Az optikai folyadékelemzés bárhol elérhetővé tétele egy több üzemmódú érzékelőkhöz való analóg bemeneti áramkör segítségével

Az aszályok, a viharok erőssége és gyakorisága, valamint a növekvő népesség miatt az ivóvízbiztonsággal kapcsolatos globális aggodalmakkal összefüggésben kritikus jelentőségűvé vált a folyadékelemzés. A szennyezésnek és a szennyezés ökoszisztémára gyakorolt hatásainak minimálisra csökkentése érdekében szükségessé vált a vízminták valós idejű helyszíni elemzése.

A folyadékok valós idejű elemzése olyan fejlesztéseket igényel, amelyek révén kisebb méretű és fogyasztású, nagyobb pontosságú, gyorsan testreszabható, gyorsabb válaszidejű, strapabíró és egyúttal kiváló minőségű eredményeket szolgáltató műszerek jönnek létre.

Ezen a területen nagyon hasznosnak bizonyulnak az optikai alapú műszerek, mert nagy pontosságú, roncsolásmentes méréseket lehet velük végezni, és érintésmentes érzékelést tesznek lehetővé olyan feladatokhoz, mint a zavarosságnak, az összes szerves szén, az összes lebegő szilárd anyag és az oldott oxigén mennyiségének és az ionos szennyeződések jelenlétének a mérése. Az ilyen rendszerekhez azonban bonyolult analóg bemeneti (AFE, analog front-end) áramkörökre van szükség a világítódiódák (LED) meghajtásához, hogy a műszerek a környezeti és rendszerzajok jelenlétében is érzékelni és digitalizálni tudják a rájuk jutó fényt. Az ilyen készülékek funkcióinak létrehozása meghaladja egy átlagos tervező képességeit. Egy elegánsabb, készen kapható megoldásra van szükség.

Ez a cikk röviden tárgyalja az optikai folyadékelemzést, majd ismertet egy az Analog Devices, Inc. egyik több üzemmódú optikai érzékelőkhöz való analóg bemeneti (AFE) áramkörén alapuló, gyors folyadékelemzésre szolgáló hordozható, valós idejű platformot. Ezenkívül bemutat egy ezen az analóg bemeneti áramkörön alapuló olyan fejlesztőkártyát is, amelyben akár négy modulrendszerű optikai mérőrekesz is elhelyezhető. A fejlesztőkártyával szemléltethető, hogy hogyan lehet megmérni a pH-értéket (pH: hidrogénion-kitevő, potential of hydrogen), a zavarosságot és a fluoreszcenciát, és hogyan lehet kalibrációs görbéket létrehozni, valamint ismeretlen adatokat megmérni.

Az optikai folyadékelemzés alapjai

Az optikai folyadékelemzéssel a folyadékmintákban lévő elemek koncentrációját (töménységét) lehet megmérni. A módszernek számos előnye van, többek között az, hogy roncsolás- és érintésmentes érzékelést használ. Ezenkívül az eredmények nagy pontosságúak, és alacsony az elvándorlásuk.

Az optikai elemzés során a folyadékmintát egy ismert hullámhosszú fényforrás, például egy világítódióda (LED) által kibocsátott fénynek teszik ki. A fény áthalad a mintán, kölcsönhatásba lép vele, és a kilépő fényt egy fotodióda (PD, photodiode) érzékeli. A fotodióda által érzékelt értéket ismert koncentrációjú minták eredményezte értékekkel összevetve ábrázolják. Ezek egy kalibrációs görbét alkotnak, amellyel összevetve megállapítható az ismeretlen érték.

Ez a folyamat azokat az elemzésen alapuló (analitikai) méréseket írja le, amelyeket az általános laboratóriumokban használnának, ahol a precíziós optikai folyadékelemzési mérések az elektronika, az optika és a kémia egymással elegyített területeinek eredményeit ötvözik. Ahhoz, hogy ez a fajta tesztelés mindenütt elérhetővé váljon, az eszközöket kis méretűre kell csökkenteni, ami növeli a tervezés bonyolultságát.

Modulrendszerű megoldás a gyors folyadékelemzési mérésekhez

A műszertervezési folyamat egyszerűsítése érdekében az Analog Devices megalkotta az EVAL-CN0503-ARDZ fejlesztőkártyát, amely az ADPD4101BCBZR7 optikai analóg bemeneti áramkörön alapul. Az ADPD4101BCBZR7 egy készen kapható, több üzemmódú érzékelőkhöz való analóg bemeneti áramkör, amely akár nyolc LED-et is képes meghajtani, és akár nyolc különálló visszafolyóáram-bemenetet is képes mérni (1. ábra). Az analóg bemeneti áramkör figyelmen kívül hagyja a jeleltolódásokat és az aszinkron modulációs zavarokat, amelyek általában a környezeti fényből származnak. Az analóg bemeneti áramkör nagymértékben beállítható, és akár 100 dB optikai jel–zaj viszonyt (SNR, signal-to-noise ratio) is lehetővé tesz az IC-n belüli szinkron érzékelési módszereket használó nagy környezetifény-elnyelés révén, így sok esetben optikailag sötét ház nélkül is használható.

1. ábra: Az ADPD4101BCBZR7 több üzemmódú érzékelőkhöz való analóg bemeneti áramkör akár nyolc LED-et is képes meghajtani, és akár nyolc különálló visszafolyóáram-bemenetet is képes mérni (ábra: Analog Devices, Inc.)

Az EVAL-CN0503-ARDZ fejlesztőkártya lehetővé teszi a folyadékelemzési mérésekre, köztük a fluoreszcencia, a zavarosság, az abszorbancia (fényelnyelő képesség) mérésére és kolorimetriára (az áteresztett színek mérésre) szolgáló prototípusok gyors elkészítését (2. ábra). A fejlesztőkártyán négy modulrendszerű optikai mérőrekesz helyezhető el, amelyek átmenő optikai útvonalakat formálnak, és két rekesz egymásra merőleges (90°-os) fényszórási útvonalakat tartalmaz. A fejlesztőkártyához tartozik egy 3D nyomtatással készült küvettatartó szabványos 10 mm-es küvettákhoz. Ez a négy optikai útvonal bármelyikébe behelyezhető. A fejlesztőkártyához folyadékelemzésre szolgáló mérési firmware és alkalmazásszoftver is tartozik.

2. ábra: Az EVAL-CN0503-ARDZ tartalmaz egy 3D nyomtatással készült küvettatartót is szabványos 10 mm-es küvettákhoz. Ez a mérőoptikát tartalmazó négy optikai útvonal bármelyikébe behelyezhető (kép: Analog Devices, Inc.)

Az EVAL-CN0503-ARDZ az EVAL-ADICUP3029 fejlesztőkártyához csatlakozik. Ez egy 32 bites ARM® Cortex®-M3 mikrovezérlőt tartalmazó fejlesztőkártya, amely a mérési műveleteket és az adatáramlást kezeli. Az EVAL-ADICUP3029 fejlesztőkártya közvetlenül egy hordozható számítógéphez van kapcsolva, amely a mért adatokat a kiértékelő grafikus felhasználói felületen jeleníti meg.

Az EVAL-CN0503-ARDZ fejlesztőkártyával a minta fluoreszcenciájának, zavarosságának, abszorbanciájának és kolorimetriájának folyadékelemzési mérései végezhetők el. A küvettatartóban található az optika, beleértve a kollimátorlencsét és a sugárelosztót. Mindegyik rekeszben található egy referencia-fotodióda, és a rekeszek megfelelő optikai útvonalat biztosítanak a plug-and-play méréshez. Ezenkívül az egyes rekeszekben lévő LED- és fotodiódakártyák a még nagyobb mértékű testreszabhatóság érdekében cserélhetők.

Referenciaként a pH, a zavarosság és a fluoreszcencia mérési eredményeiből kalibrációs görbéket készítünk, és ezt követően mérhetünk ismeretlen értékeket az EVAL-CN0503-ARDZ kártyával és az ahhoz tartozó kiértékelőszoftverrel. Ezenkívül a szoftver kiszámítja a zajszintet és a kimutatási határértéket (LOD, limit of detection) is. A kimutatási határérték az a legalacsonyabb koncentráció, amelyet az EVAL-CN0503-ARDZ az egyes mintákban még érzékelni képes.

Példa az abszorbanciamérésre

A Beer–Lambert-törvényen alapuló abszorpciós mérések során annak alapján határozzák meg egy ismert oldott anyag koncentrációját (töménységét) valamilyen folyékony oldatban, hogy az oldat mennyi fényt nyel el egy adott hullámhosszon. Ez a kolorimetria egy formája. Ebben a példában az abszorbanciát a pH-érték meghatározására használjuk. A pH-érték a vízminőségi vizsgálatok egyik gyakori paramétere. Ez a fajta vizsgálat hasznos az analitikai szakterületeken is, beleértve az oldott oxigén, a nitrátok, az ammónia és a klór mennyiségének és a biológiai oxigénigénynek az elemzését.

Az abszorbanciamérések közvetlen vagy áthaladó optikai útvonalat használva az EVAL-CN0503-ARDZ négy optikai útvonalának bármelyikén elvégezhetők (3. ábra).

3. ábra: Az ábrán EVAL-CN0503-ARDZ segítségével végzett abszorbanciamérés optikai összeállítása látható. Az EVAL-CN0503-ARDZ küvettatartója tartalmazza az optikát, beleértve a kollimátorlencsét és a sugárelosztót is (ábra: Analog Devices, Inc.)

Az oldaton áthaladó fénysugarat a kívánt hullámhosszú fényt kibocsátó világítódióda (LED) állítja elő. Az optikai útvonalban lévő sugárelosztó a fény egy részét egy referencia-fotodiódára irányítja, amely a fénysugár erősségét méri. A fénysugár többi része a mintán halad keresztül. A világítódióda fényerejének és zajának változásait az áthaladó fényt mérő és referencia-fotodiódák kimenőjeleinek arányát figyelembe véve egyenlítik ki.

Az ADPD4101BCBZR7 az állandó fényforrásokból származó környezeti fényszennyezést 60 dB-lel csökkenti (szűri). Ez egy szinkron modulációs séma segítségével történik, amely modulálja a világítódióda áramát, és ezzel egyidejűleg méri a különbséget a sötét (kikapcsolt) állapot (ahol a környezeti fény az egyetlen összetevő) és a gerjesztett (bekapcsolt) állapot (ahol a környezeti fény és a világítódióda fénye is jelen van mint összetevő) között. Ez a környezetifény-szűrés automatikus, nincs szükség külső vezérlésre.

Ehhez a mintakapcsoláshoz az EVAL-CN0503-ARDZ mellett a korábban említett EVAL-ADICUP3029 is szükséges. A kalibráláshoz egy API pH-teszt- és beállítókészletet és egy sor pH-pufferoldat-mintát használ a rendszer.

Az analitok úgy lettek előállítva, hogy az API-tesztkészletből származó színindikátort (brómtimolkék) adtunk a különböző pH-értékű előkészített oldatokhoz. A brómtimolkék oldat egy 430 nm hullámhosszon erős fényelnyelésű gyenge savra és annak konjugált, 650 nm hullámhosszon erős fényelnyelésű lúgpárjára válik szét.

Az oldatokat küvettákba töltöttük, és a pH-mérést a két különböző hullámhosszon végeztük, ahol az indikátor a pH-érték függvényében mutatja az abszorpció változását. Ez könnyen megvalósítható az EVAL-CN0503-ARDZ készülékben két különböző hullámhosszú LED-et tartalmazó kártyát használva, a 2. és a 3. optikai útvonalba helyezve be azokat. A mérésekhez a küvettatartót a másik két útvonalba kell behelyezni.

A két optikai útvonal eredményeit az EVAL-CN0503-ARDZ kiértékelőszoftver grafikus felhasználói felülete segítségével Excelbe exportáltuk (4. ábra).

4. ábra: A pH-érték abszorbanciakalibrációs görbéje a 430 nm-es (balra) és a 650 nm-es (jobbra) hullámhosszú fényforrással végzett vizsgálatokhoz (ábra: Analog Devices, Inc.)

A kalibrációs görbe elkészítéséhez mindkét esetben az abszorbancia függvényében ábrázoltuk a pH-értéket. Az Excelben egy trendvonalfüggvényt használtunk a görbét leíró egyenlet létrehozásához. Az illeszkedés jóságának becslése, az R² mindkét esetben közel 1,0, ami az illeszkedés kiváló minőségét jelzi. Ezekből az egyenletekből úgy lehet meghatározni az ismeretlen minták koncentrációját, hogy az érzékelő kimenőjelét adjuk meg x változóként, a kapott y érték pedig a pH-érték. Az EVAL-CN0503-ARDZ kiértékelőszoftvere két ötödrendű polinomot hoz létre, ezek az INS1 és az INS2. A polinomok mentése után kiválasztható az INS1 vagy INS2 üzemmód, így a mérési eredmények közvetlenül a kívánt egységben, jelen esetben pH-értékben jelennek meg. Ez leegyszerűsíti az ismeretlen minta eredményének meghatározását.

A mérés zajszintje miatt minden hullámhosszon két különböző adatpontra van szükség. Az egyiknek egy alacsonyabb, a másiknak egy magasabb pH-értéknek kell lennie. Két értéket használunk, mert a görbeillesztés nem lineáris. A két választott pH-érték 6,1 és 7,5 volt. Minden egyes ponton több mérést végeztünk, és az adatok szórása a zaj négyzetes középértékét (RMS) adja minden hullámhosszon minden egyes pH-értékre. Az eredményeket az 1. táblázat tartalmazza.

1. táblázat: A zaj négyzetes középértéke két hullámhosszon a két pH-értékhez (táblázat: Analog Devices, Inc.)

Megjegyzendő, hogy ezek az adatok a minta előkészítéséből fakadó eltéréseket nem tartalmazzák.

A kimutatási határérték (LOD) azt a legalacsonyabb koncentrációt jelenti, amelyet az EVAL-CN0503-ARDZ még valószínűleg képes kimutatni. A kimutatási határértéket jellemzően a zaj kis koncentrációk melletti mérésével határozzák meg. A 99,7%-os megbízhatósági szint eléréséhez a zajértéket megszorozzuk hárommal. Tekintettel arra, hogy a pH-skála logaritmikus, a kimutatási határértéket 7-es pH-értékre határoztuk meg. Ezt ismét 430 nm-es és 625 nm-es hullámhosszon végeztük. A 430 nm-en mért kimutatási határérték 0,001099 pH, a 615 nm-en mért kimutatási határérték pedig 0,001456 pH volt.

Példa a zavarosság vizsgálatára

A zavarosság mérése a folyadék relatív tisztaságát méri. A mérés a folyadékban lebegő részecskék fényszórási tulajdonságán alapul. A fényszórást befolyásolja a lebegő részecskék mérete és koncentrációja, valamint a beeső fény hullámhossza. Ezek a tényezők befolyásolják a szétszórt fény mennyiségét és a szórási szöget. Zavarossági vizsgálatokat számos iparágban végeznek, többek között a vízminőség-mérés és az élettudományok területén. Alkalmazható az algák növekedésének meghatározására is az optikai sűrűség mérésével.

A zavarossági vizsgálathoz használt optikai útvonal 90˚-os vagy 180˚-os szögben elhelyezett fotodiódákat használ a fény érzékelésére. Az EVAL-CN0503-ARDZ kártyán a zavarossági vizsgálathoz 90˚-os szögben elhelyezett érzékelőre van szükség, ilyen az 1. és 4. vizsgálórekeszben áll rendelkezésre. A 4. optikai rekesz, amelybe fényforrásként egy 530 nm-es LED-kártya van behelyezve, az 5. ábrán látható.

5. ábra: A zavarossági vizsgálat optikai útvonala a fény útvonalához képest 90˚-ban és 180˚-ban elhelyezett fényérzékelőket használ az oldatban lebegő részecskék által szétszórt fény érzékelésére (ábra: Analog Devices, Inc.)

Ez a példa az amerikai környezetvédelmi hatóság (EPA, Environmental Protection Agency) 180.1-es, Determination of turbidity by Nephelometry (A zavarosság meghatározása zavarosságméréssel) nevű módszerének egy módosított változatát mutatja be. A mért értékek zavarossági (nefelometrikus) egységekben (NTU, nephelometric turbidity unit) vannak kalibrálva és megadva.

A zavarosságvizsgálatokhoz használt berendezések közé tartozik az EVAL-CN0503-ARDZ és az EVAL-ADICUP3029 fejlesztőkártya, valamint a Hanna Instruments szabványos zavarosságkalibrációs készlete. A zavarosságkalibrációs szabvány meghatározott méretű mikrogyöngyöket használ ultratiszta vízben. Ezeket az oldatokat a zavarosságmérések kalibrálására és validálására használják.

Az EVAL-CN0503-ARDZ kiértékelőszoftvere grafikus felhasználói felületének (GUI) segítségével a mérési eredményeket Excelbe exportáltuk, és ott egy zavarosságkalibrációs görbét készítettünk (6. ábra).

6. ábra: Ezek a kalibrációs görbék a zavarosságvizsgálatok eredményein alapulnak. A lineáris görbeillesztés azt mutatja, hogy a lineáris modellek kiváló illeszkedési becsléseket (R²) adnak (ábra: Analog Devices, Inc.)

Megjegyzendő, hogy a 6. ábrán a vízszintes tengely (abszcissza) relatív arányt (RRAT, relative ratio) mutató értékei a bázisvonalra vagy abszolút arányértékekre vonatkoznak, amelyek egy üres küvettával vagy desztillált vízzel végzett, ismert mérési összeállításon alapulnak, ahol a beeső és a visszavert fény aránya közel 1. Ezt az eljárást arra használják, hogy eltávolítsák a mérésből az optikai üvegelemek, például a sugárelosztó, a lencse és a szűrők által a mérésbe bevitt parányi értékeket. Ezt az értéket referenciaként használják a későbbi mérésekhez.

Mivel a 90°-os szórásmérés kevésbé érzékeny a nagy zavarosságra, a jelleggörbe két szakaszra van osztva. Az első szakasz a kisebb zavarosságot (0 NTU-tól 100 NTU-ig), a második a nagyobb zavarosságot (100 NTU-tól 750 NTU-ig) mutatja. Ezután mindkét szakaszra két lineáris illesztést végeztünk. Bár most már két egyenletérték van, az EVAL-CN0503-ARDZ továbbra is használható a kapott NTU-értékeknek a beépített INS1 vagy INS2 polinomillesztés segítségével történő gyors megjelenítésére.

A zajértéket az ismételt mérések során kapott szórást alapul véve határoztuk meg. A lineáris illesztés miatt csak egy, a tartomány aljához közeli zajpontot (12 NTU) használtunk. A mért zajszint 0,282474 NTU volt.

A kimutatási határértéket egy kis koncentrációjú vagy tiszta minta zajértékének meghatározásával állapítottuk meg. A zajértéket ismét megszoroztuk hárommal, hogy 99,7%-os megbízhatósági tartományt kapjunk. A tiszta minta koncentrációja esetén a kimutatási határérték 0,69204 NTU volt.

Példa a fluoreszcencia vizsgálatára

A fluoreszcenciát (vagy magyarosabban fluoreszkálást) az okozza, hogy egyes anyagok elektronjait gerjeszti a fény, és ezáltal ezek az anyagok egy másik hullámhosszon fényt bocsátanak ki. A kibocsátott fény erőssége arányos a fényérzékeny anyag folyadékon belüli koncentrációjával. A fluorometria általában sokkal nagyobb érzékenységű, mint az oldatban lévő anyagok koncentrációjának abszorbanciamérésekkel történő mérése. A kibocsátott fluoreszcens fény felhasználható bizonyos molekulák jelenlétének és mennyiségének azonosítására, mivel kémiailag meghatározott jelenségről van szó. A fluoreszcenciamérések a koncentráció szélesebb tartományaiban lineárisak. Felhasználási területei közé tartoznak a biológiai vizsgálatok, az oldott oxigénmennyiség és a vegyi oxigénigény mérése és a tej sikeres pasztőrözésének kimutatása.

A fluoreszcens fénykibocsátást általában a beeső fényhez képest 90°-ban elhelyezett fényérzékelőkkel mérik, hogy minimalizálják beeső fénynek a mérésre gyakorolt hatását. A mérést zavaró tényezők minimálisra csökkentése érdekében beeső fényt is mérik egy referenciaérzékelővel. Ilyen zavaró tényezők a fényforrásból, a külső megvilágításból és a minta enyhe mozgásaiból eredő torzulások. Ezenkívül a fluoreszcenciaérzékelők mellett a beeső és a kibocsátott fény elkülönítésének növelésére optikai monokromatikus vagy felül áteresztő fényszűrőt használnak (7. ábra).

7. ábra: A fluoreszcenciamérés optikai útvonala. A fluoreszcens fotodióda 90°-ban van elhelyezve a beeső fény útjához képest. A fényforrásul szolgáló világítódióda hullámhosszán egy fluoreszcenciaszűrő csillapítja a fényerőt (ábra: Analog Devices, Inc.)

A fluoreszcenciaméréshez használt eszközök között ismét csak szerepel az EVAL-CN0503-ARDZ és az EVAL-ADICUP3029 fejlesztőkártya.

Ebben a példában spenótleveleket használtunk a fluoreszkáló klorofill bemutatására. A spenótoldatot spenótlevelek és víz összekeverésével hoztuk létre. Szűrés után ezt használtuk fel törzsoldatként. A törzsoldat hígításával a spenótoldat különböző százalékos arányú változatait hoztuk létre, és ezeket használtuk alapként a kalibrációs görbe elkészítéséhez. Mivel derékszögben elhelyezett érzékelőre volt szükség, az EVAL-CN0503-ARDZ 1. optikai rekeszét használtuk. A fényforrás egy 365 nm-es hullámhosszú világítódióda volt, és egy felül áteresztő fényszűrőt helyeztünk be elé.

A spenótoldat hét különböző százalékos arányú változatát vizsgáltuk, és felvettük a klorofill kalibrációs görbéjét (8. ábra).

8. ábra: Az eltérő százalékarányú spenótoldatok kalibrációs görbéje, beleértve a trendvonal egyenletének görbéjét is (ábra: Analog Devices, Inc.)

A korábbi példákhoz hasonlóan a klorofill kalibrációs görbéjének trendvonalegyenlete menthető, így az EVAL-CN0503-ARDZ közvetlenül százalékos értékben jelzi az eredményeket.

Mivel a kalibrációs görbe nem lineáris, a zajt két adatpont – 7,5% és 20% – alapján mértük. Az egyes mintákkal végzett több mérés szórása alapján a 7,5%-os minta esetében 0,0616%-os, a 20%-os minta esetében pedig 0,1159%-os lett a zaj négyzetes középértéke.

A kimutatási határértéket tiszta vagy alacsony koncentrációjú mintával határoztuk meg. A minta zajának négyzetes középértékét ismét megszoroztuk hárommal, ami 99,7%-os megbízhatósági szintet adott, ez pedig 0,1621%-os kimutatási határértéket eredményezett.

Összegzés

Egy hordozható optikai folyadékelemző mérőrendszer megalkotása a kémia, az optika és az elektronika egymásra hatásának jelentős ismeretét igényli, hogy pontos, precíz és könnyen használható eszközt lehessen létrehozni. Nagy pontosságú és precíz eszköz létrehozásához a tervezők használhatják az ADPD4101BCBZR7 optikai analóg bemeneti áramkört ahelyett, hogy egy bonyolult jelláncot terveznének az alapoktól. A kezdés megkönnyítése érdekében az analóg bemeneti áramkört az EVAL-CN0503-ARDZ fejlesztőkártya támogatja. Ez az ADPD4101BCBZR7 optikai analóg bemeneti áramkörre épül az optikai összetevők, a firmware és a szoftver hozzáadásával, és egy könnyen használható és nagymértékben az igényekre igazítható prototípuskészítő platformot alkot, amely képes olyan folyadékparaméterek pontos optikai mérésére, mint az abszorbancia, a kolorimetria, a zavarosság és a fluoreszcencia.