DE102006016334A1

DE102006016334A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Detektion magnetisierbarer Partikel

Info

Publication number: DE102006016334A1
Application number: DE200610016334
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr. Bangert
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Boehringer Ingelheim Vetmedica GmbH
Priority date: 2006-04-06
Filing date: 2006-04-06
Publication date: 2007-10-18
Anticipated expiration: 2026-04-07
Also published as: US20080014651A1; DE102006016334B4; US9091688B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion auf einem im Wesentlichen planebenen Aufnahmebereich (8) eines Substrats (3) immobilisierter magnetisierbarer Partikel, sog. Beads (2), bei dem ein im Aufnahmebereich vorhandenes Sensorarray (5) aus XMR-Sensoren (4) einem magnetischen Fremdfeld (13) ausgesetzt und eine durch ein Streufeld eines Beads bedingte Widerstandsänderung eines XMR-Sensors gemessen wird, wobei das Femdfeld erzeugt wird, indem durch eine auf dem Aufnahmebereich angeordnete Leiterbahn ein Gleichstrom geleitet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion auf einem Aufnahmebereich eines Substrats immobilisierter magnetisierbarer Partikel, sog. Beads. Die Immobilisierung erfolgt beispielsweise im Zuge eines Analyseverfahrens, etwa bei der Beobachtung biologischer Prozesse und Reaktionen im Bereich der pharmazeutischen Produktion und der medizinischen Versorgung oder bei der Aufklärung des genetischen Codes von Krebszellen oder Viren. Wird z.B. nach der Anwesenheit bestimmter DNA-Sequenzen in Geweben oder Körperflüssigkeiten gesucht, wird auf den Aufnahmebereich beispielsweise eines Bio-Chips eine Analytlösung appliziert, die diese DNA-Sequenzen enthält. Auf dem Aufnahmebereich sind synthetische, zu den gesuchten DNA-Sequenzen komplementäre DNA-Sequenzen immobilisiert. Bei einer ausreichenden Übereinstimmung in der Basensequenz findet eine Hybridisierungsreaktion statt, d.h. es kommt zu einer Bindung zwischen gesuchten und komplementären DNA-Sequenzen. Vor oder nach der Hybridisierungsreaktion wird an den biotinisierten Komplementen mit Hilfe einer Biotin-Streptavidin-Kopplung ein Bead fixiert, nicht gekoppelte Beads werden durch eine Spülung entfernt. Das Auslesen der stattgefundenen Hybridisierungsreaktionen erfolgt durch Detektion der Beads. Dazu wird der Aufnahmebereich mit einem Magnetfeld, im Folgenden Fremdfeld genannt, beaufschlagt. Dabei erzeugt das Bead als Reaktion auf das Fremdfeld ein lokal begrenztes Streufeld (depolarisierendes Feld), das mit Hilfe eines magnetoresistiven Sensors, eines sog. XMR-Sensors, detektiert wird. Um eine hohe Empfindlichkeit der XMR-Sensoren zu gewährleisten ist es erforderlich, das Fremdfeld bestmöglich auszunutzen. Ist beispielsweise das Fremdfeld parallel zur Sensorempfindlichkeit ausgerichtet, würde eine Verkippung oder Dejustierung eines Fremdfelds Komponenten der Beadreaktion bzw. des Streufelds erzeugen, die vom Sensor nicht detektiert werden können. Im Falle einer orthogonalen Ausrichtung von Fremdfeld und Sensorempfindlichkeit würde bereits eine kleine Verkippung Feldkomponenten in der Empfindlichkeitsrichtung ergeben, die von einer Beadreaktion nicht auf einfache Weise unterschieden werden können. XMR-Sensoren sind aus mehreren Materialschichten aufgebaut, beispielsweise aus einer ersten ferromagnetischen Schicht mit feststehender Magnetisierungsrichtung, einer zweiten ferromagnetischen Schicht mit variabler, d.h. von einem Fremdfeld beeinflussbarer Magnetisierungsrichtung und einer Zwischenschicht aus nicht-ferromagnetischem Material. Die Schichten sind aufgrund ihrer Erzeugung durch lithographische Prozesse und der Qualität der sie tragenden Oberflächen, insbesondere Substratoberflächen, planparallel zueinander ausgerichtet. Die Magnetisierungsrichtungen der ferromagnetischen Schichten verlaufen in der Planebene des XMR-Sensors bzw. in den Schichtebenen. Die Sensorempfindlichkeit verläuft exakt in der Schichtebene oder orthogonal dazu. Die Beeinflussung der variablen Schicht ist bei paralleler Ausrichtung des Fremdfeldes zur Schichtebene am größten. Entsprechendes gilt mutatis mutandis für XMR-Sensoren mit einer orthogonal zur ihrer Planebene orientierten Sensorempfindlichkeit. Herkömmlicherweise wird das Fremdfeld durch eine Spulenanordnung, beispielsweise ein Helmholtz-Spulenpaar, erzeugt, welche an dem Substrat mittels einer Hilfskonstruktion fixiert ist. Dabei ist eine Verkippung des Fremdfelds gegenüber dem XMR-Sensor, d.h. eine Abweichung von der parallelen oder orthogonalen Ausrichtung von Fremdfeld und Sensorempfindlichkeit trotz hohen Montage- und Justageaufwand kaum zu vermeiden. Hinzu kommt, dass das von einer Spule erzeugte Magnetfeld aufgrund von herstellungsbedingten Geometriefehlern von Haus aus nicht exakt homogen ist.
Davon ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine zu dessen Durchführung geeignete Vorrichtung vorzuschlagen, mit denen die aufgeführten Nachteile vermieden oder zumindest abgemildert werden können.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und durch eine Vorrichtung nach Anspruch 9 gelöst. Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird das die Beads anregende Fremdfeld dadurch erzeugt, dass durch eine auf dem Aufnahmebereich des Substrats angeordnete Leiterbahn ein Gleichstrom geleitet wird. Dementsprechend umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung eines Fremdfeldes eine auf dem Aufnahmebereich angeordnete, an eine Gleichstromquelle angeschlossene elektrische Leiterbahn. Durch diese Ausgestaltungen entfallen die eingangs erwähnten Fehlerquellen, nämlich die Fehlausrichtung einer Spulenanordnung und deren herstellungsbedingte Geometriefehler. Die genannte Leiterbahn kann zusammen mit einem XMR-Sensorarray beispielsweise auf eine planebene Montagefläche des Substrats aufgebracht sein, wodurch die Möglichkeit einer gegenseitigen Verkippung praktisch ausgeschlossen ist. Das sich um die Leiterbahn bei Stromfluss aufbauende Fremdfeld erstreckt sich exakt parallel zu der genannten Fläche des Substrats bzw. zur Planebene des XMR-Sensorarrays. Ein Parallelverlauf von Leiterbahn und Sensor bzw. Sensorarray ist ohne größere technische Schwierigkeiten zu bewerkstelligen, insbesondere dann, wenn eine oder mehrere Leiterbahnen zusammen mit einem XMR-Sensorarray auf einem gemeinsamen Flachträger oder auch direkt auf das Substrat beispielsweise mit aus der Chiptechnologie bekannten Verfahren aufgebracht werden.
Bei einer besonders bevorzugten Verfahrensvariante wird zur Erzeugung eines Fremdfeldes durch zumindest eine elektrisch leitende Schicht eines XMR-Sensors ein elektrischer Gleichstrom geleitet. Bei dieser Variante ist eine Fehlausrichtung von Fremdfeld und Sensorempfindlichkeit vollständig ausgeschlossen, da der XMR-Sensor und die ein Fremdfeld erzeugende Leiterbahn entweder identisch sind oder eine strukturelle Einheit bilden. Die elektrisch leitende Schicht kann Teil des XMR-Sensors oder eine separate, zur Sensorfunktion nicht beitragende separate Schicht sein. Ganz allgemein wird zur Bestimmung der durch ein Streufeld hervorgerufenen Widerstandsänderung eines XMR-Sensors durch diesen ein Gleichstrom geleitet. Bei einer bevorzugten Variante wird diese Maßnahme gleichzeitig zur Erzeugung des Fremdfeldes ausgenutzt, indem der XMR-Sensor mit einer Stromstärke beaufschlagt wird, die ausreicht, um ein sich in den Aufenthaltsbereich eines auf dem Aufnahmebereich immobilisierten Beads hinein erstreckendes Fremdfeld zu erzeugen. Damit sind praktisch keinerlei besondere Einrichtungen zur Erzeugung eines Fremdfeldes mehr erforderlich.
Das vorgeschlagene Verfahren lässt eine Vielzahl verschiedenster Designvarianten für XMR-Sensorarrays zu. So können XMR-Sensoren mit einer parallel zu ihrer Planebene orientierten Sensorempfindlichkeit verwendet werden, wobei die Immobilisierung der Beads an der Oberseite, also der dem Substrat abgewandten Seite eines XMR-Sensors erfolgt, weil dort das den XMR-Sensor umhüllende Fremdfeld im Wesentlichen in der Planebene des Sensors verläuft. Bei Verwendung von XMR-Sensoren mit einer orthogonal zu ihrer Planebene orientierten Sensorempfindlichkeit erfolgt dagegen die Immobilisierung von Beads an einem den XMR-Sensor flankierenden und vom Fremdfeld beaufschlagten Teil des Aufnahmebereichs. Dieser Anordnung liegt die Überlegung zugrunde, dass das von einem Bead ausge hende Streufeld in seinen seitlichen, also dem XMR-Sensor zugewandten Bereichen überwiegend orthogonale und damit vom XMR-Sensor detektierbare Feldkomponenten aufweist. Die Sensorempfindlichkeit wird bei einer besonders vorteilhaften Anordnung gesteigert, indem mit Hilfe zweier benachbarter XMR-Sensoren zwei sich in einem zwischen den Sensoren vorhandenen Bereich überlappende und eine Überlappungszone mit erhöhter Feldstärke bildende Fremdfelder erzeugt werden, wobei Beads in einem von der Überlappungszone beaufschlagten Teil des Aufnahmebereichs immobilisiert und XMR-Sensoren mit einer orthogonal zu ihrer Planebene orientierten Sensorempfindlichkeit verwendet werden. Eine Feldverstärkung im Überlappungsbereich kommt natürlich nur zustande, wenn die benachbarten XMR-Sensoren gegensinnig von Strom durchflossen sind. Bei einer ähnlichen Verfahrensvariante ist auf dem eine Leiterbahn flankierenden Teil des Aufnahmebereichs ein XMR-Sensor mit einer orthogonal zu seiner Planebene orientierten Sensorempfindlichkeit angeordnet, wobei auf dessen Oberseite Beads immobilisiert werden. Bevorzugt werden mit Hilfe zweier benachbarter gegensinnig gepolter Leiterbahnen zwei sich überlappende Fremdfelder erzeugt werden, wobei auf der Oberseite eines im Überlappungsbereich angeordneten XMR-Sensors Beads immobilisiert werden.
XMR-Sensoren die nur aus elektrisch leitenden Schichten aufgebaut sind, sind bei einer Widerstandsmessung im Wesentlichen längs ihrer Schichten von Strom durchflossen. Anders ist dies bei TMR-Sensoren, die neben elektrisch leitenden Außenschichten wenigstens eine elektrisch isolierende, als Tunnelbarriere wirkende Zwischenschicht aufweisen und bei einer Widerstandsmessung quer zu ihren Schichten von Strom durchflossen sind. Aufgrund der gestapelten Anordnung der genannten Schichten wird der Strom quer zu den Schichtebenen umgelenkt, so dass ein für den in Rede stehenden Zweck ausreichendes Fremdfeld in der gewünschten Richtung nicht entsteht. Für derartige Sensoren sieht eine Verfahrensvariante vor, dass zur Erzeugung eines Fremdfeldes ein Gleichstrom durch eine erste Außenschicht geleitet wird, der unabhängig von einem der Messung einer Widerstandsänderung dienenden Stromfluss durch den TMR-Sensor ist. Vorzugsweise wird ein TMR-Sensor mit einer parallel zu seiner Planebene orientierten Sensorempfindlichkeit verwendet, wobei eine Immobilisierung von Beads an der Oberseite der ersten Außenschicht folgt.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung sind zumindest ein Teil der XMR-Sensoren streifen- oder linienförmig ausgebildet. Die Sensoren können dabei so bemessen werden, dass in der Breite nur ein oder nur wenige Beads darauf Platz finden, was bei einer Breite von etwa 1 μm bis 20 μm und insbesondere von 2 μm bis 8 μm der Fall ist. Dieser Ausgestaltung liegt die Überlegung zugrunde, dass der im Sensor durch eine Bead-Belegung hervorgerufene Widerstandseffekt am größten ist, wenn möglichst viele Beads bzw. von diesen im XMR-Sensor bewirkte Widerstandsänderungen im Sinne einer Hintereinanderschaltung von Widerständen angeordnet sind. Dagegen wirken in Breitenrichtung des Sensors nebeneinander angeordnete Beads wie parallel geschaltete Widerstände, üben also nur einen geringen Effekt auf den XMR-Sensor aus. Eine geradlinige Ausrichtung der Sensoren, etwa mit paralleler Anordnung ist bevorzugt. Denkbar sind aber auch andere Anordnungen der Sensoren, beispielsweise in Form von konzentrischen Kreisen oder Spiralen.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind zur Detektion von Streufeldern TMR-Sensoren mit einer ersten und einer zweiten elektrisch leitenden Außenschicht und wenigstens einer eine Tunnelbarriere bildenden elektrisch isolierenden Zwischenschicht vorgesehen, wobei eine erste Außenschicht eine Leiterbahn bildet und in einen Gleichstromkreis eingebunden ist, der getrennt von einem zur Widerstandsmessung dienenden Auswertestromkreis ist. Durch die Trennung ist gewährleistet, dass der Auswertestromkreis unabhängig von dem zur Erzeugung des Fremdfeldes dienenden Gleichstromkreis ist und als Gleich- oder Wechselstromkreis ausgestaltet sein kann.
Bei einer mit TMR-Sensoren ausgestatteten Vorrichtung ist es vorteilhaft, wenn eine erste, streifen- oder linienförmig ausgebildete Außenschicht mit mehreren jeweils voneinander getrennten Zwischenschichten und zweiten Außenschichten verbunden ist. Eine Immobilisierung von Beads erfolgt dabei an der Oberseite der Außenschicht, und zwar jeweils im Bereich einer Zwischenschicht. Eine Weiterbildung dieser Ausgestaltung sieht vor, dass mehrere erste und zweite, jeweils streifen- oder linienförmig ausgebildete und parallel zueinander verlaufende Außenschichten vorhanden sind, wobei die ersten Außenschichten die zweiten Außenschichten kreuzen und an den Kreuzungspunkten jeweils eine Zwischenschicht vorhanden ist. Hier erfolgt eine Immobilisierung von Beads jeweils an den Kreuzungspunkten, und zwar an der ersten, also der zur Erzeugung eines Fremdfeldes dienenden Außenschicht.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Vorrichtung zur Detektion von magnetisierbaren Partikeln, umfassend ein Substrat und ein darauf angeordnetes Sensorarray,
2 ein Detail des Sensorarrays von 1 in schematischer, perspektivischer Darstellung,
3 einen schematischen Schnitt gemäß Linie III-III in 2,
4 eine Draufsicht in Richtung des Pfeils IV in 1 auf eine Vorrichtung, wobei jedoch ein alternativ gestaltetes Sensorarray vorhanden ist,
5 eine schematische Schnittdarstellung entsprechend Linie IV-IV in 4,
6 eine 4 entsprechende Ansicht eines Sensorarrays mit gegenüber 4 abgewandelter Ausgestaltung,
7 einen schematischen Querschnitt entsprechend Linie VII-VII in 6,
8 eine schematische perspektivische Darstellung eines TMR-Sensors,
9 einen schematischen perspektivischen Ausschnitt aus einem aus TMR-Sensoren gebildeten Sensorarray,
10 eine schematische, perspektivische Ansicht eines gegenüber 9 abgewandelten Sensorarrays.
Die in 1 gezeigte Vorrichtung 1 zur Detektion von Beads 2 umfasst ein Substrat 3 und ein aus mehreren XMR-Sensoren 4 gebildetes Sensorarray 5. Das Substrat 3 weist eine planebene Montagefläche 6 auf, auf welcher XMR-Sensoren 4 fixiert sind. Auf die Montagefläche 6 ist weiterhin eine Schutzschicht 7 aufgebracht, in welcher das Sensorarray 5 eingebettet ist. Die Schutzschicht 7 dient der elektrischen Isolation und der Abschirmung gegenüber Umwelteinflüssen. Außerdem ist sie so ausgestaltet, dass sie als Aufnahmebereich 8 dienen kann und sich für die Immobilisierung von Bio-Molekülen, insbesondere von DNA-Strängen eignet. Eine Schutzschicht 7 ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Der Sensorarrays 5 enthaltende Bereich des Substrats 3 bzw. der Montagefläche 6 bildet einen Aufnahmebereich 8 für Beads 2, wobei diese jedoch, wie weiter unten noch gezeigt wird, an unterschiedlichen Teilbereichen des Aufnahmebereichs 8 fixiert bzw. immobilisiert werden können. Bei der Vorrichtung von 2 sind beispielsweise GMR-Sensoren vorhanden, welche beispielsweise eine nicht ferromagnetische elektrisch leitende Zwischenschicht 9 aus Kupfer, Ruthenium, Osmium oder dergleichen aufweisen, wobei die Zwischenschicht 9 zwischen zwei ferromagnetischen Schichten 10 etwa aus NiFe. Eine ferromagnetische Schicht 10 weist eine feststehende und die andere Schicht eine durch ein äußeres Magnetfeld bzw. Fremdfeld 13 beeinflussbare Magnetisierungsrichtung auf. Um eine Detektion von Beads 2 zu ermöglichen, muss der Aufnahmebereich 8 von einem Fremdfeld 13 beaufschlagt sein. Das Fremdfeld 13 wird nun nicht durch eine mittels einer Hilfskonstruktion an der Vorrichtung 1 fixierte Spulenanordnung erzeugt, sondern durch wenigstens eine im Aufnahmebereich 8 angeordnete Leiterbahn 14. Die Leiterbahn 14 ist dabei als Teil eines Gleichstromkreises 15 an eine Gleichstromquelle 11 angeschlossen. Der Stromfluss durch den XMR-Sensor dient einerseits zur Widerstandsmessung und andererseits zur Erzeugung eines Fremdfeldes 13 3). Die Stromstärke ist so gewählt, dass die stromdurchflossene Leiterbahn 14 ein Fremdfeld 13 erzeugt, das sich in den Aufenthaltsbereich eines Beads 2 hineinerstreckt. Ein Bead 2 hat eine Größe beispielsweise von 1-2 μm und besteht z.B. aus einer Styrolmatrix, in der ferromagnetische Partikel eingelagert sind. Die XMR-Sensoren 4 sind streifen- oder linienförmig ausgebildet und weisen eine Breite von beispielsweise 5 μm auf. Damit am Ort eines Beads 2 ein ausreichend starkes, d.h. eine messbare Widerstandsänderung im XMR-Sensor bewirkendes Streufeld 17 herrscht, ist beispielsweise bei einem GMR-Sensor mit einer Breite von 5 μm ein Strom von 10 mA erforderlich. Dieser erzeugt in einem Abstand von etwa 200 nm über der Sensoroberfläche ein Fremdfeld von 1 kA/m. Im Falle des Ausführungsbeispiels gemäß 1 bis 3 erfolgt die Immobilisierung eines Beads 2 an der Oberseite 18 des XMR-Sensors oder, wie in 1 dargestellt, an der Oberseite 19 der den XMR-Sensor 4 überdeckenden Schutzschicht 7. Das den XMR-Sensor 4 bzw. die durch diesen gebil dete Leiterbahn 14 einhüllende Fremdfeld 13 ist in 3 vereinfacht dargestellt. Der ein an der Oberseite 18 des XMR-Sensors 4 angeordnetes Bead 2 durchsetzende Bereich des Fremdfeldes 13 ist im Wesentlichen parallel zur Planebene des XMR-Sensors 4 ausgerichtet. Das sich am Ort des Beads 2 bildende Streufeld 17, das ebenfalls vereinfacht dargestellt ist, durchsetzt den XMR-Sensor 4 mit im wesentlichen paralleler Ausrichtung zu dessen Planebene. Der XMR-Sensor 4 weist eine parallel zu seiner Planebene orientierte Sensorempfindlichkeit auf. Die XMR-Sensoren 4 sind mit seitlichem Abstand geradlinig und parallel zueinander ausgerichtet. Denkbar sind aber auch andere Formgestaltungen. So können auf der Montagefläche 6 XMR-Sensoren in Form konzentrischer Kreise oder in Form von Spiralen vorhanden sein.
In 4 und 5 ist ein Sensorarray 5a gezeigt, bei welchem XMR-Sensoren 4a mit einer orthogonal zu ihrer Planebene orientierten Sensorempfindlichkeit verwendet werden. Die XMR-Sensoren 4a sind streifenförmig ausgebildet und in paralleler Anordnung mit seitlichem Abstand auf die Montagefläche 6 des Substrats aufgebracht. Benachbarte XMR-Sensoren 4a sind gegensinnig gepolt und seitlich soweit voneinander beabstandet, dass sich ihre Fremdfelder 13 in einem zwischen den XMR-Sensoren 4a vorhandenen Teil 20 des Aufnahmebereichs 8 überlappen. Für die Immobilisierung von Beads 2 ist dabei der sich zwischen den XMR-Sensoren 4a befindliche Überlappungsbereich 21 der Fremdfelder 13 vorgesehen. Das durch das Bead 2 hervorgerufene Streufeld 17a erstreckt sich mit seinen seitlichen Außenbereichen in die XMR-Sensoren 4a hinein und durchdringt diese mit im Wesentlichen orthogonaler Ausrichtung. Dies führt in den eine orthogonal zu ihrer Planebene orientierte Empfindlichkeit aufweisenden XMR-Sensoren 4a zu einer Widerstandsänderung.
In 6, 7 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei welchem zwar ebenfalls XMR-Sensoren 4a mit einer orthogonalen Sensorempfindlichkeit vorhanden sind. Zur Erzeugung von Fremdfeldern 13 sind jedoch separate elektrische Leiterbahnen 14 auf der Montagefläche 6 aufgebracht. Die Leiterbahnen 14, die geradlinig und parallel zueinander verlaufen, sind so weit voneinander beabstandet, dass sich die Fremdfelder 13 zweier benachbarter und gegensinnig gepolter Leiterbahnen 14 in einem zwischen ihnen befindlichen Überlappungsbereich 21 überlappen. In diesem Bereich, in dem die sich überlappenden Fremdfelder 13 orthogonal zur Montagefläche 6 des Substrats 3 bzw. zur Planebene des Sensorarrays 5b ausgerichtet sind, ist ein XMR-Sensor 4b mit orthogonal orientierter Sensorempfindlichkeit angeordnet. Wie bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel auch, ist im Überlappungsbereich 21 das magnetische Feld im Vergleich zu den einzelnen Fremdfeldern 13 verstärkt. Dementsprechend stärker sind das resultierende Streufeld 17b und die Widerstandsänderung der XMR-Sensoren 4b. Als Sensoren mit orthogonaler Sensorempfindlichkeit können beim vorliegenden und auch bei den übrigen Ausführungsbeispielen beispielsweise aus DE 100 36 356 C2 bekannte Sensoren verwendet werden.
Die oben beschriebenen XMR-Sensoren, die gleichzeitig als Leiterbahnen 14 zur Erzeugung eines Fremdfeldes 13 dienen, sind ausschließlich aus elektrisch leitenden Schichten aufgebaut. Dagegen weisen TMR-Sensoren wenigstens eine elektrisch isolierende, als Tunnelbarriere dienende Schicht auf, die bei einfachstem Aufbau zwischen zwei elektrisch leitenden Außenschichten eingeschlossen sind. Ein solcher Sensor wird zur Widerstandsmessung nicht längs zu seinen Schichten, sondern quer dazu von Strom durchflossen. Wie weiter oben schon erwähnt, kann dieser Strom nicht so weit gesteigert werden, dass sich damit ein ausreichendes Fremdfeld erzeugen lässt.
Es wird dazu, wie der Prinzipdarstellung nach 8 zu entnehmen ist, durch eine Außenschicht 22 eines XMR-Sensors ein separater, ausschließlich der Fremdfelderzeugung dienender Strom geleitet. Dazu ist die Außenschicht 22 als Teil eines Gleichstromkreises 25 an eine Gleichstromquelle 11 angeschlossen, wobei der Gleichstromkreis 25 elektrisch getrennt ist von einem der Widerstandsmessung dienenden Auswertestromkreis 27. Aufgrund der elektrischen Trennung kann der Auswertestromkreis insbesondere hinsichtlich Stromstärke und Signalform (Gleichstrom, Wechselstrom, Stromimpulse) unabhängig vom Gleichstromkreis 25 ausgebildet werden. Das die eine Leiterbahn 14 bildende Außenschicht umhüllende Fremdfeld (in 8 nicht dargestellt) hat eine Form etwa wie bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen, verläuft dementsprechend auf der Oberseite 18 des TMR-Sensors 23 im Wesentlichen parallel zu dessen Planebene. Der Sensor muss daher eine parallel zu seiner Planebene orientierte Empfindlichkeit aufweisen.
Es wäre nun denkbar, ein Sensorarray aus einer Vielzahl der in 8 gezeigten Sensoren aufzubauen. Um jedoch Sensorempfindlichkeit zu erhöhen, sind streifen- oder linienförmige Ausgestaltungen bevorzugt. Bei dem in 9 gezeigten Ausführungsbeispiel weisen mehrere in einer Reihe und mit Abstand zueinander angeordnete TMR-Sensoren 23a, 23b eine gemeinsame, streifenförmig ausgebildete Außenschicht 22a auf. Auf die dem Substrat (in 9 nicht dargestellt) zugewandte Unterseite der Außenschicht 22 sind mehrere, als Tunnelbarriere dienende Zwischenschichten 24 und Außenschichten 26 aufgebracht. Zur Erzeugung eines Fremdfeldes 13 (in 8 nicht angedeutet) ist die Außenschicht 22 in einen Gleichstromkreis 25a eingeschaltet. Ein sich bei Bestromung der Außenschicht 22 bildendes Fremdfeld ist im Bereich der Oberseite 18 der Außenschicht 22 im Wesentlichen parallel zu die ser ausgerichtet. Ein durch die Anwesenheit eines Beads 2 hervorgerufenes Streufeld (in 8 nicht angedeutet) ist auf der zu einem TMR-Sensor 23a, 23b weisenden Seite des Beads 2 ebenfalls im Wesentlichen parallel zur Außenschicht 22 ausgerichtet. Für die in Rede stehende Ausgestaltung eines Sensorarrays sind daher XMR-Sensoren mit einer parallel zu ihrer Planfläche orientierten Sensorempfindlichkeit zu verwenden. Zur Widerstandsmessung ist jeder TMR-Sensor 23a, 23b in einen als Gleichstromkreis ausgebildeten Auswertestromkreis 27 eingebunden bzw. an eine Gleichstromquelle 29 angeschlossen. Zur Bildung eines Sensorarrays können mehrere XMR-Sensoren 23 gem. 9 parallel nebeneinander angeordnet werden.
Bei dem in 10 gezeigten Ausführungsbeispiel sind neben den Außenschichten 22 auch die zweiten Außenschichten 26a vergrößert, nämlich streifen- oder linienförmig verlängert. Die parallel und mit seitlichem Abstand zueinander angeordneten Außenschichten 22 kreuzen die ebenfalls parallel und mit seitlichem Abstand angeordneten Außenschichten 26a, 26b. An den Kreuzungspunkten 28 sind die Außenschichten jeweils durch eine als Tunnelbarriere dienende Zwischenschicht 24 voneinander getrennt. Die Außenschichten 22 sind, wie in 9 für die Außenschicht 22a gezeigt ist, Teil eines Gleichstromkreises 25. Bei Stromfluss bildet sich ein die Außenschichten 22 umhüllendes Fremdfeld (in 9 nicht verdeutlicht). Als Orte für die Immobilisierung von Beads 2 dienen die Kreuzungspunkte 28. Das Fremdfeld der Außenschicht 22 erstreckt sich in den Aufenthaltsbereich eines Beads 2 hinein. Das durch ein Bead 2 hervorgerufene Streufeld (in 9 nicht gezeigt) ruft im Bereich der in den Kreuzungspunkten 28 gebildeten Einzelsensoren 23a-d eine Widerstandsänderung hervor. Auch hier sind zur Bead-Detektion TMR-Sensoren mit einer parallelen Sensorempfindlichkeit erforderlich. Zur Widerstandsmes sung werden die Kreuzungspunkte 28, wie in 9 im Falle der Kreuzungspunkte 28a, 28b gezeigt, mit einem Strom I₁ bzw. I_n beaufschlagt.

Claims

Verfahren zur Detektion auf einem im Wesentlichen planebenen Aufnahmebereich (8) eines Substrats (3) immobilisierter magnetisierbarer Partikel, sog. Beads (2), bei dem ein im Aufnahmebereich vorhandenes Sensorarray (5) aus XMR-Sensoren (4) einem magnetischen Fremdfeld (13) ausgesetzt, und eine durch ein Streufeld eines Beads bedingte Widerstandsänderung eines XMR-Sensors gemessen wird, wobei das Fremdfeld erzeugt wird, indem durch eine auf dem Aufnahmebereich (8) angeordnete Leiterbahn (14) ein Gleichstrom geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zur Erzeugung eines Fremdfeldes (13) durch zumindest eine elektrisch leitende Schicht eines XMR-Sensors (4, 23) ein elektrischer Gleichstrom geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem zur Bestimmung einer Widerstandsänderung eines XMR-Sensors (4) dieser mit einer Stromstärke beaufschlagt wird, die ein sich in den Aufenthaltsbereich eines Beads (2) hineinerstreckendes Fremdfeld erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem ein XMR-Sensor (4) mit einer parallel zu seiner Planebene orientierten Sensorempfindlichkeit verwendet wird, wobei die Immobilisierung der Beads (2) an der Oberseite (18) des XMR-Sensors erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem ein XMR-Sensor (4a) mit einer orthogonal zu seiner Planebene orientierten Sensorempfindlichkeit verwendet wird, wobei die Immobilisierung der Beads (2) in einem den XMR-Sensor (4) flankierenden Teil (20) des Aufnahmebereichs (8) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem mit Hilfe zweier benachbarter gegensinnig gepolter XMR-Sensoren (4a) zwei sich überlappende Fremdfelder (13) erzeugt werden, wobei Beads (2) in einem von der Überlappungszone (21) beaufschlagten Teil des Aufnahmebereichs (8) immobilisiert und XMR-Sensoren (4a) mit einer orthogonal zu ihrer Planebene orientierten Sensorempfindlichkeit verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem in einem eine Leiterbahn (14) flankierenden Teil (20) des Aufnahmebereichs (8) ein XMR-Sensor (4b) mit einer orthogonal zu seiner Planebene orientierten Sensorempfindlichkeit angeordnet und auf dessen Oberseite (18) Beads (2) immobilisiert werden.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem mit Hilfe zweier benachbarter gegensinnig gepolter Leiterbahnen (14) zwei sich überlappende Fremdfelder (13) erzeugt werden, wobei auf der Oberseite (18) eines im Überlappungsbereich (21) angeordneten XMR-Sensors (4b) Beads (2) immobilisiert werden.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem ein TMR-Sensor (3) mit einer ersten und einer zweiten elektrisch leitenden Außenschicht (22, 26) sowie einer als Tunnelbarriere dienenden elektrisch isolierenden Zwischenschicht (24) verwendet wird und zur Erzeugung eines Fremdfeldes durch die erste Außenschicht (22) ein Gleichstrom geleitet wird, der unabhängig von einem zur Messung einer Widerstandsänderung durch den TMR-Sensor geleiteten Strom ist.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem ein TMR-Sensor (23) mit einer parallel zu seiner Planebene orientierten Sensorempfindlichkeit verwendet wird und eine Immobilisierung von Beads an der Oberseite der ersten Außenschicht erfolgt.
Vorrichtung zur Detektion magnetisierbarer Partikel, sog. Beads (2), mit einem auf einem Substrat (3) angeordneten, zur Immobilisierung der Beads dienenden Aufnahmebereich (8), welcher wenigstens ein aus XMR-Sensoren (4, 23) gebildetes Sensorarray (5) umfasst, und mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines ein Streufeld (17) in den Beads (2) hervorrufenden Fremdfeldes (13), wobei die Einrichtung eine auf dem Aufnahmebereich (8) angeordnete, an eine Gleichstromquelle (11, 29) angeschlossene elektrische Leiterbahn (14) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der wenigstens ein XMR-Sensor (4) als Leiterbahn (14) dient.
Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der zumindest ein Teil der XMR-Sensoren streifen- oder linienförmig ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der XMR-Sensoren (4) in paralleler Ausrichtung mit Abstand nebeneinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 12, 13 oder 14, bei der die XMR-Sensoren eine parallel zu ihrer Planebene orientierte Sensorempfindlichkeit aufweisen, wobei zur Immobilisierung von Beads (2) die Oberseite (18) eines XMR-Sensors (4, 23) dient.
Vorrichtung nach Anspruch 12, 13 oder 14, bei der XMR-Sensoren (4) eine orthogonal zu ihrer Planebene orientierte Sensorempfindlichkeit aufweisen, wobei zur Immobilisierung der Beads (2) ein den XMR-Sensor flankierender Teil des Aufnahmebereichs (8) dient.
Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der zwei mit seitlichem Abstand benachbarte XMR-Sensoren (4a) mit gegensinniger Polung an eine Gleichstromquelle angeschlossen sind, wobei zur Immobilisierung der Beads der zwischen den XMR-Sensoren (4a) vorhandene Teil des Aufnahmebereichs (8) dient.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der in einem eine Leiterbahn (14) flankierenden Teil (20) des Aufnahmebereichs (8) ein XMR-Sensor (4b) mit einer orthogonal zu seiner Planebene orientierten Sensorempfindlichkeit angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 18, bei der der XMR-Sensor (4b) von zwei gegensinnig gepolten Leiterbahnen (14) flankiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der zur Detektion von Streufeldern (17) wenigstens ein TMR-Sensor (23) mit einer ersten und einer zweiten elektrisch leitenden Außenschicht (22, 26) und wenigstens einer eine Tunnelbarriere bildenden elektrisch isolierenden Zwischenschicht (24) vorhanden ist, wobei eine erste Außenschicht (22) eine Leiterbahn (14) bildet und in einen Gleichstromkreis (25) eingebunden ist, der getrennt von einem zur Widerstandsmessung des TMR-Sensors dienenden Auswertestromkreis (27) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 20, bei der der Auswertestromkreis ein Gleichstromkreis ist.
Vorrichtung nach Anspruch 20, bei der der Auswertestromkreis ein Wechselstromkreis ist.
Vorrichtung nach Anspruch 20, 21 oder 22, bei der mit einer ersten, streifen- oder linienförmig ausgebildeten Außen schicht (22a) mehrere Zwischenschichten (24) und zweite Außenschichten (26) verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 20, 21 oder 22, bei der mehrere erste und zweite, jeweils streifen- oder linienförmig ausgebildete und parallel zueinander verlaufende Außenschichten (22, 26) vorhanden sind, wobei die ersten Außenschichten (22) die zweiten Außenschichten (26) kreuzen und an den Kreuzungspunkten (28) jeweils eine Zwischenschicht (24) vorhanden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der ein XMR-Sensor (4) bzw. eine Außenschicht (22, 26) eines TMR-Sensors (23) eine Breite von 1 μm bis 20 μm aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 25, bei der die erwähnte Breite im Bereich von 2 μm bis 8 μm liegt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche als Bio-Chip ausgebildet ist.