利用多模态传感器前端，可实现无处不在的光学液体分析

来源：DigiKey
作者：Art Pini

随着干旱和风暴发生的次数越来越多，强度越来越大以及人口的持续增长，全球都在关注饮用水安全问题，因此液体分析变得至关重要。需要对水样进行现场实时分析，以尽量减少污染及其对生态系统的影响。

对液体进行实时检测依赖所用仪器在各方面的改进，包括更小的尺寸、更低的功耗、更高的精度、快速定制、更快的响应时间和坚固耐用性；与此同时，还具有高质量的检测结果。

光学仪器在这方面非常有用，因为利用这类仪器可进行高精密无损测量，对浊度、总有机碳、总悬浮固体、溶解氧和是否存在离子污染物等进行非接触式检测。然而，此类系统需要复杂的模拟前端 (AFE) 来驱动发光二极管 (LED)，同时在具有环境和系统噪声的环境下对接收到的光进行检测和数字化。这类设计已超出了一般设计师的能力范围。我们需要的是一种更精妙的现成解决方案。

本文简要讨论光学液体分析，然后介绍基于Analog Devices, Inc 多模态光学传感器 AFE 的便携式实时快速液体分析平台。此外，还将介绍基于 AFE 的参考设计，该设计可提供多达四个模块化光程托架。该参考设计可用于演示如何测量电位氢（pH 值）、浊度和荧光，以及如何绘制校准曲线并测量未知量。

光学液体分析基础知识

光学液体分析可用于测量液体样本中的元素浓度。这种技术有许多优点，具体包括无损、非接触式检测。此外，测量结果精度高、漂移小。

从概念上讲，光学分析是将液体样品暴露在如发光二极管 LED 等已知波长的光源下。光线穿过样品并与之相互作用，然后经光电二极管 (PD) 检测。根据已知浓度样品的响应绘制 PD 的测量响应值，从而形成一条校准曲线，根据这条曲线即可确定未知值。

该过程描述了一般实验室中采用的分析测量值，它将精密光学液体测量与电子学、光学和化学领域的成果组合在一起。要普及这种测试就必须缩小流程，因此增加了设计复杂性。

用于快速测量液体的模块化解决方案

为了简化仪器设计过程，Analog Devices 基于 ADPD4101BCBZR7 模拟光前端 (AFE) 创建了 EVAL-CN0503-ARZD 参考设计。ADPD4101BCBZR7 是一款完整的多模态传感器前端，可驱动多达八个 LED 并测量多达八个独立的返回电流输入（图 1）。AFE 可消除信号偏移和异步调制干扰造成的干扰，这种干扰通常来自环境光。AFE 具有高度可配置性，其光学信噪比 (SNR) 可高达 100 dB，且采用片上同步检测方法，具有很高的环境光抑制能力，因此在许多情况下使用时无需光学暗箱。


图 1：ADPD4101BCBZR7 多模态传感器 AFE 可驱动多达八个 LED 并测量多达八个独立的返回输入电流。（图片来源：Analog Devices, Inc.）

使用 EVAL-CN0503-ARZD 参考设计，可快速进行液体分析测量的原型开发，包括荧光、浊度、吸光度和比色法（图 2）。该参考设计具有四个模块化光学测试托架，提供直通光路，其中两个托架包括正交 (90°) 散射光路。该参考设计还包括一个 3D 打印比色皿支架，可用于 10 mm 标准比色皿，并可将其放置在四个光路的任何一个光路中。该参考设计还提供了针对液体分析的测量固件和应用软件。


图 2：EVAL-CN0503-ARZD 包括一个 3D 打印比色皿支架，可用于 10 mm 标准比色皿，并可将其放置在包含测量光学器件的四个光路的任何一个光路中。（图片来源：Analog Devices, Inc.）

EVAL-CN0503-ARZD 与 32 位 Arm® Cortex®-M3 微控制器板 EVAL-ADICUP3029 相连，后者用于处理测量操作和数据流。EVAL-ADICUP3029 板可直接与笔记本电脑连接，在图形化用户评估界面下显示获取的数据。

使用 EVAL-CN0503-ARZD 可对样品进行荧光、浊度、吸光度和比色等液体分析测量。比色皿支架上装有光学器件，包括准直透镜和分光镜。每个插槽都可容纳一个参考光电二极管，并为即插即用测量提供相应的光路。此外，每个托架中的 LED 卡和光电二极管卡都可以更换，以便进一步定制。

为了便于演示，将使用 pH 值、浊度和荧光的测量值绘制校准曲线，然后使用 EVAL-CN0503-ARZD 及其评估软件测量未知值。此外，还将计算噪声水平值和检测限 (LOD)。这将确定 EVAL-CN0503-ARZD 在每个示例中可以检测到的最低浓度。

吸光度测试示例

基于 Beer-Lambert 定律的吸光度测量，是根据特定波长的光被吸收的程度来确定液体溶液中已知溶质的浓度。这是一种比色法。在本例中，吸光度用于测量 pH 值，这是水质检测中的一个常见参数。这类型测试也可用于分析应用，包括溶解氧、生物需氧量、硝酸盐、氨和氯。

可以使用 EVAL-CN0503-ARZD 上的四个光路中的任意一条光路（图 3），通过直接或直通光路测量吸光度。

图 3：所示为使用 EVAL-CN0503-ARZD 进行吸光度测量的光学装置。EVAL-CN0503-ARZD 中的比色皿支架上安装了光学器件，包括准直透镜和分光镜。（图片来源：Analog Devices, Inc.）

LED 在所需波长下发出入射光束。光路中的分光镜将部分光线引向参考光电二极管，然后由二极管对光束强度进行采样。其余的光束则穿过样品。通过计算发射光电二极管和参考光电二极管输出的比值，可以消除 LED 光源的光强变化和噪声。

ADPD4101BCBZR7 可抑制高达 60 dB 的来自恒定光源的环境光污染。这是通过同步调制方案实现的，该方案会调制 LED 电流并同步测量暗（关）状态（环境光是唯一成分）和激发（开）状态（环境光和 LED 成分同时存在）之间的差异。这种环境光抑制自动进行，无需外部控制。

除了 EVAL-CN0503-ARDZ 外，本示例还需要上文提到的 EVAL-ADICUP3029。该器件使用 API pH 测试和调节器套件以及一套 pH 缓冲溶液样本进行校准。

在配制好的不同 pH 值的溶液中加入 API 检测试剂盒中的显色剂（溴鏻蓝），制备分析物。溴鏻蓝在溶液中会分离成弱酸和共轭碱，前者对 430 nm 光有较高的吸收率，后者对 650 nm 光有较高的吸收率。

将溶液转移到比色皿中，在这两个不同的波长下测量 pH 值，且指示剂在这两个波长下的吸收率随 pH 值的变化而变化。在 EVAL-CN0503-ARDZ 中，将两个不同波长的 LED 卡分别插入光路 2 和光路 3 后，可轻松实现这一功能。将比色皿支架移入两个不同的光路中进行测量。

在 EVAL-CN0503-ARDZ 评估软件的图形用户界面下，将两条光路的结果以 Excel 表格形式导出（图 4）。


图 4：所示为使用 430 nm 光源（左）和 650 nm 光源（右）测试 pH 值的吸光度校准曲线。（图片来源：Analog Devices, Inc.）

在这两种情况下，绘制 pH 值与吸光度的关系曲线，用于确定校准曲线。Excel 中的趋势线函数用于生成曲线方程。在这两种情况下，拟合优度估计值 R2 都接近 1.0，表明拟合质量极佳。未知样品的浓度可通过这些方程确定，传感器输出为 x 变量，得出的 y 值为 pH 值。EVAL-CN0503-ARDZ 评估软件执行两个五阶多项式 INS1 和 INS2。存保存多项式后，可选择 INS1 或 INS2 模式，以便直接以所需单位（本例中为 pH）报告测量结果。这样会简化未知样本的结果获取过程。

测量值的噪音水平要求每个波长有两个不同的数据点。一个应是较低的 pH 值，另一个应较高的 pH 值。由于曲线拟合不是线性，因此使用两个值。所选的 pH 值为 6.1 和 7.5。对每个点进行多次测量，根据数据的标准偏差得出每个 pH 值在每个波长下的均方根噪声值 (RMS)。结果见表 1。


表 1：所示为两个波长下两个 pH 值的 RMS 噪声值。（表格来源：Analog Devices, Inc.）

请注意，这些数据不包括样品制备造成的差异。

检测限 (LOD) 决定了 EVAL-CN0503-ARDZ 可检测到的最低浓度。通常情况下，通过测量低浓度水平的噪声来确定 LOD 。为了达到 99.7% 的置信度，噪声值应乘以 3。鉴于 pH 值是一个对数刻度，因此以 pH 值为 7 来确定检测限。这同样是在波长为 430 nm 和 625 nm 的条件下进行的。430 nm 波长下的检测限 pH 值为 0.001099，615 nm 波长下的检测限 pH 值为 0.001456。

浊度测试示例

浊度用来测量液体的相对透明度。该测量基于液体中悬浮颗粒的光散射特性。光散射的影响因素为悬浮颗粒的大小、浓度以及入射光波长。这些因素会影响散射光量和散射角。浊度测试适用于包括水质、生命科学在内的许多行业。该测试还可用于通过测量光密度来确定藻类的生长情况。

浊度检测光路使用光电二极管，以 90˚ 或 180˚ 角检测光线。在 EVAL-CN0503-ARDZ 中，浊度测试需要一个 90˚ 检测器，1 号和 4 号测试托架都有这种检测器。图 5 所示为插入 530 nm LED 板作为光源的 4 号托架。


图 5：浊度测试的光路使用与光路成 90˚ 和 180˚ 角的光电探测器来检测溶液中颗粒的散射光。（图片来源：Analog Devices, Inc.）

本示例演示了 EPA 方法 180.1《用浊度测定法测试浊度》的修改版，并以比浊法浊度单位 (NTU) 进行校准、报告。

用于浊度测试的设备包括 EVAL-CN0503-ARDZ 和 EVAL-ADICUP3029 评估板，以及 Hanna Instruments 的浊度标准校准装置。浊度校准标准规定了超纯水中特定尺寸的微珠。这些溶液用于校准、验证浊度测量结果。

使用 EVAL-CN0503-ARDZ 软件的图形化用户评估界面 (GUI)，将测量结果导出至 Excel 表格中，并该表格中生成浊度校准曲线（图 6）。


图 6：这些校准曲线基于浊度测试结果。线性曲线拟合表明，线性模型的拟合估计值 (R2) 非常好。（图片来源：Analog Devices, Inc.）

请注意，图 6 中的横坐标的相对比值 (RRAT) 参考基线值或绝对比率值，而基线值或绝对比率值基于已知的空比色皿测量值设置，或基于入射光与反射光之比接近 1 的蒸馏水测量值设置。这一过程用于消除分光镜、透镜和滤光片等光学玻璃元件在测量过程中引入的微小因素。该值用作连续测量的参考值。

由于 90° 散射测量对高浊度的响应较弱，因此将响应曲线分为两段，第一段代表较低浊度（0 NTU 至 100 NTU），另一段代表较高浊度（100 NTU 至 750 NTU）。然后，对每段进行两次线性拟合。尽管现在有两个等式值，但 EVAL-CN0503-ARDZ 仍可用于快速显示使用内置 INS1 或 INS2 多项式拟合得出的 NTU 结果。

噪声值则是根据重复测量值的标准偏差确定的。由于是线性拟合，因此只使用了靠近量程底部的一个噪声点（12 NTU）。经测量，噪音水平为 0.282474 NTU。

LOD 是根据低浓度或空白样品的噪声值确定的。同样，噪声值乘以 3 表示 99.7% 的置信区间。对于空白样品白样品的浓度，LOD 为 0.69204 NTU。

荧光测试示例

荧光是某些材料的电子受光束激发后，发射另一种波长的光的结果。发射光的强度与光敏材料的浓度成正比。测量溶液中的浓度时，荧光测量法通常要比吸光度测量法灵敏得多。荧光发射可用于识别是否存在特定分子并确定其数量，因为它们具有化学特异性。荧光测量的线性范围更广。荧光测量的应用包括生物化验、溶解氧、化学需氧量以及检测牛奶的巴氏杀菌是否成功。

一般来说，测量荧光发射时使用一个与入射光线成 90° 角的光电探测器，以尽量减少入射光线对测量值的影响。使用参考检测器测量入射光，以尽量减少干扰测量的因素。具体干扰因素包括光源失真、外部照明和样品轻微移动。此外，荧光检测器还使用了光学单色或长通滤光器，以提高入射光和发射光的分离度（图 7）。


图 7：荧光测量光路。荧光光电二极管与入射光路成 90° 角。荧光滤光片可使源 LED 发生波长衰减。（图片来源：Analog Devices, Inc.）

同样，用于荧光测试的设备包括 EVAL-CN0503-ARDZ 和 EVAL-ADICUP3029 板。

在本例中，菠菜叶用来展示叶绿素荧光。菠菜溶液由将菠菜叶与水混合制成。过滤后，将其用作储备溶液。通过稀释菠菜原液，产生不同比例的菠菜溶液，并以此为标准绘制校准曲线。由于需要正交检测器，因此使用了 EVAL-CN0503-ARDZ 中的 1 号光托架。光源是波长为 365 nm 的发光二极管，并插入了一个长通滤光器。

在本例中，测试了七种不同比例的菠菜溶液，并绘制出叶绿素校准曲线（图 8）。


图 8：菠菜百分含量溶液的校准曲线，包括趋势线方程。（图片来源：Analog Devices, Inc.）

不同于之前的示例，可以保存叶绿素校准曲线的趋势线方程，从而通过 EVAL-CN0503-ARDZ 就可以直接以百分比的形式报告结果。

由于校准曲线的非线特征，因此使用 7.5% 和 20% 两个数据点来测量噪声。对每个样本进行多次测试后得出的标准偏差为：7.5% 样本的菠菜噪声 RMS 值为 0.0616%，20% 样本的菠菜 RMS 噪声值为 0.1159%。

使用空白或低浓度样品测定 LOD。同样，将样本的噪声 RMS 测量值乘以 3，表示 99.7% 的置信水平，得出菠菜的 LOD 为 0.1621% 。

结束语

创建便携式光学液体分析测量系统需要大量的化学、光学和电子学领域的交叉知识，然后才能以构建一款精密、准确、易用的设备。为了设计出高精密度、准确的产品，设计人员可以使用 ADPD4101BCBZR7 光学 AFE，然后再去自行设计复杂的信号链。EVAL-CN0503-ARDZ 参考设计支持 AFE，有助于用户启动设计。ADPD4101BCBZR7 是在 ADPD4101BCBZR7 的基础上增加了光学元件、固件和软件，使其成为一个易于使用、适应性强的原型开发平台，它能够对吸光度、比色法、浊度和荧光液体参数进行精确的光学测量。