Gjøre optisk væskeanalyse allment utbredt ved å bruke en sensorinngang med flere moduser

I forbindelse med den globale bekymringen rundt drikkevannssikkerhet på grunn av tørke, stormintensitet og hyppighet, og den voksende befolkningen, har væskeanalyse blitt svært viktig. Analyse på stedet og i sanntid av vannprøver er nødvendig for å minimere forurensning og dens innvirkning på økosystemet.

Denne sanntidsfølingen av væsker krever fremskritt innen instrumentering, som omfatter mindre størrelse, lavere strømforbruk, forbedret nøyaktighet, rask tilpasning, raskere responstider og robusthet, samtidig som den må levere resultater av høy kvalitet.

Optisk basert instrumentering er nyttig her, da den kan foreta høypresisjonsmålinger som er ikke-destruktive, og gi kontaktløs føling av målinger som turbiditet, totalt organisk karbon, totalt suspendert faststoff, oppløst oksygen og tilstedeværelse av ioniske forurensninger. Slike systemer krever imidlertid komplekse analoge innganger (AFE – analog front-end) for å drive lysemitterende dioder (LED-er) mens de avføler og digitaliserer det mottatte lyset i møte med både omgivelsesstøy og systemstøy. Slike konstruksjonsevner ligger utenfor ferdighetssettet til den gjennomsnittlige konstruktøren. Det som trengs er en mer elegant hyllevareløsning.

Denne artikkelen tar kort for seg optisk væskeanalyse og introduserer deretter en bærbar sanntidsplattform for rask væskeanalyse basert på en optisk sensor-AFE med flere moduser fra Analog Devices, Inc. En referansekonstruksjon basert på AFE-en som tilbyr opptil fire modulære optiske baner, introduseres også. Referansekonstruksjonen brukes til å demonstrere hvordan man tar målinger av potensiell hydrogen (pH), turbiditet og fluorescens, og oppretter kalibreringskurver og måler ukjente faktorer.

Grunnleggende om optisk væskeanalyse

Optisk væskeanalyse kan brukes til å måle konsentrasjonene av elementer i en væskeprøve. Teknikken har mange fordeler, blant annet at den er ikke-destruktiv og bruker kontaktløs føling. I tillegg tilbyr resultatene høy presisjon og lav vandring.

På begrepsnivå vil optisk analyse eksponere væskeprøven for lys fra en kilde, for eksempel en lysdiode (LED) med en kjent optisk bølgelengde. Lyset passerer gjennom prøven, samhandler med den og detekteres av en fotodiode (PD – photodiode). Den målte responsen fra fotodioden plottes mot responsene fra målingene med kjente konsentrasjoner, som danner en kalibreringskurve som den ukjente verdien kan etableres mot.

Denne prosessen beskriver de analytiske målingene som vil bli brukt i et vanlig laboratorium, der nøyaktige optiske væskemålinger kombinerer resultatene av blandede domener av elektronikk, optikk og kjemi. For å gjøre denne typen testing allment utbredt, kreves det at prosessene skaleres ned til en liten formfaktor, noe som dermed øker kompleksiteten til konstruksjonen.

En modulær løsning for rask væskemåling

For å forenkle instrumentets konstruksjonsprosess, skapte Analog Devices EVAL-CN0503-ARDZ-referansekonstruksjonen som er basert på den analoge optiske inngangen (AFE-en) ADPD4101BCBZR7. ADPD4101BCBZR7 er en komplett sensorinngang med flere moduser, som kan drive opptil åtte lysdioder og måle opptil åtte separate returnerte strøminnganger (figur 1). AFE-en avviser signalforskyvninger og interferens fra asynkron modulert interferens, som vanligvis er fra omgivelseslys. AFE-en er svært konfigurerbar, den og har et optisk signal-til-støy-forhold (SNR – signal-to-noise ratio) på opptil 100 desibel (dB) med høy avvisning av omgivelseslys ved hjelp av synkrone deteksjonsmetoder på brikken, noe som gjør at den i mange tilfeller er i stand til å brukes uten noe optisk mørkt kabinett.

Figur 1: ADPD4101BCBZR7 sensor-AFE-en med flere moduser kan drive opptil åtte lysdioder og måle opptil åtte separate returnerte strøminnganger. (Bildekilde: Analog Devices, Inc.)

EVAL-CN0503-ARDZ-referansekonstruksjonen muliggjør rask prototyping av væskeanalysemålinger, for eksempel fluorescens, turbiditet, absorbans og kolorimetri (figur 2). Den har fire modulbaserte optiske testbrønner (test bays) som gir gjennomgående optiske baner, og to brønner inkluderer ortogonale (90°) spredningsbaner. En 3D-printet holder for standard flate skåler (cuvette) på 10 millimeter (mm) er inkludert, og disse kan plasseres i en hvilken som helst av de fire optiske banene. Referansekonstruksjonen gir også målingsfastvare og applikasjonsprogramvare som er spesiallaget for væskeanalyse.

Figur 2: EVAL-CN0503-ARDZ inkluderer en 3D-printet skålholder for standardskåler på 10 mm, som kan plasseres i en hvilken som helst av de fire optiske banene som inkorporerer måleoptikken. (Bildekilde: Analog Devices, Inc.)

EVAL-CN0503-ARDZ kobles til EVAL-ADICUP3029, et 32-bits Arm® Cortex®-M3-mikrokontrollerkort som håndterer målingen og dataflyten. EVAL-ADICUP3029-kortet kobles direkte til en bærbar datamaskin for å vise innhentet data i det grafiske brukergrensesnittet for evaluering.

Væskeanalysemålinger av fluorescens, turbiditet, absorbans og kolorimetri for en prøve, kan måles med EVAL-CN0503-ARDZ. Skålholderen rommer optikken, inkludert en kollimerende linse og strålesplitter. Hver av sporene har en referansefotodiode, og den gir en egnet optisk bane for plug-and-play-måling. I tillegg kan lysdioden og fotodiodekortene i hver brønn byttes ut for å oppnå ytterligere tilpasning.

Som en demonstrasjon vil målinger av pH, turbiditet og fluorescens brukes til å opprette kalibreringskurver, og deretter måle ukjente faktorer med EVAL-CN0503-ARDZ og den tilknyttede evalueringsprogramvaren. I tillegg beregnes støynivåverdien og deteksjonsgrensen (LOD – limit of detection). Dette vil fastsette den laveste konsentrasjonen som kan detekteres av EVAL-CN0503-ARDZ i hvert eksempel.

Eksempel på absorbanstest

Absorbansmålinger, basert på Beer-Lambert-loven, involverer å fastsette konsentrasjonen av et kjent oppløst stoff i en væskeoppløsning basert på hvor mye lys som absorberes ved en bestemt bølgelengde. Dette er en form for kolorimetri. I dette eksempelet brukes absorbans til å måle pH, som er en vanlig parameter i vannkvalitetstesting. Denne typen test er også nyttig i analyseutrustninger, inkludert oppløst oksygen, biologisk oksygenbehov, nitrater, ammoniakk og klor.

Absorbansmålinger kan, ved å bruke en direkte eller gjennomgående optisk bane, utføres ved å bruke en hvilken som helst av de fire optiske banene på EVAL-CN0503-ARDZ (figur 3).

Figur 3: Her vises det optiske oppsettet for en absorbansmåling med EVAL-CN0503-ARDZ. Skålholderen i EVAL-CN0503-ARDZ rommer optikken, inkludert en kollimerende linse og strålesplitter. (Bildekilde: Analog Devices, Inc.)

En lysdiode ved ønsket bølgelengde genererer den innfallende strålen. En strålesplitter i den optiske banen leder noe av lyset til en referansefotodiode som tar prøver av stråleintensiteten. Balansen til den optiske strålen rettes gjennom prøven. Variasjoner i lysintensitet og støy fra lysdiodekilden kanselleres ved å ta forholdet mellom utgangene fra sende- og referanse-fotodiodene.

Kontaminering av omgivelseslys fra konstante lyskilder avvises med så mye som 60 dB av ADPD4101BCBZR7. Dette gjøres ved å bruke en synkron moduleringsplan som modulerer lysdiodestrømmen og synkront måler forskjellen mellom den mørke (av) tilstanden (der omgivelseslyset er den eneste komponenten) og den eksiterte (på) tilstanden (der både omgivelseslyset og lysdiodekomponenten er tilstede). Denne avvisningen av omgivelseslys er automatisk, og ingen eksterne styringer er nødvendig.

I tillegg til EVAL-CN0503-ARDZ, krever dette eksemplet EVAL-ADICUP3029, som er nevnt tidligere. Den bruker en API pH-test og et justeringssett, samt et sett med pH-bufferløsningsprøver for kalibrering.

Analyttene ble preparert ved å tilsette en fargeindikator (bromtymolblå) fra API-testsettet til de preparerte løsningene med forskjellige pH-verdier. Bromtymolblå, i løsning, separeres til en svak syre med høy lysabsorbans ved 430 nanometer (nm), og en konjugatbase som har høy lysabsorbans på 650 nm.

Løsningene ble overført til skåler, og pH-målingen ble gjort ved disse to forskjellige bølgelengdene der indikatoren viser endringer i absorpsjon som en funksjon av pH. Dette gjøres enkelt i EVAL-CN0503-ARDZ ved hjelp av to lysdiodekort for forskjellige bølgelengder, som ble satt inn i optisk bane 2 og optisk bane 3. Skålholderen flyttes inn i de to forskjellige banene for målingene.

Resultatene fra begge de optiske banene ble eksportert til Excel ved å bruke det grafiske brukergrensesnittet til EVAL-CN0503-ARDZ-evalueringsprogramvaren (figur 4).

Figur 4: Her vises absorbanskalibreringskurvene for pH for tester med 430 nm (venstre) og 650 nm lyskilder (høyre). (Bildekilde: Analog Devices, Inc.)

I begge tilfellene ble pH og absorbans plottet for å opprette kalibreringskurven. En trendlinjefunksjon i Excel ble brukt til å generere en ligning for kurven. Passformestimatet (goodness of fit estimate), R², er rundt 1,0 i begge tilfeller, noe som betyr at passformen er utmerket. Konsentrasjonene av ukjente prøver kan fastsettes fra disse ligningene, der sensorutgangen er angitt som x-variabelen og den resulterende y-verdien er pH. EVAL-CN0503-ARDZ-evalueringsprogramvaren implementerer to femteordens polynomer, INS1 og INS2. Når polynomene er lagret, kan INS1- eller INS2-modusen velges slik at måleresultatene rapporteres direkte i den ønskede måleenheten, i dette tilfellet pH. Dette gjør det enklere å få et resultat for en ukjent prøve.

Støynivået til målingen krever to forskjellige datapunkter for hver bølgelengde. Én bør være en lavere pH-verdi og den andre bør være en høyere verdi. To verdier brukes fordi kurvepassformen ikke er lineær. De valgte pH-verdiene var 6,1 og 7,5. Flere målinger ble gjort av hvert punkt, og standardavviket til dataene gir RMS-støyverdien (RMS – root mean square) ved hver bølgelengde for hver pH-verdi. Resultatene er vist i tabell 1.

Tabell 1: Her vises RMS-støyverdiene for to pH-verdier ved to bølgelengder. (Tabellkilde: Analog Devices, Inc.)

Vær oppmerksom på at disse dataene ekskluderer variasjoner på grunn av prøvepreparering.

Deteksjonsgrensen (LOD – limit of detection) fastsetter den laveste konsentrasjonen som sannsynligvis vil bli detektert av EVAL-CN0503-ARDZ. LOD fastsettes vanligvis ved å måle støy ved lave konsentrasjonsnivåer. For å oppnå et tillitsnivå på 99,7 %, multipliseres støyverdien med tre. Gitt at pH er en logaritmisk skala, ble LOD fastsatt for en pH på 7. Dette ble igjen gjort ved bølgelengder på 430 nm og 625 nm. LOD ved 430 nm var en pH på 0,001099, og LOD ved 615 nm var en pH på 0,001456.

Eksempel på turbiditetstest

Turbiditet måler den relative klarheten til en væske. Målingen er basert på lysspredningsegenskapene til partikler som er suspendert i væsken. Lysspredning påvirkes av størrelsen og konsentrasjonen til de suspenderte partiklene, samt bølgelengden til innfallende lys. Disse faktorene påvirker mengden spredt lys og spredningsvinkelen. Turbiditetstesting utføres i mange industrier, slik som vannkvalitet og biovitenskap. Den kan også brukes til å fastsette algevekst ved å måle optisk tetthet.

Den optiske banen for turbiditetstesting bruker fotodioder som er plassert for å detektere lys i vinkler på 90˚ eller 180˚. I EVAL-CN0503-ARDZ vil turbiditetstesting kreve en detektor på 90˚, som er tilgjengelig i testbrønnene 1 og 4. Optisk brønn 4, med et lysdiodekort på 530 nm satt inn som kilde, vises i figur 5.

Figur 5: Den optiske banen for en turbiditetstest bruker fotodetektorer ved 90˚ og 180˚ fra lysbanen for å detektere lys spredt av partikler i løsningen. (Bildekilde: Analog Devices, Inc.)

Dette eksemplet viser en modifisert versjon av EPA-metode 180.1, «Fastsettelse av turbiditet via nefelometri», kalibrert og rapportert i nefelometriske turbiditetsenheter (NTU – nephelometric turbidity units).

Utstyret som brukes for turbiditetstesting inkluderer EVAL-CN0503-ARDZ- og EVAL-ADICUP3029-evalueringskortene, samt Hanna Instruments sitt standard kalibreringssett for turbiditet. Kalibreringsstandarden for turbiditet gir mikroperler med bestemte størrelser i svært rent vann. Disse løsningene brukes til å kalibrere og validere turbiditetsmålinger.

Ved å bruke det grafiske brukergrensesnittet (GUI) til EVAL-CN0503-ARDZ for programvareevaluering, ble måleresultatene eksportert til Excel, der en kalibreringskurve for turbiditet ble generert (figur 6).

Figur 6: Disse kalibreringskurvene er basert på resultatene av turbiditetstestene. Den lineære kurvepassformen viser at de lineære modellene har utmerkede passformestimater (R²). (Bildekilde: Analog Devices, Inc.)

Legg merke til at verdiene for det relative forholdet (RRAT – relative ratio) til abscissen (x-koordinaten) i figur 6, refereres til verdiene for grunnlinjen eller det absolutte forholdet basert på et kjent måleoppsett med en tom skål, eller med destillert vann der forholdet mellom innfallslys og reflektert lys er nesten 1. Denne prosessen brukes til å fjerne små faktorer som innføres i målingen av de optiske glasselementene, for eksempel strålesplitteren, linsen og filtrene. Denne verdien brukes som referanse for etterfølgende målinger.

Fordi spredningsmålingen på 90° reagerer mindre på høye turbiditeter, ble responskurven delt i to seksjoner, der den første seksjonen representerer lavere turbiditet (0 NTU til 100 NTU) og den andre representerer høyere turbiditet (100 NTU til 750 NTU). Deretter ble det laget to lineære passformer for hver seksjon. Selv om det nå er to ligningsverdier, kan EVAL-CN0503-ARDZ fortsatt brukes til å raskt vise resulterende NTU-verdier ved å bruke de innebygde INS1 eller INS2 polynominale passformene.

Støyverdien ble fastsatt ved å ta standardavviket til repeterte målinger. På grunn av den lineære passformen, ble bare ett støypunkt nær bunnen av området (12 NTU) brukt. Støynivået ble målt til 0,282474 NTU.

LOD ble etablert ved å ta støyverdien til en prøve med lav eller blank konsentrasjon. Igjen, ble støyverdien multiplisert med tre for å representere et konfidensintervall på 99,7 %. For en blindprøvekonsentrasjon, var LOD-en 0,69204 NTU.

Eksempel på fluorescerende test

Fluorescens er et resultat av at elektroner i noen materialer blir eksitert av en lysstråle, noe som får dem til å avgi lys med en annen bølgelengde. Den emitterte lysintensiteten er proporsjonal med konsentrasjonen av det lysfølsomme materialet. Fluorometri er vanligvis mye mer følsom enn å bruke absorbansmålinger til å måle konsentrasjonen av materialer i løsningen. Fluorescensutslipp kan brukes til å identifisere tilstedeværelsen og mengden av spesifikke molekyler, fordi de er kjemisk spesifikke. Fluorescensmålinger er lineære over et bredere konsentrasjonsområde. Bruksområdene for fluorescensmålinger inkluderer biologiske kontrollprøver, oppløst oksygen, kjemisk oksygenbehov og detektering av vellykket pasteurisering i melk.

Vanligvis måles fluorescensutslipp ved å bruke en fotodetektor posisjonert 90° fra det innfallende lyset for å minimere effekten på målingen. En referansedetektor for å måle det innfallende lyset brukes til å minimere faktorer som forstyrrer målingen. Disse faktorene inkluderer forvrengninger fra lyskilden, ekstern belysning og små bevegelser i prøven. I tillegg brukes et optisk monokromatisk filter eller langpassfilter med fluorescensdetektoren for å øke separasjonen av innfallslyset og det emitterte lyset (figur 7).

Figur 7: Den optiske banen for fluorescensmåling. Den fluorescerende fotodioden plasseres 90° i forhold til banen til det innfallende lyset. Et fluorescensfilter demper kildens lysdiodebølgelengde. (Bildekilde: Analog Devices, Inc.)

Igjen, vil utstyret som skal brukes for fluorescenstesting inkludere EVAL-CN0503-ARDZ- og EVAL-ADICUP3029-kortene.

I dette eksempelet ble spinatblader brukt til å demonstrere fluorescerende klorofyll. En spinatløsning ble laget ved å blande spinatblader med vann. Etter filtrering, ble dette brukt som en standardløsning (stock solution). Forskjellige prosentandeler av spinatløsningen ble laget ved å fortynne standardløsningen, og disse ble brukt som standarder for å lage en kalibreringskurve. Siden en ortogonal detektor var nødvendig, ble optisk brønn 1 i EVAL-CN0503-ARDZ brukt. Kilden var en lysdiode med en bølgelengde på 365 nm, med et innsatt langpassfilter.

Syv forskjellige prosentandeler av spinatløsningen ble testet, og klorofyllkalibreringskurven ble plottet (figur 8).

Figur 8: Kalibreringskurve for prosent spinatløsning, inkludert trendlinjeligningen. (Bildekilde: Analog Devices, Inc.)

Som i de tidligere eksemplene, kan trendlinjeligningen for klorofyllkalibreringskurven lagres slik at resultatene rapporteres direkte av EVAL-CN0503-ARDZ som en prosentandel.

Fordi kalibreringskurven er ikke-lineær, ble støyen målt ved å bruke to datapunkter – 7,5 % og 20 %. Standardavviket til flere tester med hver prøve ga en RMS-støyverdi på 0,0616 % spinat for prøven på 7,5 %, og 0,1159 % spinat for prøven på 20 %.

LOD ble fastsatt ved å bruke en blank prøve eller lavkonsentrasjonsprøve. Igjen, ble RMS-støymålingen for prøven multiplisert med tre for å representere en statistisk sikkerhet på 99,7 %, og produserte en LOD på 0,1621 % spinat.

Konklusjon

Opprettelsen av et bærbart målesystem for optisk væskeanalyse krever betydelig kunnskap om samspillet mellom kjemi, optikk og elektronikk for å lage en enhet som er presis, nøyaktig og enkel å bruke. For å konstruere en med høy nøyaktighet og presisjon, kan konstruktører bruke den optiske AFE-en ADPD4101BCBZR7 i stedet for å konstruere en kompleks signalkjede internt. For å gjøre det enklere å komme i gang, støttes AFE-en av EVAL-CN0503-ARDZ-referansekonstruksjonen. Denne bygger på ADPD4101BCBZR7 ved å legge til optiske komponenter, fastvare og programvare for å lage en brukervennlig og svært tilpasningsdyktig prototypingsplattform, som er i stand til å produsere nøyaktige optiske målinger av absorbans-, kolorimetri-, turbiditets- og fluorescensvæskeparametere.