Gör optisk vätskeanalys tillgänglig överallt med hjälp av en multimodal sensor för analog front-end

I och med den globala oron för dricksvattenförsörjningen på grund av torka, stormars intensitet och frekvens samt den växande befolkningen har analys av vätskor fått en avgörande betydelse. Analyser av vattenprover i realtid och på plats krävs för att minimera föroreningar och dess påverkan på ekosystemet.

Avkänning av vätskor i realtid kräver en utrustningsutveckling som omfattar mindre format, lägre strömförbrukning, förbättrad noggrannhet, snabb anpassning, snabbare svarstider och robusthet, samtidigt som resultaten är av hög kvalitet.

Utrustning baserad på optik är användbart här eftersom de kan göra icke förstörande mätningar med hög precision, tillhandahålla beröringsfri mätningsavkänning av t.ex. turbiditet, summan av organiskt kol, summan suspenderade fasta ämnen, upplöst syre och förekomsten av joniska föroreningar. Systemen kräver dock en avancerad analog front-end (AFE) för att driva lysdioder (LED) samtidigt som det mottagna ljuset känns av och digitaliseras mot bakgrund av både omgivande brus och systemets brus. Sådana konstruktionsmöjligheter ligger utanför den typiska konstruktörens kompetensområde. Det som behövs är en mer förfinad, standardiserad lösning.

Artikeln diskuterar kortfattat optisk vätskeanalys innan en bärbar realtidsplattform för snabb vätskeanalys baserad på en multimodal optisk sensor för analog front-end från Analog Devices, Inc. introduceras. Även en referenskonstruktion baserad på en analog front-end som tillhandahåller upp till fyra modulära optiska banor visas. Referenskonstruktionen används för att visa hur man gör mätningar av pH, turbiditet och fluorescens samt skapar kalibreringskurvor och mäter okända parametrar.

Grunder för optisk vätskeanalys

Optisk vätskeanalys kan användas för att mäta koncentrationen av beståndsdelar i ett vätskeprov. Tekniken har många fördelar, bland annat att den är icke-destruktiv och att den använder beröringsfri avkänning. Resultaten har dessutom hög precision och med låg avdrift.

Idén med optisk analys är att exponera vätskeprovet för en ljuskälla, t.ex. en lysdiod, med en känd optisk våglängd. Ljuset passerar genom provet, interagerar med det och känna av av med en fotodiod (PD). Det uppmätta resultatet från fotodioden plottas i diagram mot resultatet från prover med kända koncentrationer, som i sin tur skapar en kalibreringskurva mot vilken det okända värdet kan fastställas.

Processen beskriver de analytiska mätningar som skulle användas i ett allmänt laboratorium där optiska precisionsmätningar av vätskor kombinerar resultat från olika områden inom elektronik, optik och kemi. För att göra denna typ av testning allmänt tillgänglig måste processerna skalas ned till ett litet format vilket ökar konstruktionens komplexitet.

En modulär lösning för snabb mätning av vätska

För att förenkla konstruktionsprocessen för utrustningen har Analog Devices skapat referenskonstruktionen EVAL-CN0503-ARDZ som är baserad på ADPD4101BCBZR7, analog front-end (AFE) med optik. ADPD4101BCBZR7 är en komplett multimodal sensor för front-end som kan driva upp till åtta lysdioder och mäta upp till åtta separata ingångar för returström (figur 1). Analog front-end avvisar signalförskjutningar och störningar från asynkront modulerade störningar som vanligtvis kommer från omgivande ljus. Analog front-end är mycket anpassningsbar och har ett optiskt signal-brusförhållande (SNR) på upp till 100 dB, med kraftig reducering av omgivningsljus tack vare synkrona detekteringsmetoder på kretsen, vilket gör att den i många fall kan användas utan en optiskt mörk kapsling.

Figur 1: ADPD4101BCBZR7, en multimodal sensor för analog front-end, kan driva upp till åtta lysdioder och mäta upp till åtta separata ingångar för returström. (Bildkälla: Analog Devices, Inc.)

Referenskonstruktionen EVAL-CN0503-ARDZ möjliggör snabb framställning av prototyper för vätskeanalysmätningar, inklusive fluorescens, turbiditet, absorption och kolorimetri (figur 2). Den har fyra modulära optiska testfält som tillhandahåller optiska banor för genomströmning, och två fält har vinkelräta (90°) spridningsbanor. En tredimensionellt utskriven kyvetthållare för standardkyvetter på 10 mm ingår och kan placeras i vilken som helst av de fyra optiska banorna. Referenskonstruktionen innehåller även firmware för mätning och tillämpningsprogram för vätskeanalys.

Figur 2: EVAL-CN0503-ARDZ innehåller en tredimensionellt utskriven kyvetthållare för standardkyvetter på 10 mm som kan placeras i någon av de fyra optiska banorna som innehåller mätoptiken. (Bildkälla: Analog Devices, Inc.)

EVAL-CN0503-ARDZ ansluts till microcontroller-kortet EVAL-ADICUP3029 med en 32-bitars Arm® Cortex®-M3 som hanterar mätning och dataflöde. Kortet EVAL-ADICUP3029 ansluts direkt till en bärbar dator för att visa insamlad data i det grafiska användargränssnittet för utvärdering.

EVAL-CN0503-ARDZ kan mäta fluorescens, turbiditet, absorption och kolorimetri i ett prov med hjälp av vätskeanalys. Kyvetthållaren innehåller optiken, inklusive en kollimatorlins och en stråldelare. Respektive fack rymmer en referensfotodiod och tillhandahåller en lämplig optisk bana för plug-and-play-mätning. Dessutom kan korten med lys- och fotodioder bytas ut för respektive fält för ytterligare kundanpassning.

Som referens kommer mätningar för pH, turbiditet och fluorescens användas för att skapa kalibreringskurvor och därefter mäta okända parametrar med EVAL-CN0503-ARDZ och tillhörande utvärderingsprogram. Utöver detta beräknas värdet för brusnivån och detektionsgränsen (LOD). Detta kommer att bestämma den lägsta koncentration som i varje exempel kan detekteras av EVAL-CN0503-ARDZ.

Exempel på absorptionstester

Mätningar av absorption baserade på Beer-Lamberts lag innebär att man konstaterar koncentrationen av ett känt upplöst ämne i en flytande lösning baserat på hur mycket ljus som absorberas vid en specifik våglängd. Detta är en form av kolorimetri. I exemplet används absorption för att mäta pH, en vanlig parameter vid testning av vattenkvalitet. Denna typ av test är även användbar vid analystillämpningar, inklusive upplöst syre, biologiskt syrebehov, nitrater, ammoniak och klor.

Absorptionsmätningar, med en optisk bana som är direkt eller genomgående, kan göras med någon av de fyra optiska banorna på EVAL-CN0503-ARDZ (figur 3).

Figur 3: Här visas en optisk absorptionsmätning i en installation med EVAL-CN0503-ARDZ. Kyvetthållaren i EVAL-CN0503-ARDZ innehåller optiken inklusive en kollimatorlins och en stråldelare. (Bildkälla: Analog Devices, Inc.)

En lysdiod med önskad våglängd genererar den infallande strålen. En stråldelare i den optiska vägen leder en del av ljuset till en referensfotodiod som mäter strålens intensitet. Resten av den optiska strålen riktas genom provet. Variationer i ljusintensitet och brus från lysdiodkällan elimineras genom att ta förhållandet mellan sändarutgångarna och referensfotodioderna.

ADPD4101BCBZR7 motverkar kontaminering av konstant omgivande ljuskällor med upp till så mycket som 60 dB. Detta görs med hjälp av ett synkront modulationsschema som modulerar strömmen till lysdioden och synkront mäter skillnaden mellan det mörka (släckta) tillståndet (där omgivningsljuset är den enda komponenten) och det ljusa (tända) tillståndet (där både omgivningsljuset och lysdiodskomponenten förekommer). Avskärmningen av omgivningsljus sker automatiskt, inga externa styrningar krävs.

Förutom EVAL-CN0503-ARDZ kräver detta exempel den EVAL-ADICUP3029 som nämndes tidigare. Den använder en test- och justeringssats för pH från API och en uppsättning buffertlösningar för pH-kalibrering.

Analysen förbereddes genom att tillsätta en färgindikator (bromtymolblått) ur testsatsen från API till de förberedda lösningarna med olika pH-värden. Bromtymolblått, i lösning, separeras vid 430 nm till en svag syra med hög ljusabsorption och en konjugerad bas med hög ljusabsorption vid 650 nm.

Lösningarna fördes över till kyvetter och pH-mätningen gjordes vid dessa två olika våglängder där indikatorn visar förändringar i absorptionen som en funktion av pH. Detta kan enkelt skapas med EVAL-CN0503-ARDZ med hjälp av två lysdiodskort med olika våglängder som infogas i den optiska banan 2 och 3. Kyvetthållaren flyttas till de två olika banorna för mätning.

Resultat från de båda optiska banorna exporterades till Excel med hjälp av det grafiska användargränssnittet för utvärderingsprogrammet EVAL-CN0503-ARDZ (figur 4).

Figur 4: Här visas kalibreringskurvor med absorption och pH för tester med ljuskällor på 430 nm (vänster) och 650 nm (höger). (Bildkälla: Analog Devices, Inc.)

I båda fallen plottades pH mot absorption för att skapa kalibreringskurvan. En funktion för trendlinje användes i Excel för att generera en ekvation för kurvan. Uppskattning av passform, R², är nära 1,0 i båda fallen, vilket visar att passformen är av utmärkt kvalitet. Koncentrationer av okända prover kan bestämmas utifrån ekvationer med sensorns utgång som x-variabel och det resulterande y-värdet är pH-värdet. Utvärderingsprogrammet EVAL-CN0503-ARDZ implementerar två polynom av femte ordningen, INS1 och INS2. När polynom har lagrats kan läge INS1 eller INS2 väljas så att mätresultaten omedelbart rapporteras till önskad enhet, i detta fall pH. Det gör det enklare att få ett resultat för ett okänt prov.

Mätningens brusnivå kräver två olika datapunkter för respektive våglängd. Den ena ska ha ett lägre pH-värde och den andra ska ha ett högre pH-värde. Två värden används eftersom kurvan inte är linjär. De pH-värden som valdes var 6,1 och 7,5. Flera mätningar av varje punkt gjordes och standardavvikelsen för data ger RMS (effektivärde) för brusvärdet vid respektive våglängd för varje pH-värde. Resultaten visas i tabell 1.

Tabell 1: Visar RMS-brusvärden för två pH-värden vid två våglängder. (Tabellkälla: Analog Devices, Inc.)

Observera att dessa uppgifter inte omfattar variationer som beror på provberedning.

Detektionsgränsen (LOD) anger den lägsta koncentration som sannolikt kan detekteras av EVAL-CN0503-ARDZ. Detektionsgränsen bestäms vanligtvis genom att mäta brus vid låga koncentrationsnivåer. För att uppnå en trovärdighetsnivå på 99,7 % multipliceras brusvärdet med tre. Eftersom pH är en logaritmisk skala bestämdes detektionsgränsen för pH till 7. Detta gjordes återigen för våglängderna 430 nm och 625 nm. Detektionsgränsen vid 430 nm gav ett pH-värde på 0,001099 och detektionsgränsen vid 615 nm gav ett pH-värde på 0,001456.

Exempel på test av turbiditet

Turbiditet mäter den relativa klarheten hos en vätska. Mätningen baseras på ljusspridningens egenskaper för partiklar som är suspenderade i vätskan. Ljusspridningen påverkas av de suspenderade partiklarnas storlek och koncentration samt det infallande ljusets våglängd. Mängden ljus som sprids och spridningsvinkeln påverkas av dessa faktorer. Test av turbiditet genomförs inom många branscher, inklusive vattenkvalitet och biologisk vetenskap. Det kan även användas för att bestämma algtillväxten genom att mäta optisk densitet.

Den optiska banan för turbiditetstestning använder fotodioder som är placerade i vinklar om 90˚ eller 180˚ för att detektera ljus. I EVAL-CN0503-ARDZ behöver turbiditetstestet en detektor på 90˚, vilket finns tillgängligt i testfält 1 och 4. Optiskt fält 4, med ett lysdiodskort på 530 nm monterat som källa, visas i figur 5.

Figur 5: Den optiska banan för ett turbiditetstest använder fotodetektorer placerade i 90˚ och 180˚ från ljusbanan för att detektera ljus som sprids av partiklar i lösningen. (Bildkälla: Analog Devices, Inc.)

Exemplet visar en modifierad version av EPA-metod 180.1, "Determination of turbidity by Nephelometry", kalibrerad och rapporterad i nefelometriska turbiditetsenheter (NTU).

Utrustningen som används för turbiditetstestning omfattar utvärderingskorten EVAL-CN0503-ARDZ och EVAL-ADICUP3029, samt kalibreringsuppsättningen för standardturbiditet från Hanna Instruments. Kalibreringsstandarden för turbiditet innehåller mikrokulor av specificerade storlekar i mycket rent vatten. Lösningarna används för att kalibrera och validera turbiditetsmätningar.

Med hjälp av ett grafiskt användargränssnitt (GUI) för utvärdering av programmet EVAL-CN0503-ARDZ exporterades mätresultat till Excel, där en kalibreringskurva för turbiditet skapades (figur 6).

Figur 6: Kalibreringskurvorna baseras på resultat från turbiditetstester. Den linjära kurvans passform visar att de linjära modellerna har utmärkta uppskattningar av passform (R²). (Bildkälla: Analog Devices, Inc.)

Observera att i figur 6 refererar RRAT (relative ratio) på x-koordinaten till baslinjen eller till absoluta kvotvärden baserade på en känd mätuppställning med en tom kyvett, eller med destillerat vatten där förhållandet mellan infallande och reflekterat ljus är nästan 1. Processen används för att avlägsna små faktorer som introducerades i mätningen av optiska glaselement, t.ex. stråldelare, lins och filter. Värdet används som referens för efterföljande mätningar.

Eftersom en spridningsmätning på 90° ger sämre respons vid hög turbiditet delades svarskurvan upp i två sektioner, där den första delen representerar lägre turbiditet (0 NTU till 100 NTU) och den andra delen representerar högre turbiditet (100 NTU till 750 NTU). Två linjära anpassningar gjordes sedan för varje del. Även om det nu finns två ekvationsvärden kan EVAL-CN0503-ARDZ fortfarande användas för att snabbt visa resulterande NTU-värden med de inbyggda polyoma anpassningarna för INS1 och INS2.

Brusvärdet konstaterades genom att ta standardavvikelsen för upprepade mätningar. På grund av den linjära anpassningen användes endast en bruspunkt nära intervallets nedre gräns (12 NTU). Brusnivån uppmättes till 0,282474 NTU.

Detektionsgränsen fastställdes genom att ta brusvärdet för ett prov med låg eller blank koncentration. Återigen multiplicerades brusvärdet med tre för att representera ett trovärdighetsintervall på 99,7 %. För ett prov med tom koncentration, var detektionsgränsen 0,69204 NTU.

Exempel på test av fluroescens

Fluorescens är resultatet av att elektroner i vissa material exciteras av en ljusstråle, vilket får dem att avge ljus vid en annan våglängd. Den avgivna ljusintensiteten är proportionell mot koncentrationen av det ljuskänsliga materialet. Fluorometri är generellt mycket känsligare att använda vid mätningar av koncentration av material i lösningen jämfört med absorptionsmätningar. Fluorescensemissioner kan användas för att identifiera förekomst och mängden specifika molekyler eftersom de är kemiskt specifika. Fluorescensmätningar är linjära över ett större intervall av koncentrationer. Fluorescensmätningar används bland annat för biologiska analyser, upplöst syre, kemisk syrebehov och för att känna av lyckad pastörisering av mjölk.

I allmänhet mäts fluorescensemissioner med en fotodetektor som är placerad 90° från det infallande ljuset för att minimera dess inverkan på mätningen. En referensdetektor som mäter det infallande ljuset används för att minimera faktorer som stör mätningen. Faktorerna inkluderar förvrängningar från ljuskällan, extern belysning och små rörelser i provet. Dessutom används ett optiskt monokromatiskt filter, eller ett långpassfilter, tillsammans med fluorescensdetektorn för att öka separationen mellan det infallande och det utsända ljuset (figur 7).

Figur 7: Den optiska banan vid fluorescensmätning. Fotodioden för fluorescens är placerad i rät vinkel, 90°, mot det infallande ljuset. Ett fluorescensfilter dämpar våglängden för lysdiodskällan. (Bildkälla: Analog Devices, Inc.)

Den utrustning som används för fluorescenstester omfattar korten EVAL-CN0503-ARDZ och EVAL-ADICUP3029.

I exemplet användes spenatblad för att demonstrera fluorescerande klorofyll. En spenatlösning skapades genom att blanda spenatblad med vatten. Efter filtrering användes detta som grundlösning. Olika procentandelar av spenatlösningen skapades genom spädning av grundlösningen och användes som standarder för att skapa en kalibreringskurva. Eftersom en detektor placerad vinkelrätt behövdes användes optiskt fält 1 i EVAL-CN0503-ARDZ. Källan var en lysdiod med en våglängd på 365 nm, med ett installerat långpassfilter.

Sju olika procentandelar av spenatlösningen testades och kalibreringskurvan för klorofyll ritades upp (figur 8).

Figur 8: Kalibreringskurva för procentuell lösning av spenat, inklusive ekvationen för trendlinjen. (Bildkälla: Analog Devices, Inc.)

Liksom i de tidigare exemplen kan ekvationen för trendlinjen för klorofyllets kalibreringskurva lagras så att EVAL-CN0503-ARDZ rapporterar resultaten som en procentandel.

Eftersom kalibreringskurvan är icke-linjär mättes bruset med två datapunkter —‎ 7,5 % och 20 %. Standardavvikelsen för flera tester med varje prov gav ett RMS-brusvärde på 0,0616 % spenat för provet på 7,5 % och 0,1159 % spenat för provet på 20 %.

Detektionsgränsen bestämdes med hjälp av ett blankprov eller ett prov med låg koncentration. Återigen multiplicerades RMS-brusmätningen för provet med tre för att representera en konfidensnivå på 99,7 % vilket gav en detektionsgräns på 0,1621 % spenat.

Sammanfattning

För att skapa ett bärbart optiskt mätsystem för vätskeanalys krävs omfattande kunskaper om samspelet mellan kemi, optik och elektronik för att skapa en enhet som är exakt, noggrann och lätt att använda. För att konstruera en sådan med hög noggrannhet och precision kan konstruktörer använda ADPD4101BCBZR7, en optisk analog front-end, istället för att konstruera en egen komplicerad signalkedja. För att underlätta uppstart stöds analog front-end av referenskonstruktionen EVAL-CN0503-ARDZ. Den bygger på ADPD4101BCBZR7 genom att lägga till optiska komponenter, firmware och mjukvara för att skapa en lättanvänd och mycket anpassningsbar plattform för prototypframställning som kan producera noggranna optiska mätningar av absorptions-, kolorimetri-, turbiditets- och fluorescensparametrar för vätskor.