【導讀】shishijiankonghuanjingduiyugaishanquanqiukechixufazhanzhiguanzhongyao。nenggoukuaisufenxiyangben
，bingquerenwenti，shikuaisujiejuewenti
，jinkenengjianshaoduishengtaixitongyingxiangdeguanjian。zhezhongwuchubuzaideshishichuanganyingyonggaibianleduiyetichuanganqidexuqiu，yaoqiuchicungengxiao
、更可靠、gonghaogengdi，tongshirengrantigonggaozhiliangjieguo。suizhexingyebuduanfazhan，xuyaocaiyongbianxieshijiancezhinengpingtai。zhexiepingtaixuyaogaodutongyong，nenggoumanzuconghuanjingshuiyudaoguochengkongzhidenggezhongyingyongdebutongxuqiu。benwenjiangjieshaoyizhongbianxieshishishijiancejiejuefanganheyuanxingzhizuopingtai
，yongyukuaisushishiyetijiance。

一種常見的液體分析技術

測量樣品中未知參數的濃度
，如pH值、yingguanghuozhuodudemude，keyiyouduozhongfangfalaiceliangyetishixian。yizhongchangjiandefangfashitongguoguangxuejishupingguyeti，yinweitajuyoufeijieruxing，ketigongwendingzhunquedejieguo。jingmiguangxueyeticeliangxuyaodianzi
、光學和化學多領域知識。簡單地說
，進行分析時，首先將樣品暴露在光源（如LED）下(xia)。與(yu)樣(yang)品(pin)相(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)後(hou)，產(chan)生(sheng)的(de)光(guang)由(you)光(guang)電(dian)二(er)極(ji)管(guan)處(chu)理(li)。將(jiang)測(ce)得(de)的(de)響(xiang)應(ying)結(jie)果(guo)繪(hui)製(zhi)出(chu)來(lai)
，與(yu)一(yi)組(zu)已(yi)知(zhi)濃(nong)度(du)的(de)標(biao)準(zhun)樣(yang)品(pin)的(de)測(ce)量(liang)響(xiang)應(ying)結(jie)果(guo)相(xiang)對(dui)照(zhao)。這(zhe)就(jiu)是(shi)所(suo)謂(wei)的(de)校(xiao)準(zhun)曲(qu)線(xian)。利(li)用(yong)校(xiao)準(zhun)曲(qu)線(xian)，可(ke)以(yi)確(que)定(ding)未(wei)知(zhi)值(zhi)。這(zhe)就(jiu)是(shi)分(fen)析(xi)測(ce)量(liang)的(de)一(yi)般(ban)實(shi)驗(yan)室(shi)方(fang)法(fa)
，但(dan)為(wei)了(le)滿(man)足(zu)普(pu)遍(bian)的(de)檢(jian)測(ce)需(xu)求(qiu)
，必(bi)須(xu)進(jin)行(xing)調(tiao)整(zheng)以(yi)適(shi)應(ying)不(bu)同(tong)的(de)分(fen)析(xi)物(wu)和(he)測(ce)量(liang)技(ji)術(shu)，以(yi)及(ji)適(shi)合(he)小(xiao)尺(chi)寸(cun)應(ying)用(yong)，所(suo)有(you)這(zhe)些(xie)因(yin)素(su)都(dou)增(zeng)加(jia)了(le)設(she)計(ji)和(he)評(ping)估(gu)的(de)複(fu)雜(za)程(cheng)度(du)。

圖1.吸光度校準曲線示例。

用於實施快速液體測量的模塊化ADI解決方案

ADPD4101 是一個光學模擬前端(AFE)，能夠驅動LED
，並同步接收和處理來自光電二極管的信號
，以進行高度精準的光學測量。ADPD4101是高度可配置的，具有高達100 dB的高光學信噪比和片上同步檢測方法提供的高環境光抑製

，使其在許多情況下能夠不配備光學黑色遮罩直接使用。

CN0503 參考設計旨在使用ADPD4101快速製作液體分析測量原型。CN0503采用ADPD4101作為核心產品，但增加了四條模塊化光路，以及測量固件和應用軟件，用於實施液體分析。CN0503直接連接至ADICUP3029板，用於管理測量例程和數據流。ADICUP3029板可以直接連接至筆記本電腦，以查看評估GUI中的結果。CN0503可以測量熒光、濁度
、吸光度和色度。樣品在比色皿中製備，並放置在3D打印的比色皿支架中
，支架中裝有光學元件，包括一個透鏡和分束器。將比色皿支架插入適當的光路，以進行即插即用測量。此外，LED和光電二極管卡可以切換，以實現更大程度的自定義。

為了使用CN0503演示創建校準曲線和測量未知數，將顯示pH值、濁度和熒光的測量值。使用評估GUI進行測量，以創建校準曲線。計算噪聲值和檢測限製(LOD)
，以確定CN0503可以檢測的每個樣本的最低濃度。

圖2.CN0503評估板。

利用吸光度測量pH值

吸光度背景

吸光度是指根據在特定波長下光的吸收量來確定溶液中已知溶質的濃度。根據比爾-朗伯吸收定律，濃度與吸光度成正比。許多無色分析物可以通過加入變色試劑來測定。本示例將演示測量pH值，從水質檢測到廢水處理，pH值是許多行業中常見的測量參數之一。吸光度測量可用於許多其他參數
，包括溶解氧/生物需氧量、硝酸鹽、氨和氯。

光學元件

測量吸光度的光路配置如圖3所示。使用CN0503可以在任何光路（1到4）進jin行xing吸xi光guang度du測ce量liang。入ru射she光guang束shu指zhi向xiang分fen束shu器qi，由you參can考kao光guang電dian二er極ji管guan在zai分fen束shu器qi中zhong對dui光guang束shu強qiang度du進jin行xing采cai樣yang。剩sheng餘yu的de光guang功gong率lv直zhi接jie穿chuan過guo樣yang本ben。采cai樣yang光guang與yu參can考kao光guang的de比bi值zhi消xiao除chu了leLED光源的變化和噪聲，同步脈衝和接收窗口可提供環境光抑製。

圖3.用於測量吸光度的光路。

實驗設備

●     CN0503評估板

●     EVAL-ADICUP3029 評估板

●     API pH測試和調節器套件

●     pH標準品

圖4.使用CN0503進行pH值測量。

在本實驗中
，我們將顯色劑（溴百裏酚藍）加入不同pH值的溶液中。將溶液倒入比色皿中
，在430 nm和615 nm兩種不同波長下進行測試，其中指示劑顯示了吸光的變化和pH。使用CN0503能輕鬆實施這種測量；可將兩種不同波長的LED卡插入光路2和光路3中。然後將比色皿支架移動到不同的路徑進行不同的測量。

結果

使用CN0503評估GUI，將兩條光路的測量結果輕鬆導出到Excel表中。得出的兩種不同波長的校準曲線如圖5和圖6所示。

圖5.430 nm下的pH吸光度校準曲線。

圖6.615 nm下的pH吸光度校準曲線。

在每種情況下，繪出pH值(zhi)與(yu)吸(xi)光(guang)度(du)的(de)關(guan)係(xi)圖(tu)，以(yi)創(chuang)建(jian)校(xiao)準(zhun)曲(qu)線(xian)。然(ran)後(hou)使(shi)用(yong)添(tian)加(jia)趨(qu)勢(shi)線(xian)選(xuan)項(xiang)來(lai)得(de)到(dao)曲(qu)線(xian)的(de)方(fang)程(cheng)。然(ran)後(hou)使(shi)用(yong)這(zhe)些(xie)方(fang)程(cheng)來(lai)確(que)定(ding)未(wei)知(zhi)樣(yang)本(ben)的(de)濃(nong)度(du)。傳(chuan)感(gan)器(qi)輸(shu)出(chu)是(shi)x變量，得到的y值是pH值。這項實驗可以手動完成

；但是，也可以使用CN0503來進行這項實驗。該固件采用兩個五階多項式INS1和INS2。將多項式保存之後，就可以選擇INS1或INS2模式
，這樣會直接以所需的單位報告測量結果——在本例中是pH值。因此可以非常簡單快速地獲取未知樣本的結果。

為了獲取噪聲值，在每個波長選擇兩個不同的數據點：一個較低的pH值和一個較高的pH值。由於在這種情況下，曲線擬合不呈線性
，所以使用了兩個點。對每個點重複實施測量會得出標準偏差，即表1中所示的噪聲值，該值描述了測量精度
，排除了樣本製備期間的差異。

表1. pH測量噪聲值

LOD通常是通過測量低濃度的噪聲，並乘以3得到99.7%的置信區間來確定的。由於pH值為對數標度
，故選取pH值7作為檢測LOD的數值，如表2所示。

表2. pH測量檢測限值

測量濁度

濁度背景

液(ye)體(ti)樣(yang)本(ben)的(de)濁(zhuo)度(du)測(ce)量(liang)利(li)用(yong)了(le)液(ye)體(ti)中(zhong)懸(xuan)浮(fu)顆(ke)粒(li)的(de)光(guang)散(san)射(she)特(te)性(xing)。最(zui)終(zhong)
，它(ta)是(shi)測(ce)量(liang)液(ye)體(ti)的(de)相(xiang)對(dui)透(tou)明(ming)度(du)。散(san)射(she)光(guang)的(de)數(shu)量(liang)和(he)散(san)射(she)角(jiao)度(du)的(de)不(bu)同(tong)取(qu)決(jue)於(yu)顆(ke)粒(li)的(de)大(da)小(xiao)、濃度和入射光的波長。很多行業都會進行濁度測量，包括水質檢測和生命科學領域。除一般濁度外，還可以使用CN0503通過測量光密度來測定藻類的生長情況。

光學元件

圖7顯示了使用90°或180°檢測器進行濁度測量的光路。使用CN0503
，因為需要使用90°檢測器隻能在光路1或4進行濁度測量，。我們可以使用多種測量配置和濁度標準。本示例演示了EPA Method 180.1的修改版本
，使用比濁法濁度單位(NTU)進行校準和報告。

圖7.濁度測量光路。

實驗設備

●     CN0503評估板

●     EVAL-ADICUP3029評估板

●     Hanna Instruments® 濁度標準校準裝置

本實驗采用光路4

，插入530 nm LED板進行測試。

圖8.濁度校準標準。

結果

使用CN0503評估GUI


，將測量結果導出到Excel表格中。得出的校準曲線如圖9所示。

圖9.濁度校準曲線。

因為90°散射測量對高渾濁度的響應較差，所以響應曲線分為兩個部分。一部分代表低濁度（0 NTU ~ 100 NTU），另一部分代表高濁度（100 NTU ~ 750 NTU）。然後對每個部分進行兩次線性擬合。即使現在有兩個方程值，仍然可以使用CN0503來快速顯示得出的NTU值。這是因為每個光路都可以在INS1和INS2中存儲自己的方程值。注意，INS1和INS2是相互依賴的。第一個方程INS1的結果是第二個方程INS2的輸入變量。存儲方程值之後，INS1可用於測量低濁度樣本，INS2可用於測量高濁度樣本。

為(wei)了(le)得(de)出(chu)噪(zao)聲(sheng)值(zhi)
，我(wo)們(men)選(xuan)擇(ze)一(yi)個(ge)數(shu)據(ju)點(dian)來(lai)獲(huo)取(qu)重(zhong)複(fu)測(ce)量(liang)的(de)標(biao)準(zhun)偏(pian)差(cha)。標(biao)準(zhun)偏(pian)差(cha)就(jiu)是(shi)噪(zao)聲(sheng)值(zhi)。因(yin)為(wei)方(fang)程(cheng)擬(ni)合(he)呈(cheng)線(xian)性(xing)
，所(suo)以(yi)在(zai)範(fan)圍(wei)底(di)部(bu)附(fu)近(jin)選(xuan)取(qu)一(yi)個(ge)數(shu)據(ju)點(dian)。

表3.濁度測量噪聲值

為了確定LOD，我們測量空白或低濃度樣本的噪聲值
，然後乘以3表示99.7%的置信區間。

表4.濁度測量檢測限值

用菠菜溶液測量熒光

熒光背景

當(dang)光(guang)照(zhao)射(she)含(han)有(you)熒(ying)光(guang)分(fen)子(zi)的(de)樣(yang)本(ben)時(shi)，電(dian)子(zi)會(hui)進(jin)入(ru)更(geng)高(gao)能(neng)量(liang)狀(zhuang)態(tai)
，然(ran)後(hou)在(zai)發(fa)出(chu)更(geng)長(chang)波(bo)長(chang)的(de)光(guang)之(zhi)前(qian)失(shi)去(qu)一(yi)部(bu)分(fen)能(neng)量(liang)。熒(ying)光(guang)發(fa)射(she)具(ju)有(you)化(hua)學(xue)特(te)異(yi)性(xing)，可(ke)用(yong)於(yu)確(que)認(ren)介(jie)質(zhi)中(zhong)特(te)定(ding)分(fen)子(zi)的(de)存(cun)在(zai)和(he)數(shu)量(liang)。在(zai)本(ben)示(shi)例(li)中(zhong)，我(wo)們(men)使(shi)用(yong)菠(bo)菜(cai)葉(ye)來(lai)演(yan)示(shi)熒(ying)光(guang)葉(ye)綠(lv)素(su)。在(zai)許(xu)多(duo)應(ying)用(yong)中(zhong)，在(zai)生(sheng)物(wu)測(ce)定(ding)、溶解氧、化學需氧量以及檢測牛奶巴氏滅菌法是否成功時常用到熒光測量。

光學元件

測量熒光的光路配置如圖10所示。使用CN0503，隻能在光路1或4進行熒光測量，因為需要使用90°檢測器。通常，將熒光檢測器置於入射光90°deweizhi，shiyongdansehuochangtonglvguangpianlaizengjiajifaguanghefasheguangzhijiandegeli。yingguangshiyizhongfeichanglingmindedidianpingceliang
，rongyishoudaoganrao
，yincicaiyongcankaojianceqihetongbujiancefangfalaijianshaowuchayuan。

圖10.熒光測量光路。

實驗設備

●     CN0503評估板

●     EVAL-ADICUP3029評估板

●     菠菜溶液

zaibenshiyanzhong，jiangbocaiyeheshuihunhe，zhichengbocairongye。guolvzhihou，zuoweiyuanyebaocun。ranhoujiangyuanyexishi，dedaobocairongyebaifenbihanliangbutongdeyangben。jiangtamenzuoweibiaozhun，tongguoyingguanghuizhibocairongyedebaifenbiquxian。shiyongguanglu1、365 nm LED卡和長通濾光片進行測量。

圖11.用菠菜製成的葉綠素樣本。

結果

菠菜百分比含量溶液的校準曲線如圖12所示。

圖12.菠菜百分比含量溶液的校準曲線。

可以存儲該校準曲線的趨勢線方程，以便CN0503直接以百分比形式報告結果。

為了得出噪聲值，我們選擇了兩個不同的數據點：一個靠近範圍底部，另一個靠近頂部，因為曲線擬合不呈線性。通過對每個點實施反複測量得出標準偏差
，也就是噪聲，如表5所示。

表5.熒光測量噪聲值

為了確定LOD，我們測量空白或低濃度樣本的噪聲值
，然後乘以3表示99.7%的置信區間。

表6.熒光測量檢測限值

結論

製作複雜光學液體分析測量的原型是一個挑戰，需要仔細考慮化學、光學和電子如何相互作用，以得出準確的結果。集成式AFE產品（例如ADPD4101）為在更小的空間內實現更高性能的光學液體檢測鋪平了道路。CN0503基於ADPD4101構建
，包括光學設計、固件和軟件，是一個易於使用且高度可定製的快速原型製作平台，能夠對吸光度、色度


、濁度和熒光等液體參數進行準確的光學測量。

參考電路

“HI98703-11濁度校準標準”。 Hanna Instruments, Inc.

光學平台：濁度測量演示。ADI公司。

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