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.

Ottica

La Figura 7 mostra il percorso ottico per la misura di torbidità con un rilevatore a 90° o 180°. Con il CN0503, dato che è necessario un rilevatore a 90°, le misure di torbidità si possono eseguire soltanto nei percorsi ottici 1 o 4. Per la torbidità esistono varie configurazioni di misura e diversi Standard. Questo esempio dimostra una versione modificata del Metodo EPA 180.1, calibrato e riportato in Unità Nefelometriche di Torbidità (Nephelometric Turbidity Units, NTU).

Figura 7. Percorso ottico per misura di torbidità.

Equipaggiamento della Prova

• Scheda di valutazione CN0503
• Scheda di valutazione EVAL-ADICUP3029
• Set di Calibrazione Standard per torbidità Hanna Instruments^®

Per questo esperimento, è stato usato il percorso ottico 4 e inserita la scheda LED 530 nm.

Figura 8. Soluzioni standard per la calibrazione della torbidità.

Risultati

Utilizzando la GUI di valutazione del CN0503, i risultati della misura sono stati esportati in Excel. La curva di calibrazione risultante è illustrata in Figura 9.

Figura 9. Curva di calibrazione per la torbidità.

Dato che a livelli elevati di torbidità la misura della diffusione a 90° è meno efficiente, la curva di risposta è stata suddivisa in due sezioni. La prima rappresenta la torbidità di livello più basso (da 0 NTU a 100 NTU), la seconda quello più elevato (da 100 NTU a 750 NTU). Per ciascuna sezione sono state realizzate due misure lineari. Anche se ora ci sono due valori di torbiditá, il CN0503 può comunque essere utilizzato per mostrare velocemente i valori NTU risultanti. Questo è possibile perché ciascun percorso ottico può memorizzare i rispettivi valori di equazione in INS1 e INS2. Un aspetto importante è che INS1 e INS2 sono indipendenti. Il risultato della prima equazione, INS1, è la variabile di ingresso per la seconda, INS2. Una volta memorizzati i valori dell’equazione, INS1 può essere usato per misurare i campioni a torbidità più basse, INS2 per quelle più elevate.

Per ricavare il valore di rumore, si prende un punto sul quale misurare la deviazione standard su misurazioni ripetute. La deviazione standard rappresenta il valore di rumore. Viene scelto un punto nella parte bassa della scala, poiché l’adattamento all’equazione è lineare.

Tabella 3. Valore di Rumore della Misura di Torbidità

12 NTU

Valore di Rumore (NTU) RMS

0,282474

Per determinare il LOD, viene misurato il valore di rumore di un campione neutro o a bassa concentrazione, quindi moltiplicato per 3 per ottenere un margine di confidenza del 99,7%.

Tabella 4. Limite di Rilevamento della Misura di Torbidità

Campione Neutro

Limite di Rilevamento (NTU)

0,69204

Misura della Fluorescenza con Soluzioni di Spinaci

Basi della Fluorescenza

Quando viene irraggiata luce in un campione che contiene molecole fluorescenti, gli elettroni si portano a un livello energetico più elevato, per poi perdere una parte di quell’energia ed emettere luce a una lunghezza d’onda maggiore. L’emissione fluorescente è chimicamente specifica e può essere utilizzata per identificare presenza e quantità di determinate molecole in un campione. In questo esempio, è stata mostrata la fluorescenza della clorofilla usando foglie di spinaci. Tra le tante applicazioni, le misure di fluorescenza sono comuni nelle analisi biologiche, ossigeno disciolto, domanda biochimica di ossigeno e nel rilevare l’efficacia del processo di pastorizzazione del latte.

Ottica

La configurazione del percorso ottico per le misure di fluorescenza è mostrata in Figura 10. Con il CN0503, le misure di assorbanza possono essere effettuate soltanto nei percorsi 1 o 4, a causa del rilevatore a 90°. Solitamente, un rilevatore di fluorescenza è posizionato a 90° rispetto alla luce incidente e per aumentare l’isolamento tra la luce di eccitazione e quella emessa viene utilizzato un filtro di tipo monocromatico oppure “long-pass” (passa-banda). La misurazione della fluorescenza è a basso livello di segnale, molto sensibile e soggetta a interferenze; perciò, per ridurre le fonti di errore, si usano il rilevatore di riferimento e i metodi di rilevamento sincrono.

Figura 10. Percorso ottico per la misura di fluorescenza.

Equipaggiamento della Prova

• Scheda di valutazione CN0503
• Scheda di valutazione EVAL-ADICUP3029
• Soluzione di foglie di spinaci

Per questo esperimento, miscelando acqua e foglie di spinaci è stata realizzata una soluzione, successivamente filtrata e conservata come soluzione madre. Quest’ultima è poi stata diluita per ottenere campioni di soluzione di spinaci a percentuali diverse. Questi campioni sono stati usati come standard per creare una curva del valore percentuale della soluzione attraverso la fluorescenza. È stato usato il percorso ottico 1 con inserimento della scheda LED da 365 nm e del filtro long-pass.

Figura 11. Campioni di clorofilla ricavati dagli spinaci.

Risultati

La curva di calibrazione per il valore percentuale della soluzione di spinaci è illustrata in Figura 12.

Figura 12. Curva di calibrazione per la percentuale di soluzione di spinaci.

L’equazione di andamento per questa curva di calibrazione può essere memorizzata, in modo tale che il CN0503 possa riportare i risultati direttamente sotto forma di percentuale.

Per ricavare il valore di rumore sono stati scelti due punti distinti: uno in prossimità della parte inferiore dell’intervallo di misura, l’altro nella parte superiore, perché l’adattamento alla curva non era lineare. Il valore di rumore è dato dalla deviazione standard di un insieme di misure ripetute per ciascun punto, come illustrato in Tabella 5.

Tabella 5. Valore di Rumore della Misura di Fluorescenza

	Campione al 7,5% di Spinaci	Campione al 20% di Spinaci
RMS Noise Value (% Spinach)	0,0616	0,1158

Per determinare il LOD, viene misurato il valore di rumore di un campione neutro o a bassa concentrazione, quindi moltiplicato per 3 per ottenere un margine di confidenza del 99,7%.

Tabella 6. Limite di Rilevamento della Misura di Fluorescenza

Campione Neutro

Limite di Rilevamento (% Spinaci)

0,1621

Conclusioni

La progettazione di sistemi di misura complessi per l’analisi ottica dei liquidi è una sfida che richiede di considerare attentamente il modo in cui chimica, ottica ed elettronica interagiscono per produrre un risultato preciso. I prodotti AFE integrati come l’ADPD4101 aprono la strada verso l’analisi ottica dei liquidi con prestazioni più elevate e dimensioni più ridotte. Il CN0503 si basa sull’ADPD4101 e include struttura ottica, firmware e software per una piattaforma di prototipazione veloce, facile da usare e altamente personalizzabile, in grado di ricavare misure ottiche accurate dei parametri dei liquidi, tra cui assorbanza, colorimetria, torbidità e fluorescenza.

Riferimenti

“HI98703-11 Turbidity Calibration Standards.” Hanna Instruments, Inc.

Optical Platform: Turbidity Measurement Demo. Analog Devices, Inc.