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作者：ADI應用工程師Sydney Wells，ADI系統應用工程師Scott Hunt 實(shí)時(shí)監控環(huán)境對于改善全球可持續發(fā)展至關(guān)重要。能夠快速分析樣本，并確認問(wèn)題，是快速解決問(wèn)題，盡可能減少對生態(tài)系統影響的關(guān)鍵。這種無(wú)處不在的實(shí)時(shí)傳感應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(shí)可提供高質(zhì)量結果。隨著(zhù)行業(yè)不斷發(fā)展，人們急需能夠滿(mǎn)足從環(huán)境水域到過(guò)程控制等各種應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(shí)時(shí)檢測解決方案和原型制作平臺，可快速實(shí)施液體檢測。 一種常見(jiàn)的液體分析技術(shù) 監測液體的方法有很多種，目的都是測量樣品中未知參數的濃度，如pH、熒光或濁度。一種常見(jiàn)的方法是通過(guò)光學(xué)技術(shù)評估液體，因為它具有非介入性，可提供穩定準確的結果。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(shí)驗室測量方法進(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。將測得的響應結果繪制出來(lái)，與一組已知濃度的標準樣品的測量響應結果相對照，生成校準曲線(xiàn)。利用校準曲線(xiàn)，可以確定液體內未知值。而為了滿(mǎn)足更廣泛的檢測需求，必須進(jìn)行調整以適應不同的分析物和測量技術(shù)，以及適合小尺寸應用，所有這些因素都增加了設計和評估的復雜程度。 
圖1.吸光度校準曲線(xiàn)示例 用于實(shí)施快速液體測量的模塊化ADI解決方案 ADI公司的ADPD4101是一個(gè)光學(xué)模擬前端(AFE)，能夠驅動(dòng)LED，并同步接收和處理來(lái)自光電二極管的信號，以進(jìn)行高度精準的光學(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，用于管理測量例程和數據流。ADICUP3029板可以直接連接至筆記本電腦，以查看評估GUI中的結果。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(gè)透鏡和分束器。將比色皿支架插入適當的光路，以進(jìn)行即插即用測量。此外，LED和光電二極管卡可以切換，來(lái)實(shí)現更大程度的自定義。 為了使用CN0503演示創(chuàng )建校準曲線(xiàn)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(jìn)行測量，以創(chuàng )建校準曲線(xiàn)。計算噪聲值和檢測限制(LOD)，以確定CN0503可以檢測的每個(gè)樣本的最低濃度。
圖2.CN0503評估板 利用吸光度測量pH值 吸光度是指根據在特定波長(cháng)下光的吸收量來(lái)確定溶液中已知溶質(zhì)的濃度。根據比爾-朗伯吸收定律，濃度與吸光度成正比。許多無(wú)色分析物可以通過(guò)加入變色試劑來(lái)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(jiàn)的測量參數之一。吸光度測量可用于許多其他參數，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(jìn)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(jìn)行采樣。剩余的光功率直接穿過(guò)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(shí)驗設備 ► CN0503評估板 ► EVAL-ADICUP3029評估板 ► API pH測試和調節器套件 ► pH標準品
圖4.使用CN0503進(jìn)行pH值測量 在本實(shí)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(cháng)下進(jìn)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(shí)施這種測量；可將兩種不同波長(cháng)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)行不同的測量。 結果 使用CN0503評估GUI，將兩條光路的測量結果輕松導出到Excel表中。得出的兩種不同波長(cháng)的校準曲線(xiàn)如圖5和圖6所示。
圖5.430nm下的pH吸光度校準曲線(xiàn)
圖6.615nm下的pH吸光度校準曲線(xiàn) 在每種情況下，繪出pH值與吸光度的關(guān)系圖，以創(chuàng )建校準曲線(xiàn)。然后使用添加趨勢線(xiàn)選項來(lái)得到曲線(xiàn)的方程，通過(guò)這些方程來(lái)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(shí)驗可以手動(dòng)完成，也可以使用CN0503來(lái)進(jìn)行這項實(shí)驗。該固件采用兩個(gè)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(huì )直接以所需的單位報告測量結果--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果。 為了獲取噪聲值，在每個(gè)波長(cháng)選擇兩個(gè)不同的數據點(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(xiàn)擬合不呈線(xiàn)性，所以使用了兩個(gè)點(diǎn)。對每個(gè)點(diǎn)重復實(shí)施測量會(huì )得出標準偏差，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(guò)測量低濃度的噪聲，并乘以3得到99.7%的置信區間來(lái)確定的。由于pH值為對數標度，故選取pH值7作為檢測LOD的數值，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(cháng)。很多行業(yè)都會(huì )進(jìn)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(guò)測量光密度來(lái)測定藻類(lèi)的生長(cháng)情況。 光學(xué)元件 圖7顯示了使用90°或180°檢測器進(jìn)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(jìn)行濁度測量。當然也可以使用多種測量配置和濁度標準。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)行校準和報告。
圖7.濁度測量光路 實(shí)驗設備 ► CN0503評估板 ► EVAL-ADICUP3029評估板 ► Hanna Instruments®濁度標準校準裝置 本實(shí)驗采用光路4，插入530 nm LED板進(jìn)行測試。
圖8.濁度校準標準 結果 使用CN0503評估GUI，將測量結果導出到Excel表格中。得出的校準曲線(xiàn)如圖9所示。
圖9.濁度校準曲線(xiàn) 因為90°散射測量對高渾濁度的響應較差，所以響應曲線(xiàn)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）。然后對每個(gè)部分進(jìn)行兩次線(xiàn)性擬合。即使現在有兩個(gè)方程值，仍然可以使用CN0503來(lái)快速顯示得出的NTU值。這是因為每個(gè)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(lài)的。第一個(gè)方程INS1的結果是第二個(gè)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(gè)數據點(diǎn)來(lái)獲取重復測量的標準偏差。標準偏差就是噪聲值。因為方程擬合呈線(xiàn)性，所以在范圍底部附近選取一個(gè)數據點(diǎn)。 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%的置信區間。 表4.濁度測量檢測限值
用菠菜溶液測量熒光 當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(cháng)波長(cháng)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量。在本示例中，通過(guò)菠菜葉來(lái)演示熒光葉綠素。在許多應用中，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(shí)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(jìn)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(cháng)通濾光片來(lái)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(lái)減少誤差源。
圖10.熒光測量光路 實(shí)驗設備 ► CN0503評估板 ► EVAL-ADICUP3029評估板 ► 菠菜溶液 在本實(shí)驗中，將菠菜葉和水混合，制成菠菜溶液。過(guò)濾之后，作為原液保存。然后將原液稀釋?zhuān)玫讲げ巳芤喊俜直群坎煌臉颖�。將它們作為標準，通過(guò)熒光繪制菠菜溶液的百分比曲線(xiàn)。使用光路1、365 nm LED卡和長(cháng)通濾光片進(jìn)行測量。
圖11.用菠菜制成的葉綠素樣本 結果 菠菜百分比含量溶液的校準曲線(xiàn)如圖12所示。
圖12.菠菜百分比含量溶液的校準曲線(xiàn) 可以存儲該校準曲線(xiàn)的趨勢線(xiàn)方程，以便CN0503直接以百分比形式報告結果。 為了得出噪聲值，可選擇兩個(gè)不同的數據點(diǎn)：一個(gè)靠近范圍底部，另一個(gè)靠近頂部，因為曲線(xiàn)擬合不呈線(xiàn)性。通過(guò)對每個(gè)點(diǎn)實(shí)施反復測量得出標準偏差，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%的置信區間。 表6.熒光測量檢測限值
結論 制作復雜光學(xué)液體分析測量的原型是一個(gè)挑戰，需要仔細考慮化學(xué)、光學(xué)和電子如何相互作用，以得出準確的結果。集成式AFE產(chǎn)品（例如ADPD4101）為在更小的空間內實(shí)現更高性能的光學(xué)液體檢測鋪平了道路。CN0503基于A(yíng)DPD4101構建，包括光學(xué)設計、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，能夠對吸光度、色度、濁度和熒光等液體參數進(jìn)行準確的光學(xué)測量。 關(guān)于作者 Sydney Wells目前正參與ADI公司的現場(chǎng)開(kāi)發(fā)輪崗項目，接受現場(chǎng)應用工程師任職培訓。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(guò)電源轉換器評估、制造自動(dòng)化和供應商開(kāi)發(fā)工程等工作。目前專(zhuān)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（美國馬薩諸塞州威明頓市）的一名系統應用工程師，專(zhuān)門(mén)從事科學(xué)儀器儀表工作。Scott于2011年作為一名產(chǎn)品應用工程師加入ADI公司，負責儀表放大器等高性能集成式精密放大器，后于2016年轉到儀器儀表部。他擁有倫斯勒理工學(xué)院電氣和計算機系統工程學(xué)士學(xué)位。Scott榮獲ADI公司2015年杰出技術(shù)寫(xiě)作獎和2015年杰出計劃支持獎。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
