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Dokumentenidentifikation DE102006055957A1 31.05.2007
Titel Verfahren zur Charakterisierung eines lokalen Magnetfeldes und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Bangert, Joachim, Dr., 91052 Erlangen, DE
DE-Anmeldedatum 24.11.2006
DE-Aktenzeichen 102006055957
Offenlegungstag 31.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.05.2007
IPC-Hauptklasse G01N 27/83(2006.01)A, F, I, 20061124, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01L 27/22(2006.01)A, L, I, 20061124, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Charakterisierung eines lokalen Magnetfeldes, insbesondere eines von einem magnetisierbaren oder magnetischen Partikel in einem vorgegebenen Messareal eines Magnetfeldes hervorgerufenen Streufeldes, bei dem zumindest in einem Teilbereich des Messareals ein Sensorarray (7) aus mehreren Magnetsensoren (5) mit jeweils mindestens einer magnetfeldempfindlichen Schicht (3) angeordnet wird und Mittel zum separaten Auslesen des Signals eines jeden Sensors bereitgestellt werden. Erfindungsgemäß werden die Größe insbesondere von XMR-Sensoren (5i) bzw. die Fläche der magnetfeldempfindlichen Schicht und das Rastermaß des Sensorarrays (7) so gewählt, dass wenigstens zwei benachbarte Sensoren von dem lokalen Streufeld beeinflusst werden. Bei der zugehörigen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist ein Sensorarray (7) aus mehreren, jeweils mindestens eine magnetfeldempfindliche Schicht aufweisenden XMR-Sesoren (5i), die so mit Mitteln zum Auslesen von Sensorsignalen verschaltet sind, dass das Signal eines jeden Sensors unabhängig von anderen Sensoren auslesbar ist, vorhanden, wobei die Größe der XMR-Sensoren (5i) bzw. die Fläche der magnetfeldempfindlichen Schicht und das Rastermaß des Sensorarrays (7) so gewählt sind, dass wenigstens zwei benachbarte Sensoren (5i) von dem lokalen Streufeld beeinflussbar sind.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich Verfahren zur Charakterisierung eines lokalen Magnetfeldes, insbesondere eines von einem magnetisierbaren oder magnetischen Partikel hervorgerufenen Streufeldes. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

In der biologischen Analysetechnik, der medizinischen Technik und anderen vergleichbaren Gebieten werden in zunehmendem Maße magnetische oder magnetisierbare Mikropartikel mit Größen von weniger als 2 &mgr;m eingesetzt, beispielsweise als Marker bzw. Labels für Biomoleküle. Dabei stellt sich das Problem der Detektion derartiger Partikel mit Hilfe von Magnetfeldsensoren. Dazu wird üblicherweise ein externes Magnetfeld appliziert, auf das die Partikel mit einem magnetischen Streufeld reagieren, das es zu detektieren gilt.

Bei Biochips ist es bekannt, magnetisierbare Partikel, die auch als Magnet-Beads oder kurz Beads bezeichnet werden, mit Hilfe eines im Bereich einer Analysefläche des Biochips angeordneten, aus mehreren XMR-Sensoren gebildeten Sensorarrays zu detektieren. Aufgrund der Größe der einzelnen Sensoren und deren Verschaltung untereinander ist es bisher nicht möglich, Aussagen über die Position eines Partikels relativ zu einem Sensor und die genaue Anzahl von in einem bestimmten Areal vorhandener Partikel zu treffen und damit beispielsweise auf die Anzahl von damit markierten Molekülen zu schließen.

Aus der Veröffentlichung Biosensor & Bioelectronics 14 (2000), P. 805 bis 813 ist ein komplexes System zum Nachweis bestimmter biologischer Strukturen bekannt. Dabei wird eine Matrix mit n GMR-Sensoren verwendet, mit der die Anwesenheit biologisch aktivierter magnetisierbarer Partikel nachgewiesen werden soll. Die Matrix besteht aus 8 Arrays mit je 8 GMR-Sensoren. Die Einzelsensoren sind 5 &mgr;m breit und 80 &mgr;m lang. Der Abstand zwischen den Sensoren beträgt ca. 20 &mgr;m (Rastermaß). Die verwendeten Partikel haben einen Durchmesser von 0,7 &mgr;m. Mit dieser Geometrie soll insbesondere ein Übersprechen zwischen einzelnen Sensoren verhindert werden.

Der Einfluss eines Partikelstreufeldes auf den Sensorwiderstand hängt von der Position des Beads ab: Im Idealfall wird das Feld ganz erfasst, am Rand des Sensors nimmt dagegen das Feld schnell ab. Mehr als einen Sensor kann aber das Streufeld nicht beeinflussen, ansonsten könnte z. B. Element nicht ein Nullsignal zeigen, während die Nachbarn das halbe bzw. das volle Signal anzeigen. Eine zur Sensorauswertung geeignete Elektronik wird hier nicht näher erläutert.

Weiterhin wird in Journal of Applied Physics, vol. 93, 10, P. 6864 bis 6866 die Herstellung von GMR-Sensor-Arrays beschrieben. Die Arrays sind 32 bzw. 128 Elemente groß und beinhalten Subarrays. Die Distanz zwischen den Sensoren ist viel größer als die Dimensionen der Sensoren. Die Elektronik liest die Sensoren paarweise (Halbbrücke) aus. Die Sensoren haben die Dimensionen mit 1,5 bis 2 &mgr;m Breite und 6 &mgr;m Länge bzw. 32 &mgr;m Breite und 2 mm Länge. Die Abstände sind 5 &mgr;m oder 15 &mgr;m für die schmalen Sensoren (1, 2) und ca. 200 &mgr;m für die breiten Sensoren (3). Die Mess-Ortsauflösung der Arrays wurde anhand einer großflächigen Struktur, beispielsweise durch eine Tintenverteilung, zu ca. 1 mm bestimmt. Eine Messung an magnetischen oder magnetisierbaren Mikropartikeln erfolgt aber dabei nicht. Weitere dort genannte Anwendungen sind neben der genannten. Biotechnologie die zerstörungsfreie Prüftechnik, eine Dokumentprüfung für beispielsweise Banknoten oder Kreditkarten, oder die Positionssensorik.

Die genannte Problematik, die Position von Partikeln relativ zu den Sensoren bzw. die genaue Anzahl von Partikeln in einem bestimmten Areal zu bestimmen, ist auch bei anderen magnetischen Fragestellungen von Bedeutung. Neben der Markierung von Objekten (z. B. Stäuben, biologische Zellen) kann die Notwendigkeit bestehen, auch unmittelbar magnetische Mikropartikel zu charakterisieren, z. B. bei der Analyse von Korrosionsprodukten in Ölen.

Ausgehend von obigem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren vorzuschlagen dahingehend, dass Aussagen über Position und Anzahl von in einem Messareal befindlichen Markern möglich sind. Daneben soll eine Vorrichtung geschaffen werden, mit der das Verfahren ausgeführt und die Feldverteilung bestimmt werden kann, wobei auch geeignete Verwendungen angegeben werden sollen.

Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe durch die Abfolge der Maßnahmen des Anspruches 1 und hinsichtlich einer Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruches 19 gelöst. Weiterbildungen des Verfahrens, insbesondere auch zu spezifischen Anwendungen in der Biotechnologie, und der Vorrichtung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, dass zur Charakterisierung eines lokalen, von einem magnetisierbaren oder magnetischen Partikel in einem vorgegebenen Messareal eines Magnetfelds hervorgerufenen Streufeldes, zumindest in einem Teilbereich des Messareals ein Sensorarray aus mehreren XMR-Sensoren mit jeweils mindestens einer magnetfeldempfindliche Schicht angeordnet wird und Mittel zum separaten Auslesen des Signals eines jeden Sensors bereitgestellt werden, wobei die Größe der XMR-Sensoren bzw. die Fläche der magnetfeldempfindliche Schicht und das Rastermaß des Sensorarrays so gewählt werden, dass wenigstens zwei benachbarte Sensoren von dem lokalen Streufeld beeinflusst werden. Dabei werden vorzugsweise sog. XMR-Sensoren, insbesondere GMR- oder TMR-Sensoren, und ferro-, ferri- oder antiferromagnetische Schichtsysteme verwendet. Auch amorphe Schichten mit entsprechenden magnetfeldempfindlichen Eigenschaften sind in diesem Zusammenhang möglich.

Die Erfindung geht davon aus, dass es – sofern jeder Magnetfeldsensor unabhängig von anderen Sensorsignalen separat auslesbar ist – zwar grundsätzlich möglich ist, ein einzelnes Partikel, das sich im Bereich eines Sensors aufhält, zu detektieren. Dies ist aber noch keine hinreichende Bedingung, um ein einzelnes Partikel z. B. von einem Cluster mehrerer Partikel unterscheiden zu können oder die genaue Position eines Partikels im Messareal zu bestimmen. Dies wird erst erfindungsgemäß dadurch ermöglicht, dass Größe und Rastermaß der Sensoren so gewählt werden, dass das von einem Partikel ausgehende Streufeld an mindestens zwei unterschiedlichen Positionen messbar ist.

Das Streufeld eines z. B. annähernd eine Kugelform aufweisenden Partikels ist inhomogen, d.h. es weist Bereiche unterschiedlicher Feldstärke auf. So schwächt sich das Streufeld mit zunehmender Entfernung von der Partikeloberfläche ab. Je nach Geometrie und Ausrichtung des externen Magnetfelds treten an unterschiedlichen Raumpositionen Feldschwächungen und Feldverstärkungen auf. Beispielsweise im Falle eines parallel zur Planebene eines Sensorarrays ausgerichteten externen Magnetfelds tritt in dem sich zwischen einem Sensor und dem Partikel befindlichen Bereich gegenüber dem externen Magnetfeld eine Feldschwächung und in den sich in Richtung des externen Magnetfelds gesehen vor und hinter dem Partikel befindlichen Bereichen eine Feldverstärkung auf. Detektiert nun beispielsweise ein Sensor eine Feldverstärkung und ein anderer Sensor eine Feldschwächung, so können durch Vergleich der entsprechenden Sensorsignale die Position des Partikels zu einem sich im Einflussbereich des Streufelds befindlichen Sensor relativ genau bestimmt sowie eine Clusterbildung erkannt werden.

Weiterhin lassen sich durch ein erfindungsgemäßes Verfahren Partikel der in Rede stehenden Art mit einer erhöhten Empfindlichkeit detektieren. Ein nahezu vom gesamten Streufeld beeinflusster Sensor integriert die unterschiedlichen Feldstärken zu einem Gesamtsignal, wobei es zu einer Nivellierung des Signals kommt, wenn verstärkte und abgeschwächte Streufeldbereiche den Sensor treffen. Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wirkt dagegen auf einen Sensor ein kleinerer Streufeldbereich ein, so dass der erwähnte Nivellierungseffekt allenfalls in einem wesentlich verringerten Ausmaß auftritt.

Die Messempfindlichkeit wird auch dadurch verbessert, dass die gesamte Sensorfläche vom Streufeld eines Partikels beeinflusst wird, dagegen unbeeinflusste Flächenbereiche also nicht vorhanden sind, so wie dies bei Sensoren der Fall ist, deren Fläche größer ist als ein Partikel.

Je nach der Größe der Einzelsensoren und dem gewählten Rastermaß lässt sich die Auflösung je nach Anwendungsfall in weiten Bereichen frei wählen. So lassen sich lokal sehr eng begrenzte Magnetfeldänderungen detailgenau detektieren. Die für biologische Analysen verwendeten Beads weisen eine Größe von etwa 0,5 &mgr;m bis 2 &mgr;m auf.

Es ist daher zweckmäßig, wenn die Größe, etwa der Durchmesser bzw. die Länge und Breite eines XMR-Sensors kleiner als 2 &mgr;m ist. Sensorarrays mit solchen Sensoren und entsprechend geringen Abständen zwischen den Sensoren sind in industriellem Maßstab beispielsweise mit aus der Speicherchip-Industrie bekannten Techniken herstellbar. Insbesondere sind hier Techniken zur Herstellung magnetischer Speicher, sog. TRAMs (= tunnel magnetoresistive random access memories), in Betracht zu ziehen. Erfindungsgemäß werden solche Bauelemente aber nicht als Datenspeicher, sondern zur Magnetfeldcharakterisierung verwendet.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ein Sensorarray aus mehreren, jeweils mindestens eine ferromagnetische Schicht aufweisenden XMR-Sensoren, die so mit Mitteln zum Auslesen von Sensorsignalen verschaltet sind, dass das Signal eines jeden Sensors unabhängig von anderen Sensoren auslesbar ist, wobei die Größe der XMR-Sensoren bzw. die Fläche der ferromagnetischen Schicht und das Rastermaß des Sensorarrays so gewählt sind, dass wenigstens zwei benachbarte Sensoren von dem lokalen Streufeld beeinflussbar sind. Hinsichtlich der damit erzielten Vorteile gilt das oben Gesagte analog.

Vorzugsweise sind die Fläche der XMR-Sensoren und der gegenseitige Abstand benachbarter Sensoren kleiner als 2 &mgr;m. Damit bietet sich eine große Vielzahl von Anwendungen im Bereich der Mikroanalytik an, in der Partikel bzw. Beads mit Durchmessern von etwa 2 &mgr;m bis 0,5 &mgr;m eingesetzt werden.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen, insbesondere den Ansprüchen 1 und 16.

Es zeigen:

1 einen Ausschnitt eines Biochips in schematischer Querschnittdarstellung,

2 die Draufsicht auf einen bekannten XMR-Sensor, auf dem ein Bead zentral angeordnet ist, etwa in Richtung des Pfeiles II in 1,

3 den Verlauf der induzierten Feldstärke bei einer Anordnung gemäß 2,

4 eine erste Ausbildung eines verbesserten XMR-Sensor-Arrays,

5 eine zweite Ausbildung eines verbesserten XMR-Sensor-Arrays

6 den Verlauf der induzierten Feldstärke bei einer Anordnung gemäß 4 oder 5 und

7 ein Flussdiagramm zur Vorgehensweise bei der Feldberechnung bei 4 oder 5.

Nachfolgend wird zunächst auf den Stand der Technik eingegangen, um dran anschließend das neue Simulations- und Rechenverfahren zur Ermittlung einer Partikelbelegung auf einer Sensoranordnung und die zugehörigen Vorrichtungen zu erläutern:

Im Einzelnen wird auf Messarrays bzw. -matrizes für biomedizinische Zwecke abgestellt, mit denen beispielsweise eine DNA- und/oder eine Protein-Analyse erfolgen kann. Möglich sind auch allgemeine magnetische Messungen für technische Anwendungen.

Die hier verwendete Messmatrix gibt eine Aufstellung von gleichen Magnetfeldsensoren in vorgegebener Art und Weise an und können linear oder zweidimensional ausgebildet sein. In letzterem Fall bilden sie eine Matrix mit Elementen in vorgegebener Anordnung, die nicht zwangsläufig symmetrisch ist.

Ein herkömmliches Verfahren sowie ein Detektor zur Bestimmung eines Magnetfeldgradienten wird exemplarisch am Beispiel eines Biochips 1, der schematisch als Schnitt in 1 gezeigt ist, erläutert.

Der Biochip 1 umfasst einen Träger 2 beispielsweise aus Si3N4. Auf dem Träger 2 ist eine Analysefläche 3 definiert, die zur Durchführung von Analysereaktionen dient.

Auf einem einzigen Biochip 1 können mehrere solcher Analyseflächen, insbesondere in Form eines Arrays, vorhanden sein. Unterhalb der Analysenfläche 3 ist im Träger 2 ein Sensorarray 7 aus einer Vielzahl einzelner XMR-Sensoren 5i gebildet.

XMR-Sensoren beruhen auf Magnetowiderstandseffekten in magnetischen Stoffen. Insbesondere werden dafür sog. GMR- oder TMR-Sensoren verwendet: Speziell bei GMR-Sensoren (Giant magnetoresistive sensor) ist ein Schichtsystem mit mindestens zwei magnetfeldempfindlichen Schichten und einer nicht magnetischen, metallischen Zwischenschicht vorhanden, die ferro-, ferri- oder antiferromagnetischen Eigenschaften haben. Auch amorphe Strukturen mit Nahordnung sind möglich. Insbesondere bei einem ferromagnetischen System weist eine Schicht eine feste Orientierung ihres Magnetfeldes auf, während die Magnetisierungsrichtung der anderen Schicht durch Anlegen eines äußeren Magnetfeldes gedreht werden kann. Der Widerstand ist bei einer antiparallelen Ausrichtung der Magnetisierungen größer als bei paralleler Ausrichtung. Ähnlich verhält es sich bei TMR-Sensoren (tunnel magneto resistive sensor). Zwischen mindestens zwei ferromagnetischen Schichten ist hier eine dünne Isolationsschicht vorhanden, wobei deren Tunnelwiderstand von der gegenseitigen Drehstellung der beiden Magnetisierungsrichtungen abhängig ist.

Bei einer mit einem Biochip 1 gemäß 1 durchgeführten Analyse werden als Marker magnetisierbare Partikel 6, die auch als Magnet-Beads oder kurz Beads bezeichnet werden, verwendet. Die Beads 6 bestehen beispielsweise aus einer Styrolmatrix, in die supermagnetischer Magnetit-Werkstoff mit einem Anteil beispielsweise von 20% eingelagert ist. Denkbar ist auch die Verwendung von permanentmagnetischen Materialien wie NdFeB und/oder abmagnetisierten Materialien wie Reineisen.

Bei einer typischen Fragestellung im Bereich der DNA-Diagnostik in der Biotechnologie wird nach der Anwesenheit bestimmter DNA-Sequenzen gesucht. Nach diversen Vorbereitungsschritten – unter anderem der Vermehrung der gesuchten DNA-Sequenzen – werden diese durch bekannte Verfahren an der Analysefläche 3 fixiert bzw. immobilisiert.

Die Analysefläche 3 wird mit einer Analytlösung versetzt, die synthetische, zur gesuchten DNA-Sequenz komplementäre DNA-Sequenzen enthält. Die synthetischen Komplemente sind biotinisiert, d.h. an sie ist ein Biotinmolekül gekoppelt. Bei einer Übereinstimmung findet eine Hybridisierung zwischen gesuchter und synthetischer DNA-Sequenz statt. Die nicht passenden DNA-Sequenzen werden durch Spülen der Analysefläche 3 entfernt.

Als letzter Schritt vor der Detektion des Analyseergebnisses werden der Analysefläche 3 als Marker sog. Magnet-Beads 6, beispielsweise in Form einer Suspension, zugeführt. An die Oberfläche der Beads 6 sind Streptavidin-Moleküle gebunden, welche mit den Biotimmolekülen der synthetischen DNA-Komplemente koppeln.

Nicht gekoppelte Beads 6 werden anschließend durch eine Spülung von der Analysefläche 3 entfernt. Die Analysenfläche 3 ist nun soweit vorbereitet, dass eine Detektion des Analyseergebnisses erfolgen kann.

Das Ziel der Detektion ist es, insbesondere festzustellen, welche Anzahl von Beads 6 auf der Analysefläche 3 vorhanden ist.

Zur Erläuterung, wie letztere Detektion erfindungsgemäß erfolgt, soll zunächst auf die Bead-Detektion bei Biochips entsprechend dem Stand der Technik entsprechend der Draufsicht gemäß 2 eingegangen werden, wogegen 1 den allgemeinen Fall in der Seitenansicht darstellt:

2 zeigt einen quadratischen XMR-Sensor 5a eines herkömmlichen Biochips mit einer Kantenlänge von beispielsweise 3 &mgr;m. Zentral auf dem XMR-Sensor 5a soll sich ein Bead 6a mit einem Durchmesser von 1 &mgr;m befinden. Der Sensor 5a ist in einem externen Magnetfeld Hext angeordnet, dessen Feldlinien 8 sich parallel zur Planebene des Sensors 5a erstrecken („in-plane"-Ausrichtung).

Das durch das externe Magnetfeld Hext hervorgerufene, im Wesentlichen dipolartige Streufeld 9 eines Beads 6 bzw. 6a hat in der Seitenansicht der allgemeinen Darstellung etwa die in 1 gezeigte Ausdehnung und Gestaltung. Das Streufeld 9 des Beads 6 bzw. 6a hat die größte Stärke in unmittelbarer Oberflächennähe des Beads 6 bzw. 6a und nimmt mit zunehmender Entfernung schnell ab, so dass im Abstand etwa eines Beaddurchmessers von der Oberfläche des Beads 6 bzw. 6a das Streufeld sehr schwach ist und kaum noch detektiert werden kann.

In 1 ist zwischen dem Bead 6 und Analysefläche 3 ein Abstand 10 vorhanden, der beispielsweise etwa 0,2 &mgr;m beträgt. Er ergibt sich aus der zwischen dem Bead 6 und dem Analysebereich 3 vorhandenen Immobilisierungsschicht, die z. B. aus den weiter oben bereits erwähnten hybridisierten DNA-Moleküle besteht.

Entsprechendes ergibt sich aus der Draufsicht gemäß Pfeilrichtung II in 1 entsprechend 2 bei der bekannten Sensor-Anordnung: Gemäß dem Stand der Technik werden Sensoren derart angeordnet, dass ein Übersprechen (sog. „Cross Talk") des Magnetsignals des Markers auf einen weiter entfernten Sensor im Array wirksam verhindert wird. Der Abstand ist mit 20 &mgr;m so gewählt, dass der Einfluss im Bereich eines benachbarten Sensors deutlich unter einem Prozent liegt.

Der unter dem magnetischen oder magnetisierbaren Partikel 6a, das die Funktion eines Markers hat, liegende magnetfeldempfindliche Sensor 5a mittelt das Signal der messempfindlichen Schicht, da der Sensor 5a wesentlich breiter als der Markerdurchmesser und damit breiter als die Projektionsfläche des Markers ist (5 &mgr;m zu 0,7 &mgr;m).

Durch Computersimulationen lässt sich zeigen, dass bei einer „in-plane"-Ausrichtung gemäß 2 das Streufeld 9 des Beads 6 sich nur in einem sich in Richtung der Feldlinien 8 des externen Feldes H erstreckenden mittleren Flächenbereich 12 des Sensors 5a auswirkt, wobei die Breite des Flächenbereiches 12 etwa dem Durchmesser des Beads 6a entspricht. Somit sind 2/3 der Fläche des XMR-Sensors 5a zur Detektion des Partikels 6a gar nicht nutzbar und tragen allenfalls zur Erhöhung des Grundrauschens bei.

Bei herkömmlichen XMR-Sensoren 5a deren Fläche größer ist als der Durchmesser eines Beads 6, ist somit zwangsläufig eine geringere Detektionsempfindlichkeit für ein Streufeld eines Beads zu erwarten. Im mittleren Flächenbereich 12 wirkt sich das Streufeld des Beads 6a nicht gleichmäßig aus. In den Flächenbereichen 13 und 14, die in Bezug auf die Richtung der Feldlinien 8 vor bzw. hinter dem Bead 6a angeordnet sind, ergibt sich aus der Überlagerung des externen Feldes H und dem Streufeld 9 eine relativ geringe Feldverstärkung. Unter dem Bead 6a, also etwa im Bereich von dessen Projektion auf die Oberfläche des Sensors 5a resultiert eine Feldschwächung. Diese nimmt mit Annäherung an den Mittelpunkt 15 der Projektionsfläche 11 des Beads 6a zu und erreicht dort ein Maximum.

Der Sensor 5a ist jedoch nicht in der Lage, die im mittleren Flächenbereich vorhandenen unterschiedlichen Feldstärken bzw. Feldgradienten aufzulösen. Es integriert vielmehr über den gesamten mittleren Flächenbereich 12, wobei sich Feldschwächungen und Feldverstärkungen gegenseitig kompensieren. Insgesamt wird also die Detektionskapazität eines herkömmlichen Sensors 5a nur zu einem sehr geringen Teil genutzt. Dementsprechend ist die Empfindlichkeit herkömmlicher Detektoren relativ gering.

In 3 wird letzterer Sachverhalt mit Ausdehnung des Messareals in x-Richtung entsprechend dem Stand der Technik vereinfacht verdeutlicht. Ersichtlich ist ein großflächiger Sensor 5a und der Verlauf des Feldes Hx. Eine exakte Berechnung der Feldstärke Hx oder der Marker-Position ist aus dem Sensor-Signal nicht möglich. Daher ist es auch nicht möglich, die Anwesenheit zweier eng benachbarter Marker von nur einem einzigen Marker zu unterscheiden. Dies gilt für die in 3 mit einer Projektion 3 gezeigte orthogonale Feldrichtung ebenso wie für die parallele Feldrichtung aus 2.

Bei einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung gemäß 4 sind die XMR-Sensoren 5 eines Sensorarrays 7 kleiner als die Projektionsfläche 11 eines Beads 6. Außerdem ist der Abstand 11 zwischen den Sensoren eines Sensorarrays 7 kleiner als der Durchmesser eines Beads 6. Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht es, dass im Falle von auf der Analysefläche 3 vorhandener Beads 6 ein XMR-Sensor 5b unterhalb eines Beads 6 bzw. in dessen Projektionsfläche 11 angeordnet ist. Der Sensor 5b ist dann zum einen im Bereich des Maximums der Feldschwächung angeordnet, wobei diese im Idealfall auf seine gesamte Fläche wirkt und ein dementsprechend stark ausgeprägtes Sensorsignal ergibt.

Bei entsprechender Wahl der genannten Abmessungsrelationen lässt sich gewährleisten, dass stets ein Sensor 5b einer im Bereich der Projektionsfläche 11 positionierten Gruppe von Sensoren 5b, 5c, die zusammen ein Subarray 7a bilden, vollständig innerhalb der Projektionsfläche befindet. Ein derart ausgestaltetes Sensorarray 7 weist daher eine hohe Messempfindlichkeit auf.

Wie den 4 und 5 zu entnehmen ist, sind bei nicht vollständiger, d.h. nicht nach Art einer dichtesten Kugelpackung ausgeprägten Belegung einer Analysefläche 3 einige XMR-Sensoren 5c in Bereichen angeordnet, in denen überhaupt keine Feldveränderung oder nur eine schwache Feldveränderung, wie insbesondere in den Flächenbereichen 13 und 14, auftritt. Dementsprechend liefern die Sensoren 5c verglichen mit den Sensoren 5b ein schwaches Signal. Bei zumindest ungefährer Kenntnis des Feldverlaufes eines von einem Bead 6 ausgehenden Streufeldes lässt sich mit den aus den Sensoren 5b und 5c eines Subarrays 7a stammenden Signalen die Position eines Beads 6 auf dem Sensorarray 7 bestimmen sowie eine Clusterbildung von Beads erkennen.

Die Verschaltung der XMR-Sensoren eines Sensorarrays 7 erfolgt etwa durch gekreuzte Leitungsbahnen 17, 18 zwischen denen die einzelnen Sensoren angeordnet sind. In 4 sind einige solcher Leitungsbahnen angedeutet. Wird beispielsweise die Leitungsbahn 17a mit der Leitungsbahn 18a kombiniert, so ist der sich am Kreuzungspunkt der Leitungsbahnen befindliche XMR-Sensor 5d unabhängig von den anderen Sensoren 5 auslesbar.

Die XMR-Sensoren 5i haben vorzugsweise eine elliptische Umrissform. Es hat sich gezeigt, dass eine solche Form gegenüber einer etwa rechteckigen oder quadratischen Ausgestaltung eine gesteigerte Messempfindlichkeit ergibt. In diesem Sinne ist es auch vorteilhaft, wenn die XMR-Sensoren 5i so angeordnet sind, dass ihre durch ein äußeres Magnetfeld nicht veränderbaren magnetfeldempfindlichen Schichten unterschiedliche Magnetisierungsrichtungen aufweise, was in 5 mit Pfeilen 19 in einzelnen Messsensoren 5i angedeutet ist.

Beispielsweise bedingt durch den Herstellungsprozess kann sich bei XMR-Sensoren eine gewisse Abhängigkeit ihrer Empfindlichkeit von der Richtung eines externen Magnetfeldes ergeben. Aufgrund der unterschiedlichen Magnetisierungsrichtungen 19 der XMR-Sensoren ist verhindert, dass sich dieser Effekt bei allen Sensoren eines Sensorarrays auftritt und so die Messempfindlichkeit eines Sensorarrays 7 durch Summenwirkung stark verringert würde.

Die 6 zeigt einen Querschnitt der Sensor-Anordnung alternativ von 4 bzw. 5: Ein Partikel 6 ist oberhalb eines in der Projektion linearen Arrays von Sensoren 5i angeordnet. Das externe Magnetfeld wirkt demzufolge von unten ein, wozu unterhalb des Sensorarrays wieder die Projektionsfläche 3 wieder zusätzlich dargestellt ist.

In der vorgeschlagenen Anordnung gemäß 6 liegen mindestens zwei Sensoren 5i und 5i+1 im Bereich der Projektionsfläche des magnetischen Markers bzw. Beads 6. Durch eine separate Erfassung der Messsignale und deren Verrechnung mit gängigen mathematischen Methoden ist nunmehr eine Erfassung von Feldstärke-Gradienten möglich.

Bei magnetfeldempfindlichen Sensoren der erfindungsgemäß verwendeten Art ist deren Kennlinie von den magnetischen Materialen der ferromagnetischen Schichten definiert. Das Sensor-Signal ist daher eine Funktion eines anliegenden externen Magnetfelds Hext. Lineare Sensoren sind so gestaltet, dass das externe Magnetfeld einen Arbeitspunkt ansteuert, der so gelegt ist, das sowohl Feldschwächungen als auch Feldverstärkungen in gleichem Maße detektierbar sind.

Bei hysteretischen Sensoren mit einer rechteckigen Kennlinie wird das externe Magnetfeld in der Sensorebene bzw. der Ebene der insbesondere magnetfeldempfindlichen Schichten schrittweise erhöht. Durch den Einfluss des Bead-Streufelds schalten einige Sensoren früher bzw. einige Sensoren später als unbelegte Sensoren. Es können aber auch hysteretische Sensoren verwendet werden, die ebenfalls eine rechteckige Kennlinie aufweisen. Diese sind so ausgelegt, dass das externe Magnetfeld H orthogonal zur Sensorebene Schaltvorgänge auslöst, wenn Streufelder vorhanden sind. Abmagnetisierte hysteretische Sensoren mit ebenfalls rechteckiger Kennlinie weisen im Urzustand einen mittleren Widerstand auf. Sie schalten bei Vorhandensein eines Bead-Streufelds in eine der Remanenzrichtungen.

Als Mittel zum Auslesen von Sensorsignalen kommt bevorzugt eine solche Auswerteeinheit in Anwendung, mit der eine TRAM-kompatible Zeilen- und Spaltenauswertung möglich ist, worauf weiter oben bereits eingegangen wurde. Eine derartige Auswertung ist im Prinzip vom Stand der Technik bei magnetischen Speichern (sog. MRAMS) vorbekannt, wozu im Einzelnen auf die dort verwendeten Einrichtungen, die beispielsweise in der US 5 852 574 A im Zusammenhang mit den MRAMS beschrieben werden, verwiesen wird. Auf die zugehörige Mittel wird daher hier nicht im Einzelnen eingegangen, wohl aber weiter unten auf die prinzipielle Vorgehensweise entsprechend dem Flussdiagram gemäß 7.

Zur Auswertung enthält eine Auswerteelektronik neben den genannten Mitteln weiterhin einen Leseverstärker für lineare Sensoren und ggf. einen TRAM-Leseverstärker für digitale Sen soren. Weiterhin sind Speicher für die Werte der Einzelsignale der XMR-Sensoren 5i eines Sensorarrays 7 vorgesehen.

Die Berechnungen der Position einzelner Beads erfolgt mit einer die separaten Messsignale der einzelnen Sensoren 5' auswertenden Recheneinheit.

Anhand 7 wird die rechnerische Vorgehensweise verdeutlicht: Nach der Initialisierung mit Start 71 erfolgt in der Einheit 72 eine Parameterauswahl entsprechend der vorliegenden biologischen Fragestellung.

Es erfolgt eine Betriebsweise bzw. Führung des Assays mit den Vorgaben der Einheit 73. Dabei werden gemäß Verfahrenstufe 74 die Signale der einzelnen Sensoren separat erfasst und mit der Zuordnung zum Array abgespeichert.

Parallel dazu wird in Einheit 75 eine Simulation, die als Computersimulation nach Programm in einem Rechner erfolgt, durchgeführt: Dazu werden in Einheit 76 Modelle der Beads und der Sensoren generiert und miteinander kombiniert: Durch mathematische Faltungsmethoden werden alle solchen möglichen Signalkombinationen generiert, die auf eine Bead-Anwesenheit hinweisen könnten.

In Stufe 80 erfolgt eine Rückfaltung der Daten ("Deconvolution"). Es kann daraus in Einheit 81 eine Bestimmung der Beadbelegung erfolgen. In Einheit 82 wird damit die Wiedergabe bzw. Ausgabe der der Belegung der Sensoren mit den magnetischen Marken, d.h. den Beads 6, angegeben. Die Korrelation mit der Messung wird abschließend in Einheit 83 bestätigt, wonach die Auswertung beendet ist.

Bei der Vorrichtung zur Durchführung obigen Verfahrens sind eine Ansteuerschaltung zur Einstellung der Feldstärke des externen Magnetfelds und eine Auslesung der gesamten Arrays sowie eine Berechnung und Ausgabe der Verteilung der Subarrays erforderlich, die in üblicher Weise ausgebildet ist.

Die Erfindung wurde vorstehend insbesondere am Beispiel eines Biochips erläutert. Sie gilt aber in gleicher Weise für die allgemeine magnetische Sensorik im Rahmen technischer Anwendungen, wo beispielsweise schwache Magnetfelder genau lokalisiert und charakterisiert werden sollen. Als Beispiele wurde neben der Markierung von Objekten, z. B. Stäuben, auch die Notwendigkeit genannt, unmittelbar magnetische Mikropartikel zu charakterisieren, z. B. bei der Analyse von Korrosionsprodukten in Ölen.

Der beschriebene Magnetfelddetektor erreicht dies auch bei solchen Anwendungen mit den geometrisch geeignet angeordneten Magnetfeldsensoren und einem verbesserten Flächenverhältnis dadurch, dass gleichermaßen Mittel zur Feldverstärkung und zur Feldschwächung vorgesehen sind und gleichermaßen sowohl die maximale Feldverstärkung als auch Feldschwächung detektiert wird.

Die Erfindung wurde vorstehend insbesondere am Beispiel eines Biochips erläutert. Sie gilt aber in gleicher Weise für die allgemeine magnetische Sensorik im Rahmen technischer Anwendungen, wo beispielsweise schwache Magnetfelder genau lokalisiert und charakterisiert werden sollen. Als Beispiele wurde neben der Markierung von Objekten, z. B. Stäuben, auch die Notwendigkeit genannt, unmittelbar magnetische Mikropartikel zu charakterisieren, z. B. bei der Analyse von Korrosionsprodukten in Ölen.

Der beschriebene Magnetfelddetektor erreicht dies auch bei solchen Anwendungen mit den geometrisch geeignet angeordneten Magnetfeldsensoren und einem verbesserten Flächenverhältnis dadurch, dass gleichermaßen Mittel zur Feldverstärkung und zur Feldschwächung vorgesehen sind und gleichermaßen sowohl die maximale Feldverstärkung als auch Feldschwächung detektiert wird.


Anspruch[de]
Verfahren zur Charakterisierung eines lokalen Magnetfelds, mit folgenden Maßnahmen:

– Es wird eine Anordnung von Magnetfeld-Sensoren (5i) mit jeweils mindestens einer magnetfeldempfindlichen Schicht (3) im Bereich des Magnetfeldes verwendet, wobei

– zumindest in einem Teilbereich des Messareals eine Sensormatrix (7) aus mehreren Magnetfeld-Sensoren (5i) angeordnet wird,

– die Abmessungen der Magnetfeld-Sensoren (5i) bzw. die Abmessungen der magnetfeldempfindlichen Schicht (3) sowie das Rastermaß der Sensormatrix werden derart gewählt, dass wenigstens zwei Sensoren (5i) vom lokalen Magnetfeld beeinflusst werden,

– dabei erfolgt die Erzeugung des lokalen Magnetfeldes durch magnetische oder magnetisierbare Partikel (6) in einem derart geringen Abstand, dass das Streufeld der Partikel (6) auf wenigstens zwei Magnetfeldsensoren (5i) einwirken kann,

– das Auslesen des Messsignals eines jeden Magnetfeld-Sensors (5i) erfolgt separat, wobei

– aus den Messsignalen der einzelnen Magnetfeld-Sensoren (5i) durch Verrechnung der separat ausgelesenen Sensorsignale und der bekannten örtlichen Verteilung der Magnetfeld-Sensoren eine magnetische Feldverteilung bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass als Magnetsensoren XMR-Sensoren (5i), vorzugsweise GMR- oder TMR-Sensoren, verwendet werden. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einer Analysefläche (3) ein Sensorarray (7) von XMR-Sensoren (5i) zugeordnet wird und dass die Fläche der XMR-Sensoren (5i) und der gegenseitige Abstand (16) benachbarter Sensoren (5i) derart gewählt werden, dass die Fläche kleiner ist als die Projektionsfläche (11) magnetischen oder magnetisierbaren Partikels (6) und der gegenseitige Abstand der Sensoren (5i) kleiner ist als der Durchmesser eines Partikels (6). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein lineares Array verwendet wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweidimensionales Array als Teil einer vorgegebenen Matrixanordnung verwendet wird. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrixananordnung von Sensoren (5i) im Array so gewählt wird, dass von einem Partikel (6) ein Subarray (7a) von mehreren Sensoren (5i) beeinflusst wird. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Streufeld von Partikeln mit einem Durchmesser von 0,5 &mgr;m bis 2 &mgr;m detektiert wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verrechnung unter Einsatz mathematischer Faltungs-/Rückfaltungsmethoden erfolgt. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Computersimulation erfolgt. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über spezifische Rechenschritte mögliche Partikelbelegungen ermittelt und ausgewählt werden. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Abstand der Sensoren (5i) kleiner als ein Partikel (6) gewählt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Anwendung in der Biotechnologie unter Verwendung von Magnet-Beads (6) als magnetische oder magnetisierbare Partikel. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Analyseergebnis einer auf der Analysefläche (3) eines Biochips durchgeführten Analyse durch Detektion der Magnet-Beads (6) ausgelesen wird, Verfahren nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, gekennzeichnet in der Anwendung zur DNA-Analyse mittels Biochips. Verfahren nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, gekennzeichnet in der Anwendung zur Protein-Analyse mittels Biochips. Verfahren nach Anspruch 1 zur Verwendung in der Biotechnologie gemäß einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Analyseergebnis ausgelesen wird, indem

– die Magnetfeld-Sensoren (5i) mit jeweils mindestens einer magnetfeldempfindlichen Schicht (3) unterhalb der Analysefläche angeordnet werden,

– in Abhängigkeit der biologischen Fragestellung eine unterschiedlich große Zahl an Magnet-Beads (6) im Analysebereich immobilisiert werden, wobei

– die Abmessungen der Magnetfeld-Sensoren (5i) bzw. die Abmessungen der magnetfeldempfindlichen Schicht (3) sowie das Rastermaß der Sensormatrix derart gewählt werden, dass wenigstens zwei Sensoren (5i) vom lokalen Streufeld des Magnet-Beads (6) beeinflusst werden, und

– das Auslesen des Messsignals eines jeden Magnetfeld-Sensors (5i) separat erfolgt, wobei

– aus den Messsignalen der einzelnen Magnetfeld-Sensoren (5i) durch Verrechnung der separat ausgelesenen Sensorsignale und der bekannten örtlichen Verteilung der Magnetfeld-Sensoren (5i) die magnetische Feldverteilung bestimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 gekennzeichnet in der Anwendung bei der magnetischen Messtechnik. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (6) technische Eigenschaften von Substanzen erfasst werden. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Sensorareal (3) aus mehreren, jeweils mindestens eine magnetfeldempfindliche Schicht aufweisenden Magnetfeldsensoren (5i), die so mit Mitteln zum Auslesen von Sensorsignalen verschaltet sind, dass das Signal eines jeden Sensors (5i) unabhängig von anderen Sensoren (5i) auslesbar ist, wobei die Größe der Magnetfeldsensoren (5i) bzw. die Fläche der magnetfeldempfindlichen Schicht (3) und das Rastermaß der Sensoren (5i) so gewählt sind, dass wenigstens zwei benachbarte Sensoren (5i) vom lokalen Streufeld eines magnetischen oder magnetisierbaren Partikels bzw. Magnet-Beads (6) beeinflussbar sind. Vorrichtung nach Anspruch 19, welche als ein eine Analysefläche (3) aufweisender Biochip mit einem Sensorarray von XMR-Sensoren (5i) ausgebildet ist, wobei das Sensorarray (7) im Bereich der Analysefläche (3) angeordnet ist. Vorrichtung nach Anspruch 19, bei der die Fläche der XMR-Sensoren (5i) und der gegenseitige Abstand benachbarter Sensoren (5i) kleiner als 2 &mgr;m sind. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21, bei der zumindest ein Teil der XMR-Sensoren (5i) so ausgelegt sind, dass sie sowohl eine Feldverstärkung als auch eine Feldschwächung detektieren können. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensorareal ein lineares Array verwendet wird. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensorareal (3) ein zweidimensionales Array mit vorgegebener Matrixanordnung von XMR-Sensoren (5i) verwendet wird. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrixanordnung im Array so gewählt wird, dass die einzelnen XMR-Sensoren (5i) eine kleinere Fläche als die Projektion der Magnet-Beads (6) haben. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (16) der einzelnen XMR-Sensoren (5i) kleiner als ein Magnet-Bead (6) bzw. deren Projektion auf die Sensorfläche (3) ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die XMR-Sensoren (5i) eine ovale Umrissform aufweisen. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die XMR-Sensoren (5i) GMR-Sensoren sind. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die XMR-Sensoren (5i) TMR-Sensoren sind.






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