JPS6165144A - 光強度ゆらぎを用いる免疫反応測定装置 - Google Patents

光強度ゆらぎを用いる免疫反応測定装置

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JPS6165144A
JPS6165144A JP18628684A JP18628684A JPS6165144A JP S6165144 A JPS6165144 A JP S6165144A JP 18628684 A JP18628684 A JP 18628684A JP 18628684 A JP18628684 A JP 18628684A JP S6165144 A JPS6165144 A JP S6165144A
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cell
light source
antibody
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Akihiro Nanba
昭宏 南波
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 (技術分野) 本発明は、抗原−抗体反応に暴く免疫反応を、微粒子に
よる散乱光の強度ゆらぎを利用して測定、。
する装置に関するものである。
(従来技術) 免疫物質、ホルモン、医薬品、免疫調節等生体内in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の2方法がよ
く知られている。
前者の標識免疫分析法としてはラジオイムノア、7セイ
(RIA)、酵素免疫分析(EIA)、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。
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。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J
 Vol、22゜階5(1978) 、第471〜48
7頁に詳しく説明されている。
また、rImmunochemistry J 、Vo
l、12.N14(1975)1第349〜351頁に
は、抗体′または抗原を表面に担持させた粒子を抗原ま
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措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ijn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fE
fffiが少ないという欠点もある。
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る。
また、通常、光学式の反応測定装置では、光源光強度の
変動成分が測定結果に影響しないように、光源の光を直
接検出して、その変動をモニタする機能を備えている。
この光源の光強度が変動する要因としては例えば光源を
レーザ光源とする場合には、反応液を収容するセルに光
源光が入射する際に2.光源光がセル表面で反射した光
やセル内の物質に反射された光の一部がレーザ光源へ戻
り、ハックトークを起こすことにあると考えられる。
しかし、このように光源の光強度の変動をモニタする装
置を付加することは、測定装置を大型化させ、またコス
トア・ンプの要因となっている。
・ (発明の目的) 本発明の目的は、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、上述した従来の欠点を
除去し、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
くの有用な情輯を得ることができ、かつ、光源光にセル
からの反射光が干渉して、光源光強度に変動が生ずるこ
とを防止するようにした免疫反応測定装置を提供しよう
とするものである。
(発明の概要) 本発明は、抗原および抗体を含む反応液に光を投射し、
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装
置において、前記抗原−抗体反応液を収容するセルと、
コヒーレントな光を放射し、これを前記セルに入射させ
る光源装置と、 前記セルからの散乱光を単独または入射光と共に受光す
る光検出装置と、 この光検出装置からの出力信号を受け、その強度ゆらぎ
のパワースペクトル密度を求め、それに基いて抗原−抗
体反応を測定する手段と、前記光源装置から前記セルに
入射する光の光路中に介在され、セル側から光源装置に
至る反射光のみを遮断する光アイソレータとを具えるこ
とを特徴とするものである。
上述した本発明装置で実施される免疫反応測定方法にお
いては、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。この
ように本発明では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。後述
する本発明の一実施例では、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。また、他の実施例
においては、散乱光の強度ゆらぎのパワースペクトル密
度の低周波数側の周波数に関する積分値が粒子の大きさ
に依存することを利用して、抗原−抗体反応の前後にお
ける積分値の比を求め、この比の値から抗原−抗体反応
を測定する。
本発明では、このような粒子の凝集によって、粒子によ
る散乱光の強度ゆらぎが変化するのを、パワースペクト
ル密度に基いて検出するものであるから、高価な標識試
薬や分光計を用いることなく、高怒度かつ再現性高く短
時間で抗原−抗体反応に関する多くの有用なデータを得
ることができる。
さらに、上記光アイソレークによって、セル側から光源
装置に戻ってくる反射光を遮断することにより、光源光
強度に変動が生ずることを防止できる。
(実施例) 第1図は本発明による免疫反応測定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632.8nmのHe−Neガ
スレーザ1を設ける。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。光源1から放射
されるレーザ光束2は光アイソレータ3を通過し、集光
レンズ4によって集光された光束5となり透明なセル6
に入射する。
セル6の中には、表面に抗体または抗原を結合した微粒
子7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6中で抗原−抗体反応が起こり、微粒子間に
相互作用が生じたり、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6中の微
粒子7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8を経て光電子増倍管より成る光検
出器9に入射させる。この光検出器9の出力信号は低雑
音増幅器10および低域通過フィルタ11を経てデータ
処理装置12に供給される。データ処理装置12にはA
/D変換部13、高速フーリエ変換部14および演算処
理部15を設け、セル6からの散乱光強度から散乱光の
強度ゆらぎのパワースペクトル密度を求め、これに暴い
てセル6中での微粒子7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い、抗原−抗体反応の
測定結果を出力する。この測定結果はプリンタ16に供
給して表示する。また、パワースペクトル密度の波形を
モニタ17により映出する。
上記アイソレータ3は、偏光板3aとA波長板3bとを
重ね合わせたもので、レーザ光′rA1から発生した光
束2は光アイソレータ3を透過するときに、2波 長板
3bを通り、セル6の表面で反射されて戻ってくる反射
光束は×波長板3bを再び透過するので偏光面は90°
回転し、偏光板3aは透過しない。
従って、レーザ光tA1に上記セル6からの反射光が戻
ることによって光源光強度が変動することが防止でき、
これにより、光検出器9の出力に、光源光の変動成分か
雑音として含まれることか無くなる。よって、セル6か
ら放出される散乱光のS/Nが高くなり、検出感度が向
上するとともに、光源光強度の変動をモニタする装置が
不要になる。
なお、この光アイソレータ3は、レーザ光源1からセル
6に至る光路中であれば、その設置場所は限定されない
第2図は第1図に示したコリメータ8の詳細な構成を示
す図である。本例のコリメータ8は空胴構造となってお
り、空胴8aは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構造となっている。空胴8
aの前後にはピンホール8bおよび8cを形成する。今
、これらピンホール8bおよび8cの半径をそれぞれa
、およびa2.  ピンホール間の距離をり、空胴8a
の内部媒体の屈折率をn、波長をλとするとき、次式(
1)を満足するように構成する。
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
の出入りによって住する粒子数のゆらぎによる項とから
成っている。
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9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。そこで上述した
ようなピンホールを有するコリメータ8を用いて光検出
器9の視野を限定することにより、ゆらぎを高怒度で検
出することができるようになる。本実施例では上式(1
)を満足させるには、空胴8a内の媒体は屈折率n=1
の空気で十分実用的である。すなわち、直径0.3mm
のピンホール8b、 8cを3Qcm離したコリメータ
8を用いれば上式(1)は満足されることになる。
上述した実施例においては、セル6に入射する光束5の
方向と、コリメータ8の光軸方向とを90゜とし、入射
光束は直接光検出器9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9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3図に示すようにセル6への入射光束5
とコリメータ8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9の出力信号は、
散乱光の電界強度E、とすると、その自乗の平均値「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E、とす、 ると、光検出器9の出力信号は、 となる。ここでE8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塑っくすしている)ので、光
検出器11の出力の変動成分は殆んど第2項2B、  
・口に等しい。つまり、散乱光の電界強度6゛にほぼ比
例した出力信号が得られることになる。
また、コリメーク8も上述した構成に限定されるもので
はなく、光検出器9の視野を1スペ・ックルパターン以
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。
上述した装置を用い、光検出器9の出力信号を低域通過
フィルタ11を経てデータ処理装置12へ供給して散乱
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×(t)のパワース
ペクトル密度S (f)は、次のように表わすことがで
きる。
この(2)弐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9
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12におけるA/D変換の量子化レヘルを信号の値
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ツ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免疫反応の進行状況をプリンタ
16で数値的に表示した。
第4図および第5図は、粒径がそれぞれ0.188μm
および0.305μmのラテックス粒子を分散させた液
をセル6に収容したときに得られるパワースペクトル密
度を示すものであり、これは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。
これらのパワースペクトル密度の緩和周波数は微粒子の
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基くコヒーレ
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か光の波長の距離を移動する時
間の逆数となるので、粒径が大きくなると移動時間は長
くなり、緩和周波数か減少することになる。
第6図は横軸に粒径をμmの単位でとり、縦軸に緩和周
波数をとってそれぞれ対数目盛りで示したものである。
すなわち、粒径0..0915μmの粒子の緩和周波数
は約400Hz、  0.188μmでは約200Hz
、  0.30511 mでは約100tlzとなる。
この第6図のグラフから明らかなように、パワースペク
トル密度の緩和周波数は粒径に反比例するので、この緩
和周波数の変化から抗原−抗体による凝集の有無や凝集
の程度を検出することができる。
第7図および第8図は、粒径0.3μmのラテックス粒
子を緩衝液中に0.1重量%および0.09重景%の濃
度で分散させたときのパワースペクトル密度を示すグラ
フであり、ともにローレンツ型のパワースペクトル密度
が得られていることがわかる。
上述したように、散乱光の強度ゆらぎは粒子のブラウン
運動による干渉性成分と、散乱体積内の粒子数の変化に
よる非干渉性成分との和になるが、散乱体積内の粒子数
が少なくなり、干渉性成分が少なくなって、非干渉性成
分と同程度となると、粒子のブラウン運動による散乱光
強度変化以外の成分も検出してしまい、抗原−抗体反応
を精度よく検出することはできなくなる。したがって、
粒子の濃度は、散乱体積内での入射光強度が十分得られ
る程度に低く、かつ干渉性成分が非干渉性成分よりも大
きくなるような範囲に選ぶ必要がある。
第9図は横軸に1mm3中の粒子数をとり、縦軸あるが
、散乱体の粒径が一定であれば相当広い粒子濃度に亘っ
て相対ゆらぎは一定となる。
第10図および第11図は、直径0.3μmのラテック
ス粒子の表面に免疫グロブリンGの抗体を固定したもの
を、Tris −HClでP I(7に調整した緩衝液
に分散させたものに、抗原として10−’ g /mβ
および10−9g/m7!の濃度の免疫グロブリンGを
加えた抗原−抗体反応液をセルに収容し、抗原−抗体反
応の開始前と開始後(15分間)のパワースペクトル密
度を示すものである。第10図に示す抗原濃度10−’
 g / m 7!の場合には、反応面の緩和周波数が
約50Hzであるのに対し、反応15分後の緩和周波数
が10Hzに変化している。これに対し、抗原濃度が1
0−9g / m (lの場合には、反応開始前の緩和
周波数は約95Hzで、反応後の緩和周波数は約40H
zとなっている。したがって、抗原−抗体反応前後の緩
和周波数の比Fを、 と定義し、この値を幾つかの抗原濃度について求めた関
係をグラフに示すと第12図に示すようになる。すなわ
ち、第12図において横軸は抗原濃度をとり、縦軸は緩
和周波数の比Fの値をとって示すものであるが、緩和周
波数の比Fを求めることにより抗原濃度を検出すること
ができる。
一方、第10図および第11図において、抗原−抗体反
応の前後における相対ゆらぎの比(R)か抗原濃度と一
定の関係を存することもわかる。次にこのことについて
説明する。第1図において、光検出器9によって散乱光
を変換した電気信号を以下に示すような伝達関数を存す
る低域通過フィルタに通す。
「、 ここにfcは低域通過フィルタのpソトオフ周波数であ
り、緩和周波数f1よりも十分低い周波数とする。この
とき、低域通過フィルタの出力として得られる電流■の
ゆらぎのパリアンスは、くδ■> ” =K ” < 
N> + K ” < N> zf c/ f r・・
・  (4) となる、ただしKは定数、くN〉は散乱体積中の平均粒
子数である。したがって、低域通過フィルタの出力電流
の相対ゆらぎとして次式(5)が成立する。
<l>”     f、   <N> ここでγは比例定数である。ここで散乱体積中の粒子数
は十分に大きいとすると、(5)式は次のように古き直
すことができる。
したがって、パワースペクトル密度のグラフから緩和周
波数f、を求めることにより相対ゆらぎを算出すること
ができる。このとき相対ゆらぎ比Rは次式で表わすこと
ができる。
この(7)式により相対ゆらぎ比Rを求め、これと抗原
濃度との関係をグラフにして求めたのが第13図である
。このグラフより明らかなように、抗原−抗体反応前後
における相対ゆらぎの比Rを求めることにより未知の抗
原濃度を知ることができる。
すなわち、測定に先立って既知の異なる抗原濃度の標準
サンプルについて相対ゆらぎ比Rを求めて第13図のよ
うに検量線を求めておき、未知の抗原濃度の被検体につ
いて相対ゆらぎ比Rを求め、先に求めた検量線に基いて
抗原濃度を知ることができる。
一方、(7)式に゛よる相対ゆらぎ比Rは第10図およ
び第11図に示すパワースペクトル密度の低周波帯域に
おける積分値の変化の比としても求めることができる。
すなわち、 ・−+8) に基いて相対ゆらぎ比Rを求めることができる。
ここで抗原−抗体反応前のパワースペクトル密度の積分
値Aおよび反応後の積分値Bは、10−’−101H2
の低周波帯域における積分値である。したがって低域通
過フィルタは10’ Hz以下の周波数を通過するもの
とする。
上述した例では第10図および第11図に示すようにパ
ワースペクトル密度の低周波帯域における積分値Aおよ
びBの比として相対ゆらぎ比Rを求めるようにしたが、
低周波帯域における特定の周波数、例えば10Hzにお
けるパワースペクトル密度のレベルの比から相対ゆらぎ
比を求めるようにしてもよい、このように周波数を特定
するときには、高速フーリエ変換器の代りにディジタル
フィルタを用いることができ、構成が筒車となると共に
処理時間も短くなる。
粒径が一定の場合にはパワースペクトル密度はローレン
ツ型であり、緩和周波数より大きい周波数においては周
波数の自乗に反比例して減少する。
ところが、粒径が分布している場合には、それぞれの粒
径に対応した緩和周波数を持ったローレンツ型スペクト
ルを重ね合わせたものが観測されるので高周波部分にお
けるパワースペクトル密度は最早や周波数の自乗に反比
例しなくなる。したがってこの部分の形状から逆に反応
によって凝集した粒子の粒径分布を知ることができる。
このようなデータは従来は得られなかったものであり、
抗原−抗体反応の状態を解析する上で有用な情報である
本発明は上述した反応測定のみを行う装置に限定される
ものではなく、免疫グロブリンA (IgA)。
1い4. Igl)、 fglE、オーストラリア抗原
、梅毒抗原、インツユリンなど抗原−抗体反応によって
凝集を生するすべての物質の測定に適用することができ
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ハツチ方式としたが、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。
(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。
(1)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)免疫電気永劫法、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)微粒子のブラウン運動に暴く散乱光の強度ゆらぎ
を検出するものであるから、超iU后の被検体で高精度
の測定かできると共に測定時間も短時間となる。
(4)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へ
分光計か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か得られる。
(5)  光ゆらぎのパワースペクトル密度に基いて測
定を行なうため、抗原−抗体反応ム二ついての多くの有
用な情報を得ることができる。
(6)  セル表面やセル内物質に反射された光源光の
反射光が光源に戻ることによって生しる光源光強度の変
動を防止することができ、θす定精度を向上させること
が可能であるとともに、光源光強度の変動をモニタする
装置が不要となり、測定装置の小型化およびコスト低減
を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による免疫反応測定装置の一実施例の構
成を示す線図、 第2図は同じくそのコリメータの詳細な構成を示す線図
、 第3図は本発明の免疫反応測定装置の他の実施例の要部
の構成を示す線図、 第4図および第5図はそれぞれ粒径が0.188μmお
よび0.305μmの微粒子に対するパワースペクトル
密度を示すグラフ、 第6図は粒径と、パワースペクトル密度の緩和周波数と
の関係を示すグラフ、 第7図および第8図はそれぞれ粒子濃度が0.1重量%
および0.09重景%のときのパワースペクトル密度を
示すグラフ、 第9図は粒子濃度と緩和周波数との関係を示すグラフ、 第10図および第11図はそれぞれ抗原濃度が10−4
g / m eおよび10−9g/mβに対する抗原−
抗体反応前および後のパワースペクトル密度を示すグラ
フ、 第12図は抗原濃度と緩和周波数の比との関係を示すグ
ラフ、 第13図は抗原濃度と相対ゆらぎ比との関係を示すグラ
フである。 1・・・レーザ光m     2・・・光束3・・・光
アイソレータ  4・・・集光レンズ6・・・セル  
     7・・・微粒子8・・・コリメータ    
9・・・光検出器10・・・低雑音増幅器   11・
・・低域通過フィルタ12・・・データ処理装置  1
6・・・プリンタI7・・・モニタ      8a・
・・空胴8b、 8c・・・ピンホール 第10図 川流数(Ih) 第12図 第13図 筑原濃7!(りA!ン

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、抗原および抗体を含む反応液に光を投射し、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
    クトル密度に基づいて抗原−抗体反応を測定する装置に
    おいて、 前記抗原−抗体反応を行なう反応液を収容するセルと、 コヒーレントな光を放射し、これを前記セルに入射させ
    る光源装置と、 前記セルからの散乱光を単独または入射光と共に受光す
    る光検出装置と、 この光検出装置からの出力信号を受け、その強度ゆらぎ
    のパワースペクトル密度を求め、それに基いて抗原−抗
    体反応を測定する手段と、 前記光源装置から前記セルに入射する光の光路中に介在
    され、セル側から光源装置に至る反射光のみを遮断する
    光アイソレータとを具えることを特徴とする光強度ゆら
    ぎを用いる免疫反応測定装置。
JP18628684A 1984-09-07 1984-09-07 光強度ゆらぎを用いる免疫反応測定装置 Pending JPS6165144A (ja)

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