Lisää optisen nesteanalyysin yleisyyttä käyttäen multimodaalisen anturin etuastetta

Kuivuudesta, myrskyjen voimakkuudesta ja esiintymistiheydestä sekä kasvavasta väestöstä johtuvan juomaveden saatavuutta koskevan maailmanlaajuisen huolen vuoksi nesteanalyysista on tullut kriittisen tärkeää. Vesinäytteiden reaaliaikainen ja paikan päällä tehtävä analyysi on tarpeen saastutuksen ja sen ekosysteemiin kohdistuvien vaikutusten minimoimiseksi.

Tämä reaaliaikainen nesteiden tunnistaminen edellyttää instrumentoinnin kehitysaskeleita, mukaan lukien pienempi koko, pienempi virrankulutus, parempi tarkkuus, nopea räätälöinti, nopeammat vasteajat ja kestävyys, ja samalla sen tulee tarjota laadukkaita tuloksia.

Optiikkaan pohjautuva instrumentaatio sopii hyvin tähän käyttötarkoitukseen, koska sillä voidaan tehdä erittäin tarkkoja ainetta rikkomattomia mittauksia, jolloin esimerkiksi sameus, orgaanisen hiilen kokonaismäärä, suspendoitunut kiintoaines, liuennut happi ja ionisten epäpuhtauksien esiintyminen voidaan mitata ilman kosketusta. Tällaiset järjestelmät edellyttävät kuitenkin kompleksisia analogisia etuasteita (AFE), jotka ohjaavat ledivaloja sekä samalla mittaavat ja digitoivat vastaanotettua valoa huolimatta ympäristön ja järjestelmän synnyttämästä kohinasta. Tällaiset ominaisuudet ylittävät tyypillisen suunnittelijan taidot. Tarvitaan hienostuneempi valmisratkaisu.

Tässä artikkelissa käsitellään lyhyesti optista nesteanalyysia. Sen jälkeen siinä esitellään kannettava reaaliaikainen alusta nopeaan nesteanalyysiin, joka perustuu multimodaaliseen optisen anturin AFE-komponentti Analog Devices, Inc. -yritykseltä. Artikkelissa esitellään myös kyseiseen AFE-komponenttiin perustuva referenssimalli, joka tarjoaa jopa neljä modulaarista optista mittauspolkua. Referenssimallin avulla esitellään, miten voidaan mitata pH-arvoja, sameutta ja fluoresenssia sekä luoda kalibrointikäyriä ja mitata tuntemattomia suureita.

Optisen nesteanalyysin perusteet

Optista nesteanalyysia voidaan käyttää nestenäytteen alkuainepitoisuuksien mittaamiseen. Tässä tekniikassa on monia etuja, kuten se, että se on ainetta rikkomaton eikä vaadi kosketusta. Lisäksi tulokset tarjoavat suuren tarkkuuden ja vähäisen liukuman.

Käsitteellisesti optinen analyysi altistaa nestenäytteen valolle ledivalon kaltaisesta lähteestä, jolla on tunnettu optinen aallonpituus. Valo kulkee näytteen läpi ja on vuorovaikutuksessa sen kanssa, minkä jälkeen valodiodi havaitsee sen. Valodiodin mittaustulosta verrataan tunnetut pitoisuudet sisältävistä näytteistä saatuihin tuloksiin, mistä muodostetaan kalibrointikäyrä, jonka avulla tuntematon arvo voidaan määrittää.

Tämä prosessi kuvaa analyyttisia mittauksia, joita käytettäisiin tavanomaisessa laboratoriossa, jossa optisessa nesteiden tarkkuusmittauksissa yhdistyvät elektroniikan, optiikan ja kemian eri alojen tulokset. Tämäntyyppisen testauksen saattaminen kaikkialla yleisesti saataville edellyttää prosessien skaalaamista pienemmäksi, mikä lisää suunnittelun monimutkaisuutta.

Modulaarinen ratkaisu nopeaan nestemittaukseen

Instrumenttien suunnitteluprosessin yksinkertaistamiseksi Analog Devices kehitti EVAL-CN0503-ARDZ-referenssisuunnitelman, joka perustuu analogiseen optiseen etuasteeseen (AFE) ADPD4101BCBZR7. ADPD4101BCBZR7 on täydellinen multimodaalinen etuaste, joka voi ohjata jopa kahdeksaa ledivaloa ja mitata jopa kahdeksan erillistä vastaanotettua virtatuloa (kuva 1). AFE hylkää signaalisiirtymät ja asynkronisen moduloituneen interferenssin, joka on yleensä peräisin ympäristön valosta. AFE on erittäin hyvin konfiguroitavissa, ja sen optinen signaali-kohinasuhde (SNR) on jopa 100 desibeliä (dB). Se kykenee hylkäämään ympäristön valoa erinomaisesti käyttämällä sirulla toteutettuja synkronisia tunnistusmenetelmiä, jolloin sitä voidaan monissa tapauksissa käyttää ilman optisesti pimeää koteloa.

Kuva 1: ADPD4101BCBZR7-multimodaalianturi-AFE voi ohjata jopa kahdeksaa ledivaloa ja mitata jopa kahdeksan erillistä vastaanotettua virtatuloa. (Kuvan lähde: Analog Devices, Inc.)

EVAL-CN0503-ARDZ-referenssisuunnitelma mahdollistaa nesteanalyysimittausten nopean prototyyppikehityksen, mukaan lukien fluoresenssi, sameus, absorbanssi ja kolorimetria (kuva 2). Siinä on neljä modulaarista optista testauspistettä, jotka tarjoavat optiset läpäisypolut, ja kaksi testauspistettä, joissa on ortogonaaliset (90°) sirontapolut. Mukana toimitetaan 3D-tulostettu kyvettipidike vakiomallisille 10 mm:n kyveteille, jotka voidaan sijoittaa mihin tahansa neljästä optisesta polusta. Referenssisuunnitelma tarjoaa myös mittauslaiteohjelmiston ja sovellusohjelmiston, jotka on tarkoitettu nesteanalyysiin.

Kuva 2: EVAL-CN0503-ARDZ sisältää 3D-tulostetun kyvettipidikkeen vakiomallisille 10 mm:n kyveteille, jotka voidaan sijoittaa mihin tahansa neljästä mittausoptiikan sisältävästä optisesta polusta. (Kuvan lähde: Analog Devices, Inc.)

EVAL-CN0503-ARDZ voidaan kytkeä mittaustoiminnoista ja tiedonsiirrosta huolehtivaan 32-bittiseen Arm® Cortex-M3® -pohjaiseen EVAL-ADICUP3029 ‑mikrokontrollerikorttiin. EVAL-ADICUP3029-kortti muodostaa yhteyden suoraan kannettavaan tietokoneeseen ja näyttää saadut tiedot graafisessa käyttöliittymässä.

Näytteen fluoresenssin, sameuden, absorbanssin ja kolorimetrian nesteanalyysimittaukset voidaan suorittaa EVAL-CN0503-ARDZ-kortilla. Kyvettipidike sisältää optiikan, mukaan lukien kollimoivan linssin ja säteenjakajan. Jokaisessa mittauspisteessä on myös vertailuvalodiodi, ja ne tarjoavat sopivan optisen polun plug-and-play-mittausta varten. Lisäksi kunkin mittauspisteen ledi- ja valodiodikortit voidaan tarvittaessa vaihtaa laitteen mukauttamiseksi.

Demonstraationa käytetään pH:n, sameuden ja fluoresenssin mittauksia kalibrointikäyrien luomiseksi, minkä jälkeen mitataan tuntemattomia suureita EVAL-CN0503-ARDZ-kortin ja sen arviointiohjelmiston avulla. Lisäksi lasketaan kohinatason arvo ja toteamisraja (LOD). Tämä määrittää pienimmän pitoisuuden, jonka EVAL-CN0503-ARDZ voi tunnistaa kussakin tapauksessa.

Esimerkki absorbanssitestistä

Beer-Lambertin lakiin perustuviin absorbanssimittauksiin kuuluu tunnetun liuenneen aineen pitoisuuden määrittäminen nesteliuoksessa sen perusteella, kuinka paljon valoa imeytyy tietyllä aallonpituudella. Tämä on eräs kolorimetrian muoto. Tässä esimerkissä absorbanssia käytetään pH-arvon mittaamiseen, joka on yleinen parametri vedenlaadun testauksessa. Tämäntyyppisestä testistä on hyötyä myös analyysisovelluksissa, kuten liuenneen hapen, biologisen hapentarpeen, nitraattien, ammoniakin ja kloorin analysoinnissa.

Absorbanssimittaukset, joissa käytetään suoraa tai läpikulkuoptista polkua, voidaan tehdä millä tahansa EVAL-CN0503-ARDZ-kortin neljästä optisesta polusta (kuva 3).

Kuva 3: Kuvassa on optinen järjestelmä absorbanssimittausta varten käytettäessä EVAL-CN0503-ARDZ-korttia. EVAL-CN0503-ARDZ-kortin kyvettipidike sisältää optiikan, mukaan lukien kollimoiva linssi ja säteenjakaja. (Kuvan lähde: Analog Devices, Inc.)

Halutulla aallonpituudella toimiva ledivalo generoi käytettävän valosäteen. Optisella polulla oleva säteenjakaja ohjaa osan valosta vertailuvalodiodiin, joka näytteistää säteen voimakkuuden. Loput optisesta säteestä ohjataan näytteen läpi. Ledilähteen valon voimakkuuden ja kohinan vaihtelut minimoidaan käyttämällä lähetys- ja vertailuvalodiodien lähtöjen suhdetta.

ADPD4101BCBZR7 hylkää jopa 60 dB ympäristön muuttumattomista valolähteistä peräisin olevasta valokontaminaatiosta. Tämä saavutetaan käyttämällä synkronista modulaatiota, joka moduloi ledivalon virtaa ja mittaa synkronisesti pimeän (pois päältä) tilan (jossa ympäristön valo on ainoa komponentti) ja virittyneen (päällä) tilan (jossa on sekä ympäristön valo että ledivalokomponentti) välisen eron. Tämä ympäristön valon hylkäys on automaattista, eikä ulkoista säätöä tarvita.

Tässä esimerkissä vaaditaan EVAL-CN0503-ARDZ-kortin lisäksi edellä mainittu EVAL-ADICUP3029. Se käyttää kalibrointiin API pH -testi- ja säätösarjaa sekä pH-puskuriliuosnäytteitä.

Analyytit valmisteltiin lisäämällä väri-indikaattoria (bromitymolisininen) API-testisarjasta valmistettuihin liuoksiin, joiden pH-arvot ovat erilaiset. Bromitymolisininen erottuu liuoksessa heikoksi hapoksi, jonka valon absorbanssi on korkea 430 nanometrin aallonpituudella, ja konjugoituneeksi emäkseksi, jonka absorbanssi on korkea 650 nm:n valossa.

Liuokset siirrettiin kyvetteihin, ja pH-mittaus tehtiin näillä kahdella eri aallonpituudella, joissa indikaattori näyttää absorption muutokset pH:n funktiona. Tämä onnistuu helposti EVAL-CN0503-ARDZ-kortilla käyttämällä kahta ledikorttia eri aallonpituudella ja asettamalla ne optiseen polkuun 2 ja optiseen polkuun 3. Kyvettipidike siirretään kahteen eri polkuun mittauksia varten.

Molempien optisten polkujen tulokset vietiin Exceliin käyttäen EVAL-CN0503-ARDZ-arviointiohjelmiston graafista käyttöliittymää (kuva 4).

Kuva 4: Kuvissa näytetään testin generoimat pH-absorbanssin kalibrointikäyrät aallonpituuksilla 430 nm (vasen) ja 650 nm (oikea). (Kuvan lähde: Analog Devices, Inc.)

Kummassakin tapauksessa piirrettiin pH- ja absorbanssiarvot kalibrointikäyrän luomiseksi. Excelin trendiviivatoimintoa käytettiin käyrää kuvaavan yhtälön luomiseen. Yhteensopivuusestimaatti R² on kummassakin tapauksessa lähes 1,0, mikä osoittaa erinomaista yhteensopivuutta. Tuntemattomien näytteiden pitoisuudet voidaan määrittää näistä yhtälöistä siten, että anturin lähtö syötetään X-muuttujaksi ja tuloksena oleva Y-arvo on pH. EVAL-CN0503-ARDZ-arviointiohjelmistossa käytetään kahta viidennen asteen polynomia, INS1 ja INS2. Kun polynomit on tallennettu, INS1- tai INS2-tila voidaan valita siten, että mittaustulokset raportoidaan suoraan halutussa yksikössä, tässä tapauksessa pH-arvona. Tämä yksinkertaistaa tulosten saamista tuntemattomasta näytteestä.

Mittauksen kohinataso edellyttää kahta eri datapistettä kullekin aallonpituudelle. Toisen tulisi olla matalampi pH-arvo ja toisen korkeampi. Kahta arvoa käytetään, koska sovituskäyrä ei ole lineaarinen. Valitut pH-arvot olivat 6,1 ja 7,5. Kustakin pisteestä tehtiin useita mittauksia, ja tietojen keskihajonta antaa kunkin pH-arvon kohina-arvon neliöllisen keskiarvon (RMS) kullakin aallonpituudella. Tulokset esitetään taulukossa 1.

Taulukko 1: Kuva esittää RMS-kohina-arvot kahdelle pH-arvolle kahdella aallonpituudella. (Taulukon lähde: Analog Devices, Inc.)

Huomaa, että nämä tiedot eivät sisällä näytteen valmistelusta johtuvaa vaihtelua.

Toteamisraja (LOD) määrittää pienimmän pitoisuuden, jonka EVAL-CN0503-ARDZ todennäköisesti havaitsee. LOD määritetään yleensä mittaamalla kohinaa alhaisilla pitoisuuksilla. Jotta luotettavuustaso olisi 99,7 %, kohina-arvo kerrotaan kolmella. Koska pH on logaritminen asteikko, LOD määritettiin pH-arvolla 7. Tämä tehtiin jälleen aallonpituuksilla 430 nm ja 625 nm. LOD oli pH 0,001099 aallonpituudella 430 nm ja 0,001456 aallonpituudella 615 nm.

Esimerkki sameustestistä

Sameus mittaa nesteen suhteellista kirkkautta. Mittaus perustuu nesteeseen suspendoituneiden hiukkasten valoa sirottavaan ominaisuuteen. Valon sirontaan vaikuttavat suspendoituneiden hiukkasten koko ja pitoisuus sekä käytettävän valon aallonpituus. Nämä tekijät vaikuttavat sironneen valon määrään ja sirontakulmaan. Sameustestausta tehdään monilla toimialoilla, mukaan lukien vedenlaadun hallinta ja biotieteet. Sitä voidaan käyttää myös levien kasvun määrittämiseen mittaamalla optista tiheyttä.

Sameustestauksen optisessa polussa käytetään valodiodeja, jotka on sijoitettu mittaamaan valoa 90 tai 180 asteen kulmassa. EVAL-CN0503-ARDZ-kortilla sameustestaus vaatii 90 asteen ilmaisinta, joka löytyy testipisteistä 1 ja 4. Kuvassa 5 näytetään optinen testipiste 4, johon on asennettu 530 nm:n ledikortti valonlähteeksi.

Kuva 5: Sameustestin optinen polku käyttää fotodetektoreita 90°:n ja 180°:n kulmassa valon reittiin nähden. Näillä mitataan liuoksessa olevien hiukkasten sirottamaa valoa. (Kuvan lähde: Analog Devices, Inc.)

Tässä esimerkissä käytetään muunneltua versiota EPA-menetelmästä 180.1, ”Sameuden määrittäminen nefelometrialla”, joka on kalibroitu ja ilmoitetaan käyttäen nefelometrisiä sameusyksiköitä (NTU).

Sameuden testaukseen käytettäviin laitteisiin kuuluvat EVAL-CN0503-ARDZ ja EVAL-ADICUP3029-arviointikortit sekä Hanna Instrumentsin standardikalibrointisarja sameudelle. Sameuden kalibrointistandardi käyttää ultrapuhtaassa vedessä olevia tietynkokoisia mikrohelmiä. Näitä liuoksia käytetään sameusmittausten kalibrointiin ja validointiin.

Mittaustulokset vietiin EVAL-CN0503-ARDZ-ohjelmiston graafisen käyttöliittymän (GUI) avulla Exceliin, jossa luotiin sameuden kalibrointikäyrä (kuva 6).

Kuva 6: Nämä kalibrointikäyrät perustuvat sameustestien tuloksiin. Lineaarinen käyrän sovitus osoittaa, että lineaaristen mallien yhteensopivuusestimaatit ovat erinomaiset (R²). (Kuvan lähde: Analog Devices, Inc.)

Huomaa, että kuvassa 6 abskissan RRAT-arvoja verrataan lähtötasoon tai absoluuttisiin suhdelukuihin, jotka perustuvat tunnettuihin mittausasetuksiin tyhjällä kyvetillä tai tislatulla vedellä, jossa tulevan ja heijastuneen valon suhde on lähes 1. Tällä prosessilla poistetaan mittaukseen liittyviä säteenjakajan, linssin ja suodattimien kaltaisten optisten lasielementtien aiheuttamia pieniä tekijöitä. Tätä arvoa käytetään referenssiarvona peräkkäisissä mittauksissa.

Koska 90 asteen sirontamittaus reagoi vähemmän sameuden ollessa korkea, vastekäyrä jaettiin kahteen osaan, joista ensimmäinen osa edustaa matalampaa sameutta (0–100 NTU) ja toinen vastaa korkeampaa sameutta (100–750 NTU). Tämän jälkeen kummallekin osiolle suoritettiin kaksi lineaarista sovitusta. Vaikka yhtälöarvoja on nyt kaksi, EVAL-CN0503-ARDZ-kortin avulla voidaan silti nopeasti näyttää tuloksena saatavat NTU-arvot käyttämällä sisäänrakennettuja INS1- tai INS2-polynomisovituksia.

Kohina-arvo määritettiin käyttämällä toistuvien mittausten keskihajontaa. Lineaarisen sovituksen vuoksi käytettiin vain yhtä kohinapistettä alueen alareunan lähellä (12 NTU). Kohinatasoksi mitattiin 0,282474 NTU.

LOD määritettiin ottamalla kohina-arvo näytteestä, jonka pitoisuus on alhainen tai nolla. Meluarvo kerrottiin jälleen kolmella, mikä vastaa 99,7 %:n luotettavuusväliä. Nollanäytepitoisuutta käyttämällä LOD oli 0,69204 NTU.

Esimerkki fluoresenssitestistä

Fluoresenssi on seurausta siitä, että joidenkin materiaalien elektronit virittyvät valosäteestä, mikä saa ne säteilemään valoa toisella aallonpituudella. Säteilevän valon voimakkuus on verrannollinen valoherkän materiaalin pitoisuuteen. Fluorometria on yleensä paljon herkempi menetelmä materiaalien pitoisuuden mittaamiseen liuoksessa kuin absorbanssimittaukset. Fluoresenssiemissioita voidaan käyttää tiettyjen molekyylien esiintymisen ja määrän tunnistamiseen, koska ne eroavat toisistaan kemiallisesti. Fluoresenssimittaukset ovat lineaarisia laajalla pitoisuusalueella. Fluoresenssimittausten käyttökohteita ovat biologiset määritykset, liuennut happi, kemiallinen hapentarve ja onnistuneen pastöroinnin havaitseminen maidossa.

Fluoresenssipäästöt mitataan yleensä fotodetektorilla, joka on sijoitettu 90 asteen kulmaan käytettävään valoon nähden. Näin sen vaikutus mittaukseen on mahdollisimman pieni. Mittausta häiritseviä tekijöitä minimoidaan mittaamalla käytettävää valoa referenssianturin avulla . Näitä tekijöitä ovat valonlähteen vääristymät, ulkoinen valaistus ja näytteen pienet liikkeet. Lisäksi fluoresenssi-ilmaisimen kanssa voidaan käyttää optista monokromaattista tai ylipäästösuodatinta, joka parantaa tulevan ja säteilevän valon erottelua (kuva 7).

Kuva 7: Fluoresenssimittauksen optinen polku. Fluoresenssivalodiodi asetetaan 90 asteen kulmaan käytettävään valoon nähden. Fluoresenssisuodatin vaimentaa lähdeledin aallonpituutta. (Kuvan lähde: Analog Devices, Inc.)

Fluoresenssitestaukseen käytetään jälleen EVAL-CN0503-ARDZ- ja EVAL-ADICUP3029-kortteja.

Tässä esimerkissä käytettiin pinaatinlehtiä demonstroimaan fluoresoivaa klorofylliä. Pinaattiliuos valmistettiin murskaamalla pinaatinlehdet veteen. Suodatuksen jälkeen tätä käytettiin perusliuoksena. Pinaattiliuoksesta valmistettiin eri vahvuuksia perusliuosta laimentamalla, ja niitä käytettiin standardeina kalibrointikäyrän luomiseen. Koska tarvittiin ortogonaalinen ilmaisin, käytettiin EVAL-CN0503-ARDZ-kortin optista testipistettä 1. Lähde oli ledivalo aallonpituudella 365 nm ja ylipäästösuodattimella.

Seitsemän eri pinaattiliuoksen vahvuus mitattiin ja mittauksista muodostettiin klorofyllikalibrointikäyrä (kuva 8).

Kuva 8: Kalibrointikäyrä eri vahvuisia pinaattiliuoksia varten, mukaan lukien trendiviivan yhtälö. (Kuvan lähde: Analog Devices, Inc.)

Kuten aiemmissakin esimerkeissä, klorofyllikalibrointikäyrän trendiviivayhtälö voidaan tallentaa niin, että EVAL-CN0503-ARDZ ilmoittaa tulokset suoraan prosenttilukuna.

Koska kalibrointikäyrä ei ole lineaarinen, kohina mitattiin käyttäen kahta datapistettä, 7,5 % ja 20 %. Useiden testien keskipoikkeama kussakin näytteessä tuotti RMS-kohina-arvoksi 0,0616 % pinaattia 7,5 %:n näytteelle ja 0,1159 % pinaattia 20 %:n näytteelle.

LOD määritettiin käyttämällä nollaa tai matalaa pitoisuusnäytettä. Näytteen RMS-kohinamittaus kerrottiin jälleen kolmella, mikä vastaa 99,7 prosentin luotettavuustasoa ja antoi LOD-arvoksi 0,1621 % pinaattia.

Yhteenveto

Kannettavan optisen nesteanalyysimittausjärjestelmän luominen edellyttää huomattavaa tietoa kemian, optiikan ja elektroniikan vuorovaikutuksesta haluttaessa luoda laite, joka on tarkka ja helppokäyttöinen. Erittäin tarkan laitteen suunnitteluun voidaan käyttää optista AFE-piiriä ADPD4101BCBZR7 kompleksisen signaaliketjun suunnittelemisen sijasta. Jotta alkuun on helpompi päästä, EVAL-CN0503-ARDZ-referenssisuunnitelma tukee AFE-piiriä. Se perustuu ADPD4101BCBZR7-piiriin, johon on lisätty optiset komponentit, laiteohjelmisto ja ohjelmisto. Lopputuloksena on helppokäyttöinen ja erittäin mukautuva prototyyppialusta, joka pystyy mittaamaan optisesti absorbanssi-, kolorimetria-, sameus- ja fluoresenssinesteparametrit korkealla tarkkuudella.