Efectuați oricând analiza optică a lichidelor, utilizând un front-end de senzor multimodal

În contextul preocupării globale privind securitatea apei potabile ca urmare a secetelor, a intensității și frecvenței furtunilor și a creșterii populației, analiza lichidelor a devenit extrem de importantă. Analiza în timp real și la fața locului a probelor de apă este necesară pentru a minimiza poluarea și impactul acesteia asupra ecosistemului.

Această detectare în timp real a lichidelor necesită progrese în ceea ce privește instrumentația, care să includă dimensiuni mai mici, un consum redus de energie, acuratețe îmbunătățită, o personalizare rapidă, timpi de răspuns mai rapizi și robustețe, oferind în același timp rezultate de înaltă calitate.

Instrumentația bazată pe optică este utilă în acest caz, deoarece poate efectua măsurători de înaltă precizie care nu sunt distructive, oferind detectarea fără contact a unor măsurători cum ar fi turbiditatea, carbonul organic total, totalul solidelor în suspensie, oxigenul dizolvat și prezența contaminanților ionici. Cu toate acestea, astfel de sisteme necesită front-end-uri analogice complexe (AFE) pentru a comanda diode emițătoare de lumină (LED), în timp ce detectează și digitalizează lumina primită, în fața zgomotului ambiental și a celui provenit de la sistem. Astfel de capacități de proiectare depășesc competențele unui proiectant obișnuit. Este nevoie de o soluție mai elegantă, gata de utilizare.

Acest articol discută pe scurt analiza optică a lichidelor, apoi prezintă o platformă portabilă, în timp real, pentru analiza rapidă a lichidelor, bazată pe un AFE de senzor optic multimodal de la Analog Devices, Inc. De asemenea, este prezentat un proiect de referință bazat pe AFE care oferă până la patru compartimente modulare de traseu optic. Proiectul de referință este utilizat pentru a demonstra cum se efectuează măsurătorile hidrogenului potențial (pH), ale turbidității și fluorescenței, cum se creează curbele de calibrare și cum se măsoară necunoscutele.

Bazele analizei optice a lichidelor

Analiza optică a lichidelor poate fi utilizată pentru a măsura concentrațiile de elemente dintr-o probă lichidă. Tehnica are multe avantaje, inclusiv faptul că este nedistructivă și utilizează detectarea fără contact. În plus, rezultatele oferă o precizie ridicată și abatere redusă.

Din punct de vedere conceptual, analiza optică expune proba de lichid la lumină de la o sursă, cum ar fi o diodă emițătoare de lumină (LED) cu o lungime de undă optică cunoscută. Lumina trece prin probă, interacționează cu aceasta și este detectată de o fotodiodă (PD). Răspunsul măsurat de la PD este comparat cu răspunsurile la probe cu concentrații cunoscute, formând o curbă de calibrare în raport cu care se poate stabili valoarea necunoscută.

Acest proces descrie măsurătorile analitice care ar fi utilizate într-un laborator general în care măsurătorile de precizie ale lichidelor optice combină rezultatele din domenii diferite, precum electronica, optica și chimia. Pentru ca acest tip de testare să fie disponibil pe scară largă, este necesară reducerea proceselor la un factor de formă mic, ceea ce crește complexitatea proiectului.

O soluție modulară pentru măsurarea rapidă a lichidelor

Pentru a simplifica procesul de proiectare a instrumentelor, Analog Devices a creat proiectul de referință EVAL-CN0503-ARDZ bazat pe front-end-ul analogic (AFE) optic ADPD4101BCBZR7. ADPD4101BCBZR7 este un front-end de senzor multimodal complet care poate comanda până la opt leduri și poate măsura până la opt intrări separate de curent returnat (Figura 1). AFE respinge decalajele de semnal și interferențele cauzate de interferența modulată asincronă, care provine, de obicei, din lumina ambientală. AFE este extrem de configurabil și dispune de un raport semnal-zgomot (SNR) optic de până la 100 de decibeli (dB), cu o respingere ridicată a luminii ambientale, utilizând metode de detecție sincronă pe cip, ceea ce îi permite, în multe cazuri, să fie utilizat fără o carcasă întunecată din punct de vedere optic.

Figura 1: AFE de senzor multimodal ADPD4101BCBZR7 poate comanda până la opt leduri și poate măsura până la opt intrări separate de curent returnat. (Sursă imagine: Analog Devices, Inc.)

Proiectul de referință EVAL-CN0503-ARDZ permite realizarea rapidă a prototipurilor de măsurători pentru analiza lichidelor, inclusiv fluorescența, turbiditatea, absorbția și colorimetria (Figura 2). Acesta are patru compartimente de testare optică modulare care oferă trasee optice de trecere, iar două compartimente includ trasee de dispersie ortogonale (90°). Este inclus un suport de cuve imprimat 3D pentru cuve standard de 10 milimetri (mm), care poate fi plasat în oricare dintre cele patru trasee optice. Proiectul de referință oferă și firmware de măsurare și software de aplicație destinat analizei lichidelor.

Figura 2: EVAL-CN0503-ARDZ include un suport de cuve imprimat 3D pentru cuve standard de 10 mm care pot fi plasate în oricare dintre cele patru trasee optice care încorporează optica de măsurare. (Sursă imagine: Analog Devices, Inc.)

EVAL-CN0503-ARDZ se conectează cu EVAL-ADICUP3029, o placă de microcontroler Arm® Cortex®-M3 pe 32 de biți, care gestionează operațiunea de măsurare și fluxul de date. Placa EVAL-ADICUP3029 se conectează direct la un laptop pentru a afișa datele achiziționate în interfața grafică de evaluare.

Măsurătorile pentru analiza lichidelor în ceea ce privește fluorescența, turbiditatea, absorbția și colorimetria unei probe pot fi efectuate cu EVAL-CN0503-ARDZ. Suportul pentru cuvă adăpostește componentele optice, inclusiv o lentilă colimatoare și un separator de fascicule. Fiecare dintre locașuri conține o fotodiodă de referință și oferă un traseu optic adecvat pentru măsurători de tip plug-and-play. În plus, plăcuțele cu leduri și fotodiode din fiecare compartiment pot fi schimbate pentru personalizare suplimentară.

Ca demonstrație, măsurătorile de pH, turbiditate și fluorescență vor fi utilizate pentru a crea curbe de calibrare și apoi pentru a măsura necunoscutele cu EVAL-CN0503-ARDZ și software-ul de evaluare al acestuia. În plus, se calculează valoarea nivelului de zgomot și limita de detecție (LOD). Aceasta va determina cea mai mică concentrație care poate fi detectată de EVAL-CN0503-ARDZ în fiecare exemplu.

Un exemplu de testare a absorbției

Măsurătorile de absorbție, bazate pe legea Beer-Lambert, implică determinarea concentrației unui solut cunoscut într-o soluție lichidă pe baza cantității de lumină absorbită la o anumită lungime de undă. Aceasta este o formă de colorimetrie. În acest exemplu, absorbția este utilizată pentru a măsura pH-ul, un parametru comun în testarea calității apei. Acest tip de test este, de asemenea, util în aplicațiile de analiză, inclusiv pentru oxigenul dizolvat, consumul biologic de oxigen, nitrați, amoniac și clor.

Măsurătorile de absorbție, utilizând un traseu optic direct sau cu trecere, pot fi efectuate utilizând oricare dintre cele patru trasee optice de pe EVAL-CN0503-ARDZ (Figura 3).

Figura 3: Este prezentată configurația optică pentru o măsurare a absorbției cu ajutorul EVAL-CN0503-ARDZ. Suportul pentru cuve din EVAL-CN0503-ARDZ găzduiește componentele optice, inclusiv o lentilă colimatoare și un separator de fascicule. (Sursă imagine: Analog Devices, Inc.)

Un led la lungimea de undă dorită generează fasciculul incident. Un separator de fascicule din traseul optic direcționează o parte din lumină către o fotodiodă de referință care eșantionează intensitatea fasciculului. Restul fasciculului optic este direcționat prin probă. Variațiile de intensitate luminoasă și zgomotul sursei ledului sunt anulate prin intermediul raportului dintre ieșirile fotodiodelor de transmisie și de referință.

Contaminarea cu lumină ambientală de la surse de lumină constantă este respinsă cu până la 60 dB de către ADPD4101BCBZR7. Acest lucru se realizează utilizând o schemă de modulare sincronă care modulează curentul ledului și măsoară în mod sincron diferența dintre starea întunecată (stinsă) (în care lumina ambientală este singura componentă) și starea excitată (aprinsă) (în care sunt prezente atât lumina ambientală, cât și componenta ledului). Această respingere a luminii ambientale este automată; nu sunt necesare controale externe.

În plus față de EVAL-CN0503-ARDZ, acest exemplu necesită EVAL-ADICUP3029 menționat anterior. Acesta utilizează un kit API de testare și ajustare a pH-ului și un set de probe cu soluții tampon pentru pH pentru calibrare.

Analiții au fost preparați prin adăugarea unui indicator colorat (albastru de bromtimol) din kitul de testare API în soluțiile preparate cu diferite valori de pH. Albastrul de bromtimol, în soluție, se separă într-un acid slab cu o absorbție ridicată a luminii la 430 nanometri (nm) și o bază conjugată care are o absorbție ridicată a luminii la 650 nm.

Soluțiile au fost transferate în cuve, iar măsurarea pH-ului a fost efectuată la aceste două lungimi de undă diferite, unde indicatorul prezintă modificări ale absorbției în funcție de pH. Acest lucru este ușor de realizat în EVAL-CN0503-ARDZ folosind două plăcuțe cu leduri pentru lungimi de undă diferite, care au fost introduse în traseul optic 2 și traseul optic 3. Suportul cuvei este deplasat în cele două trasee diferite pentru măsurători.

Rezultatele din ambele trasee optice au fost exportate în Excel cu ajutorul interfeței grafice de utilizare a software-ului de evaluare EVAL-CN0503-ARDZ (Figura 4).

Figura 4: Sunt prezentate curbele de calibrare a absorbției pH-ului pentru testele cu surse de lumină de 430 nm (stânga) și 650 nm (dreapta). (Sursă imagine: Analog Devices, Inc.)

În ambele cazuri, s-a trasat pH-ul în funcție de absorbție pentru a crea curba de calibrare. Pentru a genera o ecuație pentru curbă, s-a utilizat o funcție pentru linia de tendință în Excel. Valoarea estimată a indicelui de potrivire, R², este aproape de 1,0 în ambele cazuri, ceea ce indică o calitate excelentă a potrivirii. Concentrațiile probelor necunoscute pot fi determinate din aceste ecuații, cu ieșirea senzorului introdusă ca variabilă x, iar valoarea y rezultată fiind pH-ul. Software-ul de evaluare EVAL-CN0503-ARDZ implementează două polinoame de ordinul al cincilea, INS1 și INS2. Odată ce polinoamele sunt stocate, se poate selecta modul INS1 sau INS2, astfel ca rezultatele măsurătorilor să fie raportate direct în unitatea dorită, în acest caz, pH. Acest lucru simplifică obținerea unui rezultat pentru o probă necunoscută.

Nivelul de zgomot al măsurătorii necesită două puncte de date diferite pentru fiecare lungime de undă. Unul ar trebui să aibă o valoare mai mică a pH-ului, iar celălalt o valoare mai mare. Se utilizează două valori deoarece curba nu este liniară. Valorile alese pentru pH au fost 6,1 și 7,5. S-au efectuat măsurători multiple pentru fiecare punct, iar abaterea standard a datelor dă valoarea zgomotului mediu la rădăcină medie pătratică (RMS) la fiecare lungime de undă pentru fiecare valoare a pH-ului. Rezultatele sunt prezentate în Tabelul 1.

Tabelul 1: Sunt prezentate valorile zgomotului RMS pentru două valori de pH la două lungimi de undă. (Sursa tabelului: Analog Devices, Inc.)

Rețineți că aceste date exclud variațiile datorate pregătirii probei.

Limita de detecție (LOD) determină cea mai mică concentrație susceptibilă de a fi detectată de EVAL-CN0503-ARDZ. De obicei, LOD se determină prin măsurarea zgomotului la niveluri scăzute de concentrație. Pentru a obține un nivel de încredere de 99,7%, valoarea zgomotului se înmulțește cu trei. Având în vedere că pH-ul este o scală logaritmică, LOD a fost determinat pentru un pH de 7. Acest lucru s-a făcut din nou la lungimi de undă de 430 nm și 625 nm. LOD la 430 nm a fost un pH de 0,001099, iar LOD la 615 nm a fost un pH de 0,001456.

Un exemplu de testare a turbidității

Turbiditatea măsoară claritatea relativă a unui lichid. Măsurătoarea se bazează pe proprietatea de dispersare a luminii de către particulele suspendate în lichid. Dispersia luminii este afectată de dimensiunea și concentrația particulelor în suspensie, precum și de lungimea de undă a luminii incidente. Acești factori afectează cantitatea de lumină dispersată și unghiul de dispersie. Testele de turbiditate se efectuează în multe industrii, inclusiv în domeniul calității apei și al științelor vieții. De asemenea, se pot aplica pentru a determina creșterea algelor prin măsurarea densității optice.

Traseul optic pentru testarea turbidității utilizează fotodiode plasate pentru a detecta lumina la unghiuri de 90˚ sau 180˚. În EVAL-CN0503-ARDZ, testarea turbidității necesită un detector la 90˚, care este disponibil în compartimentele de testare 1 și 4. În Figura 5 este prezentat compartimentul optic 4, cu o placă cu leduri de 530 nm introdusă ca sursă.

Figura 5: Traseul optic pentru un test de turbiditate utilizează fotodetectoare la 90˚ și 180˚ față de traseul de lumină pentru a detecta lumina dispersată de particulele din soluție. (Sursă imagine: Analog Devices, Inc.)

Acest exemplu prezintă o versiune modificată a metodei EPA 180.1, „Determinarea turbidității prin nefelometrie”, calibrată și raportată în unități de turbiditate nefelometrică (NTU).

Echipamentul utilizat pentru testarea turbidității include plăcile de evaluare EVAL-CN0503-ARDZ și EVAL-ADICUP3029, precum și setul de calibrare a standardului de turbiditate Hanna Instruments. Standardul de calibrare a turbidității prevede microsfere de dimensiuni specifice în apă ultrapură. Aceste soluții sunt utilizate pentru a calibra și valida măsurătorile de turbiditate.

Cu ajutorul interfeței grafice de utilizare (GUI) a software-ului de evaluare EVAL-CN0503-ARDZ, rezultatele măsurătorilor au fost exportate în Excel, unde a fost generată o curbă de calibrare a turbidității (Figura 6).

Figura 6: Aceste curbe de calibrare se bazează pe rezultatele testelor de turbiditate. Potrivirea curbei liniare arată că modelele liniare au estimări excelente ale indicelui de potrivire (R²). (Sursă imagine: Analog Devices, Inc.)

Rețineți că, în Figura 6, valorile raportului relativ (RRAT) de pe abscisă sunt raportate la linia de bază sau la valorile absolute ale raportului pe baza unei configurații de măsurare cunoscute cu o cuvă goală sau cu apă distilată, unde raportul dintre lumina incidentă și cea reflectată este aproape de 1. Acest proces este utilizat pentru a elimina factorii mici introduși în măsurători de către elementele optice din sticlă, cum ar fi separatorul de fascicule, lentilele și filtrele. Această valoare este utilizată ca referință pentru măsurători succesive.

Deoarece măsurarea dispersiei la 90° este mai puțin sensibilă la turbidități ridicate, curba de răspuns a fost împărțită în două secțiuni: prima secțiune reprezintă turbiditatea scăzută (de la 0 NTU până la 100 NTU), iar cealaltă reprezintă turbiditatea ridicată (de la 100 NTU până la 750 NTU). Apoi au fost efectuate două ajustări liniare pentru fiecare secțiune. Chiar dacă acum există două valori ale ecuației, EVAL-CN0503-ARDZ poate fi utilizat în continuare pentru a afișa rapid valorile NTU rezultate, utilizând ajustările polinomiale INS1 sau INS2 încorporate.

Valoarea zgomotului a fost determinată prin calcularea abaterii standard a măsurătorilor repetate. Datorită potrivirii liniare, a fost utilizat doar un singur punct de zgomot din apropierea părții inferioare a intervalului (12 NTU). Nivelul de zgomot a fost măsurat la 0,282474 NTU.

LOD a fost stabilit prin calcularea valorii de zgomot a unei probe cu o concentrație scăzută sau a unui martor. Din nou, valoarea zgomotului a fost înmulțită cu trei pentru a reprezenta un interval de încredere de 99,7%. Pentru o concentrație de probă martor, LOD a fost de 0,69204 NTU.

Un exemplu de testare a fluorescenței

Fluorescența este rezultatul excitării electronilor din unele materiale de către un fascicul de lumină, ceea ce îi determină să emită lumină la o altă lungime de undă. Intensitatea luminii emise este proporțională cu concentrația de material fotosensibil. Fluorometria este, în general, mult mai sensibilă decât utilizarea măsurătorilor de absorbție pentru măsurarea concentrației materialelor din soluție. Emisiile de fluorescență pot fi utilizate pentru a identifica prezența și cantitatea de molecule specifice, deoarece sunt specifice din punct de vedere chimic. Măsurătorile de fluorescență sunt liniare pe o gamă mai largă de concentrații. Printre aplicațiile măsurătorilor de fluorescență se numără testele biologice, oxigenul dizolvat, consumul chimic de oxigen și detectarea pasteurizării cu succes a laptelui.

În general, emisiile de fluorescență se măsoară cu ajutorul unui fotodetector poziționat la 90° față de lumina incidentă pentru a minimiza efectul acesteia asupra măsurătorii. Se utilizează un detector de referință pentru măsurarea luminii incidente, pentru a minimiza factorii care interferează cu măsurătoarea. Acești factori includ distorsiuni față de sursa de lumină, iluminarea externă și micile mișcări ale probei. În plus, se utilizează un filtru optic monocromatic sau un filtru cu trecere lungă cu detectorul de fluorescență pentru a mări separarea luminii incidente față de cea emisă (Figura 7).

Figura 7: Traseul optic pentru măsurarea fluorescenței. Fotodioda de fluorescență este plasată la 90° față de traseul luminii incidente. Un filtru de fluorescență atenuează lungimea de undă a ledului sursă. (Sursă imagine: Analog Devices, Inc.)

Din nou, echipamentul utilizat pentru testarea fluorescenței include plăcile EVAL-CN0503-ARDZ și EVAL-ADICUP3029.

În acest exemplu, au fost folosite frunze de spanac pentru a demonstra fluorescența clorofilei. O soluție de spanac a fost creată prin amestecarea frunzelor de spanac cu apă. După filtrare, aceasta a fost utilizată ca soluție stoc. Diferite procente de soluție de spanac au fost create prin diluarea soluției stoc și au fost utilizate ca standarde pentru a crea o curbă de calibrare. Deoarece a fost nevoie de un detector ortogonal, a fost utilizat compartimentul optic 1 din EVAL-CN0503-ARDZ. Sursa a fost un led cu o lungime de undă de 365 nm, cu un filtru de trecere lungă introdus.

S-au testat șapte procente diferite din soluția de spanac, iar curba de calibrare a clorofilei a fost trasată (Figura 8).

Figura 8: Curba de calibrare pentru soluția procentuală de spanac, inclusiv ecuația liniei de tendință. (Sursă imagine: Analog Devices, Inc.)

La fel ca în exemplele anterioare, ecuația liniei de tendință pentru curba de calibrare a clorofilei poate fi stocată astfel încât rezultatele să fie raportate direct sub formă de procent de către EVAL-CN0503-ARDZ.

Deoarece curba de calibrare nu este liniară, zgomotul a fost măsurat folosind două puncte de date – 7,5% și 20%. Abaterea standard a testelor multiple cu fiecare probă a determinat o valoare a zgomotului RMS de 0,0616% spanac pentru proba de 7,5% și de 0,1159% spanac pentru proba de 20%.

LOD a fost determinată folosind un martor sau o probă cu concentrație scăzută. Din nou, măsurarea zgomotului RMS pentru probă a fost înmulțită cu trei pentru a reprezenta un nivel de încredere de 99,7%, ceea ce a produs un LOD de 0,1621% spanac.

Concluzie

Crearea unui sistem portabil de măsurare pentru analiza optică a lichidelor necesită cunoștințe considerabile despre interacțiunile dintre chimie, optică și electronică, pentru putea obține un dispozitiv care să fie precis, exact și ușor de utilizat. Pentru a proiecta unul cu acuratețe și precizie ridicată, proiectanții pot utiliza AFE optic ADPD4101BCBZR7 în loc să proiecteze un lanț de semnal complex la nivel intern. Pentru a vă ajuta să începeți, AFE este susținut de proiectul de referință EVAL-CN0503-ARDZ. Acesta se bazează pe ADPD4101BCBZR7, prin adăugarea componentelor optice, firmware-ului și software-ului pentru a realiza o platformă de prototipare ușor de utilizat și foarte adaptabilă, capabilă să producă măsurători optice precise ale absorbției, colorimetriei, turbidității și parametrilor de fluorescență ale lichidelor.