光學液體分析原型制作平臺為無所不在的感測鋪路
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一種常見的液體分析技術
測量樣品中未知參數(shù)的濃度，如pH值、熒光或濁度的目的，可以有多種方法來測量液體實現(xiàn)。一種常見的方法是透過光學技術評估液體，因為其具有非介入性，可提供穩(wěn)定準確的結果。精密光學液體測量需要電子、光學和化學多領域知識。簡單地說，進行分析時，首先將樣品暴露在光源（如LED）下。與樣品相互作用后，產生的光由光電二極管處理。將測得的響應結果繪制出來，與一組已知濃度的標準樣品的測量響應結果相對照。這就是所謂的校準曲線。利用校準曲線可以確定未知值，這就是分析測量的一般實驗室方法，但為了滿足無所不在的感測需求，必須進行調整以適應不同的分析物和測量技術，以及適合精巧尺寸應用，所有因素都增加了設計和評估的復雜程度。
用于快速液體測量的模塊化ADI解決方案
ADPD4101 是一個光學模擬前端（AFE），能夠驅動LED，并同步接收和處理來自光電二極管的訊號，以進行高度精準的光學測量。ADPD4101是高度可配置的，具有高達100 dB的高光學訊號噪聲和芯片同步檢測方法提供的高環(huán)境光抑制，使其在許多情況下能不配備光學黑色屏蔽而直接使用。
CN0503 參考設計目的在使用ADPD4101快速制作液體分析測量原型。CN0503采用ADPD4101作為核心產品，但增加了四條模塊化光路，以及測量韌體和應用軟件，用于進行液體分析。CN0503直接連接至ADICUP3029板，用于管理測量例程和數(shù)據流。ADICUP3029板可以直接連接至筆記本電腦，以查看評估GUI中的結果。CN0503可以測量熒光、濁度、吸亮度和色度。樣品在色度測量中制備，并放置在3D打印的色度測量支架中，支架中裝有光學組件，包括一個透鏡和分束器。將色度測量支架插入適當?shù)墓饴?，以進行即插即用測量。此外，LED和光電二極管卡可以切換，以實現(xiàn)更大程度的客制。
為了使用CN0503展示創(chuàng)建校準曲線和測量未知數(shù)，將顯示pH值、濁度和熒光的測量值。使用評估GUI進行測量，以創(chuàng)建校準曲線。計算噪聲值和檢測限制（LOD），以確定CN0503可以檢測的每個樣本的最低濃度。
圖2 : CN0503評估板
利用吸亮度測量pH值
吸亮度背景
吸亮度是指根據在特定波長下光的吸收量來確定溶液中已知溶質的濃度。根據比爾-朗伯吸收定律，濃度與吸亮度成正比。許多無色分析物可透過加入變色試劑來測定。本示例將展示測量pH值，從水質檢測到廢水處理，pH值是許多行業(yè)中常見的測量參數(shù)之一。吸亮度測量可用于許多其他參數(shù)，包括溶解氧/生物需氧量、硝酸鹽、氨和氯。
光學組件
測量吸亮度的光路配置如圖3所示。使用CN0503可以在任何光路（1到4）進行吸亮度測量。入射光束指向分束器，由參考光電二極管在分束器中對光束強度進行采樣。剩余的光功率直接穿過樣本。采樣光與參考光的比值消除了LED光源的變化和噪聲，同步脈沖和接收窗口可提供環(huán)境光抑制。
圖3 : 用于測量吸亮度的光路
實驗設備
? CN0503評估板
? EVAL-ADICUP3029 評估板
? API pH測試和調節(jié)器套件
? pH標準品
圖4 : 使用CN0503進行pH值測量
在本實驗中，將顯色劑（溴瑞香草酚藍）加入不同pH值的溶液中。將溶液倒入色度測量中，在430 nm和615 nm兩種不同波長下進行測試，其中指示劑顯示了吸光的變化和pH。使用CN0503能輕松進行此測量；可將兩種不同波長的LED卡插入光路2和光路3中。然后將色度測量支架移動到不同的路徑進行不同的測量。
結果
使用CN0503評估GUI，將兩條光路的測量結果輕松匯出到Excel表中。得出的兩種不同波長的校準曲線如圖5和圖6所示。
圖5 : 430 nm下的pH吸亮度校準曲線
圖6 : 615 nm下的pH吸亮度校準曲線
在每種情況下，繪出pH值與吸亮度的關系圖，以創(chuàng)建校準曲線。然后使用增加趨勢線選項來得到曲線的方程式。然后使用此方程式來確定未知樣本的濃度。傳感器輸出是x變數(shù)，得到的y值是pH值。此項實驗可以手動完成；但是，也可以使用CN0503來進行這項實驗。該韌體采用兩個五階多項式INS1和INS2。將多項式保存之后，就可以選擇INS1或INS2模式，如此便直接以所需的單位報告測量結果—在本例中是pH值。因此可以非常簡單快速地獲取未知樣本的結果。
為了取得噪聲值，在每個波長選擇兩個不同的數(shù)據點：一個較低的pH值和一個較高的pH值。由于在這種情況下，曲線擬合不呈線性，所以使用了兩個點。對每個點重復進行測量會得出標準偏差，即表1中所示的噪聲值，該值描述了測量精度，排除了樣本制備期間的差異。
表1 pH測量噪聲值
6.1 pH樣本 | 7.5 pH樣本 | |||
430 nm | 615 nm | 430 nm | 615 nm | |
表2. pH測量檢測限值
7 pH樣本 | ||
430 nm | 615 nm | |
檢測限值（pH） | 0.001099 | 0.001456 |
測量濁度
濁度背景
液體樣本的濁度測量利用了液體中懸浮顆粒的光散射特性。最終，其是測量液體的相對透明度。散射光的數(shù)量和散射角度的不同取決于顆粒的大小、濃度和入射光的波長。很多產業(yè)都會進行濁度測量，包括水質檢測和生命科學領域。除一般濁度外，并可以使用CN0503透過測量光密度來測定藻類的生長情況。
光學組件
圖7顯示了使用90°或180°檢測器進行濁度測量的光路。使用CN0503，因為需要使用90°檢測器只能在光路1或4進行濁度測量。我們可以使用多種測量配置和濁度標準。本示例展示了EPA Method 180.1的修改版本，使用比濁法濁度單位（NTU）進行校準和報告。
圖7 : 濁度測量光路
實驗設備
? CN0503評估板
? EVAL-ADICUP3029評估板
? Hanna InstrumentsR 濁度標準校準裝置
本實驗采用光路4，插入530 nm LED板進行測試。
圖8 : 濁度校準標準
結果
使用CN0503評估GUI，將測量結果導出到Excel表格中。得出的校準曲線如圖9所示。
圖9 : 濁度校準曲線
因為90°散射測量對高渾濁度的響應較差，所以響應曲線分為兩個部分。一部分代表低濁度（0 NTU ~ 100 NTU），另一部分代表高濁度（100 NTU ~ 750 NTU）。然后對每個部分進行兩次線性擬合。即使現(xiàn)在有兩個方程式值，仍然可以使用CN0503來快速顯示得出的NTU值。這是因為每個光路都可以在INS1和INS2中儲存自己的方程式值。注意，INS1和INS2是相互依賴的。第一個方程式INS1的結果是第二個方程式INS2的輸入變量。儲存方程式值之后，INS1可用于測量低濁度樣本，INS2可用于測量高濁度樣本。
為了得出噪聲值，選擇一個數(shù)據點來獲取重復測量的標準偏差。標準偏差就是噪聲值。因為方程式擬合呈線性，所以在范圍底部附近選取一個數(shù)據點。
表3 濁度測量噪聲值
12 NTU |
RMS噪聲值（NTU） |
0.282474 |
表4 濁度測量檢測限值
空白樣本 |
檢測限值（NTU） |
0.69204 |
用菠菜溶液測量熒光
熒光背景
當光照射含有熒光分子的樣本時，電子會進入更高能量狀態(tài)，然后在發(fā)出更長波長的光之前失去一部分能量。熒光發(fā)射具有化學特異性，可用于確認介質中特定分子的存在和數(shù)量。在本示例中，我們使用菠菜葉來展示熒光葉綠素。在許多應用中，在生物測定、溶解氧、化學需氧量以及檢測牛奶巴氏滅菌法是否成功時常用到熒光測量。
光學組件
測量熒光的光路配置如圖10所示。使用CN0503，只能在光路1或4進行熒光測量，因為需要使用90°檢測器。通常將熒光檢測器置于入射光90°的位置，并透過單色或長通濾光片來增加激發(fā)光和發(fā)射光間的隔離。熒光是一種非常靈敏的低位準測量，由于容易受干擾，因此可采用參考檢測器和同步檢測方法來減少誤差源。
圖10 : 熒光測量光路
實驗設備
? CN0503評估板
? EVAL-ADICUP3029評估板
? 菠菜溶液
在本實驗中，將菠菜葉和水混合，制成菠菜溶液。過濾之后，作為原液保存。然后將原液稀釋，得到菠菜溶液百分比含量不同的樣本。將其作為標準，透過熒光繪制菠菜溶液的百分比曲線。使用光路1、365 nm LED卡和長通濾光片進行測量。
圖11 : 用菠菜制成的葉綠素樣本
結果
菠菜百分比含量溶液的校準曲線，如圖12所示。
圖12 : 菠菜百分比含量溶液的校準曲線
可以儲存該校準曲線的趨勢線方程式，以便CN0503直接以百分比形式報告結果。
為了得出噪聲值，我們選擇了兩個不同的數(shù)據點：一個靠近范圍底部，另一個靠近頂部，因為曲線擬合不呈線性。透過對每個點進行反復測量得出標準偏差，也就是噪聲，如表5所示。
表5 熒光測量噪聲值
7.5%菠菜樣本 | 20%菠菜樣本 | |
RMS噪聲值（菠菜含量%） | 0.0616 | 0.1158 |
為了確定LOD，我們測量空白或低濃度樣本的噪聲值，然后乘以3表示99.7%的置信區(qū)間。
表6熒光測量檢測限值
空白樣本 |
檢測限值（菠菜含量%） |
0.1621 |
結論
制作復雜光學液體分析測量的原型是一個挑戰(zhàn)，需要仔細考慮化學、光學和電子如何相互作用，以得出準確的結果。整合式AFE產品（例如ADPD4101）為在更小的空間內實現(xiàn)更高性能的光學液體檢測鋪路。CN0503基于ADPD4101建構，包括光學設計、韌體和軟件，是一個易于使用且高度可客制化的快速原型制作平臺，能夠對吸亮度、色度、濁度和熒光等液體參數(shù)進行準確的光學測量。（本文作者Sydney Wells為ADI應用工程師、 Scott Hunt為ADI系統(tǒng)應用工程師）
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