專利名稱：目標(biāo)物質(zhì)檢測套件和目標(biāo)物質(zhì)檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種目標(biāo)物質(zhì)檢測套件(kit)以及目標(biāo)物質(zhì)檢測方法。
背景技術(shù)：
近來，已經(jīng)提出用于使用磁阻器件來容易地檢測微量磁性粒子的 方法，磁性粒子用作標(biāo)記物體(例如，參見David R. Baselt等人的 Biosensors & Bioelectronics 13， 731， 1998; D. L. Graham等人的 Biosensors & Bioelectronics 18， 483， 2003 )。David R. Baselt等人(1998 )將用于測量80//w x 5//w和20戶x 5戶 的巨磁電阻(GMR)器件用作磁傳感器，以檢測直徑為2.8，的多個(gè) 磁性粒子。用于GMR器件的磁膜是面內(nèi)的磁化膜，并將施加到磁性 粒子的磁場沿著與膜表面垂直的方向施加到磁膜。因此，通過施加磁 場而磁化的磁性粒子所發(fā)出的磁散逸場(magnetic stray field)近似 沿著膜面被施加到GMR器件的磁膜,磁膜的磁化與磁場的方向?qū)R。 用于按照上述方式磁化磁性粒子的磁場通常被稱為偏磁場。磁阻器件的電阻大小取決于兩個(gè)磁膜的相對磁化方向。具體說 來，當(dāng)磁化方向平行時(shí)，電阻相對較小，當(dāng)磁化方向逆平行時(shí)，電阻 相對較大。為了產(chǎn)生平行和逆平行的磁化狀態(tài)，磁阻器件的兩個(gè)磁膜 之一將它的磁化方向固定，而另一磁膜由以下磁性材料制成，所述磁 性材料具有矯頑力(coercive force )，從而使得可通過磁性粒子的磁 散逸場來反轉(zhuǎn)磁性材料的磁場。如果在按照這種方式配置的磁阻器件 上不存在磁性粒子，則不會(huì)發(fā)生磁反轉(zhuǎn)，這是因?yàn)槭┘悠艌鰧⒉粫?huì) 促使沿著膜面來施加磁場。此外，David R. Baselt等人(1998 )提出的檢測電路包括橋電路，所述橋電路由以下項(xiàng)組成兩個(gè)固定電阻、磁性粒子在其上不固定的 GMR器件以及磁性粒子可在其上固定的GMR器件。檢測電路使用 鎖定放大器檢測在橋電路中感應(yīng)的電勢。D.L.Graham等人(2003)使用具有面內(nèi)磁化膜的用于測量 2//wx6，的GMR器件來檢測直徑為2/wi的磁性粒子。如 David.R.Baselet等人(1998 )的情況那樣，D丄.Graham等人(2003 ) 通過將并排放置的兩個(gè)GMR器件的輸出信號進(jìn)行比較來檢測磁性粒 子，所述兩個(gè)GMR器件為磁性粒子可在其上固定的GMR器件以 及磁性粒子在其上不固定的GMR器件。然而，沿著磁膜的縱向面內(nèi) 方向?qū)⒋艌鍪┘拥酱判粤Ｗ印Ｈ缟纤?，用于使用磁阻器件來檢測磁性粒子的方法通過按期望 的方向磁化磁性粒子并使用由磁性粒子發(fā)出的磁散逸場來變化磁阻 器件的磁化方向，從而檢測磁性粒子。這些方法易于在相對短的時(shí)間 處理和實(shí)現(xiàn)檢測。例如，如果待檢測的目標(biāo)物質(zhì)是抗原，則使用抗原抗體反應(yīng)將磁 性粒子固定到傳感器。具體說來，允許在傳感器上形成的第一抗體與 可包含抗原的樣本(諸如血液)發(fā)生反應(yīng)。然后，允許由第二抗體修 正的磁性粒子與樣本發(fā)生反應(yīng)。如果在通過所述系列操作獲得的樣本 中存在抗原，則在第一抗體、抗原、第二抗體和磁性粒子之間將出現(xiàn) 結(jié)合。如果沒有抗原，則不會(huì)發(fā)生所述結(jié)合，因此，磁性粒子將不會(huì) 固定到傳感器。通過所述固定方法，每個(gè)目標(biāo)物質(zhì)有一個(gè)磁性粒子被固定到傳感 器，因此，可通過高度敏感的磁傳感器來檢測單個(gè)的目標(biāo)物質(zhì)。類似于使用磁阻器件的感測方法， 一種用于將霍爾器件(Hall device)用作磁傳感器來檢測磁性粒子的方法已經(jīng)被提出(例如，參 見Pierre-A.Besse等人的Appl. Phys. Let. 22， 4199， 2002 )。Pierre-A. Besse等人(2002 )通過施加DC磁場來磁化放置在霍 爾器件正上方的2.8，直徑的磁珠，通過施加AC磁場來改變磁珠的 磁化方向，由此檢測磁珠。當(dāng)在電流沿霍爾器件的膜面方向通過的情況下按Z軸方向施加磁場時(shí)，電子經(jīng)受洛倫茲力，促使沿著與膜面中 的電流垂直的方向產(chǎn)生電勢。電勢與磁場強(qiáng)度成比例，因此，由霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的電勢隨著磁珠 的磁化方向的改變而改變。由于在沒有磁珠的情況下不會(huì)產(chǎn)生磁散逸 場，所以施加到霍爾器件的磁場大小隨著磁珠的存在或缺失而變化， 電勢的大小同樣如此。這表示可通過霍爾器件檢測磁珠的存在或缺 失。此外，已經(jīng)提出使用超導(dǎo)量子干涉器件來檢測磁性粒子的方法(例如，參見K. Enpuku， "Biological immunoassay with magnetic marker and SQUID magnetometer," OYO BUTURI Vol. 73， No. 1 (2004)， p. 28 (the Japan Society of Applied Physics))。根據(jù)這一方法， 通過施加磁場，磁性粒子被固定到檢測區(qū)域，并且按照它們的磁化方 向來對齊。通過Josephson器件來檢測由磁性粒子發(fā)出的磁散逸場以 確定磁性粒子量。然而，為了消除所施加磁場的影響，必須將超導(dǎo)量 子干涉器件放置為與施加的磁場平行，以便與施加的磁場不交叉。為了檢測磁性粒子，期望由磁性粒子發(fā)出的磁散逸場是大的，而 在零磁場中磁化不飽和的小磁性粒子產(chǎn)生小的磁散逸場。此外，在醫(yī) 療領(lǐng)域中，當(dāng)從諸如血液的樣本溶液中提取出期望的生物分子或者當(dāng) 磁性粒子用于當(dāng)前正研究的生物傳感器時(shí)，期望磁性粒子在落入樣本 溶液時(shí)分散開。為此，期望磁化很弱。在零磁場， 一些磁性粒子是超 順磁的，而沒有磁化。為了檢測所述弱磁化的磁性粒子，有必要通過 如上所述施加外部磁場按照一個(gè)方向來對齊磁性粒子的磁化。然而，不希望通過向磁傳感器施加大的磁場來檢測由磁性粒子發(fā) 出的微小磁散逸場。為了檢測特別小的磁散逸場，有必要設(shè)計(jì)多種措 施，諸如，準(zhǔn)備兩個(gè)磁傳感器，將磁性粒子僅固定到磁傳感器之一， 而另一磁傳感器用作參考，并通過感測放大器來檢測所述兩個(gè)傳感器 的信號差。此外，當(dāng)使用給出小檢測信號的磁傳感器時(shí)，也可能有必 要將磁傳感器并入Wheatstone橋電路。當(dāng)將磁阻器件或霍爾器件用 作磁傳感器時(shí)，有必要嚴(yán)格控制偏磁場的方向以減少檢測信號的變化。當(dāng)使用具有非常高的磁場靈敏度的超導(dǎo)量子干涉器件時(shí)尤其如 此。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供一種能夠在不將外部磁場施加到磁標(biāo)記的情況下容 易地檢測目標(biāo)物質(zhì)的傳感器。本發(fā)明提供一種目標(biāo)物質(zhì)檢測套件，包括目標(biāo)物質(zhì)檢測板，包 含磁傳感器和第一目標(biāo)物質(zhì)捕獲體；以及磁標(biāo)記(marker)，包含磁 結(jié)構(gòu)和第二目標(biāo)物質(zhì)捕獲體，其中，第一目標(biāo)物質(zhì)捕獲體存在于目標(biāo)物質(zhì)檢測板的表面上，磁結(jié)構(gòu)在偏振光下產(chǎn)生磁散逸場。期望地，磁傳感器具有如下類型，該類型的電特性根據(jù)由磁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的磁散逸場而改變。期望地，磁傳感器是磁阻器件、霍爾器件和超導(dǎo)量子干涉器件中的之一。此外，本發(fā)明提供一種目標(biāo)物質(zhì)檢測方法，其用于檢測樣本中目 標(biāo)物質(zhì)的有無、或者目標(biāo)物質(zhì)的量，所述方法包括(i)將磁標(biāo)記和 樣本與包含磁傳感器和第一 目標(biāo)物質(zhì)捕獲體的目標(biāo)物質(zhì)檢測板接觸， 由此形成包括第一目標(biāo)物質(zhì)捕獲體、目標(biāo)物質(zhì)和磁標(biāo)記的復(fù)合物 (conpound)，所述磁標(biāo)記包含磁結(jié)構(gòu)和第二目標(biāo)物質(zhì)捕獲體；(ii) 利用偏振光照射所述復(fù)合物；以及(iii)檢測由磁結(jié)構(gòu)在偏振光下產(chǎn) 生的磁散逸場。期望地，檢測由磁結(jié)構(gòu)在偏振光下產(chǎn)生的磁散逸場的步驟檢測磁 傳感器的電特性的改變，所述改變由磁結(jié)構(gòu)在偏振光下產(chǎn)生的磁散逸 場引起。期望地，偏振光是圓偏振光。期望地，磁傳感器是磁阻器件、霍爾器件和超導(dǎo)量子干涉器件之此外，本發(fā)明提供一種用于檢測待測對象的傳感器，所述待測對 象的磁化在偏振光的照射下發(fā)生改變，所述傳感器包括光源，利用偏振光來照射待測對象；以及磁傳感器，檢測由來自光源的偏振光照 射下的待測對象的磁化改變所產(chǎn)生的磁散逸場。期望地，所述傳感器還包括檢測電路，檢測磁傳感器的特性改 變，其中，磁傳感器的電特性根據(jù)由待測對象產(chǎn)生的磁散逸場而改變。期望地，待測對象經(jīng)由介質(zhì)被固定在磁傳感器的感測區(qū)域中，并 通過磁傳感器來檢測，從而允許間接檢測介質(zhì)的量。期望地，光源改變照射待測對象的偏振光；磁傳感器的特性根據(jù) 磁散逸場而改變，所述磁散逸場在來自光源的偏振光下發(fā)生改變。期望地，磁傳感器是呈現(xiàn)磁阻性的裝置。期望地，磁傳感器是呈現(xiàn)霍爾效應(yīng)的裝置。期望地，磁傳感器是Josephson器件。期望地，介質(zhì)是生物分子。期望地，待測對象是磁體。期望地，來自光源的用于照射待測對象的偏振光是圓偏振光。 本發(fā)明的其它特征將通過以下參照附圖對示例性實(shí)施例的描述 而變得清楚。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的目標(biāo)物質(zhì)檢測套件和目標(biāo)物質(zhì)檢測方法的概念圖。圖2是用于描述磁阻器件的膜配置的概念圖。圖3是示出具有人造反鐵磁性膜結(jié)構(gòu)的磁阻器件的概念圖。圖4是示出當(dāng)磁阻器件用作磁傳感器時(shí)的檢測電路的連接示例的概念圖。圖5是用于描述Josephson器件的膜配置的概念圖。 圖6是用于描述將超導(dǎo)量子干涉器件與檢測線圏結(jié)合的磁傳感 器的配置的概念圖。圖7是示出目標(biāo)物質(zhì)檢測板的概念圖。 圖8是示出目標(biāo)物質(zhì)檢測板的概念圖。圖9是示出在示例1中使用的目標(biāo)物質(zhì)檢測板的概念圖。 圖10是示出根據(jù)示例1用作磁傳感器的TMR器件130的膜配 置以及TMR器件130關(guān)于磁結(jié)構(gòu)的設(shè)置的概念圖。圖11是用于描述根據(jù)示例1的來自傳感器的檢測信號的時(shí)序圖。圖12是用于描述根據(jù)示例2的傳感器的配置的概念圖。圖13是用于描述根據(jù)示例2的來自傳感器的檢測信號的時(shí)序圖。
具體實(shí)施方式
以下參照附圖來詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例。本發(fā)明的第一方面是一種目標(biāo)物質(zhì)檢測套件，其包括目標(biāo)物質(zhì) 檢測板，包含磁傳感器和笫一目標(biāo)物質(zhì)捕獲體；以及磁標(biāo)記，包含磁 結(jié)構(gòu)和第二目標(biāo)物質(zhì)捕獲體，其中，第一目標(biāo)物質(zhì)捕獲體存在于目標(biāo) 物質(zhì)檢測板的表面上，磁結(jié)構(gòu)在偏振光下產(chǎn)生磁散逸場。以下將參照附圖給出詳細(xì)描述。圖1示出光源160、磁傳感器130、第一目標(biāo)物質(zhì)捕獲體201、 目標(biāo)物質(zhì)202、目標(biāo)物質(zhì)檢測板207、偏振光311和磁標(biāo)記206，磁標(biāo) 記206中的每一個(gè)包括磁結(jié)構(gòu)205和第二目標(biāo)物質(zhì)捕獲體203。目標(biāo)物質(zhì)檢測板207的第 一 目標(biāo)物質(zhì)捕獲分子201使用第 一 目標(biāo) 物質(zhì)捕獲體201與目標(biāo)物質(zhì)202之間的相互作用俘獲磁標(biāo)記206，磁 標(biāo)記206包括磁結(jié)構(gòu)205、目標(biāo)物質(zhì)202和第二目標(biāo)物質(zhì)捕獲體203。 然后，當(dāng)用光源160產(chǎn)生的偏振光311來照射磁標(biāo)記206時(shí)，在每個(gè) 磁標(biāo)記206的磁結(jié)構(gòu)205中產(chǎn)生磁向量204，從而產(chǎn)生磁散逸場。當(dāng) 使用目標(biāo)物質(zhì)檢測板207的磁傳感器130檢測磁散逸場時(shí)，可檢測到 目標(biāo)物質(zhì)。將描述目標(biāo)物質(zhì)檢測套件的各個(gè)部件。<目標(biāo)物質(zhì)檢測板>目標(biāo)物質(zhì)檢測板207包括磁傳感器130和第一目標(biāo)物質(zhì)捕獲體 201，所述第一目標(biāo)物質(zhì)捕獲體201俘獲固定到磁傳感器130的表面 的目標(biāo)物質(zhì)202。通過由偏振光311所照射的磁結(jié)構(gòu)205產(chǎn)生的磁散逸場來改變磁 傳感器130的物理量，諸如，電阻、電勢和電動(dòng)勢。物理量通過磁場 發(fā)生改變的裝置包括磁阻器件(諸如GMR器件和TMR (隧道磁阻) 器件)、霍爾器件和超導(dǎo)量子千涉器件。
如圖2所示，磁阻器件具有以下結(jié)構(gòu)，其中非磁膜的中間層403 夾在稱為自由層401的磁膜與稱為釘扎層402的磁膜之間。所述兩個(gè) 磁層具有不同的磁屬性。釘扎層402將它的磁化方向固定在期望的方 向，而自由層401允許通過施加磁場來容易地改變它的磁化方向。中 間層403可以是Cu或其它金屬的導(dǎo)電膜，或者M(jìn)gO、 Alz03等的介 電膜。然而，當(dāng)介電膜用作中間層403時(shí)，所述膜必須是隧道結(jié)膜， 其允許電子按膜厚度方向隧穿通過。當(dāng)金屬膜用作中間層403時(shí)，磁 阻器件被稱為GMR器件。另一方面，當(dāng)隧道結(jié)膜用作中間層403時(shí)， 磁阻器件被稱為TMR器件。因?yàn)樵诖抛杵骷碾娮柚袝?huì)產(chǎn)生較大改 變，所以期望將單晶結(jié)構(gòu)的MgO用作隧道結(jié)膜。釘扎層402通常具 有以下結(jié)構(gòu)反鐵磁性膜被交換耦合到鐵磁性膜，所述鐵磁性膜與隧 道結(jié)膜的下表面相接觸而形成。此外，可以使用非晶結(jié)構(gòu)用于與MgO
結(jié)構(gòu)的MgO膜。此外，如圖3所示，可通過將人造反鐵磁性膜409 與反鐵磁性膜410彼此交換耦合來形成釘扎層402的鐵磁性膜，其中， 通過順序地堆疊鐵磁性膜406、金屬膜407和鐵磁性膜408來形成人 造反鐵磁性膜409。這減少了由自由磁化引起的在膜邊緣處自由層401 與釘扎層402之間的靜磁耦合。當(dāng)將釘扎層402的鐵磁性膜用作反鐵 磁性層時(shí)，期望將Ru用于在鐵磁性膜406和408之間形成的金屬膜 407。可將任何材料用于反鐵磁性膜410，只要交換耦合到反鐵磁性膜 410的鐵磁性膜的磁化方向在工作溫度范圍內(nèi)可固定。如果工作溫度 接近室溫，則例如，可將MnPt、 Mnlr或NiO用于反鐵磁性膜410。 另一方面，可將諸如Fe、 Co或Ni的過渡金屬或它們的合金用于釘扎 層402的鐵磁性膜406和408。附帶地，可將Cr或B添加到過渡金 屬或過渡金屬的合金以獲得非晶結(jié)構(gòu)的鐵磁性膜408。期望地，將具有低矯頑力的磁膜用作自由層401。例如，可將NiFe (坡莫合金)或 CoFeB用于所述磁膜。
一般說來，磁層通常由容易氧化的材料制成，因此，可期望磁膜 的表面覆有保護(hù)膜。因此，期望地，保護(hù)層404形成在磁阻器件的表 面上，從而自由層401不會(huì)暴露于氣體環(huán)境或測試溶液。可將任何材 料用作保護(hù)層404的構(gòu)成材料，只要氧和其它可氧化磁膜的物質(zhì)不會(huì) 滲透過該材料。然而，期望使用貴金屬，因?yàn)橘F金屬可穩(wěn)定地保護(hù)磁 膜免受多種物質(zhì)的侵害。此外，在保護(hù)層404的表面上形成能夠固定 目標(biāo)物質(zhì)捕獲體的固定層405，以在磁阻器件的表面上固定目標(biāo)物質(zhì) 捕獲體。根據(jù)目標(biāo)物質(zhì)捕獲體按照需要來選擇固定層405。如果在捕 獲體的端部存在硫醇基(thiol group )，則固定層405可由Au等制 成。
磁阻器件通過使電流流過來感測磁場。在磁阻器件中，TMR器 件需要通過按照以下方式進(jìn)行布線而使電流沿該器件的膜厚度方向 流過，即按照隧道結(jié)膜的膜厚度方向來施加電壓，以便允許電子流 過隧道結(jié)膜。另一方面，在GMR器件的情況下，可按照任意方向使 電流流過，但是當(dāng)電流按照該器件的膜厚度方向流過時(shí)，獲得最大的 阻值改變。因此，當(dāng)磁阻器件411被用作磁傳感器裝置時(shí)，恒流源412 被連接以檢測跨越磁阻器件411的電壓，例如圖4所示。
超導(dǎo)量子干涉器件以高的靈敏度來檢測磁場。如圖5所示，超導(dǎo) 量子千涉器件包括具有以下結(jié)構(gòu)的Josephson器件，即，在該結(jié)構(gòu)中， 隧道結(jié)膜413夾在兩個(gè)超導(dǎo)體414與415之間。例如，用于Josephson 器件的超導(dǎo)體414和415由Nb、 NbN或NbTi合金、Nb3Sn化合物或 者Nb3Al化合物制成，而隧道結(jié)膜由Al203或MgO制成。以環(huán)的形 式連接的兩個(gè)Josephson器件被連接到恒流源。然后，跨越Josephson 器件的電壓被測量，由此測量經(jīng)過所述器件的磁場的強(qiáng)度。此外，如 圖6所示，如果以環(huán)的形式連接的兩個(gè)Josephson器件417和418被 連接到恒流源419并且檢測線圏416被添加，則可提高磁場電流檢測 的精度。在這種情況下，所測量的是經(jīng)過檢測線圏的磁場的強(qiáng)度。附帶地，如圖7所示，可通過在支撐板110的表面上安裝磁傳感 器130來構(gòu)建目標(biāo)物質(zhì)檢測板207?；蛘撸艂鞲衅?30可以不安裝 在目標(biāo)物質(zhì)檢測板207的表面上。例如，如圖8所示，目標(biāo)物質(zhì)檢測 板207可包括作為磁傳感器的超導(dǎo)量子干涉器件170、金屬層180 和支撐板110。超導(dǎo)量子干涉器件170可被制造為用于檢測固定在金 屬層180的表面上的磁標(biāo)記(通過在距離固定磁標(biāo)記的區(qū)域一定距離 處感測磁標(biāo)記)。磁傳感器與檢測電路419以電的方式連接，從而拾 取檢測信號，如圖7和圖8所示。
圖1中的第一目標(biāo)物質(zhì)捕獲體201具有用于俘獲目標(biāo)物質(zhì)202 的功能。第一目標(biāo)物質(zhì)捕獲體201和目標(biāo)物質(zhì)202可以是任何物質(zhì)的 組合(諸如脂質(zhì)-蛋白質(zhì)、核酸-蛋白質(zhì)、糖鏈-蛋白質(zhì)、細(xì)胞-蛋白質(zhì)、 低分子量化合物-蛋白質(zhì)、變應(yīng)原-蛋白質(zhì)、細(xì)菌-蛋白質(zhì)、病毒-蛋白質(zhì) 或核酸-核酸)，只要所述組合提供特定鍵合。假設(shè)由C-D表示的A
的情況。
<磁標(biāo)記>
如圖1所示，磁標(biāo)記206包括磁結(jié)構(gòu)205和第二目標(biāo)物質(zhì)捕獲體 203。如第一目標(biāo)物質(zhì)捕獲體201的情況中那樣，第二目標(biāo)物質(zhì)捕獲 體203具有用于俘獲目標(biāo)物質(zhì)202的功能。
經(jīng)由第 一 目標(biāo)物質(zhì)捕獲體201與目標(biāo)物質(zhì)202之間以及第二目標(biāo) 物質(zhì)捕獲體203與目標(biāo)物質(zhì)202之間的鍵合，將磁標(biāo)記206固定在目 標(biāo)物質(zhì)檢測板207的表面上。
磁結(jié)構(gòu)205的磁化由于偏振光311而增大，并產(chǎn)生比缺少偏振光 時(shí)更大的磁散逸場?？蓪⑷魏尾牧嫌糜诖沤Y(jié)構(gòu)205，只要所述材料的 磁化由于偏振光的照射而增大?？捎貌牧习?Zn、 Cr) Te合金、 GaAs-Fe和Cr203。具體"i兌來，可適當(dāng)?shù)厥褂肎aAs-Fe和Cr203，其 即使在室溫下也增大磁化。作為磁結(jié)構(gòu)205，上述任何磁性物質(zhì)可單 獨(dú)使用，或者可按照聚合的形式來使用小塊磁性物質(zhì)。根據(jù)目標(biāo)物質(zhì) 202的大小、目標(biāo)物質(zhì)202和第二目標(biāo)物質(zhì)捕獲體203的反應(yīng)效率等來適當(dāng)?shù)卮_定磁結(jié)構(gòu)205的大小。例如，如果目標(biāo)物質(zhì)202的大小較 大，則由于在磁傳感器與磁結(jié)構(gòu)205之間存在較大距離，磁結(jié)構(gòu)205 需要具有大的微粒大小以增加施加到磁傳感器的磁場的大小。另一方 面，如果目標(biāo)物質(zhì)202與第二目標(biāo)物質(zhì)捕獲體203的反應(yīng)效率較低， 則期望使用較小微粒大小的磁結(jié)構(gòu)205,以便增加反應(yīng)效率。因此， 盡管磁結(jié)構(gòu)205的大小取決于許多因素，但是通常在100nm到100， 的范圍內(nèi)。
第二目標(biāo)物質(zhì)捕獲體203具有用于俘獲目標(biāo)物質(zhì)202的功能。優(yōu) 選地，第二目標(biāo)物質(zhì)捕獲體203和第一 目標(biāo)物質(zhì)捕獲體201俘獲目標(biāo) 物質(zhì)202的不同區(qū)域。附帶地，第二目標(biāo)物質(zhì)捕獲體203和第一目標(biāo) 物質(zhì)捕獲體201可以是相同類型或不同類型的，只要第一和第二目標(biāo) 物質(zhì)捕獲體具有用于俘獲目標(biāo)物質(zhì)202的功能。
<光源>
光源160產(chǎn)生光，以便用偏振光照射磁標(biāo)記206，所述光源160 被置于能夠用偏振光照射磁標(biāo)記的磁結(jié)構(gòu)205的位置。為了改變磁結(jié) 構(gòu)的磁化，適當(dāng)?shù)厥褂脠A偏振光。光源可以是任何能夠發(fā)出偏振光的 裝置。可行的光源包括偏振光發(fā)射裝置，其由磁半導(dǎo)體或感應(yīng)EL材 料制成，并使用自旋偏振電子注入?；蛘?，可結(jié)合偏振濾光片使用激 光源。
接著，將描述根據(jù)本發(fā)明的目標(biāo)物質(zhì)檢測方法。
用于在樣本中檢測目標(biāo)物質(zhì)的存在或缺少、或者目標(biāo)物質(zhì)的量的 目標(biāo)物質(zhì)檢測方法包括(i)放置磁標(biāo)記和目標(biāo)物質(zhì)，使其與目標(biāo)物 質(zhì)檢測板相接觸，所述目標(biāo)物質(zhì)檢測板包括磁傳感器和第一目標(biāo)物質(zhì) 捕獲體，從而形成包括第一目標(biāo)物質(zhì)捕獲體、目標(biāo)物質(zhì)和磁標(biāo)記的復(fù) 合物，磁標(biāo)記包含磁結(jié)構(gòu)和第二目標(biāo)物質(zhì)捕獲體；(ii)用偏振光照 射所述復(fù)合物；以及(Hi)檢測由磁結(jié)構(gòu)在偏振光下產(chǎn)生的捕獲體場。
以下將描述各個(gè)步驟。
關(guān)于步驟(i)
步驟(i)涉及放置磁標(biāo)記和目標(biāo)物質(zhì)，使其與目標(biāo)物質(zhì)檢測板相接觸，所述目標(biāo)物質(zhì)檢測板包括磁傳感器和第一目標(biāo)物質(zhì)捕獲體， 從而形成包括第一目標(biāo)物質(zhì)捕獲體、目標(biāo)物質(zhì)和磁標(biāo)記的復(fù)合物，磁 標(biāo)記包含磁結(jié)構(gòu)和第二目標(biāo)物質(zhì)捕獲體。
為了形成所述復(fù)合物，可按照下面兩種順序中的任何一種來俘獲
目標(biāo)物質(zhì)首先由磁標(biāo)記的第二目標(biāo)物質(zhì)捕獲體來俘獲，然后由第一 目標(biāo)物質(zhì)捕獲體來俘獲；或者首先由第一目標(biāo)物質(zhì)捕獲體來俘獲，然 后由磁標(biāo)記的第二目標(biāo)物質(zhì)捕獲體來俘獲。當(dāng)使用前一順序時(shí)，預(yù)先 混合磁標(biāo)記和樣本，與目標(biāo)物質(zhì)檢測板相接觸地放置所產(chǎn)生的液體復(fù) 合物。當(dāng)使用后一順序時(shí)，與目標(biāo)物質(zhì)檢測板相接觸地放置樣本，然 后與目標(biāo)物質(zhì)檢測板相接觸地放置磁標(biāo)記。附帶地，如果磁標(biāo)記和樣 本同時(shí)與目標(biāo)物質(zhì)檢測板相接觸地放置，則前一順序和后一順序?qū)⑼?br> 時(shí)發(fā)生。
關(guān)于步驟(ii)
步驟(ii)涉及用偏振光照射在步驟(i)中形成的復(fù)合物。 可通過光源來產(chǎn)生偏振光，或者，可通過偏振濾光片使用由光源
產(chǎn)生的光來產(chǎn)生偏振光。具體說來，將被檢測的磁性粒子被固定在磁
傳感器上，并且例如間隙地由偏振光來照射。 關(guān)于步驟(iii)
步驟(iii)涉及當(dāng)在步驟(ii)用偏振光照射磁散逸場時(shí)，由目 標(biāo)物質(zhì)檢測板檢測由磁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的磁散逸場的改變量。磁散逸場是磁 體泄漏的磁場。磁散逸場的強(qiáng)度與磁結(jié)構(gòu)的磁化大小成比例。
固定在磁傳感器的表面上的磁結(jié)構(gòu)的磁化大小在偏振光的照射 下改變。因此，由磁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的磁散逸場的強(qiáng)度也取決于偏振光的照 射。磁散逸場應(yīng)用于磁傳感器，根據(jù)磁散逸場的磁化大小而產(chǎn)生檢測 信號。此外，施加到磁傳感器的磁散逸場的大小隨著磁結(jié)構(gòu)數(shù)量的增 加而增加，檢測信號也是如此。因此，可通過檢測信號的大小而得知 磁結(jié)構(gòu)的數(shù)量。這表示如果事先已知磁結(jié)構(gòu)與目標(biāo)物質(zhì)的量之間的 關(guān)系，則可間接得知目標(biāo)物質(zhì)的量。另一方面，如果不存在目標(biāo)物質(zhì)， 則由于隨著偏振光的照射而改變其磁化大小的磁化結(jié)構(gòu)沒有固定在磁傳感器的表面上，所以檢測信號保持恒定，而不管磁結(jié)構(gòu)是否被偏
振光照射o
此外，如果按期望的循環(huán)周期重復(fù)偏振光的照射，則可按照較高
的精度來檢測磁結(jié)構(gòu)。例如，重復(fù)照射和非照射的循環(huán)周期在時(shí)間 T提供固定強(qiáng)度的偏振光的照射，然后，在相同長度的時(shí)間T，不提 供光照射。結(jié)果，磁結(jié)構(gòu)的大小與時(shí)間同步增加，磁散逸場的強(qiáng)度同 樣如此。因此，通過觀察磁場檢測信號中偏振光照射的頻率分量，可 在減小的噪聲強(qiáng)度下以高靈敏度來檢測磁場。附帶地，如果從磁傳感 器輸出的檢測信號受偏振光影響，則建議的作法是例如在磁傳感器 與光源之間形成光屏蔽膜，以防止磁傳感器被偏振光照射。 [示例
(示例1)
在該示例中將描述檢測作為目標(biāo)物質(zhì)的前列腺特異抗原(PSA) 的示例。TMR器件130被用作磁傳感器，由GaAs-Fe制成的鐵磁體 被用作磁結(jié)構(gòu)。
TMR器件在結(jié)構(gòu)上類似于GMR器件，但是GMR器件將金屬 膜用作在兩個(gè)磁體之間形成的非磁膜，而TMR器件所使用的是隧道 介電膜。根據(jù)本發(fā)明，除了 TMR器件之外，各種類型的磁傳感器可 供使用，包括GMR器件、其它磁阻器件和霍爾器件。
此外，磁結(jié)構(gòu)的材料不限于這里所述那些?？墒褂萌魏尾牧?，只 要所述材料在被偏振光照射時(shí)改變它的磁化大小和方向。
圖9是用于描述示例1中使用的目標(biāo)物質(zhì)檢測板的概念圖。參照 圖9, TMR器件130形成在支撐板110上，除了 TMR器件130頂部 之外的區(qū)域覆蓋有SiC)2膜120。 TMR器件130與電源140和檢測電 路150連接，其中，電源140按照與膜表面垂直的方向流過電流，檢 測電路150檢測隧道膜的上側(cè)(自由層)與下側(cè)(釘扎層)之間的電 勢差。此外，偏振光的光源160安裝在作為磁傳感器的TMR器件130 之上，并按照垂直于磁傳感器的膜表面的方向發(fā)射偏振光。
圖10是示出根據(jù)示例1用作磁傳感器的TMR器件130的膜配置以及TMR器件130關(guān)于磁性粒子的設(shè)置的概念圖。在作為隧道介 電膜的MgO膜136之下創(chuàng)建人造反鐵磁性膜，并將其用作釘扎層。 在釘扎層，在下側(cè)的電極上順序地堆疊Mnlr膜132、 FeCo膜133、 Ru膜134和FeCoB膜135。兩個(gè)磁膜133和135被磁耦合，它們的 磁化方向總是彼此逆平行。結(jié)果，釘扎層與自由層之間的靜磁耦合較 弱。
在MgO膜136上放置FeCoB膜137以用作自由層?？蓪⑷魏螌?dǎo) 電材料用于下側(cè)的電極131,只要導(dǎo)電材料不會(huì)使磁阻器件的特性惡 化，根據(jù)該示例使用Hf膜。Pt膜138形成在磁阻器件上部中作為保 護(hù)膜，以防止下游處理中的侵蝕?？蓪⑷魏螌?dǎo)電材料用于上部電極， 只要該導(dǎo)電材料不會(huì)使磁阻器件的特性惡化，根據(jù)該示例使用Au膜 139。根據(jù)該示例，上部電極組合固定層。為了在TMR器件130上支 撐第一抗體201,處理Au膜139的表面，以提高親水性，然后，利 用氨基硅烷(aminosilane )耦合劑來處理Au膜139的表面。
除了 TMR器件130頂部之外的區(qū)域被覆蓋有Si02膜120,從而 抗體不會(huì)固定在除了該器件頂部之外的任何區(qū)域。
根據(jù)示例1，使用圖1所示的目標(biāo)物質(zhì)檢測板來檢測目標(biāo)物質(zhì)。
用于俘獲期望的抗原的第一抗體201被固定在用氨基硅烷耦合 劑處理的Au膜139的表面。使用諸如戊二醛的交聯(lián)劑通過從氨基硅 烷耦合劑得到的氨基與肽鏈之間的化學(xué)鍵來固定第一抗體201 。
可使用包括安裝在支撐板110上的TMR器件130的目標(biāo)物質(zhì)檢 測板，根據(jù)以下協(xié)議來檢測稱為用于前列腺癌的標(biāo)記的前列腺特異抗 原(PSA) 202。用于識別PSA 202的第一抗體201已經(jīng)被固定到目 標(biāo)物質(zhì)檢測板。
(1) 將目標(biāo)物質(zhì)檢測板浸入包含作為抗原的PSA 202 (研究對 象)的磷酸緩沖液生理鹽水(測試溶液)中，并培養(yǎng)5分鐘。
(2) 接著，用磷酸緩沖液生理鹽水來清洗任何未反應(yīng)的PSA
202。
(3) 將經(jīng)過處理(1)和(2)的目標(biāo)物質(zhì)檢測板浸入包含由磁性粒子205標(biāo)記的抗PSA抗體(第二抗體)203的磷酸緩沖液生理鹽 水中，培養(yǎng)5分鐘。
(4)接著，用磷酸緩沖液生理鹽水來清洗任何未反應(yīng)的標(biāo)記抗體。
才艮據(jù)上述協(xié)i義，磁性粒子205經(jīng)由抗PSA抗體(第二抗體)203、 抗原202和第一抗體201被固定在器件表面。由于如果在研究對象中 不存在抗原202，則磁性粒子205不會(huì)固定到TMR器件130的頂部， 所以可基于磁性粒子205的存在或缺失來檢測抗原202。此外，來自 TMR器件130的檢測信號的大小允許識別出固定磁性粒子205的數(shù) 量并間接指示包括在研究對象中的抗原202的量。
為了檢測，用來自光源160的偏振光311來照射TMR器件130 的頂部。
圖11是用于描述根據(jù)示例1的來自目標(biāo)物質(zhì)檢測板的檢測信號 的時(shí)序圖。在初始狀態(tài)下，檢測信號位于電壓Vp。檢測信號的電壓 相應(yīng)于跨越TMR器件130的電勢差。
從時(shí)間t0到tl，發(fā)出順時(shí)針方向的圓偏振光311。結(jié)果，磁性 粒子205的磁化204如圖1所示向下傾斜。這使得TMR器件130的 檢測信號升到電壓Va。接著，停止發(fā)出偏振光311，促使磁化204返 回它的初始狀態(tài)。結(jié)果，TMR器件130的檢測信號也返回初始電壓 Vp。
當(dāng)以t2的循環(huán)周期來發(fā)出和停止圓偏振光時(shí)，由磁性粒子205 產(chǎn)生的磁散逸場的方向同步地改變，結(jié)果，如圖ll所示，從TMR器 件130獲得檢測信號。
(示例2 )
根據(jù)上述示例1，磁性粒子經(jīng)由目標(biāo)物質(zhì)被固定在磁傳感器上， 但是并不是嚴(yán)格地必須將磁性粒子固定在磁傳感器上。在示例2中， 將描述超導(dǎo)量子干涉器件用作磁傳感器的示例。
圖12是用于描述根據(jù)示例2的傳感器的配置的概念圖。根據(jù)示 例2，超導(dǎo)量子干涉器件170被安裝在經(jīng)過表面氧化處理的支撐板110之下。此外，在支撐板110的頂部形成Au膜180,從而可將第一抗 體(第一目標(biāo)物質(zhì)捕獲體)固定到支撐板110。其余配置與圖l所示 的示例l相同。
此外，用于在支撐板110上支撐第 一抗體的協(xié)議與示例1的相同。 處理Au膜180的表面，以提高親水性，然后，利用氨基硅烷耦合劑 來處理Au膜180的表面。此外，使用諸如戊二醛的交聯(lián)劑通過從氨 基硅烷耦合劑得到的氨基與肽鏈之間的化學(xué)鍵來固定第 一抗體。這向 目標(biāo)物質(zhì)檢測板提供了被固定用于俘獲期望的抗原的第一抗體。
可使用目標(biāo)物質(zhì)檢測板，根據(jù)以下協(xié)議來檢測稱為用于前列腺癌 的標(biāo)記的前列腺特異抗原(PSA)。所使用第一抗體允許識別PSA。
(1) 將檢測傳感器浸入包含作為抗原的PSA (研究對象)的磷 酸緩沖液生理鹽水(測試溶液)，并培養(yǎng)5分鐘。
(2) 接著，用磷酸緩沖液生理鹽水來清洗任何未反應(yīng)的PSA。
(3) 將經(jīng)過處理(1)和(2)的檢測傳感器浸入包含由磁性粒 子標(biāo)記的抗PSA抗體(第二抗體)的磷酸緩沖液生理鹽水，培養(yǎng)5 分鐘。
U)接著，用磷酸緩沖液生理鹽水來清洗任何未反應(yīng)的標(biāo)記抗體。
根據(jù)上述協(xié)議，磁性粒子經(jīng)由抗PSA抗體(第二抗體和第二目 標(biāo)物質(zhì)捕獲體)、抗原和第一抗體被固定在Au膜180的表面。由于 如果在研究對象中不存在抗原，則磁性粒子不會(huì)固定到Au膜180的 頂部，所以可基于磁性粒子的存在或缺失來檢測抗原。此外，來自超 導(dǎo)量子干涉器件170的檢測信號的大小允許識別出固定磁性粒子的數(shù) 量并間接指示研究對象中包含的抗原的量。
根據(jù)該示例，為了進(jìn)行檢測，光源160首先發(fā)出順時(shí)針方向的圓 偏振光，然后發(fā)出逆時(shí)針方向的圓偏振光。
圖13是用于描述根據(jù)示例2的來自傳感器的檢測信號的時(shí)序圖。 檢測信號的電壓相應(yīng)于跨越超導(dǎo)量子干涉器件170的電勢差。
參照圖13，從時(shí)間tO到tl發(fā)出順時(shí)針方向的圓偏振光，這使得磁性粒子205的磁化204在圖1中向下傾斜。結(jié)果，來自超導(dǎo)量子干 涉器件170的檢測信號的電壓上升到Va。接著，發(fā)出逆時(shí)針方向的 圓偏振光，這使得磁化204在圖1中沿相反的方向(即，向上)傾斜。 結(jié)果，來自超導(dǎo)量子干涉器件170的檢測信號的電壓下降到Vp。
當(dāng)以t2的循環(huán)周期來重復(fù)發(fā)出順時(shí)針方向的圓偏振光和逆時(shí)針 方向的圓偏振光時(shí)，由磁性粒子產(chǎn)生的磁散逸場的方向同步地改變， 結(jié)果，如圖13所示，從超導(dǎo)量子干涉器件170獲得檢測信號。
上述傳感器可在不向磁性粒子施加磁場的情況下檢測磁體，并且 可在較高的精度下檢測磁場。常規(guī)上，超導(dǎo)量子干涉器件的使用涉及 相對于磁場來精確地定向該器件，并使得該器件對于外部磁場不敏 感。另一方面，不涉及施加磁場的該示例在超導(dǎo)量子干涉器件的定向 方面不需要高精度。此外，如果磁體被修改，則根據(jù)該示例的超導(dǎo)量 子千涉器件可用于檢測生物材料等。
盡管參照示例性實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是應(yīng)理解本發(fā)明并不 受限于所公開的示例性實(shí)施例。所附權(quán)利要求的范圍將被給予最寬的 解釋，從而包括所有這樣的改進(jìn)以及等同的結(jié)構(gòu)和功能。
權(quán)利要求
1、一種目標(biāo)物質(zhì)檢測套件，包括目標(biāo)物質(zhì)檢測板，其包含磁傳感器和第一目標(biāo)物質(zhì)捕獲體；以及磁標(biāo)記，其包含磁結(jié)構(gòu)和第二目標(biāo)物質(zhì)捕獲體，其中，第一目標(biāo)物質(zhì)捕獲體存在于目標(biāo)物質(zhì)檢測板的表面上，以及磁結(jié)構(gòu)在偏振光下產(chǎn)生磁散逸場。
2、 如權(quán)利要求1所述的目標(biāo)物質(zhì)檢測套件，其中，磁傳感器具 有如下類型，所述類型的電特性根據(jù)由磁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的磁散逸場而改 變。
3、 如權(quán)利要求1所述的目標(biāo)物質(zhì)檢測套件，其中，磁傳感器是 磁阻器件、霍爾器件和超導(dǎo)量子干涉器件之一。
4、 一種目標(biāo)物質(zhì)檢測方法，用于檢測樣本中目標(biāo)物質(zhì)的有無、 或者目標(biāo)物質(zhì)的量，所述方法包括(i) 將磁標(biāo)記和樣本與包含磁傳感器和第一目標(biāo)物質(zhì)捕獲體的 目標(biāo)物質(zhì)檢測板接觸，由此形成包括第一目標(biāo)物質(zhì)捕獲體、目標(biāo)物質(zhì) 和磁標(biāo)記的復(fù)合物，所述磁標(biāo)記包含磁結(jié)構(gòu)和第二目標(biāo)物質(zhì)捕獲體；(ii) 利用偏振光照射所述復(fù)合物；以及(iii) 檢測由磁結(jié)構(gòu)在偏振光下產(chǎn)生的磁散逸場。
5、 如權(quán)利要求4所述的目標(biāo)物質(zhì)檢測方法，其中，檢測由磁結(jié) 構(gòu)在偏振光下產(chǎn)生的磁散逸場的步驟檢測磁傳感器的電特性的改變， 所述改變由磁結(jié)構(gòu)在偏振光下產(chǎn)生的磁散逸場引起。
6、 如權(quán)利要求4所述的目標(biāo)物質(zhì)檢測方法，其中，偏振光是圓 偏振光。
7、 如權(quán)利要求4所述的目標(biāo)物質(zhì)檢測方法，其中，磁傳感器是 磁阻器件、霍爾器件和超導(dǎo)量子干涉器件之一。
全文摘要
一種目標(biāo)物質(zhì)檢測套件和目標(biāo)物質(zhì)檢測方法。本發(fā)明允許在不向磁標(biāo)記施加外部磁場的情況下容易地檢測目標(biāo)物質(zhì)。本發(fā)明提供一種目標(biāo)物質(zhì)檢測套件，包括目標(biāo)物質(zhì)檢測板，包含磁傳感器和第一目標(biāo)物質(zhì)捕獲分子；以及磁標(biāo)記，包含磁結(jié)構(gòu)和第二目標(biāo)物質(zhì)捕獲分子，其中，第一目標(biāo)物質(zhì)捕獲分子存在于目標(biāo)物質(zhì)檢測板的表面上，磁結(jié)構(gòu)在偏振光下產(chǎn)生磁散逸場。
文檔編號G01R33/00GK101315429SQ20081010843
公開日2008年12月3日 申請日期2008年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月31日
發(fā)明者池田貴司 申請人:佳能株式會(huì)社