Come rendere universale l'analisi ottica dei liquidi grazie a un front-end con sensore multimodale

Data la preoccupazione a livello globale per la sicurezza dell'acqua potabile dovuta alla siccità, all'intensità e alla frequenza delle tempeste e all'aumento della popolazione, l'analisi dei liquidi ha assunto un'importanza critica. L'analisi in tempo reale e in loco dei campioni d'acqua è necessaria per ridurre al minimo l'inquinamento e il suo impatto sull'ecosistema.

Il rilevamento in tempo reale dei liquidi richiede progressi nella strumentazione, che deve avere dimensioni compatte, minor consumo energetico, maggiore accuratezza, rapida personalizzazione, tempi di risposta più brevi e robustezza, il tutto senza venir meno a risultati di alta qualità.

La strumentazione ottica è utile in questo caso in quanto può effettuare misurazioni ad alta precisione non distruttive, fornendo il rilevamento senza contatto di vari parametri come torbidità, carbonio organico totale, solidi sospesi totali, ossigeno disciolto e presenza di contaminanti ionici. Tuttavia, questi sistemi richiedono complessi front-end analogici (AFE) per pilotare i diodi luminescenti (LED) e al tempo stesso rilevare e digitalizzare la luce ricevuta in presenza di rumore ambientale e di sistema. Tali capacità di progettazione sono al di là delle competenze tipiche dei progettisti. È necessaria una soluzione più elegante e pronta per l'uso.

Questo articolo tratta brevemente dell'analisi ottica dei liquidi prima di introdurre una piattaforma portatile e in tempo reale per l'analisi rapida dei liquidi basata su un sensore ottico multimodale AFE di Analog Devices, Inc.. Presenta inoltre un progetto di riferimento basato sull'AFE che offre fino a quattro alloggiamenti modulari per il percorso ottico. Il progetto di riferimento utilizzato intende dimostrare come effettuare misurazioni di idrogeno potenziale (pH), torbidità e fluorescenza, creare curve di calibrazione e misurare le incognite.

Nozioni di base sull'analisi ottica dei liquidi

L'analisi ottica dei liquidi può essere utilizzata per misurare le concentrazioni di elementi in un campione liquido. La tecnica presenta molti vantaggi, tra cui quello di non essere distruttiva e di utilizzare il rilevamento senza contatto. Inoltre, i risultati offrono un'elevata precisione e una bassa deriva.

Concettualmente, l'analisi ottica espone il campione liquido alla luce di una sorgente come un diodo luminescente (LED) con una lunghezza d'onda ottica nota. La luce attraversa il campione, interagisce con esso e viene rilevata da un fotodiodo (PD). La risposta misurata dal PD viene tracciata rispetto alle risposte di campioni con concentrazioni note, che formano una curva di calibrazione rispetto alla quale è possibile stabilire il valore sconosciuto.

Questo processo descrive le misurazioni analitiche che verrebbero impiegate in un laboratorio generale in cui le misurazioni ottiche di precisione dei liquidi combinano i risultati di domini misti di elettronica, ottica e chimica. Per rendere disponibile a tappeto questo tipo di test è necessario ridurre i processi a un fattore di forma compatto, cosa che aumenta la complessità del progetto.

Una soluzione modulare per la misurazione rapida dei liquidi

Per semplificare la progettazione dello strumento, Analog Devices ha creato il progetto di riferimento EVAL-CN0503-ARDZ basato sul front-end ottico analogico (AFE) ADPD4101BCBZR7. Questo è un front-end completo per sensori multimodali in grado di pilotare fino a otto LED e di misurare fino a otto ingressi separati di corrente di ritorno (Figura 1). L'AFE respinge gli offset del segnale e le interferenze da modulazioni asincrone, di solito provenienti dalla luce ambiente. L'AFE è altamente configurabile e presenta un rapporto segnale/rumore (SNR) ottico fino a 100 dB con un'elevata reiezione della luce ambiente grazie a metodi di rilevamento sincronizzati su chip, che in molti casi ne consentono l'utilizzo senza un involucro otticamente scuro.

Figura 1: Il sensore multimodale AFE ADPD4101BCBZR7 può pilotare fino a otto LED e misurare fino a otto ingressi separati di corrente di ritorno. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Il progetto di riferimento EVAL-CN0503-ARDZ consente la prototipazione rapida di misurazioni per l'analisi dei liquidi, tra cui fluorescenza, torbidità, fattore di assorbimento e colorimetria (Figura 2). Dispone di quattro alloggiamenti modulari per test ottici che forniscono percorsi ottici passanti e due alloggiamenti che includono percorsi di diffusione ortogonali (90°). È incluso un porta-cuvette stampato in 3D per cuvette standard da 10 mm, posizionabile in uno qualsiasi dei quattro percorsi ottici. Il progetto di riferimento fornisce anche il firmware di misurazione e il software applicativo per l'analisi dei liquidi.

Figura 2: EVAL-CN0503-ARDZ comprende un porta-cuvette stampato in 3D per cuvette standard da 10 mm posizionabile in uno dei quattro percorsi ottici che incorporano l'ottica di misurazione. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

EVAL-CN0503-ARDZ si collega a EVAL-ADICUP3029, una scheda microcontroller ARM® Cortex®-M3 a 32 bit, che gestisce le operazioni di misurazione e il flusso di dati. La scheda EVAL-ADICUP3029 si collega direttamente a un computer portatile per visualizzare i dati acquisiti nell'interfaccia grafica di valutazione.

I valori di analisi dei liquidi di fluorescenza, torbidità, fattore di assorbimento e colorimetria di un campione possono essere misurati con EVAL-CN0503-ARDZ. Il porta-cuvette ospita l'ottica, tra cui un elettrodo di collimazione e un divisore di fascio. Ciascuno slot contiene un fotodiodo di riferimento e fornisce un percorso ottico appropriato per la misurazione plug-and-play. Inoltre, le schede LED e fotodiodi di ciascun alloggiamento possono essere sostituite a scopo di personalizzazione.

A titolo dimostrativo, le misure di pH, torbidità e fluorescenza saranno utilizzate per creare curve di calibrazione e quindi misurare le incognite con EVAL-CN0503-ARDZ e il relativo software di valutazione. Inoltre, vengono calcolati il valore del livello di rumore e il limite di rilevamento (LOD). In questo modo si determina la concentrazione più bassa rilevabile da EVAL-CN0503-ARDZ in ciascun esempio.

Esempio di test del fattore di assorbimento

Le misurazioni del fattore di assorbimento, basate sulla legge di Beer-Lambert, comportano la determinazione della concentrazione di un soluto noto in una soluzione liquida in base alla quantità di luce assorbita a una specifica lunghezza d'onda. Si tratta di una forma di colorimetria. In questo esempio, il fattore di assorbimento viene utilizzato per misurare il pH, un parametro comune nei test sulla qualità dell'acqua. Questo tipo di test è utile anche nelle applicazioni di analisi, tra cui ossigeno disciolto, domanda biologica di ossigeno, nitrati, ammoniaca e cloro.

Le misurazioni del fattore di assorbimento, utilizzando un percorso ottico diretto o passante, possono essere effettuate utilizzando uno qualsiasi dei quattro percorsi ottici su EVAL-CN0503-ARDZ (Figura 3).

Figura 3: Allestimento ottico per la misurazione del fattore di assorbimento con la scheda EVAL-CN0503-ARDZ. Il porta-cuvette di EVAL-CN0503-ARDZ ospita l'ottica, tra cui un elettrodo di collimazione e un divisore di fascio. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Un LED alla lunghezza d'onda desiderata genera il fascio incidente. Il divisore di fascio nel percorso ottico dirige parte della luce verso un fotodiodo di riferimento che campiona l'intensità del fascio. L'equilibrio del fascio ottico è diretto attraverso il campione. Le variazioni dell'intensità luminosa e del rumore della sorgente LED sono annullate dal rapporto tra le uscite dei fotodiodi di trasmissione e di riferimento.

La scheda ADPD4101BCBZR7 respinge la contaminazione da luce ambiente proveniente da sorgenti luminose costanti di ben 60 dB. Ciò avviene mediante uno schema di modulazione sincrona che modula la corrente del LED e misura in modo sincrono la differenza tra lo stato buio (spento) (in cui la luce ambiente è l'unica componente) e lo stato eccitato (acceso) (in cui sono presenti sia la luce ambiente sia la componente LED). La reiezione di luce ambiente è automatica e non richiede controlli esterni.

Oltre a EVAL-CN0503-ARDZ, questo esempio richiede la scheda EVAL-ADICUP3029 già citata in precedenza. Per la calibrazione utilizza un kit di test e regolatore di pH API e un set di campioni di soluzione tampone di pH.

Gli analiti sono stati preparati aggiungendo un indicatore di colore (blu di bromotimolo) dal kit di analisi API alle soluzioni preparate con diversi valori di pH. Il blu di bromotimolo, in soluzione, si separa in un acido debole con elevato fattore di assorbimento di luce a 430 nm e in una base coniugata con elevato fattore di assorbimento di luce a 650 nm.

Le soluzioni sono state trasferite in cuvette e la misurazione del pH è stata effettuata a queste due diverse lunghezze d'onda in cui l'indicatore mostra variazioni di assorbimento in funzione del pH. Tutto questo è facile da realizzare in EVAL-CN0503-ARDZ utilizzando due schede LED per lunghezze d'onda diverse, inserite nel percorso ottico 2 e nel percorso ottico 3. Il porta-cuvette viene spostato nei due diversi percorsi per le misurazioni.

I risultati di entrambi i percorsi ottici sono esportati in Excel utilizzando l'interfaccia grafica del software di valutazione EVAL-CN0503-ARDZ (Figura 4).

Figura 4: Curve di calibrazione del fattore di assorbimento del pH per i test con sorgenti luminose a 430 nm (sinistra) e 650 nm (destra). (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

In entrambi i casi, il pH rispetto al fattore di assorbimento è stato tracciato per creare la curva di calibrazione. Per generare un'equazione per la curva è stata utilizzata la funzione trendline di Excel. La stima della bontà dell'adattamento, R², è vicina a 1,0 in entrambi i casi, a indicazione della sua ottima qualità. Le concentrazioni dei campioni sconosciuti possono essere determinate da queste equazioni con l'uscita del sensore inserita come variabile x e il valore y risultante è il pH. Il software di valutazione EVAL-CN0503-ARDZ implementa due polinomi del quinto ordine, INS1 e INS2. Una volta memorizzati i polinomi, è possibile selezionare la modalità INS1 o INS2 in modo che i risultati delle misurazioni siano riportati direttamente nell'unità desiderata, in questo caso il pH. Ciò semplifica l'ottenimento di un risultato per un campione sconosciuto.

Il livello di rumore della misurazione richiede due diversi punti dati per ciascuna lunghezza d'onda. Uno dovrebbe avere un valore di pH più basso e l'altro più alto. Vengono utilizzati due valori perché l'adattamento della curva non è lineare. I valori di pH scelti erano 6,1 e 7,5. Per ogni punto sono state effettuate più misurazioni e la deviazione standard dei dati fornisce il valore quadratico medio (RMS) del rumore a ciascuna lunghezza d'onda per ogni valore di pH. I risultati sono riportati nella Tabella 1.

Tabella 1: Valori di rumore RMS per due valori di pH a due lunghezze d'onda. (Tabella per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Si noti che questi dati escludono le variazioni dovute alla preparazione del campione.

Il limite di rilevamento (LOD) determina la concentrazione più bassa che può essere rilevata da EVAL-CN0503-ARDZ. Il LOD viene tipicamente determinato misurando il rumore a bassi livelli di concentrazione. Per ottenere un livello di confidenza del 99,7%, il valore del rumore viene moltiplicato per tre. Poiché il pH è in scala logaritmica, il LOD è stato determinato per un pH pari a 7. Anche in questo caso si è proceduto alle lunghezze d'onda di 430 nm e 625 nm. Il LOD a 430 nm corrisponde a un pH di 0,001099 e il LOD a 615 nm a un pH di 0,001456.

Esempio di test di torbidità

La torbidità misura la chiarezza relativa di un liquido. La misurazione si basa sulla proprietà di diffusione della luce delle particelle sospese nel liquido. La diffusione della luce è influenzata dalle dimensioni e dalla concentrazione delle particelle in sospensione, nonché dalla lunghezza d'onda della luce incidente. Questi fattori influenzano la quantità di luce diffusa e l'angolo di diffusione. I test di torbidità sono utili in molti ambiti, come la qualità dell'acqua e le scienze biologiche. Possono anche essere applicati per determinare la crescita delle alghe misurando la densità ottica.

Il percorso ottico per il test di torbidità utilizza fotodiodi posizionati in modo da rilevare la luce ad angoli di 90° o 180°. In EVAL-CN0503-ARDZ, il test della torbidità richiede un rilevatore a 90°, disponibile negli alloggiamenti 1 e 4. L'alloggiamento ottico 4, con una scheda LED da 530 nm inserita come sorgente, è illustrato nella Figura 5.

Figura 5: Il percorso ottico per il test di torbidità utilizza fotorilevatori a 90° e 180° dal percorso luminoso per rilevare la luce diffusa dalle particelle nella soluzione. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Questo esempio mostra una versione modificata del metodo EPA 180.1, "Determinazione della torbidità mediante nefelometria", calibrata e riportata in unità di torbidità nefelometrica (NTU).

L'apparecchiatura utilizzata per i test di torbidità comprende le schede di valutazione EVAL-CN0503-ARDZ e EVAL-ADICUP3029, nonché il set di calibrazione dello standard di torbidità di Hanna Instruments. Lo standard di calibrazione della torbidità fornisce microsfere di dimensioni specifiche in acqua ultrapura. Queste soluzioni sono utilizzate per calibrare e convalidare le misurazioni di torbidità.

Utilizzando l'interfaccia grafica di valutazione (GUI) del software EVAL-CN0503-ARDZ, i risultati sono stati esportati in Excel, dove è stata generata una curva di calibrazione della torbidità (Figura 6).

Figura 6: Queste curve di calibrazione si basano sui risultati dei test di torbidità. L'adattamento della curva lineare mostra che i modelli lineari hanno stime eccellenti della bontà di adattamento (R²). (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Si noti che nella Figura 6, i valori del rapporto relativo (RRAT) in ascissa sono riferiti alla linea di base o ai valori del rapporto assoluto basati su una configurazione di misura nota con una cuvetta vuota o con acqua distillata in cui il rapporto tra luce incidente e luce riflessa è prossimo a 1. Questo processo consente di eliminare i piccoli fattori introdotti nella misurazione dagli elementi ottici in vetro, come il divisore di fascio, le lenti e i filtri. Questo valore viene utilizzato come riferimento per le misurazioni successive.

Poiché la misurazione della diffusione a 90° è meno sensibile alle alte torbidità, la curva di risposta è stata divisa in due sezioni: la prima rappresenta la torbidità più bassa (da 0 NTU a 100 NTU), mentre l'altra rappresenta la torbidità più alta (da 100 NTU a 750 NTU). Sono stati quindi eseguiti due adattamenti lineari per ciascuna sezione. Anche se ora ci sono due valori di equazione, con EVAL-CN0503-ARDZ si possono mostrare rapidamente i valori NTU risultanti utilizzando gli adattamenti polinomiali INS1 o INS2 integrati.

Il valore del rumore è stato determinato prendendo la deviazione standard delle misurazioni ripetute. A causa dell'adattamento lineare, è stato utilizzato solo un punto di rumore vicino alla parte inferiore dell'intervallo (12 NTU). Il livello di rumore è stato misurato a 0,282474 NTU.

Il LOD è stato stabilito prendendo il valore di rumore di un campione con una concentrazione bassa o assente. Anche in questo caso, il valore del rumore è stato moltiplicato per tre per rappresentare un intervallo di confidenza del 99,7%. Per una concentrazione di campione assente, il LOD è risultato pari a 0,69204 NTU.

Esempio di test di fluorescenza

La fluorescenza è il risultato dell'eccitazione degli elettroni di alcuni materiali da parte di un fascio di luce, che li porta a emettere luce a un'altra lunghezza d'onda. L'intensità della luce emessa è proporzionale alla concentrazione del materiale fotosensibile. La fluorimetria è generalmente molto più sensibile rispetto alle misurazioni di fattore di assorbimento per misurare la concentrazione dei materiali nella soluzione. Le emissioni di fluorescenza possono essere utilizzate per identificare la presenza e la quantità di molecole specifiche perché sono chimicamente specifiche. Le misurazioni di fluorescenza sono lineari su un intervallo più ampio di concentrazioni. Le applicazioni delle misurazioni di fluorescenza comprendono i test biologici, l'ossigeno disciolto, la domanda chimica di ossigeno e il rilevamento dell'avvenuta pastorizzazione del latte.

In genere, le emissioni di fluorescenza vengono misurate utilizzando un fotorilevatore posizionato a 90° rispetto alla luce incidente per ridurre al minimo il suo effetto sulla misurazione. Per ridurre al minimo i fattori che interferiscono con la misurazione, si utilizza un rilevatore di riferimento per misurare la luce incidente. Questi fattori includono distorsioni dovute alla sorgente luminosa, all'illuminazione esterna e a lievi movimenti del campione. Inoltre, un filtro ottico monocromatico o passa-lungo viene utilizzato con il rilevatore di fluorescenza per aumentare la separazione tra la luce incidente e quella emessa (Figura 7).

Figura 7: Percorso ottico per la misurazione della fluorescenza. Il fotodiodo di fluorescenza è posizionato a 90° rispetto al percorso della luce incidente. Un filtro di fluorescenza attenua la lunghezza d'onda del LED sorgente. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Anche in questo caso, l'apparecchiatura utilizzata per i test di fluorescenza comprende le schede EVAL-CN0503-ARDZ e EVAL-ADICUP3029.

In questo esempio, sono state utilizzate foglie di spinaci per dimostrare la fluorescenza della clorofilla. La soluzione di spinaci è stata creata mescolando foglie di spinaci con acqua. Dopo la filtrazione, è stata utilizzata come soluzione madre. Diluendo la soluzione madre si sono create soluzioni di spinaci in diverse percentuali e queste sono state utilizzate come standard per creare una curva di calibrazione. Poiché era necessario un rilevatore ortogonale, è stato utilizzato l'alloggiamento ottico 1 della scheda EVAL-CN0503-ARDZ. La sorgente era un LED con una lunghezza d'onda di 365 nm, con un filtro passa-lungo inserito.

Sono state testate sette diverse percentuali della soluzione di spinaci per tracciare la curva di calibrazione della clorofilla (Figura 8).

Figura 8: Curva di calibrazione per la soluzione di spinaci percentuale, compresa l'equazione della linea di tendenza. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Come negli esempi precedenti, l'equazione della linea di tendenza per la curva di calibrazione della clorofilla può essere memorizzata in modo che i risultati siano riportati direttamente in percentuale dalla scheda EVAL-CN0503-ARDZ.

Poiché la curva di calibrazione non è lineare, il rumore è stato misurato utilizzando due punti dati - 7,5% e 20%. La deviazione standard di test multipli con ciascun campione ha prodotto un valore di rumore RMS dello 0,0616% di spinaci per il campione del 7,5% e dello 0,1159% di spinaci per il campione del 20%.

Il LOD è stato determinato utilizzando un campione vuoto o a bassa concentrazione. Anche in questo caso, la misurazione del rumore RMS per il campione è stata moltiplicata per tre per rappresentare un livello di confidenza del 99,7%, producendo un LOD di 0,1621% di spinaci.

Conclusione

Un sistema portatile di analisi ottica dei liquidi richiede una notevole conoscenza delle interazioni tra chimica, ottica ed elettronica per creare un dispositivo preciso, accurato e facile da usare. Per progettarne uno con elevata accuratezza e precisione, i progettisti possono utilizzare l'AFE ottico ADPD4101BCBZR7 senza dover progettare internamente una complessa catena di segnali. Anzitutto, l'AFE è supportato dal progetto di riferimento EVAL-CN0503-ARDZ. Si basa sull'ADPD4101BCBZR7 aggiungendo i componenti ottici, il firmware e il software per creare una piattaforma di prototipazione intuitiva e adattabile, in grado di produrre misurazioni ottiche accurate dei parametri come il fattore di assorbimento, colorimetria, torbidità e fluorescenza dei liquidi.