Biophysics · 08.02

比濁法（turbidimetry）と散乱光度法（nephelometry）

Turbidimetry and nephelometry

🧠 比濁法turbidimetry比濁法（turbidimetry）turbidimetry（比濁法）と散乱比濁法nephelometry散乱比濁法（nephelometry）nephelometry（散乱比濁法）の違いは、同じ散乱現象を「残った透過光」で測るか「光軸外へ出た散乱光scattered light散乱光（scattered light）scattered light（散乱光）」で測るかにある。検出器の位置が観測量と感度範囲を決める。

検出器配置が異なる2つの測定法

懸濁粒子へ光を入射すると、散乱によって光軸上の透過光が減少する。比濁法turbidimetry比濁法（turbidimetry）turbidimetry（比濁法）は入射光と同じ方向に検出器を置き、 $I_0$ に対する透過光 $I$ の低下を測る。一方、散乱比濁法nephelometry散乱比濁法（nephelometry）nephelometry（散乱比濁法）は典型的に約90°方向へ検出器を置き、散乱光scattered light散乱光（scattered light）scattered light（散乱光）を直接測る。どちらも基礎となる粒径依存性はRayleigh散乱とMie散乱から決まる。

flowchart TD
  A["入射光 I₀"] --> B["粒子<span class='jp-term jp-term-diagram' title='suspension'>懸濁液</span>"]
  B --> C["光軸上の透過光 I"]
  B --> D["光軸外の<span class='jp-term jp-term-diagram' title='scattered light'>散乱光</span> Iₛ"]
  C --> E["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='turbidimetry'>比濁法</span>：I/I₀の低下を測定"]
  D --> F["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='nephelometry'>散乱比濁法</span>：角度別Iₛを測定"]

比較	比濁法turbidimetry比濁法（turbidimetry）turbidimetry（比濁法）	散乱比濁法nephelometry散乱比濁法（nephelometry）nephelometry（散乱比濁法）
検出方向	入射光と同軸	入射光に対し側方
直接測る量	透過光の減少	散乱光scattered light散乱光（scattered light）scattered light（散乱光）の増加
得意な範囲	比較的高い濁度turbidity濁度（turbidity）turbidity（濁度）	低濁度turbidity濁度（turbidity）turbidity（濁度）・弱い散乱
主な限界	吸収も透過光を減らす	背景散乱・迷光stray light迷光（stray light）stray light（迷光）の影響を受ける

濁度と濃度の関係

単一散乱が支配し、粒径・形状・屈折率refractive index屈折率（refractive index）refractive index（屈折率）が一定なら、比濁法turbidimetry比濁法（turbidimetry）turbidimetry（比濁法）では

\tau=-\frac{1}{l}\ln\!\left(\frac{I}{I_0}\right),\qquad I=I_0e^{-\tau l}

と表せる。 $\tau$ は濁度turbidity濁度（turbidity）turbidity（濁度）係数、 $l$ は光路長optical path length光路長（optical path length）optical path length（光路長）である。希薄rarefaction希薄（rarefaction）rarefaction（希薄）域の散乱比濁法nephelometry散乱比濁法（nephelometry）nephelometry（散乱比濁法）では散乱光scattered light散乱光（scattered light）scattered light（散乱光）強度 $I_s$ が粒子数濃度にほぼ比例するが、比例定数は粒径、波長、検出角、屈折率refractive index屈折率（refractive index）refractive index（屈折率）差に依存する。そのため未知試料の濃度は既知標準液による検量線calibration curve検量線（calibration curve）calibration curve（検量線）から求める。

直線性が崩れる条件

濃度が高いと、いったん散乱された光が別の粒子で再び散乱される多重散乱が生じる。粒子の凝集や沈降も粒径分布を変え、濃度以外の原因で信号を変化させる。また、試料が光を吸収する場合、比濁法turbidimetry比濁法（turbidimetry）turbidimetry（比濁法）の透過光低下には吸収も混ざる。吸収だけを扱うLambert–Beerの法則との違いを明確にする。

⚠️ 「濁度turbidity濁度（turbidity）turbidity（濁度）が2倍なら粒子濃度も常に2倍」とは限らない。 粒径、凝集、沈降、多重散乱、測定角度が一定である範囲に限って検量線calibration curve検量線（calibration curve）calibration curve（検量線）を使える。

臨床検査での利用

抗原抗体反応antigen-antibody reaction抗原抗体反応（antigen-antibody reaction）antigen-antibody reaction（抗原抗体反応）で形成される免疫複合体、血清タンパク質、微生物増殖microbial growth微生物増殖（microbial growth）microbial growth（微生物増殖）などの定量に用いられる。散乱強度の時間揺らぎを利用して粒径を求める動的光散乱light scattering光散乱（light scattering）light scattering（光散乱）法とは、同じ散乱光scattered light散乱光（scattered light）scattered light（散乱光）を使っても得る物理量が異なる。

まとめ

比濁法turbidimetry比濁法（turbidimetry）turbidimetry（比濁法）は光軸上の透過光低下、散乱比濁法nephelometry散乱比濁法（nephelometry）nephelometry（散乱比濁法）は光軸外の散乱光scattered light散乱光（scattered light）scattered light（散乱光）を測る。
低濁度turbidity濁度（turbidity）turbidity（濁度）では散乱光scattered light散乱光（scattered light）scattered light（散乱光）を直接測る散乱比濁法nephelometry散乱比濁法（nephelometry）nephelometry（散乱比濁法）が高感度になりやすい。
濃度換算には、粒径・波長・角度をそろえた標準液による検量線calibration curve検量線（calibration curve）calibration curve（検量線）が必要である。
多重散乱、凝集、沈降、吸収は直線性を崩す。