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特表2023-533067ナノスケール磁場センサを用いる単一分子、リアルタイム、無標識動的バイオセンシング
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-08-01
(54)【発明の名称】ナノスケール磁場センサを用いる単一分子、リアルタイム、無標識動的バイオセンシング
(51)【国際特許分類】
G01N 27/72 20060101AFI20230725BHJP
G01N 33/543 20060101ALI20230725BHJP
C12N 15/11 20060101ALN20230725BHJP
【ＦＩ】
G01N27/72
G01N33/543 541A
C12N15/11 Z
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023501384
(86)(22)【出願日】2021-07-08
(85)【翻訳文提出日】2023-01-25
(86)【国際出願番号】 US2021040767
(87)【国際公開番号】W WO2022011067
(87)【国際公開日】2022-01-13
(31)【優先権主張番号】62/705,639
(32)【優先日】2020-07-08
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】591003013
【氏名又は名称】エフ． ホフマン－ラ ロシュ アーゲー
【氏名又は名称原語表記】Ｆ． ＨＯＦＦＭＡＮＮ－ＬＡ ＲＯＣＨＥ ＡＫＴＩＥＮＧＥＳＥＬＬＳＣＨＡＦＴ
(71)【出願人】
【識別番号】504056130
【氏名又は名称】ウェスタン デジタル テクノロジーズ インコーポレーテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100118902
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 修
(74)【代理人】
【識別番号】100106208
【弁理士】
【氏名又は名称】宮前 徹
(74)【代理人】
【識別番号】100196508
【弁理士】
【氏名又は名称】松尾 淳一
(74)【代理人】
【識別番号】100138759
【弁理士】
【氏名又は名称】大房 直樹
(72)【発明者】
【氏名】トポランチク，ユライ
(72)【発明者】
【氏名】ブラガンカ，パトリック
(72)【発明者】
【氏名】アスティエ，ヤン
(72)【発明者】
【氏名】シン，ソン－ホ
(72)【発明者】
【氏名】マイジク，ゾルト
【テーマコード（参考）】
2G053
【Ｆターム（参考）】
2G053AA04
2G053AB01
2G053BA08
2G053BB08
2G053CA06
2G053CA18
2G053DA01
2G053DB01
(57)【要約】
本明細書では、磁気センサおよび磁性粒子（ＭＮＰ）を使用して単一分子生物学的プロセスを監視するための装置、システム、および方法が開示される。ＭＮＰは、バイオポリマー（例えば、核酸、タンパク質など）に結合され、ＭＮＰの動きは、磁気センサを使用して検出および／または監視される。ＭＮＰは、小さく（例えば、そのサイズは、監視されている分子のサイズに匹敵する）、バイオポリマーにテザリングされているため、溶液中のＭＮＰのブラウン運動の容積の変化が監視されて、ＭＮＰの動き、および推測により、テザリングされたバイオポリマーの動きを監視することができる。磁気センサは、小さく（例えば、ナノスケールであるか、またはＭＮＰおよびバイオポリマーのサイズ程度のサイズを有する）、磁気センサの検知領域内のＭＮＰの位置の小さな変化さえも検出するために使用することができる。
【選択図】図２０
【選択図】図２０
【特許請求の範囲】
【請求項1】
検知領域を有する磁気センサ（１０５）を使用して単一分子生物学的プロセスを監視するための方法（３００）であって、前記磁気センサによって検知された結合部位にバイオポリマーを結合すること（３０４）と、
磁性粒子を前記バイオポリマーに結合すること（３０６）と、
第１の検出期間中および第２の検出期間中に前記磁気センサからの信号を取得すること（３０８）と、
前記第１の検出期間と前記第２の検出期間との間の前記信号の変化に基づいて、前記磁性粒子の動きを検出すること（３１０）と
を含む、方法。
【請求項2】
前記磁性粒子が磁性ナノ粒子である、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記磁性粒子が超常磁性である、請求項１に記載の方法。
【請求項4】
前記磁性粒子のサイズが約５ｎｍ未満である、請求項１に記載の方法。
【請求項5】
前記磁性粒子が、酸化鉄（ＦｅＯ）、Ｆｅ３Ｏ４、またはＦｅＰｔを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項6】
前記バイオポリマーが核酸またはタンパク質である、請求項１に記載の方法。
【請求項7】
前記信号が、電流、電圧、または抵抗を伝達する、請求項１に記載の方法。
【請求項8】
前記信号が、検出された磁場を伝達する、請求項１に記載の方法。
【請求項9】
前記第１の検出期間と前記第２の検出期間との間の前記信号の前記変化に基づいて、前記磁性粒子の前記動きを検出することが、前記第１の検出期間に対応する前記信号の一部の第１の自己相関を取得することと、
前記第２の検出期間に対応する前記信号の一部の第２の自己相関を取得することと、
前記第１の自己相関と前記第２の自己相関との間の少なくとも１つの差を識別することと
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項10】
前記信号をサンプリングすることをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項11】
前記第１の検出期間と前記第２の検出期間とが重ならない、請求項１に記載の方法。
【請求項12】
前記信号がノイズを伝達する、請求項１に記載の方法。
【請求項13】
前記ノイズが周波数ノイズまたは位相ノイズである、請求項１２に記載の方法。
【請求項14】
前記信号が、前記磁気センサの発振周波数を伝達する、請求項１に記載の方法。
【請求項15】
前記信号をサンプリングすることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項16】
前記磁気センサが磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項17】
前記磁気センサがスピントルク発振子（ＳＴＯ）を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項18】
前記磁気センサがスピンバルブを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項19】
前記磁気センサの検知領域の容積が約１０５ｎｍ３から約５×１０５ｎｍ３の間である、請求項１に記載の方法。
【請求項20】
前記結合部位が、検出システムの流体チャンバ内に位置し、前記流体チャンバに溶液を添加することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項21】
前記流体チャンバに前記溶液を添加することが、前記第１の検出期間と前記第２の検出期間との間に行われる、請求項２０に記載の方法。
【請求項22】
前記溶液がＭｇ２＋イオンを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項23】
前記溶液が、少なくとも１つのバイオマーカーを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項24】
前記磁性粒子に磁場を印加することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項25】
前記第１の検出期間と前記第２の検出期間との間の前記信号の前記変化に基づいて、前記磁性粒子の前記動きを検出することが、少なくとも１つのローレンツ関数を決定することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項26】
第３の検出期間中に前記磁気センサから前記信号を取得することをさらに含み、前記第３の検出期間が、前記磁性粒子が前記検知領域の外側にある間に行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項27】
前記第３の検出期間中に検出された前記信号を使用して前記磁気センサのノイズパワースペクトル密度（ＰＳＤ）を決定することをさらに含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項28】
コーナー周波数を特徴とするローレンツ関数を決定することをさらに含み、前記ローレンツ関数と前記磁気センサの前記ノイズＰＳＤとの合計が、前記第１の検出期間中または前記第２の検出期間中の前記磁気センサからの前記信号のＰＳＤにほぼ等しい、請求項２７に記載の方法。
【請求項29】
第１のコーナー周波数を特徴とする第１のローレンツ関数を決定することであって、前記第１のローレンツ関数と前記磁気センサの前記ノイズＰＳＤとの合計が、前記第１の検出期間中の前記磁気センサからの前記信号の第１のＰＳＤにほぼ等しい、第１のローレンツ関数を決定することと、第２のコーナー周波数を特徴とする第２のローレンツ関数を決定することであって、前記第２のローレンツ関数と前記磁気センサの前記ノイズＰＳＤとの合計が、前記第２の検出期間中の前記磁気センサからの前記信号の第２のＰＳＤにほぼ等しい、第２のローレンツ関数を決定することと、
前記第１のコーナー周波数が前記第２のコーナー周波数と異なることに基づいて、生物学的プロセスが生じたと結論付けることと
をさらに含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項30】
前記生物学的プロセスが、バイオマーカーが前記バイオポリマーに結合することを含み、前記第２の検出期間が、複数のバイオマーカーを含む複合生物学的溶液の添加に続き、前記第１のコーナー周波数が前記第２のコーナー周波数よりも大きい、請求項２９に記載の方法。
【請求項31】
第１のコーナー周波数を特徴とする第１のローレンツ関数を決定することであって、前記第１のローレンツ関数が、前記第１の検出期間中の前記磁性粒子の動きに起因する第１のノイズＰＳＤを表す、第１のローレンツ関数を決定することと、第２のコーナー周波数を特徴とする第２のローレンツ関数を決定することであって、前記第２のローレンツ関数が、前記第２の検出期間中の前記磁性粒子の動きに起因する第２のノイズＰＳＤを表す、第２のローレンツ関数を決定することと
をさらに含み、
前記第１の検出期間と前記第２の検出期間との間の前記信号の前記変化に基づいて、前記磁性粒子の前記動きを検出することが、前記第１のコーナー周波数と前記第２のコーナー周波数との間の差を識別することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項32】
前記第２の検出期間が、複数のバイオマーカーを含む複合生物学的溶液の添加に続き、前記第１のコーナー周波数が前記第２のコーナー周波数よりも大きい、請求項３１に記載の方法。
【請求項33】
バイオポリマー（１０１）に結合された磁性粒子（１０２）の動きを監視するためのシステム（１００）であって、一度に１つ以下のバイオポリマーを保持するための結合部位（１１６）を含む流体チャンバ（１１５）であって、前記結合部位が、前記バイオポリマーの端部を前記流体チャンバの表面（１１７）に結合させ、かつ前記磁性粒子が動くことを可能にするように構成される、流体チャンバ（１１５）と、
少なくとも１つのプロセッサ（１３０）と、
前記流体チャンバ内に検知領域（２０６）を有する磁気センサ（１０５）であって、前記検知領域が、前記結合部位を含むが他の結合部位を含まず、前記磁気センサが、前記検知領域内の磁気環境を特徴付ける信号（２０７）を生成し、前記信号を前記少なくとも１つのプロセッサに提供するように構成される、磁気センサと
を備え、
前記少なくとも１つのプロセッサが、
前記信号の第１の部分を取得することであって、前記信号の前記第１の部分が、第１の検出期間中の前記検知領域内の前記磁気環境を表す、前記信号の第１の部分を取得することと、
前記信号の第２の部分を取得することであって、前記信号の前記第２の部分が、第２の検出期間中の前記検知領域内の前記磁気環境を表し、前記第２の検出期間は前記第１の検出期間の後である、前記信号の第２の部分を取得することと、
前記信号の前記第１の部分および前記信号の前記第２の部分を分析して、前記磁性粒子の動きを検出することと
を行うように構成される、システム。
【請求項34】
前記信号が、電流、電圧、または抵抗を伝達する、請求項３３に記載のシステム。
【請求項35】
前記信号がノイズを伝達する、請求項３３に記載のシステム。
【請求項36】
前記ノイズが周波数ノイズまたは位相ノイズである、請求項３５に記載のシステム。
【請求項37】
前記信号が、前記磁気センサの発振周波数を伝達する、請求項３３に記載のシステム。
【請求項38】
前記磁気センサが磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を備える、請求項３３に記載のシステム。
【請求項39】
前記磁気センサがスピントルク発振子（ＳＴＯ）を備える、請求項３３に記載のシステム。
【請求項40】
前記磁気センサがスピンバルブを備える、請求項３３に記載のシステム。
【請求項41】
前記検知領域の容積が約１０５ｎｍ３から約５×１０５ｎｍ３の間である、請求項３３に記載のシステム。
【請求項42】
前記少なくとも１つのプロセッサが、前記信号の前記第１の部分の第１の自己相関関数を決定し、かつ
前記信号の前記第２の部分の第２の自己相関関数を決定する
ようにさらに構成され、
前記信号の前記第１の部分および前記信号の前記第２の部分を分析して前記磁性粒子の動きを検出することが、前記第１の自己相関関数を前記第２の自己相関関数と比較することを含む、請求項３３に記載のシステム。
【請求項43】
前記磁気センサおよび前記少なくとも１つのプロセッサに結合された検出回路をさらに備える、請求項３３に記載のシステム。
【請求項44】
前記検出回路が、少なくとも１つのラインを備える、請求項４３に記載のシステム。
【請求項45】
前記検出回路が、増幅器またはアナログ－デジタル変換器のうちの少なくとも一方を備える、請求項４３に記載のシステム。
【請求項46】
前記結合部位が、前記バイオポリマーを前記結合部位に固定するように構成された構造を含む、請求項３３に記載のシステム。
【請求項47】
前記構造が、空洞または隆起部を備える、請求項４６に記載のシステム。
【請求項48】
前記磁性粒子が第１の磁性粒子であり、前記バイオポリマーが第１のバイオポリマーであり、前記磁気センサが第１の磁気センサであり、前記検知領域が第１の検知領域であり、前記信号が第１の信号であり、前記流体チャンバが、一度に１つ以下のバイオポリマーを保持するための第２の結合部位をさらに含み、前記第２の結合部位が、第２のバイオポリマーの端部を前記流体チャンバの前記表面に結合させ、かつ前記第２のバイオポリマーに結合した第２の磁性粒子が動くことを可能にするように構成され、前記流体チャンバ内に第２の検出領域を有する第２の磁気センサであって、前記第２の検出領域が、前記第２の結合部位を含むが他の結合部位を含まず、前記第２の磁気センサが、前記第２の検出領域内の磁気環境を特徴付ける第２の信号を生成し、前記第２の信号を前記少なくとも１つのプロセッサに提供するように構成される、第２の磁気センサをさらに備え、
前記少なくとも１つのプロセッサが、
前記第２の信号の第１の部分を取得することであって、前記第２の信号の前記第１の部分が、第３の検出期間中の前記第２の検知領域内の前記磁気環境を表す、前記第２の信号の第１の部分を取得することと、
前記第２の信号の第２の部分を取得することであって、前記第２の信号の前記第２の部分が、第４の検出期間中の前記第２の検知領域内の前記磁気環境を表す、前記第２の信号の第２の部分を取得することと、
前記第２の信号の前記第１の部分および前記第２の信号の前記第２の部分を分析して、前記第２の磁性粒子の動きを検出することと
を行うようにさらに構成される、請求項３３に記載のシステム。
【請求項49】
前記第１の検出期間および前記第３の検出期間が同一であり、前記第２の検出期間および前記第４の検出期間が同一である、請求項４８に記載のシステム。
【請求項50】
前記磁気センサが、センサアレイ（１１０）内に配置された複数の磁気センサのうちの１つである、請求項３３に記載のシステム。
【請求項51】
前記センサアレイを前記少なくとも１つのプロセッサに結合する少なくとも１つのラインをさらに備える、請求項５０に記載のシステム。
【請求項52】
前記結合部位が、前記少なくとも１つのラインの第１のラインのトレンチ内に位置する、請求項５１に記載のシステム。
【請求項53】
前記複数の磁気センサが、矩形グリッドパターンで配置される、請求項５０に記載のシステム。
【請求項54】
前記少なくとも１つのプロセッサが、少なくとも２つのプロセッサを備え、前記少なくとも２つのプロセッサのうちの第１のプロセッサが、前記信号の前記第１の部分および前記第２の部分を取得するように構成され、前記少なくとも２つのプロセッサのうちの第２のプロセッサが、前記信号の前記第１の部分および前記第２の部分を分析して前記磁性粒子の前記動きを検出するように構成される、請求項３３に記載のシステム。
【請求項55】
前記第１のプロセッサが、前記磁気センサを備える装置内に配置され、前記第２のプロセッサが、前記装置の外部にある、請求項５４に記載のシステム。
【請求項56】
前記少なくとも１つのプロセッサが、ローレンツ関数を決定するようにさらに構成される、請求項３３に記載のシステム。
【請求項57】
前記少なくとも１つのプロセッサが、前記磁気センサのノイズパワースペクトル密度を決定するようにさらに構成される、請求項３３に記載のシステム。
【請求項58】
前記少なくとも１つのプロセッサが、前記信号の前記第１の部分の第１のパワースペクトル密度（ＰＳＤ）を決定し、かつ
前記信号の前記第２の部分の第２のＰＳＤを決定する
ようにさらに構成され、
前記信号の前記第１の部分および前記信号の前記第２の部分を分析して前記磁性粒子の動きを検出することが、第１のローレンツ関数を前記第１のＰＳＤにフィッティングさせることと、第２のローレンツ関数を前記第２のＰＳＤにフィッティングさせることとを含む、請求項３３に記載のシステム。
【請求項59】
前記信号の前記第１の部分および前記信号の前記第２の部分を分析して前記磁性粒子の動きを検出することが、前記第１のローレンツ関数の第１のコーナー周波数を前記第２のローレンツ関数の第２のコーナー周波数と比較することをさらに含む、請求項５８に記載のシステム。
【請求項60】
前記少なくとも１つのプロセッサが、前記第１のローレンツ関数の第１のコーナー周波数と前記第２のローレンツ関数の第２のコーナー周波数との比較に基づいて、特定のバイオマーカーが前記バイオポリマーに結合していると決定するようにさらに構成される、請求項５８に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【0001】
背景
生体分子間の相互作用を定量する能力は、診断、スクリーニング、疾患病期分類、法医学分析、妊娠検査、薬物開発および検査、ならびに科学的および医学的研究などの様々な用途にとって興味深い。生体分子相互作用の測定可能な特徴の例は、相互作用の親和性（例えば、分子がどれだけ強く結合／相互作用するか）および反応速度（例えば、分子の会合および解離が起こる速度）を含む。
生体分子間の相互作用を定量する能力は、診断、スクリーニング、疾患病期分類、法医学分析、妊娠検査、薬物開発および検査、ならびに科学的および医学的研究などの様々な用途にとって興味深い。生体分子相互作用の測定可能な特徴の例は、相互作用の親和性（例えば、分子がどれだけ強く結合／相互作用するか）および反応速度（例えば、分子の会合および解離が起こる速度）を含む。
【0002】
従来の酵素結合免疫吸着アッセイ（ＥＬＩＳＡ）システムは、反応生成物を最終的に希釈する大量の容積を必要とするアナログシステムであり、従来のプレートリーダーを使用して検出可能な信号を生成するために数百万の酵素標識を必要とする。したがって、従来のＥＬＩＳＡ感度は、ピコモル（ｐｇ／ｍＬ）範囲以上に限定される。
【0003】
ＥＬＩＳＡシステムとは対照的に、各分子を検出および計数することができるそれぞれの信号を提供するため、単一分子システムは本質的にデジタルである。単一分子システムは、信号の絶対量または振幅を検出するよりも、信号の有無を判定する方が容易であるという利点を有する。換言すれば、統合するよりも計数する方が容易である。
【0004】
近年、単一分子の検出への関心が高まっている。例えば、ＣＯＶＩＤ－１９のパンデミックは、化学療法、幹細胞移植、または手術後にウイルス感染を起こしやすい可能性があるため、癌患者を通常よりも高いリスクにさらしている。別の例として、ＣＯＶＩＤ－１９抗体またはヒトＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２抗体を検出するなどのための、超高感度ウイルスおよび病原体の検出が必要とされている。単一分子検出から利益を得ることができる用途の別の例は、簡単で高感度のタンパク質バイオマーカー検出を提供するための単一分子イムノアッセイである。
【0005】
いくつかの用途では、単一分子の検出が可能になっている。例えば、テザリング粒子運動（ＴＰＭ）技術の使用は、センシング装置の表面に固定された受容体への単一生体分子の結合を検出することを可能にした。ＴＰＭでは、バイオポリマー（例えば、ＤＮＡ、ＲＮＡなど）の一端が固体支持体上に固定化され、それによって「テザリングされたバイオポリマー」を作製し、小粒子（例えば、マイクロメートルサイズまたはナノメートルサイズ）が他端に結合される。溶液中では、制約されたブラウン運動（媒体中に懸濁した粒子のランダムな運動）により、テザリングされたバイオポリマーおよび結合した粒子が移動する。テザリングされたバイオポリマー（および結合した粒子）が占める容積は限られており、テザリングされたバイオポリマーのサイズおよび形状に依存する。バイオポリマーと直接相互作用する酵素は、任意の所与の時点でバイオポリマーの構造を変化させることができる。例えば、ＤＮＡおよびＲＮＡの場合、結合した粒子が占める容積は、ＤＮＡの変形（例えば、ＤＮＡループ形成またはＤＮＡ伸長）に応じて変化する。粒子の位置の変化を時間の関数として観察および解釈することによって、例えば、溶液中のバイオポリマーと酵素との間の相互作用の動態および生化学的動態を記述することができる。
【0006】
テザリングされたバイオポリマーは、ＤＮＡ断片などのヌクレオチド配列とすることができる。結合事象は、典型的には、受容体の分子動力学を変化させる。相補的ヌクレオチドが組み込まれる前に、ＤＮＡ断片は、コイル状またはＵ字形（ループ状）の立体配座をとり（例えば、ヌクレオチド配列中の（部分的な）パリンドロームの存在に起因して）、次いで、相補的ヌクレオチドが組み込まれたときに、より線状または伸長した立体配座をとることができる。この立体配座の変化は、テザリングされたバイオポリマーが生息するブラウン運動の容積に影響を及ぼす。ＴＰＭでは、粒子（ラベルと呼ばれることもある）を受容体に結合させ、光学技術を使用して粒子の動きを観察することによって、容積の変化を検出することができる。
【0007】
ＴＰＭシステムにおけるデータ取得は、典型的には、高解像度高速ビデオ顕微鏡法を使用して、微小環境の局所的変化によって引き起こされる粒子平均速度および運動範囲のナノスケール変動を追跡および記録する。この単一分子分析技術は、例えば、ＤＮＡ－タンパク質相互作用の動的インビトロ監視、およびタンパク質、ＤＮＡ、およびＲＮＡの生化学的に誘導された立体構造変化の検出のために実施されている。
【0008】
ＴＰＭは、確率的動きパターンの小さな変動を解決する能力に依存しているため、画像コントラストは、粒子の追跡およびその後の分析を可能にするのに十分であり、フレーム取得レートは、十分に高くなければならない。最先端のＴＰＭシステムは、短い（例えば、約５０ｎｍ）テザーに結合したナノスケール粒子を１～２ｎｍの局在化精度で光学的に追跡することができる。高解像度は印象的であるが、小さな視野内で同時に追跡および分析することができる粒子の数は数百に限定される。したがって、そのようなシステムのスループットは制限される。１０，０００個のナノ粒子の監視を可能にするために視野を増加させると、局在化精度が約１００ｎｍ超に低下する。この制限は、ナノスケールでのハイスループットリアルタイムモーショントラッキングの技術的複雑さと相まって、これまでのところ、ＴＰＭの使用を学術的な科学的興味の範囲内に限定しており、診断および創薬などの商業用途での広範な使用を妨げている。
【0009】
粒径は、ＴＰＭ測定において重要な役割を果たす。大きな粒子は、小さな粒子よりも観察および追跡が容易であるが、それらの確率的運動は、粒子と受容体との間の大きなサイズの相違に起因して、単一分子プロセスによって僅かに影響を受けるだけである。さらに、大きなテザリングされた粒子が固体表面に近接していると（例えば、受容体が結合している）、バイオポリマーに伸張力が生じ、生物物理学的特性が変化し、分子がバイオマーカー結合反応に関与している場合、結合平衡に著しい変動を引き起こす可能性がある。したがって、インビボプロセスを正確に再現するためには、テザリングされた粒子をできるだけ小さくすることが望ましい。より小さい粒子の確率的運動パターンもまた、個々の生体分子の結合によって引き起こされる摂動に対してより感受性が高い。しかしながら、小さな粒子の問題は、光学系を使用して観察することがより困難であることである。二次元生体膜内に閉じ込められた強く散乱する１０ｎｍの金ナノ粒子が観察され、光学的に追跡されている。粒子がバイオポリマーで表面にテザリングされ、焦点面の内外に動くことができる場合、より大きなサイズ（典型的には直径４０ｎｍより大きい）が信頼性の高い追跡のために好ましい。しかしながら、これらの寸法は、粒子を多くの生物医学的に関連するプロセスに関与する分子のサイズよりもかなり大きくする。これらの長さスケールでの光散乱の量は直径の６乗に比例するため、分子寸法に一致するように粒径をさらに縮小すると、今日利用可能な最も高度な光学系でさえも追跡することができなくなる。
【0010】
したがって、生体分子間の相互作用を監視および／または定量するための改良された単一分子装置、システム、および方法が必要とされている。
【発明の概要】
【0011】
概要
この概要は、本開示の非限定的な実施形態を表す。
この概要は、本開示の非限定的な実施形態を表す。
【0012】
本明細書では、磁気センサを使用して単一分子プロセスを監視するための装置、システム、および方法が開示される。いくつかの実施形態では、本明細書でＭＮＰと呼ばれる磁性粒子（例えば、磁性ナノ粒子）を、テザーとも呼ばれるバイオポリマー（例えば、核酸、タンパク質など）に結合させて、ＭＮＰの動きを検出する。例えば、個々の分子の結合、抗体／抗原反応、および／またはタンパク質もしくは核酸の立体配座の変化を、磁気センサを使用することによってＭＮＰの位置および／または動きを観察、追尾、または追跡することによって検出することができる。ＭＮＰは小さく（例えば、そのサイズは、監視されている分子のサイズに匹敵する）、バイオポリマーにテザリングされ、溶液中のＭＮＰのブラウン運動の容積は、ＭＮＰが溶液の分子に衝突することに起因して変化し、それによってＭＮＰの位置が変化し、ＭＮＰの運動、および推論により、テザリングされたバイオポリマーの観察および／または監視が可能になる。ＭＮＰの位置および／または動きの変化を、磁気センサから得られた信号の変化から推測することができる。例えば、磁気センサから得られた信号の自己相関関数またはパワースペクトル密度の分析は、ＭＮＰの存在、位置、および／または動きを明らかにすることができる。
【0013】
磁気センサ（例えば、ナノスケール、またはＭＮＰおよび／もしくはバイオポリマーのサイズ程度のサイズを有する）が使用されて、磁気センサの検出領域内のＭＮＰの位置の小さな変化さえも検出することができる。磁気センサのベースライン応答（例えば、信号）を、ＭＮＰの非存在下で決定することができ、次いで、ＭＮＰが磁気センサの検知領域内のバイオポリマーに結合された後、磁気センサによって提供される信号は、ＭＮＰのブラウン運動とベースラインセンサ応答との重ね合わせである。したがって、ランダムなプロセスにしたがって移動するＭＮＰの効果は、ベースラインセンサ応答にノイズを加えることである。時間領域および周波数領域のいずれかまたは双方においてセンサ信号内のＭＮＰからのノイズ寄与を検出および／または分析することによって（例えば、平均の周りの変動を検出すること、自己相関関数またはパワースペクトル密度を検査／処理／分析することなどによって）、ＭＮＰの存在、位置、および／または動きに関する結論を引き出すことができる。このようにして、ＭＮＰは、バイオポリマー活性のレポーター（例えば、立体構造変化）とすることができる。
【0014】
開示された装置、システム、および方法は、イメージングに依存しないため、ＭＮＰは、ＴＰＭシステムにおいて使用されるものよりも実質的に小さくすることができ、それによってより高い解像度を提供し、選択されたサイズの装置からのより高いスループットを可能にする。さらに、磁気センサおよびＭＮＰが使用されて、ナノスコープの動きを高精度（例えば、数ナノメートル程度の動き）で確実に検出することができる。開示された装置、システム、および方法は、診断、スクリーニング、疾患病期分類、法医学分析、妊娠検査、薬物開発および検査、イムノアッセイ、核酸配列決定、ならびに科学的および医学的研究を含むがこれらに限定されない様々な単一分子用途に使用することができる。それらは、光学に依存する従来のＴＰＭまたは従来のＥＬＩＳＡ手法よりも潜在的に高いスループットおよび高い感度および精度を提供する。
【図面の簡単な説明】
【0015】
本開示の目的、特徴、および利点は、添付の図面と併せて、特定の実施形態の以下の説明から容易に明らかになるであろう。
【0016】
【図1A】いくつかの実施形態にかかる、バイオポリマーに結合したＭＮＰの動きのナノスケール監視の概略図である。
【図1B】いくつかの実施形態にかかる記録されたセンサ信号の例を示している。
【図2A】いくつかの実施形態にかかる、ＭＮＰ速度および可動域パターンに影響を及ぼす４つの可逆的生体分子単一分子プロセスの例を示している。
【図2B】いくつかの実施形態にかかる、ＭＮＰ速度および可動域パターンに影響を及ぼす４つの可逆的生体分子単一分子プロセスの例を示している。
【図2C】いくつかの実施形態にかかる、ＭＮＰ速度および可動域パターンに影響を及ぼす４つの可逆的生体分子単一分子プロセスの例を示している。
【図2D】いくつかの実施形態にかかる、ＭＮＰ速度および可動域パターンに影響を及ぼす４つの可逆的生体分子単一分子プロセスの例を示している。
【図3】いくつかの実施形態にかかる磁気センサの一部を示している。
【図4A】いくつかの実施形態にしたがって使用することができる磁気抵抗（ＭＲ）センサの抵抗を示している。
【図4B】いくつかの実施形態にしたがって使用することができる磁気抵抗（ＭＲ）センサの抵抗を示している。
【図5A】いくつかの実施形態にしたがって使用することができるスピントルク発振子（ＳＴＯ）センサを示している。
【図5B】例示的な条件下でのＳＴＯの実験応答を示している。
【図5C】いくつかの実施形態にしたがって使用することができるＳＴＯの短いナノ秒のフィールドパルスを示している。
【図5D】いくつかの実施形態にしたがって使用することができるＳＴＯの短いナノ秒のフィールドパルスを示している。
【図6】垂直磁気記録（ＰＭＲ）用途に使用する磁気センサを含む例示的な読み出しヘッドの一部の図である。
【図7】図７Ａはいくつかの実施形態にかかる、その近傍にＭＮＰを有しない磁気センサを示している。図７Ｂはいくつかの実施形態にかかる、その真上に位置するＭＮＰを有する磁気センサを示している。図７Ｃはいくつかの実施形態にかかる、ＭＮＰを横方向にオフセットさせた磁気センサを示している。
【図8】いくつかの実施形態にかかる、磁気センサに対して様々な位置にＭＮＰが存在する場合の例示的な磁気センサのナノ磁気シミュレーションの結果を示している。
【図9A】いくつかの実施形態にかかる、ＭＮＰがその検知領域内にある例示的な磁気センサの平面図走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。
【図10A】いくつかの実施形態にかかる、ＭＮＰの動きを分析するための例示的なモデルを示している。
【図10B】ＤＮＡ鎖によって印加された調和電位において拡散する単一粒子の図表現である。
【図11A】思考実験を示している。
【図11B】思考実験を示している。
【図12A】いくつかの実施形態にかかる例示的な磁気センサを示している。
【図12B】例示的な磁気センサの予想ノイズパワースペクトル密度（ＰＳＤ）と、ＭＮＰの限定されたブラウン運動のＰＳＤを特徴付けるローレンツ関数とをプロットしている。
【図13】本発明者らによって行われた実験の図示である。
【図14】試験した３つの磁気センサの測定されたＰＳＤを示している。
【図15A】磁気センサバイアス電圧の影響を調査した試験結果を示している。
【図15B】磁気センサバイアス電圧の影響を調査した試験結果を示している。
【図15C】磁気センサバイアス電圧の影響を調査した試験結果を示している。
【図15D】磁気センサバイアス電圧の影響を調査した試験結果を示している。
【図15E】磁気センサバイアス電圧の影響を調査した試験結果を示している。
【図16】磁気センサによる力成分を含む一次元モデルを示している。
【図17】図１７Ａはいくつかの実施形態にかかるシステムの３つの状態を示している。図１７Ｂはいくつかの実施形態にかかるシステムの３つの状態を示している。図１７Ｃはいくつかの実施形態にかかるシステムの３つの状態を示している。
【図18A】いくつかの実施形態にかかる、２つの例示的な磁気センサおよび対応する自己相関関数の例示的な記録された電流変動を示している。
【図18B】いくつかの実施形態にかかる、２つの例示的な磁気センサおよび対応する自己相関関数の例示的な記録された電流変動を示している。
【図18C】いくつかの実施形態にかかる、２つの例示的な磁気センサおよび対応する自己相関関数の例示的な記録された電流変動を示している。
【図19A】いくつかの実施形態にかかる例示的な監視システムの構成要素を示すブロック図である。
【図19B】いくつかの実施形態にかかる例示的な監視システムの一部を示している。
【図19C】いくつかの実施形態にかかる例示的な監視システムの一部を示している。
【図19D】いくつかの実施形態にかかる例示的な監視システムの一部を示している。
【図19E】いくつかの実施形態にかかるセンサアレイの磁気センサのパターンを示している。
【図20】いくつかの実施形態にかかる、テザリングされたＭＮＰの動きを検知する例示的な方法のフロー図である。
【図21】いくつかの実施形態にかかる多重磁気デジタル均一非酵素的（ＨｏＮｏｎ）ＥＬＩＳＡに関与するいくつかの成分を示している。
【図22A】いくつかの実施形態にかかる多重化磁気デジタルＨｏＮｏｎ ＥＬＩＳＡのための例示的な手順の一部を示している。
【図22B】いくつかの実施形態にかかる多重化磁気デジタルＨｏＮｏｎ ＥＬＩＳＡのための例示的な手順の一部を示している。
【図23-1】いくつかの実施形態にかかる多重化磁気デジタルＨｏＮｏｎ ＥＬＩＳＡのための例示的な手順のさらなるステップを示している。
【図23-2】いくつかの実施形態にかかる多重化磁気デジタルＨｏＮｏｎ ＥＬＩＳＡのための例示的な手順のさらなるステップを示している。
【図24A】いくつかの実施形態にかかる、複数のバイオマーカーを含有する複合生物学的溶液の添加を示している。
【図24B】いくつかの実施形態にかかる、複数のバイオマーカーを含有する複合生物学的溶液の添加後にセンサアレイがどのように見えるかの描写である。
【図25】いくつかの実施形態にかかる、特定の磁気センサの検出されたノイズＰＳＤからバイオマーカーの結合をどのように検出することができるかを示している。
【図26】いくつかの実施形態にかかる、磁気センサアレイを使用する方法を示すフロー図である。
【0017】
理解を容易にするために、可能であれば、図に共通する同一の要素を示すために同一の参照符号が使用されている。一実施形態で開示された要素を、特定の記載なしに他の実施形態で有益に利用することができることが企図される。さらに、１つの図面の文脈における要素の説明は、その要素を示す他の図面にも適用可能である。
【発明を実施するための形態】
【0018】
詳細な説明
生物学的系に埋め込まれた自由拡散またはテザリングさられた粒子の確率的運動は、かなり豊富な情報を明らかにする。粒子運動の統計分析は、それらのインビトロ結果を通して重要なインビボプロセスの理解を容易にすることができる。１０ｎｍ程度の小さな強い散乱粒子を自由に拡散させる追跡は、生体膜を研究するための強力なツールであるが、テザリングされた粒子の追跡は、はるかに広範囲の単一分子挙動を明らかにする。ＴＰＭ実験は、一端が固体表面に固定され、他端が粒子に結合されたバイオポリマー（例えば、ＤＮＡ、ＲＮＡ、タンパク質）を使用して、様々な生物物理学的および生化学的プロセスを監視するが、従来のＴＰＭシステムのスループットおよび精度は、粒子を追跡するための光学技術に依存するために制限される。
生物学的系に埋め込まれた自由拡散またはテザリングさられた粒子の確率的運動は、かなり豊富な情報を明らかにする。粒子運動の統計分析は、それらのインビトロ結果を通して重要なインビボプロセスの理解を容易にすることができる。１０ｎｍ程度の小さな強い散乱粒子を自由に拡散させる追跡は、生体膜を研究するための強力なツールであるが、テザリングされた粒子の追跡は、はるかに広範囲の単一分子挙動を明らかにする。ＴＰＭ実験は、一端が固体表面に固定され、他端が粒子に結合されたバイオポリマー（例えば、ＤＮＡ、ＲＮＡ、タンパク質）を使用して、様々な生物物理学的および生化学的プロセスを監視するが、従来のＴＰＭシステムのスループットおよび精度は、粒子を追跡するための光学技術に依存するために制限される。
【0019】
本明細書では、イメージングを含まないテザリングされたナノ粒子の動きパターンの生化学的に誘発される変化を動的に検知するための装置、システム、および方法が開示される。代わりに、本明細書に開示される実施形態は、磁気センサを使用し、それらの磁気センサの応答を監視して、テザリングされた磁性粒子が磁気センサのそれぞれの検出領域内でまたは検出領域内外を確率的に移動するときに、磁性粒子の限定された拡散を検出する。磁気センサは、例えば、ナノスケール磁場センサ（ＭＦＳ）であってもよい。磁気センサの検出された応答または特性は、例えば、時間または周波数領域における検出されたトンネル電流、電圧、または抵抗、または検出可能な磁気センサの任意の他の特性であってもよい。磁気センサの検出領域は、例えば、約１０５ｎｍ３から５×１０５ｎｍ３の容積を有することができる。
【0020】
磁性粒子は、例えば、分子、超常磁性ナノ粒子、または強磁性粒子などの磁性ナノ粒子（ＭＮＰ）とすることができるか、またはそれを含むことができる。当業者によって理解されるように、磁性ナノ粒子は、一般に、直径１から１００ナノメートル（ｎｍ）の間の物質の粒子であると考えられる。磁性粒子は、高い磁気異方性を有するナノ粒子であってもよい。高い磁気異方性を有する磁性粒子の例は、Ｆｅ３Ｏ４、ＦｅＰｔ、ＦｅＰｄおよびＣｏＰｔを含むが、これらに限定されない。ヌクレオチドを含むいくつかの用途では、磁性粒子が合成され、例えばＳｉＯ２によってコーティングすることができる。例えば、Ｍ．Ａｓｌａｍ，Ｌ．Ｆｕ，Ｓ．Ｌｉ，およびＶ．Ｐ．Ｄｒａｖｉｄ，「Ｓｉｌｉｃａ ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＦｅＰｔ ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ」，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｏｌｌｏｉｄ ａｎｄ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｖｏｌｕｍｅ ２９０，Ｉｓｓｕｅ ２，２００５年１０月１５日，ｐｐ．４４４－４４９を参照されたい。
【0021】
磁性粒子は、例えば、有機金属化合物とすることができるか、または有機金属化合物を含むことができる。理解されるように、有機金属化合物は、炭素が有機基の一部である少なくとも１つの金属－炭素結合を含有する物質のクラスの任意のメンバーである。有機金属化合物の例は、ギルマン試薬（リチウム、銅を含む）、グリナール試薬（マグネシウムを含む）、テトラカルボニルニッケル、フェロセン（遷移金属を含む）、有機リチウム化合物（例えば、ｎ－ブチルリチウム（ｎ－ＢｕＬｉ））、有機亜鉛化合物（例えば、ジエチル亜鉛（Ｅｔ２Ｚｎ））、有機スズ化合物（例えば、トリブチルスズヒドリド（Ｂｕ３ＳｎＨ））、有機ボラン化合物（例えば、トリエチルボラン（Ｅｔ３Ｂ））、有機アルミニウム化合物（例えば、トリメチルアルミニウム（Ｍｅ３Ａｌ））などを含む。
【0022】
磁性粒子は、例えば、荷電分子、またはナノスケール磁気センサによって検出することができる任意の他の官能性分子基とすることができるか、またはそれを含むことができる。別の言い方をすれば、磁気センサが候補磁性粒子の存在を検出することができ、候補磁性粒子を目的のバイオポリマーに結合させることができる場合、その候補磁性粒子は、本明細書に記載の装置、システム、および方法における使用に適している。
【0023】
多くの用途で使用される磁性粒子は、観察されるバイオポリマーに匹敵するサイズであるようにナノ粒子である可能性が高いと予想されるが、本明細書に記載のシステム、装置、および方法は、一般に磁性粒子に適用される。したがって、本明細書では便宜上「ＭＮＰ」という略語が使用され、「ＭＮＰ」は、一般に磁性粒子を指すことができることを理解されたい。したがって、文脈によって別途示されない限り、ＭＮＰに言及するまたはＭＮＰを例示する本明細書の開示は、必ずしもナノ粒子のみに限定されない。同様に、ＭＮＰは、超常磁性とすることができると予想されるが、本開示は、超常磁性ＭＮＰとの使用に限定されない。
【0024】
図１Ａおよび図１Ｂは、いくつかの実施形態にかかる、磁気センサを使用したＭＮＰの動きのナノスケール監視の原理を示している。図１Ａに示すように、ＭＮＰ１０２は、バイオポリマー１０１（例えば、ｓｓＤＮＡ、ｄｓＤＮＡ、ＲＮＡ、タンパク質など）によって監視装置の固体表面１１７にテザリングされる。バイオポリマー１０１は、「テザー」と呼ばれることもある。周囲の流体の分子との相互作用のために、ＭＮＰ１０２は、磁気センサ１０５からのある平均距離＜ｒ＞付近の容積である制約された動き領域２０３内で、図１Ａの矢印１０３によって表される確率的（ランダム）運動を受ける。ＭＮＰ１０２は、磁気センサ１０５の検出領域２０６内で、または内外を移動する。いくつかのバイオセンシング用途では、検知領域２０６は、例えば、約１０５ｎｍ３から約５×１０５ｎｍ３の容積を有することができる。当然ながら、検知領域２０６の容積を、特定の用途に適するように選択することができ、これらの値よりも大きくても小さくてもよい。磁気センサ１０５の設計（例えば、その感度）、磁気センサ１０５に印加されるバイアス電圧、ＭＮＰ１０２の特性（例えば、そのサイズ）、バイオポリマー１０１の特性（例えば、その長さ）、およびバイオポリマー１０１が磁気センサ１０５に対して表面１１７にテザリングされている位置に応じて、制約された動き領域２０３および検知領域２０６は、実質的に重なり合ってもよく、または図１Ａの例に示すようにオフセットされてもよい。同様に、制約された動き領域２０３および検知領域２０６の容積は、同じであっても異なっていてもよい。図１Ａに示す例では、制約された動き領域２０３は、検知領域２０６よりも大きく、それから横方向ρにオフセットされている。
【0025】
図１Ｂは、いくつかの実施形態にかかる記録されたセンサ信号２０７の例を示している。この例では、センサ信号２０７は、磁気センサ１０５のいくつかの検出可能な特性の統計的に定常な変動として記録され、これは、以下にさらに説明されるように、例えば、測定された電流、電圧、抵抗、発振周波数、位相ノイズ、周波数ノイズ、または磁気センサ１０５の磁気環境（例えば、ＭＮＰ１０２の存在、不在、および／または動きに起因する、検知領域２０６内）の検出された変化を示す磁気センサ１０５の任意の他の特性であってもよい。磁気センサ１０５を使用する利点の１つは、ＭＮＰ１０２が、光学追跡に依存するＴＰＭシステムにおいて使用する粒子よりもかなり小さくなり得ることである。いくつかの実施形態では、例えば、ＭＮＰ１０２は、生体分子寸法（例えば、そのサイズは、約５ｎｍまたは５ｎｍ未満とすることができる）を有する。
【0026】
ＭＮＰ１０２の検出を可能にするために、センサ信号２０７によって表される磁気センサ１０５の応答は、個々の単一分子（例えば、周囲の溶液）との相互作用によって影響を受けるＭＮＰ１０２の移動度に起因して変化するべきである。したがって、ＭＮＰ１０２は、その移動度が他の分子によって影響されるのに十分に小さいことが望ましい。センサ信号２０７（例えば、ＭＮＰ１０２の動きに起因するセンサ信号２０７のノイズ成分）は、例えば、図１８Ａ、図１８Ｂ、および図１８Ｃの説明で後述するように、同等のサイズの生体分子がＭＮＰ１０２に結合した分子に結合するとき、または結合した分子（バイオポリマー１０１）がその立体配座を変化させるときに変化するべきである。どちらの場合も、テザリングされたＭＮＰ１０２の有効流体力学的半径は変化し、その統計的な速度および動きの範囲も変化する。したがって、センサ信号２０７の振幅およびノイズの双方は、テザリングされたＭＮＰ１０２が特定の標的結合によって磁気センサ１０５表面上またはその近くに固定化されたとき、およびテザー／バイオポリマー１０１の配座状態（例えば、ｄｓＤＮＡ、ｓｓＤＮＡ、ＲＮＡ、タンパク質）が変化したときの双方で変化するべきである。
【0027】
本明細書に開示されるシステム、装置、および方法は、例えば、ループ形成（接続および切断）、タンパク質の折り畳みおよび展開、抗体／抗原相互作用およびそれらの強度などの立体構造動態などの生体分子プロセスの様々な変化を検出および／または監視するために使用することができる。図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、および図２Ｄは、いくつかの実施形態にかかる、ＭＮＰ１０２の速度および移動範囲パターンに影響を及ぼす４つの可逆的生体分子単一分子プロセスの例を示している。図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、および図２Ｄのそれぞれは、バイオポリマー１０１とともに磁気センサ１０５を示し、バイオポリマーの一端は、磁気センサ１０５の近傍の監視装置の表面１１７に結合され（例えば、以下に論じられる結合部位１１６において）、バイオポリマーの他端は、ＭＮＰ１０２に結合されている。図２Ａおよび図２Ｃは、例示的な抗体－抗原反応を示し、図２Ｂおよび図２Ｄは、例示的な立体配座変化を示している。図２Ａは、例えばタンパク質、ＤＮＡ、またはＲＮＡなどの大きな生体分子をＭＮＰ１０２に結合すると、ＭＮＰ１０２の質量ならびにその有効流体力学的半径が増加し、検出可能な限られた拡散に変化を引き起こすことを示している。（以下にさらに詳細に説明するように、ＭＮＰ１０２に匹敵するサイズの分子の結合は、ＭＮＰ１０２の限定されたブラウン運動のノイズＰＳＤを特徴付けるローレンツ関数のコーナー周波数の変化を検出することによって検出することができる。）図２Ｂは、例えばタンパク質または核酸の折り畳みおよび展開などの著しい立体配座変化もまた、ＭＮＰ１０２の有効流体力学半径を変化させることを示し、これもまた検出することができる。図２Ｃは、図２Ａと同様に、ＭＮＰ１０２が、監視装置の表面１１７上に固定化された分子（図２Ｃの例において抗原として示されている）に結合することができることを示している。相互作用の強度は、いくつかの実施形態にしたがって研究することができる。図２Ｄは、例えばＤＮＡまたはＲＮＡヘアピン形成などのテザー（バイオポリマー１０１）の立体構造変化もＭＮＰ１０２の運動を制限することを示している。例えば、温度の関数として核酸がどのように挙動するか（例えば、ラップアンドアンラップ）が重要であり得る。本明細書に開示される装置、システム、および方法は、図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、および図２Ｄに示されるものを含むがこれらに限定されない変化を検出および／または監視するために使用することができる。
【0028】
磁気センサ
本明細書に開示される実施形態は、バイオポリマー１０１に結合された１つ以上のＭＮＰ１０２（例えば、磁性ナノ粒子、有機金属錯体、荷電分子など）の存在を検出するために、少なくとも１つの磁気センサ１０５（例えば、磁気抵抗ナノスケールセンサまたは任意の他のタイプの磁気センサ）を使用する。図３は、いくつかの実施形態にかかる例示的な磁気センサ１０５の一部を示している。図３の例示的な磁気センサ１０５は、下面１０８および上面１０９を有し、第１の強磁性層１０６Ａ、第２の強磁性層１０６Ｂ、および第１の強磁性層１０６Ａと第２の強磁性層１０６Ｂとの間の非磁性スペーサ層１０７の３つの層を含む。第１の強磁性層１０６Ａおよび第２の強磁性層１０６Ｂに使用するための好適な材料は、例えば、Ｃｏ、ＮｉおよびＦｅの合金（他の元素と混合されることもある）を含む。いくつかの実施形態では、磁気センサ１０５は、薄膜技術を使用して実装され、第１の強磁性層１０６Ａおよび第２の強磁性層１０６Ｂは、それらの磁気モーメントが膜の平面内または膜の平面に対して垂直に配向されるように操作される。非磁性スペーサ層１０７は、例えば、銅または銀などの金属材料であってもよく、その場合、構造はスピンバルブ（ＳＶ）と呼ばれ、または例えば、アルミナまたは酸化マグネシウムなどの絶縁体であってもよく、その場合、構造は磁気トンネル接合（ＭＴＪ）と呼ばれる。
本明細書に開示される実施形態は、バイオポリマー１０１に結合された１つ以上のＭＮＰ１０２（例えば、磁性ナノ粒子、有機金属錯体、荷電分子など）の存在を検出するために、少なくとも１つの磁気センサ１０５（例えば、磁気抵抗ナノスケールセンサまたは任意の他のタイプの磁気センサ）を使用する。図３は、いくつかの実施形態にかかる例示的な磁気センサ１０５の一部を示している。図３の例示的な磁気センサ１０５は、下面１０８および上面１０９を有し、第１の強磁性層１０６Ａ、第２の強磁性層１０６Ｂ、および第１の強磁性層１０６Ａと第２の強磁性層１０６Ｂとの間の非磁性スペーサ層１０７の３つの層を含む。第１の強磁性層１０６Ａおよび第２の強磁性層１０６Ｂに使用するための好適な材料は、例えば、Ｃｏ、ＮｉおよびＦｅの合金（他の元素と混合されることもある）を含む。いくつかの実施形態では、磁気センサ１０５は、薄膜技術を使用して実装され、第１の強磁性層１０６Ａおよび第２の強磁性層１０６Ｂは、それらの磁気モーメントが膜の平面内または膜の平面に対して垂直に配向されるように操作される。非磁性スペーサ層１０７は、例えば、銅または銀などの金属材料であってもよく、その場合、構造はスピンバルブ（ＳＶ）と呼ばれ、または例えば、アルミナまたは酸化マグネシウムなどの絶縁体であってもよく、その場合、構造は磁気トンネル接合（ＭＴＪ）と呼ばれる。
【0029】
界面平滑化、テクスチャ加工、および／または磁気センサ１０５が組み込まれる装置をパターニングするために使用される処理からの保護などの目的を果たすために、図３に示す第１の強磁性層１０６Ａ、第２の強磁性層１０６Ｂ、および非磁性スペーサ層１０７の下および上の双方に追加の材料を堆積することができる。さらに、以下にさらに説明するように、磁気センサ１０５は、単一分子分析に使用される流体から保護するために、材料によって包まれるかまたは覆われてもよい。それにもかかわらず、磁気センサ１０５の活性領域は、図３に示す三層構造にある。したがって、磁気センサ１０５と接触する構成要素（例えば、読み出し回路）は、第１の強磁性層１０６Ａ、第２の強磁性層１０６Ｂ、または非磁性スペーサ層１０７のいずれかと接触していてもよく、または磁気センサ１０５の他の部分と接触していてもよい。
【0030】
図４Ａおよび図４Ｂに示すように、磁気抵抗センサ（例えば、磁気センサ１０５の１つの可能なタイプ）の抵抗は、１－ｃｏｓ（θ）に比例し、ここで、θは、図３に示す第１の強磁性層１０６Ａと第２の強磁性層１０６Ｂのモーメント間の角度である。磁場によって生成された信号を最大化し、印加磁場に対する磁気センサ１０５の線形応答を提供するために、磁気センサ１０５は、第１の強磁性層１０６Ａおよび第２の強磁性層１０６Ｂのモーメントが磁場の不在下で互いに対してπ／２ラジアンまたは９０度に配向されるように設計されてもよい。この配向は、当該技術分野において公知の任意の数の方法によって達成することができる。例えば、１つの解決策は、反強磁性体を使用して交換バイアスと呼ばれる効果によって強磁性層の一方（「ＦＭ１」と呼ばれる第１の強磁性層１０６Ａまたは第２の強磁性層１０６Ｂのいずれか）の磁化方向を「ピン止め」し、次いで磁気センサ１０５を絶縁層および永久磁石を有する二重層によってコーティングすることである。絶縁層は、磁気センサ１０５の電気的短絡を回避し、永久磁石は、ＦＭ１のピン止め方向に垂直な「ハードバイアス」磁場を供給し、その後、第２の強磁性体（「ＦＭ２」と呼ばれる第２の強磁性層１０６Ｂまたは第１の強磁性層１０６Ａのいずれか）を回転させ、所望の構成を生成する。次いで、ＦＭ１に平行な磁場は、ＦＭ２をこの９０度の構成の周りで回転させ、磁気センサ１０５の抵抗の変化は、磁気センサ１０５に作用する磁場を測定するために較正することができる電圧（または電流）信号（例えば、センサ信号２０７）をもたらす。このように、磁気センサ１０５は、磁場電圧変換器として機能する。
【0031】
バイオセンシング用途では、磁気センサ１０５は、ＦＭ１とＦＭ２とが弱く結合し、ＭＮＰ１０２の存在によって引き起こされるＦＭ２の位置への摂動をセンサ信号２０７において検出することができるように設計されるべきである。ＦＭ１とＦＭ２との間の結合が強すぎる場合、ＭＮＰ１０２の存在は、検出されるべきセンサ信号２０７に十分な摂動を生じさせない。一方、ＦＭ１とＦＭ２との間の結合が弱すぎる場合、磁気センサ１０５は、熱的に不安定であり、熱揺らぎが支配的になり、信号対雑音比（ＳＮＲ）を低下させる可能性がある。以下にさらに説明するように、磁気記録に使用するように設計された特定の磁気センサ１０５は、特定のバイオセンシング用途に使用されることを可能にする特性を有する。
【0032】
直上で論じた例は、それらのモーメントが互いに対して９０度で膜の平面内に配向されている強磁性体の使用を説明しているが、代替的に、強磁性層の一方（第１の強磁性層１０６Ａまたは第２の強磁性層１０６Ｂ）のモーメントを膜の平面外に配向することによって垂直構成を達成することができ、これは垂直磁気異方性（ＰＭＡ）と呼ばれるものを使用して達成することができることに留意されたい。
【0033】
いくつかの実施形態では、磁気センサ１０５は、スピントランスファートルクとして知られる量子力学的効果を使用する。このような磁気センサ１０５では、ＳＶまたはＭＴＪにおいて第１の強磁性層１０６Ａ（あるいは、第２の強磁性層１０６Ｂ）を通過する電流は、層のモーメントに平行なスピンを有する電子を優先的に透過させることを可能にするが、スピン反平行を有する電子は反射されやすい。このようにして、電流は、一方のスピンタイプの電子が他方よりも多くなるようにスピン分極される。次いで、このスピン偏極電流は、第２の強磁性層１０６Ｂ（または第１の強磁性層１０６Ａ）と相互作用し、その層のモーメントにトルクを及ぼす。このトルクは、異なる状況では、第２の強磁性層１０６Ｂ（または第１の強磁性層１０６Ａ）のモーメントを強磁性体に作用する有効磁場の周りで歳差運動させることができるか、またはモーメントを系内で誘導される一軸異方性によって定義される２つの向きの間で可逆的に切り替えることができる。得られたスピントルク発振子（ＳＴＯ）は、それらに作用する磁場を変化させることによって周波数調整可能である。したがって、磁気記録にＳＴＯセンサを使用する概念を示す図５Ａに示すように、磁場対周波数（または位相）変換器として作用する（それによって周波数を有するＡＣ信号を生成する）能力を有する。図５Ｂは、１ＧＨｚの周波数および５ｍＴのピークツーピーク振幅を有するＡＣ磁場がＳＴＯにわたって印加されたときの遅延検出回路を通るＳＴＯの実験応答を示している。この結果ならびに短いナノ秒の磁場パルスについて図５Ｃおよび図５Ｄに示されている結果は、これらの発振器がナノスケールの磁場検出器としてどのように使用することができるかを示している。さらなる詳細は、Ｔ．Ｎａｇａｓａｗａ，Ｈ．Ｓｕｔｏ，Ｋ．Ｋｕｄｏ，Ｔ．Ｙａｎｇ，Ｋ．Ｍｉｚｕｓｈｉｍａ，およびＲ．Ｓａｔｏ，「Ｄｅｌａｙ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ ｆｒｏｍ ａ ｓｐｉｎ－ｔｏｒｑｕｅ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ ｕｎｄｅｒ ａ ｎａｎｏｓｅｃｏｎｄ－ｐｕｌｓｅｄ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ」，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．１１１，０７Ｃ９０８（２０１２）に見出すことができ、これはあらゆる目的のためにその全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【0034】
いくつかの実施形態では、磁気センサ１０５は、バイオポリマー１０１に結合されたＭＮＰ１０２によって引き起こされる磁場を検知するためのＳＴＯを備える。磁気センサ１０５は、磁気センサ１０５の磁性層の磁化の歳差発振周波数の変化または有無を検出して、ＭＮＰ１０２の磁界を検知するように構成される。磁気センサ１０５は、図３の説明において上述したように、磁気自由層（例えば、第１の強磁性層１０６Ａまたは第２の強磁性層１０６Ｂ）、磁気ピン止め層（例えば、第２の強磁性層１０６Ｂまたは第１の強磁性層１０６Ａ）、および自由層とピン止め層との間の非磁性層（例えば、非磁性スペーサ層１０７）を含むことができる。いくつかの実施形態では、動作中、磁気センサ１０５に結合された検出回路は、磁気センサ１０５の層を通して電気（ＤＣ）電流を誘導する。磁気センサ１０５を通って移動する電子のスピン偏極は、層のうちの１つ以上の磁化のスピントルク誘起歳差運動を引き起こす。この発振の周波数は、磁気センサ１０５の近傍のＭＮＰ１０２が発生する磁界に応じて変化する。いくつかの実施形態では、センサの発振の周波数の変化または発振周波数のノイズ（位相ノイズまたは周波数ノイズと呼ばれる）が使用されて、磁場、したがってＭＮＰ１０２の存在、不在、または変化を検出することができる。
【0035】
いくつかの実施形態では、磁気センサ１０５は、ＭＴＪを含み、磁気センサ１０５の抵抗、電流、または電圧の変化が使用されて、磁気センサ１０５の検出領域２０６内のＭＮＰ１０２の存在、不在、または移動を検出する。例えば、ハードディスクドライブにおいて使用されるものと同様のＭＴＪは、本明細書に記載の装置、システム、および方法における使用に適した磁気センサ１０５の例である。そのような磁気センサ１０５は、以下にさらに説明するように、例えば２０ｎｍの超常磁性酸化鉄ナノ粒子などの任意の適切なＭＮＰ１０２の運動パターンのナノスケール変化を監視するために使用することができる。例えばＦｅ３Ｏ４およびＦｅＰｔなどの他のＭＮＰ１０２も使用することができるが、他の粒子（例えば、Ｆｅ３Ｏ４およびＦｅＰｔ）は、テザリングのために官能化するのがより困難であり、検出領域２０６内のＭＮＰ１０２の存在を確認するために走査型電子顕微鏡を使用してイメージングするのが困難または不可能であり得るため、以下の実験結果は、酸化鉄ナノ粒子に関するものであることを理解されたい。同様に、２０ｎｍよりも大きいかまたは小さいＭＮＰ１０２を使用することができる。
【0036】
本明細書に記載の装置、システム、および方法において使用される磁気センサ１０５に適用可能な特定の概念を説明するために、図６は、磁気記録媒体に以前に記録されたデータを読み取ることができる磁気センサの動作を示している。具体的には、図６は、垂直磁気記録（ＰＭＲ）用途に使用される磁気センサを含む例示的な読み出しヘッド２４０の一部の図である。記録媒体２５０の表面は、記録媒体２５０に記憶された情報を読み取る例示的な読み出しヘッド２４０の空気支持面（ＡＢＳ）と同様に、ｘ－ｚ平面内にある。記録媒体２５０は、図６において読み取られているトラックであるトラック２５１を含む、情報を記録することができる複数の同心トラックを有することができる。例示的な読み出しヘッド２４０は、ウェハ面内に複数の層を含み、これは、図６に示す座標を使用するとｘ－ｙ平面である。複数の層は、自由層２６０、参照層２６２、およびピン止め層２６４を含む。自由層２６０、参照層２６２、および、ピン止め層２６４は、それぞれ、上述した第１の強磁性層１０６Ａ、非磁性スペーサ層１０７、および、第２の強磁性層１０６Ｂ（または、等価的に、第２の強磁性層１０６Ｂ、非磁性スペーサ層１０７、および第１の強磁性層１０６Ａ）に対応することができる。参照層２６２の磁気モーメント２６３は、図６の正のｙ方向にあるものとして示されている特定の方向にある。ピン止め層２６４の磁気モーメント２６５は、上述したように、反強磁性体２６６によってピン止め（特定の方向に固定）されてもよい。図６において、ピン止め層２６４の磁気モーメント２６５は、負－ｙ方向にピン止めされている。自由層２６０の磁気モーメント２６１は、印加または誘導された磁場に応答して自由に回転する。ハードバイアス領域２６８Ａおよび２６８Ｂは、ピン止め層２６４の磁気モーメント２６５の方向に垂直な磁場を供給するために、自由層２６０、参照層２６２、および／またはピン止め層２６４から横方向に（サイドトラック方向と呼ばれる方向に）位置することができる。図６において、ハードバイアス領域２６８Ａ、２６８Ｂのモーメント２６９Ａ、２６９Ｂは、正のｘ方向においてページの右に向けられている。層に結合された回路２７０は、記録媒体２５０に記憶された情報を読み取るためにバイアス電圧（または、等価的に、バイアス電流）を提供する。
【0037】
図６に示すように、自由層２６０の磁気モーメント２６１は、図６では、ｘ軸に沿って、参照層２６２の磁気モーメント２６３に垂直且つピン止め層２６４の磁気モーメント２６５に垂直なページの右にある何らかのデフォルトまたは平衡方向に配向される。図６に示すように、記録媒体２５０上の「ビット」が、例示的な読み出しヘッド２４０に向かって上向きの磁場を引き起こすと、自由層２６０の磁気モーメント２６１は、上方に回転し、回路２７０によって例示的な読み出しヘッド２４０に印加されたバイアスによって生成された磁場に成分を建設的に加える。その結果、例示的な読み出しヘッド２４０の抵抗が減少する。逆に、記録媒体２５０上の「ビット」が、例示的な読み出しヘッド２４０から離れて下方を向く磁場を引き起こすと、自由層２６０の磁気モーメント２６１は、反対方向に下方に回転し、それによって回路２７０によって印加されるバイアスによって生成される磁場に破壊的成分を加える。その結果、例示的な読み出しヘッド２４０の抵抗が増大する。したがって、抵抗の変化は、記録媒体２５０上の２つの可能な「ビット」（０または１（またはその逆）として解釈することができる上または下）のうちのどれが検出されたかを示す。
【0038】
図７Ａ、図７Ｂ、および図７Ｃは、本明細書に開示されるいくつかの実施形態にかかる、これらの同じ原理を単一分子検出装置、システム、および方法にどのように適用することができるかを示している。図７Ａは、ＭＮＰ１０２が近傍にない磁気センサ１０５の部分を示している。正のｚ方向（例えば、バイアス電圧によって引き起こされる）に配向された印加磁場Ｈの存在下では、自由層２６０の磁気モーメント２６１は、ｘ軸からある角度
で、図７Ａの上部パネルに示す方向に配向される。印加磁場Ｈが負のｚ方向に配向される場合、自由層２６０の磁気モーメント２６１は、図７Ａの下側パネルに示す方向に、ｘ軸からある角度
で配向される。したがって、図示の条件下で磁気センサ１０５によって検知されるピークツーピーク電流（例えば、印加磁場の方向が反転したときのこれらの条件下での振幅の差）は、
によって与えられる。したがって、
は、ＭＮＰ１０２が存在しない場合の磁気センサ１０５のベースラインピークの正および負の電流振幅を提供する。
【数1】
【数2】
【数3】
【数4】
【0039】
図７Ｂは、磁気センサ１０５の自由層２６０の真上（ｚ方向）に位置するＭＮＰ１０２を有する磁気センサ１０５を示している。上のパネルに示すように、正のｚ方向の印加磁場Ｈは、ＭＮＰ１０２の磁気モーメントを印加磁場Ｈと実質的に同じ方向に向ける。結果として、自由層２６０の位置では、ＭＮＰ１０２によって引き起こされる磁場が印加磁場Ｈに建設的に加わり、自由層２６０の磁気モーメント２６１が、ここではｘ軸からある角度
で、印加磁場Ｈの方向により近く回転する。印加磁場Ｈが負のｚ方向に配向される場合、ＭＮＰ１０２によって引き起こされる磁場が印加磁場Ｈに建設的に加わるため、自由層２６０の磁気モーメント２６１は、ｘ軸からある角度
で図７Ｂの下のパネルに示される方向に回転する。これらの条件下で磁気センサ１０５によって検知される電流のピークツーピーク振幅は、
によって与えられる（式中、「ＭＰ」は、「磁性粒子」を表す）。自由層２６０の磁気モーメント２６１は、図７Ａに示す場合よりも印加磁場Ｈとより密接に位置合わせされているため、磁気センサ１０５の抵抗は、図７Ａの値、および
に対して減少する。
【数5】
【数6】
【数7】
【数8】
【0040】
図７Ｃは、磁気センサ１０５の自由層２６０（具体的には、ｘ方向のオフセット）から横方向にオフセットされたＭＮＰ１０２を有する磁気センサ１０５を示している。図７Ｃの上のパネルに示すように、正のｚ方向の印加磁場Ｈは、ＭＮＰ１０２の磁気モーメントを印加磁場Ｈと実質的に同じ方向に向ける。しかしながら、ここで、ＭＮＰ１０２は、自由層２６０から横方向にオフセットされているため、ＭＮＰ１０２によって引き起こされる磁場は、自由層２６０の位置において印加磁場Ｈとは反対の方向にある。したがって、ＭＮＰ１０２によって引き起こされる磁場は、自由層２６０に対する印加磁場Ｈの影響を低減し、自由層２６０の磁気モーメント２６１は、図７Ｂのその方向から回転する。ここで、自由層２６０の磁気モーメント２６１は、ｘ軸からある角度
にある。同様に、印加磁場Ｈが負のｚ方向に配向されると、自由層２６０の磁気モーメント２６１は、ＭＮＰ１０２の磁場が自由層２６０の位置において印加磁場Ｈを損なうため、図７Ｂの下のパネルに示すように、ｘ軸からある角度
で回転する。この場合、磁気センサ１０５によって検知されるピークツーピーク電流振幅は、
に減少し、ここで、
である。
【数9】
【数10】
【数11】
【数12】
【0041】
したがって、磁気センサ１０５を通る電流（または抵抗または電圧などの電流の任意の代理、または、異なるタイプの磁気センサ１０５の場合、磁気センサ１０５によって検知された磁気環境を表す何らかの他の特性）を監視することによって、以下にさらに説明するように、自由層２６０（したがって、磁気センサ１０５）に対するＭＮＰ１０２の存在および位置を検出および監視することができる。図８は、いくつかの実施形態にかかる、磁気センサ１０５に対する様々な位置におけるＭＮＰ１０２の存在下での例示的な磁気センサ１０５のナノ磁気シミュレーションの結果を示している。輪郭プロット４０２は、ＭＮＰ１０２がｘ－ｙ平面の上方１０ｎｍ（ｚ値１０ｎｍ）にあるときに、図７Ａ、図７Ｂ、および図７Ｃのｘ－ｙ平面内のＭＮＰ１０２の様々な横方向位置に対して磁気センサ１０５に作用する磁場を示している。断面４０６によって示されるように、磁気センサ１０５は、位置４０４として示されるｘ－ｙ平面内の座標（０，０）に中心が置かれる。断面４０６は、ｙ＝０の位置（輪郭プロット４０２の破線４１６で示す）および磁気センサ１０５の表面から１０ｎｍから６０ｎｍの範囲のｚ軸に沿った様々な位置における、ｘ軸に沿ったＭＮＰ１０２の横方向位置の関数としての磁場の大きさを示す。プロット４０８は、断面４０６における破線４２０に沿った磁場の大きさを示す。図示されるように、ＭＮＰ１０２が磁気センサ１０５の真上１０ｎｍにあるとき、磁場振幅は、約１００エルステッドであり、ＭＮＰ１０２が磁気センサ１０５の真上６０ｎｍにあるとき、磁場振幅は０付近である。
【0042】
断面４１２は、ｘ＝０の位置（輪郭プロット４０２の破線４１８によって示される）および磁気センサ１０５の表面から１０ｎｍから６０ｎｍの範囲のｚ軸に沿った様々な位置におけるｙ軸に沿ったＭＮＰ１０２の横方向位置の関数としての磁場の大きさを示す。プロット４１４は、ｙ軸に沿って３９ｎｍの横方向オフセットにある輪郭プロット４０２に示されている位置４１０における、断面４１２の破線４２２に沿った磁場の大きさを示す。図示されるように、ＭＮＰ１０２が磁気センサ１０５の表面から１０ｎｍ上方にあり、３９ｎｍだけ横方向にオフセットされているとき、磁場振幅は約－４エルステッドであり、ＭＮＰ１０２が磁気センサ１０５から６０ｎｍ上方にあり、３９ｎｍだけ横方向にオフセットされているとき、磁場振幅は０付近である。したがって、図８は、ＭＮＰ１０２が三次元空間内の位置を変化させるにつれて、磁場の大きさが実質的に変化することを示している。位置の僅かな変化でさえも、検出される磁場の著しい変化を引き起こす。その振幅および方向の双方の変化、ならびにこれらの変化は、磁気センサ１０５の自由層２６０によって検出することができる。したがって、ＭＮＰ１０２の位置は、イメージングシステムを使用して直接観察するのではなく、磁気センサ１０５からの信号を解釈することによって推測することができる。
【0043】
図９Ａは、ＭＮＰ１０２が検知領域２０６内に結合された状態で、ｘ－ｙ平面における表面積が約３０×４０ｎｍ２のＭＴＪである例示的な磁気センサ１０５の平面図走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である（破線は、ｘ－ｙ平面における検知領域２０６の推定境界または近似境界を示す）。図示の例示的な実施形態では、接合領域は（紙面外の）ｘ－ｚ平面に平行であり、トンネル電流は、ｙ軸方向に流れる。図９Ａは、検知領域２０６内の単一の２０ｎｍのＭＮＰ１０２を示している。磁気記録用途のために最初に開発された例示的な磁気センサ１０５の有効検知領域２０６は、記録媒体内の小さな磁区の磁化配向を検出し、かつ磁気記録の密度を最大化するために、非常に小さく（例えば、約１０５ｎｍ３から約５×１０５ｎｍ３）なるように設計されている。したがって、それは、本明細書に記載されるようなＭＮＰ１０２の確率的運動の検出によく適している。検知領域２０６の容積は任意の適切な値とすることができ、上記の範囲は、単なる例であることを理解されたい。
【0044】
図９Ｂおよび図９Ｃは、磁気センサ１０５の表面に垂直に印加される外部磁場Ｈを示す磁気センサ１０５の断面図を示している。図９Ｂでは、ＭＮＰ１０２（円として示されているが、図面が不明瞭になるのを避けるためにラベルが付されていない）は、磁気センサ１０５（同じくラベルが付されていないが、対角線で塗りつぶされて示されている）の上方に固定され、磁気センサ１０５の近傍で、磁場線は、センサ領域内で太い矢印として示されている外部磁場と位置合わせされる。上述したように、ＭＮＰ１０２が存在する場合、磁場は建設的に加わるため、磁気センサ１０５によって測定される有効磁場は増加する。
【0045】
図９Ｃでは、ＭＮＰ１０２（これもまたラベル化されていないが、斜めの塗りつぶしで示されている）は、磁気センサ１０５から横方向に離れて配置され、自由層２６０に影響を及ぼす磁場線は、外部磁場とは反対の方向を向く。この場合、上述したように、磁気センサ１０５によって測定される有効磁場は減少する。したがって、ＭＮＰ１０２の存在に起因するセンサ信号２０７への摂動は、ＭＮＰ１０２が磁気センサ１０５から横方向に離れるにつれて、正から負に急速に変化する。図９Ｂおよび図９Ｃに示すように、磁場摂動は、磁気センサ１０５に対するＭＮＰ１０２の位置に極めて敏感である。ＭＮＰ１０２の磁場線は、図９Ｂに示すようにＭＮＰ１０２が磁気センサ１０５の上方にあるときには外部磁場と位置合わせするが、図９Ｃに示すようにＭＮＰ１０２が横方向に変位するときには反対方向を指す。
【0046】
センサ信号２０７に対するＭＮＰ１０２の動きの影響は、図９Ｂおよび図９Ｃの曲線２０９によって概略的に示されている。磁気センサ１０５の近傍にテザリングされたＭＮＰ１０２は、ＭＮＰ１０２の磁気モーメントを特定の方向に固定するために外部磁場が印加されている間にＭＮＰ１０２が動き回るときに、センサ信号２０７に動的確率的摂動を誘発する。磁気センサ１０５の応答は、ＭＮＰ１０２の面内（ｘ－ｙ平面内）および面外（ｚ軸に沿った）運動の双方の影響を受ける。外部磁場が印加されていない場合であっても、磁気モーメントが十分に高いＭＮＰ１０２の存在を磁気センサ１０５によって検出することができる。換言すれば、開示された実施形態は、例えば、超常磁性および強磁性ＭＮＰとともに使用することができる。
【0047】
従来のＴＰＭシステムにおいて使用される映像イメージングシステムでは、時間平均（露光時間）および観測の頻度（フレームレート）の結果がよく理解されている。露光時間およびフレームレートは、自由に拡散するブラウン粒子の追跡を制限しないが、生物系におけるテザリングされたナノ粒子などの異常な（または限定された）拡散を受ける粒子の観察に深刻な影響を及ぼす。そのような粒子のイメージングにおける時間平均は、観測された速度が観測の持続時間に依存するため、報告された運動の見かけの特性に重大な結果をもたらす可能性がある。露光時間が長すぎる極端な場合、粒子は、ぼやけ、何らかの平衡位置において静止しているように見える。これらの欠点は、本明細書に記載の磁気センサ１０５を使用するシステム、装置、および方法によって軽減または克服することができる。
【0048】
磁気センサ１０５がセンサ信号２０７の変化を検出する能力は、検出回路（例えば、以下に説明するように、検出増幅回路、他の検出電子回路）の応答性に依存する。例えば、磁気センサ１０５の応答が遅すぎる（例えば、例えば、サンプリングレートなどの検出回路の制限に起因して）場合、監視装置またはシステムは、図２Ｃおよび図２Ｄに示すプロセス中にＭＮＰ１０２が異なる平衡位置に移動したときを検出することができることがあるが、平衡位置に影響を与えずにＭＮＰ１０２の統計的速度を変化させるプロセス、例えば、図２Ａおよび図２Ｂに示す分子結合および立体配座の変化を検出することができないことがある。
【0049】
空間および時間の双方で粒子の位置を追跡するために一連の粒子画像を生成する映像イメージングシステムとは異なり、磁気センサ１０５は、ＭＮＰ１０２に衝突する溶液の分子によって引き起こされるランダムな一連の同様の（ただし同一ではない）衝撃またはパルスに対する時間応答を生成する。自由拡散ＭＮＰ１０２は、ＭＮＰ１０２の動きを検出することができる磁気センサ１０５の応答時間およびサンプリングレートを推定するために考慮することができる。自由拡散ＭＮＰ１０２は、長い可撓性ポリマー（例えば、バイオポリマー１０１）によって磁気センサ１０５の表面にテザリングされたＭＮＰ１０２の場合の良好な第１の近似である。ポリマーの長さは、検知領域２０６の寸法よりもかなり長いと仮定される。この制約は、ＭＮＰ１０２が磁気センサ１０５からあまりにも遠くに拡散する（例えば、長期間にわたって検知領域２０６の外にある）のを防止することによって検出の確率を高めるが、そうでなければその動きを制約せず、それは依然として単純なブラウン運動とみなすことができる。
【0050】
流体の分子との衝突による流体中の粒子のランダムな動きは、ランジュバン方程式を解くことによって数学的に記述することができる。これは、粘性または摩擦を説明する速度減衰項を有する運動方程式である。短時間スケールでの粒子の平均二乗変位（ＭＳＤ）は、以下によって与えられる：
式中、ｋＢはボルツマン定数であり、Ｔは温度であり、ｍは粒子質量であり、ｔは観察時間である。これは、約
の平均速度を有する熱力学的平衡下での自由粒子運動を本質的に説明する。室温（ＲＴ）（２９８Ｋ）におけるｋＢＴの値は４．１１×１０－２１Ｊであり、酸化鉄の例示的なＭＮＰ１０２は、約５ｇ／ｃｍ３の密度を有する。これは、２０ｎｍの球状粒子の質量を約２×１０－２０ｋｇとし、約０．８ｍ／ｓの平均粒子速度を与える。これは、このサイズのコロイド状ナノ粒子の視覚的に観察される速度よりもかなり大きい。そのような速度は、ナノメートル以下の空間分解能と、周囲の液体によって与えられる平均抗力を受ける粒子の緩和時間（τＢ）よりも短い制限応答時間とを有する機器を使用してのみ測定することができる。粒子の初期速度は、
のように減少し、緩和時間は、以下によって流体の粘度（η）に関連する：
式中、ａは粒子半径である。水の粘度（室温で
に代入すると、約０．１ｎｓの緩和時間を生み出し、これは、映像イメージングシステムの応答時間を下回るが、いくつかの磁気センサ１０５の範囲内である。より長いタイムスケール
では、粒子ＭＳＤは、以下のように時間的に線形に成長する：
これは、水分子との衝突によるランダムな拡散を説明する。ストークス－アインシュタイン方程式からの微視的拡散係数である。２０ｎｍ酸化鉄ＭＮＰ１０２のブラウン運動Ｄ≒２．５×１０７ｎｍ２／ｓはかなり速く（約０．２５ｍｍ／ｓ）、約１００×１３０ｎｍの有効検知領域にわたって拡散するには平均で約０．２ｍｓかかる。これは、例えばナノ秒単位の応答時間でギガヘルツ領域で動作することができる適切に設計された市販の磁気センサ１０５の範囲内に十分に含まれる。
【数13】
【数14】
【数15】
【数16】
【数17】
【数18】
【数19】
【0051】
緊密に閉じ込められたナノ粒子（例えば、テザーの長さ≒磁気センサ１０５の検知領域２０６のサイズ≒ＭＮＰ１０２のサイズ）の動きに対する磁気センサ１０５の応答は、かなり解釈が困難である。ＭＮＰ１０２は、検知領域２０６内で局所的にのみ拡散しており、その見かけの拡散係数（自由拡散当量）は、時間平均によって著しく影響を受ける。ＭＮＰ１０２の運動に起因して到達する（例えば、センサ信号２０７の）信号パルスは、離散的でも、明確に定義されてもいない。ＭＮＰ１０２の動きは、固有の磁気センサ１０５のノイズに加えられ、検出されたセンサ信号２０７のノイズ特性を変化させるランダムノイズの別の発生源を生成する。ＭＮＰ１０２の動きの変化を検出するために、以下にさらに説明するように、検知帯域幅にわたる信号スペクトルとノイズスペクトルとの間の差を利用することができる。エネルギー検出または自己相関などの様々な先進的な検知スキームが、低信号対雑音比（ＳＮＲ）条件における検出を改善するために以下に記載されるように開発されて実装される。
【0052】
ＭＮＰ１０２の存在および位置が磁気センサ１０５にどのように影響するかを理解するのを助けるために、物理的問題を定義することができる。図１０Ａは、例示的なモデルを提示する。磁気センサ１０５の表面には、テザーによってＭＮＰ１０２が結合されている。（磁気センサ１０５の表面自体は、実際には、テザー（例えば、バイオポリマー１０１）、ＭＮＰ１０２、および絶縁体などの何らかの種類の保護バリアによってＭＮＰ１０２に作用する任意の流体から物理的に分離されてもよいことを理解されたく、本明細書の他の箇所でさらに説明される。本明細書が「磁気センサ１０５の表面」に言及する場合、それは簡単にするためであり、磁気センサ１０５の表面は露出していなくてもよく、物理的に近くにあることを理解されたい。）例えば、テザー（バイオポリマー１０１）は、図１０Ａに示すようにペグ／ビオチン／ストレプトアビジンを含むことができる。周囲溶液の分子がＭＮＰ１０２と衝突すると、ＭＮＰ１０２は、確率的ブラウン摂動を介して移動する。運動を、一次元高調波ポテンシャルとして近似することができる。具体的には、図１０Ａに示すように、ＭＮＰ１０２は、ばね上の質量（例えば、バイオポリマー１０１）と考えることができる。重力を無視すると、駆動力は、ブラウン関数的且つ確率的であり、周囲の溶液の分子がＭＮＰ１０２と衝突することによって引き起こされる。ブラウン駆動力は、ＭＮＰ１０２の直径および温度（ケルビン度）の関数であり、
として表することができる。ばね復元力および液体減衰力は、いずれも決定論的であり、駆動力に対抗する。ばね復元力は、
として表すことができ、ここで、Ｋは、分子テザーのばね定数（例えば、バイオポリマー１０１）であり、ｘは、ＭＮＰ１０２の位置である。決定論的液体減衰力は、
として表することができ、ここで、ηは、周囲の液体の動粘度（室温における水の場合、それはおよそ
である）であり、ｄは、ＭＮＰ１０２の直径である。
【数20】
【数21】
【数22】
【数23】
【0053】
高調波ポテンシャル場における時間ｔ０における初期位置ｘ０が与えられた位置ｘおよび時間ｔにおける拡散球状粒子の分布確率Ｐの一次元時間開法は、運動方程式によって与えられる：
溶液を有する、
式中、
であり、緩和時間τは
である。緩和時間τは、パワースペクトル密度（ＰＳＤ）において、本明細書でコーナー周波数ｆｃと呼ばれるものに関連し、ここで、ｆｃ＝１／πτである。したがって、コーナー周波数は、以下のように近似することができる。
【数24】
【数25】
【数26】
【数27】
【数28】
【0054】
図１０Ｂは、「捕捉電位における拡散粒子の動的分析」と題するＭ．Ｌｉｎｄｎｅｒらによる論文の図１の再現である。（Ｍ．Ｌｉｎｄｎｅｒら，「Ｄｙｎａｍｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａ ｄｉｆｆｕｓｉｎｇ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｉｎ ａ ｔｒａｐｐｉｎｇ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ」，Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｅ ８７，０２２７１６（２０１３）を参照されたい。）図１０Ｂは、ＤＮＡ鎖によって印加された調和電位において拡散する単一粒子の図表現である。上のパネルは、２つの立体配座を示し、下のパネルは、ボルツマン定常状態分布、ならびにｘ０＝－６５０ｎｍの値を有する０．０１τ、０．１τおよび１０τの
の値の確率分布を示す。したがって、下のパネルは、ＭＮＰ１０２が特定の時間に特定の位置を占める確率を提供する。
【数29】
【0055】
ＭＮＰ１０２の存在および動きが磁気センサ１０５によって提供されるセンサ信号２０７にどのように影響するかを説明するために、まず、図１１Ａに示すように、光学的手法を使用した思考実験を考える。ＭＮＰ１０２は、２０ｎｍの直径を有し、テザー（例えば、ペグ／ビオチン／ストレプトアビジン）によって装置の表面に結合されていると仮定する。さらに、ＭＮＰ１０２の直径に匹敵する波長の光を生成することができる光源が存在し、フォトダイオード５０２が、装置の表面に結合したＭＮＰ１０２によって特定の方向に反射された光子を検出すると仮定する。ＭＮＰ１０２が静止しており、光源によって照明される場合、反射光の強度は、経時的に一定のままである。したがって、フォトダイオード５０２の信号５０５のＰＳＤは、フォトダイオード５０２によってもたらされるノイズの表示を提供する。換言すれば、ＭＮＰ１０２が動いていない限り、フォトダイオード５０２信号のノイズは、完全にフォトダイオード５０２の特性に起因する。フォトダイオード５０２のノイズフロアを白色（例えば、熱ノイズまたはジョンソン－ナイキストノイズ）とすると、図１１Ｂの一点鎖線に示すように、ノイズのスペクトルは、ある程度低いレベルでほぼ平坦になる。ＭＮＰ１０２が動くことが可能になると、確率的摂動は、（テザーがＭＮＰ１０２の浮遊を防止するため）ＭＮＰを限定されたブラウン運動で移動させる。限定されたブラウン運動のＰＳＤは、ローレンツ関数であり、これは以下の形態のＰＳＤを有する。
式中、上記で説明したように、コーナー周波数
である。再び図１１Ｂを参照すると、ＭＮＰ１０２が限定されたブラウン運動で動くことが可能なときのフォトダイオード５０２信号５０５の全体的なＰＳＤは、フォトダイオード５０２自体のホワイトノイズと、ＭＮＰ１０２の限定されたブラウン運動に起因するローレンツ関数との和である。全体的なノイズＰＳＤは、１０ｋＨｚ付近のより低い周波数の肩部（コーナー周波数）と、３００ｋＨｚ付近のより高い周波数の肩部とを有し、フォトダイオード５０２のノイズフロアが全体的なノイズＰＳＤを支配し始める。
【数30】
【数31】
【0056】
限定されたブラウン運動のＰＳＤ（シグネチャと考えることができる）がローレンツ関数であることが分かると、移動するＭＮＰ１０２の非存在下および移動するＭＮＰ１０２の存在下での磁気センサ１０５からのセンサ信号２０７の予想されるＰＳＤは、最初にその近傍にＭＮＰ１０２のない磁気センサ１０５のノイズＰＳＤを考慮し、次にそのノイズＰＳＤに対するＭＮＰ１０２の効果がどのようであるべきかを評価することによって同様に決定することができる。図１２Ａは、図６の説明において前述したものと同様の構成を有する例示的な磁気センサ１０５を示している。図１２Ａにも示されている図６の構成要素の説明は、図１２Ａに適用され、繰り返されない。
【0057】
完全なＭＴＪのノイズＰＳＤは、１／ｆ挙動を示す（それは１０ｄＢ／１０進だけ減少する）。図１２Ｂは、選択されたバイアス電圧（以下にさらに説明する）によって駆動される完全なＭＴＪである例示的な磁気センサ１０５の予想ノイズＰＳＤと、ＭＮＰ１０２の限定されたブラウン運動のＰＳＤを特徴付けるローレンツ関数とをプロットしている。図１２Ｂの例では、ローレンツ関数は、約２ｋＨｚから約７０ｋＨｚの周波数範囲で磁気センサ１０５のノイズＰＳＤを超える。結果として、対数／対数スケールでは、全体的なＰＳＤは、この周波数範囲において１４０とラベル付けされた識別可能な「バンプ」を有する。したがって、磁気センサ１０５がＭＮＰ１０２の存在に感度を有する場合、その感度は、センサ信号２０７のＰＳＤ内の識別可能なバンプ１４０として現れる。以下にさらに詳細に説明するように、ローレンツ関数が磁気センサ１０５のノイズＰＳＤを超えるかどうか、およびどの周波数範囲で超えるかは、磁気センサ１０５の設計および磁気センサ１０５を駆動するために使用されるバイアス電圧（または電流）、ならびにローレンツ関数のコーナー周波数を決定する上述した要因（例えば、分子テザーのばね定数、ＭＮＰ１０２の直径、ＭＮＰ１０２を取り囲む液体の動粘度）を含む様々な要因に依存する。
【0058】
上記の理論的分析を検証するために、本発明者らは、ＭＴＪの形態の磁気センサ１０５を使用して実験を行い、収集されたセンサ信号２０７のＰＳＤが実際に上記で導出された挙動を示すかどうかを判定した。図１３は、実験の図示である。最初に、最も左のパネルによって示されるように、外部磁場が印加され、センサ信号２０７が捕捉されて、（上述したように、理想的には、１／ｆプロファイルを有する）ＭＮＰ１０２が存在しない場合の磁気センサ１０５のノイズＰＳＤを決定した。次に、外部磁場がオフにされ、上述したようにペグ／ビオチン／ストレプトアビジンを用いてＭＮＰ１０２（直径２０ｎｍ）が表面１１７にテザリングされた。磁気センサ１０５にバイアス電圧が印加され、磁気センサ１０５の近傍に磁界を発生させた。この磁場に応答して、ＭＮＰ１０２の磁化は、磁場と位置合わせしてそれ自体を配向し、次いで上述したように制約されたブラウン運動で移動した。図１３の中央および右端のパネルにグラフで示されているように、ＭＮＰ１０２が動き回るときに、磁気センサ１０５の磁気モーメントと磁気センサ１０５の自由層２６０の磁気モーメント２６１との間の双極子相互作用を捕捉するために、センサ信号２０７が捕捉された。
【0059】
図１４は、試験された３つの磁気センサ１０５の測定されたＰＳＤを示している。１６１とラベル付けされた円付きの各一点鎖線は、試験された磁気センサ１０５（いかなるＭＮＰ１０２もない）のうちの１つのノイズＰＳＤであり、１６２とラベル付けされた菱形付きの各実線は、ＭＮＰ１０２と磁気センサ１０５とを組み合わせたＰＳＤである。図１４のプロットに示すように、結合されたＰＳＤのそれぞれは、ＭＮＰ１０２が検出されたときに予想される特性バンプ１４０を有する。したがって、実験は、約１０ｍＶのバイアス電圧に対して、テザリングされたＭＮＰ１０２が高調波電位に閉じ込められた粒子のように挙動することを確認した。さらに、そのＰＳＤは、図１４に示すように、約４８８Ｈｚから１２０ｋＨｚの範囲のローレンツ関数で表すことができる。図１４に示すように、各ローレンツ関数のコーナー周波数は、磁気センサ１０５毎に若干異なるが、いずれも４５ｋＨｚ前後である。図１４は、３つの例示的な磁気センサ１０５からのデータのみを示しているが、他の試験された磁気センサ１０５も同様に挙動した。全ての実験において、ＭＮＰ１０２の限定されたブラウン運動によるローレンツ関数のコーナー周波数は、約４５ｋＨｚであることが分かった。
【0060】
上記で説明したように、コーナー周波数は、選択されたテザー（例えば、バイオポリマー１０１）、具体的には、そのばね定数に依存する。ポリマーテザーは、Ｐ－Ｇ．ｄｅ Ｇｅｎｎｅｓによる「Ｓｃａｌｉｎｇ Ｃｏｎｃｅｐｔｓ ｉｎ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｐｈｙｓｉｃｓ」（コーネル大学出版局、イサカ、１９７９年）に記載されているように、「エントロピー」ばねと考えることができる。コイルをその平衡サイズから引き伸ばすまたは圧縮することは、可能な立体配座の数を減少させ、したがってエントロピーを減少させる。その結果、自由エネルギーが増大する。自由エネルギーは、鎖サイズの変化において二次式であり、ばね定数は、以下によって与えられる。
式中、Ｒはコイルのサイズ、Ｔは温度、ｋＢはボルツマン定数である。いくつかの実施形態では、軟性および短分子テザーを使用して、ＭＮＰ１０２を磁気センサ１０５の検知領域２０６に保持することと、コーナー周波数（したがって、システムのサンプリングレートおよび関連するアナログデジタル複雑度）を小さいＭＮＰ１０２にとって妥当なものに保つこととの双方を行うことが望ましい。前述のペグ／ビオチン／ストレプトアビジンテザーに加えて、ＲＮＡ、好中球微絨毛、ＰＥＧ３３００、ＰＥＧ６２６０、およびポリ（スチレン）は、全て、適切なテザーの例である。
【数32】
【0061】
上述したように、磁気センサ１０５に印加されるバイアス電圧は、ＭＮＰ１０２が存在するときに測定されたセンサ信号２０７においてＰＳＤ全体の特性バンプ１４０が明らかであるかどうか、およびどの程度までであるかに影響を及ぼす。ＭＮＰ１０２の存在および動きを検出するために、磁気センサ１０５のノイズＰＳＤに追加して検出された全体ＰＳＤをもたらすことができるローレンツ関数を見つけることが望ましい。図１５Ａ、図１５Ｂ、図１５Ｃ、図１５Ｄ、および図１５Ｅは、この手順に対するバイアス電圧の影響を調査するために行われた実験の結果を示している。図１５Ａは、バイアス電圧が１１ｍＶのときの結果を示している。図１５Ｂは、バイアス電圧が２５ｍＶのときの結果を示している。図１５Ｃは、バイアス電圧が５０ｍＶのときの結果を示している。図１５Ｄは、バイアス電圧が７５ｍＶのときの結果を示している。図１５Ｅは、バイアス電圧が１００ｍＶのときの結果を示している。
【0062】
図１５Ａ、図１５Ｂ、図１５Ｃ、図１５Ｄ、および図１５Ｅの間の比較が示すように、より高いバイアス電圧では、ＭＮＰ１０２の限定されたブラウン運動を表すローレンツ関数を測定データにフィッティングさせることがますます困難になる。より高いバイアス電圧の使用は、超拡散の開始をトリガしている可能性があり、その場合、ＭＮＰ１０２の動きはもはやブラウン運動ではなく、駆動された動きになる（例えば、ＭＮＰ１０２は、追加の力の影響を受け、限定されたブラウン運動で移動するよりも速く移動する）。磁気センサ１０５が、単にＭＮＰ１０２を観察するのではなく、ＭＮＰ１０２の動きに影響を及ぼす（駆動する）場合、超拡散が生じることができる。より高いバイアス電圧の結果として、ＰＳＤ全体の高周波テールの勾配は２よりも大きくなり、これは超拡散の特徴である。本発明者らの実験では、より高いバイアス電圧に対して、ＭＮＰ１０２のＰＳＤは、ローレンツ関数によってではなく、むしろ関数によって表すことができないことが分かった。
式中、βは２よりも大きい値である。図１５Ａ、図１５Ｂ、図１５Ｃ、図１５Ｄ、図１５Ｅの各バイアス電圧についてのβの値が図に示されている。すなわち、図１５Ａ、図１５Ｂ、図１５Ｃ、図１５Ｄ、図１５Ｅに示す実験結果は、バイアス電圧が大きすぎると系が非線形となり、予測できなくなることを示している。
【数33】
【0063】
超拡散を考慮して数学的モデルを調整するために、上記で導出された一次元高調波電位近似は、磁気センサ１０５のバイアス電圧によって引き起こされる磁力を表す成分を含むように修正することができる。図１６は、磁気センサ１０５がＭＮＰ１０２の動きに影響を及ぼすことに起因する成分を含むようにモデルがどのように修正することができるかを示している。ここでも、ＭＮＰ１０２は、テザー（例えば、バイオポリマー１０１）であるばね上の質量であると考えられる。ブラウン駆動力、液体減衰力、およびばね復元力は同じであり、図１０Ａに示され、上記の図の説明で説明されている。これらの力に加えて、図１６のモデルは、以下のように表される、磁気センサ１０５によって引き起こされる磁力を加える。
式中、
はＭＮＰ１０２の磁気モーメントであり、
はＭＮＰ１０２の位置における磁場である。磁場勾配内の調和ポテンシャル場における時間ｔ０におけるその初期位置ｘ０を考慮した、位置ｘおよび時間ｔにおける拡散球状粒子の分布確率Ｐの一次元時間発展は、運動方程式によって与えられる：
この式は、既知の解析解を有しない。したがって、流体力学的半径とコーナー周波数との関係は、これらの状況下では知られていない。
【数34】
【数35】
【数36】
【数37】
【0064】
超拡散の開始を回避し、磁気センサ１０５がその動きに実質的に影響を及ぼすことなくＭＮＰ １０２が限定されたブラウン運動で動くことを可能にするために、磁気センサ１０５のバイアス電圧は、ＭＮＰ１０２の存在によって引き起こされる特性バンプ１４０がＰＳＤ全体に存在するのに十分低く保たれるべきであり、上述したようなＭＮＰ１０２の限定されたブラウン運動を表すローレンツ関数とフィッティングさせることができる。別の言い方をすれば、測定されたＰＳＤデータをローレンツ関数にフィッティングさせることが不可能である場合、磁気センサ１０５を駆動するために使用されるバイアス電圧は高すぎる可能性があり、低減する必要があり得る。
【0065】
上述した説明は主にＭＴＪセンサに焦点を当てているが、ＳＶセンサについていくつか説明すると、磁気センサ１０５は、任意の種類の磁気センサとすることができることを理解されたい。実験および実施例におけるＭＴＪの使用は、限定を意図するものではない。適切な磁気センサ１０５は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサ、ホール効果装置、スピンバルブ、およびスピン蓄積センサを含むが、これらに限定されない。一般に、磁気センサ１０５は、ＭＮＰ１０２の有無および／または動きをセンサ信号２０７から検出することを可能にすることができる任意の磁気センサとすることができる。
【0066】
さらなる実施例
本明細書に記載の動的スペクトルバイオセンシング技術の実現可能性および実施を実証するために、緩衝液のイオン強度を変化させることによって誘導される例示的なバイオポリマー１０１、ｓｓＤＮＡの立体構造変化を、フローセル内に位置する磁気センサ１０５を使用して監視した。
本明細書に記載の動的スペクトルバイオセンシング技術の実現可能性および実施を実証するために、緩衝液のイオン強度を変化させることによって誘導される例示的なバイオポリマー１０１、ｓｓＤＮＡの立体構造変化を、フローセル内に位置する磁気センサ１０５を使用して監視した。
【0067】
実施した３段階の実験が、図１７Ａ、図１７Ｂおよび図１７Ｃに概略的に示されている。最初に、図１７Ａに示すように、銅触媒アジド－アルキンクリックケミストリーを使用して、１５０ヌクレオチド（ｎｔ）のｓｓＤＮＡの５’末端を磁気センサ１０５の検知領域２０６内の装置の表面１１７に最初に結合させた。次いで、３’末端ビオチン化２０－ｍｅｒをｓｓＤＮＡの３’末端にハイブリダイズさせた。したがって、図１７Ａは、ＭＮＰ１０２が結合される前の磁気センサ１０５の近くの表面１１７に結合した例示的な１５０ｎｔのｓｓＤＮＡを示している。ｓｓＤＮＡは、磁気センサ１０５がｓｓＤＮＡの他端に結合したＭＮＰ１０２を検出することができるように、磁気センサ１０５の近傍の表面１１７に結合している。実験では、次に、均一な１５エルステッド外部磁場を磁気センサ１０５の露出面に垂直な方向（図１７Ａのｚ軸に沿って、正方向および負方向の双方）に印加し、ＭＮＰ１０２が存在しない状態でセンサ信号２０７を記録した。
【0068】
次に、ストレプトアビジン被覆２０ｎｍのＭＮＰ１０２をｓｓＤＮＡテザー（バイオポリマー１０１）の端部に結合した。図１７Ｂは、ストレプトアビジン被覆２０ｎｍのＭＮＰ１０２が結合したｓｓＤＮＡテザーを示している。図１７Ｂに示すように、テザリングされた２０ｎｍのＭＮＰ１０２は、磁気センサ１０５の近くにある（例えば、一般にその検知領域２０６内にある）。ＭＮＰ１０２がストレプトアビジンによってコーティングされて、ｓｓＤＮＡテザーに強く結合することを可能にする。ＭＮＰ１０２に重なる矢印は、ＭＮＰ１０２の確率的運動の程度を表す。センサ信号２０７を１０ｍＭのトリス緩衝液中で記録した。
【0069】
例えば、Ｍｇ２＋イオンの添加は、ｓｓＤＮＡの圧縮を引き起こす。したがって、ｓｓＤＮＡに結合したＭＮＰ１０２の限定された確率的運動は、Ｍｇ２＋イオンの添加時に減衰するべきである。（同様の挙動が、ポリウリジン（Ｕ）メッセンジャー（ｍ）ＲＮＡにおいてＴＰＭによって観察された。）そこで、試験では、溶液にマグネシウムイオンを添加した。図１７Ｃは、マグネシウムイオンの添加およびその後のｓｓＤＮＡテザーの圧縮後の例示的な状態を示している。図１７Ｂと比較して、ＭＮＰ１０２の確率的運動は、ＭＮＰ１０２を覆う短い矢印によって表されるように減衰される。センサ信号２０７が１５ｍＭのトリス－ＭｇＣｌ２緩衝液中で記録された。
【0070】
図１７Ａ、図１７Ｂ、および図１７Ｃの上述した説明は、ただ１つのＭＮＰ１０２およびただ１つの磁気センサ１０５を記載しているが、試験は、一連の磁気センサ１０５、複数のＭＮＰ１０２、および複数のｓｓＤＮＡ断片（バイオポリマー１０１）を使用した。試験では、フローセルの表面に固定化されたｓｓＤＮＡの密度は制御されず、特定の観察されたＭＮＰ１０２が複数のＤＮＡ鎖によって表面に結合した可能性がある。（この可能性を軽減または排除するための単一分子システムは、例えば、図１９Ａ、図１９Ｂ、図１９Ｃ、図１９Ｄ、および図１９Ｅの文脈で以下に説明される。）したがって、結合されたＭＮＰ１０２の密度は、検知領域２０６内にただ１つのＭＮＰ１０２が存在することを確実にするように、磁気センサ１０５の近傍に単一または少数のＭＮＰ１０２のみがテザリングされた磁気センサ１０５が存在することを確実にするように調整された。いくつかのそのような磁気センサ１０５が特定され、それらの磁気センサ１０５の記録されたセンサ信号２０７は、６ｋＨｚの中程度のサンプリングレートでサンプリングされた。記録されたセンサ信号２０７および２つのそのような代表的な磁気センサ１０５の対応する自己相関関数が図１８Ａ、図１８Ｂ、および図１８Ｃに示されている。
【0071】
図１８Ａは、２つの磁気センサ１０５のそれぞれの近くであるが任意のＭＮＰ１０２の結合前の表面１１７に１５０ｎｔのｓｓＤＮＡ（例えば、各バイオポリマー１０１）を結合した（固定した）後の、印加された外部磁場Ｈの存在下での２秒の期間にわたる、「センサ１」および「センサ２」と示される２つの異なる例示的な磁気センサ１０５の例示的な記録された電流変動（例えば、センサ信号２０７）を示している。その状態が図１８Ａの最上段（非プロット）に示されている。換言すれば、強度対時間のプロットによって示される、２つの磁気センサ１０５のそれぞれについて記録された電流変動は、図１７Ａに示す段階についての２つの磁気センサ１０５、センサ１およびセンサ２のバックグラウンドまたはベースラインセンサ信号２０７である。測定されたセンサ信号２０７の正および負の自己相関関数もまた、センサ１およびセンサ２のそれぞれについて図１８Ａに示されている。各自己相関プロットの滑らかな一点鎖線の曲線は、それぞれのベースライン測定センサ信号２０７の平均自己相関である。
【0072】
図１８Ｂは、センサ１およびセンサ２の測定されたセンサ信号２０７（強度対時間）、ならびに試験においてＤＮＡ鎖のそれぞれの末端につながれたそれぞれの２０ｎｍのＦｅ３Ｏ４粒子であったＭＮＰ１０２の結合後およびトリス緩衝液の添加後のそれらの自己相関関数を示している。図１８Ｂは、ｓｓＤＮＡがその伸長した立体配座にあり、図１７Ｂに示される段階に対応する場合の結果を提供している。段階は、図１８Ｂの最上段（非プロット）に示されている。ＭＮＰ１０２の導入は、それぞれのセンサ信号２０７における記録された電流変動および自己相関関数の双方を図１８Ａに対して変化させる。例えば、図１８Ａと図１８Ｂとの比較が示すように、センサ１の正および負の自己相関関数は、約１ｍｓから２００～３００ｍｓの遅延時間の間、ベースラインセンサ信号２０７に対して上方にシフトするが、センサ２の自己相関関数は、一般に、約１ｍｓから約５０ｍｓの遅延時間の間、ベースラインセンサ信号２０７に対して下方にシフトする。したがって、検知領域２０６内のＭＮＰ１０２の存在は、図１８Ａのベースラインに対する自己相関関数のシフトから推測することができる（ＭＮＰ１０２が存在しない場合）。
【0073】
図１８Ｃは、センサ１およびセンサ２の測定されたセンサ信号２０７（強度対時間）、ならびにＤＮＡテザー（例えば、バイオポリマー１０１）がＭｇ２＋イオンの導入によって圧縮されたときのそれらの自己相関関数を示している。すなわち、図１８Ｃは、図１７Ｃに示す段階に対応する。段階は、図１８Ｃの最上部（非プロット）部分によって示されている。図１８Ｂの自己相関関数を図１８Ｃおよび／または図１８Ａの自己相関関数と比較すると、立体配座の変化が自己相関関数において検出可能であることが明らかになる。例えば、センサ１について図１８Ｂに示す自己相関関数と比較して、正および負の自己相関関数は、Ｍｇ２＋イオンの添加後１ｍｓから約６０～７０ｍｓの遅延時間の間に僅かに下方にシフトし、約３００ｍｓを超える遅延時間の平均自己相関関数により近くなる。同様に、センサ２について図１８Ｂに示す自己相関関数と比較して、Ｍｇ２＋イオンの添加によって引き起こされるｓｓＤＮＡの立体配座の変化は、約１ｍｓから約５０ｍｓの遅延時間について正および負の自己相関関数の下方へのシフト、および約２００～３００ｍｓの遅延時間について上方へのシフトとして現れる。したがって、図１８Ａ、図１８Ｂ、および図１８Ｃに示すように、３つの状態間でノイズ自己相関関数の有意な変化が観察され、それによってセンサ１およびセンサ２の検知領域２０６内のＭＮＰ１０２の有無および動きの双方を検出および／または監視することを可能にする。
【0074】
図１８Ａ、図１８Ｂ、および図１８Ｃに記載および示された結果は、磁気センサ１０５がＭＮＰ１０２の平均平衡位置の変化を検出することができるだけでなく、単一分子プロセスによって誘発されるノイズ変動の小さな可逆的変動も監視することができることを確認する。単一分子感度を有する何十億ものそのような磁気センサ１０５は、半導体およびデータストレージ産業によって開発された既存の成熟した技術および大量生産能力を利用しながら、診断および薬物発見のための次世代ハイスループットシステムを作成するために、ＣＭＯＳプラットフォーム（例えば、東芝の４Ｇビット密度ＳＴＴ－ＭＲＡＭチップと同様）上に潜在的に集積することができる。
【0075】
本明細書に記載の実験が示すように、特定の試験された磁気センサ１０５の固定層と自由層との間の結合は、バイオセンシングに適している。これらの磁気センサ１０５は、適切な磁気センサ１０５の一例である。バイオセンシング用途または特定のタイプのＭＮＰ１０２に最適化されたＦＭ１とＦＭ２との間の結合を有する他の磁気センサ１０５も使用することができ、実験で使用された例示的な磁気記録センサよりも良好に機能することができる。
【0076】
監視装置およびシステム
以下にさらに説明するように、いくつかの実施形態では、バイオポリマー１０１に結合されたＭＮＰ１０２の動きを監視するためのシステム１００は、流体チャンバ１１５と、少なくとも１つのプロセッサ１３０と、磁気センサ１０５とを備えることができる。流体チャンバは、バイオポリマー１０１の端部を流体チャンバ１１５の表面に固定し、かつＭＮＰ１０２が（例えば、周囲の流体の分子が衝突すると）動くことが可能なように構成された結合部位１１６を含む。結合部位１１６は、バイオポリマー１０１を結合部位１１６に固定するように構成された構造（例えば、空洞または隆起部）を含むことができる。
以下にさらに説明するように、いくつかの実施形態では、バイオポリマー１０１に結合されたＭＮＰ１０２の動きを監視するためのシステム１００は、流体チャンバ１１５と、少なくとも１つのプロセッサ１３０と、磁気センサ１０５とを備えることができる。流体チャンバは、バイオポリマー１０１の端部を流体チャンバ１１５の表面に固定し、かつＭＮＰ１０２が（例えば、周囲の流体の分子が衝突すると）動くことが可能なように構成された結合部位１１６を含む。結合部位１１６は、バイオポリマー１０１を結合部位１１６に固定するように構成された構造（例えば、空洞または隆起部）を含むことができる。
【0077】
磁気センサ１０５は、例えば、ＭＴＪまたはＳＴＯを含むことができる。磁気センサ１０５は、流体チャンバ１１５内にＭＮＰ１０２を検出することができる検出領域２０６を有する。検知領域２０６は、例えば、約１０５ｎｍ３から約５×１０５ｎｍ３の間の容積を有することができる。検知領域２０６は、結合部位１１６を含む。磁気センサ１０５は、検知領域２０６内の磁気環境（例えば、ＭＮＰ１０２の有無および／または位置）を特徴付けるセンサ信号２０７を生成し、かつセンサ信号２０７を少なくとも１つのプロセッサ１３０に提供するように構成される。センサ信号２０７は、電流、電圧、抵抗、ノイズ（例えば、周波数ノイズまたは位相ノイズ）、周波数または周波数の変化（例えば、発振周波数またはローレンツコーナー周波数）などのうちの１つ以上を伝達（例えば、報告）することができる。
【0078】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つのプロセッサ１３０は、（ａ）第１の検出期間中の検出領域２０６内の磁気環境を表すセンサ信号２０７の第１の部分を取得し、（ｂ）第１の検出期間の後である第２の検出期間中の検出領域２０６内の磁気環境を表すセンサ信号２０７の第２の部分を取得し、（ｃ）センサ信号２０７の第１の部分および第２の部分を分析して、テザリングされたＭＮＰ１０２の動きを検出することが可能な機械実行可能命令を実行するように構成される。例えば、以下にさらに説明するように、少なくとも１つのプロセッサ１３０は、信号の第１の部分の第１の自己相関関数を決定し、信号の第２の部分の第２の自己相関関数を決定し、第１の自己相関関数および第２の自己相関関数を分析して（例えば、第１の自己相関関数と第２の自己相関関数とを比較する）、テザリングされたＭＮＰ１０２の動きを検出することができる。少なくとも１つのプロセッサ１３０は、時間領域、周波数領域、またはその双方において、センサ信号２０７またはその一部を処理することができる。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのプロセッサ１３０は、ＭＮＰ１０２の限定されたブラウン運動を特徴付けるローレンツ関数を決定するように構成される。
【0079】
システム１００は、磁気センサ１０５および少なくとも１つのプロセッサ１３０に結合された検出回路１２０をさらに含むことができる。回路１２０は、例えば、少なくとも１つのプロセッサ１３０が磁気センサ１０５を読み取ったり問い合わせたりすることを可能にする１つ以上のラインを含むことができる。回路１２０は、アナログ－デジタル変換器および／または増幅器などの構成要素を含むことができる。
【0080】
いくつかの実施形態では、監視システム１００は、監視システム１００が各磁気センサ１０５で単一分子プロセスを検出することができるように、使用中に個々の単一生体分子によってそれぞれ機能化される複数の磁気センサ１０５を備える。図１９Ａは、いくつかの実施形態にかかる例示的な監視システム１００の構成要素を示すブロック図である。図示のように、例示的な監視システム１００は、少なくとも１つのプロセッサ１３０に結合された回路１２０に結合されたセンサアレイ１１０を含む。センサアレイ１１０は、以下にさらに説明するように、任意の適切な方法で配置することができる複数の磁気センサ１０５を備える。（センサアレイ１１０は、少なくとも１つの磁気センサ１０５を含むことを理解されたい。）
【0081】
回路１２０は、例えば、センサアレイ１１０内の磁気センサ１０５が少なくとも１つのプロセッサ１３０によって（例えば、電流または電圧源、増幅器、アナログ－デジタル変換器などの当該技術分野において周知の他の構成要素の助けを借りて）調査することを可能にする１つ以上のラインを含むことができる。例えば、動作中、プロセッサ１３０は、回路１２０に、そのようなラインにバイアス電圧または電流を印加させて、センサアレイ１１０内の少なくとも１つの磁気センサ１０５の磁気環境を報告するセンサ信号２０７を検出させることができる。センサ信号２０７は、検知領域２０６内のＭＮＰ１０２の有無、位置、および／または動きを示す。換言すれば、センサ信号２０７は、磁気センサ１０５の何らかの特性（例えば、磁場、抵抗、電圧、電流、発振周波数、信号レベル、ノイズレベル、周波数ノイズ、位相ノイズなど）を示す。センサ信号２０７は、検査および／または処理されて、磁気センサ１０５が時間の経過とともにＭＮＰ１０２またはＭＮＰ１０２の動き（例えば、位置の変化）を検出したかどうかを決定することができる。例えば、少なくとも１つのプロセッサ１３０は、センサ信号２０７の１つ以上の時間領域、周波数領域、決定論的、および／または統計的特性（例えば、ピークまたは平均振幅、変動、平均または予想ピークからの逸脱、自己相関、パワースペクトル密度など）を監視し、かつＭＮＰ１０２またはＭＮＰ１０２の動きが検出された（または検出されなかった）と決定することができる。具体例として、少なくとも１つのプロセッサ１３０は、選択された時間にまたは選択された期間にわたる磁気センサ１０５のセンサ信号２０７の形態（例えば、自己相関、ＰＳＤなど）を、より早い時間にまたはより早い時間もしくは異なる期間にわたるセンサ信号２０７の形態（例えば、図１７Ａ、図１７Ｂ、および図１７Ｃの説明で上述したようなベースライン自己相関、または、例えば、図２１～図２６の説明で以下に説明するようなベースラインノイズＰＳＤ）と比較し、ＭＮＰ１０２が検出されたか、または検出されなかったか、または移動したか、または移動しなかったかの判定を、センサ信号２０７の変化に基づかせることができる。例えば、少なくとも１つのプロセッサ１３０は、第１の検出期間中のセンサ信号２０７の第１の全体的なノイズＰＳＤおよび第２の検出期間中のセンサ信号２０７の第２の全体的なノイズＰＳＤを決定し、かつＭＮＰ１０２が存在するか、および／または移動したかどうかを分析することができる。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのプロセッサ１３０は、磁気センサ１０５のベースラインノイズＰＳＤに加えられると、第１の検出期間および第２の検出期間の一方または双方の間にセンサ信号２０７の全体的なノイズＰＳＤをもたらすローレンツ関数を決定する。
【0082】
センサ信号２０７およびそれが磁気センサ１０５の磁気環境を特徴付けるために伝達する情報は、監視システム１００において使用される磁気センサ１０５のタイプに依存することができる。いくつかの実施形態では、磁気センサ１０５は、例えば、磁場もしくは抵抗、磁場の変化もしくは抵抗の変化、またはノイズレベルを検出することができる磁気抵抗（ＭＲ）センサ（例えば、ＭＴＪ、ＳＶなど）である。いくつかの実施形態では、センサアレイ１１０の磁気センサ１０５のそれぞれは、ＭＲ効果を使用して、磁気センサ１０５に関連するそれぞれの結合部位１１６に結合したバイオポリマー１０１に結合したＭＮＰ１０２を検出することができる薄膜装置である。磁気センサ１０５は、検知された磁場の強度および／または方向が変化するにつれて変化する抵抗を有するポテンショメータとして動作することができる。いくつかの実施形態では、磁気センサ１０５は、磁気発振器（例えば、ＳＴＯ）を備え、センサ信号２０７は、磁気発振器によって生成された周波数、または周波数、周波数ノイズ、もしくは位相ノイズの変化を報告する。
【0083】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つのプロセッサ１３０は、回路１２０の助けを借りて、センサアレイ１１０内の磁気センサ１０５の一部または全部の磁気環境の偏差または変動を検出する。例えば、ＭＮＰ１０２の非存在下におけるＭＲ型の磁気センサ１０５は、ＭＮＰ１０２からの磁場変動が検知強磁性体のモーメントの変動を引き起こすことから、ＭＮＰ１０２の存在下における磁気センサ１０５と比較して、特定の周波数を超える比較的小さいノイズを有するべきである。これらの変動は、例えば、（例えば、ノイズパワー密度を測定することによって）ヘテロダイン検出を使用して、または磁気センサ１０５の電流もしくは電圧を直接測定することによって測定することができ、結合部位１１６を検知しない別のセンサ素子と比較するために比較回路を使用して評価することができる。いくつかの実施形態では、磁気センサ１０５は、ＳＴＯ素子を含み、ＭＮＰ１０２からの変動磁場は、位相検出回路を使用して検出することができる周波数の瞬間的な変化に起因して磁気センサ１０５の位相のジャンプを引き起こす。
【0084】
本明細書で提供されるＭＮＰ１０２および磁気センサ１０５の例は、単なる例示であることを理解されたい。一般に、バイオポリマー１０１に結合させることができる任意のタイプのＭＮＰ１０２は、そのタイプのＭＮＰ１０２を検出することができる任意のタイプの磁気センサ１０５のアレイ１１０とともに使用することができる。
【0085】
監視システム１００の構成要素は分散されてもよく、または単一の物理装置に含まれてもよいことも理解されたい。例えば、少なくとも１つのプロセッサ１３０が複数のプロセッサを含む場合、第１のプロセッサは、少なくとも１つの磁気センサ１０５のセンサアレイ１１０を含む装置（例えば、チップ）の一部であってもよく、第２のプロセッサは、異なる物理的位置（例えば、付属のコンピュータ内のオフチップ）にあってもよい。具体例として、監視システム１００内の第１のプロセッサは、磁気センサ１０５からセンサ信号２０７を取り出すように構成することができ、必ずしも第１のプロセッサと同じ物理装置の一部ではない監視システム１００内の第２のプロセッサは、センサ信号２０７を処理して（例えば、自己相関関数、ＰＳＤ、ローレンツ関数などを計算し、および／または信号処理および／または分析などを実行する）、ＭＮＰ１０２の有無および／または動きを検出することができる。したがって、図１９Ａに示す構成要素は、同じ場所に配置または分散することができる。別の言い方をすれば、システムは、図１９Ａに示す構成要素を単一の物理装置に備えてもよく、または図１９Ａの構成要素を分散させることができる。同様に、監視システム１００は、例えば、とりわけ、センサ信号２０７またはセンサ信号２０７のサンプリングもしくは処理されたバージョン、または少なくとも１つのプロセッサ１３０による実行のための命令を記憶するためのメモリなどの他の構成要素を含むことができる。
【0086】
図１９Ｂ、図１９Ｃ、および図１９Ｄは、いくつかの実施形態にかかる、単一分子プロセスの検出および監視のための例示的な監視システム１００の一部を示している。図１９Ｂは、監視システム１００の一部の平面図である。図１９Ｃは、図１９Ｂの「１９Ｃ」と記された一点鎖線の位置における断面図であり、図１９Ｄは、図１９Ｂの「１９Ｄ」と記された一点鎖線の位置における断面図である。
【0087】
図１９Ｂ、図１９Ｃ、および図１９Ｄに示す監視システム１００の例示的な部分は、監視システム１００の流体チャンバ１１５内のＭＮＰ１０２を検知するためのセンサアレイ１１０を備える。センサアレイ１１０は、複数の磁気センサ１０５を含み、図１９Ｂのアレイ１１０には１６個の磁気センサ１０５が示されている。監視システム１００の実装は、任意の数の磁気センサ１０５（例えば、僅か１つ、または数百、数千、数百万、または数十億の磁気センサ１０５）を含むことができることを理解されたい。図面を不明瞭にすることを避けるために、図１９Ｂでは、磁気センサ１０５のうちの７つ、すなわち磁気センサ１０５Ａ、１０５Ｂ、１０５Ｃ、１０５Ｄ、１０５Ｅ、１０５Ｆ、および１０５Ｇのみがラベル付けされている。（簡単にするために、この文書では、一般に磁気センサ１０５を参照符号１０５によって参照している。個々の磁気センサ１０５には、参照符号１０５の後に文字が付されている。）上記で説明したように、磁気センサ１０５は、ＭＮＰ１０２の有無およびそれぞれの検知領域２０６内のＭＮＰ１０２の動きを検出することができる。換言すれば、各磁気センサ１０５は、その近傍に（例えば、検知領域２０６に）ＭＮＰ１０２があるかどうかを検出することができ、磁気センサ１０５によって提供されるセンサ信号２０７はまた、ＭＮＰ１０２が動いているかどうか、およびどのように動いているかの指示を提供する。
【0088】
ここで図１９Ｂに関連して図１９Ｃおよび図１９Ｄを参照すると、各磁気センサ１０５は、監視システム１００の例示的な実施形態では円筒形状を有するものとして示されている。しかしながら、一般に、磁気センサ１０５は、任意の適切な形状を有することができることを理解されたい。例えば、磁気センサ１０５は、三次元の直方体であってもよい。さらに、異なる磁気センサ１０５は、異なる形状（例えば、一部は直方体であり、他の一部は円筒形などであってもよい）を有することができる。図面は単なる例示であることを理解されたい。
【0089】
図１９Ｃおよび図１９Ｄに示すように、監視システム１００は、流体チャンバ１１５を含む。流体チャンバ１１５は、表面１１７上に複数の結合部位１１６を含む。流体チャンバ１１５は、流体（例えば、緩衝液、ヌクレオチド前駆体、他の流体または溶液）を保持する。図示の実施形態では、各磁気センサ１０５は、それぞれの結合部位１１６に関連付けられている。（簡単にするために、この文書では、一般に、結合部位に参照番号１１６を付している。個々の結合部位には、参照番号１１６の後に文字が付されている。）換言すれば、磁気センサ１０５と結合部位１１６とは、一対一の関係にある。図１９Ｂに示すように、磁気センサ１０５Ａは、結合部位１１６Ａに関連付けられ、磁気センサ１０５Ｂは、結合部位１１６Ｂに関連付けられ、磁気センサ１０５Ｃは、結合部位１１６Ｃに関連付けられ、磁気センサ１０５Ｄは、結合部位１１６Ｄに関連付けられ、磁気センサ１０５Ｅは、結合部位１１６Ｅに関連付けられ、磁気センサ１０５Ｆは、結合部位１１６Ｆに関連付けられ、磁気センサ１０５Ｇは、結合部位１１６Ｇに関連付けられる。図１９Ｂに示される他のラベル付けされていない磁気センサ１０５のそれぞれはまた、それぞれの結合部位１１６に関連付けられる。図１９Ｂ、図１９Ｃ、および図１９Ｄの例示的な実施形態では、各磁気センサ１０５は、そのそれぞれの結合部位１１６の下方に配置されて示されているが、結合部位１１６は、それらのそれぞれの磁気センサ１０５に対して他の位置にあってもよいことを理解されたい。例えば、結合部位１１６は、それぞれの磁気センサ１０５の側面にあってもよい。
【0090】
結合部位１１６のそれぞれは、流体チャンバ１１５内の表面１１７に１つ以下のバイオポリマー１０１（例えば、ｓｓＤＮＡ、ＲＮＡ、タンパク質など）を結合するように構成される。換言すれば、各結合部位１１６は、それぞれの磁気センサ１０５（または後述するように複数の磁気センサ１０５）による検知および監視のために、１つ、および１つのみのバイオポリマー１０１を結合させ、それによりシステム１００を単一分子システムにすることを可能にすることを意図した特性および／または特徴を有する。その後、それぞれの磁気センサ１０５は、結合部位１１６に結合したバイオポリマー１０１に結合したＭＮＰ１０２の動きを検出および監視することができる。いくつかの実施形態では、結合部位１１６は、バイオポリマー１０１を結合部位１１６に固定するように構成された構造（または複数の構造）を有する。例えば、構造（または複数の構造）は、空洞または隆起部を含むことができる。図１９Ｃおよび図１９Ｄは、結合部位１１６を流体チャンバ１１５の表面１１７から延びるものとして示しているが、結合部位１１６は、流体チャンバ１１５の表面１１７と同一平面上にあってもよく、またはエッチングされてもよいことを理解されたい。
【0091】
結合部位１１６は、各結合部位１１６への唯一のバイオポリマー１０１の結合を容易にする任意の適切なサイズおよび形状を有することができる。例えば、結合部位１１６の形状は、磁気センサ１０５の形状と同様または同一とすることができる（例えば、磁気センサ１０５が三次元で円筒形である場合、結合部位１１６は、円筒形であってもよく、流体チャンバ１１５の表面１１７から突出するか、または流体チャンバ１１５の表面１１７内に流体容器を形成し、それぞれの磁気センサ１０５の半径よりも大きく、小さく、または同じサイズとすることができる半径を有する。磁気センサ１０５が三次元の直方体である場合、結合部位１１６は直方体であってもよく、磁気センサ１０５の最も近い部分などと、より大きく、より小さく、または同じサイズであってもよい）。一般に、結合部位１１６および流体チャンバ１１５の表面１１７は、各結合部位１１６への単一のバイオポリマー１０１の結合を容易にし、磁気センサ１０５がそれぞれの結合部位１１６に結合したバイオポリマー１０１に結合したＭＮＰ１０２の存在および動きを検出することを可能にする任意の形状および特性を有することができる。
【0092】
図１９Ｃおよび図１９Ｄは、ｘ－ｙ平面内に延びる頂部を有する囲まれた流体チャンバ１１５を示しているが、流体チャンバ１１５が囲まれる必要はない。いくつかの実施形態では、流体チャンバ１１５の表面１１７は、バイオポリマー１０１を結合部位１１６に結合させ、磁気センサ１０５が結合部位１１６に結合したバイオポリマー１０１に結合したＭＮＰ１０２を検出することを可能にしながら、流体チャンバ１１５内にあるいかなる流体からもセンサ１０５を保護する特性および特性を有する。流体チャンバ１１５の材料（および場合によっては結合部位１１６の材料）は、絶縁体とすることができるか、または絶縁体を含むことができる。いくつかの実施形態では、流体チャンバ１１５の表面１１７は、有機ポリマー、金属、またはケイ酸塩を含む。流体チャンバ１１５の表面１１７は、例えば、金属酸化物、二酸化ケイ素、ポリプロピレン、金、ガラス、またはシリコンを含むことができる。流体チャンバ１１５の表面１１７の厚さは、磁気センサ１０５が流体チャンバ１１５内の結合部位１１６に結合したバイオポリマー１０１に結合したＭＮＰ１０２を検出することができるように選択することができる。いくつかの実施形態では、表面１１７は、各磁気センサ１０５が、それぞれの結合部位１１６に結合したバイオポリマー１０１に結合した任意のＭＮＰ１０２から約５ｎｍから約５０ｎｍの間にあるように、約３ｎｍから２０ｎｍの厚さである。これらの値は、単なる例示であることを理解されたい。実装は、より厚いまたはより薄い表面１１７を有する流体チャンバ１１５を有することができ、上記で説明したように、検知領域２０６は、任意の適切なサイズとすることができることが理解されよう。
【0093】
監視システム１００の回路１２０は、１つ以上のライン１２５を含むか、またはそれによってセンサアレイ１１０に取り付けられてもよい。いくつかの実施形態では、各磁気センサ１０５は、少なくとも１つのライン１２５に結合される。図１９Ｂ、図１９Ｃ、および図１９Ｄに示す例では、監視システム１００は、８本のライン１２５Ａ、１２５Ｂ、１２５Ｃ、１２５Ｄ、１２５Ｅ、１２５Ｆ、１２５Ｇ、および１２５Ｈを含む。（簡単にするために、この文書は、一般に、参照符号１２５によって行を参照する。個々の行には、参照符号１２５とそれに続く文字が与えられている。）図１９Ｂ、図１９Ｃ、および図１９Ｄの例示的な実施形態では、一対のライン１２５が使用されて、個々の磁気センサ１０５にアクセス（例えば、読み取ったりまたは問い合わせたりする）することができる。図１９Ｂ、図１９Ｃ、および図１９Ｄに示す例示的な実施形態では、センサアレイ１１０の各磁気センサ１０５は、２つのライン１２５に結合される。例えば、磁気センサ１０５Ａは、ライン１２５Ａおよび１２５Ｈに結合されている。磁気センサ１０５Ｂは、ライン１２５Ｂおよび１２５Ｈに結合されている。磁気センサ１０５Ｃは、ライン１２５Ｃおよび１２５Ｈに結合されている。磁気センサ１０５Ｄは、ライン１２５Ｄおよび１２５Ｈに結合されている。磁気センサ１０５Ｅは、ライン１２５Ｄおよび１２５Ｅに結合されている。磁気センサ１０５Ｆは、ライン１２５Ｄおよび１２５Ｆに結合されている。磁気センサ１０５Ｇは、ライン１２５Ｄおよび１２５Ｇに結合されている。図１９Ｂ、図１９Ｃ、および図１９Ｄの例示的な実施形態では、ライン１２５Ａ、１２５Ｂ、１２５Ｃ、および１２５Ｄは、磁気センサ１０５の下方に存在するように示され、ライン１２５Ｅ、１２５Ｆ、１２５Ｇ、および１２５Ｈは、磁気センサ１０５の上方に存在するように示される。図１９Ｃは、ライン１２５Ｄおよび１２５Ｅに関連する磁気センサ１０５Ｅ、ライン１２５Ｄおよび１２５Ｆに関連する磁気センサ１０５Ｆ、ライン１２５Ｄおよび１２５Ｇに関連する磁気センサ１０５Ｇ、ならびにライン１２５Ｄおよび１２５Ｈに関連する磁気センサ１０５Ｄを示している。図１９Ｄは、ライン１２５Ｄおよび１２５Ｈに関連する磁気センサ１０５Ｄ、ライン１２５Ｃおよび１２５Ｈに関連する磁気センサ１０５Ｃ、ライン１２５Ｂおよび１２５Ｈに関連する磁気センサ１０５Ｂ、ならびにライン１２５Ａおよび１２５Ｈに関連する磁気センサ１０５Ａを示している。
【0094】
図１９Ｂ、図１９Ｃ、および図１９Ｄに示す例示的な監視システム１００の磁気センサ１０５は、矩形パターンを有するセンサアレイ１１０に配置される。（正方形パターンは、矩形パターンの特殊な場合であることを理解されたい）ライン１２５のそれぞれは、センサアレイ１１０の行または列を識別する。例えば、ライン１２５Ａ、１２５Ｂ、１２５Ｃ、および１２５Ｄのそれぞれは、センサアレイ１１０の異なる行を識別し、ライン１２５Ｅ、１２５Ｆ、１２５Ｇ、および１２５Ｈのそれぞれは、センサアレイ１１０の異なる列を識別する。図１９Ｃに示すように、ライン１２５Ｅ、１２５Ｆ、１２５Ｇ、１２５Ｈのそれぞれは、断面に沿って磁気センサ１０５のいずれかと接触しており（すなわち、ライン１２５Ｅは、磁気センサ１０５Ｅの上部と接触しており、ライン１２５Ｆは、磁気センサ１０５Ｆの上部と接触しており、ライン１２５Ｇは、磁気センサ１０５Ｇの上部と接触しており、ライン１２５Ｈは、磁気センサ１０５Ｄの上部と接触している）、ライン１２５Ｄは、センサ１０５Ｅ、１０５Ｆ、１０５Ｇ、および１０５Ｄのそれぞれの下部と接触している。同様に、図１９Ｄに示すように、ライン１２５Ａ、１２５Ｂ、１２５Ｃ、１２５Ｄのそれぞれは、断面に沿ってセンサ１０５のうちの１つの下部と接触しており（すなわち、ライン１２５Ａは、磁気センサ１０５Ａの下部と接触しており、ライン１２５Ｂは、磁気センサ１０５Ｂの下部と接触しており、ライン１２５Ｃは、磁気センサ１０５Ｃの下部と接触しており、ライン１２５Ｄは、磁気センサ１０５Ｄの下部と接触している）、ライン１２５Ｈは、磁気センサ１０５Ｄ、１０５Ｃ、１０５Ｂ、および１０５Ａのそれぞれの上部と接触している。
【0095】
磁気センサ１０５およびセンサアレイ１１０に接続するライン１２５の一部は、それらが監視システム１００内に埋め込まれ得ることを示すために破線を使用して図１９Ｂに示されている。上述したように、磁気センサ１０５は、それ自体が囲まれ得る流体チャンバ１１５の内容物から（例えば、絶縁体によって）保護することができる。したがって、様々な図示された構成要素（例えば、ライン１２５、磁気センサ１０５、結合部位１１６など）は、監視システム１００の物理的インスタンス化（例えば、絶縁体などの保護材料に埋め込まれるか、または保護材料で覆われてもよい）において必ずしも目に見えるわけではないことを理解されたい。
【0096】
いくつかの実施形態では、結合部位１１６の一部または全部は、磁気センサ１０５を通過するライン１２５のナノセルまたはトレンチ内に存在する。例えば、図１９Ｄの例に示すように、ライン１２５Ｈは、磁気センサ１０５の間よりも磁気センサ１０５上で薄くてもよい。例えば、ライン１２５Ｈは、磁気センサ１０５Ｄの上方の第１の厚さ、磁気センサ１０５Ｄと１０５Ｃとの間の第２のより大きい厚さ、および磁気センサ１０５Ｃの上方の第１の厚さを有する。そのような構成は、従来の薄膜製造方法を使用して（例えば、材料を堆積させ、堆積された材料にマスクを塗布し、（例えば、エッチングによって）マスクにしたがって堆積された材料の一部を除去することによって）有利に製造することができる。結合部位１１６および存在する場合にはナノウェルの双方は、従来の技術を使用して製造することができる。
【0097】
説明を簡単にするために、図１９Ｂ、図１９Ｃ、および図１９Ｄは、センサアレイ１１０内に１６個のみの磁気センサ１０５、１６個のみの対応する結合部位１１６、および８本のライン１２５を有する例示的な監視システム１００を示している。監視システム１００は、センサアレイ１１０内のより少ないまたはより多い磁気センサ１０５を有することができ、したがって、より多いまたはより少ない結合部位１１６を有することができることを理解されたい。同様に、ライン１２５を備える実施形態は、より多いまたはより少ないライン１２５を有することができる。一般に、磁気センサ１０５、結合部位１１６、および結合部位１１６に結合したバイオポリマー１０１に結合したＭＮＰ１０２を磁気センサ１０５が検出することを可能にする回路１２０（例えば、ライン１２５を含む）の任意の構成を使用することができる。同様に、センサ信号２０７が磁気センサ１０５から取り出されることを可能にする１つ以上のライン１２５または何らかの他の機構の任意の構成を使用することができる。本明細書に提示される例は、限定することを意図するものではない。
【0098】
【0099】
図１９Ｂ、図１９Ｃ、および図１９Ｄは、磁気センサ１０５および結合部位１１６を一対一の関係で示しているが、各結合部位１１６は、複数の磁気センサ１０５によって検知することができることを理解されたい。例えば、監視システム１００が結合部位１１６よりも多くの磁気センサ１０５を有する場合、（例えば、ＭＮＰ１０２およびその動きの検出精度を向上させるために）少なくともいくつかのＭＮＰ１０２が複数の磁気センサ１０５によって検知されることが可能であり得る。そのような手法は、観察の多様性を提供することによってＳＮＲを改善することができる。
【0100】
図１９Ｂ、図１９Ｃ、および図１９Ｄの文脈で図示および説明された例示的なセンサアレイ１１０は、矩形アレイであり、磁気センサ１０５は、行および列に配置されている。換言すれば、センサアレイ１１０の複数の磁気センサ１０５は、矩形グリッドパターンで配列されている。いくつかの実施形態では、矩形グリッドパターンの隣接する行および列は互いに等距離にあり、その結果、磁気センサ１０５は、図１９Ｅに示すように正方形グリッド（または格子）パターンで配置される。磁気センサ１０５が正方形グリッドパターンで配置される実施形態では、各磁気センサ１０５は、最大４つの最近傍を有する。例えば、図１９Ｅに示すように、磁気センサ１０５Ａは、１０５Ｂ、１０５Ｃ、１０５Ｄ、および１０５Ｅとラベル付けされた４つの最近傍を有する。最も近いセンサ１０５は、図１９Ｅに示すように、最近傍距離１１２だけ離れている。したがって、センサ１０５Ｂ、１０５Ｃ、１０５Ｄ、および１０５Ｅのそれぞれは、磁気センサ１０５Ａから最近傍距離１１２だけ離れている。
【0101】
いくつかの実施形態によれば、例示的な監視システム１００は、図１８Ａ、図１８Ｂ、および図１８Ｃの説明で上述したように、個々のＭＮＰ１０２を検出することができる高密度充填ナノスケール磁気センサ１０５の高精度ナノスケール製造を使用することができる。官能基化結合部位１１６のサイズは、例えば、複数のバイオポリマー１０１が同じ結合部位１１６に結合することができないように、または同じ磁気センサ１０５によって検知することができないように（例えば、各磁気センサ１０５がただ１つのＭＮＰ１０２を検出／検知するように）、ＭＮＰ１０２が結合したバイオポリマー１０１のサイズと同様とすることができる。次いで、センサアレイ１１０のサイズおよび／または選択されたサイズのセンサアレイ１１０内にフィッティングさせることができる磁気センサ１０５の最大数を決定するために使用することができる最近傍距離１１２の適切な値は、磁気センサ１０５の特性（例えば、感度、サイズなど）、監視システム１００が監視することを意図しているバイオポリマー１０１の特性（例えば、長さ、柔らかさなど）、および使用されているＭＮＰ１０２の特性（例えば、サイズ、タイプなど）に基づいて、決定することができる。例えば、使用されるバイオポリマー１０１の合計長さおよびＭＮＰ１０２のサイズは、センサアレイ１１０内の２つの磁気センサ１０５がどの程度近接して配置され得るかについての物理的制限を提供することができる。いくつかの実施形態では、磁気センサ１０５のサイズは、センサアレイ１１０を製造するために使用されるプロセスのナノスケールのパターニング能力によって制限することができる。例えば、書き込み時に利用可能な技術を使用して、各磁気センサ１０５（例えば、円筒形センサ１０５を仮定すると、ｘ－ｙ平面内のセンサ１０５の直径）のサイズを２０ｎｍ程度としてもよい。監視されるバイオポリマー１０１の種類がｓｓＤＮＡであり、１５０ｎｔ長までのフラグメントを監視することが望ましいと仮定すると、配列決定されるバイオポリマー１０１の最大長は、伸長状態で約５０ｎｍであるが、ｓｓＤＮＡ立体配座は、緩衝液のイオン強度に応じて、伸長状態とコイル状状態との間で変化することができる。ＭＮＰ１０２は、単一分子反応に関与するため、ＭＮＰ１０２は、分子寸法を有するべきである。上記で説明したように、ＭＮＰ１０２は、例えば、超常磁性ナノ粒子、有機金属化合物、またはナノスケール磁気センサ１０５によって検出することができる任意の他の官能性分子基とすることができる。
【0102】
上述したように、例示的な監視システム１００は、様々な構成の磁気センサ１０５を使用して実装することができる。例えば、監視システム１００のいくつかの実施形態では、磁気センサ１０５（例えば、ＭＴＪ）は、既存のクロスポイントＭＲＡＭセンサ形状と互換性のある正方格子に配置される。具体例としては、２０１６年に国際電子素子会議（ＩＥＤＭ）において最初に導入された東芝の４Ｇビット密度ＳＴＴ－ＭＲＡＭチップ単体と同様の構成を有するセンサアレイ１１０が使用することができる。この場合、各ナノスケール磁気センサ１０５の領域またはその直近は、それぞれの結合部位１１６として機能するように官能化することができる。東芝プラットフォームの磁気センサ１０５間の最小最近傍距離１１２は９０ｎｍであり、これは、ＭＮＰ１０２が超常磁性ナノ粒子（例えば、酸化鉄、白金鉄など）であり、バイオポリマー１０１が長さ１５０ｎｔであり、センサアレイ１１０が、不揮発性データ記憶用途で使用されるものと同様の磁気トンネル接合（ＭＴＪ）の矩形（例えば、正方形）アレイであると仮定すると十分な間隔である。
【0103】
グリッドパターン（例えば、図１９Ｂに示すような正方格子）における磁気センサ１０５の配置は、多くの可能な配置のうちの１つであることを理解されたい。磁気センサ１０５の他の配置も可能であり、本明細書の開示の範囲内であることが当業者によって理解されよう。例えば、磁気センサ１０５は、六角形のパターンで配置されてもよく、この場合、各磁気センサ１０５は、全て最近傍距離１１２にある最大６つの最近傍を有する。当業者によって理解されるように、結合部位１１６および磁気センサ１０５の六角形の配置を有する監視システム１００のセンサ充填限界（例えば、最近傍距離１１２の最小値）は、磁気センサ１０５のサイズ、形状、および特性、バイオポリマー１０１の予想される長さ、ならびに使用されるＭＮＰ１０２のサイズおよびタイプの知識から導出することができる。
【0104】
例示的な監視方法
上述したように（例えば、図１７Ａ、図１７Ｂ、図１７Ｃ、図１８Ａ、図１８Ｂ、および図１８Ｃの説明において）、本明細書に記載の磁気センサ１０５は、単一分子プロセスを監視するための方法において使用することができる。図２０は、いくつかの実施形態にかかる、テザリングされたＭＮＰ１０２の動きを検知する例示的な方法３００のフロー図である。３０２において、任意に、磁気センサ１０５のノイズＰＳＤは、その近傍にＭＮＰ１０２が全くない状態で決定される。上記で説明したように、このステップは、実行される場合、ＭＮＰ１０２が存在するかどうかを決定するために他のＰＳＤと比較することができるベースラインセンサＰＳＤを確立する。
上述したように（例えば、図１７Ａ、図１７Ｂ、図１７Ｃ、図１８Ａ、図１８Ｂ、および図１８Ｃの説明において）、本明細書に記載の磁気センサ１０５は、単一分子プロセスを監視するための方法において使用することができる。図２０は、いくつかの実施形態にかかる、テザリングされたＭＮＰ１０２の動きを検知する例示的な方法３００のフロー図である。３０２において、任意に、磁気センサ１０５のノイズＰＳＤは、その近傍にＭＮＰ１０２が全くない状態で決定される。上記で説明したように、このステップは、実行される場合、ＭＮＰ１０２が存在するかどうかを決定するために他のＰＳＤと比較することができるベースラインセンサＰＳＤを確立する。
【0105】
３０４において、ＭＮＰ１０２は、バイオポリマー１０１（例えば、核酸、タンパク質など）の第１の末端に結合される。上記で説明したように、ＭＮＰ１０２は、例えば、超常磁性粒子および／または数ナノメートル（例えば、約５ｎｍ未満）の直径を有する粒子を含む任意の適切な粒子とすることができる。ＭＮＰ１０２は、異なるサイズ（例えば、２０ｎｍ）であってもよい。ＭＮＰ１０２は、磁気センサ１０５によって検出され得る任意の適切な材料を含むことができるか、またはそれとすることができる。例えば、ＭＮＰ１０２は、酸化鉄（ＦｅＯ）、Ｆｅ３Ｏ４、またはＦｅＰｔとすることができるか、またはそれを含むことができる。
【0106】
３０６において、バイオポリマー１０１の第２の末端（他端）は、磁気センサ１０５によって検知される結合部位１１６に結合される。上述したように、結合部位１１６は、監視システム１００の流体チャンバ１１５内にあってもよい。また上述したように、磁気センサ１０５は、任意の適切なセンサであってもよい。例えば、磁気センサ１０５は、ＭＴＪまたはＳＴＯを含むことができる。
【0107】
３０８において、センサ信号２０７が、第１の検出期間中および第２の検出期間中に磁気センサ１０５から取得される。上記で説明したように、センサ信号２０７は、例えば、電流、電圧、抵抗、ノイズ（例えば、周波数ノイズまたは位相ノイズ）、周波数（例えば、ＳＴＯの発振周波数）、磁場などとすることができるか、またはそれらを示すことができる。第１の検出期間および第２の検出期間は、部分的に重複する期間であってもよく、または重複しなくてもよく、その場合、（例えば、図１７Ｂおよび図１７Ｃならびに図１８Ｂおよび図１８Ｃの説明において上述したように）第１の期間および第２の期間の間に解（例えば、Ｍｇ２＋イオンを含有する）が（例えば、検出装置流体チャンバ１１５に）追加されてもよい。
【0108】
３１０において、第１の検出期間と第２の検出期間との間のセンサ信号２０７の変化の分析に基づいて、ＭＮＰ１０２の動きが検出される。第１の検出期間と第２の検出期間との間のセンサ信号２０７の変化は、例えば、第１の検出期間に対応する信号の一部の第１の自己相関を取得し、第２の検出期間に対応する信号の一部の第２の自己相関を取得し、（例えば、図１８Ａ、図１８Ｂ、および図１８Ｃの説明において上述した自己相関関数を比較することによって）第１の自己相関と第２の自己相関との間の少なくとも１つの差を識別することによって検出されてもよい。別の例として、第１の検出期間と第２の検出期間との間のセンサ信号２０７の変化は、部分的には、磁気センサ１０５のノイズＰＳＤに加えられると、第１の検出期間および／または第２の検出期間中にセンサ信号２０７のＰＳＤをもたらす少なくとも１つのローレンツ関数を決定することによって検出されてもよい。ＭＮＰ１０２の動きは、第１の検出期間中に捕捉されたセンサ信号２０７にフィッティングさせるローレンツ関数と、第２の検出期間中に捕捉されたセンサ信号２０７にフィッティングさせるローレンツ関数との比較に基づいて、決定することができる。センサ信号２０７の処理および／または分析は、時間領域、周波数領域、またはこれらの組み合わせで実行することができる。例えば、上述したように、異なる時間に取られたセンサ信号２０７の部分の自己相関関数は、磁気センサ１０５によって検知されているＭＮＰ１０２の動きを明らかにすることができる。状況によっては、この分析には時間領域処理が好ましい場合がある。別の例として、上述したように、センサ信号２０７のＰＳＤは、ローレンツ関数によって処理および／またはフィッティングされてもよく、および／または異なるローレンツ関数が比較されてもよい。いくつかの状況では、この処理は、周波数領域においてより便利とすることができる。さらに別の例として、センサ信号２０７が周波数（例えば、磁気センサ１０５のＳＴＯの発振周波数）を伝達する場合、周波数領域処理（例えば、以下の時間領域データのフーリエ変換）が好ましい場合がある。さらに別の例として、自己相関関数が計算または決定され、さらなる分析のために周波数領域に変換することができる。
【0109】
方法３００のステップは、例示的な順序で示されているが、ステップの少なくともいくつかは、異なる順序で実行することができることが理解されよう。ほんの一例として、ステップ３０６は、ステップ３０４（例えば、図１７Ａ、図１７Ｂ、および図１７Ｃの説明において上述したように）の前に実行することができる。図２０に示されるステップのいくつかは、リアルタイムで（またはほぼリアルタイムで）または後に実行することができることも理解されよう。例えば、ステップ３０２は、実行される場合、他のステップのいずれよりもはるかに早く、または他のステップの全てが完了した後（例えば、ＭＮＰ１０２がすすぎ落とされた後に）でさえも実行することができる。別の例として、ステップ３０８の間に収集された１つ以上の信号を記録することができ、記録されたデータに対してステップ３１０を実行することができる。具体的には、磁気センサ１０５は、試験または実験中に読み取られる／問い合わせすることができ、収集されたセンサ信号２０７は、そのネイティブ形式または別の形式（例えば、サンプリング、増幅、正規化など）のいずれかで記録することができる（例えば、メモリに保存される）。後のある時点で、１つ以上のプロセッサ（例えば、少なくとも１つのプロセッサ１３０）は、記録されたセンサ信号２０７を取得および処理し、磁気センサ１０５によって監視されているＭＮＰ１０２が試験または実験中に移動したかどうか、および／またはいつ、および／またはどのように移動したかを決定することができる。
【0110】
多重磁気デジタル均一、非酵素的（ＨｏＮｏｎ）ＥＬＩＳＡ
上記で説明したように、従来のＥＬＩＳＡ（アナログ）読み出しシステムは、反応生成物を最終的に希釈する大量の容積を必要とし、従来のプレートリーダーを利用して検出可能な信号を生成するために数百万の酵素標識を必要とする。従来のＥＬＩＳＡ感度は、ピコモル濃度（例えば、ｐｇ／ｍＬ）以上の範囲に限定される。
上記で説明したように、従来のＥＬＩＳＡ（アナログ）読み出しシステムは、反応生成物を最終的に希釈する大量の容積を必要とし、従来のプレートリーダーを利用して検出可能な信号を生成するために数百万の酵素標識を必要とする。従来のＥＬＩＳＡ感度は、ピコモル濃度（例えば、ｐｇ／ｍＬ）以上の範囲に限定される。
【0111】
対照的に、単一分子測定は、本質的にデジタルである。各分子は、検出および計数することができる信号を生成する。信号の絶対量を検出するよりも、信号の有無（１ｓおよび０ｓ）を測定する方が容易である。デジタルＥＬＩＳＡ感度は、アトモル（ａＭ）からサブフェムトモル（ｆＭ）程度である。
【0112】
単一分子デジタルＥＬＩＳＡ技術の一例は、ＱｕａｎｔｅｒｉｘのＳｉｍｏａビーズに基づくアッセイである。（ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｑｕａｎｔｅｒｉｘ．ｃｏｍ／ｓｉｍｏａ－ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ／、２０２１年６月３０日に最終訪問。）Ｓｉｍｏａでは、常磁性粒子は、特定の標的に結合するように設計された抗体に結合される。これらの粒子は、試料に添加される。次いで、蛍光を発生させることができる検出抗体が添加され、目的は、ビーズ、結合タンパク質、および検出抗体からなる免疫複合体を形成することである。濃度が十分に低い場合、各ビーズは、１つの結合タンパク質または０個の結合タンパク質のいずれかを含有する。次いで、試料は、それぞれが１つのビーズを保持するのに十分な大きさの多数のマイクロウェルを有するアレイに装填される。蛍光基質を用いる酵素信号増幅および蛍光イメージングの後、データを分析することができる。
【0113】
従来のＥＬＩＳＡおよびデジタルＥＬＩＳＡの双方は、酵素信号増幅ならびに通常数時間続く複数の時間のかかるインキュベーション、反応および洗浄ステップを含む異種アッセイである。均一アッセイは、分析時間を大幅に短縮する分離または洗浄ステップによって試料を処理する必要なしに、単純なミックスアンドリード手順によるアッセイ測定を可能にするアッセイ形式である。しかしながら、短い検出時間は、通常、感度およびダイナミックレンジの減少と相関する。
【0114】
均一なアッセイの簡単さにより、デジタルＥＬＩＳＡに匹敵する高感度の検出を得ることが可能である。例えば、均一エントロピー駆動生体分子アッセイ（ＨＥＢＡ）は、酵素の使用または正確な温度サイクルなしでワンポット触媒増幅信号生成を達成する。（例えば、Ｄｏｎｇｈｙｕｋ Ｋｉｍら，「Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ Ｅｎｔｒｏｐｙ－Ｄｒｉｖｅｎ Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｂｉｏｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ」，ＡＣＳ Ｎａｎｏ，２０１６年７月，１０（８），７４６７－７５を参照されたい。）
【0115】
信号増幅を伴わないデジタル均一非酵素（ＨｏＮｏｎ）免疫吸着アッセイＥＬＩＳＡが実証されている。（例えば、Ｋｅｎｊｉ Ａｋａｍａら，「Ｗａｓｈ－ａｎｄ Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ－Ｆｒｅｅ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｉｍｍｕｎｏａｓｓａｙ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｉｎｇｌｅ－Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｍｏｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ」，ＡＣＳ Ｎａｎｏ，２０１９年１１月 １３（１１），１３１１６－２６；Ｋｅｎｊｉ ＡｋａｍａおよびＨｉｒｏｙｕｋｉ Ｎｏｊｉ，「Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ ｄｉｇｉｔａｌ ｉｍｍｕｎｏａｓｓａｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｉｎｇｌｅ－ｐａｒｔｉｃｌｅ ｍｏｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ」，Ｌａｂ ｏｎ ａ Ｃｈｉｐ，２０２０年１２月発行；Ｋｅｎｊｉ ＡｋａｍａおよびＨｉｒｏｙｕｋｉ Ｎｏｊｉ，「Ｍｕｌｔｉｐａｒａｍｅｔｅｒ ｓｉｎｇｌｅ－ｐａｒｔｉｃｌｅ ｍｏｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ ｄｉｇｉｔａｌ ｉｍｍｕｎｏａｓｓａｙ」，Ｌａｂ ｏｎ ａ Ｃｈｉｐ，２０２０年１２月発行を参照されたい。）
【0116】
光学、プラズモン、および電気化学バイオセンサと比較して、磁気バイオセンサ（例えば、本明細書に記載の磁気センサ１０５）は、生物学的環境の大部分が非磁性であるため、低いバックグラウンドノイズを示す。センサ信号２０７はまた、試料マトリックスの種類の影響を受けにくく、それによって正確で信頼性の高い検出プロセスを可能にする。したがって、本明細書に記載のシステム（例えば、システム１００）、装置、および方法の実施形態を使用して、「多重化磁気デジタルＨｏＮｏｎ ＥＬＩＳＡ」と呼ぶことができるものを提供することができる。
【0117】
図２１は、いくつかの実施形態にかかる多重化磁気デジタルＨｏＮｏｎ ＥＬＩＳＡに関与するいくつかの構成要素を示している。例の目的のために、図２１に示すように、試験対象の３つのバイオマーカーＡ、Ｂ、およびＣがあるものとする。これらの３つのバイオマーカーを試験するために、３つの抗バイオマーカービーズＡ、Ｂ、およびＣも示されている。各ビーズは、ＭＮＰ１０２と、可撓性分子テザーに結合することを可能にするテザー結合基（小さい円として示されている）とを含む。同じタイプのＭＮＰ１０２を各ビーズに使用することができ、または異なるビーズが異なるタイプのＭＮＰ１０２を含むことができる。例えば、抗バイオマーカービーズＡ、Ｂ、およびＣに含まれるＭＮＰ１０２は、同じタイプ（例えば、同じ化学組成とすることができる（例えば、ＦｅＯ、Ｆｅ３Ｏ４、ＦｅＰｔなど）を有する単一のタイプのＭＮＰ１０２が、抗バイオマーカービーズＡ、Ｂ、およびＣの全てに使用することができる）。あるいは、異なる抗バイオマーカービーズに対して２つ以上のＭＮＰ１０２タイプを使用することができる（例えば、ＦｅＯが抗バイオマーカービーズＡに使用することができ、ＦｅＰｔが抗バイオマーカービーズＢに使用することができるなど）。図２１において、抗バイオマーカーＡビーズは、第１のタイプのＭＮＰ１０２Ａを含み、抗バイオマーカーＢビーズは、第１のタイプと同じであっても異なっていてもよい第２のタイプのＭＮＰ１０２Ｂを含み、抗バイオマーカーＣビーズは、第１のタイプおよび／または第２のタイプと同じであっても異なっていてもよい第３のタイプのＭＮＰ１０２Ｃを含む。異なるタイプの抗バイオマーカーの種類は、それらが互いに区別されることを可能にするように図面において異なって陰影が付けられているが、図面における陰影は、使用中のＭＮＰ１０２の化学組成が異なることを必ずしも意味しないことを理解されたい。
【0118】
上述したように、監視システム１００は、センサアレイ１１０を含むことができる。図２１は、いくつかの実施形態にかかる、そのようなセンサアレイ１１０の一部１１８を示している。部分１１８は、３つの磁気センサ１０５、すなわち磁気センサ１０５Ａ、磁気センサ１０５Ｂ、および磁気センサ１０５Ｃを含む。各磁気センサ１０５は、流体チャンバ１１５内にあってもよい、センサアレイ１１０の表面１１７上のそれぞれの結合部位１１６を有する（すなわち、磁気センサ１０５Ａは、結合部位１１６Ａを有し、磁気センサ１０５Ｂは、結合部位１１６Ｂを有し、磁気センサ１０５Ｃは、結合部位１１６Ｃを有する）。各結合部位１１６における表面１１７には、それぞれの可撓性分子テザー（例えば、バイオポリマー１０１）が結合されている。例えば、結合部位１１６Ａは、テザー１０１Ａであり、結合部位１１６Ｂは、テザー１０１Ｂであり、結合部位１１６Ｃは、テザー１０１Ｃである。
【0119】
図２２Ａおよび図２２Ｂは、いくつかの実施形態にかかる多重化磁気デジタルＨｏＮｏｎ ＥＬＩＳＡのための例示的な手順の一部を示している。図２２Ａは、（例えば、監視システム１００の流体チャンバ１１５に溶液を添加することによる）ＭＮＰ１０２Ａを含む複数の抗バイオマーカーＡビーズのセンサアレイ１１０への導入を示している。図２２Ａの右側に示されるように、ＭＮＰ１０２Ａを含む抗バイオマーカーＡビーズは、磁気センサ１０５Ａによって検知された結合部位１１６Ａにおいてテザー１０１Ａに結合する。図２２Ｂは、ＭＮＰ１０２Ａのテザー１０１Ａへの結合が、（例のためにＭＴＪであると仮定される）磁気センサ１０５によって検出されたセンサ信号２０７にどのように影響するかを示している。センサ信号２０７によって示され、図２２Ｂの左側にプロットされているように、ＭＮＰ１０２Ａを含む抗バイオマーカーＡビーズがテザー１０１Ａに結合する前に、センサ信号２０７のノイズＰＳＤは、ＭＮＰ１０２が存在しない場合にＭＴＪセンサに予想される１／ｆ特性を示す。図２２Ｂの右側は、ＭＮＰ１０２Ａがテザー１０１Ａに結合された後、センサ信号２０７のノイズＰＳＤが、ノイズ全体にローレンツ関数が存在することに起因して予想される特性バンプ１４０を呈することを示している。全体的なノイズＰＳＤにおけるバンプ１４０の存在は、ＭＮＰ１０２が磁気センサ１０５Ａにおいてテザー１０１Ａに結合したことを示す。この時点では抗バイオマーカーＡビーズのみが追加されているため、センサアレイ１１０内の全ての磁気センサ１０５が問い合わせられて、それらの全体ＰＳＤのうちのどれがバンプ１４０を有するかを識別し、それによって（例えば、テザー１０１の全てのうちのどれがタイプＡの抗バイオマーカービーズを組み込んでいるかを決定するために）抗バイオマーカーＡビーズの位置を決定することができる。
【0120】
図２３は、図２２Ａおよび図２２Ｂに示す例示的な手順における追加の可能なステップを示している。「（ａ）」および「（ｂ）」とラベル付けされた図２３の部分は、図２２Ａおよび図２２Ｂの説明において上述された。その説明は、図２３に適用され、繰り返されない。センサアレイ１１０内の抗バイオマーカーＡビーズの位置を記録した後、別の複数の抗バイオマーカービーズを任意に添加することができる。例えば、図２３は、複数の抗バイオマーカーＢビーズを追加することを示し、そのうちの１つは、次にＭＮＰ１０２Ｂを含む。図２３の「（ｃ）」と表示された部分に示すように、ＭＮＰ１０２Ｂを含む抗バイオマーカーＢビーズは、磁気センサ１０５Ｃにおいてテザー１０１ Ｃに結合する。上記で説明したように、ＭＮＰ１０２Ｂの存在は、磁気センサ１０５Ｃのセンサ信号２０７において検出することができ、全体的なノイズＰＳＤは、ＭＮＰ１０２Ｂによってもたらされるローレンツ成分に起因するバンプ１４０を有する。したがって、センサアレイ１１０内の抗バイオマーカーＢビーズの位置は、以前に抗バイオマーカーＡビーズを検知しなかったセンサアレイ１１０の磁気センサ１０５に問い合わせることによって決定することができる。抗バイオマーカーＢビーズを検出する磁気センサ１０５の識別情報が決定された後、抗バイオマーカーＡビーズを検出する磁気センサ１０５の識別情報／位置、およびセンサアレイ１１０内の抗バイオマーカーＢビーズを検出する磁気センサ１０５の識別情報／位置が知られる。
【0121】
次に、任意に、別の複数の抗バイオマーカービーズを添加することができる。例えば、図２３は、次に、そのうちの１つがＭＮＰ１０２Ｃを含む複数の抗バイオマーカーＣビーズを添加することを示している。図２３の「（ｄ）」と表示された部分に示すように、ＭＮＰ１０２Ｃを含む抗バイオマーカーＣビーズは、磁気センサ１０５Ｂにおいてテザー１０１Ｂに結合する。上述したように、ＭＮＰ１０２Ｃの存在は、磁気センサ１０５Ｂのセンサ信号２０７において検出することができ、全体的なノイズＰＳＤは、ＭＮＰ１０２Ｃによってもたらされるローレンツ成分に起因するバンプ１４０を有する。したがって、抗バイオマーカーＣビーズの位置は、以前に抗バイオマーカーＡビーズまたは抗バイオマーカーＢビーズを検知しなかったセンサアレイ１１０の磁気センサ１０５を調べることによって決定することができる。抗バイオマーカーＣビーズを検知する磁気センサ１０５の識別情報が決定された後、抗バイオマーカーＡビーズを検知する磁気センサ１０５の識別情報／位置、抗バイオマーカーＢビーズを検知する磁気センサ１０５の識別情報／位置、抗バイオマーカーＣビーズを検知する磁気センサ１０５の識別情報／位置、およびセンサアレイ１１０内のＭＮＰ１０２を検知しなかった磁気センサ１０５の位置／識別情報は、全て既知である。
【0122】
任意に、追加の種類の抗バイオマーカービーズを添加し（例えば、３種類より多いまたは少ないバイオマーカーを試験することができる）、これらの追加の抗バイオマーカービーズの位置が上述したように決定することができる。
【0123】
次に、図２４Ａに示すように、先に添加した抗バイオマーカービーズに対応するバイオマーカーを添加することができる（例えば、監視システム１００の流体チャンバ１１５に）。図２４Ａは、バイオマーカーＡ、Ｂ、およびＣの全てを含有する複合生物学的溶液の添加を示している。抗バイオマーカーＡビーズ、抗バイオマーカーＢビーズ、および抗バイオマーカーＣビーズの位置は既知であり、各バイオマーカーの種類は同じ種類の抗バイオマーカーのビーズにのみ結合するため、試験されるバイオマーカーの全てが干渉することなく同時に添加することができる。図２４Ａの例に示すように、タイプＡのバイオマーカーは、テザー１０１Ａに結合したＭＮＰ１０２Ａを含む抗バイオマーカーＡビーズに結合する。同様に、タイプＢのバイオマーカーは、テザー１０１Ｃに結合したＭＮＰ１０２Ｂを含む抗バイオマーカーＢビーズに結合し、タイプＣのバイオマーカーは、テザー１０１Ｂに結合したＭＮＰ１０２Ｃを含む抗バイオマーカーＣビーズに結合する。図２４Ｂは、３つ全てのバイオマーカーＡ、Ｂ、およびＣ（上述したように、センサアレイ１１０の実装は、本明細書の図に示されているよりも多くの磁気センサ１０５を含有する（例えば、数千、数百万など）を有することができることを理解されたい）複合生物学的溶液の添加後にセンサアレイ１１０全体がどのように見えるかの例を示している。
【0124】
図２５は、特定の磁気センサ１０５のセンサ信号２０７の検出されたノイズＰＳＤからバイオマーカーの結合がどのように検出することができるかを示している。図２５の左側は、（例えば、図２２Ａの右側に示されているセンサアレイ１１０の状態に対応する）ＭＮＰ１０２Ａがテザー１０１Ａに結合した後の磁気センサ１０５Ａの例示的なノイズＰＳＤを示している。図２５の左側のサイズは、成分センサノイズＰＳＤ（磁気センサ１０５Ａによって引き起こされる）およびローレンツ関数（ＭＮＰ１０２Ａによって引き起こされる）を示しており、これらは、センサノイズＰＳＤに加えられると、センサ信号２０７における全体的なノイズのＰＳＤを生成する。図示の例では、ローレンツ関数のコーナー周波数は約１０ｋＨｚであり、これは、上述したように、ＭＮＰ１０２Ａの直径の関数である：
式中、上述したように、ηは周囲の液体の動粘度であり（室温における水の場合、それはおよそ
である）、ｄはＭＮＰ１０２Ａの直径であり、Ｋは分子テザー１０１Ａのばね定数である。
【数38】
【数39】
【0125】
図２５の右側は、複合生物学的溶液の添加後、およびタイプＡのバイオマーカーが、磁気センサ１０５Ａにおいてテザー１０１Ａに結合したＭＮＰ１０２Ａを含む抗バイオマーカーＡビーズに結合した後の、磁気センサ１０５ＡのノイズＰＳＤの例を示している。また、センサノイズＰＳＤに加えられると、センサ信号２０７内の全体的なノイズのＰＳＤを生成する成分センサノイズＰＳＤおよびローレンツ関数も示されている。センサノイズＰＳＤは、図２５の左側と同じであるが、タイプＡのバイオマーカーの組み込みにより、ローレンツ関数が変化している。タイプＡのバイオマーカーの直径がＭＮＰ１０２Ａの直径とほぼ同じであると仮定すると、ローレンツ関数のコーナー周波数は、以下によって与えられるより低い周波数にシフトする。
したがって、磁気センサ１０５ＡにおけるバイオマーカーＡの存在は、ＭＮＰ１０２Ａの見かけの直径をほぼ２倍にし、ローレンツ関数のコーナー周波数の無視できないシフトを引き起こす。このコーナー周波数のシフトを検出することにより、磁気センサ１０５ＡにおけるバイオマーカーＡの存在を検出することができる。他の磁気センサ１０５における（あらゆる種類の）バイオマーカーの存在も同様に検出することができる。
【数40】
【0126】
図２６は、いくつかの実施形態にかかる、バイオマーカーの結合を検出するプロセス６００のフロー図である。例えば、プロセス６００は、とりわけ、図２Ａの文脈で説明したような生物学的事象を検出するために使用することができる。６０２において、センサアレイ１１０の磁気センサ１０５のノイズＰＳＤは、ＭＮＰ１０２が存在しない（例えば、検知領域２０６にＭＮＰ１０２が全くない）状態で決定される。６０４において、バイオポリマー１０１（テザー）は、それぞれの磁気センサ１０５によって検知されるそれぞれの結合部位１１６に結合される。６０６において、複数の抗バイオマーカービーズを調製する。図２１の考察において上述したように、抗バイオマーカービーズは、ＭＮＰ１０２を含む。６０８において、抗バイオマーカービーズの第１のセット（例えば、試験される第１のタイプ）が監視システム１００の流体チャンバ１１５に添加される。６１０において、抗バイオマーカービーズを検出する磁気センサ１０５の同一性（または位置）を決定する。上記で説明したように（例えば、図２２Ａおよび図２２Ｂの説明において）、特定の磁気センサ１０５における抗バイオマーカービーズの存在は、抗バイオマーカービーズ（したがって、ＭＮＰ１０２）の添加後のセンサ信号２０７の全体的なノイズＰＳＤが、ＭＮＰ１０２によって引き起こされるノイズのＰＳＤを特徴付けるローレンツ関数の添加によるバンプ１４０を有するかどうかを決定することによって検出することができる。
【0127】
６１２において、試験される抗バイオマーカービーズがさらに存在するかどうか（例えば、図２３を参照すると、抗バイオマーカーＢビーズまたは抗バイオマーカーＣビーズが存在するかどうか）が決定される。そうである場合、プロセス６００は、ステップ６０８および６１０を繰り返す。追加される抗バイオマーカービーズがなくなると、監視システム１００は、センサアレイ１１０のどの磁気センサ１０５が抗バイオマーカービーズを組み込んだテザー１０１を検知しているか、および複数のタイプの抗バイオマーカービーズの場合、どの磁気センサ１０５がどのタイプの抗バイオマーカービーズを検知しているかのマップを有する。
【0128】
６１４において、流体チャンバ１１５内の抗バイオマーカービーズに対応するバイオマーカーを含む溶液を流体チャンバ１１５に添加する。上記で説明したように、いくつかの実施形態の１つの利点は、複数のバイオマーカーを一度に試験することができるということである。したがって、流体チャンバ１１５が複数の種類の抗バイオマーカービーズを含む場合、添加された溶液は、複数の種類のバイオマーカーを含むことができ、それらの全てを同時に流体チャンバ１１５に添加することができる。（もちろん、試験される複数のバイオマーカーがある場合、それらは別々に添加することができることを理解されたい。）
【0129】
６１６において、センサ信号２０７は、それぞれのＭＮＰ１０２を検知する少なくともそれらの磁気センサ１０５から取得される。６１８において、バイオマーカーの結合は、ステップ６１０において収集されたセンサ信号２０７とステップ６１６において収集されたセンサ信号との間の比較に基づいて、検出される。例えば、図２５の説明において上述したように、ステップ６１０からのセンサ信号２０７の全体的なノイズＰＳＤにフィッティングさせるローレンツ関数のコーナー周波数が、ステップ６１６からのセンサ信号２０７の全体的なノイズＰＳＤにフィッティングさせるローレンツ関数のコーナー周波数と比較されて、コーナー周波数が変化したかどうかを確認することができる。具体的には、上記で説明したように、バイオマーカーの組み込みは、ＭＮＰ１０２の有効直径が増加することによるコーナー周波数の減少から検出することができる（例えば、バイオポリマー１０１の有効質量が増加し、ＭＮＰ１０２の運動周波数が低下する）。
【0130】
プロセス６００のステップは例示的な順序で示されているが、いくつかのステップは、異なる順序で実行することができることを理解されたい。単なる一例として、ステップ６０２、６０４、および６０６の順序は異なっていてもよい（例えば、ステップ６０４は、ステップ６０２の前またはステップ６０６の後に実行することができる。ステップ６０６は、ステップ６０２の前および／またはステップ６０４の前に実行することができるなど）。
【0131】
前述の説明および添付の図面では、開示された実施形態の完全な理解を提供するために特定の用語が記載されている。場合によっては、用語または図面は、本発明を実施するために必要とされない特定の詳細を意味することができる。
【0132】
本開示を不必要に不明瞭にすることを避けるために、周知の構成要素は、ブロック図形式で示され、および／または詳細には説明されず、または場合によっては全く説明されない。
【0133】
本明細書において特に明確に定義されていない限り、全ての用語には、本明細書および図面から暗示される意味、ならびに当業者によって理解される意味、および／または辞書、論文などで定義されている意味を含む、可能な限り最も広い解釈が与えられるべきである。本明細書に明示的に記載されているように、いくつかの用語は、それらの通常または通例の意味と一致しない場合がある。
【0134】
本明細書で使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、特に明記しない限り、複数の指示対象を除外しない。「または」という単語は、特に明記しない限り、包括的であると解釈すべきである。したがって、「ＡまたはＢ」という句は、以下の全てを意味すると解釈すべきである：「ＡおよびＢの双方」、「ＡであるがＢではない」、および「ＢであるがＡではない」。本明細書におけるいかなる「および／または」の使用も、「または」という単語が単独で排他性を意味することを意味しない。
【0135】
本明細書で使用される場合、「Ａ、Ｂ、およびＣのうちの少なくとも１つ」、「Ａ、Ｂ、またはＣのうちの少なくとも１つ」、「Ａ、Ｂ、またはＣのうちの１つ以上」および「Ａ、Ｂ、およびＣのうちの１つ以上」の形態の語句は交換可能であり、それぞれ以下の意味の全てを包含する：「Ａのみ」、「Ｂのみ」、「Ｃのみ」、「ＡおよびＢであるがＣではない」、「ＡおよびＣであるがＢではない」、「ＢおよびＣであるがＡではない」、および「Ａ、Ｂ、およびＣの全て」。
【0136】
「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「有する（ｈａｓ）」、「有する（ｗｉｔｈ）」という用語、およびそれらの変形が本明細書で使用される限り、そのような用語は、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語と同様の方法で包括的である、すなわち、「含むが限定されない（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｂｕｔ ｎｏｔ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ）」を意味することを意図している。「例示的な（ｅｘｅｍｐｌａｒｙ）」および「実施形態（ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」という用語は、例を表すために使用され、選好または要件を表すために使用されない。「結合された（ｃｏｕｐｌｅｄ）」という用語は、本明細書では、直接接続／取り付け、および１つ以上の介在要素または構造を介した接続／取り付けを表すために使用される。「上（ｏｖｅｒ）」、「下（ｕｎｄｅｒ）」、「間（ｂｅｔｗｅｅｎ）」、および「上（ｏｎ）」という用語は、本明細書では、他の特徴に対する１つの特徴の相対位置を指す。例えば、別の特徴の「上」または「下」に配置された１つの特徴は、他の特徴と直接接触してもよく、または介在材料を有してもよい。さらに、２つの特徴「の間」に配置された１つの特徴は、２つの特徴と直接接触してもよく、または１つ以上の介在する特徴または材料を有してもよい。対照的に、第２の特徴「上の」第１の特徴は、その第２の特徴と接触している。
【0137】
「実質的に（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」という用語は、大部分またはほぼ述べられているような構造、構成、寸法などを説明するために使用されるが、製造公差などに起因して、実際には、構造、構成、寸法などが常にまたは必ずしも述べられているように正確ではない状況をもたらすことがある。例えば、２つの長さを「実質的に等しい」と記述することは、２つの長さが全ての実用的な目的で同じであることを意味するが、十分に小さいスケールで正確に等しくなくてもよい（およびそうである必要がなくてもよい）。別の例として、「実質的に垂直」である構造は、水平に対して正確に９０度ではない場合であっても、全ての実用的な目的のために垂直であるとみなされる。
【0138】
図面は必ずしも縮尺通りではなく、特徴の寸法、形状、およびサイズは、図面に示されている方法とは実質的に異なっていてもよい。
【0139】
特定の実施形態が開示されているが、本開示のより広い精神および範囲から逸脱することなく、様々な変更および変形を行うことができることは明らかであろう。例えば、実施形態のいずれかの特徴または態様は、少なくとも実行可能な場合には、実施形態の他のいずれかと組み合わせて、またはその対応する特徴または態様の代わりに適用することができる。したがって、本明細書および図面は、限定的な意味ではなく例示的な意味でみなされるべきである。
【図1A】
【図1B】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図2D】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図5D】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図9C】
【図10A】
【図10B】
【図11A】
【図11B】
【図12A】
【図12B】
【図13】
【図14】
【図15A】
【図15B】
【図15C】
【図15D】
【図15E】
【図16】
【図17】
【図18A】
【図18B】
【図18C】
【図19A】
【図19B】
【図19C】
【図19D】
【図19E】
【図20】
【図21】
【図22A】
【図22B】
【図23-1】
【図23-2】
【図24A】
【図24B】
【図25】
【図26】
【国際調査報告】