Optische vloeistofanalyse alomtegenwoordig maken met behulp van een front-end met multimodale sensors

In de context van de wereldwijde bezorgdheid over drinkwaterzekerheid als gevolg van droogte, stormintensiteit en -frequentie en de groeiende bevolking, is vloeistofanalyse van cruciaal belang geworden. Real-time en on-site analyse van watermonsters is nodig om vervuiling en de impact ervan op het ecosysteem te minimaliseren.

Deze real-time detectie van vloeistoffen vereist vooruitgang in instrumentatie, zoals kleinere afmetingen, lager stroomverbruik, verbeterde nauwkeurigheid, snelle aanpassing, snellere responstijden en robuustheid, en dit alles bij het leveren van resultaten van hoge kwaliteit.

Optische instrumenten zijn hier nuttig omdat ze niet-destructieve precisiemetingen kunnen uitvoeren en contactloze detectie mogelijk maken van metingen zoals troebelheid, totaal organisch koolstof, totaal zwevende deeltjes, opgeloste zuurstof en de aanwezigheid van ionische verontreinigingen. Dergelijke systemen vereisen echter complexe analoge front-ends (AFE's) om lichtemitterende diodes (LED's) aan te sturen en tegelijkertijd het ontvangen licht te detecteren en te digitaliseren tegen omgevings- en systeemruis. Dergelijke ontwerpmogelijkheden gaan de vaardigheden van de typische ontwerper te boven. Er is een elegantere, kant-en-klare oplossing nodig.

In dit artikel wordt kort ingegaan op optische vloeistofanalyse voordat een draagbaar, real-time platform voor snelle vloeistofanalyse wordt geïntroduceerd, gebaseerd op een multimodale optische sensor AFE van Analog Devices, Inc. Er wordt ook een referentieontwerp geïntroduceerd dat gebaseerd is op de AFE en dat tot vier modulaire optische path bays biedt. Het referentieontwerp wordt gebruikt om te demonstreren hoe je metingen kunt uitvoeren van potentiële waterstof (pH), troebelheid en fluorescentie, en hoe je kalibratiecurves kunt maken en onbekenden kunt meten.

Basisprincipes optische vloeistofanalyse

Optische vloeistofanalyse kan worden gebruikt om de concentraties van elementen in een vloeistofmonster te meten. De techniek heeft veel voordelen, waaronder dat het niet-destructief is en contactloze detectie gebruikt. Daarnaast bieden de resultaten een hoge precisie en een lage drift.

Bij optische analyse wordt het vloeistofmonster blootgesteld aan licht van een bron zoals een lichtemitterende diode (LED) met een bekende optische golflengte. Het licht gaat door het monster, reageert ermee en wordt gedetecteerd door een fotodiode (PD). De gemeten respons van de PD wordt uitgezet tegen de respons van monsters met bekende concentraties, die een kalibratiecurve vormen waarmee de onbekende waarde kan worden vastgesteld.

Dit proces beschrijft de analytische metingen die gebruikt zouden worden in een algemeen laboratorium waar optische vloeistofmetingen de resultaten van gemengde domeinen van elektronica, optica en chemie combineren. Om dit soort testen overal beschikbaar te maken, moeten de processen worden teruggebracht naar een kleine vormfactor, waardoor het ontwerp ingewikkelder wordt.

Een modulaire oplossing voor snelle vloeistofmetingen

Om het instrumentontwerpproces te vereenvoudigen, heeft Analog Devices het EVAL-CN0503-ARDZ-referentieontwerp gemaakt op basis van de ADPD4101BCBZR7 analoge optische front-end (AFE). De ADPD4101BCBZR7 is een compleet multimodaal sensorfront-end dat tot acht LED's kan aansturen en tot acht afzonderlijke ingangen voor retourstroom kan meten (Afbeelding 1). De AFE verwerpt signaaloffsets en interferentie van asynchrone gemoduleerde interferentie, die meestal afkomstig is van omgevingslicht. De AFE is in hoge mate configureerbaar en heeft een optische signaal-ruisverhouding (SNR) tot 100 decibel (dB) met een hoge onderdrukking van omgevingslicht door synchrone detectiemethoden op de chip, waardoor hij in veel gevallen kan worden gebruikt zonder een optisch donkere behuizing.

Afbeelding 1: De ADPD4101BCBZR7 multimodale sensor AFE kan tot acht LED's aansturen en tot acht afzonderlijke ingangen voor retourstroom meten. (Bron afbeelding: Analog Devices, Inc.)

Het EVAL-CN0503-ARDZ-referentieontwerp maakt snelle prototyping van vloeistofanalysemetingen mogelijk, waaronder fluorescentie, troebelheid, absorptie en colorimetrie (Afbeelding 2). Het heeft vier modulaire optische testbaaien die doorgaande optische paden bieden en twee baaien bevatten orthogonale (90°) verstrooiingspaden. Een 3D-geprinte cuvethouder voor standaard cuvetten van 10 millimeter (mm) wordt meegeleverd en kan in elk van de vier optische paden geplaatst worden. Het referentieontwerp biedt ook meetfirmware en toepassingssoftware gericht op vloeistofanalyse.

Afbeelding 2: De EVAL-CN0503-ARDZ bevat een 3D-geprinte cuvethouder voor standaardcuvetten van 10 mm die in een van de vier optische paden geplaatst kunnen worden waarin de meetoptiek is geïntegreerd. (Bron afbeelding: Analog Devices, Inc.)

De EVAL-CN0503-ARDZ wordt verbonden met de EVAL-ADICUP3029, een 32-bits Arm® Cortex®-M3-microcontrollerbord die de meetprocedure en gegevensstroom afhandelt. Het EVAL-ADICUP3029-bord wordt rechtstreeks aangesloten op een laptop om de verkregen gegevens weer te geven in de grafische gebruikersinterface van de evaluatie.

Vloeistofanalysemetingen van fluorescentie, troebelheid, absorptie en colorimetrie van een monster kunnen worden gemeten door de EVAL-CN0503-ARDZ. De cuvethouder bevat de optiek, waaronder een collimerende lens en een bundelsplitser. Elk van de sleuven bevat een referentiefotodiode en biedt een geschikt optisch pad voor plug-and-play metingen. Bovendien kunnen de LED- en fotodiodekaarten in elke bay worden verwisseld voor verdere aanpassingen.

Als demonstratie worden metingen van pH, troebelheid en fluorescentie gebruikt om kalibratiecurves te maken en vervolgens onbekenden te meten met de EVAL-CN0503-ARDZ en de bijbehorende evaluatiesoftware. Daarnaast worden de waarde voor het ruisniveau en de aantoonbaarheidsgrens (LOD) berekend. Dit bepaalt de laagste concentratie die door de EVAL-CN0503-ARDZ in elk voorbeeld kan worden gedetecteerd.

Voorbeeld van absorberingstest

Bij absorptiemetingen, gebaseerd op de wet van Beer-Lambert, wordt de concentratie van een bekende opgeloste stof in een vloeibare oplossing bepaald op basis van de hoeveelheid licht die bij een specifieke golflengte wordt geabsorbeerd. Dit is een vorm van colorimetrie. In dit voorbeeld wordt absorptie gebruikt om pH te meten, een veel voorkomende parameter bij het testen van waterkwaliteit. Dit type test is ook nuttig voor analysetoepassingen, waaronder opgeloste zuurstof, biologisch zuurstofverbruik, nitraten, ammoniak en chloor.

Absorptiemetingen, met een direct of doorgaand optisch pad, kunnen worden uitgevoerd via elk van de vier optische paden op de EVAL-CN0503-ARDZ (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Dit is de optische opstelling voor een absorptiemeting met de EVAL-CN0503-ARDZ. De cuvethouder in de EVAL-CN0503-ARDZ bevat de optiek, waaronder een collimeerlens en bundelsplitser. (Bron afbeelding: Analog Devices, Inc.)

Een LED op de gewenste golflengte genereert de invallende bundel. Een bundelsplitser in het optische pad leidt een deel van het licht naar een referentiefotodiode die de intensiteit van de bundel meet. De rest van de optische bundel wordt door het monster gericht. Variaties in lichtintensiteit en ruis van de LED-bron worden gecompenseerd door de verhouding te nemen van de uitgangen van de zend- en referentiefotodiodes.

Verontreiniging door omgevingslicht van constante lichtbronnen wordt door de ADPD4101BCBZR7 met maar liefst 60 dB onderdrukt. Dit wordt gedaan met behulp van een synchroon modulatieschema dat de LED-stroom moduleert en synchroon het verschil meet tussen de donkere (uit) toestand (waar het omgevingslicht de enige component is) en de opgewekte (aan) toestand (waar zowel omgevingslicht als de LED-component aanwezig zijn). Deze afwijzing van omgevingslicht gebeurt automatisch; er is geen externe regeling nodig.

Naast de EVAL-CN0503-ARDZ is in dit voorbeeld ook de eerder genoemde EVAL-ADICUP3029 nodig. Het maakt gebruik van een API pH-test- en -aanpassingsset en een set pH-bufferoplossingmonsters voor kalibratie.

De analyten werden bereid door een kleurindicator (broomthymolblauw) uit de API-testkit toe te voegen aan de bereide oplossingen met verschillende pH-waarden. Bromothymolblauw valt in oplossing uiteen in een zwak zuur met een hoge absorptie van licht bij 430 nanometer (nm) en een geconjugeerde base met een hoge absorptie van licht bij 650 nm.

De oplossingen werden overgebracht in cuvetten en de pH-meting werd uitgevoerd bij deze twee verschillende golflengten waarbij de indicator veranderingen in absorptie vertoont als functie van de pH. Dit is in de EVAL-CN0503-ARDZ eenvoudig te realiseren met twee LED-kaarten voor verschillende golflengten, die in optisch pad 2 en optisch pad 3 zijn gestoken. De cuvethouder wordt in de twee verschillende paden bewogen voor de metingen.

De resultaten van beide optische paden werden geëxporteerd naar Excel met behulp van de grafische gebruikersinterface van de EVAL-CN0503-ARDZ-evaluatiesoftware (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Weergegeven zijn de absorptiecalibratiecurves van pH voor tests met 430 nm (links) en 650 nm lichtbronnen (rechts). (Bron afbeelding: Analog Devices, Inc.)

In beide gevallen werd de pH ten opzichte van de extinctie uitgezet om de ijkcurve te maken. Er werd een trendlijnfunctie in Excel gebruikt om een vergelijking voor de curve te genereren. De schatting van de goedheid van de pasvorm, R², ligt in beide gevallen dicht bij 1,0, wat de uitstekende kwaliteit van de pasvorm aangeeft. De concentraties van onbekende monsters kunnen uit deze vergelijkingen worden bepaald met de sensoruitgang ingevoerd als x-variabele en de resulterende y-waarde is de pH. De EVAL-CN0503-ARDZ-evaluatiesoftware implementeert twee polynomen van de vijfde orde, INS1 en INS2. Zodra de polynomen zijn opgeslagen, kan de INS1- of INS2-modus worden geselecteerd zodat de meetresultaten direct in de gewenste eenheid worden gerapporteerd, in dit geval pH. Dit vereenvoudigt het verkrijgen van een resultaat voor een onbekend monster.

Het ruisniveau van de meting vereist twee verschillende gegevenspunten voor elke golflengte. De ene zou een lagere pH-waarde moeten hebben en de andere een hogere. Er worden twee waarden gebruikt omdat de curve niet lineair is. De gekozen pH-waarden waren 6,1 en 7,5. Er werden meerdere metingen gedaan op elk punt en de standaardafwijking van de gegevens levert de RMS-ruiswaarde op elke golflengte voor elke pH-waarde. De resultaten worden weergegeven in tabel 1.

Tabel 1: Weergegeven zijn de RMS-ruiswaarden voor twee pH-waarden bij twee golflengten. (Bron tabel: Analog Devices, Inc.)

Merk op dat deze gegevens variaties door monstervoorbereiding uitsluiten.

De aantoonbaarheidsgrens (LOD) bepaalt de laagste concentratie die waarschijnlijk door de EVAL-CN0503-ARDZ wordt gedetecteerd. De LOD wordt meestal bepaald door geluid te meten bij lage concentratieniveaus. Om een betrouwbaarheidsniveau van 99,7% te bereiken, wordt de ruiswaarde met drie vermenigvuldigd. Aangezien pH een logaritmische schaal is, werd de LOD bepaald voor een pH van 7. Dit werd opnieuw gedaan bij golflengten van 430 nm en 625 nm. De LOD bij 430 nm was een pH van 0,001099 en de LOD bij 615 nm was een pH van 0,001456.

Een voorbeeld van een troebelheidstest

Troebelheid meet de relatieve helderheid van een vloeistof. De meting is gebaseerd op de lichtverstrooiende eigenschap van deeltjes die in de vloeistof zweven. Lichtverstrooiing wordt beïnvloed door de grootte en concentratie van de gesuspendeerde deeltjes en de golflengte van het invallende licht. Deze factoren beïnvloeden de hoeveelheid verstrooid licht en de verstrooiingshoek. Troebelheidstesten worden in veel industrieën uitgevoerd, waaronder waterkwaliteit en biowetenschappen. Het kan ook worden toegepast om algengroei te bepalen door de optische dichtheid te meten.

Het optische pad voor troebelheidstesten maakt gebruik van fotodiodes die geplaatst zijn om licht te detecteren onder hoeken van 90˚ of 180˚. In de EVAL-CN0503-ARDZ is voor troebelheidstests een detector op 90˚ nodig, die beschikbaar is in testruimte 1 en 4. Optische bay 4, met een 530 nm LED-bord als bron, wordt getoond in Afbeelding 5.

Afbeelding 5: Het optische pad voor een troebelheidstest maakt gebruik van fotodetectoren op 90˚ en 180˚ van het lichtpad om licht te detecteren dat verstrooid wordt door deeltjes in de oplossing. (Bron afbeelding: Analog Devices, Inc.)

Dit voorbeeld toont een aangepaste versie van EPA Method 180.1, 'Determination of turbidity by Nephelometry', gekalibreerd en gerapporteerd in nephelometrische troebelingseenheden (NTU).

De apparatuur die gebruikt wordt voor troebelheidstesten omvat de EVAL-CN0503-ARDZ en de EVAL-ADICUP3029-evaluatieborden, evenals de Hanna Instruments troebelheidsstandaardkalibratieset. De troebelheidskalibratiestandaard levert microkorrels van specifieke afmetingen in ultrazuiver water. Deze oplossingen worden gebruikt om troebelheidsmetingen te kalibreren en te valideren.

Met behulp van de grafische gebruikersinterface (GUI) van de EVAL-CN0503-ARDZ software-evaluatie werden de meetresultaten geëxporteerd naar Excel, waar een troebelheidskalibratiecurve werd gegenereerd (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: Deze kalibratiecurven zijn gebaseerd op de resultaten van de troebelheidstesten. De lineaire curve fit laat zien dat de lineaire modellen uitstekende schattingen van de goodness of fit (R²) hebben. (Bron afbeelding: Analog Devices, Inc.)

Merk op dat in Afbeelding 6 de relatieve verhoudingswaarden (RRAT) van de abscis zijn gerelateerd aan de basislijn of absolute verhoudingswaarden op basis van een bekende meetopstelling met een lege cuvet of met gedestilleerd water waarbij de verhouding tussen invallend en gereflecteerd licht bijna 1 is. Dit proces wordt gebruikt om kleine factoren te verwijderen die in de meting worden geïntroduceerd door de optische glaselementen, zoals de bundelsplitser, lens en filters. Deze waarde wordt gebruikt als referentie voor opeenvolgende metingen.

Omdat de 90°-verstrooiingsmeting minder goed reageert op hoge troebelheid, werd de responscurve in twee delen gesplitst. Het eerste deel vertegenwoordigt een lagere troebelheid (0 NTU tot 100 NTU) en het andere deel vertegenwoordigt een hogere troebelheid (100 NTU tot 750 NTU). Vervolgens werden voor elke sectie twee lineaire pasvormen gemaakt. Hoewel er nu twee vergelijkingswaarden zijn, kan de EVAL-CN0503-ARDZ nog steeds worden gebruikt om snel de resulterende NTU-waarden te tonen met behulp van de ingebouwde INS1- of INS2-polynoompassingen.

De ruiswaarde werd bepaald door de standaardafwijking van herhaalde metingen te nemen. Vanwege de lineaire fit werd slechts één ruispunt in de buurt van de onderkant van het bereik (12 NTU) gebruikt. Het geluidsniveau werd gemeten op 0,282474 NTU.

De LOD werd vastgesteld door de ruiswaarde te nemen van een monster met een lage of blanco concentratie. Ook hier werd de ruiswaarde met drie vermenigvuldigd om een 99,7% betrouwbaarheidsinterval weer te geven. Voor een blancomonsterconcentratie was de LOD 0,69204 NTU.

Een voorbeeld van een fluorescentietest

Fluorescentie is het resultaat van de excitatie van elektronen van sommige materialen door een lichtstraal, waardoor ze licht uitzenden met een andere golflengte. De uitgezonden lichtintensiteit is evenredig met de concentratie van het lichtgevoelige materiaal. Fluorometrie is over het algemeen veel gevoeliger dan absorptiemetingen om de concentratie van materialen in de oplossing te meten. Fluorescentie-emissies kunnen worden gebruikt om de aanwezigheid en hoeveelheid van specifieke moleculen vast te stellen omdat ze chemisch specifiek zijn. Fluorescentiemetingen zijn lineair over een breder concentratiebereik. De toepassingen van fluorescentiemetingen zijn onder andere biologische analyses, opgeloste zuurstof, chemisch zuurstofverbruik en het detecteren van succesvolle pasteurisatie in melk.

Over het algemeen worden fluorescentie-emissies gemeten met een fotodetector die 90° van het invallende licht is geplaatst om het effect op de meting te minimaliseren. Een referentiedetector om het invallende licht te meten wordt gebruikt om factoren die de meting verstoren te minimaliseren. Deze factoren zijn onder andere vervormingen door de lichtbron, externe verlichting en lichte bewegingen in het monster. Daarnaast wordt een optisch monochromatisch of long-pass filter gebruikt met de fluorescentiedetector om de scheiding tussen het invallende en het uitgezonden licht te vergroten (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: Het optische pad voor fluorescentiemeting. De fluorescentiefotodiode staat in een hoek van 90° ten opzichte van het invallende lichtpad. Een fluorescentiefilter verzwakt de golflengte van de LED als bron. (Bron afbeelding: Analog Devices, Inc.)

De apparatuur die gebruikt is voor fluorescentietests bestaat opnieuw uit de EVAL-CN0503-ARDZ en EVAL-ADICUP3029-borden.

In dit voorbeeld werden spinaziebladeren gebruikt om fluorescerend chlorofyl aan te tonen. Er werd een spinazieoplossing gemaakt door spinaziebladeren te mengen met water. Na filtreren werd dit gebruikt als stockoplossing. Verschillende percentages spinazieoplossing werden gemaakt door de stamoplossing te verdunnen en werden gebruikt als standaarden om een ijkcurve te maken. Omdat er een orthogonale detector nodig was, werd optisch veld 1 in de EVAL-CN0503-ARDZ gebruikt. De bron was een LED met een golflengte van 365 nm, met een long-pass filter ingebracht.

Zeven verschillende percentages van de spinazieoplossing werden getest en de chlorofylkalibratiecurve werd uitgezet (Afbeelding 8).

Afbeelding 8: IJkcurve voor spinazieprocentoplossing, inclusief de trendlijnvergelijking. (Bron afbeelding: Analog Devices, Inc.)

Net als in de eerdere voorbeelden kan de trendlijnvergelijking voor de chlorofylkalibratiecurve worden opgeslagen zodat de resultaten direct als percentage worden gerapporteerd door EVAL-CN0503-ARDZ.

Omdat de kalibratiecurve niet-lineair is, werd de ruis gemeten met behulp van twee gegevenspunten-7,5% en 20%. De standaardafwijking van meerdere tests met elk monster leverde een RMS-ruiswaarde op van 0,0616% spinazie voor het 7,5% monster en 0,1159% spinazie voor het 20% monster.

De LOD werd bepaald met behulp van een blanco of een laag-concentratiemonster. Ook hier werd de RMS-ruismeting voor het monster met drie vermenigvuldigd om een betrouwbaarheidsniveau van 99,7% te vertegenwoordigen, wat een LOD van 0,1621% spinazie opleverde.

Conclusie

Het maken van een draagbaar meetsysteem voor optische vloeistofanalyse vereist een aanzienlijke kennis van de interacties tussen chemie, optica en elektronica om een apparaat te maken dat nauwkeurig, accuraat en gebruiksvriendelijk is. Om er een met hoge nauwkeurigheid en precisie te ontwerpen, kunnen ontwerpers de ADPD4101BCBZR7 optische AFE gebruiken in plaats van zelf een complexe signaalketen te ontwerpen. Om op weg te helpen wordt de AFE ondersteund door het EVAL-CN0503-ARDZ-referentieontwerp. Deze bouwt voort op de ADPD4101BCBZR7 door optische componenten, firmware en software toe te voegen om een gebruiksvriendelijk en zeer aanpasbaar prototypeplatform te maken, dat nauwkeurige optische metingen van absorptie, colorimetrie, troebelheid en fluorescentie vloeistofparameters kan produceren.