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來源：DigiKey 作者：Art Pini 隨著干旱和風暴發生的次數越來越多，強度越來越大以及人口的持續增長，全球都在關注飲用水安全問題，因此液體分析變得至關重要。需要對水樣進行現場實時分析，以盡量減少污染及其對生態系統的影響。 對液體進行實時檢測依賴所用儀器在各方面的改進，包括更小的尺寸、更低的功耗、更高的精度、快速定制、更快的響應時間和堅固耐用性；與此同時，還具有高質量的檢測結果。 光學儀器在這方面非常有用，因為利用這類儀器可進行高精密無損測量，對濁度、總有機碳、總懸浮固體、溶解氧和是否存在離子污染物等進行非接觸式檢測。然而，此類系統需要復雜的模擬前端 (AFE) 來驅動發光二極管 (LED)，同時在具有環境和系統噪聲的環境下對接收到的光進行檢測和數字化。這類設計已超出了一般設計師的能力范圍。我們需要的是一種更精妙的現成解決方案。 本文簡要討論光學液體分析，然后介紹基于Analog Devices, Inc 多模態光學傳感器 AFE 的便攜式實時快速液體分析平臺。此外，還將介紹基于 AFE 的參考設計，該設計可提供多達四個模塊化光程托架。該參考設計可用于演示如何測量電位氫（pH 值）、濁度和熒光，以及如何繪制校準曲線并測量未知量。 光學液體分析基礎知識 光學液體分析可用于測量液體樣本中的元素濃度。這種技術有許多優點，具體包括無損、非接觸式檢測。此外，測量結果精度高、漂移小。 從概念上講，光學分析是將液體樣品暴露在如發光二極管 LED 等已知波長的光源下。光線穿過樣品并與之相互作用，然后經光電二極管 (PD) 檢測。根據已知濃度樣品的響應繪制 PD 的測量響應值，從而形成一條校準曲線，根據這條曲線即可確定未知值。 該過程描述了一般實驗室中采用的分析測量值，它將精密光學液體測量與電子學、光學和化學領域的成果組合在一起。要普及這種測試就必須縮小流程，因此增加了設計復雜性。 用于快速測量液體的模塊化解決方案 為了簡化儀器設計過程，Analog Devices 基于 ADPD4101BCBZR7 模擬光前端 (AFE) 創建了 EVAL-CN0503-ARZD 參考設計。ADPD4101BCBZR7 是一款完整的多模態傳感器前端，可驅動多達八個 LED 并測量多達八個獨立的返回電流輸入（圖 1）。AFE 可消除信號偏移和異步調制干擾造成的干擾，這種干擾通常來自環境光。AFE 具有高度可配置性，其光學信噪比 (SNR) 可高達 100 dB，且采用片上同步檢測方法，具有很高的環境光抑制能力，因此在許多情況下使用時無需光學暗箱。 
圖 1：ADPD4101BCBZR7 多模態傳感器 AFE 可驅動多達八個 LED 并測量多達八個獨立的返回輸入電流。（圖片來源：Analog Devices, Inc.） 使用 EVAL-CN0503-ARZD 參考設計，可快速進行液體分析測量的原型開發，包括熒光、濁度、吸光度和比色法（圖 2）。該參考設計具有四個模塊化光學測試托架，提供直通光路，其中兩個托架包括正交 (90°) 散射光路。該參考設計還包括一個 3D 打印比色皿支架，可用于 10 mm 標準比色皿，并可將其放置在四個光路的任何一個光路中。該參考設計還提供了針對液體分析的測量固件和應用軟件。
圖 2：EVAL-CN0503-ARZD 包括一個 3D 打印比色皿支架，可用于 10 mm 標準比色皿，并可將其放置在包含測量光學器件的四個光路的任何一個光路中。（圖片來源：Analog Devices, Inc.） EVAL-CN0503-ARZD 與 32 位 Arm® Cortex®-M3 微控制器板 EVAL-ADICUP3029 相連，后者用于處理測量操作和數據流。EVAL-ADICUP3029 板可直接與筆記本電腦連接，在圖形化用戶評估界面下顯示獲取的數據。 使用 EVAL-CN0503-ARZD 可對樣品進行熒光、濁度、吸光度和比色等液體分析測量。比色皿支架上裝有光學器件，包括準直透鏡和分光鏡。每個插槽都可容納一個參考光電二極管，并為即插即用測量提供相應的光路。此外，每個托架中的 LED 卡和光電二極管卡都可以更換，以便進一步定制。 為了便于演示，將使用 pH 值、濁度和熒光的測量值繪制校準曲線，然后使用 EVAL-CN0503-ARZD 及其評估軟件測量未知值。此外，還將計算噪聲水平值和檢測限 (LOD)。這將確定 EVAL-CN0503-ARZD 在每個示例中可以檢測到的最低濃度。 吸光度測試示例 基于 Beer-Lambert 定律的吸光度測量，是根據特定波長的光被吸收的程度來確定液體溶液中已知溶質的濃度。這是一種比色法。在本例中，吸光度用于測量 pH 值，這是水質檢測中的一個常見參數。這類型測試也可用于分析應用，包括溶解氧、生物需氧量、硝酸鹽、氨和氯。 可以使用 EVAL-CN0503-ARZD 上的四個光路中的任意一條光路（圖 3），通過直接或直通光路測量吸光度。
圖 3：所示為使用 EVAL-CN0503-ARZD 進行吸光度測量的光學裝置。EVAL-CN0503-ARZD 中的比色皿支架上安裝了光學器件，包括準直透鏡和分光鏡。（圖片來源：Analog Devices, Inc.） LED 在所需波長下發出入射光束。光路中的分光鏡將部分光線引向參考光電二極管，然后由二極管對光束強度進行采樣。其余的光束則穿過樣品。通過計算發射光電二極管和參考光電二極管輸出的比值，可以消除 LED 光源的光強變化和噪聲。 ADPD4101BCBZR7 可抑制高達 60 dB 的來自恒定光源的環境光污染。這是通過同步調制方案實現的，該方案會調制 LED 電流并同步測量暗（關）狀態（環境光是唯一成分）和激發（開）狀態（環境光和 LED 成分同時存在）之間的差異。這種環境光抑制自動進行，無需外部控制。 除了 EVAL-CN0503-ARDZ 外，本示例還需要上文提到的 EVAL-ADICUP3029。該器件使用 API pH 測試和調節器套件以及一套 pH 緩沖溶液樣本進行校準。 在配制好的不同 pH 值的溶液中加入 API 檢測試劑盒中的顯色劑（溴鏻藍），制備分析物。溴鏻藍在溶液中會分離成弱酸和共軛堿，前者對 430 nm 光有較高的吸收率，后者對 650 nm 光有較高的吸收率。 將溶液轉移到比色皿中，在這兩個不同的波長下測量 pH 值，且指示劑在這兩個波長下的吸收率隨 pH 值的變化而變化。在 EVAL-CN0503-ARDZ 中，將兩個不同波長的 LED 卡分別插入光路 2 和光路 3 后，可輕松實現這一功能。將比色皿支架移入兩個不同的光路中進行測量。 在 EVAL-CN0503-ARDZ 評估軟件的圖形用戶界面下，將兩條光路的結果以 Excel 表格形式導出（圖 4）。
圖 4：所示為使用 430 nm 光源（左）和 650 nm 光源（右）測試 pH 值的吸光度校準曲線。（圖片來源：Analog Devices, Inc.） 在這兩種情況下，繪制 pH 值與吸光度的關系曲線，用于確定校準曲線。Excel 中的趨勢線函數用于生成曲線方程。在這兩種情況下，擬合優度估計值 R2 都接近 1.0，表明擬合質量極佳。未知樣品的濃度可通過這些方程確定，傳感器輸出為 x 變量，得出的 y 值為 pH 值。EVAL-CN0503-ARDZ 評估軟件執行兩個五階多項式 INS1 和 INS2。存保存多項式后，可選擇 INS1 或 INS2 模式，以便直接以所需單位（本例中為 pH）報告測量結果。這樣會簡化未知樣本的結果獲取過程。 測量值的噪音水平要求每個波長有兩個不同的數據點。一個應是較低的 pH 值，另一個應較高的 pH 值。由于曲線擬合不是線性，因此使用兩個值。所選的 pH 值為 6.1 和 7.5。對每個點進行多次測量，根據數據的標準偏差得出每個 pH 值在每個波長下的均方根噪聲值 (RMS)。結果見表 1。
表 1：所示為兩個波長下兩個 pH 值的 RMS 噪聲值。（表格來源：Analog Devices, Inc.） 請注意，這些數據不包括樣品制備造成的差異。 檢測限 (LOD) 決定了 EVAL-CN0503-ARDZ 可檢測到的最低濃度。通常情況下，通過測量低濃度水平的噪聲來確定 LOD 。為了達到 99.7% 的置信度，噪聲值應乘以 3。鑒于 pH 值是一個對數刻度，因此以 pH 值為 7 來確定檢測限。這同樣是在波長為 430 nm 和 625 nm 的條件下進行的。430 nm 波長下的檢測限 pH 值為 0.001099，615 nm 波長下的檢測限 pH 值為 0.001456。 濁度測試示例 濁度用來測量液體的相對透明度。該測量基于液體中懸浮顆粒的光散射特性。光散射的影響因素為懸浮顆粒的大小、濃度以及入射光波長。這些因素會影響散射光量和散射角。濁度測試適用于包括水質、生命科學在內的許多行業。該測試還可用于通過測量光密度來確定藻類的生長情況。 濁度檢測光路使用光電二極管，以 90˚ 或 180˚ 角檢測光線。在 EVAL-CN0503-ARDZ 中，濁度測試需要一個 90˚ 檢測器，1 號和 4 號測試托架都有這種檢測器。圖 5 所示為插入 530 nm LED 板作為光源的 4 號托架。
圖 5：濁度測試的光路使用與光路成 90˚ 和 180˚ 角的光電探測器來檢測溶液中顆粒的散射光。（圖片來源：Analog Devices, Inc.） 本示例演示了 EPA 方法 180.1《用濁度測定法測試濁度》的修改版，并以比濁法濁度單位 (NTU) 進行校準、報告。 用于濁度測試的設備包括 EVAL-CN0503-ARDZ 和 EVAL-ADICUP3029 評估板，以及 Hanna Instruments 的濁度標準校準裝置。濁度校準標準規定了超純水中特定尺寸的微珠。這些溶液用于校準、驗證濁度測量結果。 使用 EVAL-CN0503-ARDZ 軟件的圖形化用戶評估界面 (GUI)，將測量結果導出至 Excel 表格中，并該表格中生成濁度校準曲線（圖 6）。
圖 6：這些校準曲線基于濁度測試結果。線性曲線擬合表明，線性模型的擬合估計值 (R2) 非常好。（圖片來源：Analog Devices, Inc.） 請注意，圖 6 中的橫坐標的相對比值 (RRAT) 參考基線值或絕對比率值，而基線值或絕對比率值基于已知的空比色皿測量值設置，或基于入射光與反射光之比接近 1 的蒸餾水測量值設置。這一過程用于消除分光鏡、透鏡和濾光片等光學玻璃元件在測量過程中引入的微小因素。該值用作連續測量的參考值。 由于 90° 散射測量對高濁度的響應較弱，因此將響應曲線分為兩段，第一段代表較低濁度（0 NTU 至 100 NTU），另一段代表較高濁度（100 NTU 至 750 NTU）。然后，對每段進行兩次線性擬合。盡管現在有兩個等式值，但 EVAL-CN0503-ARDZ 仍可用于快速顯示使用內置 INS1 或 INS2 多項式擬合得出的 NTU 結果。 噪聲值則是根據重復測量值的標準偏差確定的。由于是線性擬合，因此只使用了靠近量程底部的一個噪聲點（12 NTU）。經測量，噪音水平為 0.282474 NTU。 LOD 是根據低濃度或空白樣品的噪聲值確定的。同樣，噪聲值乘以 3 表示 99.7% 的置信區間。對于空白樣品白樣品的濃度，LOD 為 0.69204 NTU。 熒光測試示例 熒光是某些材料的電子受光束激發后，發射另一種波長的光的結果。發射光的強度與光敏材料的濃度成正比。測量溶液中的濃度時，熒光測量法通常要比吸光度測量法靈敏得多。熒光發射可用于識別是否存在特定分子并確定其數量，因為它們具有化學特異性。熒光測量的線性范圍更廣。熒光測量的應用包括生物化驗、溶解氧、化學需氧量以及檢測牛奶的巴氏殺菌是否成功。 一般來說，測量熒光發射時使用一個與入射光線成 90° 角的光電探測器，以盡量減少入射光線對測量值的影響。使用參考檢測器測量入射光，以盡量減少干擾測量的因素。具體干擾因素包括光源失真、外部照明和樣品輕微移動。此外，熒光檢測器還使用了光學單色或長通濾光器，以提高入射光和發射光的分離度（圖 7）。
圖 7：熒光測量光路。熒光光電二極管與入射光路成 90° 角。熒光濾光片可使源 LED 發生波長衰減。（圖片來源：Analog Devices, Inc.） 同樣，用于熒光測試的設備包括 EVAL-CN0503-ARDZ 和 EVAL-ADICUP3029 板。 在本例中，菠菜葉用來展示葉綠素熒光。菠菜溶液由將菠菜葉與水混合制成。過濾后，將其用作儲備溶液。通過稀釋菠菜原液，產生不同比例的菠菜溶液，并以此為標準繪制校準曲線。由于需要正交檢測器，因此使用了 EVAL-CN0503-ARDZ 中的 1 號光托架。光源是波長為 365 nm 的發光二極管，并插入了一個長通濾光器。 在本例中，測試了七種不同比例的菠菜溶液，并繪制出葉綠素校準曲線（圖 8）。
圖 8：菠菜百分含量溶液的校準曲線，包括趨勢線方程。（圖片來源：Analog Devices, Inc.） 不同于之前的示例，可以保存葉綠素校準曲線的趨勢線方程，從而通過 EVAL-CN0503-ARDZ 就可以直接以百分比的形式報告結果。 由于校準曲線的非線特征，因此使用 7.5% 和 20% 兩個數據點來測量噪聲。對每個樣本進行多次測試后得出的標準偏差為：7.5% 樣本的菠菜噪聲 RMS 值為 0.0616%，20% 樣本的菠菜 RMS 噪聲值為 0.1159%。 使用空白或低濃度樣品測定 LOD。同樣，將樣本的噪聲 RMS 測量值乘以 3，表示 99.7% 的置信水平，得出菠菜的 LOD 為 0.1621% 。 結束語 創建便攜式光學液體分析測量系統需要大量的化學、光學和電子學領域的交叉知識，然后才能以構建一款精密、準確、易用的設備。為了設計出高精密度、準確的產品，設計人員可以使用 ADPD4101BCBZR7 光學 AFE，然后再去自行設計復雜的信號鏈。EVAL-CN0503-ARDZ 參考設計支持 AFE，有助于用戶啟動設計。ADPD4101BCBZR7 是在 ADPD4101BCBZR7 的基礎上增加了光學元件、固件和軟件，使其成為一個易于使用、適應性強的原型開發平臺，它能夠對吸光度、比色法、濁度和熒光液體參數進行精確的光學測量。 |
