作者：ADI應用工程師Sydney Wells，ADI系統應用工程師Scott Hunt

實時監控環境對于改善全球可持續發展至關重要。能夠快速分析樣本，并確認問題，是快速解決問題，盡可能減少對生態系統影響的關鍵。這種無處不在的實時傳感應用改變了對液體傳感器的需求，要求尺寸更小、更可靠、功耗更低，同時可提供高質量結果。隨著行業不斷發展，人們急需能夠滿足從環境水域到過程控制等各種應用需求的便攜式檢測智能平臺。對此需求，本文將介紹一種便攜式實時檢測解決方案和原型制作平臺，可快速實施液體檢測。

【資料圖】

一種常見的液體分析技術

監測液體的方法有很多種，目的都是測量樣品中未知參數的濃度，如pH、熒光或濁度。一種常見的方法是通過光學技術評估液體，因為它具有非介入性，可提供穩定準確的結果。這種精密光學液體測量需要跨電子、光學和化學多領域知識。一般實驗室測量方法進行分析時，首先將樣品暴露在光源（如LED）下。與樣品相互作用后，產生的光由光電二極管處理。將測得的響應結果繪制出來，與一組已知濃度的標準樣品的測量響應結果相對照，生成校準曲線。利用校準曲線，可以確定液體內未知值。而為了滿足更廣泛的檢測需求，必須進行調整以適應不同的分析物和測量技術，以及適合小尺寸應用，所有這些因素都增加了設計和評估的復雜程度。

圖1.吸光度校準曲線示例

用于實施快速液體測量的模塊化ADI解決方案

ADI公司的ADPD4101是一個光學模擬前端(AFE)，能夠驅動LED，并同步接收和處理來自光電二極管的信號，以進行高度精準的光學測量。ADPD4101具有高度可配置性，具有高達100dB的高光學信噪比和由片上同步檢測方法提供的高環境光抑制，使其在許多情況下能夠不配備光學暗箱直接使用。

CN0503參考設計旨在使用ADPD4101快速制作液體分析測量原型。CN0503采用ADPD4101作為核心產品，但增加了四條模塊化光路，以及測量固件和應用軟件，用于實施液體分析。CN0503直接連接至ADICUP3029板，用于管理測量例程和數據流。ADICUP3029板可以直接連接至筆記本電腦，以查看評估GUI中的結果。CN0503可以測量熒光、濁度、吸光度和色度。樣品在比色皿中制備，并放置在3D打印的比色皿支架中，支架中裝有光學元件，包括一個透鏡和分束器。將比色皿支架插入適當的光路，以進行即插即用測量。此外，LED和光電二極管卡可以切換，來實現更大程度的自定義。

為了使用CN0503演示創建校準曲線和測量未知成分，將顯示pH值、濁度和熒光的測量值。使用評估GUI進行測量，以創建校準曲線。計算噪聲值和檢測限制(LOD)，以確定CN0503可以檢測的每個樣本的最低濃度。

圖2.CN0503評估板

利用吸光度測量pH值

吸光度是指根據在特定波長下光的吸收量來確定溶液中已知溶質的濃度。根據比爾-朗伯吸收定律，濃度與吸光度成正比。許多無色分析物可以通過加入變色試劑來測定。本示例將演示測量pH值，從水質檢測到廢水處理，pH值是許多行業中常見的測量參數之一。吸光度測量可用于許多其他參數，包括溶解氧/生物需氧量、硝酸鹽、氨和氯。

光學元件

測量吸光度的光路配置如圖3所示。使用CN0503可以在任何光路（1到4）進行吸光度測量。入射光束指向分束器，由參考光電二極管在分束器中對光束強度進行采樣。剩余的光功率直接穿過樣本。采樣光與參考光的比值消除了LED光源的變化和噪聲，同步脈沖和接收窗口可提供環境光抑制。

圖3.用于測量吸光度的光路

實驗設備

?CN0503評估板

?EVAL-ADICUP3029評估板

?API pH測試和調節器套件

?pH標準品

圖4.使用CN0503進行pH值測量

在本實驗中，將顯色劑（溴百里酚藍）加入不同pH值的溶液中。再將溶液倒入比色皿中，在430nm和615nm兩種不同波長下進行測試，其中指示劑顯示了吸光的變化和pH。使用CN0503能輕松實施這種測量；可將兩種不同波長的LED卡插入光路2和光路3中。然后將比色皿支架移動到不同的路徑進行不同的測量。

結果

使用CN0503評估GUI，將兩條光路的測量結果輕松導出到Excel表中。得出的兩種不同波長的校準曲線如圖5和圖6所示。

圖5.430nm下的pH吸光度校準曲線

圖6.615nm下的pH吸光度校準曲線

在每種情況下，繪出pH值與吸光度的關系圖，以創建校準曲線。然后使用添加趨勢線選項來得到曲線的方程，通過這些方程來確定未知樣本的濃度。傳感器輸出是x變量，得到的y值是pH值。這項實驗可以手動完成，也可以使用CN0503來進行這項實驗。該固件采用兩個五階多項式INS1和INS2。將多項式保存之后，就可以選擇INS1或INS2模式，這樣會直接以所需的單位報告測量結果--在本例中是pH值。因此可以非常簡單快速地獲取未知樣本的結果。

為了獲取噪聲值，在每個波長選擇兩個不同的數據點：一個較低的pH值和一個較高的pH值。由于在這種情況下，曲線擬合不呈線性，所以使用了兩個點。對每個點重復實施測量會得出標準偏差，即表1中所示的噪聲值，該值描述了測量精度，排除了樣本制備期間的差異。

表1. pH測量噪聲值

LOD通常是通過測量低濃度的噪聲，并乘以3得到99.7%的置信區間來確定的。由于pH值為對數標度，故選取pH值7作為檢測LOD的數值，如表2所示。

表2. pH測量檢測限值

測量濁度

液體樣本的濁度測量利用了液體中懸浮顆粒的光散射特性，即測量液體的相對透明度。散射光的數量和散射角度的不同取決于顆粒的大小、濃度和入射光的波長。很多行業都會進行濁度測量，包括水質檢測和生命科學領域。除一般濁度外，還可以使用CN0503通過測量光密度來測定藻類的生長情況。

光學元件

圖7顯示了使用90°或180°檢測器進行濁度測量的光路。使用CN0503，因為需要使用90°檢測器只能在光路1或4進行濁度測量。當然也可以使用多種測量配置和濁度標準。本示例演示了EPA Method 180.1的修改版本，使用比濁法濁度單位(NTU)進行校準和報告。

圖7.濁度測量光路

實驗設備

?CN0503評估板

?EVAL-ADICUP3029評估板

?Hanna Instruments^?濁度標準校準裝置

本實驗采用光路4，插入530 nm LED板進行測試。

圖8.濁度校準標準

結果

使用CN0503評估GUI，將測量結果導出到Excel表格中。得出的校準曲線如圖9所示。

圖9.濁度校準曲線

因為90°散射測量對高渾濁度的響應較差，所以響應曲線分為兩個部分。一部分代表低濁度（0 NTU ~ 100NTU），另一部分代表高濁度（100NTU ~ 750NTU）。然后對每個部分進行兩次線性擬合。即使現在有兩個方程值，仍然可以使用CN0503來快速顯示得出的NTU值。這是因為每個光路都可以在INS1和INS2中存儲自己的方程值。注意，INS1和INS2是相互依賴的。第一個方程INS1的結果是第二個方程INS2的輸入變量。存儲方程值之后，INS1可用于測量低濁度樣本，INS2可用于測量高濁度樣本。

為了得出噪聲值，可選擇一個數據點來獲取重復測量的標準偏差。標準偏差就是噪聲值。因為方程擬合呈線性，所以在范圍底部附近選取一個數據點。

表3.濁度測量噪聲值

為了確定LOD，可測量空白或低濃度樣本的噪聲值，然后乘以3表示99.7%的置信區間。

表4.濁度測量檢測限值

用菠菜溶液測量熒光

當光照射含有熒光分子的樣本時，電子會進入更高能量狀態，然后在發出更長波長的光之前失去一部分能量。熒光發射具有化學特異性，可用于確認介質中特定分子的存在和數量。在本示例中，通過菠菜葉來演示熒光葉綠素。在許多應用中，在生物測定、溶解氧、化學需氧量以及檢測牛奶巴氏滅菌法是否成功時常用到熒光測量。

光學元件

測量熒光的光路配置如圖10所示。使用CN0503，只能在光路1或4進行熒光測量，因為需要使用90°檢測器。通常，將熒光檢測器置于入射光90°的位置，使用單色或長通濾光片來增加激發光和發射光之間的隔離。熒光是一種非常靈敏的低電平測量，容易受到干擾，因此采用參考檢測器和同步檢測方法來減少誤差源。

圖10.熒光測量光路

實驗設備

?CN0503評估板

?EVAL-ADICUP3029評估板

?菠菜溶液

在本實驗中，將菠菜葉和水混合，制成菠菜溶液。過濾之后，作為原液保存。然后將原液稀釋，得到菠菜溶液百分比含量不同的樣本。將它們作為標準，通過熒光繪制菠菜溶液的百分比曲線。使用光路1、365 nm LED卡和長通濾光片進行測量。

圖11.用菠菜制成的葉綠素樣本結果

菠菜百分比含量溶液的校準曲線如圖12所示。

圖12.菠菜百分比含量溶液的校準曲線

可以存儲該校準曲線的趨勢線方程，以便CN0503直接以百分比形式報告結果。

為了得出噪聲值，可選擇兩個不同的數據點：一個靠近范圍底部，另一個靠近頂部，因為曲線擬合不呈線性。通過對每個點實施反復測量得出標準偏差，也就是噪聲，如表5所示。

表5.熒光測量噪聲值

為了確定LOD，可測量空白或低濃度樣本的噪聲值，然后乘以3表示99.7%的置信區間。

表6.熒光測量檢測限值

結論

制作復雜光學液體分析測量的原型是一個挑戰，需要仔細考慮化學、光學和電子如何相互作用，以得出準確的結果。集成式AFE產品（例如ADPD4101）為在更小的空間內實現更高性能的光學液體檢測鋪平了道路。CN0503基于ADPD4101構建，包括光學設計、固件和軟件，是一個易于使用且高度可定制的快速原型制作平臺，能夠對吸光度、色度、濁度和熒光等液體參數進行準確的光學測量。

關于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)在現代數字經濟的中心發揮重要作用，憑借其種類豐富的模擬與混合信號、電源管理、RF、數字與傳感技術，將現實世界的現象轉化成有行動意義的洞察。ADI服務于全球12.5萬家客戶，在工業、通信、汽車與消費市場提供超過7.5萬種產品。ADI公司總部位于馬薩諸塞州威明頓市。更多信息請訪問：http://www.analog.com/cn。

關于作者

Sydney Wells目前正參與ADI公司的現場開發輪崗項目，接受現場應用工程師任職培訓。她于2020年獲得康涅狄格大學電氣工程學士學位。此前曾從事過電源轉換器評估、制造自動化和供應商開發工程等工作。目前專注于研究電源和儀器儀表。

Scott Hunt是ADI公司儀器儀表市場部（美國馬薩諸塞州威明頓市）的一名系統應用工程師，專門從事科學儀器儀表工作。Scott于2011年作為一名產品應用工程師加入ADI公司，負責儀表放大器等高性能集成式精密放大器，后于2016年轉到儀器儀表部。他擁有倫斯勒理工學院電氣和計算機系統工程學士學位。Scott榮獲ADI公司2015年杰出技術寫作獎和2015年杰出計劃支持獎。

關鍵詞： 校準曲線 光電二極管 標準偏差 儀器儀表 置信區間