Gør optisk væskeanalyse allestedsnærværende ved hjælp af en multimodal sensor-front-end

I forbindelse med den globale bekymring for drikkevandssikkerheden på grund af tørke, stormintensitet og -hyppighed og den voksende befolkning er væskeanalyse blevet kritisk vigtig. Analyse af vandprøver i realtid og på stedet er nødvendig for at minimere forurening og dens indvirkning på økosystemet.

Denne realtidsmåling af væsker kræver fremskridt inden for instrumentering, der omfatter mindre størrelse, lavere strømforbrug, forbedret nøjagtighed, hurtig tilpasning, hurtigere responstider og robusthed, alt sammen samtidig med at der leveres resultater af høj kvalitet.

Optisk baserede instrumenter er nyttige her, da de kan foretage ikke-destruktive målinger med høj præcision og give berøringsfri registrering af målinger som turbiditet, totalt organisk kulstof, totalt suspenderet stof, opløst ilt og tilstedeværelsen af ioniske forurenende stoffer. Sådanne systemer kræver dog komplekse analoge front-ends (AFE'er) til at drive lysdioder (LED'er), mens de registrerer og digitaliserer det modtagne lys og tager højde for af både den omgivende støj og systemstøj. Sådanne designmuligheder ligger uden for den typiske designers kompetenceområde. Det, der er brug for, er en mere elegant standardløsning.

Denne artikel diskuterer kort optisk væskeanalyse, før den introducerer en bærbar realtidsplatform til hurtig væskeanalyse baseret på en multimodal optisk sensor AFE fra Analog Devices, Inc. Et referencedesign baseret på AFE, der tilbyder op til fire modulære optiske stier, introduceres også. Referencedesignet bruges til at demonstrere, hvordan man foretager målinger af pH, turbiditet og fluorescens, og hvordan man opretter kalibreringskurver og måler ubekendte.

Grundlæggende om optisk væskeanalyse

Optisk væskeanalyse kan bruges til at måle koncentrationen af grundstoffer i en væskeprøve. Teknikken har mange fordele, bl.a. at den er ikke-destruktiv og bruger berøringsfri måling. Derudover giver resultaterne høj præcision og lav drift.

Konceptuelt udsætter optisk analyse væskeprøven for lys fra en kilde som f.eks. en lysdiode (LED) med en kendt optisk bølgelængde. Lyset passerer gennem prøven, interagerer med den og detekteres af en fotodiode (PD). Den målte respons fra PD'en plottes mod responsen fra prøver med kendte koncentrationer, som danner en kalibreringskurve, som den ukendte værdi kan bestemmes i forhold til.

Denne proces beskriver de analytiske målinger, der ville blive anvendt i et almindeligt laboratorium, hvor optiske præcisionsvæskemålinger kombinerer resultaterne fra blandede domæner inden for elektronik, optik og kemi. At gøre denne type test tilgængelig overalt kræver, at processerne skaleres ned til en lille formfaktor, hvilket øger kompleksiteten i designet.

En modulær løsning til hurtig væskemåling

For at forenkle instrumentdesignprocessen har Analog Devices udviklet referencedesignet EVAL-CN0503-ARDZ baseret på ADPD4101BCBZR7 analog optical front-end (AFE). ADPD4101BCBZR7 er en komplet multimodal sensor-front-end, der kan drive op til otte LED'er og måle op til otte separate returstrømsindgange (figur 1). AFE'en afviser signalforskydninger og interferens fra asynkront moduleret interferens, som normalt kommer fra omgivende lys. AFE er meget konfigurerbar og har et optisk signal-støj-forhold (SNR) på op til 100 decibel (dB) med høj afvisning af omgivende lys ved hjælp af on-chip synkrone detektionsmetoder, hvilket gør det muligt i mange tilfælde at bruge den uden et optisk mørkekabinet.

Figur 1: Den multimodale sensor AFE ADPD4101BCBZR7 kan drive op til otte LED'er og måle op til otte separate returstrømsindgange. (Billedkilde: Analog Devices, Inc.)

EVAL-CN0503-ARDZ-referencedesignet muliggør hurtig prototyping af væskeanalysemålinger, herunder fluorescens, turbiditet, absorbans og kolorimetri (figur 2). Den har fire modulopbyggede optiske testpladser, der giver optiske gennemgangsveje, og to pladser inkluderer ortogonale (90°) spredningsveje. Der medfølger en 3D-printet kuvetteholder til standard 10-millimeter (mm) kuvetter, som kan placeres i enhver af de fire optiske stier. Referencedesignet indeholder også målefirmware og applikationssoftware, der er målrettet væskeanalyse.

Figur 2: EVAL-CN0503-ARDZ indeholder en 3D-printet kuvetteholder til standard 10 mm kuvetter, der kan placeres i en af de fire optiske stier, der indeholder måleoptikken. (Billedkilde: Analog Devices, Inc.)

EVAL-CN0503-ARDZ forbindes med EVAL-ADICUP3029, et 32-bit Arm® Cortex®-M3 mikrocontroller-kort, som håndterer målingen og datastrømmen. EVAL-ADICUP3029-kortet tilsluttes direkte til en bærbar computer for at vise de indsamlede data i den grafiske brugergrænseflade til evaluering.

Væskeanalysemålinger af fluorescens, turbiditet, absorbans og kolorimetri af en prøve kan måles med EVAL-CN0503-ARDZ. Kuvetten indeholder optikken, herunder en kollimatorlinse og strålesplitter. Hver af åbningerne holder en referencefotodiode og giver en passende optisk sti til plug-and-play-måling. Derudover kan LED- og fotodiodekortene på hver plads skiftes ud for yderligere tilpasning.

Som en demonstration vil målinger af pH, turbiditet og fluorescens blive brugt til at skabe kalibreringskurver og derefter måle ukendte med EVAL-CN0503-ARDZ og dens evalueringssoftware. Derudover beregnes støjniveauværdien og detektionsgrænsen (LOD). Dette vil bestemme den laveste koncentration, der kan detekteres af EVAL-CN0503-ARDZ i hvert eksempel.

Eksempel på test af absorbans

Absorptionsmålinger, baseret på Beer-Lamberts lov, involverer bestemmelse af koncentrationen af et kendt opløst stof i en flydende opløsning baseret på, hvor meget lys der absorberes ved en bestemt bølgelængde. Dette er en form for kolorimetri. I dette eksempel bruges absorbans til at måle pH, en almindelig parameter i vandkvalitetstest. Denne type test er også nyttig til analyseformål, herunder opløst ilt, biologisk iltforbrug, nitrater, ammoniak og klor.

Absorbansmålinger ved hjælp af en direkte eller gennemgående optisk sti kan foretages ved hjælp af en hvilken som helst af de fire optiske stier på EVAL-CN0503-ARDZ (figur 3).

Figur 3: Her ses den optiske opsætning til en absorbansmåling med EVAL-CN0503-ARDZ. Kuvetteholderen i EVAL-CN0503-ARDZ indeholder optikken, herunder en kollimationslinse og strålesplitter. (Billedkilde: Analog Devices, Inc.)

En LED med den ønskede bølgelængde genererer den indfaldende stråle. En strålesplitter i den optiske sti leder noget af lyset til en referencefotodiode, der måler stråleintensiteten. Den resterende del af den optiske stråle ledes gennem prøven. Variationer i lysintensitet og støj fra LED-kilden udlignes ved at tage forholdet mellem udgangssignalerne fra transmissions- og referencefotodioderne.

Forurening fra omgivende lys med konstante lyskilder afvises med helt op til 60 dB af ADPD4101BCBZR7. Dette gøres ved hjælp af et synkront modulationsskema, der modulerer LED-strømmen og synkront måler forskellen mellem den mørke (slukkede) tilstand (hvor det omgivende lys er den eneste komponent) og den exciterede (tændte) tilstand (hvor både det omgivende lys og LED-komponenten er til stede). Denne afvisning af omgivende lys sker automatisk; der kræves ingen eksterne kontroller.

Ud over EVAL-CN0503-ARDZ kræver dette eksempel den tidligere nævnte EVAL-ADICUP3029. Den bruger et API pH-test- og justeringssæt og et sæt pH-bufferopløsningsprøver til kalibrering.

Analytterne blev forberedt ved at tilsætte en farveindikator (bromthymolblåt) fra API-testkittet til de forberedte opløsninger med forskellige pH-værdier. Bromthymolblåt opløses i en svag syre med høj absorption af lys ved 430 nanometer (nm) og en konjugeret base, som har høj absorption af lys ved 650 nm.

Opløsningerne blev overført til kuvetter, og pH-målingen blev foretaget ved disse to forskellige bølgelængder, hvor indikatoren viser ændringer i absorption som en funktion af pH. Det er nemt at gøre i EVAL-CN0503-ARDZ ved hjælp af to LED-kort til forskellige bølgelængder, som blev indsat i den optiske sti 2 og den optiske sti 3. Kuvetten flyttes ind i de to forskellige stier til målingerne.

Resultaterne fra begge optiske stier blev eksporteret til Excel ved hjælp af evalueringssoftwarens grafiske brugergrænseflade EVAL-CN0503-ARDZ (figur 4).

Figur 4: Absorptionskalibreringskurverne for pH for tests med 430 nm (venstre) og 650 nm lyskilder (højre). (Billedkilde: Analog Devices, Inc.)

I begge tilfælde blev pH i forhold til absorbansen plottet for at skabe kalibreringskurven. En trendlinjefunktion i Excel blev brugt til at generere en ligning for kurven. Goodness of fit-estimatet, R², er tæt på 1,0 i begge tilfælde, hvilket indikerer den fremragende kvalitet af estimatet. Koncentrationerne af ukendte prøver kan bestemmes ud fra disse ligninger med sensorens output indtastet som x-variabel, og den resulterende y-værdi er pH-værdien. Evalueringssoftwaren EVAL-CN0503-ARDZ implementerer to polynomier af femte orden, INS1 og INS2. Når polynomierne er gemt, kan INS1- eller INS2-tilstanden vælges, så måleresultaterne rapporteres direkte i den ønskede enhed, i dette tilfælde pH. Det gør det nemmere at få et resultat for en ukendt prøve.

Målingens støjniveau kræver to forskellige datapunkter for hver bølgelængde. Den ene skal være en lavere pH-værdi, og den anden skal være en højere. Der bruges to værdier, fordi kurvetilpasningen ikke er lineær. De valgte pH-værdier var 6,1 og 7,5. Der blev foretaget flere målinger af hvert punkt, og standardafvigelsen af dataene giver den gennemsnitlige støjværdi (RMS) ved hver bølgelængde for hver pH-værdi. Resultaterne er vist i tabel 1.

Tabel 1: Her vises RMS-støjværdierne for to pH-værdier ved to bølgelængder. (Tabelkilde: Analog Devices, Inc.)

Bemærk, at disse data ikke omfatter variationer som følge af prøveforberedelse.

Detektionsgrænsen (LOD) bestemmer den laveste koncentration, der sandsynligvis vil blive detekteret af EVAL-CN0503-ARDZ. LOD bestemmes typisk ved at måle støj ved lave koncentrationsniveauer. For at opnå et konfidensniveau på 99,7 % ganges støjværdien med tre. Da pH er en logaritmisk skala, blev LOD bestemt for en pH på 7. Dette blev igen gjort ved bølgelængder på 430 nm og 625 nm. LOD ved 430 nm var en pH på 0,001099, og LOD ved 615 nm var en pH på 0,001456.

Et eksempel på en turbiditetstest

Turbiditet måler den relative klarhed af en væske. Målingen er baseret på lysspredningsegenskaberne hos partikler, der er suspenderet i væsken. Lysspredning påvirkes af størrelsen og koncentrationen af de suspenderede partikler samt bølgelængden af det indfaldende lys. Disse faktorer påvirker mængden af lys, der spredes, og spredningsvinklen. Turbiditetstest udføres i mange brancher, herunder vandkvalitet og biovidenskab. Det kan også bruges til at bestemme algevækst ved at måle optisk tæthed.

Den optiske sti for turbiditetstest bruger fotodioder placeret til at detektere lys i vinkler på 90˚ eller 180˚. I EVAL-CN0503-ARDZ kræver turbiditetstest en detektor på 90˚, som er tilgængelig på testplads 1 og 4. Optisk plads 4 med et 530 nm LED-kort indsat som kilde er vist i figur 5.

Figur 5: Den optiske vej for en turbiditetstest bruger fotodetektorer ved 90˚ og 180˚ fra lysstien til at detektere lys spredt af partikler i opløsningen. (Billedkilde: Analog Devices, Inc.)

Dette eksempel viser en modificeret version af EPA-metode 180.1, "Determination of turbidity by Nephelometry", kalibreret og rapporteret i nefelometriske turbiditetsenheder (NTU).

Det udstyr, der bruges til turbiditetstest, omfatter evalueringskortene EVAL-CN0503-ARDZ og EVAL-ADICUP3029 samt Hanna Instruments turbiditetsstandardkalibreringssæt. Turbiditetskalibreringsstandarden indeholder mikroperler af specifikke størrelser i ultrarent vand. Disse opløsninger bruges til at kalibrere og validere turbiditetsmålinger.

Ved hjælp af EVAL-CN0503-ARDZ-softwarens grafiske brugergrænseflade (GUI) blev måleresultaterne eksporteret til Excel, hvor der blev genereret en turbiditetskalibreringskurve (figur 6).

Figur 6: Disse kalibreringskurver er baseret på resultaterne af turbiditetstestene. Den lineære kurvetilpasning viser, at de lineære modeller har fremragende goodness of fit-estimater (R²). (Billedkilde: Analog Devices, Inc.)

Bemærk, at i figur 6 er de relative forholdsværdier (RRAT) på abscissen refereret til basislinjen eller de absolutte forholdsværdier baseret på en kendt måleopsætning med en tom kuvette eller med destilleret vand, hvor forholdet mellem indfaldende og reflekteret lys er næsten 1. Denne proces bruges til at fjerne små faktorer, der indføres i målingen af de optiske glaselementer, såsom strålesplitteren, linsen og filtre. Denne værdi bruges som reference for efterfølgende målinger.

Da 90°-spredningsmåling er mindre følsom over for høje turbiditeter, blev responskurven opdelt i to sektioner, hvor den første sektion repræsenterer lavere turbiditet (0 NTU til 100 NTU), og den anden repræsenterer højere turbiditet (100 NTU til 750 NTU). Der blev derefter lavet to lineære tilpasninger for hver sektion. Selv om der nu er to ligningsværdier, kan EVAL-CN0503-ARDZ stadig bruges til hurtigt at vise de resulterende NTU-værdier ved hjælp af de indbyggede INS1- eller INS2-polynomiefit.

Støjværdien blev bestemt ved at tage standardafvigelsen af gentagne målinger. På grund af den lineære tilpasning blev der kun brugt et støjpunkt nær bunden af området (12 NTU). Støjniveauet blev målt til 0,282474 NTU.

LOD blev fastlagt ved at tage støjværdien af en prøve med en lav eller blank koncentration. Igen blev støjværdien ganget med tre for at repræsentere et 99,7% konfidensinterval. For en blank prøvekoncentration var LOD 0,69204 NTU.

Et eksempel på en fluorescens-test

Fluorescens er resultatet af, at elektroner i nogle materialer bliver exciteret af en lysstråle, hvilket får dem til at udsende lys med en anden bølgelængde. Den udsendte lysintensitet er proportional med koncentrationen af det lysfølsomme materiale. Fluorometri er generelt meget mere følsomt end at bruge absorbansmålinger til at måle koncentrationen af materialer i opløsningen. Fluorescensemissioner kan bruges til at identificere tilstedeværelsen og mængden af specifikke molekyler, fordi de er kemisk specifikke. Fluorescensmålinger er lineære over en bredere vifte af koncentrationer. Anvendelserne af fluorescensmålinger omfatter biologiske analyser, opløst ilt, kemisk iltforbrug og detektering af vellykket pasteurisering i mælk.

Generelt måles fluorescensemissioner ved hjælp af en fotodetektor, der er placeret 90° fra det indfaldende lys for at minimere dets effekt på målingen. Der bruges en referencedetektor til at måle det indfaldende lys for at minimere faktorer, der forstyrrer målingen. Disse faktorer omfatter forvrængninger fra lyskilden, ekstern belysning og små bevægelser i prøven. Derudover bruges et optisk monokromatisk filter eller et langpasfilter sammen med fluorescensdetektoren for at øge adskillelsen mellem det indfaldende og det udsendte lys (figur 7).

Figur 7: Den optiske sti for fluorescensmåling. Fluorescensfotodioden er placeret 90° i forhold til den indfaldende lyssti. Et fluorescensfilter dæmper kilde-LED'ens bølgelængde. (Billedkilde: Analog Devices, Inc.)

Igen omfatter det udstyr, der bruges til fluorescens-test, EVAL-CN0503-ARDZ og EVAL-ADICUP3029-kortene.

I dette eksempel blev spinatblade brugt til at demonstrere fluorescerende klorofyl. En spinatopløsning blev skabt ved at blande spinatblade med vand. Efter filtrering blev dette brugt som en stamopløsning. Forskellige procentdele af spinatopløsningen blev skabt ved at fortynde stamopløsningen og blev brugt som standarder til at skabe en kalibreringskurve. Da der var brug for en ortogonal detektor, brugte man optisk plads 1 i EVAL-CN0503-ARDZ. Kilden var en LED med en bølgelængde på 365 nm, hvor der var indsat et langpasfilter.

Syv forskellige procentdele af spinatopløsningen blev testet, og klorofylkalibreringskurven blev plottet (figur 8).

Figur 8: Kalibreringskurve for procentvis spinatopløsning, inklusive trendlinjens ligning. (Billedkilde: Analog Devices, Inc.)

Som i de tidligere eksempler kan trendlinjens ligning for klorofylkalibreringskurven gemmes, så resultaterne rapporteres direkte som en procentdel af EVAL-CN0503-ARDZ.

Da kalibreringskurven ikke er lineær, blev støjen målt ved hjælp af to datapunkter - 7,5 % og 20 %. Standardafvigelsen for flere tests med hver prøve gav en RMS-støjværdi på 0,0616 % spinat for 7,5 %-prøven og 0,1159 % spinat for 20 %-prøven.

LOD blev bestemt ved hjælp af en blindprøve eller en prøve med lav koncentration. Igen blev RMS-støjmålingen for prøven ganget med tre for at repræsentere et 99,7 % konfidensniveau, hvilket gav en LOD på 0,1621 % spinat.

Konklusion

Udviklingen af et bærbart optisk målesystem til væskeanalyse kræver stor viden om samspillet mellem kemi, optik og elektronik for at skabe en enhed, der er præcis, nøjagtig og nem at bruge. For at designe en med høj nøjagtighed og præcision kan designere bruge den optiske AFE ADPD4101BCBZR7 i stedet for at designe en kompleks signalkæde in-house. For at hjælpe dig i gang understøttes AFE af referencedesignet EVAL-CN0503-ARDZ. Den bygger på ADPD4101BCBZR7 ved at tilføje optiske komponenter, firmware og software for at skabe en brugervenlig og meget tilpasningsdygtig prototypeplatform, der er i stand til at producere nøjagtige optiske målinger af absorbans, kolorimetri, turbiditet og fluorescensvæskeparametre.