作者：Sydney Wells and Scott Hunt

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境對(duì)于提高全球可持續(xù)性至關(guān)重要。能夠快速分析樣本并識(shí)別問題是快速解決問題的關(guān)鍵，同時(shí)將對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響降至最低。這種對(duì)無處不在的實(shí)時(shí)傳感的推動(dòng)已經(jīng)改變了對(duì)液體傳感器的要求，要求更小的尺寸、更高的魯棒性和更低的功耗，同時(shí)仍然提供高質(zhì)量的結(jié)果。隨著行業(yè)的發(fā)展，需要用于移動(dòng)傳感的智能平臺(tái)。這些平臺(tái)需要具有高度的通用性，能夠滿足從環(huán)境水到過程控制的廣泛應(yīng)用的獨(dú)特要求。本文將介紹一種用于快速液體傳感的便攜式實(shí)時(shí)傳感解決方案和原型設(shè)計(jì)平臺(tái)。

一種常見的液體分析技術(shù)

有多種方法可以測(cè)試液體，目的是測(cè)量樣品中未知參數(shù)的濃度，例如pH，熒光或濁度。一種流行的方法是光學(xué)評(píng)估液體，因?yàn)樗菬o創(chuàng)的，并提供穩(wěn)定準(zhǔn)確的結(jié)果。精密光學(xué)液體測(cè)量需要電子、光學(xué)和化學(xué)方面的混合領(lǐng)域知識(shí)。簡單來說，分析從暴露于LED等光源的光的樣品開始。與樣品相互作用后，產(chǎn)生的光由光電二極管處理。該測(cè)量響應(yīng)與一組已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)樣品的測(cè)量響應(yīng)作圖。這稱為校準(zhǔn)曲線。使用校準(zhǔn)曲線，可以確定未知值。這描述了用于分析測(cè)量的一般實(shí)驗(yàn)室方法，但為了滿足無處不在的傳感需求，它必須擴(kuò)展到不同的分析物和測(cè)量技術(shù)，并適合小尺寸，所有這些都增加了設(shè)計(jì)和評(píng)估的復(fù)雜性。

圖1.吸光度校準(zhǔn)曲線示例。

用于快速液體測(cè)量的模塊化ADI解決方案

ADI公司的ADPD4101是一款光學(xué)模擬前端（AFE），能夠驅(qū)動(dòng)LED，同步接收和處理來自光電二極管的信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)高精度光學(xué)測(cè)量。ADPD4101具有高度可配置性，具有高達(dá)100 dB的高光信噪比和片內(nèi)同步檢測(cè)方法提供的高環(huán)境光抑制能力，因此在許多情況下無需光學(xué)暗外殼即可使用。

CN0503參考設(shè)計(jì)旨在使用ADPD4101實(shí)現(xiàn)液體分析測(cè)量的快速原型設(shè)計(jì)。CN0503以ADPD4101為核心產(chǎn)品，但增加了多達(dá)四個(gè)模塊化光路以及針對(duì)液體分析的測(cè)量固件和應(yīng)用軟件。CN0503直接與ADICUP3029板連接，該板管理測(cè)量例程和數(shù)據(jù)流。ADICUP3029板可以直接連接到筆記本電腦，以在評(píng)估GUI中查看結(jié)果。CN0503可以測(cè)量熒光、濁度、吸光度和比色法。樣品在比色皿中制備并放置在3D打印的比色皿支架中，該支架裝有光學(xué)元件，包括透鏡和分束器。比色皿支架插入適當(dāng)?shù)墓饴罚糜诩床寮从脺y(cè)量。此外，LED和光電二極管卡可以切換，以進(jìn)行更多的定制。

為了演示如何使用CN0503創(chuàng)建校準(zhǔn)曲線和測(cè)量未知物，將顯示pH、濁度和熒光的測(cè)量值。評(píng)估GUI用于進(jìn)行測(cè)量以創(chuàng)建校準(zhǔn)曲線。計(jì)算噪聲值和檢測(cè)限（LOD），以確定CN0503為每個(gè)示例檢測(cè)的最低可行濃度。

圖2.CN0503評(píng)估板。

用吸光度測(cè)量pH值

吸光度背景

吸光度涉及根據(jù)在特定波長下吸收的光量來確定溶液中已知溶質(zhì)的濃度。濃度與吸光度成正比，根據(jù)比爾-朗伯定律。許多無色分析物可以通過添加變色試劑來測(cè)量。這個(gè)例子是測(cè)量pH值，這是從水質(zhì)到廢水處理的許多行業(yè)中最常見的測(cè)量參數(shù)之一。吸光度測(cè)量用于許多其他參數(shù)，包括溶解氧/生物需氧量、硝酸鹽、氨和氯。

光學(xué)

用于吸光度測(cè)量的光路配置如圖3所示。使用CN0503，可以在任何光路（1至4）中進(jìn)行吸光度測(cè)量。入射光束對(duì)準(zhǔn)分束器，參考光電二極管對(duì)光束強(qiáng)度進(jìn)行采樣。剩余功率通過樣本。取樣本光與參考光的比率可消除LED光源的變化和噪聲，同步脈沖和接收窗口提供環(huán)境光抑制。

圖3.用于測(cè)量吸光度的光路。

設(shè)置設(shè)備

CN0503評(píng)估板

EVAL-ADICUP3029 評(píng)估板

API pH 測(cè)試和調(diào)節(jié)器套件

pH標(biāo)準(zhǔn)液

圖4.CN0503進(jìn)行pH測(cè)量。

在該實(shí)驗(yàn)中，將顏色指示劑（溴硫酚藍(lán)）添加到具有不同pH值的制備溶液中。將溶液轉(zhuǎn)移到比色皿中，并在兩種不同的波長（430 nm和615 nm）下進(jìn)行測(cè)試，其中指示劑顯示吸收隨pH值的變化。CN0503使這變得容易;兩種不同波長的LED卡可以插入光路2和光路3。然后，將比色皿支架簡單地移動(dòng)到不同的路徑中進(jìn)行不同的測(cè)量。

結(jié)果

使用CN0503評(píng)估GUI，兩條光路的測(cè)量結(jié)果都可以輕松導(dǎo)出到Excel中。兩種不同波長的校準(zhǔn)曲線如圖5和圖6所示。

圖5.pH值在430nm處的吸光度校準(zhǔn)曲線。

圖6.615nm處pH的吸光度校準(zhǔn)曲線。

在每種情況下，繪制pH與吸光度的關(guān)系圖以創(chuàng)建校準(zhǔn)曲線。然后使用“添加趨勢(shì)線”選項(xiàng)獲取曲線的方程。然后使用這些方程來確定未知樣品的濃度。傳感器輸出是 x 變量，生成的 y 值是 pH 值。這可以手動(dòng)完成;但是，CN0503也可以用于此目的。固件實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)五階多項(xiàng)式，INS1 和 INS2。存儲(chǔ)多項(xiàng)式后，可以選擇INS1或INS2模式，以便直接以所需單位（在本例中為pH）報(bào)告測(cè)量結(jié)果。這使得快速獲得未知樣品的結(jié)果變得簡單。

為了獲得噪聲值，為每個(gè)波長選擇了兩個(gè)不同的數(shù)據(jù)點(diǎn)：一個(gè)較低的pH值和一個(gè)較高的pH值。使用了兩個(gè)點(diǎn)，因?yàn)樵谶@種情況下曲線擬合不是線性的。每個(gè)點(diǎn)的一組重復(fù)測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差（報(bào)告為表1中的噪聲值）描述了測(cè)量的精度，不包括樣品制備的變化。

LOD通常通過測(cè)量低濃度下的噪聲并乘以3來確定，得到99.7%的置信區(qū)間。由于pH是對(duì)數(shù)刻度，因此選擇pH 7作為檢查LOD的數(shù)字，如表2所示。

測(cè)量濁度

濁度背景

液體樣品的濁度測(cè)量使用懸浮在液體中的顆粒的光散射特性。歸根結(jié)底，它是液體相對(duì)透明度的量度。散射光量和散射角根據(jù)顆粒大小、濃度和入射光的波長而有所不同。濁度測(cè)量在許多行業(yè)中進(jìn)行，包括水質(zhì)和生命科學(xué)。除了一般濁度外，CN0503還可用于通過測(cè)量光密度來確定藻類生長。

光學(xué)

圖7顯示了使用90°或180°檢測(cè)器測(cè)量濁度的光路。使用CN0503，由于需要90°檢測(cè)器，因此只能在光路1或4中進(jìn)行濁度測(cè)量。濁度有多種測(cè)量配置和標(biāo)準(zhǔn)。此示例演示了 EPA 方法 180.1 的修改版本，該方法以濁度濁度單位 （NTU） 進(jìn)行校準(zhǔn)和報(bào)告。

圖7.用于濁度測(cè)量的光路。

設(shè)置設(shè)備

CN0503評(píng)估板

EVAL-ADICUP3029 評(píng)估板

漢納儀器濁度標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)裝置?

在本實(shí)驗(yàn)中，光路 4 與插入的 530 nm LED 板一起使用進(jìn)行測(cè)試。

結(jié)果

使用CN0503評(píng)估GUI，將測(cè)量結(jié)果導(dǎo)出到Excel中。得到的校準(zhǔn)曲線如圖9所示。

圖9.濁度校準(zhǔn)曲線。

響應(yīng)曲線分為兩部分，因?yàn)?0°散射測(cè)量對(duì)高濁度的響應(yīng)較差。一部分表示較低的濁度（0 NTU 至 100 NTU），另一部分表示較高的濁度（100 NTU 至 750 NTU）。然后對(duì)每個(gè)部分進(jìn)行兩次線性擬合。即使現(xiàn)在有兩個(gè)方程值，CN0503仍可用于快速顯示結(jié)果NTU值。這是因?yàn)槊總€(gè)光路都可以在INS1和INS2中存儲(chǔ)自己的方程值。一個(gè)重要的注意事項(xiàng)是INS1和INS2是依賴的。第一個(gè)方程 INS1 的結(jié)果是第二個(gè)方程 INS2 的輸入變量。存儲(chǔ)方程值后，INS1可用于測(cè)量低濁度樣品，INS2可用于測(cè)量較高濁度的樣品。

為了獲得噪聲值，我們選擇一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)來獲取重復(fù)測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差。標(biāo)準(zhǔn)偏差是噪聲值。選擇靠近范圍底部的一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，因?yàn)榉匠虜M合是線性的。

為了確定LOD，測(cè)量空白或低濃度樣品的噪聲值，然后乘以3表示99.7%置信區(qū)間。

用菠菜溶液測(cè)量熒光

熒光背景

當(dāng)光照射到含有熒光分子的樣品中時(shí)，電子進(jìn)入更高的能量狀態(tài)，然后在發(fā)射更長波長的光之前失去一些能量。熒光發(fā)射具有化學(xué)特異性，可用于識(shí)別培養(yǎng)基中特定分子的存在和數(shù)量。在這個(gè)例子中，通過使用菠菜葉子證明了熒光葉綠素。在許多應(yīng)用中，熒光測(cè)量在生物測(cè)定、溶解氧、化學(xué)需氧量以及檢測(cè)牛奶中巴氏殺菌是否成功中很常見。

光學(xué)

熒光測(cè)量的光路配置如圖10所示。使用CN0503，只能在光路1或4中進(jìn)行吸光度測(cè)量，這是因?yàn)?0°檢測(cè)器。通常，熒光檢測(cè)器位于與入射光成90°的位置，并使用單色或長通濾光片來增加激發(fā)光和發(fā)射光之間的隔離。熒光是一種非常靈敏的低電平測(cè)量，并且會(huì)受到干擾，因此使用參考檢測(cè)器和同步檢測(cè)方法來減少誤差源。

圖 10.用于熒光測(cè)量的光路。

設(shè)置設(shè)備

CN0503評(píng)估板

EVAL-ADICUP3029 評(píng)估板

菠菜溶液

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，通過將菠菜葉與水混合來創(chuàng)建菠菜溶液。然后將其過濾并保留為儲(chǔ)備溶液。然后將儲(chǔ)備溶液稀釋，以產(chǎn)生不同百分比的菠菜溶液樣品。這些被用作標(biāo)準(zhǔn)品，通過熒光創(chuàng)建菠菜溶液的百分比曲線。光路 1 與插入的 365 nm LED 卡和長通濾光片一起使用。

結(jié)果

百分比菠菜溶液的校準(zhǔn)曲線如圖12所示。

圖 12.百分比菠菜溶液的校準(zhǔn)曲線。

可以存儲(chǔ)該校準(zhǔn)曲線的趨勢(shì)線方程，以便CN0503直接以百分比形式報(bào)告結(jié)果。

為了獲得噪聲值，選取了兩個(gè)不同的數(shù)據(jù)點(diǎn)：一個(gè)靠近范圍的底部，另一個(gè)靠近頂部，因?yàn)榍€擬合不是線性的。噪聲由每個(gè)點(diǎn)的一組重復(fù)測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差給出，如表5所示。

為了確定LOD，測(cè)量空白或低濃度樣品的噪聲值，然后乘以3表示99.7%置信區(qū)間。

結(jié)論

對(duì)復(fù)雜的光學(xué)液體分析測(cè)量進(jìn)行原型設(shè)計(jì)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，需要仔細(xì)考慮化學(xué)、光學(xué)和電子如何相互作用以產(chǎn)生精確的結(jié)果。ADPD4101等集成AFE產(chǎn)品為在更小空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高性能的光學(xué)液體傳感鋪平了道路。CN0503以ADPD4101為基礎(chǔ)，包括光學(xué)設(shè)計(jì)、固件和軟件，是一個(gè)易于使用且高度可定制的快速原型制作平臺(tái)，能夠?qū)σ后w參數(shù)進(jìn)行精確的光學(xué)測(cè)量，包括吸光度、比色法、濁度和熒光。

審核編輯：郭婷