Všeobecně dostupná optická analýza kapalin pomocí multimodálního front-end snímacího zařízení

V souvislosti s celosvětovými obavami ohledně zabezpečení pitné vody s ohledem na sucho, intenzitu a četnost bouřek a rostoucí počet obyvatel nabývá analýza kapalin zásadního významu. Analýza vzorků vody v reálném čase a přímo na místě je nutná, aby se minimalizovalo znečištění a jeho dopad na ekosystém.

Předpokladem pro takové snímání kapalin v reálném čase jsou pokroky v přístrojovém vybavení, které zahrnují menší rozměry, nižší spotřebu energie, vyšší přesnost, rychlé přizpůsobení, rychlejší dobu odezvy a robustnost, a to vše při poskytování vysoce kvalitních výsledků.

Zde jsou užitečné optické přístroje, protože mohou provádět vysoce přesná měření, která jsou nedestruktivní a umožňují bezkontaktní snímání měření, např. měření zákalu, celkového organického uhlíku, celkového obsahu nerozpuštěných pevných látek, rozpuštěného kyslíku a přítomnosti iontových kontaminantů. Takové systémy však vyžadují složité analogové front-end (AFE) jednotky pro řízení světelných diod (LED), které zároveň snímají a digitalizují vstupující světlo při okolním i systémovém šumu. Takové konstrukční možnosti přesahují schopnosti typického konstruktéra. Je potřeba elegantnější běžně dostupné řešení.

Tento článek stručně pojednává o optické analýze kapalin a poté je zde představena přenosná platforma pro rychlou analýzu kapalin v reálném čase založená na multimodálním optickém snímači AFE od společnosti Analog Devices, Inc. Dále je představen referenční návrh založený na AFE, který nabízí až čtyři modulární pole optických drah. Na referenčním návrhu je předvedeno, jak provádět měření potenciálu vodíku (pH), zákalu a fluorescence a jak vytvářet kalibrační křivky a měřit neznámé.

Základy optické analýzy kapalin

Optickou analýzu kapalin lze použít k měření koncentrace prvků v kapalném vzorku. Tato technika má mnoho výhod, včetně toho, že je nedestruktivní a využívá bezkontaktní snímání. Kromě toho jsou výsledky vysoce přesné a mají nízkou nestabilitu.

Optická analýza v zásadě vystavuje kapalný vzorek světlu ze zdroje, například ze světelné diody (LED) se známou optickou vlnovou délkou. Světlo prochází vzorkem, interaguje s ním a je detekováno fotodiodou (FD). Naměřená odezva z FD se vynese do grafu a porovná se s odezvami vzorků se známou koncentrací, které tvoří kalibrační křivku, podle níž lze stanovit neznámou hodnotu.

Tento postup popisuje analytická měření, která by se použila v obecné laboratoři, kdy jsou přesná optická měření kapalin kombinací výsledků z oblasti elektroniky, optiky a chemie. Aby byl tento typ testování použitelný kdekoliv na světě, procesy musí mít nízký činitel tvaru, čímž se zvyšuje složitost konstrukce.

Modulární řešení pro rychlé měření kapalin

Pro zjednodušení procesu návrhu přístroje vytvořila společnost Analog Devices referenční návrh EVAL-CN0503-ARDZ založený na analogovém optickém front-end (AFE) členu ADPD4101BCBZR7. ADPD4101BCBZR7 je kompletní multimodální front-end snímač, který může řídit až osm LED diod a měřit až osm samostatných zpětných proudových vstupů (obrázek 1). AFE odmítá posuny signálu a rušení způsobené asynchronním modulovaným rušením, které je obvykle způsobeno okolním světlem. AFE je vysoce konfigurovatelný a vyznačuje se optickým odstupem signálu od šumu (SNR) až 100 decibelů (dB) s vysokou mírou potlačení okolního světla pomocí metod synchronní detekce na čipu, což v mnoha případech umožňuje jeho použití bez opticky tmavého krytu.

Obrázek 1: Multimodální senzor ADPD4101BCBZR7 AFE může řídit až osm LED a měřit až osm samostatných zpětných proudových vstupů. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices, Inc.)

Referenční design EVAL-CN0503-ARDZ umožňuje rychlé vytvoření prototypu pro měření analýzy kapalin, včetně fluorescence, zákalu, absorbance a kolorimetrie (obrázek 2). Má čtyři modulární optické testovací panely, které poskytují průchozí optické dráhy, a dva panely obsahují ortogonální (90°) rozptylové dráhy. Součástí je držák kyvet vytištěný na 3D tiskárně pro standardní 10mm kyvety, které lze umístit do kterékoli ze čtyř optických drah. Referenční návrh rovněž poskytuje měřicí firmware a aplikační software zaměřený na analýzu kapalin.

Obrázek 2: EVAL-CN0503-ARDZ obsahuje držák kyvet vytištěný na 3D tiskárně pro standardní 10mm kyvety, který lze umístit do kterékoli ze čtyř optických drah, které obsahují měřicí optiku. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices, Inc.)

EVAL-CN0503-ARDZ se připojuje k 32bitové desce EVAL-ADICUP3029 s mikrokontrolérem Arm® Cortex®-M3, která zajišťuje měření a tok dat. Deska EVAL-ADICUP3029 se připojuje přímo k notebooku a zobrazuje získaná data ve vyhodnocovacím grafickém uživatelském rozhraní.

Pomocí desky EVAL-CN0503-ARDZ lze měřit fluorescenci, zákal, absorbanci a kolorimetrii vzorku při analýze kapalin. V držáku kyvet je umístěna optika včetně kolimační čočky a děliče svazku. Každý ze slotů obsahuje referenční fotodiodu a poskytuje vhodnou optickou dráhu pro měření typu plug-and-play. Kromě toho lze karty s LED a fotodiodami v každém poli vyměnit pro další přizpůsobení.

V ukázce budou použita měření pH, zákalu a fluorescence pro vytvoření kalibračních křivek a následné měření neznámých hodnot pomocí zařízení EVAL-CN0503-ARDZ a jeho vyhodnocovacího softwaru. Dále se vypočítá hodnota hladiny šumu a mez detekce (LOD). Tím se určí nejnižší koncentrace, kterou může zařízení EVAL-CN0503-ARDZ v každém příkladu detekovat.

Příklad měření absorbance

Měření absorbance podle Beerova-Lambertova zákona spočívá v určení koncentrace známé rozpuštěné látky v kapalném roztoku na základě toho, kolik světla je absorbováno při určité vlnové délce. Jedná se o formu kolorimetrie. V tomto příkladu se absorbance používá k měření pH, což je běžný parametr při testování kvality vody. Tento typ testu je také užitečný při analýzách, například rozpuštěného kyslíku, biologické spotřeby kyslíku, dusičnanů, čpavku a chloru.

Měření absorbance pomocí přímé nebo průchozí optické dráhy lze provést pomocí kterékoli ze čtyř optických drah na desce EVAL-CN0503-ARDZ (obrázek 3).

Obrázek 3: Optická soustava pro měření absorbance pomocí desky EVAL-CN0503-ARDZ. V držáku kyvet na desce EVAL-CN0503-ARDZ je umístěna optika včetně kolimační čočky a děliče svazku. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices, Inc.)

LED dioda s požadovanou vlnovou délkou generuje dopadající svazek. Dělič svazku v optické dráze směruje část světla na referenční fotodiodu, která vzorkuje intenzitu svazku. Zbytek optického svazku je veden přes vzorek. Změny intenzity světla a šumu zdroje LED se eliminují poměrem výstupů vysílací a referenční fotodiody.

Znečištění okolním světlem z konstantních světelných zdrojů je přístrojem ADPD4101BCBZR7 potlačeno až o 60 dB. K tomu slouží synchronní modulační schéma, které moduluje proud LED diod a synchronně měří rozdíl mezi tmavým (vypnutým) stavem (kdy je jedinou složkou okolní světlo) a vybuzeným (zapnutým) stavem (kdy je přítomno jak okolní světlo, tak složka LED). Toto potlačení okolního světla je automatické; nejsou nutné žádné externí ovládací prvky.

Kromě desky EVAL-CN0503-ARDZ vyžaduje tento příklad i dříve zmíněnou desku EVAL-ADICUP3029. Ke kalibraci používá sadu API pro testování a úpravu pH a sadu vzorků pufrovacích roztoků pH.

Analyty byly připraveny přidáním barevného indikátoru (bromthymolové modři) ze soupravy pro testování API do připravených roztoků s různými hodnotami pH. Bromthymolová modř se v roztoku rozdělí na slabou kyselinu s vysokou absorbancí světla při 430 nanometrech (nm) a konjugovanou zásadu, která má vysokou absorbanci světla při 650 nm.

Roztoky byly převedeny do kyvet a měření pH bylo provedeno při těchto dvou různých vlnových délkách, kdy indikátor vykazuje změny absorpce v závislosti na pH. Toho lze v zařízení EVAL-CN0503-ARDZ snadno dosáhnout pomocí dvou karet s LED diodami pro různé vlnové délky, které byly vloženy do optické dráhy 2 a optické dráhy 3. Držák kyvet se pro měření přesune do dvou různých drah.

Výsledky z obou optických drah byly exportovány do programu Excel pomocí grafického uživatelského rozhraní vyhodnocovacího softwaru EVAL-CN0503-ARDZ (obrázek 4).

Obrázek 4: Na obrázku jsou kalibrační křivky absorbance pH pro testy se světelnými zdroji 430 nm (vlevo) a 650 nm (vpravo). (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices, Inc.)

V obou případech byla pro vytvoření kalibrační křivky vynesena závislost pH na absorbanci. K vytvoření rovnice pro křivku byla použita funkce spojnice trendu v programu Excel. Odhad dobré shody R² se v obou případech blíží hodnotě 1,0, což naznačuje vynikající kvalitu shody. Z těchto rovnic lze určit koncentrace neznámých vzorků, přičemž výstup senzoru se zadá jako proměnná x a výsledná hodnota y je pH. Vyhodnocovací software EVAL-CN0503-ARDZ implementuje dva polynomy pátého řádu, INS1 a INS2. Po uložení polynomů lze zvolit režim INS1 nebo INS2, takže výsledky měření jsou hlášeny přímo v požadované jednotce, v tomto případě pH. To zjednodušuje získání výsledku pro neznámý vzorek.

Hladina šumu měření vyžaduje dva různé datové body pro každou vlnovou délku. Jeden by měl mít nižší hodnotu pH a druhý by měl být vyšší. Používají se dvě hodnoty, protože aproximace křivky není lineární. Zvolené hodnoty pH byly 6,1 a 7,5. Pro každý bod bylo provedeno více měření a směrodatná odchylka dat dává efektivní hodnotu šumu (RMS) při každé vlnové délce pro každou hodnotu pH. Výsledky jsou uvedeny v tabulce 1.

Tabulka 1: Uvedeny jsou efektivní hodnoty šumu pro dvě hodnoty pH na dvou vlnových délkách. (Zdroj tabulky: společnost Analog Devices, Inc.)

Všimněte si, že tyto údaje nezahrnují odchylky způsobené přípravou vzorku.

Mez detekce (LOD) určuje nejnižší koncentraci, která bude pravděpodobně detekována zařízením EVAL-CN0503-ARDZ. LOD se obvykle určuje měřením šumu při nízkých koncentracích. Pro dosažení úrovně spolehlivosti 99,7 % se hodnota šumu vynásobí třemi. Vzhledem k tomu, že pH je logaritmická stupnice, byla LOD určena pro pH 7. To bylo opět provedeno při vlnových délkách 430 nm a 625 nm. LOD při 430 nm byla pH 0,001099 a LOD při 615 nm byla pH 0,001456.

Příklad měření zákalu

Zákal měří relativní průhlednost kapaliny. Měření je založeno na vlastnosti rozptylu světla částic suspendovaných v kapalině. Rozptyl světla je ovlivněn velikostí a koncentrací suspendovaných částic a také vlnovou délkou dopadajícího světla. Tyto faktory ovlivňují množství rozptýleného světla a úhel rozptylu. Testování zákalu se provádí v mnoha odvětvích, včetně kvality vody a přírodních věd. Lze jej také použít ke stanovení růstu řas měřením optické hustoty.

Optická dráha pro testování zákalu využívá fotodiody umístěné tak, aby detekovaly světlo pod úhlem 90˚ nebo 180˚. V přístroji EVAL-CN0503-ARDZ vyžaduje testování zákalu detektor pod úhlem 90˚, který je k dispozici ve zkušebních polích 1 a 4. Optické pole 4 s deskou LED s vlnovou délkou 530 nm vloženou jako zdroj je znázorněna na obrázku 5.

Obrázek 5: Optická dráha pro měření zákalu využívá fotodetektory v úhlu 90˚ a 180˚ od světelné dráhy k detekci světla rozptýleného částicemi v roztoku. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices, Inc.)

Tento příklad ukazuje upravenou verzi metody EPA 180.1 „Stanovení zákalu nefelometrickou metodou“, která je kalibrována a uváděna v nefelometrických jednotkách zákalu (NTU).

Zařízení používané pro testování zákalu zahrnuje vyhodnocovací desky EVAL-CN0503-ARDZ a EVAL-ADICUP3029 a také sadu kalibračních standardů zákalu Hanna Instruments. Kalibrační standard zákalu obsahuje mikrokuličky specifických velikostí v ultračisté vodě. Tyto roztoky se používají ke kalibraci a validaci měření zákalu.

Pomocí grafického uživatelského rozhraní (GUI) vyhodnocovacího softwaru EVAL-CN0503-ARDZ byly výsledky měření exportovány do programu Excel, kde byla vytvořena kalibrační křivka zákalu (obrázek 6).

Obrázek 6: Tyto kalibrační křivky vycházejí z výsledků měření zákalu. Lineární aproximace křivky ukazuje, že lineární modely mají vynikající odhady dobré shody (R²). (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices, Inc.)

Všimněte si, že na obrázku 6 jsou hodnoty relativního poměru (RRAT) na vodorovné ose vztaženy k základní linii nebo hodnotám absolutního poměru na základě známého nastavení měření s prázdnou kyvetou nebo s destilovanou vodou, kde je poměr dopadajícího a odraženého světla téměř 1. Tento postup se používá k odstranění malých faktorů vnesených do měření optickými skleněnými prvky, například děličem svazku, čočkou a filtry. Tato hodnota se používá jako referenční pro následná měření.

Protože měření rozptylu pod úhlem 90° méně reaguje na vysoké zákaly, byla křivka odezvy rozdělena na dva úseky, z nichž první představuje nižší zákal (0 NTU až 100 NTU) a druhý vyšší zákal (100 NTU až 750 NTU). Pro každý úsek pak byly provedeny dvě lineární aproximace. I když jsou nyní k dispozici dvě rovnice, lze EVAL-CN0503-ARDZ stále použít k rychlému zobrazení výsledných hodnot NTU pomocí vestavěných polynomických aproximací INS1 nebo INS2.

Hodnota šumu byla určena pomocí směrodatné odchylky opakovaných měření. Vzhledem k lineární aproximaci byl použit pouze jeden bod šumu poblíž spodní části rozsahu (12 NTU). Byla naměřena hladina šumu 0,282474 NTU.

LOD byla stanovena odebráním hodnoty šumu vzorku s nízkou nebo slepou koncentrací. Hodnota šumu byla opět vynásobena třemi, aby představovala 99,7% interval spolehlivosti. Pro koncentraci slepého vzorku byla LOD 0,69204 NTU.

Příklad měření fluorescence

Fluorescence je výsledkem excitace elektronů některých materiálů světelným paprskem, což způsobí, že vyzařují světlo o jiné vlnové délce. Intenzita vyzařovaného světla je úměrná koncentraci materiálu citlivého na světlo. Fluorometrie je obecně mnohem citlivější než měření absorbance pro měření koncentrace materiálů v roztoku. Fluorescenční emise lze použít k identifikaci přítomnosti a množství konkrétních molekul, protože jsou chemicky specifické. Fluorescenční měření jsou lineární v širším rozsahu koncentrací. Fluorescenčních měření se používají při biologických testech, k měření rozpuštěného kyslíku, chemické spotřeby kyslíku a k detekci úspěšné pasterizace mléka.

Obecně se fluorescenční emise měří pomocí fotodetektoru umístěného pod úhlem 90° od dopadajícího světla, aby se minimalizoval jeho vliv na měření. Referenční detektor pro měření dopadajícího světla se používá k minimalizaci faktorů, které ruší měření. Mezi tyto faktory patří zkreslení od zdroje světla, vnější osvětlení a nepatrné pohyby vzorku. Kromě toho se s fluorescenčním detektorem používá optický monochromatický nebo dlouhovlnný průchodový filtr, který zvyšuje oddělení dopadajícího a emitovaného světla (obrázek 7).

Obrázek 7: Optická dráha pro měření fluorescence. Fluorescenční fotodioda je umístěna pod úhlem 90° k dráze dopadajícího světla. Fluorescenční filtr zeslabuje vlnovou délku zdrojové LED. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices, Inc.)

Zařízení použité pro fluorescenční testování opět zahrnuje desky EVAL-CN0503-ARDZ a EVAL-ADICUP3029.

V tomto příkladu byly k prokázání fluoreskujícího chlorofylu použity listy špenátu. Špenátový roztok byl vytvořen smícháním špenátových listů s vodou. Po přefiltrování byl tento roztok použit jako zásobní. Různá procenta špenátového roztoku byla vytvořena zředěním zásobního roztoku a byla použita jako standardy pro vytvoření kalibrační křivky. Protože byl zapotřebí ortogonální detektor, bylo použito optické pole 1 v zařízení EVAL-CN0503-ARDZ. Zdrojem byla LED dioda s vlnovou délkou 365 nm s vloženým dlouhovlnným filtrem.

Bylo testováno sedm různých procentních podílů špenátového roztoku a byla vynesena kalibrační křivka chlorofylu (obrázek 8).

Obrázek 8: Kalibrační křivka pro procentuální podíly špenátového roztoku včetně rovnice trendové křivky. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices, Inc.)

Stejně jako v předchozích příkladech lze rovnici trendové křivky pro kalibrační křivku chlorofylu uložit tak, aby přístroj EVAL-CN0503-ARDZ udával výsledky přímo v procentech.

Protože je kalibrační křivka nelineární, byl šum měřen pomocí dvou datových bodů – 7,5 % a 20 %. Směrodatná odchylka několika testů s každým vzorkem poskytla efektivní hodnotu šumu 0,0616 % špenátu pro vzorek se 7,5 % a 0,1159 % špenátu pro vzorek s 20 %.

LOD byla stanovena pomocí slepého vzorku nebo vzorku s nízkou koncentrací. I v tomto případě byla naměřená efektivní hodnota šumu pro vzorek vynásobena třemi, aby představovala 99,7% úroveň spolehlivosti, čímž vznikla LOD 0,1621 % špenátu.

Závěr

Vytvoření přenosného systému pro optickou analýzu kapalin vyžaduje značné znalosti interakce chemie, optiky a elektroniky, aby bylo možné vytvořit zařízení, které je precizní, přesné a snadno použitelné. K návrhu takového zařízení s vysokou přesností a precizností mohou konstruktéři použít optický AFE ADPD4101BCBZR7 namísto vlastního návrhu složitého signálového řetězce. Pro snazší začátek je AFE podporován referenčním návrhem EVAL-CN0503-ARDZ. Ten navazuje na ADPD4101BCBZR7 přidáním optických komponent, firmwaru a softwaru a vytváří tak snadno použitelnou a vysoce přizpůsobitelnou prototypovou platformu, která je schopna produkovat přesná optická měření absorbance, kolorimetrie, zákalu a fluorescenčních parametrů kapalin.