Zwiększenie zakresu zastosowań optycznej analizy cieczy dzięki wielomodowemu układowi front-end czujników

W kontekście globalnych obaw o bezpieczeństwo wody pitnej ze względu na susze, intensywność i częstotliwość burz oraz rosnącą liczbę ludności, analiza cieczy stała się niezwykle ważna. Aby zminimalizować zanieczyszczenia i ich wpływ na ekosystem, wymagana jest lokalna analiza próbek wody w czasie rzeczywistym.

Pomiary cieczy w czasie rzeczywistym wymagają postępu w oprzyrządowaniu, w tym jego miniaturyzacji, redukcji poboru mocy, poprawy dokładności, zapewnienia możliwości szybkiego dostosowania, skrócenia czasu reakcji i zwiększenia niezawodności, a wszystko to przy jednoczesnym zapewnieniu wysokiej jakości wyników.

Przydatne jest tutaj oprzyrządowanie optyczne, które pozwala na wykonywanie precyzyjnych, nieniszczących pomiarów bezkontaktowych takich parametrów jak zmętnienie, ogólny węgiel organiczny, całkowita zawartość nierozpuszczonych substancji stałych, rozpuszczony tlen i obecność zanieczyszczeń jonowych. Jednak takie systemy wymagają skomplikowanych analogowych układów front-end (AFE) do sterowania diodami elektroluminescencyjnymi (LED), a jednocześnie pomiaru i digitalizowania odbieranego światła w obecności szumów otoczenia i systemu. Takie możliwości projektowe wykraczają poza typowy zestaw umiejętności projektanta. Potrzebne jest bardziej eleganckie, gotowe rozwiązanie.

W niniejszym artykule pokrótce omówiono optyczną analizę cieczy, a następnie przedstawiono przenośną platformę czasu rzeczywistego do szybkiej analizy cieczy w oparciu o wielomodowy optyczny analogowy układ front-end (AFE) czujników firmy Analog Devices Inc. Przedstawiono również projekt referencyjny oparty na analogowym układzie front-end (AFE), który oferuje maksymalnie cztery modułowe wnęki dla ścieżek optycznych. Projekt referencyjny służy do zademonstrowania sposobu wykonywania pomiarów aktywności jonów wodorowych (pH), zmętnienia i fluorescencji oraz tworzenia krzywych kalibracyjnych i pomiaru niewiadomych.

Podstawy optycznej analizy cieczy

Optyczna analiza cieczy może służyć do pomiaru stężeń pierwiastków w próbce cieczy. Technika ta ma wiele zalet, między innymi to, że jest nieniszcząca i wykorzystuje pomiary bezkontaktowe. Ponadto wyniki zapewniają wysoką precyzję i niski dryft.

Zasadniczo analiza optyczna wystawia próbkę cieczy na działanie światła ze źródła o znanej długości fali optycznej, takiego jak dioda elektroluminescencyjna (LED) . Przechodząc przez próbkę, światło wchodzi z nią w interakcję i jest wykrywane przez fotodiodę (PD). Zmierzoną odpowiedź z fotodiody (PD) wykreśla się w funkcji odpowiedzi z próbek o znanych stężeniach, co pozwala wyrysować krzywą kalibracyjną, na podstawie której można ustalić nieznaną wartość.

Proces ten opisuje pomiary analityczne stosowane w laboratorium ogólnym, w którym uzyskanie precyzyjnych optycznych pomiarów cieczy jest możliwe dzięki wykorzystaniu wiedzy z różnych dziedzin: elektroniki, optyki i chemii. Powszechność tego typu badań wymaga skalowania procesów w celu uzyskania niewielkich rozmiarów, co zwiększa złożoność projektu.

Modułowe rozwiązanie do szybkiego pomiaru cieczy

Aby uprościć proces projektowania przyrządów, firma Analog Devices stworzyła projekt referencyjny EVAL-CN0503-ARDZ oparty na optycznym analogowym układzie front-end (AFE) ADPD4101BCBZR7. Kompletny wielomodowy układ front-end czujników ADPD4101BCBZR7 może sterować maksymalnie ośmioma diodami LED i mierzyć nawet osiem oddzielnych wejść prądu zwrotnego (ilustracja 1). Analogowy układ front-end (AFE) eliminuje niezrównoważenia sygnału i zakłócenia pochodzące od asynchronicznie modulowanych zakłóceń, które zwykle wynikają ze światła otoczenia. Analogowy układ front-end (AFE) oferuje duże możliwości konfiguracyjne i charakteryzuje się stosunkiem sygnału optycznego do szumu (SNR) wynoszącym do 100dB oraz wysokim tłumieniem światła z otoczenia przy użyciu wbudowanych metod detekcji synchronicznej, co w wielu przypadkach pozwala na jego stosowanie bez optycznie ciemnej obudowy.

Ilustracja 1: wielomodowy analogowy układ front-end (AFE) czujników ADPD4101BCBZR7 może sterować maksymalnie ośmioma diodami LED i mierzyć maksymalnie osiem oddzielnych wejść prądu zwrotnego. (Źródło ilustracji: Analog Devices, Inc.)

Projekt referencyjny EVAL-CN0503-ARDZ umożliwia szybkie prototypowanie na potrzeby pomiarów w ramach analizy cieczy m.in. następujących parametrów: fluorescencji, zmętnienia, absorbancji i kolorymetrii (ilustracja 2). Posiada on cztery modułowe wnęki do pomiarów optycznych, które zapewniają przelotowe ścieżki optyczne, natomiast dwie wnęki zawierają ortogonalne (90°) ścieżki rozpraszające. W komplecie znajduje się wykonany w technologii druku 3D uchwyt na standardowe kuwety 10mm, który można umieścić w dowolnej z czterech ścieżek optycznych. Projekt referencyjny zawiera również pomiarowe oprogramowanie układowe oraz oprogramowanie aplikacyjne przeznaczone do analizy cieczy.

Ilustracja 2: płytka EVAL-CN0503-ARDZ zawiera wykonany w technologii druku 3D uchwyt na standardowe kuwety 10mm, który można umieścić w dowolnej z czterech ścieżek optycznych wyposażonych w pomiarowe elementy optyczne. (Źródło ilustracji: Analog Devices, Inc.)

Płytka EVAL-CN0503-ARDZ łączy się z 32-bitową płytką mikrokontrolera Arm® Cortex®-M3 EVAL-ADICUP3029, która wykonuje operacje pomiarowe i odpowiada za przepływ danych. Płytka EVAL-ADICUP3029 łączy się bezpośrednio z laptopem w celu wyświetlenia zebranych danych w ewaluacyjnym graficznym interfejsie użytkownika.

W ramach analizy cieczy, płytka EVAL-CN0503-ARDZ umożliwia pomiary fluorescencji, zmętnienia, absorbancji i kolorymetrii próbki. Uchwyt na kuwety zawiera elementy optyczne, w tym soczewkę kolimacyjną i rozdzielacz wiązki. Każde z gniazd zawiera fotodiodę referencyjną i zapewnia odpowiednią ścieżkę optyczną dla pomiarów typu „plug-and-play”. Ponadto w celu dalszego dostosowania, karty z diodami LED i fotodiodami w każdej wnęce można wyłączyć.

W ramach demonstracji, pomiary pH, zmętnienia i fluorescencji zostaną wykorzystane do stworzenia krzywych kalibracyjnych, a następnie pomiaru niewiadomych za pomocą płytki EVAL-CN0503-ARDZ i jej oprogramowania ewaluacyjnego. Dodatkowo obliczana jest wartość poziomu szumów i granica wykrywalności (LOD). Pozwala to określić najniższe stężenie, które może wykryć płytka EVAL-CN0503-ARDZ w poszczególnych przykładach.

Przykładowa próba absorbancji

Pomiary absorbancji oparte na prawie Beera-Lamberta polegają na określeniu stężenia znanej substancji rozpuszczonej w roztworze płynnym na podstawie ilości światła zaabsorbowanego przy określonej długości fali. Jest to forma kolorymetrii. W tym przykładzie absorbancja służy do pomiaru pH, będącego powszechnym parametrem w badaniach jakości wody. Ten typ badania jest również przydatny w zastosowaniach analitycznych, w tym rozpuszczonego tlenu, biologicznego zapotrzebowania na tlen, azotanów, amoniaku i chloru.

Pomiary absorbancji przy użyciu bezpośredniej lub przelotowej ścieżki optycznej można wykonywać przy użyciu jednej z czterech ścieżek optycznych na płytce EVAL-CN0503-ARDZ (ilustracja 3).

Ilustracja 3: układ optyczny do pomiaru absorbancji z użyciem płytki EVAL-CN0503-ARDZ. W uchwycie na kuwety płytki EVAL-CN0503-ARDZ znajdują się elementy optyczne, w tym soczewka kolimacyjna i rozdzielacz wiązki. (Źródło ilustracji: Analog Devices, Inc.)

Padająca wiązka jest generowana przez diodę LED o żądanej długości fali. Rozdzielacz wiązki w ścieżce optycznej kieruje część światła do fotodiody referencyjnej, która próbkuje natężenie wiązki. Pozostała część wiązki światła jest przepuszczana przez próbkę. Różnice w natężeniu światła i szumach źródła LED są niwelowane przez obliczenie stosunku wartości wyjściowych dla fotodiody nadawczej i referencyjnej.

Zanieczyszczenie światłem ze stałych źródeł światła w otoczeniu jest eliminowane przez układ front-end ADPD4101BCBZR7 nawet o 60dB. Odbywa się to za pomocą schematu modulacji synchronicznej, który moduluje prąd diody LED i synchronicznie mierzy różnicę między stanem ciemnym (wyłączonym) (gdzie światło z otoczenia jest jedyną składową) i stanem wzbudzenia (włączonym) (gdzie obecne są zarówno składowe światła z otoczenia, jak i z diody LED). Tłumienie światła z otoczenia odbywa się automatycznie - nie są wymagane żadne zewnętrzne elementy sterujące.

Oprócz płytki EVAL-CN0503-ARDZ, omawiany przykład wymaga wspomnianej wcześniej płytki EVAL-ADICUP3029. Do kalibracji wykorzystuje się zestaw probierczo-regulacyjny API pH oraz zestaw próbek roztworów buforowych pH.

Anality zostały przygotowane przez dodanie wskaźnika barwnego (błękit bromotymolowy) z zestawu testowego API do przygotowanych roztworów o różnych wartościach pH. Błękit bromotymolowy w roztworze rozdziela się na słaby kwas o wysokiej absorbancji światła 430nm oraz zasadę sprzężoną o wysokiej absorbancji światła 650nm.

Roztwory przeniesiono do kuwet i przeprowadzono pomiar pH przy tych dwóch różnych długościach fal, gdzie wskaźnik pokazuje zmiany w absorpcji w funkcji pH. Można to łatwo osiągnąć w płytce EVAL-CN0503-ARDZ przy użyciu dwóch kart LED dla różnych długości fal umieszczanych w ścieżce optycznej 2 i ścieżce optycznej 3. Uchwyt na kuwety przesuwa się na dwie różne ścieżki w celu wykonania pomiarów.

Wyniki z obu ścieżek optycznych wyeksportowano do programu Excel za pomocą graficznego interfejsu użytkownika oprogramowania ewaluacyjnego EVAL-CN0503-ARDZ (ilustracja 4).

Ilustracja 4: przedstawiono krzywe kalibracji absorbancji pH dla prób ze źródłami światła o długości fali 430nm (po lewej) i 650nm (po prawej). (Źródło ilustracji: Analog Devices, Inc.)

W obu przypadkach wykreślono wartość pH w funkcji absorbancji, tworząc krzywą kalibracji. Do wygenerowania równania krzywej wykorzystano funkcję linii trendu w programie Excel. Szacunkowa miara dopasowania, R², jest w obu przypadkach zbliżona do 1,0, co wskazuje na doskonałą jakość dopasowania. Na podstawie tych równań można określić stężenia nieznanych próbek, gdzie dane wyjściowe czujnika są zmienną x, a wynikowa wartość y jest wartością pH. Oprogramowanie ewaluacyjne płytki EVAL-CN0503-ARDZ wykorzystuje dwa wielomiany piątego stopnia, INS1 i INS2. Po zapisaniu wielomianów można wybrać tryb INS1 lub INS2, aby uzyskać wyniki pomiarów bezpośrednio w żądanej jednostce, w tym przypadku w pH. Upraszcza to uzyskanie wyniku dla nieznanej próbki.

Poziom szumów pomiaru wymaga dwóch różnych punktów danych dla każdej z długości fal. Jeden z nich powinien mieć niższą wartość pH, a drugi wyższą. Używane są dwie wartości, ponieważ dopasowanie krzywej nie jest liniowe. Wybrano wartości pH 6,1 i 7,5. Dla każdego punktu wykonano wiele pomiarów, a odchylenie standardowe danych daje wartość skuteczną (RMS) szumów przy każdej długości fali dla każdej wartości pH. Wyniki przedstawiono w tabeli 1.

Tabela 1: wartości skuteczne (RMS) szumów dla dwóch wartości pH przy dwóch długościach fal. (Źródło tabeli: Analog Devices, Inc.)

Należy pamiętać, że dane te nie uwzględniają różnic spowodowanych przygotowaniem próbki.

Granica wykrywalności (LOD) określa najniższe stężenie, jakie może zostać wykryte przez płytkę EVAL-CN0503-ARDZ. Granica wykrywalności (LOD) jest zwykle określana przez pomiar szumów przy niskich poziomach stężenia. Aby osiągnąć poziom ufności 99,7%, wartość szumów jest mnożona przez trzy. Biorąc pod uwagę, że pH jest skalą logarytmiczną, granicę wykrywalności (LOD) określono dla pH równego 7. Ponownie dokonano tego przy długościach fal 430nm i 625nm. Granica wykrywalności (LOD) przy 430nm wyniosła pH = 0,001099, a przy 615nm było to pH = 0,001456.

Przykładowe próby zmętnienia

Zmętnienie jest miarą względnej przejrzystości cieczy. Pomiar opiera się na zjawisku rozpraszania światła przez cząstki zawieszone w cieczy. Na rozpraszanie światła wpływa rozmiar i stężenie zawieszonych cząstek, a także długość fali padającego światła. Czynniki te wpływają na ilość rozpraszanego światła i kąt rozpraszania. Próby zmętnienia są przeprowadzane w wielu dziedzinach, np. przy pomiarach jakość wody i w naukach przyrodniczych. Można je również stosować do określania wzrostu glonów poprzez pomiar gęstości optycznej.

Ścieżka optyczna do prób zmętnienia wykorzystuje fotodiody umieszczone tak, aby wykrywać światło pod kątem 90˚ lub 180˚. Badanie zmętnienia przy użyciu płytki EVAL-CN0503-ARDZ wymaga detektora pod kątem 90˚, który jest dostępny w wnękach probierczych 1 i 4. Wnękę optyczną 4, z płytką LED 530nm wstawioną jako źródło, pokazano na ilustracji 5.

Ilustracja 5: w celu wykrywania światła rozpraszanego przez cząstki w roztworze na ścieżce optycznej, do badania zmętnienia wykorzystuje się fotodetektory ustawione pod kątem 90˚ i 180˚ do niej. (Źródło ilustracji: Analog Devices, Inc.)

Ten przykład demonstruje zmodyfikowaną wersję metody EPA 180.1 „Oznaczanie zmętnienia metodą nefelometrii”, skalibrowaną i podaną w nefelometrycznych jednostkach zmętnienia (NTU).

Sprzęt używany do testowania zmętnienia obejmuje płytki ewaluacyjne EVAL-CN0503-ARDZ i EVAL-ADICUP3029, a także zestaw do kalibracji ze wzorcem zmętnienia firmy Hanna Instruments. Wzorzec kalibracyjny zmętnienia zawiera mikrogranulki określonych rozmiarów w ultraczystej wodzie. Rozwiązania te służą do kalibracji i walidacji pomiarów zmętnienia.

Korzystając z ewaluacyjnego graficznego interfejsu użytkownika (GUI) oprogramowania EVAL-CN0503-ARDZ, wyniki pomiarów wyeksportowano do programu Excel, gdzie wygenerowano krzywą kalibracji zmętnienia (ilustracja 6).

Ilustracja 6: krzywe kalibracji bazują na wynikach prób zmętnienia. Dopasowanie krzywej liniowej pokazuje, że modele liniowe charakteryzują się znakomitym oszacowaniem miary dopasowania (R²). (Źródło ilustracji: Analog Devices, Inc.)

Należy zauważyć, że na ilustracji 6 wartości odciętej współczynnika względnego (RRAT) są odniesione do wartości bazowej lub bezwzględnej wartości współczynnika w oparciu o znany układ pomiarowy z pustą kuwetą lub z wodą destylowaną, gdzie współczynnika padającego do odbitego jest prawie równy 1. Proces ten służy do usuwania niewielkich czynników wprowadzanych do pomiaru przez optyczne elementy szklane, takie jak rozdzielacz wiązki, soczewka i filtry. Wartość ta służy jako odniesienie dla kolejnych pomiarów.

Ponieważ pomiar rozproszenia pod kątem 90° jest mniej czuły na wysokie zmętnienia, krzywą odpowiedzi podzielono na dwie sekcje - pierwsza sekcja reprezentuje niższe zmętnienie (od 0NTU do 100NTU), a druga sekcja reprezentuje wyższe zmętnienie (od 100NTU do 750NTU). Następnie dla każdej sekcji wykonano dwa dopasowania liniowe. Mimo że istnieją teraz dwie wartości równania, płytka EVAL-CN0503-ARDZ nadal może być użyta do szybkiego wyświetlenia wynikowych wartości NTU przy użyciu wbudowanego dopasowania wielomianowego INS1 lub INS2.

Wartość szumów ustalono określając odchylenie standardowe z powtarzanych pomiarów. Ze względu na dopasowanie liniowe zastosowano tylko jeden punkt szumów w pobliżu dolnej części zakresu (12NTU). Poziom szumów został zmierzony na poziomie 0,282474NTU.

Granica wykrywalności (LOD) została ustalona poprzez ustalenie wartości szumów dla próbki o niskim lub zerowym stężeniu. Wartość szumów również została pomnożona przez trzy, aby uzyskać 99,7% przedział ufności. Dla stężenia zerowego granica wykrywalności (LOD) wynosiła 0,69204NTU.

Przykładowe próby fluorescencji

Fluorescencja jest wynikiem wzbudzania elektronów niektórych materiałów przez wiązkę światła, co powoduje, że emitują one światło o innej długości fali. Natężenie emitowanego światła jest proporcjonalne do stężenia materiału światłoczułego. Pomiary fluorometryczne dają na ogół znacznie precyzyjniejsze rezultaty niż pomiary absorbancji stosowane w celu pomiaru stężenia materiałów w roztworach. Emisje fluorescencyjne można wykorzystać do identyfikacji obecności i ilości określonych cząsteczek, ponieważ są one chemicznie specyficzne. Pomiary fluorescencji charakteryzują się liniowością w szerszym zakresie stężeń. Pomiary fluorescencji stosuje się m.in. w analizach biologicznych, oznaczaniu rozpuszczonego tlenu, chemicznego zapotrzebowania na tlen oraz określaniu powodzenia procesu pasteryzacji mleka.

Ogólnie rzecz biorąc, emisje fluorescencyjne są mierzone za pomocą fotodetektora ustawionego pod kątem 90° do światła padającego, aby zminimalizować jego wpływ na pomiar. Detektor referencyjny do pomiaru światła padającego służy do minimalizacji czynników zakłócających pomiar. Czynniki te to m.in. zniekształcenia powodowane przez źródło światła, oświetlenie zewnętrzne i niewielkie ruchy w próbce. Dodatkowo wraz z detektorem fluorescencyjnym stosuje się optyczny filtr monochromatyczny lub filtr długoprzepustowy w celu zwiększenia separacji światła padającego i emitowanego (ilustracja 7).

Ilustracja 7: ścieżka optyczna do pomiaru fluorescencji. Fotodioda fluorescencyjna jest umieszczona pod kątem 90° do ścieżki światła padającego. Filtr fluorescencyjny tłumi długość fali źródłowej diody LED. (Źródło ilustracji: Analog Devices, Inc.)

Również tutaj sprzęt używany do prób fluorescencyjnych obejmuje płytki EVAL-CN0503-ARDZ i EVAL-ADICUP3029.

W tym przykładzie do zademonstrowania fluorescencyjnego chlorofilu użyto liści szpinaku. Roztwór szpinaku powstał poprzez zblendowanie liści szpinaku z wodą. Po przefiltrowaniu użyto go jako roztworu podstawowego. Poprzez rozcieńczenie roztworu podstawowego utworzono roztwory szpinaku o różnych zawartościach procentowych, które następnie użyto jako wzorców do utworzenia krzywej kalibracyjnej. Ponieważ potrzebny był detektor ortogonalny, zastosowano wnękę optyczną 1 w płytce EVAL-CN0503-ARDZ. Źródłem była dioda LED o długości fali 365nm z wstawionym filtrem długoprzepustowym.

Zbadano siedem roztworów szpinaku o różnych zawartościach procentowych i wykreślono krzywą kalibracji chlorofilu (ilustracja 8).

Ilustracja 8: krzywa kalibracji dla procentowego roztworu szpinaku, z uwzględnieniem równania linii trendu. (Źródło ilustracji: Analog Devices, Inc.)

Podobnie jak we wcześniejszych przykładach, dla krzywej kalibracji chlorofilu można zapisać równanie linii trendu, dzięki czemu płytka EVAL-CN0503-ARDZ raportuje wyniki bezpośrednio w procentach.

Ponieważ krzywa kalibracji jest nieliniowa, szumy zostały zmierzone przy użyciu dwóch punktów danych - 7,5% i 20%. Odchylenie standardowe wielu prób dla każdej próbki dało wartość skuteczną (RMS) szumów 0,0616% szpinaku dla próbki 7,5% i 0,1159% szpinaku dla próbki 20%.

Granica wykrywalności (LOD) została określona przy użyciu próbki o stężeniu zerowym lub niskim. Pomiar wartości skutecznej (RMS) szumów dla próbki również został pomnożony przez trzy, aby reprezentować poziom ufności 99,7%, co dało granicę wykrywalności (LOD) równą 0,1621% szpinaku.

Podsumowanie

Stworzenie przenośnego optycznego systemu pomiarowego do analizy cieczy, który będzie jednocześnie precyzyjny, dokładny i łatwy w użyciu, wymaga znacznej wiedzy na temat interakcji dziedzin chemii, optyki i elektroniki. Podczas projektowania takiego układu o wysokiej dokładności i precyzji, zamiast projektować skomplikowany łańcuch sygnałowy we własnym zakresie, projektanci mogą wykorzystać optyczny analogowy układ front-end (AFE) ADPD4101BCBZR7. Działanie analogowego układu front-end (AFE) wspiera projekt referencyjny EVAL-CN0503-ARDZ, co ułatwia rozpoczęcie prac. Jego bazę stanowi układ ADPD4101BCBZR7 z dodatkowymi komponentami optycznymi, oprogramowaniem układowym i oprogramowaniem, które tworzą łatwą w użyciu i łatwą do dostosowania platformę prototypowania, zdolną do wykonywania dokładnych pomiarów optycznych absorbancji, kolorymetrii, zmętnienia i fluorescencyjnych parametrów cieczy.