光学液体分析原型平台照亮无处不在的传感之路

作者：Sydney Wells and Scott Hunt

实时监测环境对于提高全球可持续性至关重要。能够快速分析样本并识别问题是快速解决问题的关键，同时将对生态系统的影响降至最低。这种对无处不在的实时传感的推动已经改变了对液体传感器的要求，要求更小的尺寸、更高的鲁棒性和更低的功耗，同时仍然提供高质量的结果。随着行业的发展，需要用于移动传感的智能平台。这些平台需要具有高度的通用性，能够满足从环境水到过程控制的广泛应用的独特要求。本文将介绍一种用于快速液体传感的便携式实时传感解决方案和原型设计平台。

一种常见的液体分析技术

有多种方法可以测试液体，目的是测量样品中未知参数的浓度，例如pH，荧光或浊度。一种流行的方法是光学评估液体，因为它是无创的，并提供稳定准确的结果。精密光学液体测量需要电子、光学和化学方面的混合领域知识。简单来说，分析从暴露于LED等光源的光的样品开始。与样品相互作用后，产生的光由光电二极管处理。该测量响应与一组已知浓度的标准样品的测量响应作图。这称为校准曲线。使用校准曲线，可以确定未知值。这描述了用于分析测量的一般实验室方法，但为了满足无处不在的传感需求，它必须扩展到不同的分析物和测量技术，并适合小尺寸，所有这些都增加了设计和评估的复杂性。

图1.吸光度校准曲线示例。

用于快速液体测量的模块化ADI解决方案

ADI公司的ADPD4101是一款光学模拟前端（AFE），能够驱动LED，同步接收和处理来自光电二极管的信号，以实现高精度光学测量。ADPD4101具有高度可配置性，具有高达100 dB的高光信噪比和片内同步检测方法提供的高环境光抑制能力，因此在许多情况下无需光学暗外壳即可使用。

CN0503参考设计旨在使用ADPD4101实现液体分析测量的快速原型设计。CN0503以ADPD4101为核心产品，但增加了多达四个模块化光路以及针对液体分析的测量固件和应用软件。CN0503直接与ADICUP3029板连接，该板管理测量例程和数据流。ADICUP3029板可以直接连接到笔记本电脑，以在评估GUI中查看结果。CN0503可以测量荧光、浊度、吸光度和比色法。样品在比色皿中制备并放置在3D打印的比色皿支架中，该支架装有光学元件，包括透镜和分束器。比色皿支架插入适当的光路，用于即插即用测量。此外，LED和光电二极管卡可以切换，以进行更多的定制。

为了演示如何使用CN0503创建校准曲线和测量未知物，将显示pH、浊度和荧光的测量值。评估GUI用于进行测量以创建校准曲线。计算噪声值和检测限（LOD），以确定CN0503为每个示例检测的最低可行浓度。

图2.CN0503评估板。

用吸光度测量pH值

吸光度背景

吸光度涉及根据在特定波长下吸收的光量来确定溶液中已知溶质的浓度。浓度与吸光度成正比，根据比尔-朗伯定律。许多无色分析物可以通过添加变色试剂来测量。这个例子是测量pH值，这是从水质到废水处理的许多行业中最常见的测量参数之一。吸光度测量用于许多其他参数，包括溶解氧/生物需氧量、硝酸盐、氨和氯。

光学

用于吸光度测量的光路配置如图3所示。使用CN0503，可以在任何光路（1至4）中进行吸光度测量。入射光束对准分束器，参考光电二极管对光束强度进行采样。剩余功率通过样本。取样本光与参考光的比率可消除LED光源的变化和噪声，同步脉冲和接收窗口提供环境光抑制。

图3.用于测量吸光度的光路。

设置设备

CN0503评估板

EVAL-ADICUP3029 评估板

API pH 测试和调节器套件

pH标准液

图4.CN0503进行pH测量。

在该实验中，将颜色指示剂（溴硫酚蓝）添加到具有不同pH值的制备溶液中。将溶液转移到比色皿中，并在两种不同的波长（430 nm和615 nm）下进行测试，其中指示剂显示吸收随pH值的变化。CN0503使这变得容易;两种不同波长的LED卡可以插入光路2和光路3。然后，将比色皿支架简单地移动到不同的路径中进行不同的测量。

结果

使用CN0503评估GUI，两条光路的测量结果都可以轻松导出到Excel中。两种不同波长的校准曲线如图5和图6所示。

图5.pH值在430nm处的吸光度校准曲线。

图6.615nm处pH的吸光度校准曲线。

在每种情况下，绘制pH与吸光度的关系图以创建校准曲线。然后使用“添加趋势线”选项获取曲线的方程。然后使用这些方程来确定未知样品的浓度。传感器输出是 x 变量，生成的 y 值是 pH 值。这可以手动完成;但是，CN0503也可以用于此目的。固件实现了两个五阶多项式，INS1 和 INS2。存储多项式后，可以选择INS1或INS2模式，以便直接以所需单位（在本例中为pH）报告测量结果。这使得快速获得未知样品的结果变得简单。

为了获得噪声值，为每个波长选择了两个不同的数据点：一个较低的pH值和一个较高的pH值。使用了两个点，因为在这种情况下曲线拟合不是线性的。每个点的一组重复测量的标准偏差（报告为表1中的噪声值）描述了测量的精度，不包括样品制备的变化。

 

	6.1 pH值样品		7.5 pH 样品
	430 纳米	615 纳米	430 纳米	615 纳米
有效值噪声值 （pH）	0.002098	0.000183	8.18994 × 10–7	0.000165

 

LOD通常通过测量低浓度下的噪声并乘以3来确定，得到99.7%的置信区间。由于pH是对数刻度，因此选择pH 7作为检查LOD的数字，如表2所示。

 

	7 pH 样品
	430 纳米	615 纳米
检测限 （pH）	0.001099	0.001456

 

测量浊度

浊度背景

液体样品的浊度测量使用悬浮在液体中的颗粒的光散射特性。归根结底，它是液体相对透明度的量度。散射光量和散射角根据颗粒大小、浓度和入射光的波长而有所不同。浊度测量在许多行业中进行，包括水质和生命科学。除了一般浊度外，CN0503还可用于通过测量光密度来确定藻类生长。

光学

图7显示了使用90°或180°检测器测量浊度的光路。使用CN0503，由于需要90°检测器，因此只能在光路1或4中进行浊度测量。浊度有多种测量配置和标准。此示例演示了 EPA 方法 180.1 的修改版本，该方法以浊度浊度单位 （NTU） 进行校准和报告。

图7.用于浊度测量的光路。

设置设备

CN0503评估板

EVAL-ADICUP3029 评估板

汉纳仪器浊度标准校准装置®

在本实验中，光路 4 与插入的 530 nm LED 板一起使用进行测试。

结果

使用CN0503评估GUI，将测量结果导出到Excel中。得到的校准曲线如图9所示。

图9.浊度校准曲线。

响应曲线分为两部分，因为90°散射测量对高浊度的响应较差。一部分表示较低的浊度（0 NTU 至 100 NTU），另一部分表示较高的浊度（100 NTU 至 750 NTU）。然后对每个部分进行两次线性拟合。即使现在有两个方程值，CN0503仍可用于快速显示结果NTU值。这是因为每个光路都可以在INS1和INS2中存储自己的方程值。一个重要的注意事项是INS1和INS2是依赖的。第一个方程 INS1 的结果是第二个方程 INS2 的输入变量。存储方程值后，INS1可用于测量低浊度样品，INS2可用于测量较高浊度的样品。

为了获得噪声值，我们选择一个数据点来获取重复测量的标准偏差。标准偏差是噪声值。选择靠近范围底部的一个数据点，因为方程拟合是线性的。

 

12 南洋理工大学

有效值噪声值 （NTU）

0.282474

 

为了确定LOD，测量空白或低浓度样品的噪声值，然后乘以3表示99.7%置信区间。

 

空白样品

检测限 （NTU）

0.69204

 

用菠菜溶液测量荧光

荧光背景

当光照射到含有荧光分子的样品中时，电子进入更高的能量状态，然后在发射更长波长的光之前失去一些能量。荧光发射具有化学特异性，可用于识别培养基中特定分子的存在和数量。在这个例子中，通过使用菠菜叶子证明了荧光叶绿素。在许多应用中，荧光测量在生物测定、溶解氧、化学需氧量以及检测牛奶中巴氏杀菌是否成功中很常见。

光学

荧光测量的光路配置如图10所示。使用CN0503，只能在光路1或4中进行吸光度测量，这是因为90°检测器。通常，荧光检测器位于与入射光成90°的位置，并使用单色或长通滤光片来增加激发光和发射光之间的隔离。荧光是一种非常灵敏的低电平测量，并且会受到干扰，因此使用参考检测器和同步检测方法来减少误差源。

图 10.用于荧光测量的光路。

设置设备

CN0503评估板

EVAL-ADICUP3029 评估板

菠菜溶液

在这个实验中，通过将菠菜叶与水混合来创建菠菜溶液。然后将其过滤并保留为储备溶液。然后将储备溶液稀释，以产生不同百分比的菠菜溶液样品。这些被用作标准品，通过荧光创建菠菜溶液的百分比曲线。光路 1 与插入的 365 nm LED 卡和长通滤光片一起使用。

结果

百分比菠菜溶液的校准曲线如图12所示。

图 12.百分比菠菜溶液的校准曲线。

可以存储该校准曲线的趋势线方程，以便CN0503直接以百分比形式报告结果。

为了获得噪声值，选取了两个不同的数据点：一个靠近范围的底部，另一个靠近顶部，因为曲线拟合不是线性的。噪声由每个点的一组重复测量的标准偏差给出，如表5所示。

 

	7.5% Spinach样品	20% Spinach样品
有效值噪声值（% Spinach）	0.0616	0.1158

 

为了确定LOD，测量空白或低浓度样品的噪声值，然后乘以3表示99.7%置信区间。

 

空白样品

检测限（% Spinach)）

0.1621

 

结论

对复杂的光学液体分析测量进行原型设计是一项挑战，需要仔细考虑化学、光学和电子如何相互作用以产生精确的结果。ADPD4101等集成AFE产品为在更小空间内实现更高性能的光学液体传感铺平了道路。CN0503以ADPD4101为基础，包括光学设计、固件和软件，是一个易于使用且高度可定制的快速原型制作平台，能够对液体参数进行精确的光学测量，包括吸光度、比色法、浊度和荧光。

审核编辑：郭婷