DE3546566C2

DE3546566C2 -

Info

Publication number: DE3546566C2
Application number: DE3546566A
Authority: DE
Inventors: Akihiro Tokio/Tokyo Jp Namba; Fumio Uchino; Hitoshi Tateoka; Masahiro Hachioji Tokio/Tokyo Jp Ohno; Outaro Hino Tokio/Tokyo Jp Ando; Kouichi Fuchu Tokio/Tokyo Jp Karaki; Tatsuo Musashino Tokio/Tokyo Jp Nagasaki
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1984-09-07
Filing date: 1985-09-06
Publication date: 1989-03-16
Also published as: US4826319A; DE3531891A1; DE3531891C2; US4762413A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen immunologischer Reaktionen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruches 1.

Es sind immunologische Analysen zur Messung von immunologischen Substanzen, Hormonen, Arzneimitteln und verschiedenen Komponenten wie Immunregulatoren, die in geringen Mengen in lebenden Körpern vorhanden sind, unter Anwendung spezieller immunologischer Reaktionen bekannt. Die immunologischen Analysen können grob eingeteilt werden in solche, bei denen Markierungssubstanzen wie Enzyme und Isotope als Indikatorsubstanzen verwendet werden und solche, bei denen die Antigen-Antikörper-Komplexe direkt, ohne daß Markierungssubstanzen vorhanden sind, gemessen werden.

Bei der zuerst genannten Gruppe der mit Markierungssubstanzen arbeitenden immunologischen Analysen sind allgemein bekannt das Radio-Immuno-Assay (RIA), das Enzym-Immuno-Assay (EIA) und das Fluoreszenz-Immuno-Assay (FIA). Diese Assays bzw. Untersuchungen haben den Vorteil, daß eine hohe Empfindlichkeit erzielt werden kann, aber auch den Nachteil, daß die Handhabung von Isotopen und verbrauchten Flüssigkeiten schwierig ist und die Meßzeiten leicht ziemlich lang werden. Darüber hinaus werden, da die Markierungsreagentien teuer sind, die Kosten pro Probe, d. h. die laufenden Kosten, leicht zu hoch.

Für die zuletzt genannte immunologische Analyse ohne Markierung wurden die Immuno-Elektrophorese, Immuno-Diffusion und -Sedimentation entwickelt. Diese Verfahren sind ziemlich einfach, jedoch nicht ausreichend empfindlich, quantitativ und reproduzierbar, wie es für genaue Messungen erforderlich ist.

In "Immuno chemistry", Bd. 12, Nr. 4 (1975), S. 349 bis 351, ist eine immunologische Analyse beschrieben, bei der Antigene oder Antikörper, die an die Oberfläche kleiner Teilchen gebunden sind, mit Antikörpern oder Antigenen in einer Testflüssigkeit reagieren und die mittlere Diffusionskonstante, die ein Zeichen für die Brownsche Bewegung der Aggregate aus agglutinierten Teilchen ist, wird aus einer Variation in der spektralen Breite von Laserlicht gemessen, das von einer Suspension von Teilchen gestreut wird. Dieses Verfahren besitzt den Vorteil, daß keinerlei Reagens verwendet wird. Da jedoch die Breite (Verbreiterung) des Spektrums, die auf dem Dopplereffekt aufgrund der Brownschen Bewegung der Aggregate beruht, mit Hilfe eines Spektrometers nachgewiesen wird, ist die Vorrichtung ziemlich groß und teuer. Darüber hinaus kann es zu Fehlern führen, wenn das Spektrometer mechanisch angetrieben wird, so daß die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit schlecht werden. Darüber hinaus wird bei diesen bekannten Verfahren die mittlere Diffusionskonstante aus der spektralen Breite gemessen, wodurch nur eine beschränkte Information über die Antigen-Antikörper-Reaktion zur Verfügung steht.

Aus der Zeitschrift "J. Clin. Chem. Clin. Biochem.", Vol. 16, Nr. 5, 1978, S. 299 bis 305, ist eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruches 1 bekannt. Aus der DE-OS 24 40 376 ist es bekannt, zur Feststellung der Teilchengröße das Dichtespektrum der Intensitätsschwankungen des gestreuten Lichtes zu verwenden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur immunologischen Analyse zu schaffen, die mit wenig aufwendigen Mitteln einen hohen Meß-Durchsatz ermöglicht, wobei für die Messungen geringe Mengen an Prüfflüssigkeiten ausreichen sollen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 gekennzeichnet.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung beschrieben.

Die vorliegende Erfindung beruht auf den folgenden Tatsachen. Die Intensität von Licht, das gestreut wird, durch die Aggregate der bei der Antigen-Antikörper-Reaktion entstehenden Teilchen verändert sich bzw. schwankt aufgrund der Interferenz des Lichtes, und ein Dichtespektrum der Intensitätsschwankungen der gestreuten Strahlung hängt ab von der Form und Größe der Aggregate oder Teilchen. Daher ist es durch Nachweis bzw. Untersuchung des Dichtespektrums der Intensitätsschwankungen möglich, viele nützliche Informationen über immunologische Reaktionen zu erhalten wie das Auftreten einer Antigen-Antikörper-Reaktion, eine quantitative Information über den Antigen- bzw. Antikörpergehalt und den Agglutinationszustand der Aggregate von Teilchen (Durchmesser der Aggregate) aufgrund der Antigen-Antikörper- Reaktion. Da die Veränderung der Intensität des gestreuten Lichtes einfach durch Nachweis des gestreuten Lichtes mit Hilfe eines Photodetektors gemessen werden kann, ist es nicht mehr erforderlich, irgendein teures Reagens zu verwenden. Da keine Analyse des Spektrums des gestreuten Lichtes durchgeführt wird, ist es auch nicht erforderlich, ein großes und teures Spektrometer zu verwenden.

Bei einer bevorzugten Arbeitsweise wird das gestreute Licht homodyn gemessen, und das Verhältnis der Kippfrequenzen (relaxation frequencies) des Dichtespektrums der Intensitätsschwankungen der gestreuten Strahlung vor und nach der Antigen-Antikörper-Reaktion wird aufgezeichnet, um die Antigen-Antikörper-Reaktion zu messen. Dies beruht auf der Tatsache, daß die Kippfrequenz unmittelbar zusammenhängt mit der Größe der Aggregate agglutinierter Teilchen.

Bei einer anderen bevorzugten Arbeitsweise nach der Erfindung wird das Verhältnis der integrierten Werte des Dichtespektrums der Intensitätsschwankungen in einem niedrigeren Frequenzbereich vor und nach der Antigen-Antikörper- Reaktion gemessen. Das beruht auf der Tatsache, daß der integrierte Wert des Dichtespektrums der Intensitätsschwankungen des gestreuten Lichtes im niedrigeren Frequenzbereich dicht zusammenhängt mit der Größe der Teilchenaggregate.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht, die eine Ausführungsform der immunologischen Meßvorrichtung nach der Erfindung zeigt;

Fig. 2 ist eine schematische Ansicht, die den Aufbau eines in Fig. 1 gezeigten Kollimators darstellt;

Fig. 3 ist eine schematische Ansicht, die die Hauptteile einer anderen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen immunologischen Meßvorrichtung zeigt;

Fig. 4 und 5 sind graphische Darstellungen, die Kurven für das Dichtespektrum für Teilchen mit Durchmessern von 0,188 µm bzw. 0,305 µm zeigen;

Fig. 6 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen dem Teilchendurchmesser und der Kippfrequenz des Dichtespektrums zeigt;

Fig. 7 und 8 sind graphische Darstellungen, die Kurven des Dichtespektrums für Teilchenkonzentrationen von 0,1 Gew.-% bzw. 0,09 Gew.-% zeigen;

Fig. 9 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Teilchenkonzentration und der relativen Fluktuation angibt;

Fig. 10 und 11 sind graphische Darstellungen, die Kurven für das Dichtespektrum vor und nach der Antigen- Antikörper-Reaktion für Antigenkonzentration von 10^-4 g/ml bzw. 10^-9 g/ml angeben;

Fig. 12 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Antigenkonzentration und dem Verhältnis der Kippfrequenzen angibt;

Fig. 13 is eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Antigenkonzentration und dem Verhältnis der relativen Schwankungen angibt;

Fig. 14 und 15 sind eine schematische Draufsicht bzw. perspektivische Ansicht (Schnitt), die eine Ausführungsform einer immunologischen Analyseeinrichtung nach der Erfindung zeigen, bei der Teilchen durch Ultraschallwellen bewegt werden;

Fig. 16 ist eine schematische Draufsicht, die eine andere Ausführungsform der Analyseeinrichtung nach Fig. 14 zeigt;

Fig. 17 ist eine schematische, perspektivische Ansicht, die eine weitere Ausführungsform einer in Fig. 14 gezeigten Analysevorrichtung darstellt;

Fig. 18 ist eine schematische Ansicht, die eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung immunologischer Untersuchungen zeigt;

Fig. 19 und 20 sind schematische Ansichten, die zwei weitere Modifikationen der in Fig. 18 angegebenen Analysevorrichtungen zeigen;

Fig. 21a, 21b und 22a, 22b und 22c zeigen Wellenformen, die bei Betrieb des in Fig. 20 angegebenen Analysators auftreten;

Fig. 23 ist eine schematische Ansicht, die eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung immunologischer Bestimmungen zeigt;

Fig. 24 ist eine schematische Ansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 25 zeigt eine perspektivische Ansicht, die die in Fig. 24 angegebene Zellenbox erläutert;

Fig. 26 ist eine perspektivische Ansicht, die eine andere Ausführungsform der Zellenbox darstellt;

Fig. 27 ist eine schematische Ansicht, die noch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Analysevorrichtung zeigt;

Fig. 28 ist eine perspektivische Ansicht, die die in Fig. 27 angegebene Zelle erläutert; und

Fig. 29a bis 29c sind Querschnitte zur Erläuterung der Arbeitsweise der in Fig. 27 gezeigten Analysevorrichtung.

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht, die eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Messung immunologischer Reaktionen nach der Erfindung zeigt. Bei dieser Ausführungsform ist eine Lichtquelle vorgesehen, die kohärentes Licht aussendet, und zwar ein He-Ne-Gaslaser 1, der einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 632,8 nm aussendet. Die Lichtquelle kann ein Feststofflaser wie ein Halbleiterlaser sein. Ein Laserlichtstrahl 2, der von der Lichtquelle 1 ausgesandt wird, wird durch einen halbdurchlässigen Spiegel 3 in die Lichtstrahlen 4 und 5 aufgetrennt. Der Lichtstrahl 4 wird durch eine Sammellinse 6 gesammelt und trifft auf die Zelle 7 auf. Die Zelle 7 besteht aus durchsichtigem Quarz. Der Lichtstrahl 5 trifft auf einen Photodetektor 8 wie eine Silicium-Photodiode auf. Dann erzeugt der Photodetektor 8 ein Monitorsignal, das eine Veränderung der Intensität des von der Lichtquelle 1 ausgesandten Lichtes anzeigt.

In der Zelle 7 ist eine Testflüssigkeit für eine Antigen- Antikörper-Reaktion enthalten, die ein Gemisch ist aus einer Pufferlösung, in der feine Teilchen 9 suspendiert sind, und einer Testprobe, enthaltend das zu bestimmende Antigen oder den zu bestimmenden Antikörper. Auf der Außenseite der Teilchen 9 sind Antikörper bzw. Antigene gebunden, die spezifisch mit dem Antigen oder Antikörper in der Testprobe reagieren. Daher tritt in der Zelle 7 eine Antigen- Antikörper-Reaktion ein, und es treten Anziehungskräfte zwischen den Teilchen auf. Wenn die Teilchen miteinander unter Bildung von Aggregaten agglutiniert sind, ändert sich die Brownsche Bewegung je nach der Größe und Form der Aggregate.

Bei dieser Ausführungsform ist ein Ultraschallvibrationselement 21 vorgesehen, das mit der Zelle 7 in Kontakt gebracht wird, so daß Ultraschallwellen mit einer Frequenz von 20 bis 40 kHz über die Wand der Zelle 7 auf die Reaktionsflüssigkeit auftreffen. Dann werden die Teilchen 9 in der Zelle 7 durch die Ultraschallenergie angeregt, und die Wahrscheinlichkeit, daß Antigene und Antikörper miteinander in Berührung kommen, wird deutlich erhöht. Daher wird, selbst wenn die Antigenkonzentration außerordentlich niedrig ist, wie 10^-9 g/ml, die Antigen- Antikörper-Reaktion beschleunigt und kann innerhalb kurzer Zeit ablaufen. Es ist zu bemerken, daß die Intensität der Ultraschallenergie ausreichend groß sein sollte, um die Teilchen zu bewegen, jedoch nicht höher als der Wert, bei dem die Kupplung zwischen Antigenen und Antikörpern aufgebrochen werden könnte. Die Anwendung der Ultraschallenergie kann während der Messung unterbrochen werden. Wahlweise kann die Ultraschallenergie auch während der Messung angewandt werden, da der Frequenzbereich der Ultraschallvibration weit entfernt ist von der Frequenzkomponente der Schwankung aufgrund der Brownschen Bewegung, und die Ultraschallenergie daher die Messung in keiner Weise beeinflußt. Im allgemeinen ist es, da die Zelle 7 sehr klein ist, wie etwa 10 mm (Breite) × 10 mm (Höhe) × 1 mm (Dicke), praktisch unmöglich, in üblicher Weise zu rühren. Entsprechend der vorliegenden Erfindung kann die Bewegung wirksam erreicht werden durch Anwendung von Ultraschallenergie auf die Zelle 7 von außen. Außerdem hat die Anwendung der Ultraschallenergie keinen Einfluß auf die Messung.

Lichtstrahlen, die durch die Teilchen 9 in der Zelle 7 gestreut werden, treffen auf einen Photodetektor 11 über einen Kollimator 10 auf, der zwei (gegenüberliegende) Löcher aufweist. Der Photodetektor 11 besteht aus einem Photomultiplier mit sehr hoher Empfindlichkeit. Das Austritts-(Monitor-)signal des Photodetektors 8 wird über einen Verstärker 30 mit geringem Rauschen in eine Datenverarbeitungsvorrichtung 14 geleitet, in die auch das Austrittssignal aus dem Photodetektor 11 über einen Verstärker 15 mit geringem Rauschen und einen Tiefpaßfilter 16 geführt wird. Die Datenverarbeitungsvorrichtung 14 umfaßt eine Analog-Digital-Umwandlereinheit 17, eine schnelle Fourier- Transformator-(FFT-)Einheit 18 und eine Recheneinheit 19 und verarbeitet die Signale, wie später näher erläutert wird, um Meßergebnisse für die Antigen-Antikörper-Reaktion zu erhalten. Die Meßergebnisse werden in einer Display- bzw. Aufzeichnungsvorrichtung 20 angezeigt.

Das Austrittssignal aus dem Fotodetektor 11 zeigt die Intensität des gestreuten Lichtes an, das aus der Meßzelle 7 austritt und wird normiert durch das Monitorsignal, das von dem Fotodetektor 8 geliefert wird und über einen kurzen Zeitraum gemittelt. Dadurch kann eine etwaige Variation der Intensität des Laserlichtstrahls 2 aus der Lichtquelle 1 ausgeschaltet werden. Anschließend wird ein Dichtespektrum der Intensitätsschwankungen des gestreuten Lichtes nachgewiesen und der Agglutinationszustand der Teilchen 9 in der Zelle 7 und damit das Fortschreiten der Antigen-Antikörper- Reaktion gemessen.

Fig. 2 ist eine schematische Ansicht, die die Konstruktion des Kollimators 10 der Fig. 1 im einzelnen zeigt. Der Kollimator 10 umfaßt ein Rohr 10 a aus einem opaken, d. h. nicht durchscheinenden Material, um den Einfluß von äußerem Licht zu vermeiden. Darüber hinaus ist die innere Wand des Rohres 10 a mit einer nicht-reflektierenden Schicht überzogen. An beiden Enden des Rohres 10 a sind optische Löcher 10 b und 10 c vorgesehen. Wenn die Radien der optischen Löcher 10 b und 10 c a₁ bzw. a₂ sind, und der Abstand zwischen den Löchern L, der Brechungsindex des Mediums innerhalb des Rohres 10 a n und die Wellenlänge des Lichtes λ ist, folgt der Kollimator 10 der folgenden Gleichung (1)

Erfindungsgemäß wird das Dichtespektrum der Intensitätsschwankungen des gestreuten Lichtes nachgewiesen. Das Dichtespektrum kann angegeben werden durch einen Term der Schwankung aufgrund der Interferenz des Lichtes, die durch die Teilchen hervorgerufen wird, die sich in regelloser Bewegung befinden, und einen Term der Schwankung der Anzahl der Teilchen, die in das streuende Volumen eintreten und daraus austreten. Der erste Fluktuations-Term, der auf der Interferenz beruht, wird als räumliche Schwankung eines Punktmusters beobachtet. Wenn diese räumliche Schwankung von einem Photodetektor mit einem breiten lichtempfangenden Bereich aufgenommen wird, wird das räumliche Mittel über die lichtaufnehmende Fläche gebildet, und daher kann nur eine geringe Schkwankung nachgewiesen werden. Bei der erfindungsgemäßen Arbeitsweise ist das Blickfeld des Photodetektors 11 durch den Kollimator 10 mit den optischen Löchern begrenzt, so daß die Fluktuation mit sehr hoher Empfindlichkeit nachgewiesen werden kann. Die oben angegebene Gleichung 1 kann erfüllt werden durch Verwendung eines Kollimators 10 mit Löchern mit einem Durchmesser von 0,3 mm im Abstand von 30 cm, wenn das Medium im Inneren des Kollimators Luft mit einem Brechungsindex n = 1 ist.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist der Lichtstrahl 4, der auf die Zelle 7 auftrifft, senkrecht zu der optischen Achse des Kollimators 10, so daß der auftreffende Lichtstrahl nicht direkt in den Photodetektor 11 gelangt. Das wird als homodyne Nachweis-Methode bezeichnet. Erfindungsgemäß ist es jedoch auch möglich, die heterodyne Nachweis-Methode anzuwenden, bei der ein Teil des auftreffenden Lichtstrahls in den Photodetektor 11 gelangt, d. h. bei der heterodynen Nachweis-Methode wird der Neigungswinkel R zwischen dem einfallenden Lichtstrahl 4 und der optischen Achse des Kollimators 10, wie in Fig. 3 gezeigt, auf 0 eingestellt. Erfindungsgemäß kann der Neigungswinkel R beliebig bestimmt werden. Bei der homodynen Anordnung, die in Fig. 1 gezeigt ist, ist das Austrittssignal aus dem Photodetektor 11 proportional dem Mittelwert des Quadrats , wobei E _s die Amplitude des elektrischen Felds des gestreuten Lichtes ist. Bei der heterodynen Anordnung wird das Austrittssignal aus dem Photodetektor 11 folgendermaßen angegeben

= + +

wobei E _e die Intensität des elektrischen Felds des direkt auftreffenden Lichtes ist. E _e schwankt gar nicht oder nur gering, verglichen mit der Schwankung bzw. Fluktuation des gestreuten Lichtes, und die beiden zuletzt angegebenen Terme schwanken. Da die Intensität des gestreuten Lichtes wesentlich schwächer ist als das einfallende Licht, ist 2E _e·E _s»E _s². Das heißt bei der heterodynen Methode ist es möglich, ein Austrittssignal zu erhalten, das im wesentlichen proportional ist der Amplitude des elektrischen Felds des gestreuten Lichtes.

Ferner ist zu bemerken, daß der Kollimator 10 nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt ist, sondern verschiedene Formen besitzen kann, sofern das Blickfeld des Photodetektors 11 kleiner gehalten werden kann als ein Punktmuster.

Im folgenden wird die Verarbeitung des Signals erläutert. Das Austrittssignal aus dem Photodetektor 11 wird in die datenverarbeitende Vorrichtung 14 über den Tiefpaßfilter 16 eingegeben und dort zusammen mit dem Austrittsmonitorsignal aus dem Photodetektor 8 verarbeitet, um das Dichtespektrum der Intensitätsschwankungen des gestreuten Lichtes zu erhalten. Die Dichte des Intensitätsspektrums S(f) eines stationären stochastischen Prozesses x(t) kann folgendermaßen ausgedrückt werden.

Das Dichtespektrum der Intensitätsschwankungen des gestreuten Lichts bezeichnet die Stärke der Intensität oder Amplitude des gestreuten Lichtes in einem Frequenzbereich von f bis f+Δ f und wird allgemein definiert durch die folgende Gleichung

in der ψ²x(f, Δ f) ein mittleres Quadrat in einer Zeitspannung zwischen f und f+Δ f ist und dieses mittlere Quadrat angegeben wird durch

Daher kann das Dichtespektrum beschrieben werden durch die Gleichung (2).

Bei dieser Ausführungsform wird das Dichtespektrum normiert durch das Monitorsignal, das von dem Photodetektor 8 geliefert wird, und daher kann die Dimension des Dichtespektrums angegeben werden in der Einheit 1/Hz.

Auf der Basis dieser Gleichung 2 wird die Fourier-Transformation durchgeführt, um die Dichte des Intensitätsspektrums zu messen. Das Austrittssignal aus dem Photodetektor 11 wird durch den Verstärker 15 mit geringem Rauschen so verstärkt, daß Signalwerte einen großen Bereich von Analog-Digital-Umwandlungspegelstufen abdecken können und so gequantelte Daten mit Hilfe eines Mikroprozessors berechnet werden, um die Dichte des Intensitätsspektrums zu messen. Aus der Dichte des Intensitätsspektrums wird der Zustand der immunologischen Reaktion gemessen bzw. berechnet, wie später näher erläutert wird, und numerisch auf der Displayeinheit 20 angezeigt.

Die Fig. 4 und 5 sind graphische Darstellungen, die Kurven des Dichtespektrums zeigen, die erhalten werden, wenn Testflüssigkeiten mit dispergierten Polystyrol-Latexteilchen mit Durchmessern von 0,188 µm bzw. 0,305 µm in die in Fig. 1 gezeigte Zelle 7 eingebracht werden. Bei diesen Kurven ist das normierte Dichtespektrum (die normierte Dichte des Kraftspektrums) (1/Hz) auf den Ordinaten angegeben. Man erhält Kurven des Dichtespektrums vom Lorentz Typ. Das zeigt die Interferenz-Komponente des Dichtespektrums der Intensitätsschwankungen des gestreuten Lichtes. Aus diesen Kurven kann man erkennen, daß die Kippfrequenz des Dichtespektrums umgekehrt proportional ist dem Teilchendurchmesser. Wie oben erklärt, ist die Schwankung in der Intensität des gestreuten Lichtes eine Summe der Komponente, die auf der Interferenz von kohärentem Licht beruht, und der Komponente, die auf der Veränderung der Anzahl der Teilchen innerhalb des streuenden Volumens beruht. Bei der erfindungsgemäßen Arbeitsweise wird hauptsächlich die Komponente, die auf der Interferenz beruht, nachgewiesen. Dann ist die Kippfrequenz des Dichtespektrums, die definiert ist durch die Frequenz an der Schulter der Dichtespektrums- Kurve, gleich dem Kehrwert der Zeit, innerhalb derer sich die Aggregate über eine Distanz, die gleich ist der Wellenlänge, bewegen. Wenn der Durchmesser der Teilchenaggregate zunimmt, wird die für die Bewegung erforderliche Zeit länger und damit die Kippfrequenz niedriger.

Fig. 6 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Teilchengröße, die auf der Abszisse aufgetragen ist, und der Kippfrequenz, die auf der Ordinate aufgetragen ist, beim homodynen Nachweis zeigt. Beide Koordinaten sind im logarithmischen Maßstab. Für Teilchen mit einem Durchmesser von 0,0915 µm wird eine Kippfrequenz von etwa 400 Hz beobachtet, für Teilchen mit einem Durchmesser von 0,188 µm eine Kippfrequenz von etwa 200 Hz und für Teilchen mit einem Durchmesser von 0,305 µm eine Kippfrequenz von etwa 100 Hz. Wie aus der Fig. 6 deutlich hervorgeht, ist die Kippfrequenz umgekehrt proportional dem Teilchendurchmesser, und daher ist es durch Nachweis der Änderung der Kippfrequenz während der immunologischen Reaktion möglich, das Vorliegen von Agglutination der Teilchen aufgrund der Antigen-Antikörper- Reaktion und den Grad der Agglutination zu messen. Das heißt, wenn die Antigen-Antikörper-Reaktion in der Zelle 7 stattfindet, werden feine Teilchen miteinander agglutiniert unter Bildung größerer Aggregate, und dadurch wird die Kippfrequenz niedriger.

Die Fig. 7 und 8 zeigen Dichtespektrums-Kurven, die erhalten worden sind mit Hilfe von Polystyrol-Latexteilchen mit einem Durchmesser von 0,3 µm, suspendiert in einer Pufferlösung in Konzentrationen von 0,1 bzw. 0,09 Gew.-%. Beide Kurven sind vom Lorentz-Typ. Wie oben erläutert, ist die Schwankung der Intensität des gestreuten Lichtes die Summe aus der Interferenz-Komponente aufgrund der Brownschen Bewegung der Teilchen und einer Nicht-Interferenz-Komponente aufgrund einer Veränderung der Anzahl von Teilchen in dem streuenden Volumen. Wenn die Anzahl der Teilchen in dem streuenden Volumen klein ist, wird die Interferenz- Komponente kleiner und vergleichbar mit der Nicht-Interferenz- Komponente. Dann können andere Komponenten als die Schwankung in der Intensität des gestreuten Lichtes aufgrund der Brownschen Bewegung der Teilchen nachgewiesen werden, und die Antigen-Antikörper-Reaktion kann nicht mehr genau gemessen werden. Daher sollte die Konzentration der Teilchen so bestimmt werden, daß das einfallende Licht in dem streuenden Volumen ausreichend stark ist und die Interferenz- Komponente größer wird als die Nicht-Interferenz- Komponente.

Fig. 9 zeigt die Beziehung zwischen der Anzahl der Teilchen in einem mm³ und der relativen Schwankung Wenn der Durchmesser eines streuenden Körpers konstant ist, wird die relative Streuung auch über einen verhältnismäßig weiten Bereich der Teilchenkonzentration konstant. Dies wird experimentell durch die in Fig. 9 gezeigte Kurve bestätigt.

Die Fig. 10 und 11 zeigen Dichtespektrums-Kurven vor und nach (15 min) der Antigen-Antikörper-Reaktion. Diese Kurven wurden erhalten durch Dispergieren von Polystyrol- Latexteilchen mit einem Durchmesser von 0,3 µm, an deren Oberfläche Antiimmunglobulin-G (anti-IgG) gebunden war, in einer Pufferlösung mit einem pH-Wert von 7, die mit Tris- HCl eingestellt worden war, und Zugabe von Immunoglobulin-G zu der Suspension in einer Konzentration von 10^-4 g/ml bzw. 10^-9 g/ml. Wie aus Fig. 10 hervorgeht, war im Falle einer Antigen-Konzentration von 10^-4 g/ml vor der Reaktion die Kippfrequenz etwa 50 Hz, und nach 15 min war sie auf 10 Hz gesunken. Im Gegensatz dazu betrug die Kippfrequenz bei einer Antigen-Konzentration von 10^-9 g/ml vor der Reaktion etwa 95 Hz und sank nach der Reaktion auf etwa 40 Hz. Daher kann, wenn das Verhältnis F der Kippfrequenz vor und nach der Reaktion durch die folgende Gleichung berechnet wird, die Antigenkonzentration gemessen werden.

Die Beziehung zwischen dem Verhältnis F und der Antigen- Konzentration wird angegeben durch die in Fig. 12 gezeigte Kurve. In Fig. 12 ist auf der Abszisse die Konzentration an Antigen und auf der Ordinate das Verhältnis F der Kippfrequenzen angegeben. Auf diese Weise kann erfindungsgemäß die Antigen-Konzentration gemessen werden durch Bildung des Verhältnisses F der Kippfrequenz vor und nach der Reaktion.

Aus den in den Fig. 10 und 11 gezeigten Kurven ist ferner zu erkennen, daß das Verhältnis R der relativen Schwankungen vor und nach der Antigen-Reaktion zusammenhängt mit der Antigen-Konzentration. Dies wird im folgenden näher erläutert. In Fig. 1 wird das elektrische Ausgangssignal aus dem Photodetektor 11, der das gestreute Licht aufnimmt, durch ein Tiefpaßfilter mit der folgenden Durchlaßfunktion H(f) geleitet.

wobei f _c die Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters ist, die ausreichend niedriger ist als die Kippfrequenz f. Dann kann eine Vernderung der Schwankung des elektrischen Ausgangsstroms I aus dem Tiefpaßfilter folgendermaßen ausgedrückt werden:

<δ I²< = K² <N< + K² <N<² f _c /f _r (4)

wobei K eine Konstante ist und N die mittlere Anzahl von Teilchen in dem streuenden Volummen. Daher kann eine relative Schwankung in dem aus dem Tiefpaßfilter austretenden Strom angegeben werden durch die folgende Gleichung (5):

wobei γ eine Proportionalitätskonstante ist. Da angenommen werden kann, daß die Anzahl der Teilchen in dem streuenden Volumen ausreichend groß ist, kann die Gleichung (5) folgendermaßen geschrieben werden.

Diese Gleichung zeigt, daß die relative Schwankung berechnet werden kann durch Berechnung der Kippfrequenz f _r aus der Dichtespektrums-Kurve. Dann kann das Verhältnis der relativen Schwankung angegeben werden durch die folgende Gleichung (7).

Fig. 13 zeigt die Beziehung zwischen dem Verhältnis R der relativen Schwankung und der Antigen-Konzentration. Aus dieser Figur geht deutlich hervor, daß die unbekannte Konzentration eines Antigens berechnet werden kann durch Bildung des Verhältnisses R der relativen Schwankung vor und nach der Antigen-Antikörper-Reaktion. Das heißt vor der tatsächlichen Messung wird das Verhältnis R der relativen Schwankung bestimmt durch Verwendung von Standardproben mit bekannten Antigen-Konzentrationen zur Erstellung einer Eichkurve, die ähnlich der in Fig. 13 gezeigten Kurve ist. Dann wird das Verhältnis der relativen Schwankung für die Probe festgestellt und die zu bestimmende Antigen-Konzentration aus der Eichkurve abgelesen.

Das Verhältnis R der relativen Schwankung, wie es durch Gleichung (7) angegeben wird, kann berechnet werden als Verhältnis der integrierten Werte der Dichtespektrums- Kurve in einem niedrigeren Frequenzbereich. Das heißt, das Verhältnis R der relativen Schwankung kann auch entsprechend der folgenden Gleichung berechnet werden.

Wie aus den Fig. 10 und 11 hervorgeht, werden die integrierten Werte A und B des Dichtespektrums vor und nach der Reaktion erhalten durch Integration des Dichtespektrums von 10^-1 Hz bis 10¹ Hz. Daher ist der Tiefpaßfilter so zusammengesetzt, daß er diesen Frequenzbereich durchläßt.

In den Fig. 10 und 11 ist das Verhältnis R der relativen Schwankung angegeben als Verhältnis der integrierten Werte A und B des Dichtespektrums im niedrigeren Frequenzbereich. Erfindungsgemäß ist es auch möglich, das Verhältnis R der relativen Schwankung bei einer bestimmten Frequenz im niedrigen Frequenzbereich, z. B. 10⁰ Hz, zu messen. In einem solchen Falle kann ein Digitalfilter an Stelle des schnellen Fourier-Transformators angewandt werden, und die gesamte Konstruktion kann sehr einfach werden und die Bearbeitungszeit sehr kurz.

Wenn die Größe der Teilchenaggregate verhältnismäßig gleichförmig ist, wird das Dichtespektrum vom Lorentz-Typ und nimmt ab umgekehrt proportional zum Quadrat der Frequkenz jenseits der Kippfrequenz. Wenn die Aggregatgröße jedoch unterschiedlich ist, kann eine Überlagerung einer Vielzahl von Dichtespektrums-Kurven vom Lorentz-Typ mit unterschiedlichen Kippfrequenzen beobachtet werden, und daher nimmt die Dichte des Spektrums nicht mehr umgekehrt proportional zu der Frequenz ab. Das bedeutet, daß eine Verteilung der Aggregatgröße aus einer Konfiguration der Dichtespektrums-Kurve im höheren Frequenzbereich deutlich werden kann. Solche Daten konnten nach bekannten Analyseverfahren nicht erhalten werden, und sie sind sehr wertvoll zur Analyse der Antigen-Antikörper-Reaktion.

Fig. 14 ist eine schematische Draufsicht, die eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung immunologischer Analysen zeigt, bei der die Reaktionsflüssigkeit durch Ultraschallenergie bewegt werden kann. Bei dieser Ausführungsform ist eine Vielzahl von Küvetten 23 auf einer drehbaren Platte entlang deren Umfang angeordnet. Die drehbare Platte 22 wird intermittierend in der durch den Pfeil A angegebenen Richtung gedreht. In der Stellung a wird eine bestimmte Menge einer Probe, die die zu bestimmenden Antigene enthält, in eine Küvette 23 eingebracht. In der Stellung b wird eine erste photometrische Messung durchgeführt und dann in der Stellung c eine bestimmte Menge eines Reagens, enthaltend Teilchen, an die Antikörper gebunden sind, in die jeweilige Küvette gegeben. Nach einer geeigneten Reaktionszeit in einer Stellung d wird eine zweite photometrische Messung durchgeführt, um den durch die agglutinierten Teilchen gestreuten Lichtstrom zu messen. Bei dieser Ausführungsform dient die Küvette 23 als photometrische Zelle 7, wie in Fig. 1 gezeigt. Nach der Messung wird die Küvette 23 in der Stellung e gewaschen. Bei dieser Ausführungsform wird die Ultraschallenergie der in der Küvette 23 enthaltenen Reaktionsflüssigkeit zugeführt, während sich die Küvette von der Stellung c nach der Stellung d bewegt. Dadurch werden die Teilchen in der Reaktionsflüssigkeit vibriert und so die Antigen-Antikörper- Reaktion beschleunigt. Das führt dazu, daß die Drehgeschwindigkeit der drehbaren Platte 22 erhöht werden kann.

Wie in Fig. 15 gezeigt, wird die drehbare Platte 22 durch einen Motor 24 bewegt, und die Küvetten 23 werden in eine Flüssigkeit 27 in einem Thermostat 25 eingetaucht. An dem Boden des Thermostats 25 ist ein Ultraschallvibrationselement 26 angebracht.

Da die Flüssigkeit 27 in dem Thermostat 25 die Ultraschallwellen sehr gut leitet, werden die Reaktionsflüssigkeiten in allen Küvetten durch Ultraschall angeregt, und die Bewegung der Reaktionsflüssigkeiten wird somit wirksam durchgeführt.

Fig. 16 ist eine Draufsicht auf eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Analysevorrichtung, bei der die Reaktionsflüssigkeit durch Ultraschallwellen bewegt wird. Bei dieser Ausführungsform ist eine Vielzahl von Ultraschallelementen 26 in Stellungen angeordnet, die Stellungen entsprechen, in denen die Küvetten 23 auf einer drehbaren Scheibe 22 stehen bleiben. Die Ultraschallelemente 26 sind bewegbar in radialer Richtung angeordnet und werden von geeigneten Antriebvorrichtungen (nicht gezeigt) in eine erste Stellung, in der die Elemente von den Küvetten 23 entfernt sind und in eine zweite Stellung, in der die Elemente mit den Küvetten in Kontakt sind, gebracht. Während die Platte 22 sich dreht, werden die Ultraschallelemente 26 in der ersten Stellung gehalten und während die Platte stillsteht, werden die Elemente in die zweite Stellung gebracht. Auf diese Weise werden die in den Küvetten enthaltenen Reaktionsflüssigkeiten durch Ultraschallenergie bewegt, während die Küvetten in Stellungen zwischen c und d, wie in Fig. 14 gezeigt, stillstehen.

Fig. 17 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Analyseeinrichtung zeigt, bei der die Reaktionsflüssigkeiten durch Ultraschallwellen bewegt werden. Bei dieser Ausführungsform sind die Ultraschallelemente 26 an den Seitenwänden der Küvetten 23 befestigt, die auf einer nicht gezeigten drehbaren Platte angeordnet sind. Um den Ultraschallelementen 26 Strom zuzuführen, sind die Elemente mit Schleifbürsten 28 verbunden, die in schleifendem Kontakt mit konzentrischen leitenden Schienen 29 stehen. Durch Drehung der Platte gleiten die Kontaktbürsten 28 über die Schienen 29, die mit einem Oszillator verbunden sind. Es ist zu bemerken, daß die Schienen 29 in einem Bereich zwischen den Stellungen c und d der Fig. 14 vorgesehen sein können. Bei dieser Ausführungsform muß eine elektrisch nicht leitende (isolierende) Thermostatflüssigkeit oder ein Luftbadthermostat angewandt werden.

Bei den bisher erläuterten Ausführungsformen werden die Teilchen in der Reaktionsflüssigkeit durch Ultraschallenergie regellos bewegt und dadurch die Antigen-Antikörper-Reaktion außerordentlich beschleunigt. Daher kann die immunologische Reaktion genau innerhalb eines kurzen Zeitraumes gemessen werden, selbst wenn die Antigen- oder Antikörper- Konzentration in der Probe außerordentlich gering ist.

Fig. 18 ist eine schematische Ansicht, die eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Analyseeinrichtung zeigt. Bei dieser Ausführungsform sind Elemente, die den in Fig. 1 gezeigten ähnlich sind, durch die gleichen Bezugszeichen, wie in Fig. 1, angegeben, wobei Mittel, um Ultraschallwellen in der Reaktionsflüssigkeit zu erzeugen, hier wie in den folgenden Figuren der Einfachheit halber nicht dargestellt sind. Bei dieser Ausführungsform wird ein von einer Laserlichtquelle 1 erzeugter Laserstrahl 2 von einem Zerhacker 61 unter Steuerung durch einen Zerhackersignalgenerator 32 zerhackt, und der zerhackte Laserstrom wird durch einen Strahlteiler 3 in zerhackte Lichtstrahlen 4 und 5 aufgeteilt. Die Zerhack-Frequenz sollte auf einen Wert von mehr als 1 kHz eingestellt werden, damit die Frequenz der Fluktuation nicht gestört wird. Der Lichtstrahl 4 trifft über eine Sammellinse 6 auf eine transparente Zelle 7 auf, und der von den Teilchen 9 gestreute Lichtstrahl wird über einen Kollimator 10 mit zwei (gegenüberliegenden) Löchern von einem Photomultiplier 11 aufgenommen. Der Lichtstrahl 5 trifft auf die transparente Bezugszelle 63 auf, die eine Standardprobe, z. B. eine Pufferlösung mit Teilchen, enthält. Dann trifft der in der Bezugszelle 63 gestreute Lichtstrahl auf eine Siliciumphotodiode 8 auf. Die Ausgangssignale von dem Photomultiplier 11 und der Photodiode 8 werden Einfangverstärkern 64 bzw. 65 zugeführt, die von Steuersignalen betätigt werden, die von dem Zerhackersignalgenerator 62 geliefert werden, synchron mit dem Zerhacker 61. Auf diese Weise ist es erfindungsgemäß möglich, den Einfluß von Hintergrundrauschen und Rauschen durch Trift einer Probe auszuschalten. Daher kann ein Dichtespektrum mit hohem Rauschabstand erhalten werden, und die Meßgenauigkeit und Zuverlässigkeit können wesentlich verbessert werden.

Fig. 19 ist eine schematische Ansicht, die eine Modifikation der in Fig. 18 dargestellten Ausführungsform zeigt. Bei dieser Ausführungsform wird ein zerhackter Laserstrahl erhalten durch direkte Modulation (der Anregung) der Laserlichtquelle 1 mit Hilfe eines Zerhackersignalgenerators 62. Die restliche Konstruktion ist vollständig die gleiche, wie in Fig. 18 gezeigt

Fig. 20 ist eine schematische Ansicht, die eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Analysiereinrichtung zeigt. Bei dieser Ausführungsform wird ein von einer Laserlichtquelle 1 ausgesandter Laserstrahl mit Hilfe eines Strahlteilers 3 in die Strahlen 4 und 5 aufgeteilt. Diese Strahlen 4 und 5 werden mit Hilfe von Zerhackern 66 und 67 unter Steuerung eines Zerhackersignalgenerators 62 zerhackt. Der zerhackte Lichtstrahl 4 trifft über eine Sammellinse 6 auf die Zelle 7 auf, und der zerhackte Lichtstrahl 5 trifft auf die Bezugsquelle 63 auf.

Die Zerhacker 66 und 67 werden so gesteuert, daß die zerhackten Lichtstrahlen entgegengesetzte Phasen besitzen, wie in den Fig. 21A und 21B angegeben. Das heißt, die Zerhacker 66 und 67 werden so gesteuert, daß, wenn einer einschaltet, der andere ausschaltet. Daher kann das Monitorsignal von der Photodiode 8, die den zerhackten Lichtstrahl 5 über die Bezugszelle 63 empfängt, und verschiedene Arten von Triften anzeigt, und das Intensitätssignal des gesteuerten Lichts von dem Photomultiplier 11 einschließlich verschiedener Arten von Triften aus den Fig. 22A bzw. 22B entnommen werden. In diesen Figuren geben die schraffierten Teile Komponenten an aufgrund der Varianten des aus der Laserlichtquelle 1 emittierten Lichtes und der Variation der Bezugsprobe mit Bezug auf die Zeit. Dann werden die Ausgangssignale von dem Photomultiplier 11 und der Photodiode 8 in einem Addierer addiert, um ein Summensignal, wie in Fig. 22C angegeben, zu erhalten. Das so erhaltene Summensignal wird in einen Einfangverstärker 69 eingespeist, der durch den Zerhackersignalgenerator 62 gesteuert wird, wodurch man das Signal erhält, das die Intensität des durch die Teilchen 9 in der Zelle 7 gestreuten Lichtes angibt, ohne daß es von verschiedenen Triften beeinflußt wird.

Fig. 23 ist eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer immunologischen Analyseeinrichtung nach der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform sind Elemente, die den in Fig. 1 angegebenen entsprechen, durch die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 angegeben. Wenn eine Laserlichtquelle 1 verwendet wird, kann eine sogenannte Rückkopplung (back-talk) auftreten, und die Intensität des Lichtstrahls 2, der von der Lichtquelle 1 emittiert wird, kann schwanken. Das beruht auf der Tatsache, daß ein Teil des Lichtstrahls von der Zelle 7 oder den Teilchen 9 in der Zelle reflektiert wird und auf die Laserlichtquelle 1 auftrifft. Bei den bisher erläuterten Ausführungsformen wurde, um den Einfluß der Schwankung des von der Laserlichtquelle 1 emittierten Strahls auszuschalten, die Monitorvorrichtung vorgesehen. Ein derartiger Monitor kann jedoch die Größe und die Kosten der Analysiereinrichtung erhöhen. Bei dieser Ausführungsform ist zwischen der Laserlichtquelle 1 und der Sammellinse 6 ein optischer Isolator 71 angeordnet, umfassend eine Polarisationsplatte 71 a und eine Viertel-Wellenlängen-Platte (λ/4-Platte) 71 b. Der von der Laserlichtquelle 1 ausgesandte Laserstrahl 2 wird durch die Polarisationsplatte 71 a und die Viertel-Wellenlängen-Platte 71 b geführt und trifft dann über die Sammellinse 6 auf die Zelle 7 auf. Ein von der Zelle 7 reflektierter Lichtstrahl geht wieder durch die Viertel-Wellenlängen-Platte 71 b, und die Polarisationsebene ist um 90°, bezogen auf den einfallenden Laserlichtstrahl, gedreht. Dadurch kann der reflektierte Lichtstrahl nicht mehr durch die Polarisationsplatte 71 a hindurchgehen. Auf diese Weise ist es möglich zu verhindern, daß das reflektierte Licht auf die Laserlichtquelle 1 auftrifft, und dadurch schwankt der von der Laserlichtquelle 1 reflektierte Lichtstrahl nicht durch Rückkopplung. Auf diese Weise ist es möglich, das Signal, das die Intensität des gestreuten Lichtes angibt, mit hohem Rauschabstand zu erhalten, und daher kann die Monitorvorrichtung vollständig weggelassen werden. Es ist zu bemerken, daß der optische Isolator 71 in jeder beliebigen Stelle zwischen der Laserlichtquelle 1 und der Zelle 7 angeordnet werden kann, und dadurch kann die gesamte Analysiereinrichtung kleiner und billiger gehalten werden.

Die Fig. 24 zeigt nochmals eine schematische Ansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Analysiereinrichtung. Bei dieser Ausführungsform sind Teile, die den in Fig. 23 angegebenen entsprechen, durch die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 angegeben. Bei der erfindungsgemäßen Analysiereinrichtung ist es notwendig, einen verhältnismäßig schwachen Strom von gestreutem Licht nachzuweisen, und daher kann, wenn Streulicht auf die Zelle auftrifft, der Rauschabstand (S/N) abnehmen und die Meßgenauigkeit leiden. Besonders wenn ein durch die Zelle reflektierter Lichtstrahl weiter durch umgebende Teile reflektiert wird und erneut auf die Zelle auftrifft, kann das Rauschen wesentlich erhöht werden. Um diesen Nachteil zu beseitigen, ist bei dieser Ausführungsform der optische Weg des Lichtstrahls 4 von der Laserlichtquelle 1 zu der Zelle 7 vollständig von einem Lichtleitrohr 72 umgeben. Das Lichtleitrohr 72 besteht aus einem opaken Material wie Bakelit, und die innere Wand ist mit einem schwarzen antireflektierenden Überzug versehen. In den Endflächen des Rohrs 72 sind Öffnungen 72 a, 72 b und 72 c mit einem kleinen Durchmesser zum Durchgang der Lichtstrahlen 4 und 5 vorgesehen. Ferner ist die Zelle 7 in einer Zellenbox 73 aus opakem Material angeordnet. In der Zellenbox 73 ist eine Eintrittsöffnung 74 für den Lichtstrahl 4 in die Zelle 7 und eine Austrittsöffnung 75 zum Austritt des gestreuten Lichts in den Kollimator 10 vorgesehen.

Fig. 25 ist eine perspektivische Ansicht, die den Aufbau der Zellenbox 73 zeigt. Die Zellenbox 73 besteht aus schwarzem Kunststoffmaterial wie Bakelit und besitzt einen Innenraum, in dem die Zelle 7 dicht hineinpaßt. Eine Öffnung 76 des Innenraums kann durch einen gleitenden Deckel 77 aus schwarzem Kunststoff verschlossen werden. Um eine manuelle Betätigung des Deckels 77 zu ermöglichen, besitzt er an seiner Oberseite einen Griff 78.

Fig. 26 ist eine pespektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform einer Zellenbox. Bei dieser Ausführungsform einer länglichen Box 31 aus opakem Material ist eine Vielzahl von Innenräumen vorgesehen, in die eine Vielzahl von Zellen eingesetzt werden können. Die Öffnungen für die Innenräume sind durch gleitende Deckel 77-1, 77-2, . . . mit Griffen 78-1, 78-2, . . . versehen. Am Boden der Box 81 ist eine Vielzahl von Eintrittsöffnungen 74-1, 74-2, . . . und in der Seitenwand der Box 81 eine Vielzahl von Austrittsöffnungen 75-1, 75-2, . . . vorgesehen. Die Box 81 kann in der durch den Pfeil A angegebenen Richtung stufenweise manuell oder automatisch bewegt werden. Es ist zu bemerken, daß die Deckel 77-1, 77-2, . . . manuell oder automatisch bewegt werden können. Auf diese Weise können Reaktionsflüssigkeiten, die in den Zellen 7, die in die Innenräume der rahmenartigen Box 81 eingesetzt sind, nacheinander analysiert werden, ohne daß sie von Streulicht beeinflußt werden.

Es ist zu bemerken, daß bei der in Fig. 24 dargestellten Ausführungsform das Lichtleitrohr 72 durch optische Fasern ersetzt werden kann. Außerdem kann, selbst wenn das Lichtleitrohr 72 weggelassen wird, das Streulicht weitgehend vermieden werden durch Anwendung der Zellenbox.

Fig. 27 ist eine schematische Ansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Analysiereinrichtung. Bei dieser Ausführungsform sind Teile, entsprechend den in Fig. 1 angegebenen, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und ihre Erläuterung wird weggelassen. Bei dieser Ausführungsform wird eine Zelle 80 mit einem speziellen Aufbau verwendet.

Die Fig. 28 ist eine spezifische Ansicht der Zelle 80. Diese Zelle 80 umfaßt einen Zellen-Hauptteil 81 aus Quarz mit einer im allgemeinen rechteckigen Form mit einer oberen Öffnung 84 und einem Deckel 82 ebenfalls aus Quarz zum flüssigkeitsdichten Verschließen der Öffnung 84.

In dem Hauptteil 81 ist als integraler Bestandteil eine Trennwand 83 vorgesehen, deren beide Seiten mit Seitenwänden des Hauptteils 81 verbunden sind und deren unteres Ende mit dem Boden des Hauptteils 81 verbunden ist. Das obere Ende der Trennwand 83 ist niedriger als der obere Rand des Hauptteils 81. Durch die Trennwand 83 wird der Innenraum des Hauptteils 81 in kleine Kammern 86 und 87 getrennt. Die Kammer 86 wird als Reaktionskammer bezeichnet, während die Kammer 87 als Reservoirkammer bezeichnet wird. An der Außenseite der Seitenwand 81 a des Hauptteils 81 ist ein Schaft 85 angebracht, der senkrecht zu der Seitenwand 81 a steht. Die Außenseite des Hauptteils 81 ist mit Ausnahme des Eintrittsfensters 88 und des Austrittsfensters 89 mit schwarzer Farbe angestrichen. Außerdem ist der Deckel mit Ausnahme des Eintrittsfensters 90 außen schwarz angestrichen. Durch das Eintrittsfenster 88 trifft ein Laserstrahl 4 auf die Zelle 80 auf. Es ist zu bemerken, daß der Schaft 85 übereinstimmt mit der optischen Achse des Laserstrahls 4, der durch das Eintrittsfenster 88 eintritt. Die Ausgangsfenster 89 und 90 dienen dazu, das gestreute Licht in den Kollimator 10 zu leiten. Die Zelle 80 kann in einer schwarzen Box enthalten sein, durch die der Schaft 85 so nach außen ragt, daß die Zelle gedreht werden kann durch manuelles oder automatisches Drehen des Schaftes 85 oder daß die Zelle automatisch in der schwarzen Box gedreht werden kann. Im folgenden wird die Arbeitsweise der Analysiervorrichtung nach dieser Ausführungsform in bezug auf die Zeichnungen 29A bis 29C erläutert. Zunächst wird die Zelle 80 so angeordnet, daß die offene Seite 84 nach oben steht, wie aus Fig. 28A hervorgeht. Dann wird eine bestimmte Menge eines Reagens, d. h. einer Pufferlösung, die kleine Teilchen enthält, auf denen Antikörper oder Antigen fixiert ist, mit Hilfe einer Reagens-Pipette 71 eingebracht. Ähnlich wird eine bestimmte Menge einer antigen- oder antikörperhaltigen zu untersuchenden Probe in die Reservoirkammer 87 mit Hilfe der Probenpipette 92 eingebracht. Es ist zu bemerken, daß die Flüssigkeitsspiegel von Reagens und Probe niedriger liegen müssen als die Trennwand 83, so daß diese Flüssigkeiten (zunächst) nicht miteinander vermischt werden.

Anschließend wird die Öffnung 84 durch den Deckel 82 geschlossen, wie in Fig. 29B angegeben, und dann die Öffnung der schwarzen Box geschlossen. Anschließend wird die Intensität des gestreuten Lichtes vor der Reaktion gemessen. Bei dieser Messung trifft das durch das Austrittsfenster 89 kommende Licht über den Kollimator 10 auf den Photomultiplier 11 auf.

Anschließend wird die Zelle 80 um 90° um den Schaft 85 in der durch den Pfeil A in Fig. 29B angegebenen Richtung gedreht. Dann wird die Zelle 80 in die in Fig. 29C gezeigte Stellung gebracht. Durch diese Drehung wird die Probe aus der Reservoirkammer 87 in die Reaktionskammer 86 gebracht und mit dem Reagens vermischt, wodurch die Reaktion beginnt.

Unmittelbar nach der Drehung der Zelle 80 beginnt die Messung der Veränderung des gestreuten Lichtes. Bei dieser Messung wird das durch das Ausgangsfenster 90 in dem Deckel 82 kommende Licht nachgewiesen, wie in Fig. 29C gezeigt.

Die nachgewiesene Intensität des gestreuten Lichtes wird durch die Datenverarbeitungseinrichtung 14, umfassend einen A/D-Umwandler 17, einen schnellen Fourier-Transformator 18 und eine Recheneinheit 19, in der oben in bezug auf Fig. 1 beschriebenen Weise verarbeitet. Auf diese Weise kann der Agglutinationszustand der in der Reaktionsflüssigkeit in der Reaktionskammer 86 enthaltenen Teilchen unmittelbar nach der Reaktion überwacht werden.

Wie oben erläutert, kann durch Anwendung der in Fig. 28 angegebenen Zelle 80 das Mischen der Probe mit dem Reagens einfach durch Drehen der Zelle vorgenommen werden, ohne daß die Zelle aus der Analysiereinrichtung herausgenommen zu werden braucht. Daher kann die Messung unmittelbar nach der Reaktion beginnen.

Es ist zu bemerken, daß, wenn die Zelle für den heterodynen Nachweis angewandt werden soll, nur ein einziges Ausgangsfenster an der Stelle des Schaftes 85 vorgesehen sein muß. Ferner können in der Zelle mehr als zwei Kammern vorgesehen sein durch Anbringen von mehr als einer Trennwand.

Claims

1. Vorrichtung zur Messung immunologischer Reaktionen mit einer Lichtquelle (1), die einen Lichtstrahl aussendet, zumindest einer Zelle (7), die eine Antigen-Antikörper-Reaktionsflüssigkeit enthält, optischen Vorrichtungen, um das von der Lichtquelle ausgesandte Licht auf die Zelle zu richten, und zumindest einer Nachweisvorrichtung zum Nachweis von durch in der Reaktionsflüssigkeit enthaltenen Teilchen gestreutem Licht, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind zum Erzeugen eines Dichtespektrums der Intensitätsschwankungen des gestreuten Lichtes sowie Mittel (21, 26, 145), um Ultraschallwellen in die Reaktionsflüssigkeit zu senden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Erzeugung von Ultraschallwellen ein Ultraschallelement (21) umfaßt, das an der Außenseite der Zelle (7, 23) befestigt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Thermostat vorgesehen ist, umfassend ein Gefäß (25, 145) und eine Thermostatflüssigkeit (27, 144) in dem Gefäß und das Ultraschallelement (26, 145), das an der Außenseite des Gefäßes befestigt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ultraschallelement (26) zwischen einer ersten Stellung mit Abstand von der Zelle (7, 23) und einer zweiten Stellung in Berührung mit der Zelle (7, 23) beweglich ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle (7, 23) entlang einer Reaktionslinie beweglich ist und daß die Ultraschall aussendende Vorrichtung Kontaktbürsten (28) umfaßt, die mit dem Ultraschallelement (26) und leitenden Schienen (29) verbunden sind, die entlang der Reaktionslinie angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschall aussendende Vorrichtung Ultraschallwellen mit einer solchen Frequenz erzeugt, die ausreichend weit von den Frequenzkomponenten der Schwankung des gestreuten Lichtes entfernt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein optischer Zerhacker (61) zum Zerhacken des Lichtstrahls vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zerhacken des Lichtstrahls ein Mittel (66, 67) zur Modulation der Lichtquelle entsprechend einer Ein/Aus-Schaltung vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Photodetektor (8) vorgesehen ist zum Nachweis eines Teils des aus der Lichtquelle (1) ausgesandten Lichtstrahls zur Erzeugung eines Monitorsignals, das eine Schwankung des Lichtflusses anzeigt, sowie Mittel (14, 36, 68) zur Normierung des photoelektrischen Signals entsprechend dem Monitorsignal.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerhackvorrichtung einen ersten optischen Zerhacker (66) für den auf die Zelle gerichteten Strahl und einen zweiten optischen Zerhacker (67) für den Teil des Lichtstrahls umfaßt, der auf den Photodetektor (8) gerichtet ist, und wobei ein Eingangsverstärker (69) mit dem Ausgang der Normiervorrichtung (68) verbunden ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Zerhacker (66, 67) entgegengesetzte Phasen aufweisen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (1) ein Halbleiterlaser ist, der ein kohärentes polarisiertes Licht aussendet.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein optischer Isolator (71) zwischen der Lichtquelle (1) und der Zelle (7) vorgesehen ist, der eine Polarisatorplatte (71 a) und eine Viertel-Wellenlängen-Platte (71 b) aufweist.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Zellenbox (73, 81) aus einem opaken Material, die die Zelle im wesentlichen umschließt und eine Eintritts- (74) und Austrittsöffnung (75) für das Licht aufweist, wobei die Zellenbox (73) einen Hauptteil mit einer Öffnung (76) umfaßt, durch die die Zelle (7) in diesen Hauptteil eingeführt werden kann, sowie einen Deckel (77) zum wahlweisen Schließen und Öffnen der Zellenbox.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellenbox (81) einen Hauptteil mit einer Mehrzahl von Öffnungen umfaßt, in die eine Mehrzahl von Zellen (7) eingesetzt werden kann, sowie eine Mehrzahl von Deckeln (77), die wahlweise geschlossen oder geöffnet werden können.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsöffnung (74) und die Austrittsöffnung (75) in den Seitenwänden des Hauptkörpers der Zellenbox vorgesehen sind.

17. Vorrichtung nach Anspruch 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Lichtleitrohr (72) vorgesehen ist, das im wesentlichen den optischen Weg von der Lichtquelle (1) zu der Zelle (7) umschließt.