全球時(shí)訊：干貨 | 光學(xué)液體分析原型制作平臺(tái)為實(shí)時(shí)高效水體監(jiān)測(cè)開辟新通路

作者：ADI應(yīng)用工程師Sydney Wells，ADI系統(tǒng)應(yīng)用工程師Scott Hunt

實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)境對(duì)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(rèn)問題，是快速解決問題，盡可能減少對(duì)生態(tài)系統(tǒng)影響的關(guān)鍵。這種無處不在的實(shí)時(shí)傳感應(yīng)用改變了對(duì)液體傳感器的需求，要求尺寸更小、更可靠、功耗更低，同時(shí)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(cè)智能平臺(tái)。對(duì)此需求，本文將介紹一種便攜式實(shí)時(shí)檢測(cè)解決方案和原型制作平臺(tái)，可快速實(shí)施液體檢測(cè)。

【資料圖】

一種常見的液體分析技術(shù)

監(jiān)測(cè)液體的方法有很多種，目的都是測(cè)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(píng)估液體，因?yàn)樗哂蟹墙槿胄?，可提供穩(wěn)定準(zhǔn)確的結(jié)果。這種精密光學(xué)液體測(cè)量需要跨電子、光學(xué)和化學(xué)多領(lǐng)域知識(shí)。一般實(shí)驗(yàn)室測(cè)量方法進(jìn)行分析時(shí)，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(cè)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(cè)量響應(yīng)結(jié)果相對(duì)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(cè)需求，必須進(jìn)行調(diào)整以適應(yīng)不同的分析物和測(cè)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(jì)和評(píng)估的復(fù)雜程度。

圖1.吸光度校準(zhǔn)曲線示例

用于實(shí)施快速液體測(cè)量的模塊化ADI解決方案

ADI公司的ADPD4101是一個(gè)光學(xué)模擬前端(AFE)，能夠驅(qū)動(dòng)LED，并同步接收和處理來自光電二極管的信號(hào)，以進(jìn)行高度精準(zhǔn)的光學(xué)測(cè)量。ADPD4101具有高度可配置性，具有高達(dá)100dB的高光學(xué)信噪比和由片上同步檢測(cè)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(jì)旨在使用ADPD4101快速制作液體分析測(cè)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(cè)量固件和應(yīng)用軟件，用于實(shí)施液體分析。CN0503直接連接至ADICUP3029板，用于管理測(cè)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(píng)估GUI中的結(jié)果。CN0503可以測(cè)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(gè)透鏡和分束器。將比色皿支架插入適當(dāng)?shù)墓饴罚赃M(jìn)行即插即用測(cè)量。此外，LED和光電二極管卡可以切換，來實(shí)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(cè)量未知成分，將顯示pH值、濁度和熒光的測(cè)量值。使用評(píng)估GUI進(jìn)行測(cè)量，以創(chuàng)建校準(zhǔn)曲線。計(jì)算噪聲值和檢測(cè)限制(LOD)，以確定CN0503可以檢測(cè)的每個(gè)樣本的最低濃度。

圖2.CN0503評(píng)估板

利用吸光度測(cè)量pH值

吸光度是指根據(jù)在特定波長(zhǎng)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(cè)定。本示例將演示測(cè)量pH值，從水質(zhì)檢測(cè)到廢水處理，pH值是許多行業(yè)中常見的測(cè)量參數(shù)之一。吸光度測(cè)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(cè)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(jìn)行吸光度測(cè)量。入射光束指向分束器，由參考光電二極管在分束器中對(duì)光束強(qiáng)度進(jìn)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(cè)量吸光度的光路

實(shí)驗(yàn)設(shè)備

?CN0503評(píng)估板

?EVAL-ADICUP3029評(píng)估板

?API pH測(cè)試和調(diào)節(jié)器套件

?pH標(biāo)準(zhǔn)品

圖4.使用CN0503進(jìn)行pH值測(cè)量

在本實(shí)驗(yàn)中，將顯色劑（溴百里酚藍(lán)）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(zhǎng)下進(jìn)行測(cè)試，其中指示劑顯示了吸光的變化和pH。使用CN0503能輕松實(shí)施這種測(cè)量；可將兩種不同波長(zhǎng)的LED卡插入光路2和光路3中。然后將比色皿支架移動(dòng)到不同的路徑進(jìn)行不同的測(cè)量。

結(jié)果

使用CN0503評(píng)估GUI，將兩條光路的測(cè)量結(jié)果輕松導(dǎo)出到Excel表中。得出的兩種不同波長(zhǎng)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(shì)線選項(xiàng)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(xiàng)實(shí)驗(yàn)可以手動(dòng)完成，也可以使用CN0503來進(jìn)行這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。該固件采用兩個(gè)五階多項(xiàng)式INS1和INS2。將多項(xiàng)式保存之后，就可以選擇INS1或INS2模式，這樣會(huì)直接以所需的單位報(bào)告測(cè)量結(jié)果--在本例中是pH值。因此可以非常簡(jiǎn)單快速地獲取未知樣本的結(jié)果。

為了獲取噪聲值，在每個(gè)波長(zhǎng)選擇兩個(gè)不同的數(shù)據(jù)點(diǎn)：一個(gè)較低的pH值和一個(gè)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(gè)點(diǎn)。對(duì)每個(gè)點(diǎn)重復(fù)實(shí)施測(cè)量會(huì)得出標(biāo)準(zhǔn)偏差，即表1中所示的噪聲值，該值描述了測(cè)量精度，排除了樣本制備期間的差異。

表1. pH測(cè)量噪聲值

LOD通常是通過測(cè)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(duì)數(shù)標(biāo)度，故選取pH值7作為檢測(cè)LOD的數(shù)值，如表2所示。

表2. pH測(cè)量檢測(cè)限值

測(cè)量濁度

液體樣本的濁度測(cè)量利用了液體中懸浮顆粒的光散射特性，即測(cè)量液體的相對(duì)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(zhǎng)。很多行業(yè)都會(huì)進(jìn)行濁度測(cè)量，包括水質(zhì)檢測(cè)和生命科學(xué)領(lǐng)域。除一般濁度外，還可以使用CN0503通過測(cè)量光密度來測(cè)定藻類的生長(zhǎng)情況。

光學(xué)元件

圖7顯示了使用90°或180°檢測(cè)器進(jìn)行濁度測(cè)量的光路。使用CN0503，因?yàn)樾枰褂?0°檢測(cè)器只能在光路1或4進(jìn)行濁度測(cè)量。當(dāng)然也可以使用多種測(cè)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(jìn)行校準(zhǔn)和報(bào)告。

圖7.濁度測(cè)量光路

實(shí)驗(yàn)設(shè)備

?CN0503評(píng)估板

?EVAL-ADICUP3029評(píng)估板

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

本實(shí)驗(yàn)采用光路4，插入530 nm LED板進(jìn)行測(cè)試。

圖8.濁度校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)果

使用CN0503評(píng)估GUI，將測(cè)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?yàn)?0°散射測(cè)量對(duì)高渾濁度的響應(yīng)較差，所以響應(yīng)曲線分為兩個(gè)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(duì)每個(gè)部分進(jìn)行兩次線性擬合。即使現(xiàn)在有兩個(gè)方程值，仍然可以使用CN0503來快速顯示得出的NTU值。這是因?yàn)槊總€(gè)光路都可以在INS1和INS2中存儲(chǔ)自己的方程值。注意，INS1和INS2是相互依賴的。第一個(gè)方程INS1的結(jié)果是第二個(gè)方程INS2的輸入變量。存儲(chǔ)方程值之后，INS1可用于測(cè)量低濁度樣本，INS2可用于測(cè)量高濁度樣本。

為了得出噪聲值，可選擇一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)來獲取重復(fù)測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差。標(biāo)準(zhǔn)偏差就是噪聲值。因?yàn)榉匠虜M合呈線性，所以在范圍底部附近選取一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

表3.濁度測(cè)量噪聲值

為了確定LOD，可測(cè)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(cè)量檢測(cè)限值

用菠菜溶液測(cè)量熒光

當(dāng)光照射含有熒光分子的樣本時(shí)，電子會(huì)進(jìn)入更高能量狀態(tài)，然后在發(fā)出更長(zhǎng)波長(zhǎng)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(rèn)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(cè)定、溶解氧、化學(xué)需氧量以及檢測(cè)牛奶巴氏滅菌法是否成功時(shí)常用到熒光測(cè)量。

光學(xué)元件

測(cè)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(jìn)行熒光測(cè)量，因?yàn)樾枰褂?0°檢測(cè)器。通常，將熒光檢測(cè)器置于入射光90°的位置，使用單色或長(zhǎng)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(cè)量，容易受到干擾，因此采用參考檢測(cè)器和同步檢測(cè)方法來減少誤差源。

圖10.熒光測(cè)量光路

實(shí)驗(yàn)設(shè)備

?CN0503評(píng)估板

?EVAL-ADICUP3029評(píng)估板

?菠菜溶液

在本實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)通濾光片進(jìn)行測(cè)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(chǔ)該校準(zhǔn)曲線的趨勢(shì)線方程，以便CN0503直接以百分比形式報(bào)告結(jié)果。

為了得出噪聲值，可選擇兩個(gè)不同的數(shù)據(jù)點(diǎn)：一個(gè)靠近范圍底部，另一個(gè)靠近頂部，因?yàn)榍€擬合不呈線性。通過對(duì)每個(gè)點(diǎn)實(shí)施反復(fù)測(cè)量得出標(biāo)準(zhǔn)偏差，也就是噪聲，如表5所示。

表5.熒光測(cè)量噪聲值

為了確定LOD，可測(cè)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(cè)量檢測(cè)限值

結(jié)論

制作復(fù)雜光學(xué)液體分析測(cè)量的原型是一個(gè)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(shí)現(xiàn)更高性能的光學(xué)液體檢測(cè)鋪平了道路。CN0503基于ADPD4101構(gòu)建，包括光學(xué)設(shè)計(jì)、固件和軟件，是一個(gè)易于使用且高度可定制的快速原型制作平臺(tái)，能夠?qū)ξ舛?、色度、濁度和熒光等液體參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的光學(xué)測(cè)量。

關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)在現(xiàn)代數(shù)字經(jīng)濟(jì)的中心發(fā)揮重要作用，憑借其種類豐富的模擬與混合信號(hào)、電源管理、RF、數(shù)字與傳感技術(shù)，將現(xiàn)實(shí)世界的現(xiàn)象轉(zhuǎn)化成有行動(dòng)意義的洞察。ADI服務(wù)于全球12.5萬家客戶，在工業(yè)、通信、汽車與消費(fèi)市場(chǎng)提供超過7.5萬種產(chǎn)品。ADI公司總部位于馬薩諸塞州威明頓市。更多信息請(qǐng)?jiān)L問：http://www.analog.com/cn。

關(guān)于作者

Sydney Wells目前正參與ADI公司的現(xiàn)場(chǎng)開發(fā)輪崗項(xiàng)目，接受現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師任職培訓(xùn)。她于2020年獲得康涅狄格大學(xué)電氣工程學(xué)士學(xué)位。此前曾從事過電源轉(zhuǎn)換器評(píng)估、制造自動(dòng)化和供應(yīng)商開發(fā)工程等工作。目前專注于研究電源和儀器儀表。

Scott Hunt是ADI公司儀器儀表市場(chǎng)部（美國(guó)馬薩諸塞州威明頓市）的一名系統(tǒng)應(yīng)用工程師，專門從事科學(xué)儀器儀表工作。Scott于2011年作為一名產(chǎn)品應(yīng)用工程師加入ADI公司，負(fù)責(zé)儀表放大器等高性能集成式精密放大器，后于2016年轉(zhuǎn)到儀器儀表部。他擁有倫斯勒理工學(xué)院電氣和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程學(xué)士學(xué)位。Scott榮獲ADI公司2015年杰出技術(shù)寫作獎(jiǎng)和2015年杰出計(jì)劃支持獎(jiǎng)。

關(guān)鍵詞： 校準(zhǔn)曲線 光電二極管 標(biāo)準(zhǔn)偏差 儀器儀表 置信區(qū)間