光學(xué)液體分析原型平臺照亮無處不在的傳感之路

作者：Sydney Wells and Scott Hunt

實時監(jiān)測環(huán)境對于提高全球可持續(xù)性至關(guān)重要。能夠快速分析樣本并識別問題是快速解決問題的關(guān)鍵，同時將對生態(tài)系統(tǒng)的影響降至最低。這種對無處不在的實時傳感的推動已經(jīng)改變了對液體傳感器的要求，要求更小的尺寸、更高的魯棒性和更低的功耗，同時仍然提供高質(zhì)量的結(jié)果。隨著行業(yè)的發(fā)展，需要用于移動傳感的智能平臺。這些平臺需要具有高度的通用性，能夠滿足從環(huán)境水到過程控制的廣泛應(yīng)用的獨特要求。本文將介紹一種用于快速液體傳感的便攜式實時傳感解決方案和原型設(shè)計平臺。

一種常見的液體分析技術(shù)

有多種方法可以測試液體，目的是測量樣品中未知參數(shù)的濃度，例如pH，熒光或濁度。一種流行的方法是光學(xué)評估液體，因為它是無創(chuàng)的，并提供穩(wěn)定準(zhǔn)確的結(jié)果。精密光學(xué)液體測量需要電子、光學(xué)和化學(xué)方面的混合領(lǐng)域知識。簡單來說，分析從暴露于LED等光源的光的樣品開始。與樣品相互作用后，產(chǎn)生的光由光電二極管處理。該測量響應(yīng)與一組已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)樣品的測量響應(yīng)作圖。這稱為校準(zhǔn)曲線。使用校準(zhǔn)曲線，可以確定未知值。這描述了用于分析測量的一般實驗室方法，但為了滿足無處不在的傳感需求，它必須擴展到不同的分析物和測量技術(shù)，并適合小尺寸，所有這些都增加了設(shè)計和評估的復(fù)雜性。

圖1.吸光度校準(zhǔn)曲線示例。

用于快速液體測量的模塊化ADI解決方案

ADI公司的ADPD4101是一款光學(xué)模擬前端（AFE），能夠驅(qū)動LED，同步接收和處理來自光電二極管的信號，以實現(xiàn)高精度光學(xué)測量。ADPD4101具有高度可配置性，具有高達(dá)100 dB的高光信噪比和片內(nèi)同步檢測方法提供的高環(huán)境光抑制能力，因此在許多情況下無需光學(xué)暗外殼即可使用。

CN0503參考設(shè)計旨在使用ADPD4101實現(xiàn)液體分析測量的快速原型設(shè)計。CN0503以ADPD4101為核心產(chǎn)品，但增加了多達(dá)四個模塊化光路以及針對液體分析的測量固件和應(yīng)用軟件。CN0503直接與ADICUP3029板連接，該板管理測量例程和數(shù)據(jù)流。ADICUP3029板可以直接連接到筆記本電腦，以在評估GUI中查看結(jié)果。CN0503可以測量熒光、濁度、吸光度和比色法。樣品在比色皿中制備并放置在3D打印的比色皿支架中，該支架裝有光學(xué)元件，包括透鏡和分束器。比色皿支架插入適當(dāng)?shù)墓饴罚糜诩床寮从脺y量。此外，LED和光電二極管卡可以切換，以進(jìn)行更多的定制。

為了演示如何使用CN0503創(chuàng)建校準(zhǔn)曲線和測量未知物，將顯示pH、濁度和熒光的測量值。評估GUI用于進(jìn)行測量以創(chuàng)建校準(zhǔn)曲線。計算噪聲值和檢測限（LOD），以確定CN0503為每個示例檢測的最低可行濃度。

圖2.CN0503評估板。

用吸光度測量pH值

吸光度背景

吸光度涉及根據(jù)在特定波長下吸收的光量來確定溶液中已知溶質(zhì)的濃度。濃度與吸光度成正比，根據(jù)比爾-朗伯定律。許多無色分析物可以通過添加變色試劑來測量。這個例子是測量pH值，這是從水質(zhì)到廢水處理的許多行業(yè)中最常見的測量參數(shù)之一。吸光度測量用于許多其他參數(shù)，包括溶解氧/生物需氧量、硝酸鹽、氨和氯。

光學(xué)

用于吸光度測量的光路配置如圖3所示。使用CN0503，可以在任何光路（1至4）中進(jìn)行吸光度測量。入射光束對準(zhǔn)分束器，參考光電二極管對光束強度進(jìn)行采樣。剩余功率通過樣本。取樣本光與參考光的比率可消除LED光源的變化和噪聲，同步脈沖和接收窗口提供環(huán)境光抑制。

圖3.用于測量吸光度的光路。

設(shè)置設(shè)備

CN0503評估板

EVAL-ADICUP3029 評估板

API pH 測試和調(diào)節(jié)器套件

pH標(biāo)準(zhǔn)液

圖4.CN0503進(jìn)行pH測量。

在該實驗中，將顏色指示劑（溴硫酚藍(lán)）添加到具有不同pH值的制備溶液中。將溶液轉(zhuǎn)移到比色皿中，并在兩種不同的波長（430 nm和615 nm）下進(jìn)行測試，其中指示劑顯示吸收隨pH值的變化。CN0503使這變得容易;兩種不同波長的LED卡可以插入光路2和光路3。然后，將比色皿支架簡單地移動到不同的路徑中進(jìn)行不同的測量。

結(jié)果

使用CN0503評估GUI，兩條光路的測量結(jié)果都可以輕松導(dǎo)出到Excel中。兩種不同波長的校準(zhǔn)曲線如圖5和圖6所示。

圖5.pH值在430nm處的吸光度校準(zhǔn)曲線。

圖6.615nm處pH的吸光度校準(zhǔn)曲線。

在每種情況下，繪制pH與吸光度的關(guān)系圖以創(chuàng)建校準(zhǔn)曲線。然后使用“添加趨勢線”選項獲取曲線的方程。然后使用這些方程來確定未知樣品的濃度。傳感器輸出是 x 變量，生成的 y 值是 pH 值。這可以手動完成;但是，CN0503也可以用于此目的。固件實現(xiàn)了兩個五階多項式，INS1 和 INS2。存儲多項式后，可以選擇INS1或INS2模式，以便直接以所需單位（在本例中為pH）報告測量結(jié)果。這使得快速獲得未知樣品的結(jié)果變得簡單。

為了獲得噪聲值，為每個波長選擇了兩個不同的數(shù)據(jù)點：一個較低的pH值和一個較高的pH值。使用了兩個點，因為在這種情況下曲線擬合不是線性的。每個點的一組重復(fù)測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差（報告為表1中的噪聲值）描述了測量的精度，不包括樣品制備的變化。

LOD通常通過測量低濃度下的噪聲并乘以3來確定，得到99.7%的置信區(qū)間。由于pH是對數(shù)刻度，因此選擇pH 7作為檢查LOD的數(shù)字，如表2所示。

測量濁度

濁度背景

液體樣品的濁度測量使用懸浮在液體中的顆粒的光散射特性。歸根結(jié)底，它是液體相對透明度的量度。散射光量和散射角根據(jù)顆粒大小、濃度和入射光的波長而有所不同。濁度測量在許多行業(yè)中進(jìn)行，包括水質(zhì)和生命科學(xué)。除了一般濁度外，CN0503還可用于通過測量光密度來確定藻類生長。

光學(xué)

圖7顯示了使用90°或180°檢測器測量濁度的光路。使用CN0503，由于需要90°檢測器，因此只能在光路1或4中進(jìn)行濁度測量。濁度有多種測量配置和標(biāo)準(zhǔn)。此示例演示了 EPA 方法 180.1 的修改版本，該方法以濁度濁度單位 （NTU） 進(jìn)行校準(zhǔn)和報告。

圖7.用于濁度測量的光路。

設(shè)置設(shè)備

CN0503評估板

EVAL-ADICUP3029 評估板

漢納儀器濁度標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)裝置?

在本實驗中，光路 4 與插入的 530 nm LED 板一起使用進(jìn)行測試。

結(jié)果

使用CN0503評估GUI，將測量結(jié)果導(dǎo)出到Excel中。得到的校準(zhǔn)曲線如圖9所示。

圖9.濁度校準(zhǔn)曲線。

響應(yīng)曲線分為兩部分，因為90°散射測量對高濁度的響應(yīng)較差。一部分表示較低的濁度（0 NTU 至 100 NTU），另一部分表示較高的濁度（100 NTU 至 750 NTU）。然后對每個部分進(jìn)行兩次線性擬合。即使現(xiàn)在有兩個方程值，CN0503仍可用于快速顯示結(jié)果NTU值。這是因為每個光路都可以在INS1和INS2中存儲自己的方程值。一個重要的注意事項是INS1和INS2是依賴的。第一個方程 INS1 的結(jié)果是第二個方程 INS2 的輸入變量。存儲方程值后，INS1可用于測量低濁度樣品，INS2可用于測量較高濁度的樣品。

為了獲得噪聲值，我們選擇一個數(shù)據(jù)點來獲取重復(fù)測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差。標(biāo)準(zhǔn)偏差是噪聲值。選擇靠近范圍底部的一個數(shù)據(jù)點，因為方程擬合是線性的。

為了確定LOD，測量空白或低濃度樣品的噪聲值，然后乘以3表示99.7%置信區(qū)間。

用菠菜溶液測量熒光

熒光背景

當(dāng)光照射到含有熒光分子的樣品中時，電子進(jìn)入更高的能量狀態(tài)，然后在發(fā)射更長波長的光之前失去一些能量。熒光發(fā)射具有化學(xué)特異性，可用于識別培養(yǎng)基中特定分子的存在和數(shù)量。在這個例子中，通過使用菠菜葉子證明了熒光葉綠素。在許多應(yīng)用中，熒光測量在生物測定、溶解氧、化學(xué)需氧量以及檢測牛奶中巴氏殺菌是否成功中很常見。

光學(xué)

熒光測量的光路配置如圖10所示。使用CN0503，只能在光路1或4中進(jìn)行吸光度測量，這是因為90°檢測器。通常，熒光檢測器位于與入射光成90°的位置，并使用單色或長通濾光片來增加激發(fā)光和發(fā)射光之間的隔離。熒光是一種非常靈敏的低電平測量，并且會受到干擾，因此使用參考檢測器和同步檢測方法來減少誤差源。

圖 10.用于熒光測量的光路。

設(shè)置設(shè)備

CN0503評估板

EVAL-ADICUP3029 評估板

菠菜溶液

在這個實驗中，通過將菠菜葉與水混合來創(chuàng)建菠菜溶液。然后將其過濾并保留為儲備溶液。然后將儲備溶液稀釋，以產(chǎn)生不同百分比的菠菜溶液樣品。這些被用作標(biāo)準(zhǔn)品，通過熒光創(chuàng)建菠菜溶液的百分比曲線。光路 1 與插入的 365 nm LED 卡和長通濾光片一起使用。

結(jié)果

百分比菠菜溶液的校準(zhǔn)曲線如圖12所示。

圖 12.百分比菠菜溶液的校準(zhǔn)曲線。

可以存儲該校準(zhǔn)曲線的趨勢線方程，以便CN0503直接以百分比形式報告結(jié)果。

為了獲得噪聲值，選取了兩個不同的數(shù)據(jù)點：一個靠近范圍的底部，另一個靠近頂部，因為曲線擬合不是線性的。噪聲由每個點的一組重復(fù)測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差給出，如表5所示。

為了確定LOD，測量空白或低濃度樣品的噪聲值，然后乘以3表示99.7%置信區(qū)間。

結(jié)論

對復(fù)雜的光學(xué)液體分析測量進(jìn)行原型設(shè)計是一項挑戰(zhàn)，需要仔細(xì)考慮化學(xué)、光學(xué)和電子如何相互作用以產(chǎn)生精確的結(jié)果。ADPD4101等集成AFE產(chǎn)品為在更小空間內(nèi)實現(xiàn)更高性能的光學(xué)液體傳感鋪平了道路。CN0503以ADPD4101為基礎(chǔ)，包括光學(xué)設(shè)計、固件和軟件，是一個易于使用且高度可定制的快速原型制作平臺，能夠?qū)σ后w參數(shù)進(jìn)行精確的光學(xué)測量，包括吸光度、比色法、濁度和熒光。

審核編輯：郭婷