Ympäristön reaaliaikainen seuranta on ratkaisevan tärkeää globaalin kestävyyden parantamiseksi. Mahdollisuus analysoida näyte nopeasti ja tunnistaa ongelma on avain nopeisiin ratkaisuihin, joilla on minimaaliset vaikutukset ekosysteemiin. Tämä pyrkimys kohti kaikkialla läsnä olevaa, reaaliaikaista aistimista on muuttanut nesteantureiden vaatimuksia: niissä vaaditaan pienempää kokoa, suurempaa kestävyyttä ja pienempää tehoa samalla kun ne tarjoavat laadukkaita tuloksia. Alan kehittyessä tarvitaan älykkäitä alustoja tien päällä tapahtuvaa tunnistusta varten. Näiden alustojen on oltava erittäin monipuolisia, ja niiden täytyy pystyä täyttämään ainutlaatuiset vaatimukset monenlaisissa sovelluksissa ympäristövesistä prosessinhallintaan. Tämä artikkeli esittelee kannettavan, reaaliaikaisen tunnistusratkaisun ja prototyyppialustan nopeaan nesteen tunnistukseen.

Nesteiden testaamiseen on olemassa erilaisia ​​menetelmiä, joiden tarkoituksena on mitata tuntemattoman parametrin pitoisuus näytteessä, kuten pH, fluoresenssi tai sameus. Suosittu menetelmä on arvioida nesteitä optisesti, koska se on ei-invasiivinen ja tarjoaa vakaat ja tarkat tulokset. Tarkkuusoptiset nestemittaukset vaativat sekalaista tietoa elektroniikasta, optiikasta ja kemiasta.

Analyysi alkaa näytteestä, joka altistetaan esimerkiksi ledistä tulevalle valolle. Vuorovaikutuksen jälkeen näytteen kanssa saatu valo käsitellään fotodiodilla. Tämä mitattu vaste piirretään tunnettujen pitoisuuksien standardinäytteiden sarjan mitattuja vasteita vastaan. Tämä tunnetaan kalibrointikäyränä. Kalibrointikäyrää käyttämällä voidaan määrittää arvot, joita ei tiedetä. Tämä kuvaa yleistä laboratoriomenetelmää analyyttisille mittauksille, mutta jotta aistimista voitaisiin tehdä kaikkialla, on se skaalattava erilaisiin analyytteihin ja mittaustekniikoihin sekä sovitettava pienikokoiseksi laitteeksi. Tämä kaikki lisää suunnittelun ja evaluoinnin monimutkaisuutta.

Kuva 1. Esimerkki absorbanssin kalibrointikäyrästä.

Modulaarinen ratkaisu nopeaan nesteen mittaamiseen

Analog Devicesin ADPD4101-piiri on optinen analoginen etuaste (AFE), joka pystyy ohjaamaan ledejä ja vastaanottamaan ja käsittelemään synkronisesti signaaleja fotodiodeista korkean tarkkuuden optisten mittausten suorittamiseksi. ADPD4101 on erittäin pitkälle konfiguroitavissa, ja siinä on korkea optinen signaali-kohinasuhde, jopa 100 dB, ja korkea ympäristön valon vaimennus sirulla olevien synkronisten tunnistusmenetelmien ansiosta. Tämän ansiosta sitä voidaan monissa tapauksissa käyttää ilman optisesti tummaa koteloa.

CN0503-referenssisuunnittelu kehitettiin mahdollistamaan nesteanalyysimittausten nopea prototyypitys ADPD4101:n avulla. CN0503:n ydintuotteena on ADPD4101, mutta siinä on neljä modulaarista optista reittiä sekä nesteanalyysiin tarkoitetut mittauslaitteisto- ja sovellusohjelmistot. CN0503 on liitetty suoraan ADICUP3029-korttiin, joka hallitsee mittausrutiinia ja datankulkua. ADICUP3029-kortti voidaan liittää suoraan kannettavaan tietokoneeseen, jolloin tulokset nähdään arviointikäyttöliittymässä.

CN0503 voi mitata fluoresenssia, sameutta, absorbanssia ja kolorimetriaa. Näyte valmistetaan kyvettiin (mittausastia) ja asetetaan 3D-tulostettuun kyvettitelineeseen, jossa on optiikka, mukaan lukien linssi ja säteenjakaja. Kyvetin pidike asettuu sopivalle optiselle polulle plug and play -mittausta varten. Lisäksi ledi- ja fotodiodikortit voidaan kytkeä pois päältä, mikä mukauttaa ratkaisua enemmän.

Kalibrointikäyrien luomisen ja tuntemattomien mittaamisen osoittamiseksi CN0503:lla näytetään pH-, sameus- ja fluoresenssin mittaukset. Graafista evaluointikäyttöliittymää käytettiin mittausten tekemiseen kalibrointikäyrien luomiseksi. Kohina-arvo ja havaitsemisraja (LOD) laskettiin alhaisimman CN0503:lla havaittavan pitoisuuden määrittämiseksi kullekin esimerkille.

Kuva 2. CN0503-evaluointikortti.

pH:n mittaaminen absorbanssilla

Absorbanssiin sisältyy tunnetun liuenneen aineen pitoisuuden määrittäminen liuoksessa sen perusteella, kuinka paljon valoa absorboituu tietyllä aallonpituudella. Pitoisuus on verrannollinen absorbanssiin Beer-Lambertin lain mukaan. Monet värittömät analyytit voidaan mitata lisäämällä väriä vaihtavaa reagenssia. Tässä esimerkissä tehdään pH:n mittaus, joka on yksi yleisimmistä parametreista, joita mitataan monilla toimialoilla veden laadusta jäteveden käsittelyyn. Absorbanssimittauksia käytetään moniin muihinkin parametreihin, mukaan lukien liuenneen hapen/biologisen hapenkulutuksen, nitraattien, ammoniakin ja kloorin määrittämiseen.

Optiikka

Optisen polun konfiguraatio absorbanssimittauksia varten on esitetty kuvassa 3. CN0503:lla absorbanssimittaukset voidaan tehdä millä tahansa optisella polulla (1 - 4). Tuleva säde suunnataan säteenjakajaan, jossa referenssifotodiodi ottaa näytteitä säteen intensiteetistä. Jäljelle jäävä teho ohjataan näytteen läpi. Näytteen ja vertailuvalon suhteen ottaminen poistaa ledilähteen vaihtelun ja kohinan, ja synkroniset pulssi- ​​ja vastaanottoikkunat estävät ympäristön valon.

Kuva 3. Optinen valon polku absorbanssin mittaamiseen.

Mittauslaitteisto

• CN0503-evaluointikortti
• EVAL-ADICUP3029-evaluointikortti
• API pH -testi ja sovituskitti
• pH-standardit

Kuva 4. CN0503 tekee pH-mittauksen.

Tässä kokeessa väri-indikaattoria (bromitymolinsinistä) lisättiin valmistettuihin liuoksiin, joilla oli erilaiset pH-arvot. Liuokset siirrettiin kyvetteihin ja testattiin kahdella eri aallonpituudella, 430 nm ja 615 nm, joissa indikaattori näyttää absorption muutoksia suhteessa pH-arvoon. CN0503 tekee tämän helpoksi: kaksi eri aallonpituuden ledikorttia voidaan asettaa optiseen polkuun 2 ja optiseen polkuun 3. Sitten kyvetin pidike yksinkertaisesti siirretään eri poluille eri mittauksia varten.

Tulokset

CN0503:n graafisen käyttöliittymän avulla molempien optisten polkujen mittaustulokset siirrettiin helposti Exceliin. Tuloksena saadut kalibrointikäyrät kahdelle eri aallonpituudelle on esitetty kuvissa 5 ja kuvassa 6.

Kuva 5. pH:n absorbanssikalibrointikäyrä 430 nm:ssä.

Kuva 6. pH:n absorbanssikalibrointikäyrä 615 nm:ssä.

Kussakin tapauksessa pH:n ja absorbanssin suhde määritettiin kalibrointikäyrän luomiseksi. Add Trendline -vaihtoehtoa käytetään yhtälön saamiseksi käyrälle. Yhtälöitä käytetään sitten tuntemattomien näytteiden pitoisuuksien määrittämiseen. Anturin lähtö on x-muuttuja ja tuloksena oleva y-arvo on pH. Tämä voidaan tehdä käsin, mutta voidaan käyttää myös CN0503:ää. Laiteohjelmisto toteuttaa kaksi viidennen kertaluvun polynomia (INS1 ja INS2). Kun polynomit on tallennettu, INS1- tai INS2-tila voidaan valita siten, että mittaustulokset raportoidaan suoraan halutussa yksikössä – tässä tapauksessa pH:ssa. Näin on helppo saada nopeasti tulos tuntemattomalle näytteelle.

Kohina-arvon saamiseksi kullekin aallonpituudelle valittiin kaksi eri datapistettä: yksi pienempi pH-arvo ja yksi korkeampi pH-arvo. Kahta pistettä käytettiin, koska käyräsovitus ei ollut tässä tapauksessa lineaarinen. Taulukossa 1 kohina-arvona ilmoitettu kunkin pisteen toistuvien mittausten sarjan keskihajonta kuvaa mittauksen tarkkuutta, pois lukien vaihtelut näytteen valmistelussa.

Taulukko 1. pH-mittauksen kohina-arvot.

Havaitsemisraja (LOD, limit of detection) määritetään tyypillisesti mittaamalla kohina alhaisella pitoisuudella ja kertomalla 3:lla, jolloin saadaan 99,7 %:n luottamusväli. Koska pH on logaritminen asteikko, pH 7 valittiin numeroksi LOD-rajan tarkistamiseksi taulukon 2 mukaisesti.

Taulukko 2. pH-mittauksen havaitsemisen rajat.

Sameuden mittaus

Nestenäytteen sameusmittauksissa käytetään nesteeseen jakautuneiden hiukkasten valonsirontaominaisuutta. Viime kädessä se on nesteen suhteellisen kirkkauden mitta. Sironneen valon määrä ja sirontakulma vaihtelevat hiukkaskoon, pitoisuuden ja tulevan valon aallonpituuden mukaan. Sameuden mittausta tehdään monilla teollisuudenaloilla, kuten vedenlaadun mittauksessa ja biotieteissä. Yleisen sameuden lisäksi CN0503-alustaa voitaisiin käyttää levän kasvun määrittämiseen mittaamalla optista tiheyttä.

Optiikka

Kuvassa 7 näytetään, miten sameus mitataan optisesti 90° tai 180° detektorilla. CN0503:lla sameusmittaukset voidaan tehdä vain optisella polulla 1 tai 4, koska tarvitaan 90° ilmaisin. Sameudelle on olemassa erilaisia mittauskonfiguraatioita ja standardeja. Tämä esimerkki esittää muunnetun version EPA-menetelmästä 180.1, joka on kalibroitu ja raportoitu nefelometrisissä sameusyksiköissä (NTU).

Kuva 7. Sameuden mittaus optisesti.

Mittauslaitteisto

• CN0503-evaluointikortti
• EVAL-ADICUP3029-evaluointikortti
• Hanna Instrumentsin sameuden standardi kalibrointilaitteisto

Tässä kokeessa käytettiin optista polkua 4 530 nm:n ledikortilla testausta varten.

Kuva 8. Sameuden kalibrointistandardit.

Tulokset

Mittaustulokset vietiin Exceliin käyttämällä graafista CN0503-käyttöliittymää. Tuloksena oleva kalibrointikäyrä on esitetty kuvassa 9.

Kuva 9. Sameuden kalibrointikäyrä.

Vastekäyrä jaettiin kahteen osaan, koska 90°:n sirontamittaus on vähemmän herkkä korkeille sameuksille. Yksi osa edustaa alhaisempaa sameutta (0 NTU - 100 NTU) ja toinen korkeampaa sameutta (100 NTU - 750 NTU). Sitten molempiin osiin tehtiin kaksi lineaarista sovitusta. Vaikka yhtälöarvoja on nyt kaksi, CN0503:a voidaan silti käyttää tulosten NTU-arvojen nopeaan näyttämiseen. Tämä johtuu siitä, että jokainen optinen polku voi tallentaa omat yhtälöarvonsa INS1:een ja INS2:een.

Yksi tärkeä huomautus on, että INS1 ja INS2 ovat riippuvaisia. Ensimmäisen yhtälön INS1 tulos on toisen yhtälön INS2 syöttömuuttuja. Kun yhtälön arvot on tallennettu, INS1:tä voidaan käyttää alhaisemman sameuden näytteiden mittaamiseen ja INS2:ta korkeampiin.

Kohinaarvon saamiseksi valitaan datapiste, jotta saadaan toistuvien mittausten keskihajonta. Keskihajonta on kohinan arvo. Yksi datapiste valitaan lähellä alueen alaosaa, koska yhtälön sovitus on lineaarinen.

Taulukko 3. Sameuden mittauksen kohina-arvo.

LOD-rajan määrittämiseksi kohina-arvo mitataan nollanäytteelle tai matalan pitoisuuden näytteelle ja kerrotaan sitten 3:lla edustamaan 99,7 %:n luottamusväliä.

Taulukko 4. Sameuden mittauksen rajat.

Fluoresenssin mittaaminen pinaattiliuoksilla

Kun valo loistaa fluoresoivia molekyylejä sisältävään näytteeseen, elektronit siirtyvät korkeampaan energiatilaan ja menettävät sitten osan tästä energiasta ennen kuin ne säteilevät valoa pidemmällä aallonpituudella. Fluoresenssiemissio on kemiallisesti spesifinen ja sitä voidaan käyttää spesifisten molekyylien läsnäolon ja määrän tunnistamiseen väliaineessa. Tässä esimerkissä fluoresoiva klorofylli eli lehtivihreä osoitettiin käyttämällä pinaatin lehtiä. Monien sovellusten joukossa fluoresenssimittaukset ovat yleisiä biologisissa määrityksissä, liuenneessa hapessa, kemiallisessa hapenkulutuksessa ja sen havaitsemisessa, onko maidon pastörointi onnistunut.

Optiikka

Fluoresenssimittausten optisen mittauksen konfiguraatio on esitetty kuvassa 10. CN0503:lla absorbanssimittaukset voidaan tehdä vain optisella polulla 1 tai 4, mikä johtuu 90°:n detektorista. Yleensä fluoresenssidetektori sijoitetaan 90° kulmaan tulevasta valosta ja monokromaattista tai pitkäpäästösuodatinta käytetään lisäämään virityksen ja emittoidun valon välistä eristystä. Fluoresenssi on erittäin herkkä matalan tason mittaus ja se on alttiina häiriöille, joten referenssidetektoria ja synkronisia ilmaisumenetelmiä käytetään vähentämään virhelähteitä.

Kuva 10. Fluoresenssin optinen mittaus.

Mittauslaitteisto

• CN0503-evaluointikortti
• EVAL-ADICUP3029-evaluointikortti
• pinaattiliuos

Tätä koetta varten luotiin pinaattiliuos sekoittamalla pinaatin lehtiä veteen. Tämä suodatettiin sitten ja pidettiin kantaliuoksena. Tämän jälkeen liuosta laimennettiin sitten, jolloin saatiin näytteitä eri prosentuaalisista pinaattiliuoksesta. Näitä käytettiin mittareina pinaattiliuoksen prosentuaalisen käyrän luomiseksi fluoresenssin kautta. Optista polkua 1 käytettiin yhdessä 365 nm:n ledikortin ja pitkäpäästösuodattimen kanssa.

Kuva 11. Pinaatilla tehdyt klorofyllinäytteet.

Tulokset

Pinaattiliuoksen prosentuaalinen kalibrointikäyrä on esitetty kuvassa 12.

Kuva 12. Kalibrointikäyrä erivahvuisille pinaattiliuoksille.

Tämän kalibrointikäyrän yhtälö voidaan tallentaa niin, että CN0503 raportoi tulokset suoraan prosentteina.

Kohina-arvon saamiseksi poimittiin kaksi eri datapistettä: yksi lähellä alueen alaosaa ja toinen lähellä yläosaa, koska käyrän sovitus ei ollut lineaarinen. Kohina saadaan kunkin pisteen toistuvien mittausten sarjan keskihajontana, kuten taulukossa 5 on esitetty.

Taulukko 5. Fluoresenssi-mittauksen kohina-arvo.

LOD-rajan määrittämiseksi kohina-arvo mitataan nollanäytteelle tai matalan pitoisuuden näytteelle ja kerrotaan sitten 3:lla edustamaan 99,7 %:n luottamusväliä.

Taulukko 6. Fluoresenssi-mittauksen rajat.

Johtopäätös

Monimutkaisten optisten nesteanalyysimittausten prototyyppien tekeminen on haaste, joka vaatii tarkkaa harkintaa kemian, optiikan ja elektroniikan keskinäisistä vuorovaikutuksista, tarkan tuloksen saamiseksi. Integroidut AFE-tuotteet, kuten ADPD4101, mahdollistavat tehokkaamman optisen nesteentunnistuksen pienemmässä koossa. CN0503 perustuu ADPD4101:een, joka sisältää optisen suunnittelun, laiteohjelmiston ja sovellusohjelmiston helppokäyttöiseen ja erittäin muokattavaan nopeaan prototyyppialustaan. Sen avulla voidaan tehdä tarkkoja optisia mittauksia nesteparametreista, mukaan lukien absorbanssi, kolorimetria, sameus ja fluoresenssi.

Viitteet

“HI98703-11 Turbidity Calibration Standards.” Hanna Instruments, Inc.

Optical Platform: Turbidity Measurement Demo. Analog Devices, Inc.