利用多模態(tài)傳感器前端，可實(shí)現(xiàn)無處不在的光學(xué)液體分析

來源：DigiKey
作者：Art Pini

隨著干旱和風(fēng)暴發(fā)生的次數(shù)越來越多，強(qiáng)度越來越大以及人口的持續(xù)增長，全球都在關(guān)注飲用水安全問題，因此液體分析變得至關(guān)重要。需要對水樣進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)時分析，以盡量減少污染及其對生態(tài)系統(tǒng)的影響。

對液體進(jìn)行實(shí)時檢測依賴所用儀器在各方面的改進(jìn)，包括更小的尺寸、更低的功耗、更高的精度、快速定制、更快的響應(yīng)時間和堅固耐用性；與此同時，還具有高質(zhì)量的檢測結(jié)果。

(資料圖片僅供參考)

光學(xué)儀器在這方面非常有用，因?yàn)槔眠@類儀器可進(jìn)行高精密無損測量，對濁度、總有機(jī)碳、總懸浮固體、溶解氧和是否存在離子污染物等進(jìn)行非接觸式檢測。然而，此類系統(tǒng)需要復(fù)雜的模擬前端 (AFE) 來驅(qū)動發(fā)光二極管 (LED)，同時在具有環(huán)境和系統(tǒng)噪聲的環(huán)境下對接收到的光進(jìn)行檢測和數(shù)字化。這類設(shè)計已超出了一般設(shè)計師的能力范圍。我們需要的是一種更精妙的現(xiàn)成解決方案。

本文簡要討論光學(xué)液體分析，然后介紹基于Analog Devices, Inc 多模態(tài)光學(xué)傳感器 AFE 的便攜式實(shí)時快速液體分析平臺。此外，還將介紹基于 AFE 的參考設(shè)計，該設(shè)計可提供多達(dá)四個模塊化光程托架。該參考設(shè)計可用于演示如何測量電位氫（pH 值）、濁度和熒光，以及如何繪制校準(zhǔn)曲線并測量未知量。

光學(xué)液體分析基礎(chǔ)知識

光學(xué)液體分析可用于測量液體樣本中的元素濃度。這種技術(shù)有許多優(yōu)點(diǎn)，具體包括無損、非接觸式檢測。此外，測量結(jié)果精度高、漂移小。

從概念上講，光學(xué)分析是將液體樣品暴露在如發(fā)光二極管 LED 等已知波長的光源下。光線穿過樣品并與之相互作用，然后經(jīng)光電二極管 (PD) 檢測。根據(jù)已知濃度樣品的響應(yīng)繪制 PD 的測量響應(yīng)值，從而形成一條校準(zhǔn)曲線，根據(jù)這條曲線即可確定未知值。

該過程描述了一般實(shí)驗(yàn)室中采用的分析測量值，它將精密光學(xué)液體測量與電子學(xué)、光學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域的成果組合在一起。要普及這種測試就必須縮小流程，因此增加了設(shè)計復(fù)雜性。

用于快速測量液體的模塊化解決方案

為了簡化儀器設(shè)計過程，Analog Devices 基于 ADPD4101BCBZR7 模擬光前端 (AFE) 創(chuàng)建了 EVAL-CN0503-ARZD 參考設(shè)計。ADPD4101BCBZR7 是一款完整的多模態(tài)傳感器前端，可驅(qū)動多達(dá)八個 LED 并測量多達(dá)八個獨(dú)立的返回電流輸入（圖 1）。AFE 可消除信號偏移和異步調(diào)制干擾造成的干擾，這種干擾通常來自環(huán)境光。AFE 具有高度可配置性，其光學(xué)信噪比 (SNR) 可高達(dá) 100 dB，且采用片上同步檢測方法，具有很高的環(huán)境光抑制能力，因此在許多情況下使用時無需光學(xué)暗箱。

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圖 1：ADPD4101BCBZR7 多模態(tài)傳感器 AFE 可驅(qū)動多達(dá)八個 LED 并測量多達(dá)八個獨(dú)立的返回輸入電流。（圖片來源：Analog Devices, Inc.）

使用 EVAL-CN0503-ARZD 參考設(shè)計，可快速進(jìn)行液體分析測量的原型開發(fā)，包括熒光、濁度、吸光度和比色法（圖 2）。該參考設(shè)計具有四個模塊化光學(xué)測試托架，提供直通光路，其中兩個托架包括正交 (90°) 散射光路。該參考設(shè)計還包括一個 3D 打印比色皿支架，可用于 10 mm 標(biāo)準(zhǔn)比色皿，并可將其放置在四個光路的任何一個光路中。該參考設(shè)計還提供了針對液體分析的測量固件和應(yīng)用軟件。

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圖 2：EVAL-CN0503-ARZD 包括一個 3D 打印比色皿支架，可用于 10 mm 標(biāo)準(zhǔn)比色皿，并可將其放置在包含測量光學(xué)器件的四個光路的任何一個光路中。（圖片來源：Analog Devices, Inc.）

EVAL-CN0503-ARZD 與 32 位 Arm? Cortex?-M3 微控制器板 EVAL-ADICUP3029 相連，后者用于處理測量操作和數(shù)據(jù)流。EVAL-ADICUP3029 板可直接與筆記本電腦連接，在圖形化用戶評估界面下顯示獲取的數(shù)據(jù)。

使用 EVAL-CN0503-ARZD 可對樣品進(jìn)行熒光、濁度、吸光度和比色等液體分析測量。比色皿支架上裝有光學(xué)器件，包括準(zhǔn)直透鏡和分光鏡。每個插槽都可容納一個參考光電二極管，并為即插即用測量提供相應(yīng)的光路。此外，每個托架中的 LED 卡和光電二極管卡都可以更換，以便進(jìn)一步定制。

為了便于演示，將使用 pH 值、濁度和熒光的測量值繪制校準(zhǔn)曲線，然后使用 EVAL-CN0503-ARZD 及其評估軟件測量未知值。此外，還將計算噪聲水平值和檢測限 (LOD)。這將確定 EVAL-CN0503-ARZD 在每個示例中可以檢測到的最低濃度。

吸光度測試示例

基于 Beer-Lambert 定律的吸光度測量，是根據(jù)特定波長的光被吸收的程度來確定液體溶液中已知溶質(zhì)的濃度。這是一種比色法。在本例中，吸光度用于測量 pH 值，這是水質(zhì)檢測中的一個常見參數(shù)。這類型測試也可用于分析應(yīng)用，包括溶解氧、生物需氧量、硝酸鹽、氨和氯。

可以使用 EVAL-CN0503-ARZD 上的四個光路中的任意一條光路（圖 3），通過直接或直通光路測量吸光度。

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圖 3：所示為使用 EVAL-CN0503-ARZD 進(jìn)行吸光度測量的光學(xué)裝置。EVAL-CN0503-ARZD 中的比色皿支架上安裝了光學(xué)器件，包括準(zhǔn)直透鏡和分光鏡。（圖片來源：Analog Devices, Inc.）

LED 在所需波長下發(fā)出入射光束。光路中的分光鏡將部分光線引向參考光電二極管，然后由二極管對光束強(qiáng)度進(jìn)行采樣。其余的光束則穿過樣品。通過計算發(fā)射光電二極管和參考光電二極管輸出的比值，可以消除 LED 光源的光強(qiáng)變化和噪聲。

ADPD4101BCBZR7 可抑制高達(dá) 60 dB 的來自恒定光源的環(huán)境光污染。這是通過同步調(diào)制方案實(shí)現(xiàn)的，該方案會調(diào)制 LED 電流并同步測量暗（關(guān)）狀態(tài)（環(huán)境光是唯一成分）和激發(fā)（開）狀態(tài)（環(huán)境光和 LED 成分同時存在）之間的差異。這種環(huán)境光抑制自動進(jìn)行，無需外部控制。

除了 EVAL-CN0503-ARDZ 外，本示例還需要上文提到的 EVAL-ADICUP3029。該器件使用 API pH 測試和調(diào)節(jié)器套件以及一套 pH 緩沖溶液樣本進(jìn)行校準(zhǔn)。

在配制好的不同 pH 值的溶液中加入 API 檢測試劑盒中的顯色劑（溴鏻藍(lán)），制備分析物。溴鏻藍(lán)在溶液中會分離成弱酸和共軛堿，前者對 430 nm 光有較高的吸收率，后者對 650 nm 光有較高的吸收率。

將溶液轉(zhuǎn)移到比色皿中，在這兩個不同的波長下測量 pH 值，且指示劑在這兩個波長下的吸收率隨 pH 值的變化而變化。在 EVAL-CN0503-ARDZ 中，將兩個不同波長的 LED 卡分別插入光路 2 和光路 3 后，可輕松實(shí)現(xiàn)這一功能。將比色皿支架移入兩個不同的光路中進(jìn)行測量。

在 EVAL-CN0503-ARDZ 評估軟件的圖形用戶界面下，將兩條光路的結(jié)果以 Excel 表格形式導(dǎo)出（圖 4）。

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圖 4：所示為使用 430 nm 光源（左）和 650 nm 光源（右）測試 pH 值的吸光度校準(zhǔn)曲線。（圖片來源：Analog Devices, Inc.）

在這兩種情況下，繪制 pH 值與吸光度的關(guān)系曲線，用于確定校準(zhǔn)曲線。Excel 中的趨勢線函數(shù)用于生成曲線方程。在這兩種情況下，擬合優(yōu)度估計值 R2 都接近 1.0，表明擬合質(zhì)量極佳。未知樣品的濃度可通過這些方程確定，傳感器輸出為 x 變量，得出的 y 值為 pH 值。EVAL-CN0503-ARDZ 評估軟件執(zhí)行兩個五階多項(xiàng)式 INS1 和 INS2。存保存多項(xiàng)式后，可選擇 INS1 或 INS2 模式，以便直接以所需單位（本例中為 pH）報告測量結(jié)果。這樣會簡化未知樣本的結(jié)果獲取過程。

測量值的噪音水平要求每個波長有兩個不同的數(shù)據(jù)點(diǎn)。一個應(yīng)是較低的 pH 值，另一個應(yīng)較高的 pH 值。由于曲線擬合不是線性，因此使用兩個值。所選的 pH 值為 6.1 和 7.5。對每個點(diǎn)進(jìn)行多次測量，根據(jù)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差得出每個 pH 值在每個波長下的均方根噪聲值 (RMS)。結(jié)果見表 1。

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表 1：所示為兩個波長下兩個 pH 值的 RMS 噪聲值。（表格來源：Analog Devices, Inc.）

請注意，這些數(shù)據(jù)不包括樣品制備造成的差異。

檢測限 (LOD) 決定了 EVAL-CN0503-ARDZ 可檢測到的最低濃度。通常情況下，通過測量低濃度水平的噪聲來確定 LOD 。為了達(dá)到 99.7% 的置信度，噪聲值應(yīng)乘以 3。鑒于 pH 值是一個對數(shù)刻度，因此以 pH 值為 7 來確定檢測限。這同樣是在波長為 430 nm 和 625 nm 的條件下進(jìn)行的。430 nm 波長下的檢測限 pH 值為 0.001099，615 nm 波長下的檢測限 pH 值為 0.001456。

濁度測試示例

濁度用來測量液體的相對透明度。該測量基于液體中懸浮顆粒的光散射特性。光散射的影響因素為懸浮顆粒的大小、濃度以及入射光波長。這些因素會影響散射光量和散射角。濁度測試適用于包括水質(zhì)、生命科學(xué)在內(nèi)的許多行業(yè)。該測試還可用于通過測量光密度來確定藻類的生長情況。

濁度檢測光路使用光電二極管，以 90? 或 180? 角檢測光線。在 EVAL-CN0503-ARDZ 中，濁度測試需要一個 90? 檢測器，1 號和 4 號測試托架都有這種檢測器。圖 5 所示為插入 530 nm LED 板作為光源的 4 號托架。

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圖 5：濁度測試的光路使用與光路成 90? 和 180? 角的光電探測器來檢測溶液中顆粒的散射光。（圖片來源：Analog Devices, Inc.）

本示例演示了 EPA 方法 180.1《用濁度測定法測試濁度》的修改版，并以比濁法濁度單位 (NTU) 進(jìn)行校準(zhǔn)、報告。

用于濁度測試的設(shè)備包括 EVAL-CN0503-ARDZ 和 EVAL-ADICUP3029 評估板，以及 Hanna Instruments 的濁度標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)裝置。濁度校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了超純水中特定尺寸的微珠。這些溶液用于校準(zhǔn)、驗(yàn)證濁度測量結(jié)果。

使用 EVAL-CN0503-ARDZ 軟件的圖形化用戶評估界面 (GUI)，將測量結(jié)果導(dǎo)出至 Excel 表格中，并該表格中生成濁度校準(zhǔn)曲線（圖 6）。

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圖 6：這些校準(zhǔn)曲線基于濁度測試結(jié)果。線性曲線擬合表明，線性模型的擬合估計值 (R2) 非常好。（圖片來源：Analog Devices, Inc.）

請注意，圖 6 中的橫坐標(biāo)的相對比值 (RRAT) 參考基線值或絕對比率值，而基線值或絕對比率值基于已知的空比色皿測量值設(shè)置，或基于入射光與反射光之比接近 1 的蒸餾水測量值設(shè)置。這一過程用于消除分光鏡、透鏡和濾光片等光學(xué)玻璃元件在測量過程中引入的微小因素。該值用作連續(xù)測量的參考值。

由于 90° 散射測量對高濁度的響應(yīng)較弱，因此將響應(yīng)曲線分為兩段，第一段代表較低濁度（0 NTU 至 100 NTU），另一段代表較高濁度（100 NTU 至 750 NTU）。然后，對每段進(jìn)行兩次線性擬合。盡管現(xiàn)在有兩個等式值，但 EVAL-CN0503-ARDZ 仍可用于快速顯示使用內(nèi)置 INS1 或 INS2 多項(xiàng)式擬合得出的 NTU 結(jié)果。

噪聲值則是根據(jù)重復(fù)測量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差確定的。由于是線性擬合，因此只使用了靠近量程底部的一個噪聲點(diǎn)（12 NTU）。經(jīng)測量，噪音水平為 0.282474 NTU。

LOD 是根據(jù)低濃度或空白樣品的噪聲值確定的。同樣，噪聲值乘以 3 表示 99.7% 的置信區(qū)間。對于空白樣品白樣品的濃度，LOD 為 0.69204 NTU。

熒光測試示例

熒光是某些材料的電子受光束激發(fā)后，發(fā)射另一種波長的光的結(jié)果。發(fā)射光的強(qiáng)度與光敏材料的濃度成正比。測量溶液中的濃度時，熒光測量法通常要比吸光度測量法靈敏得多。熒光發(fā)射可用于識別是否存在特定分子并確定其數(shù)量，因?yàn)樗鼈兙哂谢瘜W(xué)特異性。熒光測量的線性范圍更廣。熒光測量的應(yīng)用包括生物化驗(yàn)、溶解氧、化學(xué)需氧量以及檢測牛奶的巴氏殺菌是否成功。

一般來說，測量熒光發(fā)射時使用一個與入射光線成 90° 角的光電探測器，以盡量減少入射光線對測量值的影響。使用參考檢測器測量入射光，以盡量減少干擾測量的因素。具體干擾因素包括光源失真、外部照明和樣品輕微移動。此外，熒光檢測器還使用了光學(xué)單色或長通濾光器，以提高入射光和發(fā)射光的分離度（圖 7）。

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圖 7：熒光測量光路。熒光光電二極管與入射光路成 90° 角。熒光濾光片可使源 LED 發(fā)生波長衰減。（圖片來源：Analog Devices, Inc.）

同樣，用于熒光測試的設(shè)備包括 EVAL-CN0503-ARDZ 和 EVAL-ADICUP3029 板。

在本例中，菠菜葉用來展示葉綠素?zé)晒狻２げ巳芤河蓪⒉げ巳~與水混合制成。過濾后，將其用作儲備溶液。通過稀釋菠菜原液，產(chǎn)生不同比例的菠菜溶液，并以此為標(biāo)準(zhǔn)繪制校準(zhǔn)曲線。由于需要正交檢測器，因此使用了 EVAL-CN0503-ARDZ 中的 1 號光托架。光源是波長為 365 nm 的發(fā)光二極管，并插入了一個長通濾光器。

在本例中，測試了七種不同比例的菠菜溶液，并繪制出葉綠素校準(zhǔn)曲線（圖 8）。

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圖 8：菠菜百分含量溶液的校準(zhǔn)曲線，包括趨勢線方程。（圖片來源：Analog Devices, Inc.）

不同于之前的示例，可以保存葉綠素校準(zhǔn)曲線的趨勢線方程，從而通過 EVAL-CN0503-ARDZ 就可以直接以百分比的形式報告結(jié)果。

由于校準(zhǔn)曲線的非線特征，因此使用 7.5% 和 20% 兩個數(shù)據(jù)點(diǎn)來測量噪聲。對每個樣本進(jìn)行多次測試后得出的標(biāo)準(zhǔn)偏差為：7.5% 樣本的菠菜噪聲 RMS 值為 0.0616%，20% 樣本的菠菜 RMS 噪聲值為 0.1159%。

使用空白或低濃度樣品測定 LOD。同樣，將樣本的噪聲 RMS 測量值乘以 3，表示 99.7% 的置信水平，得出菠菜的 LOD 為 0.1621% 。

結(jié)束語

創(chuàng)建便攜式光學(xué)液體分析測量系統(tǒng)需要大量的化學(xué)、光學(xué)和電子學(xué)領(lǐng)域的交叉知識，然后才能以構(gòu)建一款精密、準(zhǔn)確、易用的設(shè)備。為了設(shè)計出高精密度、準(zhǔn)確的產(chǎn)品，設(shè)計人員可以使用 ADPD4101BCBZR7 光學(xué) AFE，然后再去自行設(shè)計復(fù)雜的信號鏈。EVAL-CN0503-ARDZ 參考設(shè)計支持 AFE，有助于用戶啟動設(shè)計。ADPD4101BCBZR7 是在 ADPD4101BCBZR7 的基礎(chǔ)上增加了光學(xué)元件、固件和軟件，使其成為一個易于使用、適應(yīng)性強(qiáng)的原型開發(fā)平臺，它能夠?qū)ξ舛取⒈壬ā岫群蜔晒庖后w參數(shù)進(jìn)行精確的光學(xué)測量。