Una Piattaforma di Prototipazione per l’Analisi Ottica dei Liquidi Apre la Strada Verso il Rilevamento Ubiquo

Pubblicato il 22 ottobre 2022

Sydney Wells, Applications Engineer e Scott Hunt, Systems Applications Engineer, Analog Devices

Premessa

Monitorare l’ambiente in tempo reale è d’importanza critica per il miglioramento della sostenibilità globale. Essere in grado di analizzare velocemente un campione e di identificare un problema è fondamentale per una risoluzione rapida e con impatto minimo sull’ecosistema. Questa tendenza al rilevamento ubiquo in tempo reale ha cambiato i requisiti, cercando sensori per liquidi che presentino dimensioni inferiori, robustezza più elevata e consumi più bassi, pur continuando a fornire risultati di alta qualità. Con il progresso dell’industria, le piattaforme intelligenti per il rilevamento portatile sono sempre più richieste. Queste piattaforme devono essere altamente versatili, in grado di soddisfare requisiti unici per un’ampia gamma di applicazioni, dall’analisi ambientale delle acque al controllo di processo. Questo articolo presenterà una soluzione di sensing portatile real-time e una piattaforma di prototipazione per l’analisi veloce dei liquidi.

Una Tecnica Comune per l’Analisi dei Liquidi

Esistono vari metodi per testare i liquidi, allo scopo di misurare l’entità di un parametro non conosciuto, come il pH, la fluorescenza o la torbidità di un campione. Una tecnica piuttosto comune è quella di valutare i liquidi a livello ottico; non è invasiva e fornisce risultati stabili e accurati. Le misure ottiche di precisione su liquidi richiedono un insieme di competenze nei domini di elettronica, ottica e chimica. In termini semplici, l’analisi inizia esponendo il campione a una fonte luminosa come quella di un LED. Dopo aver interagito con il campione, il segnale luminoso che ne deriva viene elaborato da un fotodiodo. La risposta misurata viene tracciata prendendo come riferimento una serie di misure eseguite su un set di campioni standard, a concentrazioni note, che definiscono la curva di calibrazione. Usando quest’ultima, è possibile determinare il valore sconosciuto. Questo è il procedimento genericamente utilizzato per le misure analitiche di laboratorio, ma per andare incontro alle esigenze del rilevamento ubiquo deve essere scalato ad analiti e tecniche di misurazione differenti, nonché adattato a un fattore di forma piccolo. Tutto ciò aumenta la complessità delle fasi di progetto e valutazione.

Figura 1. Esempio di curva di calibrazione per assorbanza.

Soluzione Modulare ADI per la Misura Rapida dei Liquidi

L’ ADPD4101 di Analog Devices è un front end analogico (AFE) in grado di pilotare i LED e di ricevere ed elaborare in modo sincrono i segnali in arrivo dai fotodiodi, per realizzare misure ottiche di alta precisione. L’ADPD4101 è altamente configurabile, con un rapporto segnale-rumore ottico fino a 100 dB e un’elevata reiezione della luce ambiente, fornita da un sistema di rilevamento sincrono on-chip che in molti casi ne permette l’utilizzo senza un contenitore a prova di luce.

Il reference design CN0503 è stato progettato per permettere la prototipazione veloce di sistemi di misura e analisi per liquidi in abbinamento all’ADPD4101. Il CN0503 è caratterizzato dalla presenza dell’ADPD4101 come componente principale, ma permette di aggiungere fino a quattro canali ottici, così come il firmware di misura e il software applicativo destinati all’analisi dei liquidi. Il CN0503 si interfaccia direttamente con la scheda ADICUP3029, che gestisce la routine di misurazione e il flusso dei dati. La scheda ADICUP3029 può essere connessa direttamente a un laptop per monitorare i risultati tramite la GUI di valutazione. Il CN0503 può misurare fluorescenza, torbidità e assorbanza. Il campione viene collocato in una provetta, collocata a sua volta nel relativo porta-provetta stampato in 3D, il quale contiene la parte ottica, inclusi una lente e il beam splitter. Il porta-provetta si innesta nell’appropriato percorso ottico per la misura di tipo plug-and-play. Inoltre, per una personalizzazione ulteriore, il LED e le schede del fotodiodo sono estraibili.

Per mostrare la realizzazione delle curve di calibrazione e la misurazione dei parametri sconosciuti con il CN0503, verranno illustrate misure di pH, torbidità e fluorescenza. Per effettuare le misure necessarie alla creazione delle curve di calibrazione è stata usata la GUI di valutazione. Per determinare il più basso valore di concentrazione rilevabile dal CN0503 sono stati calcolati il valore di rumore e il limite di rilevamento (Limit Of Detection, LOD).

Figura 2. La scheda di valutazione CN0503.

Misura del pH con Assorbanza

Basi dell’Assorbanza

L’assorbanza implica la determinazione della concentrazione di un soluto (noto) in una soluzione, in base alla quantità di luce assorbita a una lunghezza d’onda specifica. Secondo la Legge di Beer-Lambert, il livello di concentrazione è proporzionale all’assorbanza. Molti analiti trasparenti possono essere misurati aggiungendo un reagente a mutazione cromatica. Questo esempio riguarda la misura del pH, uno dei parametri più comunemente rilevati in molte industrie, dalla qualità dell’acqua potabile al trattamento delle acque reflue. Le misurazioni di assorbanza sono usate per ricavare molti altri parametri, tra cui quelli dell’ossigeno disciolto, della domanda biochimica di ossigeno, di nitrati, ammoniaca e cloro.

Ottica

La configurazione del percorso ottico per le misure di assorbanza è illustrata in Figura 3. Con il CN0503, queste misurazioni si possono effettuare in qualsiasi percorso ottico (da 1 a 4). Il raggio incidente viene indirizzato al beam splitter, dove un fotodiodo di riferimento ne misura l’intensità. L’energia luminosa rimanente viene fatta passare attraverso il campione. Il calcolo del rapporto tra la lettura del campione e quella della luce di riferimento permette di eliminare variazioni e rumore della fonte LED, e gli impulsi sincronizzati alle finestre (timing, ndt.) di ricezione permettono la reiezione della luce ambiente.

Figura 3. Percorso ottico per la misura dell’assorbanza.

Equipaggiamento della Prova

Scheda di valutazione CN0503
Scheda di valutazione EVAL-ADICUP3029
API pH Test & Adjuster Kit
Campioni a pH standard

Figura 4. Il CN0503 durante la misurazione del pH.

In questo esperimento, per preparare soluzioni con valori di pH diversi è stato aggiunto un colorante (blu bromotimolo). Le soluzioni sono state disposte in provette e testate a due lunghezze d’onda differenti, 430 nm e 615 nm, dove l’indicatore mostra variazioni di assorbimento rispetto al pH. Il CN0503 rende le cose facili; le due schede LED a lunghezze d’onda diverse possono essere inserite nei percorsi ottici 2 e 3. Quindi, per le diverse misure, si sposta semplicemente il porta-provetta nei relativi percorsi.

Risultati

Usando la GUI di valutazione del CN0503, i risultati misurati da entrambi percorsi ottici sono stati esportati facilmente in Excel.

Le curve di calibrazione risultanti dalle due diverse lunghezze d’onda sono illustrate in Figura 5 e Figura 6.

Figura 5. Curva di calibrazione dell’assorbanza del pH a 430 nm.

Figura 6. Curva di calibrazione dell’assorbanza del pH a 615 nm.

In entrambi i casi, per creare la curva di calibrazione è stata tracciata la curva pH-assorbanza. Quindi è stata utilizzata l’opzione Add Trendline per ricavare un’equazione per la curva stessa. Successivamente le equazioni sono state usate per determinare le concentrazioni dei campioni sconosciuti. L’uscita del sensore è la variabile-x, mentre il valore-y risultante è il pH. Si può tracciare manualmente; tuttavia, a questo scopo è possibile utilizzare anche il CN0503. Il firmware implementa due polinomi del quinto-ordine, INS1 e INS2. Una volta che questi sono stati memorizzati, è possibile selezionare le modalità INS1 o INS2 in modo tale che i risultati vengano riportati direttamente nell’unità di misura desiderata— in questo caso, il pH. Ciò rende semplice ottenere rapidamente i risultati da un campione sconosciuto.

Per ricavare il valore di rumore, per ogni lunghezza d’onda sono stati scelti due punti: uno a valore di pH più basso e uno a pH più elevato. In questo caso sono stati usati due punti perché l’adattamento alla curva non era lineare. La deviazione standard di un gruppo di misure ripetute per ciascun punto, riportata in Tabella 1 come valore di rumore, descrive la precisione di misura escludendo le variazioni nella preparazione del campione.

Tabella 1. Valori di Rumore della Misura del pH

	Campione a pH 6,1		Campione a pH 7,5
	430 nm	615 nm	430 nm	615 nm
Valore di Rumore RMS (pH)	0,002098	0,000183	8,18994 × 10^–7	0,000165

Tipicamente, il LOD si determina misurando il rumore a bassa concentrazione e moltiplicando il valore per 3, per ottenere un margine di confidenza del 99,7%. Dato che il pH si misura su scala logaritmica, per verificare il LOD è stato scelto il valore pH=7, come illustrato in Tabella 2.

Tabella 2. Limite di Rilevamento della misura del pH

	Campione a pH 7
	430 nm	615 nm
Limite di Rilevamento (pH)	0,001099	0,001456

Misura della torbidità

Basi della Torbidità

Le misure di torbidità di un campione di liquido utilizzano le proprietà di diffusione della luce dovute alle particelle in sospensione nel liquido stesso. In definitiva, rappresenta la misura della sua trasparenza relativa. La quantità di luce diffusa e l’angolo di diffusione differiscono a seconda della dimensione e della concentrazione delle particelle, nonché della lunghezza d’onda della luce incidente. La misura della torbidità si esegue in molti settori industriali, inclusi controllo delle acque potabili e biologia. Oltre alla torbidità generica, misurando la densità ottica il CN0503 può anche essere utilizzato per determinare il livello di crescita delle alghe.