Universelle optische Flüssigkeitsanalyse per multimodalem Sensor-Frontend

Vor dem Hintergrund der weltweiten Besorgnis über die Sicherheit des Trinkwassers aufgrund von Dürren, der Intensität und Häufigkeit von Stürmen und der wachsenden Bevölkerung ist die Analyse von Flüssigkeiten von entscheidender Bedeutung geworden. Die Analyse von Wasserproben in Echtzeit und vor Ort ist erforderlich, um die Verschmutzung und ihre Auswirkungen auf das Ökosystem zu minimieren.

Diese Echtzeitmessung von Flüssigkeiten erfordert Fortschritte bei der Instrumentierung, die eine geringere Größe, einen geringeren Stromverbrauch, eine verbesserte Genauigkeit, eine schnelle Anpassung, schnellere Reaktionszeiten und Robustheit umfassen und gleichzeitig hochwertige Ergebnisse liefern.

Instrumente auf optischer Basis sind hier nützlich, da sie hochpräzise und zerstörungsfreie Messungen vornehmen können, die eine berührungslose Erfassung von Messwerten wie Trübung, gesamter organischer Kohlenstoff, gesamte Schwebstoffe, gelöster Sauerstoff und das Vorhandensein von ionischen Verunreinigungen ermöglichen. Solche Systeme erfordern jedoch komplexe analoge Frontends (AFEs), um Leuchtdioden (LEDs) anzusteuern und gleichzeitig das empfangene Licht zu erfassen und zu digitalisieren, wobei sowohl Umgebungs- als auch Systemrauschen berücksichtigt werden müssen. Derartige Designmöglichkeiten übersteigen die Fähigkeiten des typischen Entwicklers. Was wir brauchen, ist eine elegantere Lösung von der Stange.

In diesem Artikel wird kurz auf die optische Flüssigkeitsanalyse eingegangen, bevor eine tragbare Echtzeit-Plattform für die schnelle Flüssigkeitsanalyse vorgestellt wird, die auf einem multimodalen optischen Sensor-AFE von Analog Devices, Inc. basiert. Außerdem wird ein Referenzdesign auf Basis des AFE vorgestellt, das bis zu vier modulare optische Testbuchten bietet. Anhand des Referenzdesigns wird demonstriert, wie man Messungen von Wasserstoffkonzentrationen (pH), Trübung und Fluoreszenz vornimmt, Kalibrierkurven erstellt und unbekannte Größen misst.

Grundlagen der optischen Flüssigkeitsanalyse

Mit der optischen Flüssigkeitsanalyse können die Konzentrationen von Elementen in einer flüssigen Probe gemessen werden. Die Technik hat viele Vorteile, unter anderem ist sie zerstörungsfrei und arbeitet mit berührungsloser Abtastung. Darüber hinaus bieten die Ergebnisse eine hohe Präzision und eine geringe Drift.

Bei der optischen Analyse wird die Flüssigkeitsprobe dem Licht einer Quelle wie einer Leuchtdiode (LED) mit einer bekannten optischen Wellenlänge ausgesetzt. Das Licht durchdringt die Probe, interagiert mit ihr und wird von einer Fotodiode (PD) erfasst. Die gemessene Reaktion der Fotodiode wird gegen die Reaktionen von Proben mit bekannten Konzentrationen aufgetragen, die eine Kalibrierungskurve bilden, anhand derer der unbekannte Wert ermittelt werden kann.

Dieser Prozess beschreibt die analytischen Messungen, die in einem allgemeinen Labor durchgeführt werden, in dem Präzisionsmessungen von optischen Flüssigkeiten die Ergebnisse von gemischten Bereichen der Elektronik, Optik und Chemie kombinieren. Um diese Art von Tests überall verfügbar zu machen, müssen die Prozesse auf einen kleinen Formfaktor verkleinert werden, was die Komplexität des Designs erhöht.

Eine modulare Lösung für die schnelle Analyse von Flüssigkeiten

Zur Vereinfachung des Geräteentwicklungsprozesses hat Analog Devices das Referenzdesign EVAL-CN0503-ARDZ entwickelt, das auf dem analogen optischen Frontend (AFE) ADPD4101BCBZR7 basiert. Das ADPD4101BCBZR7 ist ein komplettes multimodales Sensor-Frontend, das bis zu acht LEDs ansteuern und bis zu acht separate Rückstromeingänge messen kann (Abbildung 1). Das AFE unterdrückt Signalverschiebungen und Störungen durch asynchron modulierte Interferenzen, die in der Regel vom Umgebungslicht herrühren. Das AFE ist in hohem Maße konfigurierbar und verfügt über ein optisches Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) von bis zu 100 Dezibel (dB) mit hoher Fremdlichtunterdrückung durch synchrone On-Chip-Detektionsmethoden, so dass es in vielen Fällen ohne ein optisch dunkles Gehäuse verwendet werden kann.

Abbildung 1: Das multimodale Sensor-AFE ADPD4101BCBZR7 kann bis zu acht LEDs ansteuern und bis zu acht separate Rückstromeingänge messen. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Das Referenzdesign EVAL-CN0503-ARDZ ermöglicht ein schnelles Prototyping von Flüssigkeitsanalysemessungen, einschließlich Fluoreszenz, Trübung, Absorption und Kolorimetrie (Abbildung 2). Es verfügt über vier modulare optische Testbuchten, die optische Durchgangspfade bieten, und zwei Buchten enthalten orthogonale (90°) Streupfade. Ein 3D-gedruckter Küvettenhalter für Standardküvetten mit einem Durchmesser von 10 Millimetern (mm) ist im Lieferumfang enthalten, der in jedem der vier optischen Pfade platziert werden kann. Das Referenzdesign bietet auch Mess-Firmware und Anwendungssoftware für die Flüssigkeitsanalyse.

Abbildung 2: Das EVAL-CN0503-ARDZ enthält einen 3D-gedruckten Küvettenhalter für 10mm-Standardküvetten, die in einem der vier optischen Pfade mit der Messoptik platziert werden können. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Das EVAL-CN0503-ARDZ ist mit dem EVAL-ADICUP3029 verbunden, einem 32 Bit Arm®-Cortex®-M3-Mikrocontroller-Board, das den Messbetrieb und den Datenfluss steuert. Das EVAL-ADICUP3029-Board wird direkt an einen Laptop angeschlossen, um die erfassten Daten auf der grafischen Benutzeroberfläche der Auswertung anzuzeigen.

In der Flüssigkeitsanalyse können mit dem EVAL-CN0503-ARDZ Fluoreszenz, Trübung, Absorption und Kolorimetrie einer Probe gemessen werden. Der Küvettenhalter beherbergt die Optik, einschließlich einer Kollimationslinse und eines Strahlteilers. Jeder der Steckplätze nimmt eine Referenzphotodiode auf und bietet einen geeigneten optischen Pfad für Plug&Play-Messungen. Darüber hinaus können die LED- und Fotodiodenkarten in jedem Feld zur weiteren Anpassung ausgetauscht werden.

Zur Demonstration werden Messungen des pH-Werts, der Trübung und der Fluoreszenz zur Erstellung von Kalibrierkurven verwendet und anschließend unbekannte Messwerte mit dem EVAL-CN0503-ARDZ und seiner Auswertesoftware gemessen. Außerdem werden der Rauschpegelwert und die Nachweisgrenze (LOD) berechnet. Dadurch wird die niedrigste Konzentration bestimmt, die von dem EVAL-CN0503-ARDZ in jedem Beispiel erkannt werden kann.

Beispiel eines Absorptionstests

Bei Absorptionsmessungen, die auf dem Beer-Lambert-Gesetz beruhen, wird die Konzentration eines bekannten gelösten Stoffes in einer flüssigen Lösung anhand der Absorption von Licht bei einer bestimmten Wellenlänge bestimmt. Dies ist eine Form der Kolorimetrie. In diesem Beispiel wird die Absorption zur Messung des pH-Werts verwendet, einem gängigen Parameter bei der Prüfung der Wasserqualität. Diese Art von Test ist auch für die Analyse von gelöstem Sauerstoff, biologischem Sauerstoffbedarf, Nitraten, Ammoniak und Chlor nützlich.

Absorptionsmessungen können über einen der vier optischen Pfade des EVAL-CN0503-ARDZ (Abbildung 3) durchgeführt werden, wobei ein direkter oder ein Durchgangspfad verwendet werden kann.

Abbildung 3: Dargestellt ist der optische Aufbau für eine Absorptionsmessung mit dem EVAL-CN0503-ARDZ. Der Küvettenhalter im EVAL-CN0503-ARDZ beherbergt die Optik, einschließlich einer Kollimationslinse und eines Strahlteilers. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Eine LED mit der gewünschten Wellenlänge erzeugt den einfallenden Strahl. Ein Strahlteiler im optischen Pfad lenkt einen Teil des Lichts auf eine Referenzphotodiode, die die Strahlintensität abtastet. Der Rest des optischen Strahls wird durch die Probe geleitet. Schwankungen der Lichtintensität und des Rauschens der LED-Quelle werden durch das Verhältnis der Ausgänge der Sende- und der Referenzphotodiode kompensiert.

Der ADPD4101BCBZR7 dämpft die Verschmutzung durch Umgebungslicht von konstanten Lichtquellen um bis zu 60 dB. Dazu wird ein synchrones Modulationsschema verwendet, das den LED-Strom moduliert und synchron die Differenz zwischen dem dunklen (ausgeschalteten) Zustand (bei dem das Umgebungslicht die einzige Komponente ist) und dem angeregten (eingeschalteten) Zustand (bei dem sowohl Umgebungslicht als auch die LED-Komponente vorhanden sind) misst. Die Unterdrückung des Umgebungslichts erfolgt automatisch; es sind keine externen Kontrollen erforderlich.

Zusätzlich zum EVAL-CN0503-ARDZ wird für dieses Beispiel das bereits erwähnte EVAL-ADICUP3029 benötigt. Für die Kalibrierung werden ein API-pH-Test- und -Einstellungskit und ein Satz pH-Pufferlösungsproben verwendet.

Die Analyten wurden durch Zugabe eines Farbindikators (Bromthymolblau) aus dem API-Testkit zu den vorbereiteten Lösungen mit unterschiedlichen pH-Werten hergestellt. Bromothymolblau trennt sich in Lösung in eine schwache Säure mit hoher Lichtabsorption bei 430 Nanometern (nm) und eine konjugierte Base, die eine hohe Lichtabsorption bei 650 nm aufweist.

Die Lösungen wurden in Küvetten überführt, und die pH-Messung wurde bei diesen beiden unterschiedlichen Wellenlängen durchgeführt, bei denen der Indikator eine Änderung der Absorption in Abhängigkeit vom pH-Wert zeigt. Dies lässt sich im EVAL-CN0503-ARDZ leicht mit zwei LED-Karten für unterschiedliche Wellenlängen bewerkstelligen, die in den optischen Pfad 2 und den optischen Pfad 3 eingesetzt wurden. Der Küvettenhalter wird für die Messungen in die beiden verschiedenen Pfade bewegt.

Die Ergebnisse beider optischer Pfade wurden über die grafische Benutzeroberfläche der Auswertesoftware EVAL-CN0503-ARDZ in Excel exportiert (Abbildung 4).

Abbildung 4: Abgebildet sind die Absorptionskalibrierkurven des pH-Werts für Tests mit Lichtquellen von 430 nm (links) und 650 nm (rechts). (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

In beiden Fällen wurde der pH-Wert gegen die Absorption aufgetragen, um die Kalibrierungskurve zu erstellen. Eine Trendlinienfunktion in Excel wurde verwendet, um eine Gleichung für die Kurve zu erstellen. Der Schätzwert für die Anpassungsgüte, R², liegt in beiden Fällen nahe bei 1,0, was auf die hervorragende Qualität der Anpassung hinweist. Die Konzentrationen unbekannter Proben können aus diesen Gleichungen bestimmt werden, wobei der Sensorausgang als x-Variable eingegeben wird und der resultierende y-Wert der pH-Wert ist. Die Auswertesoftware EVAL-CN0503-ARDZ implementiert zwei Polynome fünfter Ordnung, INS1 und INS2. Sobald die Polynome gespeichert sind, kann der INS1- oder INS2-Modus gewählt werden, so dass die Messergebnisse direkt in der gewünschten Einheit, in diesem Fall pH, angegeben werden. Dies vereinfacht die Ermittlung eines Ergebnisses für eine unbekannte Probe.

Der Rauschpegel der Messung erfordert zwei verschiedene Datenpunkte für jede Wellenlänge. Der eine sollte einen niedrigeren und der andere einen höheren pH-Wert haben. Es werden zwei Werte verwendet, da die Kurvenanpassung nicht linear ist. Die gewählten pH-Werte waren 6,1 und 7,5. Für jeden Punkt wurden mehrere Messungen durchgeführt, und die Standardabweichung der Daten ergibt den quadratischen Mittelwert des Rauschens (RMS) bei jeder Wellenlänge für jeden pH-Wert. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.

Tabelle 1: Dargestellt sind die RMS-Rauschwerte für zwei pH-Werte bei zwei Wellenlängen. (Quelle der Tabelle: Analog Devices, Inc.)

Beachten Sie, dass diese Daten Abweichungen aufgrund der Probenvorbereitung nicht berücksichtigen.

Die Nachweisgrenze (LOD) bestimmt die niedrigste Konzentration, die vom EVAL-CN0503-ARDZ wahrscheinlich erkannt wird. Die LOD wird in der Regel durch Messung des Rauschens bei niedrigen Konzentrationen bestimmt. Um ein Konfidenzniveau von 99,7 % zu erreichen, wird der Rauschwert mit drei multipliziert. Da der pH-Wert eine logarithmische Skala ist, wurde die LOD für einen pH-Wert von 7 bestimmt. Dies geschah wiederum bei Wellenlängen von 430 nm und 625 nm. Die LOD bei 430 nm lag bei einem pH-Wert von 0,001099 und die LOD bei 615 nm bei einem pH-Wert von 0,001456.

Beispiel für einen Trübungstest

Die Trübung misst die relative Klarheit einer Flüssigkeit. Die Messung basiert auf der Lichtstreuung der in der Flüssigkeit suspendierten Partikel. Die Lichtstreuung wird von der Größe und Konzentration der Schwebeteilchen sowie von der Wellenlänge des einfallenden Lichts beeinflusst. Diese Faktoren beeinflussen die Menge des gestreuten Lichts und den Streuungswinkel. Trübungsprüfungen werden in vielen Branchen durchgeführt, unter anderem in den Bereichen Wasserqualität und Biowissenschaften. Sie kann auch zur Bestimmung des Algenwachstums durch Messung der optischen Dichte verwendet werden.

Der optische Pfad für die Trübungsprüfung verwendet Fotodioden, die so angeordnet sind, dass sie Licht in einem Winkel von 90˚ oder 180˚ erfassen. Im EVAL-CN0503-ARDZ wird für die Trübungsprüfung ein Detektor mit 90˚ benötigt, der in den Prüfbuchten 1 und 4 verfügbar ist. Abbildung 5 zeigt die optische Bucht 4, in das eine 530nm-LED-Platine als Quelle eingesetzt ist.

Abbildung 5: Der optische Pfad für einen Trübungstest verwendet Photodetektoren in einem Abstand von 90˚ und 180˚ zum Lichtweg, um das von den Partikeln in der Lösung gestreute Licht zu erkennen. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Dieses Beispiel zeigt eine modifizierte Version der EPA-Methode 180.1, „Bestimmung der Trübung durch Nephelometrie“, kalibriert und angegeben in nephelometrischen Trübungseinheiten (NTU).

Zu den Geräten, die für die Trübungsprüfung verwendet werden, gehören die Evaluierungsboards EVAL-CN0503-ARDZ und EVAL-ADICUP3029 sowie das Kalibrierungsset für Trübungsstandards von Hanna Instruments. Der Trübungs-Kalibrierungsstandard liefert Mikrokügelchen bestimmter Größen in Reinstwasser. Diese Lösungen werden zur Kalibrierung und Validierung von Trübungsmessungen verwendet.

Über die grafische Benutzeroberfläche (GUI) der EVAL-CN0503-ARDZ-Software wurden die Messergebnisse in Excel exportiert, wo eine Trübungskalibrierungskurve erstellt wurde (Abbildung 6).

Abbildung 6: Diese Kalibrierungskurven beruhen auf den Ergebnissen der Trübungstests. Die lineare Kurvenanpassung zeigt, dass die linearen Modelle eine ausgezeichnete Anpassungsgüte (R²) aufweisen. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Beachten Sie, dass in Abbildung 6 die Werte des relativen Verhältnisses (RRAT) auf der Abszisse auf die Basislinie oder die Werte des absoluten Verhältnisses bezogen sind, die auf einem bekannten Messaufbau mit einer leeren Küvette oder mit destilliertem Wasser basieren, bei dem das Verhältnis von einfallendem zu reflektiertem Licht nahezu 1 ist. Mit diesem Verfahren werden kleine Faktoren, die durch die optischen Glaselemente wie Strahlteiler, Linse und Filter in die Messung einfließen, entfernt. Dieser Wert wird als Referenzwert für nachfolgende Messungen verwendet.

Da die 90°-Streuungsmessung bei hohen Trübungen weniger empfindlich ist, wurde die Reaktionskurve in zwei Abschnitte unterteilt, wobei der erste Abschnitt eine geringere Trübung (0 NTU bis 100 NTU) und der andere eine höhere Trübung (100 NTU bis 750 NTU) darstellt. Anschließend wurden für jeden Abschnitt zwei lineare Anpassungen vorgenommen. Auch wenn es jetzt zwei Gleichungswerte gibt, kann das EVAL-CN0503-ARDZ immer noch verwendet werden, um die resultierenden NTU-Werte mit den eingebauten INS1- oder INS2-Polynomanpassungen schnell anzuzeigen.

Der Rauschwert wurde anhand der Standardabweichung der wiederholten Messungen ermittelt. Aufgrund der linearen Anpassung wurde nur ein Rauschpunkt nahe dem unteren Ende des Bereichs (12 NTU) verwendet. Der Rauschpegel wurde mit 0,282474 NTU gemessen.

Die LOD wurde ermittelt, indem der Rauschwert einer Probe mit einer niedrigen oder leeren Konzentration gemessen wurde. Auch hier wurde der Rauschwert mit drei multipliziert, um ein Konfidenzintervall von 99,7 % zu erhalten. Für eine Blindprobenkonzentration betrug die LOD 0,69204 NTU.

Ein Beispiel für einen Fluoreszenztest

Fluoreszenz ist das Ergebnis der Anregung von Elektronen einiger Materialien durch einen Lichtstrahl, wodurch sie Licht mit einer anderen Wellenlänge aussenden. Die emittierte Lichtintensität ist proportional zur Konzentration des lichtempfindlichen Materials. Die Fluorometrie ist im Allgemeinen viel empfindlicher als die Messung der Absorption, um die Konzentration von Stoffen in einer Lösung zu messen. Mit Hilfe von Fluoreszenzemissionen lassen sich das Vorhandensein und die Menge bestimmter Moleküle feststellen, da sie chemisch spezifisch sind. Fluoreszenzmessungen sind über einen größeren Konzentrationsbereich hinweg linear. Zu den Anwendungen von Fluoreszenzmessungen gehören biologische Tests, gelöster Sauerstoff, chemischer Sauerstoffbedarf und der Nachweis der erfolgreichen Pasteurisierung von Milch.

Im Allgemeinen werden Fluoreszenzemissionen mit einem Photodetektor gemessen, der im Winkel von 90° zum einfallenden Licht positioniert ist, um dessen Einfluss auf die Messung zu minimieren. Ein Referenzdetektor zur Messung des einfallenden Lichts wird verwendet, um Störfaktoren bei der Messung zu minimieren. Zu diesen Faktoren gehören Verzerrungen durch die Lichtquelle, externe Beleuchtung und leichte Bewegungen der Probe. Zusätzlich wird ein optischer monochromatischer oder Langpass-Filter mit dem Fluoreszenzdetektor verwendet, um die Trennung zwischen dem einfallenden und dem emittierten Licht zu erhöhen (Abbildung 7).

Abbildung 7: Der optische Pfad für die Fluoreszenzmessung. Die Fluoreszenzphotodiode ist in einem Winkel von 90° zum einfallenden Lichtweg angeordnet. Ein Fluoreszenzfilter schwächt die Wellenlänge der LED-Quelle ab. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Zu den für die Fluoreszenzprüfung verwendeten Geräten gehören auch hier die Platinen EVAL-CN0503-ARDZ und EVAL-ADICUP3029.

In diesem Beispiel wurden Spinatblätter verwendet, um die Fluoreszenz des Chlorophylls zu demonstrieren. Eine Spinatlösung wurde durch Mischen von Spinatblättern mit Wasser hergestellt. Nach dem Filtrieren wurde diese als Stammlösung verwendet. Verschiedene Prozentsätze der Spinatlösung wurden durch Verdünnen der Stammlösung hergestellt und als Standards zur Erstellung einer Kalibrierungskurve verwendet. Da ein orthogonaler Detektor benötigt wurde, wurde die optische Bucht 1 im EVAL-CN0503-ARDZ verwendet. Als Quelle diente eine LED mit einer Wellenlänge von 365 nm, die mit einem Langpassfilter versehen war.

Sieben verschiedene Prozentsätze der Spinatlösung wurden getestet, und die Chlorophyll-Kalibrierungskurve wurde aufgezeichnet (Abbildung 8).

Abbildung 8: Kalibrierungskurve für die prozentuale Spinatlösung, einschließlich der Trendliniengleichung. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Wie in den früheren Beispielen kann die Trendliniengleichung für die Chlorophyll-Kalibrierkurve gespeichert werden, so dass die Ergebnisse direkt als Prozentsatz vom EVAL-CN0503-ARDZ gemeldet werden.

Da die Kalibrierungskurve nicht linear ist, wurde das Rauschen anhand von zwei Datenpunkten (7,5 % und 20 %) gemessen. Die Standardabweichung von Mehrfachtests mit jeder Probe ergab einen RMS-Rauschwert von 0,0616% Spinat für die 7,5%ige Probe und 0,1159% Spinat für die 20%ige Probe.

Die LOD wurde mit einer Leerwert- oder Niedrigkonzentrationsprobe bestimmt. Auch hier wurde der RMS-Wert der Rauschmessung für die Probe mit drei multipliziert, um ein Konfidenzniveau von 99,7 % zu erreichen, was eine LOD von 0,1621 % Spinat ergibt.

Fazit

Die Entwicklung eines tragbaren optischen Messsystems für die Flüssigkeitsanalyse erfordert ein umfangreiches Wissen über das Zusammenspiel von Chemie, Optik und Elektronik, um ein präzises, genaues und einfach zu bedienendes Gerät zu schaffen. Um ein solches System mit hoher Genauigkeit und Präzision zu entwickeln, kann das optische AFE ADPD4101BCBZR7 verwendet werden, anstatt eine komplexe Signalkette selbst zu entwickeln. Um den Einstieg zu erleichtern, wird das AFE durch das Referenzdesign EVAL-CN0503-ARDZ unterstützt. Es baut auf dem ADPD4101BCBZR7 auf, indem es die optischen Komponenten, die Firmware und die Software hinzufügt, um eine einfach zu bedienende und äußerst anpassungsfähige Prototyping-Plattform zu schaffen, die in der Lage ist, genaue optische Messungen von Absorptions-, Kolorimetrie-, Trübungs- und Fluoreszenzparametern für Flüssigkeiten durchzuführen.