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JPS61175549A - Immunological reaction measurement by fluctuations in intensity of light - Google Patents

Immunological reaction measurement by fluctuations in intensity of light

Info

Publication number
JPS61175549A
JPS61175549A JP1455585A JP1455585A JPS61175549A JP S61175549 A JPS61175549 A JP S61175549A JP 1455585 A JP1455585 A JP 1455585A JP 1455585 A JP1455585 A JP 1455585A JP S61175549 A JPS61175549 A JP S61175549A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
antigen
antibody
reaction
light
relaxation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP1455585A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Akihiro Nanba
昭宏 南波
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Olympus Optical Co Ltd filed Critical Olympus Optical Co Ltd
Priority to JP1455585A priority Critical patent/JPS61175549A/en
Publication of JPS61175549A publication Critical patent/JPS61175549A/en
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47Scattering, i.e. diffuse reflection
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/53Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
    • G01N33/536Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with immune complex formed in liquid phase

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  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Molecular Biology (AREA)
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  • Physics & Mathematics (AREA)
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  • Food Science & Technology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

PURPOSE:To elevate the analyzing accuracy and processing efficiency, by determining white levels of the power-spectrum density separately before and after the antigen-antibody reaction. CONSTITUTION:A radiant ray is projected to a reaction liquid containing antigens and antibodies to detect scattered light due to fine particles 9 therein. Then, white levels in the power spectrum density are determined separately before and after the antigen-antibody reaction. Then, the frequencies giving a value of the power spectrum density lowered by about 3dB from the white levels are obtained as relaxation frequency respectively. Moreover, the radio of the relaxation frequencies is determined before and after the antigen-antibody reaction to obtain the concentration of the antigen or antibody from the resulting ratio. Here, the view of a photodetector 11 is limited using a collimator 10 having a pinhole of specified dimensions to enable the detection of fluctuations with a high sensitivity. Thus, the analyzing accuracy and the processing efficiency can be elevated.

Description

【発明の詳細な説明】 (技術分野) 本発明は、抗原−抗体反応に基く免疫反応を、微粒子に
よる散乱光の強度ゆらぎを利用して測定する方法に関す
るものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Technical Field) The present invention relates to a method for measuring an immune reaction based on an antigen-antibody reaction using intensity fluctuations of light scattered by fine particles.

(従来技術) 免疫物質、ホルモン、医薬品、免疫調節等生体内微量成
分の測定法として免疫反応の特異的選択反応を利用した
免疫分析法があり、大別すると酵素や放射性アイソトー
プを標識物質として用いる標識免疫分析法と、抗原・抗
体複合体を直接測定する非標識免疫分析法との2つの方
法がよく知られている。
(Prior art) There are immunoassay methods that utilize specific selective reactions of immune reactions as a method for measuring trace components in living bodies such as immune substances, hormones, pharmaceuticals, and immunomodulators.They can be roughly divided into methods that use enzymes or radioactive isotopes as labeling substances. Two methods are well known: labeled immunoassay and unlabeled immunoassay, which directly measures antigen-antibody complexes.

前者の標識免疫分析法としてはラジオイムノアッセイ(
RIA)、酵素免疫分析(E IA)、螢光免疫分析(
FIA>等がよく知られており、高感度であるがアイソ
トープの取り扱い、廃棄物処理等の種々の制限があり、
又測定に長時間を要するうえに標識試薬が高価であるた
め検査コストが高い等の欠点がある。
The former labeled immunoassay is radioimmunoassay (
RIA), enzyme immunoassay (E IA), fluorescence immunoassay (
FIA> etc. are well known and have high sensitivity, but there are various limitations such as handling of isotopes and waste disposal.
Further, there are disadvantages such as a long time required for measurement and high testing costs because the labeling reagent is expensive.

後者の非標識免疫分析法には免疫電気泳動法、免疫拡散
法、沈降法等があり、簡便な分析法であるが感度、定量
性、再現性の点で精密測定としては不充分であるととも
に測定時間が長くなる欠点がある。このような免疫分析
法に関しては「臨床検査法提要」 (金井泉原著、金井
正光編著、金属出版)や、「臨床検査JVoJ2.22
.  No、5(1978)、第471〜487頁に詳
しく説明されている。
The latter non-labeled immunoassay methods include immunoelectrophoresis, immunodiffusion, and precipitation, and although they are simple analytical methods, they are insufficient for precise measurements in terms of sensitivity, quantitative performance, and reproducibility. The disadvantage is that the measurement time is long. Regarding such immunoassay methods, please refer to "Clinical Test Methods Summary" (authored by Izumihara Kanai, edited by Masamitsu Kanai, Metal Publishing) and "Clinical Testing JVoJ2.22".
.. No. 5 (1978), pages 471-487.

また、[l ma+unochemistryJ 、 
Vo 12 、12゜No、4 (1975)、第34
9〜351頁には、抗体または抗原を表面に担持させた
粒子を被測定液中の抗原または抗体と反応させ、凝集粒
子の大きさに比例して減少するブラウン運動の指標とな
る平均拡散定数を、レーザ光の散乱光のスペクトル幅の
変化から求めることにより抗原または抗体を定量分析す
る方法が開示されている。この分析方法では標識試薬を
用いない利点はあるが、粒子のブラウン運動によるドツ
プラ効果によって入射光のスペクトルが広がるのを分光
計を用いて検出しているため、装置が大形で高価となる
欠点があると共に分光計を機械的に駆動する際に誤差が
生じ、精度および再現性が悪くなる欠点がある。また、
この方法では光のスペクトル幅から平均拡散定数を求め
ているだけであり、情報量が少ないという欠点もある。
Also, [l ma+unochemistryJ,
Vo 12, 12° No. 4 (1975), No. 34
On pages 9 to 351, particles carrying antibodies or antigens on their surfaces are reacted with antigens or antibodies in a liquid to be measured, and the average diffusion constant, which is an index of Brownian motion, decreases in proportion to the size of aggregated particles. Disclosed is a method for quantitatively analyzing an antigen or antibody by determining from changes in the spectral width of scattered laser light. This analysis method has the advantage of not using labeled reagents, but it uses a spectrometer to detect the broadening of the spectrum of incident light due to the Doppler effect caused by the Brownian motion of particles, so the disadvantage is that the equipment is large and expensive. In addition, errors occur when the spectrometer is mechanically driven, resulting in poor accuracy and reproducibility. Also,
This method only calculates the average diffusion constant from the spectral width of light, and has the disadvantage that the amount of information is small.

上述したように従来の免疫分析方法では、高価な標識試
薬を用いるため分析のランニングコストが高価となると
共に液体の取扱いおよび処理が面倒となったり、処理時
間が長くなる欠点があったり、高価で大形な分光計を必
要とすると共に精度や再現性も悪く、得られる情報量も
少ないという欠点があった。
As mentioned above, conventional immunoassay methods use expensive labeling reagents, resulting in high analysis running costs, troublesome liquid handling and processing, long processing times, and high costs. The disadvantages are that it requires a large spectrometer, has poor accuracy and reproducibility, and provides only a small amount of information.

このような欠点を克服するために、微粒子による散乱光
の強度ゆらぎが抗原−抗体反応と密接な関係にあること
を利用して抗原−抗体反応を測定することにより、高価
な標識試薬や高価でかつ大形な分光計を用いずに、高い
精度および再現性を以って測定を行なうことができ、し
かも測定時間の短縮、抗原−抗体反応測定の自動化が可
能であると共に抗原−抗体反応について多くの有用な情
報を得ることができる免疫反応測定方法が特願昭59−
148878号において提案されている。
In order to overcome these drawbacks, the antigen-antibody reaction can be measured by taking advantage of the fact that the intensity fluctuation of light scattered by fine particles is closely related to the antigen-antibody reaction. Moreover, it is possible to perform measurements with high precision and reproducibility without using a large spectrometer, and it is also possible to shorten the measurement time and automate antigen-antibody reaction measurements, as well as to improve the accuracy of antigen-antibody reactions. A patent application was filed in 1983 for an immune reaction measurement method that can obtain a lot of useful information.
No. 148878.

この免疫反応測定方法は、少なくとも抗原および抗体を
含む抗原−抗体反応液にコヒーレントまたはインコヒー
レントな輻射線を投射し、抗原−抗体反応により生成さ
れる微粒子による散乱光または反応液に加えた抗体また
は抗原を固定した微粒子の抗原−抗体反応によって生ず
る散乱光をホモダイン的にまたはヘテロゲイン的に検知
し、この検知出力の強度ゆらぎのパワースペクトル密度
に基いて抗原−抗体反応を測定するものである。
This immune reaction measurement method involves projecting coherent or incoherent radiation onto an antigen-antibody reaction solution containing at least an antigen and an antibody. Scattered light generated by the antigen-antibody reaction of microparticles with immobilized antigens is detected in a homodyne or heterogain manner, and the antigen-antibody reaction is measured based on the power spectrum density of the intensity fluctuation of this detection output.

このような免疫反応測定方法においては1.抗原−抗体
反応の結果として生成される微粒子による散乱光または
抗体または抗原を表面に固定した微粒子の抗原−抗体反
応によって生ずる散乱光の強度が、光の干渉によりゆら
ぐため、この強度ゆらぎのパワースペクトル密度に粒子
の形状や大きさの依存性があることに着目し、強度ゆら
ぎのパワースペクトル密度を検知することにより抗原−
抗体反応の有無、抗原または抗体・の定量、抗原−抗体
反応による微粒子の凝集状態(粒径分布)などの多くの
有用な情報を得ることができる。また、散乱光を光検出
器、で受光し、その出力信号強度のゆらぎを検知するも
のであるから、標識試薬を用いる必要はないと共に散乱
光のスペクトル分析を行なうものではないので分光計を
用いる必要もない。具体的に抗体または抗原濃度を検出
する方法としては、散乱光をホモダイン的に検知し、そ
の強度ゆらぎのパワースペクトル密度の緩和周波数が粒
子の大きさに依存することを利用して、抗原−抗体反応
の前後における緩和周波数の比を求め、この比の値から
抗原−抗体反応を測定する方法が提案されている。
In such an immune reaction measurement method, 1. The intensity of scattered light generated by microparticles as a result of an antigen-antibody reaction or the scattered light generated by an antigen-antibody reaction of microparticles on which antibodies or antigens are immobilized fluctuates due to light interference, so the power spectrum of this intensity fluctuation By focusing on the fact that density depends on the shape and size of particles, and detecting the power spectrum density of intensity fluctuations, antigen-
A lot of useful information can be obtained, such as the presence or absence of antibody reaction, the quantification of antigen or antibody, and the state of aggregation (particle size distribution) of microparticles due to antigen-antibody reaction. In addition, since the scattered light is received by a photodetector and fluctuations in the output signal intensity are detected, there is no need to use a labeling reagent, and a spectrometer is used since the spectrum analysis of the scattered light is not performed. There's no need. Specifically, a method for detecting antibody or antigen concentration is to detect scattered light in a homodyne manner and utilize the fact that the relaxation frequency of the power spectral density of the intensity fluctuation depends on the particle size to detect the antigen-antibody concentration. A method has been proposed in which the ratio of relaxation frequencies before and after the reaction is determined and the antigen-antibody reaction is measured from the value of this ratio.

このような光強度のゆらぎによる免疫反応測定方法では
、パワースペクトル密度の緩和周波数をどのようにして
求めるかが問題となるが、パワースペクトル密度を表わ
す曲線を描かせこれから緩和周波数を読取る方法が採ら
れている。しかしながら、パワースペクトル密度曲線は
大きく変動しており、これから緩和周波数を読取るのは
非常に困難であるとともに読取精度が悪くなり、分析精
度が低下する欠点がある。さらに、多数の検体について
分析を行なう場合には、このような人為的処理または操
作が入ることは処理時間、正確さ、コスト等の点できわ
めて不利である。
In such an immune reaction measurement method using fluctuations in light intensity, the problem is how to find the relaxation frequency of the power spectral density, but a method that can be adopted is to draw a curve representing the power spectral density and read the relaxation frequency from this. It is being However, the power spectral density curve fluctuates widely, and it is very difficult to read the relaxation frequency from it, and the reading accuracy deteriorates, resulting in a reduction in analysis accuracy. Furthermore, when analyzing a large number of samples, the introduction of such manual processing or manipulation is extremely disadvantageous in terms of processing time, accuracy, cost, etc.

(発明の目的) 本発明の目的は、上述した欠点を除去し、パワースペク
トル密度の緩和周波数を正確かつ短時間に自動的に求め
ることができ、したがって多数の被検体中の抗体または
抗原の濃度を正確かつ能率良く検出することができる免
疫反応測定方法を提供しようとするものである。
(Object of the Invention) The object of the present invention is to eliminate the above-mentioned drawbacks and to be able to automatically determine the relaxation frequency of the power spectral density accurately and in a short time, thus making it possible to determine the concentration of antibodies or antigens in a large number of analytes. The purpose of the present invention is to provide an immune reaction measurement method that can accurately and efficiently detect.

(発明の概要) 本発明は、抗原および抗体を含む反応液に輻射線を投射
し、反応液中の微粒子による散乱光を検知し、この検知
出力の強度ゆらぎのパワースペクトル密度に基いて抗原
−抗体反応を測定するに当たり、抗原−抗体反応前およ
び反応後のパワースペクトル密度のホワイトレベルをそ
れぞれ求め、これらホワイトレベルよりほぼ3デシベル
低下したパワースペクトル密度の値を与える周波数をそ
れぞれ緩和周波数として求め、これら抗原−抗体反応前
および反応後の緩和周波数の比を求め、この緩和周波数
の比から抗原または抗体の濃度を求めることを特徴とす
るものである。
(Summary of the Invention) The present invention projects radiation onto a reaction solution containing an antigen and an antibody, detects scattered light by fine particles in the reaction solution, and detects the antigen and antibody based on the power spectrum density of the intensity fluctuation of the detection output. In measuring the antibody reaction, the white levels of the power spectral density before and after the antigen-antibody reaction are determined, and the frequencies that give the power spectral density values that are approximately 3 decibels lower than these white levels are determined as relaxation frequencies. The method is characterized in that the ratio of the relaxation frequencies before and after the antigen-antibody reaction is determined, and the concentration of the antigen or antibody is determined from the ratio of the relaxation frequencies.

(実施例) 第1図は本発明の免疫反応測定方法を実施する装置の一
実施例の構成を示す図である。本例においては、コヒー
レント光を放出する光源として波長632.8nlのH
e−Neガスレーザ1を設ける。
(Example) FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an example of an apparatus for implementing the immune reaction measuring method of the present invention. In this example, H with a wavelength of 632.8 nl is used as a light source that emits coherent light.
An e-Ne gas laser 1 is provided.

コヒーレント光を放射する光源としては、このようなガ
スレーザの他に半導体レーザのような固体レーザを用い
ることもできる。また、本発明の方法ではインコヒーレ
ントな光を放射する光源を用いることもできる。光源1
から放射されるレーザ光束2を半透vA3により光束4
と光束5とに分離する。一方の光束4をコリメータレン
ズ6により集光して、透明なセルフに投射し、その内部
の1点に集束させる。他方の光束5をシリコンフォトダ
イオードより成る光検出器8に入射させ、光源1の出力
光強度の変動を表わすモニタ信号に変換する。
In addition to such a gas laser, a solid laser such as a semiconductor laser can also be used as a light source that emits coherent light. Furthermore, a light source that emits incoherent light can also be used in the method of the present invention. light source 1
The laser beam 2 emitted from
and a luminous flux 5. One of the light beams 4 is condensed by a collimator lens 6, projected onto a transparent self, and focused at one point inside the self. The other light beam 5 is made incident on a photodetector 8 made of a silicon photodiode and converted into a monitor signal representing fluctuations in the output light intensity of the light source 1.

セルフの中には、表面に抗体または抗原を結合した微粒
子9を分散させた緩衝液と、抗原または抗体を含む被検
液との混合物である抗原−抗体反応液を収容する。した
がってセルフ中で抗原−抗体反応が起こり、微粒子間に
相互作用が生ずると、微粒子が相互に付着するため、ブ
ラウン運動の状態が変化することになる。セルフ中の微
粒子9によって散乱された散乱光を、一対のピンホール
を有するコリメータ10を経て光電子増倍管より成る光
検出器11に入射させる。コリメータ10は空洞構造と
なっており、外光の影響を除くために暗箱構造となって
おり、その内面は反射防止処理が施されている。空洞の
前後にはピンホールを形成する。
The self contains an antigen-antibody reaction solution, which is a mixture of a buffer solution in which fine particles 9 having antibodies or antigens bound to their surfaces are dispersed, and a test solution containing the antigen or antibody. Therefore, when an antigen-antibody reaction occurs in the self and an interaction occurs between the particles, the particles adhere to each other, resulting in a change in the state of Brownian motion. Scattered light scattered by the fine particles 9 in the self is made to enter a photodetector 11 consisting of a photomultiplier tube through a collimator 10 having a pair of pinholes. The collimator 10 has a hollow structure, and has a dark box structure to remove the influence of external light, and its inner surface is treated with anti-reflection treatment. Pinholes are formed before and after the cavity.

光検出器8の出力モニタ信号は低雑音増幅器13を経て
データ処理装置14に供給する。また、光検出器11の
出力信号を低雑音増幅器15および低域通過7ノノし々
111Fル謀ア=ty加耶ualIJL−ffl給甘ス
せ−タ処理装置14にはA/D変換部17.高速フーリ
エ変換部18および演算処理部19を設け、後述するよ
うな信号処理を行ない、抗原−抗体反応の測定結果を出
力する。この測定結果は表示装@20に供給して表示す
る。
The output monitor signal of the photodetector 8 is supplied to a data processing device 14 via a low noise amplifier 13. In addition, the output signal of the photodetector 11 is fed to the low-noise amplifier 15 and the low-pass filter 111F. .. A fast Fourier transform section 18 and an arithmetic processing section 19 are provided to perform signal processing as described later and output measurement results of antigen-antibody reactions. This measurement result is supplied to the display device @20 and displayed.

セルフからの散乱光強度は、光検出器8からの光源強度
モニタ信号の短時間平均値出力によって規格化され、光
源から放射されるレーザ光強度の変動を除去だ後、高速
フーリエ変換部18に供給され、散乱光の強度ゆらぎの
パワースペクトルΔ度が求められ、このパワースペクト
ル密度から緩和周波数を求め、これに基いてセルフ中で
の微粒子9の凝集状態、したがって抗原−抗体反応の進
行状態の測定を行なう。
The intensity of the scattered light from the self is normalized by the short-time average value output of the light source intensity monitor signal from the photodetector 8, and after removing fluctuations in the intensity of the laser light emitted from the light source, it is converted to the fast Fourier transform unit 18. The power spectrum Δ degree of the intensity fluctuation of the scattered light is determined, and the relaxation frequency is determined from this power spectrum density. Based on this, the aggregation state of the fine particles 9 in the self, and therefore the progress state of the antigen-antibody reaction, is determined. Take measurements.

本発明では、上述したように散乱光の強度ゆらぎのパワ
ースペクトル密度を検出するが、このパワースペクトル
密度は、微粒子が波長程度の距離を拡散してゆくことに
よる干渉成分のゆらぎによる項と、散乱体積への微粒子
の出入りによって生ずる粒子数のゆらぎによる項とから
成っている。
In the present invention, as described above, the power spectral density of the intensity fluctuation of the scattered light is detected, but this power spectral density is composed of a term due to the fluctuation of the interference component due to the diffusion of fine particles over a distance of about the wavelength, and a term due to the fluctuation of the interference component due to the scattering It consists of terms due to fluctuations in the number of particles caused by the movement of particles into and out of the volume.

この内、干渉による散乱光のゆらぎはスペックルパター
ンの空間的なゆらぎとして観測されるが、これをそのま
ま広い受光面を持った光検出器11に入射させると、受
光面の面積に亘って空間的な平滑化が行なわれるので、
検出されるゆらぎは小さくなってしまう。そこで所定の
寸法のピンホールを有するコリメータ10を用いて光検
出器11の視野を限定することにより、ゆらぎを高感度
で検出することができるようになる。
Of these, fluctuations in scattered light due to interference are observed as spatial fluctuations in the speckle pattern, but if this is directly incident on the photodetector 11, which has a wide light-receiving surface, the light will be scattered spatially over the area of the light-receiving surface. Since smoothing is performed,
The detected fluctuation becomes small. Therefore, by limiting the field of view of the photodetector 11 using a collimator 10 having a pinhole of a predetermined size, fluctuations can be detected with high sensitivity.

上述した実施例においては、セルフに入射する光束4の
方向と、コリメータ10の光軸方向とを90°とし、入
射光束は直接光検出器11に入射しないホモダイン法を
採用したが、入射光束の一部を光検出器11に入射させ
るヘテロダイン法を採用することもできる。すなわち、
本発明においては、第2図に示すようにセルフへの入射
光束4とコリメータ10の光軸との成す角度θは任意に
とることができる。ここでホモダイン的に散乱光を検出
する場合には、光電子増倍管より成る光検出器11の出
力信号は、散乱光の電界強度をEとすると、その自乗の
平均値ES2に比例したものとなり、散乱光と入射光と
を併わせで検出するヘテロダイン的検出の場合には、直
接の入射光の電界強度をEeとすると、光検出器11の
出力信号は、 となる。ここでEeはゆらぎがない(もしあったとして
も散乱光のゆらぎに比べて緩つくりしている)ので、光
検出器11の出力の変動成分は殆んど第2項2 E8・
ESに等しい。つまり、散乱光の電界強度E8にほぼ比
例した出力信号が得られることになる。
In the above embodiment, the direction of the light beam 4 incident on the self and the optical axis direction of the collimator 10 are set at 90 degrees, and the homodyne method is adopted in which the incident light beam does not directly enter the photodetector 11. It is also possible to adopt a heterodyne method in which a portion of the light is incident on the photodetector 11. That is,
In the present invention, as shown in FIG. 2, the angle θ between the light beam 4 incident on the self and the optical axis of the collimator 10 can be set arbitrarily. When detecting scattered light in a homodyne manner, the output signal of the photodetector 11 consisting of a photomultiplier tube is proportional to the average value ES2 of the square of the electric field strength of the scattered light. In the case of heterodyne detection in which scattered light and incident light are detected together, if the electric field strength of the directly incident light is Ee, the output signal of the photodetector 11 is as follows. Here, Ee has no fluctuation (even if there is, it is made looser than the fluctuation of the scattered light), so the fluctuation component of the output of the photodetector 11 is almost entirely the second term 2E8.
Equal to ES. In other words, an output signal approximately proportional to the electric field strength E8 of the scattered light is obtained.

また、コリメータ10も上述した構成に限定されるもの
ではなく、光検出器11の視野を1スペツクルパターン
以下に制限できるものであれば任意の構成とすることが
できる。
Further, the collimator 10 is not limited to the above-mentioned configuration, but may have any configuration as long as it can limit the field of view of the photodetector 11 to one speckle pattern or less.

上述した装置を用い、光検出器11の出力信号を低域通
過フィルタ16を経てデータ処理装置14へ供給し、光
検出器8からのモニタ信号と共に処理をして散乱光の強
度ゆらぎのパワースペクトル密度を求めた結果を次に説
明する。ここで定常確立過程X(t)のパワースペクト
ル密度5(f)は、次のように表わすことができる。
Using the above-mentioned device, the output signal of the photodetector 11 is supplied to the data processing device 14 through the low-pass filter 16, and processed together with the monitor signal from the photodetector 8 to obtain the power spectrum of the intensity fluctuation of the scattered light. The results of determining the density will be explained below. Here, the power spectral density 5(f) of the steady state establishment process X(t) can be expressed as follows.

この式をもとに高速フーリエ変換を用いてパワースペク
トル密度の計算を行なう。すなわち、光検出器11から
の出力信号を低雑音増幅器15により、データ処理装置
14におけるA/D変換の」子化レベルを信号の値域が
できるだけ広くおおうように増幅し、この量子化したデ
ータをマイクロプロセッサによって演算処理してパワー
スペクトル密度を求めた。このようにして求めたパワー
スペクトル密度から緩和周波数を求め、免疫反応の前後
における緩和周波数の比を求め、この比により、抗体ま
たは抗原濃度を求め、これを表示装置20で数値的に表
示する。
Based on this equation, the power spectral density is calculated using fast Fourier transform. That is, the output signal from the photodetector 11 is amplified by the low-noise amplifier 15 so that the digitization level of the A/D conversion in the data processing device 14 is covered as wide as possible, and this quantized data is The power spectral density was calculated using a microprocessor. The relaxation frequency is determined from the power spectral density determined in this way, the ratio of the relaxation frequencies before and after the immune reaction is determined, and the antibody or antigen concentration is determined from this ratio, which is displayed numerically on the display device 20.

第3図は、粒径が0.1μmの抗体感作ラテックス粒子
を分散させた液に5xio−’g 7m 12の抗原(
CRP)を加える前後におけるパワースペクトル密度の
変化を示すものである。両曲線ともローレンツ型パワー
スペクトル密度を表わすものであり、散乱光の強度ゆら
ぎのパワースペクトル密度の内、干渉効果によるもので
ある。免疫反応前後におけるパワースペクトル密度の緩
和周波数fr+およびfr2畔微粒子の直径に反比例す
ることがわかる。すなわち、散乱光の強度ゆらぎは上述
したように微粒子の運動に暴くコヒーレント光の干渉に
よる成分と、散乱体積内の粒子数の変動による成分との
合成されたものとなるが、本実施例では干渉成分が主と
して検出されており、パワースペクトル密度の緩和周波
数は粒子が光の波長の距離を移動する時間の逆数となる
ので、免疫反応による凝集が進んで粒径が等測的に大き
くなると移動時間は長くなり、緩和周波数fr2が減少
することになる。すなわち、抗原−抗体反応によって微
粒子が互いに凝集し、ブラウン運動が変化し、ローレン
ツ型曲線の緩和周波数が低域側にシフトする。
Figure 3 shows that 5xio-'g 7m 12 antigen (
It shows the change in power spectrum density before and after adding CRP). Both curves represent Lorentzian power spectral densities, and are due to interference effects in the power spectral densities of intensity fluctuations of scattered light. It can be seen that the power spectrum density before and after the immune reaction is inversely proportional to the relaxation frequency fr+ and the diameter of the fr2 microparticle. In other words, the intensity fluctuation of the scattered light is a combination of a component due to the interference of coherent light that exposes the movement of fine particles as described above, and a component due to fluctuations in the number of particles within the scattering volume, but in this example, the interference The components are mainly detected, and the relaxation frequency of the power spectral density is the reciprocal of the time it takes for particles to travel the distance of the wavelength of light, so if the particle size increases isometrically as aggregation due to immune reaction progresses, the travel time increases. becomes longer, and the relaxation frequency fr2 decreases. That is, the antigen-antibody reaction causes particles to aggregate with each other, the Brownian motion changes, and the relaxation frequency of the Lorentzian curve shifts to the lower side.

本発明では、この緩和周波数の低域側へのシフトを利用
して抗原または抗体濃度を求める。一般にローレンツ型
スペクトルの緩和周波数frは次式で与えられる。
In the present invention, the antigen or antibody concentration is determined by utilizing this shift of the relaxation frequency to the lower side. Generally, the relaxation frequency fr of the Lorentzian spectrum is given by the following equation.

たたし、5(f)は周波数fにおけるパワースペクトル
密度、Nは散乱体積中の微粒子の数である。
where 5(f) is the power spectral density at frequency f, and N is the number of particles in the scattering volume.

そこで″抗原−抗体反応前後における緩和周波数の比 を求めると、この比Rと抗原または抗体の濃度とは一定
の関係を有することになる。したがって、比Rを求める
ことにより被検液中の抗原または抗体の濃度を求めるこ
ができる。しかし、第3図に示すようにパワースペクト
ル密度は全周波数、に亘って大きく変動しているため、
緩和周波数をどのようにして求めるかが問題となる。
Therefore, if we calculate the ratio of the relaxation frequencies before and after the antigen-antibody reaction, this ratio R will have a certain relationship with the concentration of the antigen or antibody. Alternatively, the concentration of the antibody can be determined. However, as shown in Figure 3, the power spectral density fluctuates greatly over all frequencies, so
The problem is how to find the relaxation frequency.

上述したように散乱光の光強度のパワースペクトル密度
はローレンツ型スペクトルとなるが、このローレンツ型
スペクトルの緩和周波数は、低周波領域におけるホワイ
トレベル(平坦な部分)から3 dB低下したときの周
波数として求めることができる。この3 dBという値
はバ′ワースベクトル密度の曲線の形状、すなわち、抗
原−抗体反応の有無、使用する微粒子の径などとは無関
係に一義的に決まるものである。
As mentioned above, the power spectral density of the light intensity of the scattered light becomes a Lorentzian spectrum, and the relaxation frequency of this Lorentzian spectrum is the frequency when the white level (flat part) is lowered by 3 dB in the low frequency region. You can ask for it. This value of 3 dB is uniquely determined regardless of the shape of the Bowers vector density curve, that is, the presence or absence of an antigen-antibody reaction, the diameter of the microparticles used, etc.

第4図A−Dは本発明の方法により緩和周波数を求める
手法を図式的に示したものである。第4図Aは実測デー
タから描かれるパワースペクトル密度を示すものであり
、低周波領域のホワイトレベルだけでなく、高周波領域
の立下がり部分においても大きな変動分を含んでいる。
FIGS. 4A to 4D schematically illustrate a method for determining relaxation frequencies using the method of the present invention. FIG. 4A shows the power spectrum density drawn from the measured data, which includes large fluctuations not only in the white level in the low frequency region but also in the falling portion in the high frequency region.

まず、高速フーリエ変換部18から供給される実測デー
タを演算処理部19においてコンピュータ処理し、スム
ージングをかけて第4図Bに示すように滑らかな曲線と
する。次に、例えば1〜10七の低周波領域における値
の平均値を求め、第4図Cに示すように平坦なホワイト
レベルの値WLを求める。
First, the measured data supplied from the fast Fourier transform section 18 is computer-processed in the arithmetic processing section 19 and smoothed to form a smooth curve as shown in FIG. 4B. Next, the average value of the values in the low frequency region, for example from 1 to 107, is determined to determine a flat white level value WL as shown in FIG. 4C.

次に、第4図りに示すようにこの平坦なホワイトレベル
WLから3 dB低下した基準レベルRLを求め、この
レベルと滑らかとしたパワースペクトル密度の立下がり
部との交点の周波数を求め、これを緩和周波数frとす
る。これはホワイトレベルWLから3 dBだけ低下し
たパワースペクトル密度を与える周波数として求めるこ
とができる。
Next, as shown in the fourth diagram, find a reference level RL that is 3 dB lower than this flat white level WL, find the frequency at the intersection of this level and the smooth falling part of the power spectrum density, and calculate this. Let the relaxation frequency be fr. This can be determined as a frequency that provides a power spectral density that is 3 dB lower than the white level WL.

一般に、スムージング処理を施すと、第4図Bに示すよ
うにパワースペクトル密度は滑らかな曲線となるが、こ
の曲線の立下がり部分に依然として変動分が含まれてい
ると誤差になる恐れがある。
Generally, when smoothing processing is performed, the power spectrum density becomes a smooth curve as shown in FIG. 4B, but if the falling portion of this curve still contains fluctuations, there is a risk of an error.

このような場合には、上述した処理を複数回行なってそ
の平均値をとったり、ホワイトレベルWLから368前
後低下した複数の位置、例えば2.9dB。
In such a case, the above-mentioned process may be performed multiple times and the average value may be taken, or the white level WL may be lowered by about 368 dB, for example, 2.9 dB.

3.0dBおよび3.1dB低下したレベルを与える複
数の周波数を求め、これら周波数から3.OdBだけ低
下した位置の緩和周波数を、平均法、内挿法、などの処
理により求めたりすることができる。
Find multiple frequencies that give a level reduced by 3.0 dB and 3.1 dB, and calculate 3. from these frequencies. The relaxation frequency at a position lowered by O dB can be determined by processing such as an averaging method or an interpolation method.

第5図は上述したようにして求めた反応前後の緩和周波
数の比Rと抗原濃度Cとの関係を示すグラフである。微
粒子として粒径0.1μのポリスチレンラテックスより
成る抗体感作粒子を用い、抗原としてCRPを用い、抗
原を加えた後、すなわ8痘応擾、5分−1h分お上が3
0分終過塙の糟m固波数の比Rを求めたものである。こ
の緩和周波数の比Rと抗原濃度Cとの関係はほぼ R−1ae (c−’r)という指数関数で表わされる
ものとなる。ここにaは反応時間によって決まる定数で
あり、■は曲線が横軸と交差する点の抗原濃度である。
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the ratio R of relaxation frequencies before and after the reaction obtained as described above and the antigen concentration C. Antibody-sensitized particles made of polystyrene latex with a particle size of 0.1μ were used as microparticles, CRP was used as the antigen, and after adding the antigen, incubation was carried out for 8 times, and the upper temperature was increased for 3 minutes for 5 minutes to 1 hour.
The ratio R of the solid wave number at the end of 0 minutes is calculated. The relationship between the relaxation frequency ratio R and the antigen concentration C is approximately expressed by an exponential function R-1ae (c-'r). Here, a is a constant determined by the reaction time, and ■ is the antigen concentration at the point where the curve intersects the horizontal axis.

本発明は上述した実施例にのみ限定されるものではなく
、幾多の変形や変更が可能である。本発明の方法は、免
疫グロブリンG(IaG)、免疫グロブリンA(1(I
A)、I(JM、il:ID。
The present invention is not limited to the embodiments described above, but can be modified and changed in many ways. The method of the present invention includes immunoglobulin G (IaG), immunoglobulin A (1 (I)
A), I (JM, il: ID.

1gE、オーストラリア抗原、m毒抗原、インシュリン
など抗原−抗体反応によって凝集を生ずるすべての物質
の測定に適用することができる。また、上述した実施例
では、微粒子の表面に抗体を固定して、−被検体中の抗
原を検出するようにしたが、微粒子の表面に抗原を固定
し、被検体中の抗体を検出することもできる。さらに、
上述した実施例では微粒子としてポリスチレンラテック
ス粒子を用いたが他の有機物粒子や、ガラスなどの無機
物粒子を用いることもできる。さらに上述した実施例で
は抗原−抗体反応液の中には最初から微粒子を存在させ
たが、このような微粒子を用いずに、抗原−抗体反応の
結果として生ずる微粒子状生成物による散乱光を利用す
ることもできる。このような抗原−抗体反応の実施例と
しては、抗原としてヒト絨毛ゴナドトロピン(HCG>
を用い、抗体として抗ヒト絨毛ゴナドトロピン(抗HC
G)を用いる反応があり、この反応により生成される抗
原−抗体複合体は微粒子として扱うことができる。さら
に抗原そのものを粒子として用いることもできる。この
ような抗原−抗体反応としては抗原としてカンディダ・
アルビカンス(酵母)を用い、抗体として抗カンディダ
・アルビカンスを用いる例や、他に血球、細胞、微生物
などを粒子として用いることもできる。また第1図に示
す実施例では抗原−抗体反応液をセルに収容して測定を
行なうバッチ方式としたが、抗原−抗体反応液を連続的
に流しながら測定を行なうフロ一方式とすることも勿論
可能である。
It can be applied to the measurement of all substances that cause agglutination due to antigen-antibody reactions, such as 1gE, Australian antigen, m-toxin antigen, and insulin. Furthermore, in the above-mentioned embodiments, antibodies were immobilized on the surface of microparticles to detect antigens in the specimen, but it is also possible to immobilize antigens on the surface of microparticles and detect antibodies in the specimen. You can also do it. moreover,
Although polystyrene latex particles were used as the fine particles in the above embodiments, other organic particles or inorganic particles such as glass may also be used. Furthermore, in the above-mentioned example, fine particles were present in the antigen-antibody reaction solution from the beginning, but instead of using such fine particles, scattered light from fine particulate products generated as a result of the antigen-antibody reaction was used. You can also. An example of such an antigen-antibody reaction is human chorionic gonadotropin (HCG>
using anti-human chorionic gonadotropin (anti-HC) as the antibody.
There is a reaction using G), and the antigen-antibody complexes produced by this reaction can be treated as fine particles. Furthermore, the antigen itself can also be used as particles. In such an antigen-antibody reaction, Candida candida is used as an antigen.
For example, Candida albicans (yeast) is used and anti-Candida albicans is used as the antibody, and blood cells, cells, microorganisms, etc. can also be used as particles. Furthermore, in the embodiment shown in Fig. 1, a batch method was used in which the antigen-antibody reaction solution was stored in a cell and the measurement was performed, but a flow-type method in which the measurement is performed while the antigen-antibody reaction solution is continuously flowing may also be used. Of course it is possible.

(発明の効果) 上述した本発明の効果を要約すると以下の通りである。(Effect of the invention) The effects of the present invention described above are summarized as follows.

(1)光強度ゆらぎのパワースペクトル密度の緩和周波
数を正確かつ迅速に求めることができるので、分析精度
が向上すると共に処理能率も向上する。
(1) Since the relaxation frequency of the power spectrum density of light intensity fluctuation can be determined accurately and quickly, analysis accuracy is improved and processing efficiency is also improved.

(2)酵素やラジオアイソトープのような標識試薬のよ
うな高価で、取扱いの面倒な試薬を用いる必要がないの
で、安価かつ容易に実施することができる。
(2) Since there is no need to use expensive and difficult-to-handle reagents such as labeling reagents such as enzymes and radioisotopes, it can be carried out at low cost and easily.

(3)免疫電気泳動法、免疫拡散法、沈降法などの非標
識免疫分析法に比べ精度が高く、再現性が高いので信頼
性の高い測定結果を高精度で得ることができる。
(3) It has higher accuracy and reproducibility than non-labeled immunoanalytical methods such as immunoelectrophoresis, immunodiffusion, and precipitation, so it is possible to obtain highly reliable measurement results with high precision.

(4)微粒子のブラウン運動に基く散乱光の強度ゆらぎ
を検出するものであるから、超微量の被検体で高精度の
測定ができると共に測定時間°も短時間となる。
(4) Since the method detects the intensity fluctuation of scattered light based on the Brownian motion of fine particles, highly accurate measurement can be performed with an ultra-trace amount of sample, and the measurement time can be shortened.

(5)平均拡散定数を散乱光のスペクトル幅の変化から
求めることにより抗原または抗体を定量する方法に比べ
分光計が不要であるので装置は小形かつ安価となると共
に精度および信頼性の高い測定結果が得られる。
(5) Compared to methods that quantify antigens or antibodies by determining the average diffusion constant from changes in the spectral width of scattered light, a spectrometer is not required, so the device is smaller and cheaper, and the measurement results are highly accurate and reliable. is obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明による免疫反応測定方法を実施する装置
の一実施例の構成を示す縮図、第2図は免疫反応測定装
置の他の実施例の要部の構成を示す縮図、 第3図は抗原−抗体反応前後におけるパワースペクトル
密度の変化を示すグラフ、 第4図A−Dは本発明により緩和周波数を求める順次の
動作を説明する線図、 第5図は抗原濃度と反応前後の緩和周波数の比との関係
を示すグラフである。 1・・・レーザ光、源   2. 4. 5・・・光束
3・・・半透1     6・・・集光レンズ7・・・
セル      8・・・光検出器9・・・微粒子  
   10・・・コリメータ11・・・光検出器   
 13−15・・・低醤音憎#XA園14・・・データ
処理装置 16・・・低域通過フィルタ20・・・表示
装置 特許出願人   オリンパス光学工業株式会社弔2図 第3図 周液数J(jh)− 第4図 A        B
FIG. 1 is a miniature diagram showing the configuration of one embodiment of the apparatus for carrying out the immune reaction measurement method according to the present invention, FIG. 2 is a miniature diagram showing the configuration of the main part of another embodiment of the immune reaction measurement apparatus, and FIG. is a graph showing the change in power spectral density before and after the antigen-antibody reaction, Figures 4A-D are diagrams explaining the sequential operation of determining the relaxation frequency according to the present invention, and Figure 5 is a graph showing the antigen concentration and relaxation before and after the reaction. It is a graph showing the relationship with the ratio of frequencies. 1... Laser light, source 2. 4. 5... Luminous flux 3... Semi-transparent 1 6... Condensing lens 7...
Cell 8... Photodetector 9... Fine particles
10... Collimator 11... Photodetector
13-15...Low sourness #XA garden 14...Data processing device 16...Low pass filter 20...Display device patent applicant Olympus Optical Industry Co., Ltd. Figure 2 Figure 3 Number J (jh) - Figure 4 A B

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1、抗原および抗体を含む反応液に輻射線を投射し、反
応液中の微粒子による散乱光を検知し、この検知出力の
強度ゆらぎのパワースペクトル密度に基いて抗原−抗体
反応を測定するに当たり、抗原−抗体反応前および反応
後のパワースペクトル密度のホワイトレベルをそれぞれ
求め、これらホワイトレベルよりほぼ3デシベル低下し
たパワースペクトル密度の値を与える周波数をそれぞれ
緩和周波数として求め、これら抗原−抗体反応前および
反応後の緩和周波数の比を求め、この緩和周波数の比か
ら抗原または抗体の濃度を求めることを特徴とする光強
度ゆらぎによる免疫反応測定方法。
1. In projecting radiation onto a reaction solution containing an antigen and an antibody, detecting light scattered by fine particles in the reaction solution, and measuring the antigen-antibody reaction based on the power spectrum density of the intensity fluctuation of this detection output, The white levels of the power spectral density before and after the antigen-antibody reaction are determined, and the frequencies that give the power spectral density values that are approximately 3 dB lower than these white levels are determined as the relaxation frequencies. A method for measuring an immune reaction using light intensity fluctuation, characterized by determining a ratio of relaxation frequencies after a reaction, and determining the concentration of an antigen or antibody from this ratio of relaxation frequencies.
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