光学液体分析原型制作平台为无所不在的感测铺路

即时监控环境对于改善全球永续发展非常重要。能够快速分析样本，并确认问题，是快速解决问题，盡可能减少对生态系统影响的关键。这种无所不在的即时感测应用改变了对液体感测器的需求，要求尺寸更精巧、更可靠、功耗更低，同时仍然提供高品质结果。随着产业不断发展，对于採用可携式感测智慧平台的需求随之攀升。该平台需要高度通用以满足从环境水域到程序控制等各种应用的不同需求。本文将介绍一种用于快速液体感测的可携式即时感测解决方案和原型制作平台。

一种常见的液体分析技术

测量样品中未知参数的浓度，如pH值、萤光或浊度的目的，可以有多种方法来测量液体实现。一种常见的方法是透过光学技术评估液体，因为其具有非介入性，可提供稳定准确的结果。精密光学液体测量需要电子、光学和化学多领域知识。简单地说，进行分析时，首先将样品暴露在光源（如LED）下。与样品相互作用后，产生的光由光电二极体处理。将测得的响应结果绘制出来，与一组已知浓度的标准样品的测量响应结果相对照。这就是所谓的校准曲缐。利用校准曲缐可以确定未知值，这就是分析测量的一般实验室方法，但为了满足无所不在的感测需求，必须进行调整以适应不同的分析物和测量技术，以及适合精巧尺寸应用，所有因素都增加了设计和评估的复杂程度。

图1 : 吸光度校准曲缐示例

用于快速液体测量的模组化ADI解决方案

ADPD4101 是一个光学类比前端（AFE），能够驱动LED，并同步接收和处理来自光电二极体的讯号，以进行高度精准的光学测量。ADPD4101是高度可配置的，具有高达100 dB的高光学讯号杂讯和晶片同步检测方法提供的高环境光抑制，使其在许多情况下能不配备光学黑色遮罩而直接使用。

CN0503 参考设计目的在使用ADPD4101快速制作液体分析测量原型。CN0503採用ADPD4101作为核心产品，但增加了四条模组化光路，以及测量韧体和应用软体，用于进行液体分析。CN0503直接连接至ADICUP3029板，用于管理测量常式和资料流程。ADICUP3029板可以直接连接至笔记型电脑，以查看评估GUI中的结果。CN0503可以测量萤光、浊度、吸光度和色度。样品在色度测量中制备，并放置在3D列印的色度测量支架中，支架中装有光学元件，包括一个透镜和分束器。将色度测量支架插入适当的光路，以进行随插即用测量。此外，LED和光电二极体卡可以切换，以实现更大程度的客制。

为了使用CN0503展示创建校准曲缐和测量未知数，将显示pH值、浊度和萤光的测量值。使用评估GUI进行测量，以创建校准曲缐。计算杂讯值和检测限制（LOD），以确定CN0503可以检测的每个样本的最低浓度。

图2 : CN0503评估板

利用吸光度测量pH值

吸光度背景

吸光度是指根据在特定波长下光的吸收量来确定溶液中已知溶质的浓度。根据比尔-朗伯吸收定律，浓度与吸光度成正比。许多无色分析物可透过加入变色试剂来测定。本示例将展示测量pH值，从水质检测到废水处理，pH值是许多行业中常见的测量参数之一。吸光度测量可用于许多其他参数，包括溶解氧/生物需氧量、硝酸盐、氨和氯。

光学元件

测量吸光度的光路配置如图3所示。使用CN0503可以在任何光路（1到4）进行吸光度测量。入射光束指向分束器，由参考光电二极体在分束器中对光束强度进行採样。剩馀的光功率直接穿过样本。採样光与参考光的比值消除了LED光源的变化和杂讯，同步脉冲和接收视窗可提供环境光抑制。

图3 : 用于测量吸光度的光路

实验设备

‧ CN0503评估板

‧ EVAL-ADICUP3029 评估板

‧ API pH测试和调节器套件

‧ pH标准品

图4 : 使用CN0503进行pH值测量

在本实验中，将显色剂（溴瑞香草酚蓝）加入不同pH值的溶液中。将溶液倒入色度测量中，在430 nm和615 nm两种不同波长下进行测试，其中指示剂显示了吸光的变化和pH。使用CN0503能轻松进行此测量；可将两种不同波长的LED卡插入光路2和光路3中。然后将色度测量支架移动到不同的路径进行不同的测量。

结果

使用CN0503评估GUI，将两条光路的测量结果轻松匯出到Excel表中。得出的两种不同波长的校准曲缐如图5和图6所示。

图5 : 430 nm下的pH吸光度校准曲缐

图6 : 615 nm下的pH吸光度校准曲缐

在每种情况下，绘出pH值与吸光度的关系图，以创建校准曲缐。然后使用增加趋势缐选项来得到曲缐的方程式。然后使用此方程式来确定未知样本的浓度。感测器输出是x变数，得到的y值是pH值。此项实验可以手动完成；但是，也可以使用CN0503来进行这项实验。该韧体採用两个五阶多项式INS1和INS2。将多项式保存之后，就可以选择INS1或INS2模式，如此便直接以所需的单位报告测量结果—在本例中是pH值。因此可以非常简单快速地获取未知样本的结果。

为了取得杂讯值，在每个波长选择两个不同的资料点：一个较低的pH值和一个较高的pH值。由于在这种情况下，曲缐拟合不呈缐性，所以使用了两个点。对每个点重复进行测量会得出标准差，即表1中所示的杂讯值，该值描述了测量精度，排除了样本制备期间的差异。

LOD通常是透过测量低浓度的杂讯，并乘以3得到99.7%的置信区间来确定的。由于pH值为对数尺度，故选取pH值7作为检测LOD的数值，如表2所示。

测量浊度

浊度背景

液体样本的浊度测量利用了液体中悬浮颗粒的光散射特性。最终，其是测量液体的相对透明度。散射光的数量和散射角度的不同取决于颗粒的大小、浓度和入射光的波长。很多产业都会进行浊度测量，包括水质检测和生命科学领域。除一般浊度外，并可以使用CN0503透过测量光密度来测定藻类的生长情况。

光学元件

图7显示了使用90°或180°检测器进行浊度测量的光路。使用CN0503，因为需要使用90°检测器只能在光路1或4进行浊度测量。我们可以使用多种测量配置和浊度标准。本示例展示了EPA Method 180.1的修改版本，使用比浊法浊度单位（NTU）进行校准和报告。

图7 : 浊度测量光路

实验设备

‧ CN0503评估板

‧ EVAL-ADICUP3029评估板

‧ Hanna InstrumentsR 浊度标准校准装置

本实验採用光路4，插入530 nm LED板进行测试。

图8 : 浊度校准标准

结果

使用CN0503评估GUI，将测量结果匯出到Excel表格中。得出的校准曲缐如图9所示。

图9 : 浊度校准曲缐

因为90°散射测量对高浑浊度的回应较差，所以回应曲缐分为两个部分。一部分代表低浊度（0 NTU ~ 100 NTU），另一部分代表高浊度（100 NTU ~ 750 NTU）。然后对每个部分进行两次缐性拟合。即使现在有两个方程式值，仍然可以使用CN0503来快速显示得出的NTU值。这是因为每个光路都可以在INS1和INS2中储存自己的方程式值。注意，INS1和INS2是相互依赖的。第一个方程式INS1的结果是第二个方程式INS2的输入变数。储存方程式值之后，INS1可用于测量低浊度样本，INS2可用于测量高浊度样本。

为了得出杂讯值，选择一个数据点来获取重复测量的标准差。标准差就是杂讯值。因为方程式拟合呈缐性，所以在范围底部附近选取一个数据点。

为了确定LOD，我们测量空白或低浓度样本的杂讯值，然后乘以3表示99.7%的置信区间。

用菠菜溶液测量萤光

萤光背景

当光照射含有萤光分子的样本时，电子会进入更高能量状态，然后在发出更长波长的光之前失去一部分能量。萤光发射具有化学特异性，可用于确认介质中特定分子的存在和数量。在本示例中，我们使用菠菜叶来展示萤光叶绿素。在许多应用中，在生物测定、溶解氧、化学需氧量以及检测牛奶巴氏灭菌法是否成功时常用到萤光测量。

光学元件

测量萤光的光路配置如图10所示。使用CN0503，只能在光路1或4进行萤光测量，因为需要使用90°检测器。通常将萤光检测器置于入射光90°的位置，并透过单色或长通滤光片来增加激发光和发射光间的隔离。萤光是一种非常灵敏的低位准测量，由于容易受干扰，因此可採用参考检测器和同步检测方法来减少误差源。

图10 : 萤光测量光路

实验设备

‧ CN0503评估板

‧ EVAL-ADICUP3029评估板

‧ 菠菜溶液

在本实验中，将菠菜叶和水混合，制成菠菜溶液。过滤之后，作为原液保存。然后将原液稀释，得到菠菜溶液百分比含量不同的样本。将其作为标准，透过萤光绘制菠菜溶液的百分比曲缐。使用光路1、365 nm LED卡和长通滤光片进行测量。

图11 : 用菠菜制成的叶绿素样本

结果

菠菜百分比含量溶液的校准曲缐，如图12所示。

图12 : 菠菜百分比含量溶液的校准曲缐

可以储存该校准曲缐的趋势缐方程式，以便CN0503直接以百分比形式报告结果。

为了得出杂讯值，我们选择了两个不同的资料点：一个靠近范围底部，另一个靠近顶部，因为曲缐拟合不呈缐性。透过对每个点进行反覆测量得出标准差，也就是杂讯，如表5所示。

为了确定LOD，我们测量空白或低浓度样本的杂讯值，然后乘以3表示99.7%的置信区间。

结论

制作复杂光学液体分析测量的原型是一个挑战，需要仔细考虑化学、光学和电子如何相互作用，以得出准确的结果。整合式AFE产品（例如ADPD4101）为在更小的空间内实现更高性能的光学液体检测铺路。CN0503基于ADPD4101建构，包括光学设计、韧体和软体，是一个易于使用且高度可客制化的快速原型制作平台，能够对吸光度、色度、浊度和萤光等液体参数进行准确的光学测量。

（本文作者Sydney Wells为ADI应用工程师、 Scott Hunt为ADI系统应用工程师）