Okamžitá analýza kapalin vyžaduje pokroky v přístrojovém vybavení - menší rozměry, nižší spotřeba energie, přesnost měření, rychlejší dobu odezvy a robustnost. Optické přístroje mohou provádět přesná měření, která jsou nedestruktivní a poskytují bezkontaktní snímání zákalu, celkového množství organického uhlíku, zjišťují celkový obsah nerozpuštěných pevných látek, rozpuštěný kyslík a přítomnost iontových kontaminantů. Takové systémy však vyžadují složité analogové front-endy (AFE) pro řízení světelných diod (zdroje paprsků) a následnou digitalizaci přijímaného světla. Není jednoduché odstranit šum okolního světla od měřeného paprsku a tak je vhodné použít již hotová řešení.

Tento článek stručně pojednává o platformě pro rychlou analýzu kapalin založenou na multimodálním optickém senzoru AFE od společnosti Analog Devices, Inc. Součástí článku je také referenční design, který přestaví měření potenciálního vodíku (pH), zákalu, fluorescence a tvorbu kalibračních křivek.

Základy optické analýzy kapalin

K měření koncentrace prvku v kapalném vzorku lze použít optickou analýzu kapalin. Tato technika má mnoho výhod. Je nedestruktivní, bezkontaktní a je velmi přesná. Princip je poměrně jednoduchý. Optická analýza vystavuje kapalný vzorek světelnému paprsku se známou vlnovou délkou. Světlo prochází vzorkem, interaguje s ním a je detekován fotodiodou (PD). Naměřená odezva z fotodiody je vynesena do grafu a je porovnána s odezvami vzorků se známými koncentracemi. Tím se vytvoří kalibrační křivka, která nám pomůže určit neznámou koncentraci měřeného vzorku. 

V laboratoři lze použít laboratorní přístroje a velikost testovacího setupu není důležitá. Aby se optická analýza kapalin mohla aplikovat kdekoliv na světe, zvláště přímo v terénu, je nutné celý setup zmenšit. Tím se sice zvýší složitost, ale přínos takového setupu daleko převýší potenciální negativa.

Modulární řešení pro rychlé měření kapalin

Analog Devices nabízí referenční design EVAL-CN0503-ARZD založený na analogovém optickém front-endu (AFE) ADPD4101BCBZR7.  ADPD4101BCBZR7 je kompletní multimodální senzor, který je schopen řídit až osm LED diod a měřit až osm samostatných odezev v podobě proudů (obrázek 1). AFE potlačuje odchylky signálu a rušení způsobené asynchronně modulovaným rušením, které je obvykle způsobeno okolním světlem. AFE je plně konfigurovatelný a vyznačuje se optickým odstupem signálu od šumu (SNR) až 100 dB s vysokým potlačením okolního světla pomocí metody synchronní detekce přímo na čipu. Díky tomu není nutné použít tmavý kryt.

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

Díky referenčnímu designu EVAL-CN0503-ARZD lze rychle vytvořit prototyp měření kapalinové analýzy, včetně fluorescence, turbidity, absorbance a kolorimetrie (obrázek 2). Referenční design obsahuje čtyři modulární optické testovací šachty, které poskytují průchozí optické dráhy a dvě šachty obsahující ortogonální (90°) rozptylové dráhy. Součástí je 3D tištěný kyvetový držák pro standardní 10 mm kyvety, které lze umístit do kterékoli ze čtyř optických drah. Referenční design také poskytuje měřicí firmware a aplikační software zaměřený na analýzu kapalin.

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

EVAL-CN0503-ARZD se připojuje k vývojové desce EVAL-ADICUP3029 s 32 bitovým Arm Cortex-M3 mikrokontrolerem, která zajišťuje operace měření a řízení toku dat. Deska EVAL-ADICUP3029 se připojuje přímo k notebooku, kde lze pomocí grafického uživatelského rozhraní zobrazit naměřená data.

V kyvetovém držáku je umístěna optika včetně kolimační čočky a rozdělovače paprsků. Každá ze šachet obsahuje referenční fotodiodu a poskytuje vhodnou optickou cestu pro měření typu plug-and-play. Kromě toho lze LED a fotodiodové karty v každé šachtě vypnout a přizpůsobit. Nejdříve se určí kalibrační křivky, které budou použity pro následující měření. Dále se vypočítá hodnota hladiny šumu a limit detekce (LOD). Tím se určí nejnižší koncentrace, kterou může EVAL-CN0503-ARZD detekovat.

Test absorbance

Měření absorbance na základě Beer-Lambertova zákona zahrnuje stanovení 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. Tento typ testu se také aplikuje pro zjištění koncentrace rozpuštěného kyslíku, biologické spotřeby kyslíku, dusičnanů, amoniaku nebo chlóru. Měření absorbance pomocí přímé nebo průchozí optické dráhy lze provést pomocí kterékoli ze čtyř optických drah na EVAL-CN0503-ARZD (obrázek 3).

Obrázek 3: Zobrazeno je optické nastavení pro měření absorbance pomocí EVAL-CN0503-ARZD. V držáku kyvet v EVAL-CN0503-ARZD je umístěna optika včetně kolimační čočky a rozdělovače paprsků. (Zdroj obrázku: Analog Devices, Inc.)

LED na požadované vlnové délce generuje světelný paprsek. Dělič paprsku v optické dráze směruje část světla na referenční fotodiodu, která vzorkuje intenzitu paprsku. Totožné množství optického paprsku je směrováno skrz vzorek. Kolísání intenzity světla a šumu LED zdroje je eliminováno právě rovnoměrným rozdělením paprsku. Ovlivnění paprsku okolním světlem je potlačeno pomocí ADPD4101BCBZR7 až o 60 dB. To se provádí pomocí synchronního modulačního schématu, které moduluje proud LED a synchronně měří rozdíl mezi tmavým (vypnutým) stavem (kde je okolní světlo jedinou složkou) a vybuzeným (zapnutým) stavem (kde okolní světlo i LED paprsek je přítomen). Toto potlačení okolního světla je automatické, nejsou nutné žádné externí ovládací prvky.

EVAL-CN0503-ARDZ je nutné použít také EVAL-ADICUP3029 a API pH testovací sady. Analyty (Analyt je konkrétní látka, prvek, ion, funkční skupina, nebo jejich kombinace ve vzorku, jehož přítomnost nebo množství je určováno metodami analytické chemie) se připraví přidáním barevného indikátoru (bromthymolová modř) z testovací soupravy API do připravených roztoků s různými hodnotami pH. Bromthymolová modř se v roztoku rozdělí na slabou kyselinu s vysokou absorbancí světla při 430 nm a konjugovanou bázi, která má vysokou absorbanci světla 650 nm.

Roztoky se předělají do kyvet a měření pH se provede při těchto dvou různých vlnových délkách, kde indikátor ukazuje změny v absorpci jako funkci pH. Toto lze v EVAL-CN0503-ARDZ snadno provést pomocí dvou LED karet pro různé vlnové délky, které se vloží do optické dráhy 2 a optické dráhy 3. Držák kyvet se pro měření přesune do dvou různých drah. Výsledky z obou optických cest se exportují do Excelu pomocí grafického uživatelského rozhraní EVAL-CN0503-ARDZ (obrázek 4).

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

V obou případech se vynesou hodnoty pH vs absorbance pro vytvoření kalibrační křivky. K vytvoření rovnice pro křivku se použije funkce „trendline“ v Excelu. Odhad shody R2 se v obou případech blíží hodnotě 1,0, a to ukazuje na vynikající kvalitu shody. Z těchto rovnic lze určit koncentraci vzorků. Proměnná x je výstup senzoru a výsledná hodnota y je pH. Vyhodnocovací software EVAL-CN0503-ARDZ implementuje dva polynomy pátého řádu, INS1 a INS2. Jakmile jsou polynomy uloženy, lze zvolit režim INS1 nebo INS2, takže výsledky měření jsou přímo v požadovaných jednotkách, v tomto případě pH.

Hladina šumu měření vyžaduje dva různé datové body pro každou vlnovou délku. Jedna by měla mít nižší hodnotu pH a druhá by měla být vyšší. Jsou použity dvě hodnoty, protože proložení křivky není lineární. Zvolili jsme hodnoty pH 6,1 a 7,5. V každém bodě se provede více měření a standardní odchylka dat poskytne RMS hladinu šumu pro každou vlnovou délku a pro každou hodnotu pH. Výsledky jsou uvedeny v tabulce 1.

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

Tato data nezahrnují odchylky způsobené přípravou vzorku!

Limit detekce (LOD) určuje nejnižší koncentraci detekovanou EVAL-CN0503-ARDZ. LOD se typicky určuje měřením šumu při nízkých koncentracích. Pro dosažení úrovně spolehlivosti 99,7 % se hodnota šumu vynásobí třemi. Vzhledem k tomu, že pH je logaritmická funkce, byla LOD stanovena pro pH 7. To se opět provede při vlnových délkách 430 nm a 625 nm. LOD při 430 nm bylo pH 0,001099 a LOD při 615 nm bylo pH 0,001456.

Test zákalu

Zákal je relativní čirost 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 průmyslových odvětvích, včetně kvality vody a biologických věd. Může být také použit pro stanovení růstu řas měřením optické hustoty.

Optická dráha pro testování zákalu využívá fotodiody umístěné k detekci světla v úhlech 90° nebo 180°. V EVAL-CN0503-ARDZ vyžaduje testování zákalu detektor při 90˚, který je k dispozici v testovacích polích 1 a 4. Optická šachta 4 s 530 nm LED deskou vloženou jako zdroj je znázorněna na obrázku 5.

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

Tento příklad demonstruje upravenou verzi metody EPA 180.1, 'Stanovení zákalu nefelometrií', kalibrovanou a uváděnou v nefelometrických jednotkách zákalu (NTU). Zařízení používané pro testování zákalu obsahuje desky EVAL-CN0503-ARDZ a EVAL-ADICUP3029 a také sadu kalibračních vzorků zákalu Hanna Instruments. Kalibrační sada zákalu poskytuje mikro perličky specifických velikostí v ultra čisté vodě. Tyto roztoky se používají ke kalibraci a validaci měření zákalu. Pomocí grafického uživatelského rozhraní EVAL-CN0503-ARDZ se výsledky měření exportují opět do Excelu, kde se vytvoří kalibrační křivka zákalu (obrázek 6).

Obrázek 6: Tyto kalibrační křivky jsou založeny na výsledcích testů zákalu. Lineární proložení křivky ukazuje, že lineární modely mají vynikající odhady shody (R²). (Zdroj obrázku: Analog Devices, Inc.)

Na obrázku 6 jsou hodnoty relativního poměru (RRAT) 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 proces se používá k odstranění malých faktorů vnesených do měření optickými skleněnými prvky, jako je dělič paprsku, čočka a filtry. Tato hodnota se používá jako referenční pro následná měření.

Protože měření 90° rozptylu méně reaguje na vysoké zákaly, křivku odezvy se rozdělí na dvě části, první část představuje nižší zákal (0 NTU až 100 NTU) a druhá část představuje vyšší zákal (100 NTU až 750 NTU). Poté pro každou sekci se vytvoří dvě lineární uložení. I když nyní existují dvě hodnoty rovnic, EVAL-CN0503-ARDZ lze stále používat k rychlému zobrazení výsledných hodnot NTU pomocí vestavěných polynomických proložení INS1 nebo INS2. Hodnota šumu se stanoví pomocí standardní odchylky opakovaných měření. Vzhledem k lineárnímu přizpůsobení je použit pouze jeden šumový bod poblíž spodní části rozsahu (12 NTU). Hladina šumu je tedy 0,282474 NTU.

Limit detekce LOD se stanoví odebráním hodnoty šumu vzorku s nízkou nebo nulovou koncentrací. Opět se hodnota šumu vynásobí třemi, aby představovala 99,7% interval spolehlivosti. Pro koncentraci čistého vzorku je LOD 0,69204 NTU.

Fluorescenční test

Fluorescence je výsledkem excitace elektronů některých materiálů paprskem světla, a to způsobuje, že emitují světlo na jiné vlnové délce. Intenzita vyzařovaného světla je úměrná koncentraci světlocitlivého materiálu. Fluorometrie je obecně mnohem citlivější než použití měření absorbance. Fluorescenční emise lze použít k identifikaci přítomnosti a množství specifických molekul, protože jsou chemicky specifické. Měření fluorescence jsou lineární v širším rozsahu koncentrací. Fluorescenční měření lze použít pro biologické testy, určení množství rozpuštěného kyslíku, chemickou spotřebu kyslíku a nebo detekci úspěšné pasterizace v mléce.

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. Tyto faktory zahrnují zkreslení ze zdroje světla, vnějšího osvětlení a mírné pohyby ve vzorku. U fluorescenčního detektoru se používá optický monochromatický nebo propustný filtr pro zvýšení separace 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: Analog Devices, Inc.)

Zařízení používané pro fluorescenční testování opět obsahuje desky EVAL-CN0503-ARDZ a EVAL-ADICUP3029. V následujícím příkladu byly použity listy špenátu k prokázání fluoreskujícího chlorofylu. Špenátový roztok byl vytvořen smícháním špenátových listů s vodou. Po filtraci byl tento roztok použit jako zásobní roztok.

Zředěním zásobního roztoku se vytvoří různé koncentrace špenátového roztoku a ty se použijí jako vzorky pro vytvoření kalibrační křivky. Protože je zapotřebí ortogonální detektor, použije se optická šachta 1 v EVAL-CN0503-ARDZ. Zdrojem je LED s vlnovou délkou 365 nm s vloženým long-pass filtrem. Otestujeme sedm různých vzorků špenátového roztoku a výsledky vyneseme na kalibrační křivka chlorofylu (obrázek 8).

Obrázek 8: Kalibrační křivka pro procentuální roztok špenátu, včetně rovnice křivky. (Zdroj obrázku: Analog Devices, Inc.)

Stejně jako v předchozích příkladech může být rovnice křivky pro kalibrační křivku chlorofylu uložena tak, aby výsledky byly přímo v procentech. Protože je kalibrační křivka nelineární, je šum měřen pomocí dvou datových bodů – 7,5 % a 20 %. Směrodatná odchylka několika testů s každým vzorkem poskytne RMS hodnotu šumu 0,0616 % špenátu pro 7,5 % vzorek a 0,1159 % špenátu pro 20 % vzorek.

Limit detekce LOD byl stanoven pomocí čistého vzorku nebo vzorku s nízkou koncentrací. Opět platí, že měření RMS šumu pro vzorek se vynásobí řemi, aby představoval 99,7% úroveň spolehlivosti, produkující LOD 0,1621 % špenátu.

Závěr

Vytvoření přenosného systému měření optické analýzy kapalin vyžaduje značné znalosti o interakcích chemie, optiky a elektroniky. K dispozici je referenční design AFE ADPD4101BCBZR7, který lze připojit k desce EVAL-CN0503-ARDZ a získat tak kompletní setup pro testování. Tato snadno použitelná a vysoce adaptabilní platforma umožňuje vytvořit prototyp zřízení, který je schopen produkovat přesná optická měření absorbance, kolorimetrie, zákalu a fluorescence.

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com