使用多模態感測器前端元件讓光學式液體分析更普及

在考量到乾旱、暴風雨強度和頻率，以及人口不斷增長的情況下，全球對隨身飲用水的安全性日漸關切，因此液體分析的重要性也越來越關鍵。為了將污染降至最低且對生態系統帶來最少的影響，有必要對水樣本進行即時且現場的分析。

對液體的即時感測需要儀器方面的進步，包括更小的尺寸、更低的功耗、提高準確度、快速的客製化、更快的反應時間、堅固性，同時還要提供高品質的結果。

光學式儀器在此非常實用，因為能以非波壞方式進行高精度測量，達到非接觸式感應測量，如濁度、總有機碳、總懸浮固體、溶解氧和是否有離子污染物。但是，這類系統需要複雜的類比前端 (AFE) 來驅動發光二極體 (LED)，同時還要在環境與系統雜訊中對接收到的光進行感測與數位化。此類設計功能已經超出設計人員的典型技能範圍。我們需要的是更優雅且現成的解決方案。

本文將概述光學式液體分析，然後會介紹以 Analog Devices, Inc. 多模態光學式感測器 AFE 為基礎打造的可攜式、即時平台，可快速進行液體分析。也會介紹以此 AFE 為基礎的公版設計，可提供多達四個模組化光學路徑槽。此公版設計可用於展示如何測量潛在氫氣 (PH)、濁度和螢光，還可建立校準曲線和測量未知項目。

光學式液體分析的基礎知識

光學式液體分析可用於測量液體樣本中元素的濃度。此技術有許多優點，包括非破壞性，並使用非接觸式感應。此外，測量結果可達到高精度和低漂移。

從概念上講，光學分析會將液體樣本暴露在光中，光源可以是具有已知光波長的發光二極體 (LED) 等等。光會穿透樣本並與其互動，就可由光電二極體 (PD) 偵測。從 PD 測得的反應，會再對照已知濃度的樣本反應來繪製關係圖，如此就可構成校準曲線，以便用來確定未知值。

此過程描述了一般實驗室會進行的分析測量，不僅有精密的光學式液體測量值，還有電子、光學和化學領域混雜的結果。要讓這類測試更加普及，就要將流程縮減到小型尺寸中，也因此會提高設計的複雜性。

快速測量液體的模組化解決方案

為了簡化儀器設計過程，Analog Devices 以 ADPD4101BCBZR7 類比光學前端 (AFE) 為基礎，打造了 EVAL-CN0503-ARDZ 公版設計。ADPD4101BCBZR7 是一款完整的多模態感測器前端，可驅動多達八個 LED，並可測量多達八個單獨的回流電流輸入 (圖 1)。AFE 會拒斥來自非同步調變干擾 (通常來自環境光) 的訊號偏移和干擾。AFE 具有高度可配置性，採用晶片上同步偵測方法，在環境光高拒斥下具有高達 100 dB 的光學訊噪比 (SNR)，因此可在沒有遮光外殼下，應用在許多情況。

圖 1：ADPD4101BCBZR7 多模態感測器 AFE 可驅動多達八個 LED，並測量多達八個單獨的回流電流輸入。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

EVAL-CN0503-ARDZ 公版設計有助於打造液體分析測量的原型，包括螢光、濁度、吸光度和比色法 (圖 2)。有四個模組化光學測試槽，可提供直通光學路徑，其中兩個槽具有正交 (90°) 散射路徑。隨附一個 3D 列印的光析管固定架，可用來固定標準 10 mm 光吸管，並可放在四個光學路徑中的任一處。此公版設計還提供量測韌體和應用軟體，可用於液體分析。

圖 2：EVAL-CN0503-ARDZ 隨附一個標準 10 mm 光析管用的固定架，可放置在四個光學路徑中的任一處，且其中具有光學元件。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

EVAL-CN0503-ARDZ 會連接 EVAL-ADICUP3029，這是一款 32 位元的 Arm® Cortex®-M3 微控制器板，可處理測量操作和數據流。EVAL-ADICUP3029 板可直接連接筆記型電腦，就可在評估圖形化使用者介面中顯示擷取到的數據。

EVAL-CN0503-ARDZ 可以針對樣本進行液體分析測量，項目包括螢光、濁度、吸光度和比色法。光析管固定架可裝入光學元件，包括視準儀透鏡和分束鏡。每個插槽都有一個參考光電二極體，並提供一個適合的光學路徑可達到即插即用測量。此外，每個槽中的 LED 和光電二極體卡可以替換，以便進一步客製化。

為了示範，pH值、濁度和螢光的測量會用來建立校準曲線，然後用 EVAL-CN0503-ARDZ 及其評估軟體測量未知值。此外，也會計算雜訊位準值和偵測限值 (LOD)。這可確定 EVAL-CN0503-ARDZ 在每個範例中可偵測到的最低濃度。

吸光度測試範例

依據比爾 (Beer-Lambert) 定律所進行的吸光度測量，會依據特定波長的光被吸收的量，來判定溶液中已知溶解物的濃度。這是比色法的一種形式。在本例中，會使用吸光度來測量 pH 值，這是水質測試中常用的參數。這種類型的測試在分析應用中也很有用，包括溶解氧、生物氧需求、硝酸鹽、氨和氯。

進行吸光度測量時，無論使用直接或直通光學路徑，皆可使用 EVAL-CN0503-ARDZ 上四條光學路徑的任一條 (圖 3)。

圖 3：在此顯示 EVAL-CN0503-ARDZ 進行吸光度測量時的光學設定。EVAL-CN0503-ARDZ 的光析管固定架裝有光學元件，包括視準透鏡和分束鏡。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

所需波長的 LED 會產生入射光束。光學路徑中的分束鏡會將部分光線引導到基準光電二極體，再由此二極體對光束強度進行採樣。剩餘的光束會引導穿越樣本。光強度的差異，以及 LED 光源的雜訊，都會依據發光與基準光電二極體之間的輸出比率進行抵銷。

ADPD4101BCBZR7 可針對固定光源的環境光污染，拒斥最多達 60 dB。這可透過同步調變機制來完成；此機制會調變 LED 電流，且同步測量暗態 (即關閉，此時只有環境光) 和激態 (即開啟。此時有環境光和 LED 元件) 之間的差異。這種環境光拒斥會自動進行，不需要外部控制。

除了 EVAL-CN0503-ARDZ 之外，此範例還需要前述的 EVAL-ADICUP3029。會使用 API pH 測試和調整器套件，以及一組 pH 緩衝液樣本進行校準。

分析物的準備方法是將 API 測試套件中的顏色指示劑 (溴瑞香草酚藍)，添加到不同 pH 值的備妥溶液中。溴瑞香草酚藍在溶液中，會分離成弱酸，對 430 nm 的光具有高吸收率，也會分離成共軛鹼，對 650 nm 的光具有高吸收率。

溶液會轉移到光析管中，並以兩種不同波長進行 pH 測量，因為 pH 的作用，指示劑會顯示出吸光度的變化。利用不同波長的兩張 LED 卡，插入到光學路徑 2 跟 3，就可輕鬆在 EVAL-CN0503-ARDZ 中完成測量。將光析管固定架移到兩個不同的路徑中進行測量。

可使用 EVAL-CN0503-ARDZ 評估軟體圖形化使用者介面，將兩條光學路徑的結果匯出到 Excel (圖 4)。

圖 4：此為 430 nm (左) 和 650 nm (右) 光源下進行測試的 pH 吸光度校準曲線。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

在這兩種情況下，pH 與吸光度的關係皆會繪製，藉此建立校準曲線。可使用 Excel 中的趨勢圖功能來產生曲線的方程式。在這兩種情況下，適合度的估計值 R² 會接近 1.0，表示具有優質配合。未知樣本的濃度可以透過這些方程式來確定，感測器的輸出會輸入成 x 變量，得到的 y 值即 pH 值。EVAL-CN0503-ARDZ 評估軟體可實施兩個五階多項式 INS1 和 INS2。儲存多項式後，就可選擇 INS1 或 INS2 模式，以便直接以所需的單位進行回報，在此例中則為 pH 值。這可簡化從未知樣本取得結果的流程。

測量的雜訊位準要在各個波長上，取得兩個不同的數據點。一個應為較低的 pH 值，另一個則為較高的 pH 值。由於曲線配合並非線性，因此需使用兩個值。所選 pH 值為 6.1 和 7.5。會對每個點進行多次測量，數據的標準差會針對各個 pH 值產生各波長下的均方根 (RMS) 雜訊值。結果如表 1 所示。

表 1：在兩個波長下，兩個 pH 值的 RMS 雜訊值。(表格來源： Analog Devices, Inc.)

請注意，此資料排除了樣本準備所造成的變異。

偵測限值 (LOD) 可確定 EVAL-CN0503-ARDZ 可偵測到的最低濃度。LOD 通常是測量最低濃度位準下的雜訊而確定。要達到 99.7% 的信心水準，雜訊值要乘以 3。有鑑於 pH 屬於對數尺度，LOD 是以 pH 值為 7 而確定。且必須在波長 430 nm 和 625 nm 下確定。430 nm 時的 LOD 為 pH 值 0.001099，615 nm 時的 LOD 為 pH 值 0.001456。

濁度測試範例

濁度會測量液體的相對清晰度。會依據液體中懸浮粒子的光散射特性進行測量。光的散射會受到懸浮粒子的大小和濃度，以及入射光的波長影響。這些因素都會影響散射光量和散射角。許多產業都會進行濁度測試，包括水質和生命科學。也可透過光密度的測量，用來判定藻類的生長情形。

濁度測試的光學路徑會使用光電二極體，並以 90˚ 或 180˚ 角的方向擺設，以便偵測光。在 EVAL-CN0503-ARDZ 中，濁度測試需要一個 90˚ 擺放的偵測器，其可在 1 號和 4 號測試槽中取得。光學槽 4 號有插入 530 nm LED 板作為光源，如圖 5 所示。

圖 5：濁度測試的光學路徑上有擺放 90˚ 和 180˚ 的光偵測器，可用來偵測溶液中粒子所散射的光。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

此範例會依據 EPA 方法 180.1「散射比濁法判定濁度」加以修改進行展示，並以散射比濁法濁度單位 (NTU) 進行校準和回報。

濁度測試所用的設備包括 EVAL-CN0503-ARDZ 和 EVAL-ADICUP3029 評估板，以及 Hanna Instruments 的濁度標準校準套件。濁度校準標準會規定超純水中的微珠特定大小。這些解決方案可用於校準和驗證濁度測量。

透過 EVAL-CN0503-ARDZ 軟體評估圖形化使用者介面 (GUI)，測量結果可匯出到Excel，即可產生濁度校準曲線 (圖 6)。

圖 6：這些校準曲線以濁度測試的結果為基礎建立。線性曲線配合可指出線性模型具有優異的適合度估計值 (R²)。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

請注意，在圖 6 中，橫座標的相對比 (PRAT) 值，是對照已知測量設定下搭配空光析管的基線或絕對比值，或是搭配蒸餾水 (其入射光或反射光的比值接近 1)。此過程可用於消除光學玻璃元件在測量中帶來的細微因素，例如分束器、透鏡和濾光鏡。此數值可當作連續測量的參考。

由於 90° 散射測量對高濁度的反應較差，因此反應曲線會分為兩個部分；第一部分代表較低的濁度 (0 NTU 至 100 NTU)，另一部分代表較高的濁度 (100 NTU 至 750 NTU)。接著會針對每一個部分進行兩次線性配合。儘管現在有兩個方程式值，但 EVAL-CN0503-ARDZ 仍可利用內建的 INS1 或 INS2 多項式配合，快速顯示產生的 NTU 值。

雜訊值會藉由重複測量的標準差來決定。基於線性配合，僅會使用靠近範圍底部 (12 NTU) 的一個雜訊點。雜訊位準在 0.282474 NTU 測得。

LOD 是藉由低濃度或空濃度樣本的雜訊值建立。同樣地，雜訊值會乘以 3，以表示 99.7%的信賴區間。對於空樣本濃度，LOD 為 0.69204 NTU。

螢光測試範例

螢光的產生是因為某些材料的電子被光束激發，以致發出另一個波長的光。發射的光強度與光敏材料的濃度成正比。螢光測量通常比使用吸光度測量來測量溶液中材料的濃度更為敏感。螢光的排放可用於識別是否有特定分子的存在及其數量，因為其具有化學特異性。螢光測量可在更寬廣的濃度範圍內保持線性。螢光測量的應用包括生物測定、溶解氧、化學氧需求，以及偵測牛奶是否殺菌成功。

一般而言，螢光的排放會使用與入射光呈 90° 擺放的光偵測器來測量，以盡可能減少對測量的影響。會使用參考偵測器來測量入射光，藉此將影響測量的干擾因素降至最低。這些因素包括光源的失真、外部照明，以及樣本內的輕微移動。此外，螢光偵測器還會搭配光學單色或長通濾光鏡使用，以便將入射光和發射光進一步分離 (圖 7)。

圖 7：螢光測量的光學路徑。螢光光電二極體的擺放與入射光路徑呈 90°。螢光濾鏡可衰減光源的 LED 波長。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

同樣地，用於螢光測試的設備包括 EVAL-CN0503-ARDZ 和 EVAL-ADICUP3029 板。

在本例中，使用菠菜葉來展示螢光葉綠素。菠菜溶液是將菠菜葉與水混合而成。過濾後，就可當作原汁溶液。只要將原汁溶液稀釋，就可製造不同百分比的菠菜溶液，並可當作標準來建立校準曲線。由於需要正交探測器，因此會使用 EVAL-CN0503-ARDZ 中的光學槽 1 號。光源的 LED 波長為 365 nm，並插入長通濾鏡。

一共測試了 7 個不同百分比的菠菜溶液，依此繪製葉綠素的校準曲線 (圖 8)。

圖 8：百分比菠菜溶液的校準曲線，包括趨勢線方程式。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

如前面的範例所述，可以儲存葉綠素校準曲線的趨勢線方程式，以便 EVAL-CN0503-ARDZ 直接以百分比形式回報測量結果。

由於校準曲線是非線性，因此會使用兩個數據點 (7.5%和20%) 來測量雜訊。每個樣本在多次測試下的標準差，會讓 7.5% 的波菜樣本產生 0.0616% 的 RMS 雜訊值，20% 波菜樣本的 RMS 雜訊值為0.1159%。

LOD 會透過空白或低濃度樣本決定。同樣地，樣本的 RMS 雜訊測量值會乘以 3，以呈現 99.7% 的信心水準，並產生0.1621% 的 LOD。

結論

要建立可攜式光學液體分析測量系統，需要對化學、光學和電子的相互作用有相當程度的瞭解，才可打造精密、準確且容易使用的裝置。為了設計出具有高準確度精密度的儀器，設計人員可以使用 ADPD4101BCBZR7 光學 AFE，就不用在公司內部設計複雜的訊號鏈。為了協助展開作業，EVAL-CN0503-ARDZ 公版設計具有 AFE 的支援。以 ADPD4101BCBZR7 為基礎打造，並添加了光學元件、韌體與軟體，可建立一個容易使用且方便可攜的原型開發平台，可針對吸光度、比色、濁度與螢光等液體參數，進行準確的光學測量。