光學(xué)液體分析原型制作平臺為實時高效水體監(jiān)測開辟新通路

實時監(jiān)控環(huán)境對于改善全球可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。能夠快速分析樣本，并確認問題，是快速解決問題，盡可能減少對生態(tài)系統(tǒng)影響的關(guān)鍵。這種無處不在的實時傳感應(yīng)用改變了對液體傳感器的需求，要求尺寸更小、更可靠、功耗更低，同時可提供高質(zhì)量結(jié)果。隨著行業(yè)不斷發(fā)展，人們急需能夠滿足從環(huán)境水域到過程控制等各種應(yīng)用需求的便攜式檢測智能平臺。對此需求，本文將介紹一種便攜式實時檢測解決方案和原型制作平臺，可快速實施液體檢測。

一種常見的液體分析技術(shù)

監(jiān)測液體的方法有很多種，目的都是測量樣品中未知參數(shù)的濃度，如pH、熒光或濁度。一種常見的方法是通過光學(xué)技術(shù)評估液體，因為它具有非介入性，可提供穩(wěn)定準(zhǔn)確的結(jié)果。這種精密光學(xué)液體測量需要跨電子、光學(xué)和化學(xué)多領(lǐng)域知識。一般實驗室測量方法進行分析時，首先將樣品暴露在光源（如LED）下。與樣品相互作用后，產(chǎn)生的光由光電二極管處理。將測得的響應(yīng)結(jié)果繪制出來，與一組已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)樣品的測量響應(yīng)結(jié)果相對照，生成校準(zhǔn)曲線。利用校準(zhǔn)曲線，可以確定液體內(nèi)未知值。而為了滿足更廣泛的檢測需求，必須進行調(diào)整以適應(yīng)不同的分析物和測量技術(shù)，以及適合小尺寸應(yīng)用，所有這些因素都增加了設(shè)計和評估的復(fù)雜程度。

圖1.吸光度校準(zhǔn)曲線示例

用于實施快速液體測量的模塊化ADI解決方案

ADI公司的ADPD4101是一個光學(xué)模擬前端(AFE)，能夠驅(qū)動LED，并同步接收和處理來自光電二極管的信號，以進行高度精準(zhǔn)的光學(xué)測量。ADPD4101具有高度可配置性，具有高達100dB的高光學(xué)信噪比和由片上同步檢測方法提供的高環(huán)境光抑制，使其在許多情況下能夠不配備光學(xué)暗箱直接使用。

CN0503參考設(shè)計旨在使用ADPD4101快速制作液體分析測量原型。CN0503采用ADPD4101作為核心產(chǎn)品，但增加了四條模塊化光路，以及測量固件和應(yīng)用軟件，用于實施液體分析。CN0503直接連接至ADICUP3029板，用于管理測量例程和數(shù)據(jù)流。ADICUP3029板可以直接連接至筆記本電腦，以查看評估GUI中的結(jié)果。CN0503可以測量熒光、濁度、吸光度和色度。樣品在比色皿中制備，并放置在3D打印的比色皿支架中，支架中裝有光學(xué)元件，包括一個透鏡和分束器。將比色皿支架插入適當(dāng)?shù)墓饴?，以進行即插即用測量。此外，LED和光電二極管卡可以切換，來實現(xiàn)更大程度的自定義。

為了使用CN0503演示創(chuàng)建校準(zhǔn)曲線和測量未知成分，將顯示pH值、濁度和熒光的測量值。使用評估GUI進行測量，以創(chuàng)建校準(zhǔn)曲線。計算噪聲值和檢測限制(LOD)，以確定CN0503可以檢測的每個樣本的最低濃度。

圖2.CN0503評估板

利用吸光度測量pH值

吸光度是指根據(jù)在特定波長下光的吸收量來確定溶液中已知溶質(zhì)的濃度。根據(jù)比爾-朗伯吸收定律，濃度與吸光度成正比。許多無色分析物可以通過加入變色試劑來測定。本示例將演示測量pH值，從水質(zhì)檢測到廢水處理，pH值是許多行業(yè)中常見的測量參數(shù)之一。吸光度測量可用于許多其他參數(shù)，包括溶解氧/生物需氧量、硝酸鹽、氨和氯。

光學(xué)元件

測量吸光度的光路配置如圖3所示。使用CN0503可以在任何光路（1到4）進行吸光度測量。入射光束指向分束器，由參考光電二極管在分束器中對光束強度進行采樣。剩余的光功率直接穿過樣本。采樣光與參考光的比值消除了LED光源的變化和噪聲，同步脈沖和接收窗口可提供環(huán)境光抑制。

圖3.用于測量吸光度的光路

實驗設(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)品

圖4.使用CN0503進行pH值測量

在本實驗中，將顯色劑（溴百里酚藍）加入不同pH值的溶液中。再將溶液倒入比色皿中，在430nm和615nm兩種不同波長下進行測試，其中指示劑顯示了吸光的變化和pH。使用CN0503能輕松實施這種測量；可將兩種不同波長的LED卡插入光路2和光路3中。然后將比色皿支架移動到不同的路徑進行不同的測量。

結(jié)果

使用CN0503評估GUI，將兩條光路的測量結(jié)果輕松導(dǎo)出到Excel表中。得出的兩種不同波長的校準(zhǔn)曲線如圖5和圖6所示。

圖5.430nm下的pH吸光度校準(zhǔn)曲線

圖6.615nm下的pH吸光度校準(zhǔn)曲線

在每種情況下，繪出pH值與吸光度的關(guān)系圖，以創(chuàng)建校準(zhǔn)曲線。然后使用添加趨勢線選項來得到曲線的方程，通過這些方程來確定未知樣本的濃度。傳感器輸出是x變量，得到的y值是pH值。這項實驗可以手動完成，也可以使用CN0503來進行這項實驗。該固件采用兩個五階多項式INS1和INS2。將多項式保存之后，就可以選擇INS1或INS2模式，這樣會直接以所需的單位報告測量結(jié)果--在本例中是pH值。因此可以非常簡單快速地獲取未知樣本的結(jié)果。

為了獲取噪聲值，在每個波長選擇兩個不同的數(shù)據(jù)點：一個較低的pH值和一個較高的pH值。由于在這種情況下，曲線擬合不呈線性，所以使用了兩個點。對每個點重復(fù)實施測量會得出標(biāo)準(zhǔn)偏差，即表1中所示的噪聲值，該值描述了測量精度，排除了樣本制備期間的差異。

表1. pH測量噪聲值

LOD通常是通過測量低濃度的噪聲，并乘以3得到99.7%的置信區(qū)間來確定的。由于pH值為對數(shù)標(biāo)度，故選取pH值7作為檢測LOD的數(shù)值，如表2所示。

表2. pH測量檢測限值

測量濁度

液體樣本的濁度測量利用了液體中懸浮顆粒的光散射特性，即測量液體的相對透明度。散射光的數(shù)量和散射角度的不同取決于顆粒的大小、濃度和入射光的波長。很多行業(yè)都會進行濁度測量，包括水質(zhì)檢測和生命科學(xué)領(lǐng)域。除一般濁度外，還可以使用CN0503通過測量光密度來測定藻類的生長情況。

光學(xué)元件

圖7顯示了使用90°或180°檢測器進行濁度測量的光路。使用CN0503，因為需要使用90°檢測器只能在光路1或4進行濁度測量。當(dāng)然也可以使用多種測量配置和濁度標(biāo)準(zhǔn)。本示例演示了EPA Method 180.1的修改版本，使用比濁法濁度單位(NTU)進行校準(zhǔn)和報告。

圖7.濁度測量光路

實驗設(shè)備

?CN0503評估板

?EVAL-ADICUP3029評估板

?Hanna Instruments?濁度標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)裝置

本實驗采用光路4，插入530 nm LED板進行測試。

圖8.濁度校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)果

使用CN0503評估GUI，將測量結(jié)果導(dǎo)出到Excel表格中。得出的校準(zhǔn)曲線如圖9所示。

圖9.濁度校準(zhǔn)曲線

因為90°散射測量對高渾濁度的響應(yīng)較差，所以響應(yīng)曲線分為兩個部分。一部分代表低濁度（0 NTU ~ 100NTU），另一部分代表高濁度（100NTU ~ 750NTU）。然后對每個部分進行兩次線性擬合。即使現(xiàn)在有兩個方程值，仍然可以使用CN0503來快速顯示得出的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。注意，INS1和INS2是相互依賴的。第一個方程INS1的結(jié)果是第二個方程INS2的輸入變量。存儲方程值之后，INS1可用于測量低濁度樣本，INS2可用于測量高濁度樣本。

為了得出噪聲值，可選擇一個數(shù)據(jù)點來獲取重復(fù)測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差。標(biāo)準(zhǔn)偏差就是噪聲值。因為方程擬合呈線性，所以在范圍底部附近選取一個數(shù)據(jù)點。

表3.濁度測量噪聲值

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

表4.濁度測量檢測限值

用菠菜溶液測量熒光

當(dāng)光照射含有熒光分子的樣本時，電子會進入更高能量狀態(tài)，然后在發(fā)出更長波長的光之前失去一部分能量。熒光發(fā)射具有化學(xué)特異性，可用于確認介質(zhì)中特定分子的存在和數(shù)量。在本示例中，通過菠菜葉來演示熒光葉綠素。在許多應(yīng)用中，在生物測定、溶解氧、化學(xué)需氧量以及檢測牛奶巴氏滅菌法是否成功時常用到熒光測量。

光學(xué)元件

測量熒光的光路配置如圖10所示。使用CN0503，只能在光路1或4進行熒光測量，因為需要使用90°檢測器。通常，將熒光檢測器置于入射光90°的位置，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，容易受到干擾，因此采用參考檢測器和同步檢測方法來減少誤差源。

圖10.熒光測量光路

實驗設(shè)備

?CN0503評估板

?EVAL-ADICUP3029評估板

?菠菜溶液

在本實驗中，將菠菜葉和水混合，制成菠菜溶液。過濾之后，作為原液保存。然后將原液稀釋，得到菠菜溶液百分比含量不同的樣本。將它們作為標(biāo)準(zhǔn)，通過熒光繪制菠菜溶液的百分比曲線。使用光路1、365 nm LED卡和長通濾光片進行測量。

圖11.用菠菜制成的葉綠素樣本結(jié)果

菠菜百分比含量溶液的校準(zhǔn)曲線如圖12所示。

圖12.菠菜百分比含量溶液的校準(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。

為了得出噪聲值，可選擇兩個不同的數(shù)據(jù)點：一個靠近范圍底部，另一個靠近頂部，因為曲線擬合不呈線性。通過對每個點實施反復(fù)測量得出標(biāo)準(zhǔn)偏差，也就是噪聲，如表5所示。

表5.熒光測量噪聲值

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

表6.熒光測量檢測限值

結(jié)論

制作復(fù)雜光學(xué)液體分析測量的原型是一個挑戰(zhàn)，需要仔細考慮化學(xué)、光學(xué)和電子如何相互作用，以得出準(zhǔn)確的結(jié)果。集成式AFE產(chǎn)品（例如ADPD4101）為在更小的空間內(nèi)實現(xiàn)更高性能的光學(xué)液體檢測鋪平了道路。CN0503基于ADPD4101構(gòu)建，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)ξ舛?、色度、濁度和熒光等液體參數(shù)進行準(zhǔn)確的光學(xué)測量。

責(zé)任編輯：彭菁