FG傳感器元件上 的磁場的示意圖。
圖6A、 6B、 6C、 6D、 6E和6F包括FG傳感器元件的示意圖和 顯示圖5A中狀態(tài)I下傳感器元件輸出過程的圖表。
圖7A、 7B、 7C、 7D、 7E和7F包括FG傳感器元件的示意圖和 顯示圖5B中狀態(tài)II下傳感器元件輸出過程的圖表。
圖8示意性示出了本發(fā)明FG傳感器元件的另一種構造。
圖9示意性示出了磁性粒子固定在圖8中所示FG傳感器元件上 的示例。
圖IO示意性示出了示例1的平行型FG傳感器元件的外觀。
圖ll示出了示例l的檢測目標物質(zhì)的構造。
圖12示意性示出了示例2的平行型FG傳感器元件的外觀。
圖13示出了示例2的平行型FG傳感器元件的構造。
圖14是描繪FG傳感器元件的操作原理的視圖。圖15A、 15B、 15C和15D是顯示從圖13中FG傳感器元件輸出 過程的圖表。
具體實施例方式
下面對本發(fā)明實施方式的磁檢測元件的構造給予了說明。在此實 施方式中，磁檢測元件為平行型FG傳感器元件。
圖l是顯示此實施方式中FG傳感器元件的構造的示意圖。在圖 1中，F(xiàn)G傳感器元件包括檢測線圏1210、 1220，軟磁芯1200，和激 勵線圏1230，該激勵線圈1230用于沿檢測線圈的縱向?qū)洸黄澬?200 施加交變磁場。檢測線圈1210、 1220檢測與要檢測的被磁化物質(zhì)的數(shù) 量相對應的不同的信號強度。
軟磁芯1200由軟磁材料制成，如由鎳(Ni)和鐵(Fe)組成的透 磁合金，以及由Ni 、 Fe和鉬(Mo)組成的鉬透磁合金。
本發(fā)明的此實施方式的FG傳感器元件具有被橫截面1300分別分 割成兩個區(qū)域1301、 1302的表面部分，所述橫截面1300沿縱向分別 穿過檢測線圈1210、 1220。區(qū)域1301的至少一部分和區(qū)域1302的至 少一部分對檢測目標物質(zhì)有不同的親和力。在此實施方式中，檢測目 標物質(zhì)為^茲性粒子。
圖2示意性示出了上述參考圖1的FG傳感器的構造。在圖2中， 形成磁性粒子固定膜1202，其在相應區(qū)域1301的全部或一部分上對 磁性粒子具有高親和力，親和力低于磁性粒子固定膜1202的磁性粒子 非固定膜1203形成于相應區(qū)域1302的全部或一部分中。親和力可在 區(qū)域1301和區(qū)域1302之間逐漸地或局部地變化。
對磁性粒子具有不同親和力的膜可通過在軟磁芯1200上的區(qū)域 1301和區(qū)域1302上以濺射、電鍍或氣相沉積中的任意方式形成。否 則，可通過控制膜的親水性和疏水性來改變對磁性粒子的親和力。還 可通過改變同一個膜的厚度來改變對磁性粒子的親和力。更進一步而 言，可通過逐漸改變形成在區(qū)域1301和區(qū)域1302之間軟》茲芯1200 表面上的膜的厚度或組成來改變對磁性粒子的親和力。
9例如，對磁性粒子高度親和的材料在區(qū)域1301的部分中被做成最 厚?？梢酝ㄟ^準直濺射將膜在局部形成得更厚。
上面描述了區(qū)域1301和區(qū)域1302對磁性粒子的親和力。然而， 檢測目標物質(zhì)不局限于磁性粒子，而可以是能夠固定在磁性粒子上的 物質(zhì)。在此實施方式中，區(qū)域1301對磁性粒子的親和力被假定成高于 區(qū)域1302對磁性粒子的親和力。然而，相對的親和力可在區(qū)域1301 和區(qū)域1302之間轉換。
圖3示意性示出了磁性粒子在圖2中FG傳感器元件上固定的示 例。采用平行型FG傳感器元件，磁性粒子1401可被固定在傳感器元 件表面的一部分上，如圖3所示。在圖3中，多個磁性粒子1401被固 定在/F茲性粒子固定膜1202上。
通過依據(jù)如下參考圖4A、 4B、 5A、 5B和5C所述原理進行固定， 具有磁化強度"m"(以矢量表示)的一個磁性粒子被FG傳感器元件 檢測。
圖4A和4B是說明固定在FG傳感器元件上的磁性粒子的坐標的 圖。圖5A-5C示意性示出了由磁性粒子施加在傳統(tǒng)FG傳感器元件上 的磁場。在圖5A-5C中，畫出外廓的白色橫向箭頭標記指示出磁性粒 子施加在FG傳感器元件上的磁場Hs(由矢量表示)的可檢測分量的 方向。磁性粒子的磁化方向由磁場施加裝置(圖中未示出)控制，該 /磁場施加裝置用于施加垂直于交變磁場的DC磁場。用于施加DC磁 場的裝置可以是永久磁鐵或電磁鐵，但是并不局限于此，只要能夠施 加想要的》茲場即可。
參考圖4A，對FG傳感器被虛線包圍的部分進行研究。軟磁芯 1200表面上的點P的位置由三維坐標表示。嚴格地講，在具有圖4A 中所示形狀的元件中，軟磁芯1200的檢測線圏部分在縱向方向上是彎 曲的，不是直線的，但在此處是近似于直線的。此外，作為傳統(tǒng)FG 傳感器的說明，檢測線圈由數(shù)字1204指代。圖4B是圖4A中虛線所 包圍部分的放大圖。
在圖4B中，軟/F茲芯1200表面上的點P的位置由三維坐標表示。在縱向上穿過磁芯1200中心的直線作為Z軸，且坐標原點O定義在 X軸和Y軸相交的位置。點P的位置由坐標(Rcos0, Rsine， z)表 示，其中R表示軟磁芯1200的半徑，且e表示連接點P與原點的線 段在XY坐標平面上的投影與X軸的角度。原點與在軟磁芯1200表 面上位于點P的磁性粒子1401之間的距離r的矢量由矢量(Rcos6， Rsine-(R+L),z)表示，其中L表示在圖中位于Y軸上的磁性粒子1401 的半徑。浮動磁場Hs由公式(1)表示，其中 表示真空磁導率。
仏.=—
4冗
Hss,是通過對公式(1)進行求解，且對元件縱向的可檢測磁場 強度IHs (z)l進行表面積分得出的。
狀態(tài)I定義為》茲性粒子1401在FG元件的檢測線圈1204的端部 或圍繞FG元件的檢測線圏1204的端部固定的狀態(tài)，如圖5A所示。 狀態(tài)II定義為磁性粒子1401在檢測線圈1204的中部或靠近檢測線圏 1204的中部固定的狀態(tài)。狀態(tài)I和狀態(tài)II的Hss,值差別很大。在狀 態(tài)II中，如圖5B所示，從磁性粒子1401施加到軟磁芯1200的磁場 在穿過磁性粒子1401與傳感器元件接觸點的傳感器元件的剖面處是 反向的。換句話說，在狀態(tài)I中，傳感器元件的輸出較高，而在狀態(tài) II中傳感器元件的輸出極大地減弱，這是由于在整個檢測線圏1204 上的反向Hs的偏/P茲效應的結合。
狀態(tài)IH定義為/P茲性粒子1401相對于在線圏縱向上等分檢測線圈 1204的剖面對稱定位的狀態(tài)(例如，位于圖5C中檢測線圏的兩端)。 在狀態(tài)III所示的多個磁性粒子1401的檢測中，與狀態(tài)II相似，Hs 的偏磁效應在整個檢測線圏1204中相抵消。也就是說，越靠近狀態(tài) II或狀態(tài)III，在整個元件上的抵消就越多，由此即4吏/磁顆粒存在，輸 出也^皮降低。
接下來，將描述該示例FG傳感器的工作原理。圖6A至6F包括
iiFG傳感器元件的示意圖以及示出在圖5A的狀態(tài)I中傳感器元件輸出 過程的曲線圖。圖6A示意性示出了檢測線圏1210。在圖6A中，橫 向白色箭頭標記表示磁場Hs的可檢測分量。在圖6B和6C中，縱軸 表示磁場強度。在圖6D至6F中，縱軸表示在檢測線圈中產(chǎn)生的感應 電動勢。
區(qū)域1301對磁性粒子1401具有較高的親合力。因此，磁性粒子 1401可以容易地固定在區(qū)域1301上。在圖6A所示的該狀態(tài)I中，磁 性粒子1401定位在區(qū)域1301中的檢測線圏1210的端部。響應于圖 6B中所示的磁化變化，區(qū)域1301中的磁通量①如圖6C中所示隨著 時間而變化。檢測線圈1210的輸出在圖6D中示出。相似檢測線圏1220 檢測另一磁場方向的磁場Hs。圖6E以實線示出線圏1210的輸出， 且以虛線示出線圏1220的輸出。圖6F示出了輸出的總值，足夠高。
圖7A至7F包括FG傳感器元件的示意圖以及示出圖5B中狀態(tài) II下的傳感器元件輸出過程的曲線圖。圖7A示意性地示出處于狀態(tài) II的檢測線圏1210。在圖7A中，橫向白色箭頭標記表示磁場Hs的 可檢測分量。在圖7B和7C中，縱軸表示》茲場強度。在圖7D至7F 中，縱軸表示在檢測線圏中產(chǎn)生的感應電動勢。
圖7A示意性示出處于狀態(tài)II的FG傳感器元件，其中磁性粒子 1401定位在區(qū)域1301中的檢測線圏1210的中部。響應于圖7B中所 示的磁化變化，區(qū)域1301、 1302中的磁通量如圖7C中所示而變化， 線圏1210的輸出如圖7D所示變化，且線圈1210、 1220的輸出如圖 7E中所示變化。在圖7E中，實線表示線圏1210的輸出，而虛線表 示線圏1220的輸出。區(qū)域1302與Hac同步，但幾乎不受磁性粒子的 磁場Hs的影響。來自檢測線圏1210和檢測線圏1220的輸出被抵消 變?yōu)榱恪?br> 通過比較圖6A至6F與圖7A至7F中所示的輸出來研究磁性粒 子施加到傳感器元件的磁場Hs?？梢岳斫?，通過如圖l所示在檢測線 圏1210、 1220的每一個上分別提供區(qū)域1301和區(qū)域1302而^f更于磁性 粒子1401在區(qū)域1301上的固定，而且通過將》茲性粒子1401在各檢測線圏1210和1220的一端或靠近各檢測線圈1210和1220的一端固定， 可獲得高輸出。
在該實施方式中，對于檢測目標物質(zhì)具有強親合力的部分配置在 檢測線圈的兩個分區(qū)之一的至少一部分上。因此，在測量由檢測目標 物質(zhì)產(chǎn)生的磁場時，磁性粒子被固定于對檢測目標物質(zhì)具有強親合力 的部分上，這便于以與磁場相對應的高強度信號來檢測磁性粒子的磁 場。
接下來，將描述本發(fā)明實施方式的FG傳感器的另一種結構。圖 8示出了該實施方式的FG傳感器元件的另一種結構。在沒有解釋的 情況下，圖1中所示相同的標記用來指代相應的元件。在該實施方式 中，檢測目標也是磁性粒子。
如圖8所示，F(xiàn)G傳感器元件包括檢測線圈1211、 1212、 1221、 1222;軟磁芯1200;以及用于在線圏縱向上對軟磁芯1200施加交變 磁場的激勵線圏1230。檢測線圈1211、 1212、 1221、 1222檢測與凈皮 磁化檢測目標的數(shù)量相對應的強度不同的信號。
檢測線圏1211和檢測線圏1212被串聯(lián)連接，但線圏的纏繞方向 相反。檢測線圏1221和檢測線圏1222被串聯(lián)連接，但線圏的纏繞方 向相反。檢測線圏1211和檢測線圏1221在線圏纏繞方向上也相反。
檢測線圏1211以及檢測線圏1212的軟磁芯1200表面上的膜在區(qū) 域1303和區(qū)域1304之間是不同的。區(qū)域1304配置在檢測線圏1211、 1212的各自的端部，且區(qū)域1303配置在兩個線圏的連接部分。在圖8 中，區(qū)域1303由短間隙的虛線表示，區(qū)域1304由長間隙的虛線表示。 區(qū)域1303定位于在線圈1211與檢測線圈1212之間線圏纏繞方向反向 的部分處。區(qū)域1303和區(qū)域1304相對于檢測線圏1221和1222相同 定位。
在一連串四個檢測線圏1212、 1211、 1221、 1222中，對線圏之間 的區(qū)域以及線圈端部的區(qū)域予以了考慮。區(qū)域1304位于檢測線圏1212 的端部；區(qū)域1303位于檢測線圏1212和檢測線圏1211之間的連接部 分處。區(qū)域1304處在檢測線圈1211和檢測線圏1221之間的連接部分處，區(qū)域1304在圖8中被分成兩部分。區(qū)域1303處在檢測線圏1221 和檢測線圏1222的連接部分處，而區(qū)域1304處在檢測線圏1222的端 側。
如上所述，在軟磁芯1200表面上的串聯(lián)線圏的連接部分或端側， 區(qū)域1303和區(qū)域1304從串聯(lián)線圏的端部開始交替配置。區(qū)域1303 對應于本發(fā)明的第一區(qū)域，區(qū)域1304對應于本發(fā)明的第二區(qū)域。
區(qū)域1303與區(qū)域1304的至少一部分對于檢測目標物質(zhì)的親合力 是不同的。在區(qū)域1303的一部分或整個上，形成有磁性粒子固定膜 1202，其對于磁性粒子具有高親合力。在區(qū)域1304的一部分或整個上， 形成有磁性粒子非固定膜1203，其對于磁性粒子的親合力比磁性粒子 固定膜1202低。親合力可能在區(qū)域1301和區(qū)域1302之間沿著元件表 面逐漸變化，或者在所述表面的一部分上局部地變化。
以上描述了區(qū)域1303和區(qū)域1304對于磁性粒子的親合力。然而， 檢測目標物質(zhì)并不限于磁性粒子，也可能是可被固定到磁性粒子表面 的物質(zhì)。在以下的描述中，假定區(qū)域1303對于磁性粒子的親合力比區(qū) 域1304更高，但區(qū)域1303和區(qū)域1304的相對親合力可以相反。
圖8中所示的FG傳感器元件的檢測線圏1211、 1221的檢測操作 在此并未詳細說明，因為所述操作可以以參照圖6A至6F所述的相同 方式進行。釆用圖8所示的元件，檢測線圏1212、 1222也像檢測線圏 1211、 1221 —樣給予如上所述參考圖6A到6F的輸出。采用圖8所示 的FG傳感器元件，依據(jù)前述操作原理也可以獲得傳感器元件對于磁 性粒子1401的高輸出。
在圖8中，用串聯(lián)的檢測線圏1211、 1212替代了圖1所示的檢測 線圏1210，且用串聯(lián)的檢測線圏1221、 1222替代了圖1所示的檢測 線圈1220。然而，配置在與檢測線圏1210、 1220相對應部分的線圏 數(shù)量并不局限為兩個，也可以多于兩個。在應用多于兩個的檢測線圏 時，線圈纏繞方向在相鄰線圈之間交替反向，而且檢測線圏可以在線 圏邊沿處將線圏端部或區(qū)域1303重疊。
在磁性粒子1401的實際檢測中，通過施加外部磁場或其它方法使磁性粒子1401的磁場在一個方向上排布，以實現(xiàn)在上面計算模型中所 模擬的狀態(tài)。特別地，可以在檢測困難方向上施加靜磁場以避免靈敏 度飽和。特別地，在圖5A至5C中，出于所述考慮，所述磁場的施加 方向與所述元件在固定位置處接觸所述檢測目標的平面正交。在該實 施方式以及在后面描述的示例中，術語"檢測困難方向"表示在非檢測 方向的方向上含有磁場分量的磁場。術語"正交方向上的磁場"表示具 有正交方向上的分量的磁場。術語"元件表面"表示具有圍繞元件形成 的保護膜等的表面。
在圖6A至6F所示的情況下，磁性粒子1401可通過檢測磁性粒 子1401的磁場以高傳感器元件輸出而被檢測。即使磁性粒子1401的 數(shù)量很少，與傳統(tǒng)檢測方法相比，也能在具有足夠輸出的同時進行檢 測。
圖9示意性示出了磁性粒子固定在FG傳感器上的示例。采用前 述的平行型FG傳感器元件，磁性粒子1401可被固定到傳感器元件表 面的一部分上。在圖9中，多個》茲性粒子1401 ;f皮固定在磁性粒子固定 膜1202上。
在此實施方式中，纏繞方向不同的兩個或更多個線圏被串聯(lián)連接。 對于檢測目標物質(zhì)具有較高親合力的部分和具有較低親合力的部分被 交替布置在檢測線圏的連接部分和端部。由此，在測量由檢測目標物 質(zhì)產(chǎn)生的磁場時，磁性粒子被固定在對檢測目標物質(zhì)具有較高親合力 的部分，以便于檢測由磁性粒子產(chǎn)生的磁場，以給出與磁場相對應的 高信號輸出。
應用本發(fā)明元件的磁檢測元件和檢測方法在磁性粒子或以磁性粒 子標記的非磁性物質(zhì)的檢測中改善了檢測由磁性粒子產(chǎn)生的磁場的靈 敏度。
本發(fā)明的磁檢測元件包括軟磁芯、用于檢測施加到所述磁芯的磁 場的檢測線圏、以及用于向檢測線圈施加交變磁場的激勵線閨。所述 磁檢測元件可具有針對檢測線圏的磁芯表面特性的結構以解決前述的 問題。
15具體而言，磁檢測元件在檢測線圏的縱向上具有第 一 區(qū)域和第二 區(qū)域，所述第一區(qū)域和所述第二區(qū)域在表面特性上被做成互不相同。 所述表面特性的不同之處包括對于作為檢測目標物質(zhì)的磁性粒子的親 合力不同。就所述區(qū)域在檢測目標物質(zhì)的易粘附性方面的不同而言， 表面特性的不同可以是表面平面度的不同。
<示例1>
印
(i) 傳感器機構
該示例的FG傳感器元件的結構在下面進行說明。圖IO示意性示 出了該示例的平行型FG傳感器元件的外部視圖。如圖IO所示，軟磁 芯1200具有激勵線圈1230，用于檢測覆有薄膜的軟磁芯1200中磁變 化的檢測線圏1210、 1220。
以下簡要說明了該示例中FG傳感器元件的生產(chǎn)過程。在該示例 中，F(xiàn)G傳感器元件通過半導體生產(chǎn)工藝來制造。非磁性材料，如SiOz 被布置在軟》茲芯1200上，且檢測線圈1210、 1220以及激勵線圏1230 纏繞在軟磁芯上。用于軟磁芯的材料以FeCo合金為例。
在纏繞線圍之前，通過由如圖1中所示的截面在線圏的縱向上將 線圏分為兩個部分，從而針對每個檢測線圏1210、 1220，在檢測元件 表面上限定出第一區(qū)域和第二區(qū)域。第一區(qū)域?qū)趫D1中所示的區(qū) 域1301，第二區(qū)域?qū)趫D2中所示的區(qū)域1302。在各自第一區(qū)域的 一部分上(靠近圖10中檢測線圏的一個端部)，形成金膜作為磁性粒 子固定膜1202。在各自第二區(qū)域的一部分上(靠近圖IO檢測線圏的 另一個端部)，形成SiN膜作為磁性粒子非固定膜1203。
(ii) 磁性粒子的固定
描述了檢測目標物質(zhì)的構成。圖11示出該示例的檢測目標物質(zhì)的 構成。檢測目標物質(zhì)包括抗原1403 (非磁性物質(zhì))、磁性粒子1401以 及用于將抗原1403結合到磁性粒子1401的二次抗體1404?？乖?403 通過一次抗體1402連接到磁性粒子固定膜1202上。由此檢測目標物質(zhì)被固定在磁性粒子固定膜1202上。
采用上述的磁檢測元件(FG傳感器元件)，依據(jù)下面的方案，可 檢測公認作為前列腺癌標志物的前列腺特異抗原(PSA)。用于識別 PSA的一次抗體被初步固定在FG傳感器元件的軟磁芯1200上。
(1) 包含作為抗原的PSA(檢驗目標)的磷酸鹽緩沖生理鹽水 (檢驗目標溶液)被注射進流路中，且培養(yǎng)5分鐘；
(2) 使磷酸鹽緩沖生理鹽水通過所述流路流動以去除所有未 反應的PSA;
(3) 將包含以磁性粒子1401標記的抗PSA抗體(二次抗體) 的另一種磷酸鹽緩沖生理鹽水注射進所述流路中，并培養(yǎng)5分鐘；以 及
(4) 利用磷酸鹽緩沖生理鹽水將未反應的被標記抗體洗去。 依據(jù)上述方案，》茲性粒子1401通過抗PSA抗體(二次抗體)1404、
抗原1403以及一次抗體1402而^f皮固定在磁性粒子固定膜1202上，處 于配置在FG傳感器元件的軟磁芯1200表面上的第一區(qū)域。在檢驗目 標中不存在抗原1403的情況下，磁性粒子1401并不固定到元件的磁 芯1200上。因此可以通過檢測被固定的磁性粒子1401的存在來檢測 抗原的存在。
(iii)測量程序
在FG傳感器元件的檢測困難方向上垂直于軟磁芯1200的薄膜環(huán) 形芯體的膜表面施加外部磁場。由此，在第一區(qū)域的磁性粒子固定膜 1202上被固定的磁性粒子1401的磁性沿垂直于膜表面的方向排列。 圖10中所示的交流電源1502啟動從而在激勵線圏1230中產(chǎn)生lMHz 的交變磁場。所產(chǎn)生的交變磁場被施加到軟磁芯1200上。在串聯(lián)連接 的檢測線圈1210、1220中感應產(chǎn)生的電動勢通過由檢測線圏端部之間 的電位差指示的檢測信號而被測量出來。
檢測信號的相位與AC磁場相位的差異指示出磁性粒子1401的存 在。由相位差的大小能夠估算被固定的磁性粒子1401的數(shù)量，從而就 可以間接估算包含在檢測目標中的抗原1403的數(shù)量。更進一步，可以從所述數(shù)量估算出測試目標中的抗原1403的濃度。
在此示例的上述條目(ii)的操作中，只使用的一個流路，但是 可以在檢測部分設置多個流路，以便在各個流路中引發(fā)不同的抗原-抗體反應從而同時檢測多種抗原。
<示例2>
此示例描述了圖8中所示構造在示例1中元件的應用。圖12示意 性示出了此示例的平行型FG傳感器的外部視圖。
如圖12所示，此示例的FG傳感器包括檢測線圈1211、 1212，和 檢測線圏1221、 1222，它們反向纏繞并串聯(lián)設置在示例1的FG傳感 器上。在串聯(lián)連接的檢測線圏1211、 1212部分的軟磁芯1200的表面 上，區(qū)域1303和區(qū)域1304與圖8中所示區(qū)域一樣布置。相同的區(qū)域 也布置在檢測線圏1221、 1222的軟磁芯1200的表面上。
^磁性粒子固定膜1202形成在對應于區(qū)域1303的區(qū)域的至少一部 分上，并且磁性粒子非固定膜1203形成在對應于區(qū)域1304的區(qū)域的 至少一部分上。在測量中，由磁性粒子產(chǎn)生的》茲場凈皮測量，該磁場是 由固定在磁性粒子固定膜1202上的磁性粒子1401產(chǎn)生的。磁性粒子 的活動及測量以與示例1中相同的方式進行。因此，此處不描述其細 節(jié)。
在上述示例1和2中描述的FG傳感器元件不局限于具有覆有薄 膜的環(huán)形芯體的那些FG傳感器元件，而可以是另外的平行型FG傳 感器。
盡管已經(jīng)參考示范性實施方式描述了本發(fā)明，但應該明白本發(fā)明 并不局限于所公開的示范性實施方式。下述權利要求的保護范圍要給 予最寬范圍的解釋以便包含所有此類修改和等效構造與功能。
此申請要求了 2007年7月9日提交的日本專利申請 No.2007-179636的優(yōu)先權，其在此全文并入作為參考。
18
權利要求
1.一種磁檢測元件，包括由軟磁材料構成的芯體，用于檢測施加到所述芯體上的磁場的檢測線圈，以及用于對所述芯體施加交變磁場的激勵線圈；其中所述芯體的表面沿檢測線圈的縱向被分為第一區(qū)域和第二區(qū)域，所述第一區(qū)域和第二區(qū)域?qū)τ跈z測目標物質(zhì)的親合力不同。
2. —種石茲檢測元件，包括 由軟磁材料構成的芯體，用于檢測施加到所述芯體上的磁場的檢測線圏， 以及用于對所述芯體施加AC磁場的激勵線圏； 其中檢測線圏由相互串聯(lián)且各自的纏繞方向互為相反的兩個線圈 構成，從檢測線圈的一個端部開始交替配置第一區(qū)域和第二區(qū)域，所述 第一區(qū)域和第二區(qū)域?qū)τ跈z測目標物質(zhì)的親合力不同。
3. 如權利要求1或2所述的磁檢測元件，其中將膜配置在所述第 一區(qū)域的至少一部分上，所述膜由非磁性材料構成，該非磁性材料對 于檢測目標物質(zhì)的親合力比所述第二區(qū)域高。
4. 一種應用如權利要求1至3中任一項所述的磁檢測元件的檢測 方法，包括將檢測目標物質(zhì)固定在磁檢測元件的表面上， 施加用于限定檢測目標物質(zhì)的磁化方向的靜磁場， 施加交變磁場，以及利用磁檢測元件測量在檢測線圏中產(chǎn)生的信號強度，以便檢測所 述檢測目標物質(zhì)的存在或濃度。
5. 如權利要求4所述的檢測方法，其中所述靜磁場的磁化方向與 檢測目標物質(zhì)在磁檢測元件上的固定位置處的切面正交。
6. 如權利要求4或5所述的檢測方法，其中檢測目標物質(zhì)包括不能磁化的物質(zhì)，以及固定在所述不能磁化的物質(zhì)上的磁性粒子。
7. 如權利要求6所述的檢測方法，其中所述不能磁化的物質(zhì)為生
8. 如權利要求4或5所述的檢測方法，其中所述檢測目標物質(zhì)為 /f茲性物質(zhì)。
全文摘要
一種磁檢測元件，包括由軟磁材料構成的芯體，用于檢測施加到該芯體上的磁場的檢測線圈，和用于對該芯體施加交變磁場的激勵線圈，其中所述所述芯體的表面沿檢測線圈的縱向被分為第一區(qū)域和第二區(qū)域，所述第一區(qū)域和第二區(qū)域?qū)τ跈z測目標物質(zhì)的親合力不同。
文檔編號G01N33/543GK101688850SQ200880023510
公開日2010年3月31日 申請日期2008年7月9日 優(yōu)先權日2007年7月9日
發(fā)明者上田未紀, 池田貴司 申請人:佳能株式會社