Többmódusú érzékelő front-end használata optikai folyadékelemzéshez

Az aszályok, a gyakori és intenzív viharok, valamint Földünk növekvő népessége miatti globális ivóvízellátási probléma kontextusában a folyadékelemzés kritikus jelentőségűvé vált. Legfőképpen arra van szükség, hogy a vízminták valós időben és a helyszínen kielemezhetők legyenek, minimalizálva az elszennyeződést és annak az ökoszisztémára gyakorolt hatását.

A folyadékok valós idejű elemzéséhez korszerű és fejlett műszerekre, többek között kisebb méretű, alacsonyabb energiafogyasztású, nagyobb pontosságú, gyorsan az egyedi követelményekhez igazítható, gyorsabb válaszidejű és robusztusabb eszközökre van szükség, amelyek azonban felső kategóriás minőségű adatokat tudnak szolgáltatni.
Az optikai alapú műszerek itt jól hasznosíthatók, mivel nagy pontosságú és roncsolásmentes mérést tesznek lehetővé, és érintésmentesen képesek érzékelni többek között a zavarosságot, a teljes szervesszén-tartalmat, a teljes lebegő szilárdrészecske-tartalmat, az oldott oxigén mennyiségét és az ionos szennyeződések jelenlétét. Az ilyen rendszerek azonban bonyolult analóg front-end (AFE) áramköröket igényelnek a fénykibocsátó diódák (LED-ek) vezérléséhez, és a fogadott fény érzékelését és digitalizálását a környezeti fény és rendszerzajok mellett kell megvalósítaniuk. Mivel az ilyen konstrukciók megépítése meghaladja a tipikus tervezői képességeket, egy elegánsabb, készen kapható megoldásra van szükség.
Ez a cikk az optikai folyadékelemzéssel foglalkozik röviden, mielőtt bemutatná az Analog Devices, Inc. többmódusú optikai érzékelő AFE-jén alapuló, hordozható, valós idejű, gyors folyadékelemzésre szolgáló platformját. Bemutat továbbá egy ezen az AFE-n alapuló referenciatervet is, amely összesen négy moduláris fényutat kínál. A referenciaterv segítségével bemutatjuk a hidrogénpotenciál (pH), a zavarosság és a fluoreszcencia mérését, valamint a kalibrációs görbék létrehozását és ismeretlen minták mérését.

Az optikai folyadékelemzés alapjai

Optikai folyadékelemzéssel a folyadékmintákban lévő elemek koncentrációja mérhető. A módszernek számos előnye van, többek között az, hogy roncsolásmentes és érintésmentes érzékelést biztosít, ezenkívül az eredmények nagy pontosságúak, alacsony szórással.
Optikai elemzés során a folyadékmintát egy ismert optikai hullámhosszúságú fényforrás, például egy fénykibocsátó dióda (LED) fényének teszik ki. A fény áthalad a mintán, kölcsönhatásba lép vele, és egy fotodióda érzékeli. A fotodióda által mért értékeket ismert koncentrációjú mintákból származó, kalibrációs görbét alkotó értékekkel vetik össze az ismeretlen érték megállapításához.
Ilyen módszer szerinti analitikai méréseket alkalmaznak az általános laboratóriumokban, ahol a folyadékok precíziós optikai elemzéséhez az elektronikai, optikai és kémiai folyamatokkal nyert eredményeket ötvözik és kombinálják. Ahhoz, hogy ez a tesztelési módszer mindenütt elérhető legyen, csökkenteni kell a folyamatok méreteit, ami viszont a tervezési bonyolultság növelésével jár.

Moduláris megoldás gyors folyadékelemzéshez

A műszertervezési folyamatok egyszerűsítéséhez az Analog Devices kifejlesztette az EVAL-CN0503-ARDZ referenciatervet, amely az ADPD4101BCBZR7 analóg optikai front-endre (AFE-re) épül. Az ADPD4101BCBZR7 egy teljes körű, akár nyolc LED vezérlésére és nyolc különálló visszavezetett árambemenet mérésére képes többmódusú érzékelő front-end áramkör (1. ábra). Az AFE semlegesíti az általában a környezeti fényből és az aszinkron modulált interferenciából származó zavarokat és jeleltolódásokat, nagymértékben konfigurálható, és a chipbe épített szinkron detektálási módszerek alkalmazásával, valamint a nagy környezeti fényvisszaveréssel akár 100 dB optikai jel-zaj viszonyt (SNR-t) biztosít, így sok esetben optikailag sötét burkolatok nélkül is használható.

1. ábra Az ADPD4101BCBZR7 többmódusú érzékelő AFE akár nyolc LED vezérlésére és nyolc különálló visszavezetett árambemenet mérésére képes (Kép: Analog Devices, Inc.)

 
Az EVAL-CN0503-ARDZ referenciaterv lehetővé teszi a folyadékelemzési (fluoreszcencia, zavarosság, abszorbancia és kolorimetria) mérőeszközök prototípusainak gyors gyártását (2. ábra). Négy moduláris, áthaladó fényutakat biztosító optikai tesztrekesszel rendelkezik, amelyek közül kettő ortogonális (90°-os) szórási útvonalakat tartalmaz. Tartalmaz egy, a szabványos 10 mm-es küvettákhoz alkalmas 3D nyomtatott küvettatartót, amely a négy fényút bármelyikébe behelyezhető. A referenciaterv folyadékelemzésre szánt mérési firmware-t és alkalmazási szoftvert is tartalmaz.

2. ábra Az EVAL-CN0503-ARDZ tartalmaz egy 3D nyomtatott küvetta­tartót a szabványos 10 mm-es küvettákhoz, amely a mérő­optikát tartalmazó négy fényút bármelyikébe behelyezhető (Kép: Analog Devices, Inc.)

 
Az EVAL-CN0503-ARDZ az EVAL-ADICUP3029-hez, egy 32 bites Arm Cortex-M3 mikrokontroller-kártyához tud csatlakozni, amely a mérési műveleteket és az adatáramlást kezeli. Az EVAL-ADICUP3029 kártya közvetlenül egy laptophoz csatlakoztatható a mért adatoknak a kiértékelő grafikus felhasználói felületen történő megjelenítéséhez.
Az EVAL-CN0503-ARDZ-vel fluoreszcencia-, zavarosság-, abszorbancia- és kolorimetriatípusú folyadékelemzési mérések végezhetők. A küvettatartóban található az optika, beleértve a kollimátorlencsét és a sugárosztót. Mindegyik rekesz tartalmaz egy referencia-fotodiódát, és mindegyikük megfelelő fényutat biztosít plug-and-play mérésekhez. Ezenkívül az egyes rekeszekben lévő LED- és fotodióda-kártyák további testreszabási lehetőségeket biztosítva cserélhetők.
Demonstrációs példaként bemutatjuk a pH-, a zavarosság- és a fluoreszcenciaértékek mérését és a mért adatok felhasználásával kapott kalibrációs görbék készítését, majd ismeretlen mintákat mérünk az EVAL-CN0503-ARDZ-vel és annak kiértékelő szoftvere segítségével. Ezenkívül kiszámítjuk a zajszintet és a kimutatási határértéket (LOD) is. Ez az a legalacsonyabb koncentráció, amelyet az EVAL-CN0503-ARDZ minden egyes példa esetén érzékelni képes.

Példa az abszorbancia mérésére

A Beer-Lambert-törvényen alapuló abszorpciós mérésnél egy folyékony oldatban lévő ismert oldott anyag koncentrációját határozzák meg, adott hullámhosszúságú elnyelt fény mennyisége alapján. Ez a színmérés egy fajtája. Ebben a példában az abszor­banciát használják fel a pH-érték (a vízminőség vizsgálatakor az egyik gyakori paraméter) mérésére. Ez a típusú eljárás analitikai mérésekre is használható, beleértve az oldott oxigén, a biológiai oxigénigény, a nitrát, az ammónia és a klórtartalom vizsgálatát.
Az abszorbanciamérések az EVAL-CN0503-ARDZ-n lévő négy fényút bármelyikével elvégezhetők közvetlen vagy átmenő fényút használatával (3. ábra).

3. ábra Az EVAL-CN0503-ARDZ-vel végzett abszorban­ciaméréskor használt optikai kialakítás látható. Az EVAL-CN0503-ARDZ küvettatartójában található az optika, többek között egy kollimátorlencse és egy sugárosztó (Kép: Analog Devices, Inc.)

 
Egy kívánt hullámhosszúságú LED generálja a beeső fénysugarat. A fényúton lévő sugárosztó a fény egy részét a sugár intenzitását mérő referencia-fotodiódára irányítja. A kollimált optikai sugarat a minta felé irányítják. A LED-forrás fényintenzitásának és zajának változásait az adó- és referencia-fotodiódák kimeneteinek arányával egyenlítik ki.
Az ADPD4101BCBZR7 az állandó fényforrásokból származó környezeti fényszennyezést akár 60 dB-lel is javítja. Ezt egy szinkron modulációs séma segítségével valósítja meg, amely modulálja a LED áramát, és szinkronban méri a különbséget a sötét (kikapcsolt) állapot (ahol a környezeti fény az egyetlen komponens) és a gerjesztett (bekapcsolt) állapot között (ahol a környezeti fény és a LED komponens is jelen van). A környezeti fény visszaverése automatikus, nincs szükség külső vezérlésre.
Ehhez a példához az EVAL-CN0503-ARDZ mellett a korábban említett EVAL-ADICUP3029 is szükséges. A kalibráláshoz egy pH-teszt- és beállító készlet API-re és egy sor pH-pufferoldat-mintára van szükség.
Az analiteket úgy állítottuk elő, hogy az API tesztkészletből származó színindikátort (brómtimolkék) hozzáadtuk a különböző pH-értékű oldatokhoz. Az oldatokba helyezve a brómtimolkék egy 430 nm-es nagy fényelnyelésű gyenge savra és egy 615 nm-es fényelnyelésű konjugált bázisra válik szét.
Az oldatokat küvettákba töltöttük, és a pH-mérést ezen a két különböző hullámhosszon végeztük, ahol az indikátor a pH függvényében mutatja az abszorpció változását. Ez könnyen megvalósítható volt az EVAL-CN0503-ARDZ-vel, mégpedig két különböző hullámhosszúságú LED-kártyának a 2. és a 3. fényútba történő behelyezésével. A mérésekhez a küvettatartót a két különböző útvonalra helyeztük.
A két fényúttal kapott eredményeket az EVAL-CN0503-ARDZ kiértékelő szoftverén belüli grafikus felhasználói felület segítségével Excel-be exportáltuk (4. ábra).

4. ábra Az abszorbancia kalibrációs görbéi különböző pH értékű analitekkel és 430 nm-es (balra) és 615 nm-es (jobbra) fényforrással végzett vizsgálatokkal (Kép: Analog Devices, Inc.)

 
A kalibrációs görbe elkészítéséhez mindkét esetben a pH-abszorbancia viszonyt ábrázoltuk. A görbe egyenletének létrehozásához az Excelben egy trendvonal­funkciót használtunk. A görbéhez való illeszkedési jóság (az R2 érték) mindkét esetben 1,0-hoz közelít, ami jelzi a kiváló illeszkedést. Ezek az egyenletek felhasználhatók ismeretlen minták koncentrációinak meghatározására úgy, hogy az érzékelő kimenete az x-változó, a kapott y-érték pedig a pH. Az EVAL-CN0503-ARDZ kiértékelő szoftver két ötödrendű polinom, az INS1 és az INS2 kiszámítására képes. A polinomok tárolása után választani lehet az INS1 vagy INS2 üzemmódok között, így a mérési eredmények közvetlenül a kívánt mértékegységben, jelen esetben pH-ban jelennek meg. Ez leegyszerűsíti egy ismeretlen minta mérését és az eredményének meghatározását.
A mérés zajszintje miatt minden hullámhossz esetén két különböző adatpontra van szükség. Az egyiknek alacsonyabb, a másiknak magasabb pH-értéknek kell lennie, és mivel a görbeilleszkedés nem lineáris, két értéket szükséges használni. A kiválasztott pH-értékek 6,1 és 7,5 voltak. Minden egyes ponton több mérést végeztünk, és az adatok szórása adta meg a zaj négyzetes középértékét (RMS), minden hullámhosszon, minden egyes pH-értékre. Az eredmények az 1. táblázatban láthatók. (Megjegyzendő, hogy ezekbe az adatokba a minta előkészítéséből adódó eltérések nincsenek belefoglalva.)

1. táblázat Két hullámhosszon, két pH-értékhez tartozó RMS-zajértékek (Táblázat: Analog Devices, Inc.)

A kimutatási határérték (LOD) az a legalacsonyabb koncentráció, amelyet az EVAL-CN0503-ARDZ nagy valószínűséggel kimutatni képes. Az LOD-t jellemzően alacsony koncentrációk melletti zajszintméréssel határozzák meg. A 99,7%-os megbízhatósági szint eléréséhez a zajértéket megszorozzuk hárommal. Mivel a pH ábrázolása logaritmikus léptékű, az LOD-t a 7-es pH-értékre határoztuk meg. Ezt ismét 430 nm és 615 nm hullámhosszon végeztük. A 430 nm esetén a kapott LOD érték 0,001099 pH, 615 nm esetén pedig a mért LOD érték 0,001456 pH volt.

Példa a zavarosság mérésére

A zavarosság mérésekor a folyadék relatív tisztaságát mérjük. A mérési elv a folyadékban lebegő részecskék fényszórási tulajdonságán alapul. A fényszórást a lebegő részecskék mérete és koncentrációja, valamint a beeső fény hullámhossza befolyásolja. Ezektől a tényezőktől függ a szórt fény mennyisége és a szórási szög. Zavarosságmérést számos iparágban végeznek, beleértve a vízminőség-ellenőrzést és az élettudományok terén végzett teszteléseket. Alkalmazható az algák növekedésének meghatározására is az optikai sűrűség mérésével.
A zavarosságméréskor alkalmazott fényutaknál 90˚-os vagy 180˚-os szögben elhelyezett fotodiódákat használnak a fény érzékelésére. A za­­varosság méréséhez az EVAL-CN0503-ARDZ-nél egy 90˚-os szögben elhelyezett érzékelőre van szükség és egy-egy ilyen a kártya 1-es és 4-es tesztrekeszében található. Az 5. ábrán a 4-es optikai rekesz látható, amely forrásként egy 530 nm-es LED-kártyát tartalmaz.

5. ábra Zavarosságméréskor a fényúton a fény haladási irányához viszonyítva 90˚-ban és 180˚-ban elhelyezett fotodetektorokat használnak az oldatban lévő részecskék általi szórt fény érzékelésére (Kép: Analog Devices, Inc.)

 
Ez a példa az EPA 180.1 „A zavarosság meghatározása nefelometriás módszerrel” módosított változata, amelynél a zavarosság kalibrálására és megadására az NTU-t (Nephelometric Turbidity Unit) használják mértékegységként.
A zavarosságméréshez használt eszközök közé tartozik az EVAL-CN0503-ARDZ és az EVAL-ADICUP3029 fejlesztői kártya, valamint a Hanna Instruments szabványos zavarosságkalibrációs készlete, amely ultratiszta vízbe helyezett meghatározott méretű mikrogyöngyöket tartalmaz. Ezeket az oldatokat zavarosságméréskor kalibrálásra és az eredmények validálására használják.
Az EVAL-CN0503-ARDZ szoftveres kiértékelő grafikus felhasználói felületének (GUI) segítségével a mérési eredményeket Excel-be exportáltuk, amely az importált adatok felhasználásával egy zavaros­ságkalibrációs görbét generált (6. ábra).

6. ábra A kapott kalibrációs görbék a zavarosságmérési eredmények alapján. A lineáris görbeillesztés azt mutatja, hogy a lineáris modellek illeszkedési jósága (R²) kiváló (Kép: Analog Devices, Inc.)

 
Megjegyzendő, hogy a 6. ábrán az abszcisszára leképzett relatív arány (RRAT) -értékek az alapvonalra vagy abszolút arányértékekre vonatkoznak, amelyek egy üres küvettával vagy desztillált vízzel végzett, ismert mérési beállításon alapulnak, ahol a beeső és a visszavert fény aránya 1-hez közelít. Erre az eljárásra az optikai üvegelemek, például a sugárosztó, a lencse és a szűrők által a mérésbe bevitt kisebb hibatényezők kiszűrése miatt van szükség, és a kapott értéket referenciaként használtuk a további mérések során.
Mivel a 90°-os szórásmérés kevésbé érzékeny nagy zavarosság esetén, a válaszgörbét két szakaszra osztottuk; az első szakasz az alacsonyabb zavarosságot (0 NTU-tól 100 NTU-ig), a másik a magasabb zavarosságot (100 NTU-tól 750 NTU-ig) képviseli. Ezután minden szakaszra vonatkozólag két lineáris interpolációt alkalmaztunk. Bár most már két egyenletből származó eredmény van, az EVAL-CN0503-ARDZ továbbra is felhasználható a kapott NTU-értékek gyors megjelenítésére a betöltött INS1 vagy INS2 polinomillesztések segítségével.
A zaj értékét az ismételt mérésekkel kapott szórás alapján határoztuk meg. A lineáris illesztés miatt csak egy, a tartomány aljához közeli zajpontot (12 NTU) használtunk. A mért zajszint 0,282474 NTU volt.
Az LOD-t egy alacsony koncentrációjú vagy szennyeződést nem tartalmazó minta zajértékének meghatározásával állapítottuk meg. A zajértéket ismét megszoroztuk hárommal, hogy 99,7%-os megbízhatósági intervallumot kapjunk. A szennyeződést nem tartalmazó mintánál az LOD 0,69204 NTU volt.

Példa a fluoreszcencia mérésére

A fluoreszcencia jelensége az, amikor egy anyag elektronjait fénysugárral gerjesztik, és ennek következtében az anyag egy másik hullámhosszon fényt bocsát ki. A kibocsátott fény intenzitása arányos a fényérzékeny anyag koncentrációjával. A fluorometria általában sokkal érzékenyebb, mint az oldatban lévő anyagok koncentrációjának mérése abszorbanciával. A fluoreszcenciakibocsátások felhasználhatók bizonyos molekulák jelenlétének és mennyiségének azonosítására, mivel kémiailag specifikusak, és a fluoreszcenciaalapú mérések szélesebb koncentrációtartományban lineárisak. Fluoresz­cenciaalapú mérést alkalmaznak többek között biológiai vizsgálatoknál, az oldottoxigén-tartalom és a kémiaioxigén-igény vizsgálatakor, valamint a tej pasztőrözöttségének kimutatására.
A fluoreszcenciakibocsátást általában a beeső fényhez viszonyítva 90°-ban elhelyezett fotodetektorral mérik, hogy minimalizálják annak a mérésre gyakorolt hatását. A beeső fény mérésére referenciadetektort használnak, a mérést zavaró tényezők minimalizálására, amelyek többek között lehetnek a fényforrásból, a külső megvilágításból és a minta enyhe mozgásaiból eredő torzulások. Ezenkívül a fluoreszcenciadetektorral együtt optikai monokromatikus vagy a nagy hullámhosszúságú fényeket áteresztő szűrőt használnak a beeső és az emittált fény elkülönítésének növelésére (7. ábra).

7. ábra A fényút fluoreszcenciaméréskor. A fluoresz­cenciamérési fotodióda 90°-ban van elhelyezve a beeső fény útjához képest. Egy fluoreszcencia-szűrő szűri a forrás-LED hullámhosszát (Kép: Analog Devices, Inc.)

 
A fluoreszcencia mérésére használt eszközök között ismét szerepeltek az EVAL-CN0503-ARDZ és az EVAL-ADICUP3029 kártyák.
Ebben a példában spenótleveleket használtunk a fluoreszkáló klorofill bemutatására. A spenótleveleket vízzel turmixoltuk, és spenótoldatot hoztunk létre. Szűrés után ezt használtuk törzsoldatként. A különböző százalékos arányú spenótoldatokat a törzsoldat hígításával hoztuk létre, és ezeket használtuk standardként a kalibrációs görbe elkészítéséhez. Mivel ortogonális detektorra volt szükség, az EVAL-CN0503-ARDZ 1. optikai rekeszét használtuk. Forrásként egy 365 nm-es hullámhosszú LED-et használtunk, egy nagy hullámhosszúságú fényeket áteresztő szűrővel.
A spenótoldat hét különböző százalékos arányát vizsgáltuk, majd megrajzoltuk a klorofill kalibrációs görbéjét (8. ábra).

8. ábra Különböző százalékarányos spenótoldatokkal és a trendvonalegyenlet alkalmazásával elkészített kalibrációs görbe (Kép: Analog Devices, Inc.)

 
A korábbi példákhoz hasonlóan a klorofill kalibrációs görbéjére vonatkozó trendvonalegyenlet is tárolható, így az EVAL-CN0503-ARDZ az eredményeket közvetlenül százalékos értékben adja meg.
Mivel a kalibrációs görbe nem lineáris, a zajt két adatpont – 7,5% és 20% – alapján mértük. Az egyes mintákkal végzett többszöri tesztelés a szórás figyelembevételével 7,5%-os minta esetén 0,0616%-os, a 20%-os minta esetén pedig 0,1159%-os négyzetes átlagos zajértéket eredményezett.
Az LOD-t szennyeződést nem tartalmazó vagy alacsony koncentrációjú mintával határoztuk meg. A minta mért négyzetes átlagos zajértékét ismét megszoroztuk hárommal a 99,7%-os megbízhatósági szint eléréséhez, ami 0,1621%-os LOD-értéket eredményezett.

Összegzés

Egy hordozható optikai folyadékelemző mérőrendszer megalkotásakor a kémiai, az optikai és az elektronikai tudományok összegzett és alapos ismeretére van szükség, ha egy pontos, precíz és könnyen használható eszközt szeretnénk létrehozni. Egy ilyen nagy pontosságú és precíz eszköz megépítéséhez a tervezők felhasználhatják az ADPD4101BCBZR7 optikai AFE-t ahelyett, hogy saját maguknak kellene egy összetett jelláncot megtervezniük.
A kezdés megkönnyítéséhez az AFE kiegészítéseként rendelkezésre áll az EVAL-CN0503-ARDZ referenciakialakítás, amely az optikai komponensek, a firmware és a szoftver hozzáadásával az ADPD4101BCBZR7-re épül. Az eredmény egy könnyen használható és nagymértékben adaptálható prototípusgyártó platform, amely az abszorbancia, a kolorimetria, a zavarosság és a fluoreszcencia-folyadékparaméterek pontos optikai mérésére használható.

Szerző: Rolf Horn – Alkalmazástechnikai mérnök, DigiKey

DigiKey
www.digikey.hu
Angol/német nyelvű kapcsolat
Rolf Horn
Application Engineer
DigiKey Germany GmbH
Tel.: +49 89 2444 8 x 16817
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.