ทำการวิเคราะห์ของเหลวด้วยแสงให้แพร่หลายโดยใช้ฟรอนต์เอนด์ของเซ็นเซอร์มัลติโมดอล

ในบริบทของความกังวลระดับโลกเกี่ยวกับความมั่นคงของน้ำดื่มเนื่องจากภัยแล้ง ความรุนแรงและความถี่ของพายุ และจำนวนประชากรที่เพิ่มขึ้น การวิเคราะห์ของเหลวจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งยวด จำเป็นต้องมีการวิเคราะห์ตัวอย่างน้ำตามเวลาจริงในสถานที่เพื่อลดมลพิษและผลกระทบต่อระบบนิเวศ

การตรวจจับของเหลวตามเวลาจริงนี้ต้องการความก้าวหน้าในเครื่องมือวัด ซึ่งรวมถึงขนาดที่เล็กลง การใช้พลังงานที่น้อยลง ความแม่นยำที่ดีขึ้น การปรับแต่งอย่างรวดเร็ว เวลาในการตอบสนองที่เร็วขึ้น และความทนทาน ทั้งหมดนี้ให้ผลลัพธ์คุณภาพสูง

เครื่องมือวัดแบบใช้แสงมีประโยชน์ที่นี่เนื่องจากสามารถทำการวัดที่มีความแม่นยำสูงซึ่งไม่ทำลายล้าง ให้การตรวจวัดแบบไม่สัมผัส เช่น ความขุ่น คาร์บอนอินทรีย์ทั้งหมด สารแขวนลอยทั้งหมด ออกซิเจนที่ละลายในน้ำ และการมีอยู่ของสารปนเปื้อนไอออนิก อย่างไรก็ตาม ระบบดังกล่าวต้องการฟรอนต์เอนด์แบบอะนาล็อกที่ซับซ้อน (AFE) เพื่อขับเคลื่อนไดโอดเปล่งแสง (LED) ในขณะที่ตรวจจับและแปลงแสงที่ได้รับเป็นดิจิตอลเมื่อต้องเผชิญกับทั้งเสียงรอบข้างและระบบ ความสามารถในการออกแบบดังกล่าวนั้นเหนือกว่าชุดทักษะของนักออกแบบทั่วไป สิ่งที่จำเป็นคือโซลูชันสำเร็จรูปที่หรูหราและมีจำหน่ายทั่วไปมากยิ่งขึ้น

บทความนี้จะกล่าวถึงการวิเคราะห์ของเหลวแบบออปติกโดยสังเขปก่อนที่จะแนะนำแพลตฟอร์มแบบเรียลไทม์แบบพกพาสำหรับการวิเคราะห์ของเหลวอย่างรวดเร็วโดยใช้ AFE เซ็นเซอร์ออปติคัลแบบมัลติโมดัลจาก Analog Devices, Inc. นอกจากนี้ ยังแนะนำการออกแบบอ้างอิงตาม AFE ที่ให้ช่องทางเดินออปติคอลโมดูลาร์สูงสุดสี่ช่อง การออกแบบอ้างอิงนี้ใช้เพื่อสาธิตวิธีการวัดศักยภาพของไฮโดรเจน (pH) ความขุ่น และการเรืองแสง และสร้างเส้นโค้งการสอบเทียบและวัดค่าที่ไม่รู้จัก

พื้นฐานการวิเคราะห์ของเหลวด้วยแสง

การวิเคราะห์ของเหลวด้วยแสงสามารถใช้วัดความเข้มข้นขององค์ประกอบในตัวอย่างของเหลวได้ เทคนิคนี้มีข้อดีหลายประการ รวมถึงไม่ทำลายล้างและใช้การตรวจจับแบบไม่สัมผัส นอกจากนี้ ผลลัพธ์ที่ได้ยังมีความแม่นยำสูงและการดริฟท์ต่ำ

ตามแนวคิดแล้ว การวิเคราะห์เชิงแสงจะทำให้ตัวอย่างของเหลวได้รับแสงจากแหล่งกำเนิด เช่น ไดโอดเปล่งแสง (LED) ที่ทราบความยาวคลื่นแสง แสงจะผ่านตัวอย่าง โต้ตอบกับแสง และตรวจพบโดยโฟโตไดโอด (PD) การตอบสนองที่วัดได้จาก PD ถูกวางแผนเทียบกับการตอบสนองจากตัวอย่างที่มีความเข้มข้นที่ทราบ ซึ่งสร้างกราฟการสอบเทียบซึ่งสามารถกำหนดค่าที่ไม่รู้จักได้

กระบวนการนี้อธิบายการวัดเชิงวิเคราะห์ที่จะใช้ในห้องปฏิบัติการทั่วไป ซึ่งการวัดของเหลวด้วยแสงที่มีความแม่นยำจะรวมผลลัพธ์ของโดเมนอิเล็กทรอนิกส์ ออปติก และเคมีผสมกัน การทำให้การทดสอบประเภทนี้พร้อมใช้งานอย่างแพร่หลายจำเป็นต้องลดขนาดกระบวนการลงเหลือฟอร์มแฟคเตอร์ขนาดเล็ก ซึ่งจะเป็นการเพิ่มความซับซ้อนของการออกแบบ

โซลูชันแบบแยกส่วนสำหรับการตรวจวัดของเหลวอย่างรวดเร็ว

เพื่อลดความซับซ้อนของขั้นตอนการออกแบบเครื่องดนตรี Analog Devices ได้สร้าง EVAL-CN0503-ARDZ การออกแบบอ้างอิงตาม ADPD4101BCBZR7 ฟรอนต์เอนด์ออปติคัลแบบอะนาล็อก (AFE) ADPD4101BCBZR7 เป็นฟรอนต์เอนด์เซ็นเซอร์มัลติโมดอลที่สมบูรณ์ซึ่งสามารถขับ LED ได้สูงสุดแปดดวงและวัดอินพุตกระแสกลับแยกกันได้สูงสุดแปดตัว (รูปที่ 1) AFE ปฏิเสธการชดเชยสัญญาณและการรบกวนจากการรบกวนมอดูเลตแบบอะซิงโครนัส ซึ่งโดยปกติจะมาจากแสงโดยรอบ AFE สามารถกำหนดค่าได้สูงและมีอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนแบบออปติคอล (SNR) สูงถึง 100 เดซิเบล (dB) พร้อมการปฏิเสธแสงโดยรอบสูงโดยใช้วิธีการตรวจจับแบบซิงโครนัสบนชิป ทำให้ในหลายกรณีสามารถใช้งานได้โดยไม่ต้องใช้เคสที่มืดทึบแสง

รูปที่ 1: เซ็นเซอร์มัลติโหมด ADPD4101BCBZR7 AFE สามารถขับ LED ได้สูงสุดแปดดวง และวัดอินพุตกระแสที่ส่งกลับแยกกันได้สูงสุดแปดตัว (แหล่งรูปภาพ: Analog Devices)

การออกแบบอ้างอิง EVAL-CN0503-ARDZ ช่วยให้สามารถสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วของการวัดการวิเคราะห์ของเหลว รวมถึงการเรืองแสง ความขุ่น การดูดกลืนแสง และการวัดสี (รูปที่ 2) มีช่องทดสอบออปติคัลแบบแยกส่วนสี่ช่องที่ให้เส้นทางออปติคอลแบบพาสทรู และช่องสองช่องมีเส้นทางกระจายมุมฉาก (90°) ตัวยึดคิวเวตต์ที่พิมพ์ 3 มิติสำหรับคิวเวตต์มาตรฐาน 10 มม. (มม.) รวมอยู่ด้วย ซึ่งสามารถวางในเส้นทางแสงใดก็ได้จากสี่เส้นทาง การออกแบบอ้างอิงยังมีเฟิร์มแวร์การวัดและ ซอฟต์แวร์ประยุกต์ กำหนดเป้าหมายสำหรับการวิเคราะห์ของเหลว

รูปที่ 2: EVAL-CN0503-ARDZ มีตัวยึดคิวเวตต์ที่พิมพ์แบบ 3 มิติสำหรับคิวเวตต์มาตรฐานขนาด 10 มม. ที่สามารถวางไว้ในเส้นทางออปติคัลสี่เส้นทางที่รวมออปติกการวัด (แหล่งรูปภาพ: Analog Devices)

EVAL-CN0503-ARDZ เชื่อมต่อกับ EVAL-ADICUP3029 อาร์ม® บอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ Cortex®-M3 แบบ 32 บิต ซึ่งจัดการการดำเนินการวัดและการไหลของข้อมูล บอร์ด EVAL-ADICUP3029 เชื่อมต่อโดยตรงกับแล็ปท็อปเพื่อแสดงข้อมูลที่ได้รับในส่วนติดต่อผู้ใช้แบบกราฟิกประเมินผล

EVAL-CN0503-ARDZ การวัดค่าการวิเคราะห์ของเหลวของการเรืองแสง ความขุ่น การดูดกลืนแสง และการวัดสีของตัวอย่างสามารถวัดได้ด้วย EVAL-CN0503-ARDZ ตัวยึดคิวเวตต์เป็นที่เก็บออปติก รวมถึงเลนส์ปรับระยะและตัวแยกลำแสง แต่ละช่องมีโฟโตไดโอดอ้างอิงและให้เส้นทางแสงที่เหมาะสมสำหรับการวัดแบบปลั๊กแอนด์เพลย์ นอกจากนี้ ยังสามารถสลับ LED และการ์ดโฟโต้ไดโอดในแต่ละช่องเพื่อปรับแต่งเพิ่มเติมได้

ในการสาธิต การวัดค่า pH ความขุ่น และฟลูออเรสเซนซ์จะใช้เพื่อสร้างเส้นโค้งการสอบเทียบ จากนั้นจึงวัดค่าที่ไม่ทราบค่าด้วย EVAL-CN0503-ARDZ และซอฟต์แวร์การประเมิน นอกจากนี้ยังคำนวณค่าระดับเสียงและขีดจำกัดการตรวจจับ (LOD) ค่านี้จะกำหนดความเข้มข้นต่ำสุดที่ EVAL-CN0503-ARDZ สามารถตรวจจับได้ในแต่ละตัวอย่าง

ตัวอย่างการทดสอบการดูดซับ

การวัดค่าการดูดกลืนแสงตามกฎของเบียร์-แลมเบิร์ตเกี่ยวข้องกับการกำหนดความเข้มข้นของตัวถูกละลายที่ทราบในสารละลายของเหลวโดยพิจารณาจากปริมาณแสงที่ถูกดูดกลืนที่ความยาวคลื่นเฉพาะ นี่คือรูปแบบหนึ่งของการวัดสี ในตัวอย่างนี้ ค่าการดูดกลืนแสงใช้ในการวัดค่า pH ซึ่งเป็นพารามิเตอร์ทั่วไปในการทดสอบคุณภาพน้ำ การทดสอบประเภทนี้ยังมีประโยชน์ในการวิเคราะห์ เช่น ออกซิเจนละลายน้ำ ความต้องการออกซิเจนทางชีวภาพ ไนเตรต แอมโมเนีย และคลอรีน

การวัดค่าการดูดกลืนแสงโดยใช้เส้นทางออปติคอลโดยตรงหรือแบบพาสทรูสามารถทำได้โดยใช้เส้นทางออปติคัลสี่เส้นทางบน EVAL-CN0503-ARDZ (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: แสดงการตั้งค่าออปติกสำหรับการวัดค่าการดูดกลืนแสงโดยใช้ EVAL-CN0503-ARDZ ตัวยึดคิวเวตใน EVAL-CN0503-ARDZ เป็นที่เก็บออปติก รวมถึงเลนส์ปรับระยะและตัวแยกลำแสง (แหล่งรูปภาพ: Analog Devices)

LED ที่ความยาวคลื่นที่ต้องการจะสร้างลำแสงที่ตกกระทบ ตัวแยกลำแสงในเส้นทางแสงจะนำแสงบางส่วนไปยังโฟโตไดโอดอ้างอิงซึ่งจะสุ่มตัวอย่างความเข้มของลำแสง ความสมดุลของลำแสงจะถูกส่งผ่านตัวอย่าง การเปลี่ยนแปลงความเข้มของแสงและสัญญาณรบกวนของแหล่งกำเนิดแสง LED จะถูกยกเลิกโดยการใช้อัตราส่วนของเอาต์พุตของโฟโตไดโอดส่งและอ้างอิง

ADPD4101BCBZR7 ลดการปนเปื้อนของแสงโดยรอบจากแหล่งกำเนิดแสงคงที่ได้มากถึง 60 เดซิเบล สิ่งนี้ทำได้โดยใช้รูปแบบการมอดูเลตแบบซิงโครนัสที่มอดูเลตกระแสไฟ LED และวัดความแตกต่างระหว่างสถานะมืด (ปิด) (โดยที่แสงโดยรอบเป็นเพียงองค์ประกอบเดียว) และสถานะตื่นเต้น (เปิด) (โดยที่ทั้งแสงโดยรอบและ LED ส่วนประกอบอยู่) การปฏิเสธแสงโดยรอบนี้เป็นไปโดยอัตโนมัติ ไม่จำเป็นต้องมีการควบคุมจากภายนอก

นอกจาก EVAL-CN0503-ARDZ แล้ว ตัวอย่างนี้ต้องใช้ EVAL-ADICUP3029 ที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้ ใช้ชุดทดสอบและตัวปรับค่า pH ของ API และชุดตัวอย่างสารละลายบัฟเฟอร์ pH สำหรับการสอบเทียบ

เตรียมการวิเคราะห์โดยการเพิ่มอินดิเคเตอร์สี (โบรโมไทมอลบลู) จากชุดทดสอบ API ลงในสารละลายที่เตรียมไว้ซึ่งมีค่า pH ต่างกัน โบรโมไทมอลบลูในสารละลายจะแยกตัวเป็นกรดอ่อนๆ ที่มีค่าการดูดกลืนแสงสูงที่ 430 นาโนเมตร (นาโนเมตร) และเบสคอนจูเกตซึ่งมีค่าการดูดกลืนแสงสูงที่ 650 นาโนเมตร

สารละลายถูกถ่ายโอนลงในคิวเวต และทำการวัดค่า pH ที่ความยาวคลื่นที่แตกต่างกันทั้งสองนี้ โดยที่ตัวบ่งชี้จะแสดงการเปลี่ยนแปลงในการดูดกลืนตามฟังก์ชันของค่า pH สิ่งนี้ทำได้อย่างง่ายดายใน EVAL-CN0503-ARDZ โดยใช้การ์ด LED สองใบสำหรับความยาวคลื่นที่แตกต่างกัน ซึ่งใส่เข้าไปในเส้นทางแสง 2 และเส้นทางแสง 3 ตัวยึดคิวเวตต์จะถูกย้ายไปยังสองเส้นทางที่แตกต่างกันสำหรับการวัด

ผลลัพธ์จากเส้นทางแสงทั้งสองถูกส่งออกไปยัง Excel โดยใช้ส่วนต่อประสานกราฟิกกับผู้ใช้ซอฟต์แวร์การประเมิน EVAL-CN0503-ARDZ (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: แสดงเป็นเส้นโค้งการสอบเทียบการดูดกลืนแสงของค่า pH สำหรับการทดสอบกับแหล่งกำเนิดแสง 430 นาโนเมตร (ซ้าย) และ 650 นาโนเมตร (ขวา) (ที่มาของภาพ: Analog Devices, Inc.)

ในทั้งสองกรณี ค่า pH เทียบกับค่าการดูดกลืนแสงถูกวางแผนเพื่อสร้างเส้นโค้งการสอบเทียบ มีการใช้ฟังก์ชันเส้นแนวโน้มใน Excel เพื่อสร้างสมการสำหรับเส้นโค้ง ความดีของการประมาณการพอดี R² มีค่าใกล้เคียงกับ 1.0 ในทั้งสองกรณี ซึ่งบ่งชี้ถึงคุณภาพที่ดีเยี่ยมของการพอดี ความเข้มข้นของตัวอย่างที่ไม่รู้จักสามารถกำหนดได้จากสมการเหล่านี้โดยป้อนเอาต์พุตของเซ็นเซอร์เป็นตัวแปร x และค่า y ที่ได้คือค่า pH ซอฟต์แวร์การประเมิน EVAL-CN0503-ARDZ ใช้พหุนามอันดับห้า INS1 และ INS2 สองชื่อ เมื่อเก็บพหุนามแล้ว คุณสามารถเลือกโหมด INS1 หรือ INS2 เพื่อให้รายงานผลการวัดโดยตรงในหน่วยที่ต้องการ ในกรณีนี้คือ pH ซึ่งช่วยให้ได้รับผลลัพธ์สำหรับตัวอย่างที่ไม่รู้จักได้ง่ายขึ้น

ระดับเสียงของการวัดต้องการจุดข้อมูลที่แตกต่างกันสองจุดสำหรับแต่ละความยาวคลื่น ค่าหนึ่งควรมีค่า pH ต่ำกว่าและค่าอื่นควรมีค่าสูงกว่า มีการใช้ค่าสองค่าเนื่องจากความพอดีของเส้นโค้งไม่เป็นเส้นตรง ค่า pH ที่เลือกคือ 6.1 และ 7.5 มีการวัดหลายจุดในแต่ละจุด และค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานของข้อมูลจะให้ค่าสัญญาณรบกวนของค่าเฉลี่ยกำลังสอง (RMS) ที่แต่ละความยาวคลื่นสำหรับค่า pH แต่ละค่า ผลลัพธ์แสดงไว้ในตารางที่ 1

ตารางที่ 1: แสดงค่าเสียง RMS สำหรับค่า pH สองค่าที่ความยาวคลื่นสองค่า (แหล่งที่มาของตาราง: Analog Devices, Inc.)

โปรดทราบว่าข้อมูลนี้ไม่รวมการแปรผันเนื่องจากการเตรียมตัวอย่าง

ขีดจำกัดการตรวจจับ (LOD) กำหนดความเข้มข้นต่ำสุดที่ EVAL-CN0503-ARDZ ตรวจพบ โดยทั่วไปแล้ว LOD จะถูกกำหนดโดยการวัดสัญญาณรบกวนที่ระดับความเข้มข้นต่ำ เพื่อให้ได้ระดับความเชื่อมั่น 99.7% ค่าเสียงรบกวนจะคูณด้วยสาม เนื่องจากค่า pH เป็นสเกลลอการิทึม LOD ถูกกำหนดสำหรับค่า pH ที่ 7 สิ่งนี้ทำอีกครั้งที่ความยาวคลื่น 430 นาโนเมตรและ 625 นาโนเมตร LOD ที่ 430 นาโนเมตรคือ pH 0.001099 และ LOD ที่ 615 นาโนเมตรคือ pH 0.001456

ตัวอย่างการทดสอบความขุ่น

ความขุ่นวัดความใสสัมพัทธ์ของของเหลว การวัดจะขึ้นอยู่กับคุณสมบัติการกระเจิงแสงของอนุภาคที่แขวนลอยอยู่ในของเหลว การกระเจิงของแสงได้รับผลกระทบจากขนาดและความเข้มข้นของอนุภาคแขวนลอย ตลอดจนความยาวคลื่นของแสงที่ตกกระทบ ปัจจัยเหล่านี้ส่งผลต่อปริมาณแสงที่กระจายและมุมกระเจิง การทดสอบความขุ่นนั้นดำเนินการในหลายอุตสาหกรรม รวมถึงคุณภาพน้ำและวิทยาศาสตร์เพื่อชีวิต นอกจากนี้ยังสามารถนำมาใช้เพื่อกำหนดการเจริญเติบโตของสาหร่ายโดยการวัดความหนาแน่นของแสง

เส้นทางแสงสำหรับการทดสอบความขุ่นใช้โฟโตไดโอดที่วางเพื่อตรวจจับแสงที่มุม 90˚ หรือ 180˚ ใน EVAL-CN0503-ARDZ การทดสอบความขุ่นต้องใช้เครื่องตรวจจับที่ 90˚ ซึ่งมีอยู่ในช่องทดสอบ 1 และ 4 ช่องใส่ออปติคัล 4 ที่มีบอร์ด LED ขนาด 530 นาโนเมตรเสียบอยู่เป็นแหล่งสัญญาณ แสดงในรูปที่ 5

รูปที่ 5: เส้นทางแสงสำหรับการทดสอบความขุ่นใช้ตัวตรวจจับแสงที่ 90˚ และ 180˚ จากเส้นทางแสงเพื่อตรวจจับแสงที่กระจัดกระจายโดยอนุภาคในสารละลาย (แหล่งรูปภาพ: Analog Devices)

ตัวอย่างนี้สาธิตวิธีการของ EPA 180.1 เวอร์ชันแก้ไข 'การหาค่าความขุ่นโดย Nephelometry' ซึ่งสอบเทียบและรายงานในหน่วยความขุ่นแบบ nephelometric (NTU)

อุปกรณ์ที่ใช้ในการทดสอบความขุ่นประกอบด้วย EVAL-CN0503-ARDZ และ EVAL-ADICUP3029 และชุดสอบเทียบมาตรฐานความขุ่นของ Hanna Instruments มาตรฐานการสอบเทียบความขุ่นมีไมโครบีดส์ที่มีขนาดเฉพาะในน้ำบริสุทธิ์พิเศษ โซลูชันเหล่านี้ใช้ในการสอบเทียบและตรวจสอบความถูกต้องของการวัดค่าความขุ่น

การใช้อินเทอร์เฟซผู้ใช้แบบกราฟิก (GUI) สำหรับการประเมินซอฟต์แวร์ EVAL-CN0503-ARDZ ผลลัพธ์การวัดจะถูกส่งออกไปยัง Excel ซึ่งสร้างเส้นโค้งการสอบเทียบความขุ่น (รูปที่ 6)

รูปที่ 6: เส้นโค้งการสอบเทียบเหล่านี้อ้างอิงจากผลการทดสอบความขุ่น ความพอดีของเส้นโค้งเชิงเส้นแสดงให้เห็นว่าแบบจำลองเชิงเส้นมีค่าประมาณความพอดีที่ดีเยี่ยม (R² ) (แหล่งรูปภาพ: Analog Devices)

โปรดทราบว่าในรูปที่ 6 ค่าอัตราส่วนสัมพัทธ์ (RRAT) ของ abscissa จะอ้างอิงกับค่าอัตราส่วนพื้นฐานหรือค่าอัตราส่วนสัมบูรณ์ตามการตั้งค่าการวัดที่ทราบด้วยคิวเวตต์เปล่าหรือน้ำกลั่นที่อัตราส่วนของเหตุการณ์ต่อแสงสะท้อนเกือบ 1 กระบวนการนี้ใช้เพื่อขจัดปัจจัยเล็กๆ น้อยๆ ที่นำมาสู่การวัดโดยชิ้นกระจกออปติก เช่น ตัวแยกลำแสง เลนส์ และฟิลเตอร์ ค่านี้ใช้เป็นข้อมูลอ้างอิงสำหรับการวัดแบบต่อเนื่อง

เนื่องจากการวัดแบบกระจาย 90° ตอบสนองต่อความขุ่นสูงได้น้อยกว่า เส้นโค้งการตอบสนองจึงแบ่งออกเป็นสองส่วน ส่วนแรกแสดงถึงความขุ่นต่ำ (0 NTU ถึง 100 NTU) และอีกส่วนแสดงถึงความขุ่นสูง (100 NTU ถึง 750 NTU) จากนั้นทำการปรับเชิงเส้นสองเส้นสำหรับแต่ละส่วน แม้ว่าตอนนี้จะมีค่าสมการสองค่า แต่ EVAL-CN0503-ARDZ ก็ยังสามารถใช้เพื่อแสดงค่า NTU ที่เป็นผลลัพธ์ได้อย่างรวดเร็วโดยใช้การพอดีพหุนาม INS1 หรือ INS2 ในตัว

ค่าเสียงรบกวนถูกกำหนดโดยค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานของการวัดซ้ำ เนื่องจากความพอดีเชิงเส้น จึงใช้จุดรบกวนเพียงจุดเดียวใกล้กับจุดต่ำสุดของช่วง (12 NTU) วัดระดับเสียงได้ที่ 0.282474 NTU

LOD สร้างขึ้นโดยการหาค่าเสียงรบกวนของตัวอย่างที่มีความเข้มข้นต่ำหรือว่างเปล่า อีกครั้ง ค่าเสียงถูกคูณด้วยสามเพื่อแสดงช่วงความเชื่อมั่น 99.7% สำหรับความเข้มข้นของตัวอย่างเปล่า ค่า LOD คือ 0.69204 NTU

ตัวอย่างการทดสอบการเรืองแสง

การเรืองแสงเป็นผลมาจากการที่อิเล็กตรอนของวัสดุบางชนิดถูกกระตุ้นด้วยลำแสง ทำให้พวกมันเปล่งแสงที่ความยาวคลื่นอื่น ความเข้มของแสงที่ปล่อยออกมาจะแปรผันตามความเข้มข้นของวัสดุที่ไวต่อแสง โดยทั่วไปแล้วฟลูออโรเมทรีมีความไวมากกว่าการใช้การวัดค่าการดูดกลืนแสงเพื่อวัดความเข้มข้นของวัสดุในสารละลาย การปล่อยสารเรืองแสงสามารถใช้เพื่อระบุการมีอยู่และปริมาณของโมเลกุลเฉพาะได้ เนื่องจากมีความจำเพาะทางเคมี การวัดการเรืองแสงเป็นแบบเส้นตรงในช่วงความเข้มข้นที่กว้างขึ้น การประยุกต์ใช้การวัดการเรืองแสงรวมถึงการทดสอบทางชีวภาพ ออกซิเจนละลายน้ำ ความต้องการออกซิเจนทางเคมี และการตรวจจับการพาสเจอร์ไรส์ในนมที่ประสบความสำเร็จ

โดยทั่วไป การปล่อยสารฟลูออเรสเซนต์จะถูกวัดโดยใช้ตัวตรวจจับโฟโตดีเทเตอร์ซึ่งอยู่ในตำแหน่ง 90° จากแสงที่ตกกระทบเพื่อลดผลกระทบต่อการวัด ตัวตรวจจับอ้างอิงเพื่อวัดแสงที่ตกกระทบใช้เพื่อลดปัจจัยที่รบกวนการวัด ปัจจัยเหล่านี้รวมถึงการบิดเบือนจากแหล่งกำเนิดแสง แสงจากภายนอก และการเคลื่อนไหวเล็กน้อยในตัวอย่าง นอกจากนี้ ฟิลเตอร์ออปติคัลโมโนโครมหรือลองพาสยังใช้กับเครื่องตรวจจับฟลูออเรสเซนซ์เพื่อเพิ่มการแยกเหตุการณ์และแสงที่ปล่อยออกมา (รูปที่ 7)

รูปที่ 7: เส้นทางแสงสำหรับการวัดการเรืองแสง โฟโตไดโอดเรืองแสงถูกวางไว้ที่ 90° กับเส้นทางของแสงที่ตกกระทบ ฟิลเตอร์เรืองแสงจะลดทอนความยาวคลื่น LED ของแหล่งกำเนิด (แหล่งรูปภาพ: Analog Devices)

อีกครั้ง อุปกรณ์ที่ใช้ในการทดสอบการเรืองแสงประกอบด้วยบอร์ด EVAL-CN0503-ARDZ และ EVAL-ADICUP3029

ในตัวอย่างนี้ มีการใช้ใบผักโขมเพื่อแสดงคลอโรฟิลล์เรืองแสง สารละลายผักโขมถูกสร้างขึ้นโดยการผสมใบผักโขมกับน้ำ หลังจากการกรองแล้ว สิ่งนี้ถูกใช้เป็นสารละลายสต็อก เปอร์เซ็นต์ที่แตกต่างกันของสารละลายผักโขมถูกสร้างขึ้นโดยการเจือจางสารละลายสต็อกและใช้เป็นมาตรฐานในการสร้างเส้นโค้งการสอบเทียบ เนื่องจากจำเป็นต้องใช้ตัวตรวจจับมุมฉาก จึงใช้ช่องออปติคอล 1 ใน EVAL-CN0503-ARDZ แหล่งกำเนิดคือ LED ที่มีความยาวคลื่น 365 นาโนเมตร โดยใส่ฟิลเตอร์แบบลองพาส

ทดสอบสารละลายผักโขมเจ็ดเปอร์เซ็นต์ที่แตกต่างกัน และวาดเส้นกราฟการปรับเทียบคลอโรฟิลล์ (รูปที่ 8)

รูปที่ 8: เส้นโค้งการสอบเทียบสำหรับสารละลายผักโขมเป็นเปอร์เซ็นต์ รวมถึงสมการเส้นแนวโน้ม (แหล่งรูปภาพ: Analog Devices)

ดังตัวอย่างก่อนหน้านี้ สมการเส้นแนวโน้มสำหรับเส้นโค้งการสอบเทียบคลอโรฟิลล์สามารถจัดเก็บได้ เพื่อให้รายงานผลโดยตรงเป็นเปอร์เซ็นต์โดย EVAL-CN0503-ARDZ

เนื่องจากเส้นโค้งการสอบเทียบไม่เป็นเชิงเส้น สัญญาณรบกวนจึงถูกวัดโดยใช้จุดข้อมูลสองจุดคือ 7.5% และ 20% ค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานของการทดสอบหลายรายการกับแต่ละตัวอย่างให้ค่าเสียง RMS เท่ากับผักโขม 0.0616% สำหรับตัวอย่าง 7.5% และผักโขม 0.1159% สำหรับตัวอย่าง 20%

LOD ถูกกำหนดโดยใช้ตัวอย่างเปล่าหรือตัวอย่างที่มีความเข้มข้นต่ำ อีกครั้ง การวัดสัญญาณรบกวน RMS สำหรับตัวอย่างถูกคูณด้วยสามเพื่อแสดงระดับความเชื่อมั่น 99.7% ซึ่งสร้าง LOD ของผักโขม 0.1621%

สรุป

การสร้างระบบการวัดการวิเคราะห์ของเหลวด้วยแสงแบบพกพานั้นต้องการความรู้อย่างมากเกี่ยวกับปฏิสัมพันธ์ของเคมี ออปติค และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เพื่อสร้างอุปกรณ์ที่มีความแม่นยำ เที่ยงตรง และใช้งานง่าย ในการออกแบบให้มีความแม่นยำและเที่ยงตรงสูง นักออกแบบสามารถใช้ ADPD4101BCBZR7 ออปติคัล AFE แทนการออกแบบสายสัญญาณที่ซับซ้อนภายในบริษัทได้ เพื่อช่วยในการเริ่มต้น AFE ได้รับการสนับสนุนโดยการออกแบบอ้างอิง EVAL-CN0503-ARDZ สิ่งนี้สร้างขึ้นบน ADPD4101BCBZR7 โดยการเพิ่มส่วนประกอบออปติก เฟิร์มแวร์ และซอฟต์แวร์เพื่อสร้างแพลตฟอร์มต้นแบบที่ใช้งานง่ายและปรับเปลี่ยนได้สูง สามารถสร้างการวัดค่าการดูดกลืนแสง การวัดสี ความขุ่น และของเหลวเรืองแสงได้อย่างแม่นยำ