다중 모달 센서 프런트 엔드를 사용하여 광학 액체 분석 보편화

가뭄, 폭풍의 강도 및 빈도, 증가하는 인구로 인해 음용수 안보에 대한 세계적인 우려의 맥락에서 액체 분석은 매우 중요해졌습니다. 채수에 대한 현지 실시간 분석을 수행하려면 오염과 에코시스템에 대한 오염의 영향을 최소화해야 합니다.

이러한 액체의 실시간 감지에는 고품질 결과를 제공하는 동시에 더 작은 크기, 더 낮은 전력 소비, 향상된 정확도, 빠른 사용자 정의, 더 빠른 응답 시간 및 견고성을 포함하는 계측의 발전이 필요합니다.

광학 기반 계측은 혼탁도, 총 유기 탄소, 총 부유 물질, 용존 산소 및 이온 오염 물질의 존재와 같은 비접촉식 감지 측정을 제공하여 비파괴적인 고정밀 측정을 수행할 수 있으므로 여기에 유용합니다. 그러나 이러한 시스템은 주변 잡음과 시스템 잡음 모두에서 수신된 빛을 감지하고 디지털화하면서 LED(발광 다이오드)를 구동하기 위해 복잡한 AFE(아날로그 프런트 엔드)가 필요합니다. 이러한 설계 능력은 일반적인 설계자의 기술 범위를 넘어섭니다. 보다 효율적인 기성 솔루션이 필요합니다.

이 기사에서는 Analog Devices, Inc.의 다중 모달 광학 센서 AFE를 기반으로 하는 신속한 액체 분석을 위한 휴대용 실시간 플랫폼을 소개하기 전에 광학 액체 분석에 대해 간략하게 설명합니다. 최대 4개의 모듈식 광학 경로 베이를 제공하는 AFE 기반 참조 설계도 소개합니다. 참조 설계는 잠재적인 수소(pH), 혼탁도 및 형광을 측정하고 검량 곡선을 만들고 미지 물질을 측정하는 방법을 시연하는 데 사용됩니다.

광학 액체 분석 기본 사항

광학 액체 분석은 액체 샘플의 원소 농도를 측정하는 데 사용할 수 있습니다. 이 기술은 비파괴적이며 비접촉식 감지를 사용한다는 점을 포함하여 많은 장점이 있습니다. 또한 해당 결과는 높은 정밀도와 낮은 드리프트를 제공합니다.

개념적으로 광학 분석은 액체 샘플을 알려진 광학 파장을 가진 발광 다이오드(LED)와 같은 소스의 빛에 노출시킵니다. 빛은 샘플을 통과하고 샘플과 상호 작용하며 광 다이오드(PD)에 의해 감지됩니다. PD의 측정된 응답은 알 수 없는 값을 설정할 수 있는 검량 곡선을 형성하는, 알려진 농도를 가진 샘플의 응답에 대해 플로팅됩니다.

이 프로세스는 정밀 광학 액체 측정이 전자, 광학, 화학의 혼합 영역 결과를 결합하는 일반 실험실에서 사용되는 분석 측정을 설명합니다. 이러한 유형의 테스트를 어디서나 사용할 수 있도록 하려면 프로세스를 작은 폼 팩터로 축소해야 하므로 설계의 복잡성이 증가합니다.

신속한 액체 측정을 위한 모듈식 솔루션

계측기 설계 프로세스를 단순화하기 위해 Analog Devices는 ADPD4101BCBZR7 아날로그 광학 프런트 엔드(AFE)를 기반으로 하여 EVAL-CN0503-ARDZ 참조 설계를 생성했습니다. ADPD4101BCBZR7은 최대 8개의 LED를 구동하고 최대 8개의 개별 반환 전류 입력을 측정할 수 있는 완전한 다중 모달 센서 프런트 엔드입니다(그림 1). AFE는 일반적으로 주변광에서 발생하는 비동기식 변조 간섭으로 인한 신호 오프셋 및 간섭을 제거합니다. AFE는 고도로 구성 가능하며 온칩 동기식 감지 방법을 사용하여 높은 주변광 제거와 함께 최대 100dB의 광학 신호 대 잡음비(SNR)를 제공하므로 대부분의 경우 광학적으로 어두운 인클로저 없이 사용할 수 있습니다.

그림 1: ADPD4101BCBZR7 다중 모달 센서 AFE는 최대 8개의 개별 반환 전류 입력을 측정할 수 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices, Inc.)

EVAL-CN0503-ARDZ 참조 설계를 사용하면 형광, 혼탁도, 흡수도 및 측색을 포함한 액체 분석 측정의 신속한 프로토타이핑이 가능합니다(그림 2). 패스 쓰루 광학 경로를 제공하는 4개의 모듈식 광학 테스트 베이가 있으며 2개의 베이에는 직교(90°) 산란 경로가 있습니다. 표준 10밀리미터(mm) 큐벳용 3D 인쇄 큐벳 홀더가 포함되어 있으며 4개의 광학 경로 중 하나에 배치할 수 있습니다. 참조 설계는 액체 분석을 위한 측정 펌웨어 및 응용 소프트웨어도 제공합니다.

그림 2: EVAL-CN0503-ARDZ에는 측정 광학 소자를 결합하는 4개의 광학 경로에 배치할 수 있는 표준 10mm 큐벳용 3D 인쇄 큐벳 홀더를 포함합니다. (이미지 출처: Analog Devices, Inc.)

EVAL-CN0503-ARDZ는 측정 작동 및 데이터 흐름을 처리하는 EVAL-ADICUP3029, 32비트 Arm® Cortex®-M3 마이크로 컨트롤러 기판에 연결됩니다. EVAL-ADICUP3029 기판을 랩톱에 직접 연결하여 평가 그래픽 사용자 인터페이스에 획득한 데이터를 표시할 수 있습니다.

EVAL-CN0503-ARDZ를 통해 샘플의 형광, 혼탁도, 흡광도, 측색에 대한 액체 분석 측정값을 획득할 수 있습니다. 큐벳 홀더는 조준 렌즈 및 빔 스플리터 같은 광학 소자를 수용합니다. 각 슬롯은 기준 광 다이오드를 포함하며 플러그 앤 플레이 측정을 위한 적절한 광학 경로를 제공합니다. 또한 각 베이의 LED 및 광 다이오드 카드는 추가적인 맞춤화를 위해 스위칭 아웃할 수 있습니다.

시연을 위해 pH, 혼탁도, 형광 측정값을 사용하여 검량 곡선을 만든 다음 EVAL-CN0503-ARDZ 및 해당 평가 소프트웨어로 미지 물질을 측정합니다. 추가적으로, 잡음 레벨 값 및 감지 제한(LOD)이 계산됩니다. 이는 각 예에서 EVAL-CN0503-ARDZ로 감지할 수 있는 최저 농도를 결정합니다.

흡광도 테스트 예

비어 람베르트 법칙에 기반한 흡광도 측정에는 특정 파장에서 얼마나 많은 빛이 흡수되는지에 따라 액체 용액에서 알려진 용질의 농도를 결정하는 작업이 포함됩니다. 이는 측색의 한 형태입니다. 이 예에서, 흡광도는 수질 테스트의 공통 파라미터인 pH를 측정하는 데 사용됩니다. 이 테스트 유형은 용존 산소량, 생물학적 산소 요구량, 질산, 암모니아, 염소를 비롯한 분석 응용 분야에서도 유용합니다.

직접 또는 패스쓰루 광학 경로를 사용하는 흡광도 측정은 EVAL-CN0503-ARDZ의 4개 광학 경로를 사용하여 수행할 수 있습니다(그림 3).

그림 3: EVAL-CN0503-ARDZ를 사용하여 흡광도 측정을 위한 광학 구조가 표시되어 있습니다. EVAL-CN0503-ARDZ의 큐벳 홀더는 조준 렌즈 및 빔 스플리터를 비롯한 광학 소자를 수용합니다. (이미지 출처: Analog Devices, Inc.)

원하는 파장에서 LED는 입사 선속을 생성합니다. 광학 경로의 빔 스플리터는 빛의 일부를 빔 강도를 샘플링하는 기준 광 다이오드로 안내합니다. 광학 빔의 밸런스는 샘플을 통해 전달됩니다. 전송 및 기준 광 다이오드의 출력 비율을 사용하여 LED 소스의 광도 및 잡음 변화를 상쇄합니다.

일정한 광원으로 인한 주변광 오염은 ADPD4101BCBZR7에 의해 최대 60dB까지 제거됩니다. 이는 LED 전류를 변조하고 어두운(off) 상태(주변광이 유일한 성분인 경우)와 여기(on) 상태(주변광과 LED 부품이 모두 있음) 사이의 차이를 동기식으로 측정하는 동기식 변조 방식을 사용하여 수행됩니다. 이 주변광 제거는 자동이며 외부 제어가 필요하지 않습니다.

EVAL-CN0503-ARDZ 외에, 이 예에는 앞서 설명한 EVAL-ADICUP3029가 필요합니다. 이 장치는 보정을 위해 API pH 테스트 및 조정기 키트와 pH 버퍼 용액 샘플 세트를 사용합니다.

분석물은 다른 pH 값을 가진 준비된 용액에 API 테스트 키트의 색상 지시약(브로모티몰 블루)을 첨가하여 준비되었습니다. 브로모티물 블루 용액은 430nm 광원에서 높은 흡광도를 제공하는 약산과 650nm 광원에서 높은 흡광도를 제공하는 짝염기로 분리됩니다.

이 용액을 큐벳으로 옮기고 지시약이 pH의 함수로 흡광도 변화를 나타내는 이 두 가지 다른 파장에서 pH 측정을 수행했습니다. 이는 광학 경로 2 및 광학 경로 3에 삽입된, 서로 다른 파장을 위한 2개의 LED 카드를 사용하여 EVAL-CN0503-ARDZ에서 쉽게 수행됩니다. 측정을 위해 큐벳 홀더는 2개의 다른 경로로 이동됩니다.

2개 광학 경로의 결과는 EVAL-CN0503-ARDZ 평가 소프트웨어 그래픽 사용자 인터페이스를 사용하여 Excel로 내보내집니다(그림 4).

그림 4: 430nm 광원(왼쪽) 및 650nm 광원(오른)에서 테스트를 위한 PH의 흡광도 검량 곡선이 표시되어 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices, Inc.)

두 경우 모두에서 pH 대 흡광도가 플로팅되어 검량 곡선을 생성합니다. Excel의 추세선 함수를 사용하여 곡선에 대한 방정식을 생성했습니다. 두 경우 모두 피팅 추정값 R²가 1.0에 가까워 적합도가 우수함을 나타냅니다. 알 수 없는 샘플의 농도는 x 변수로 입력된 센서 출력을 사용하여 이러한 방정식에서 결정할 수 있으며 결과 y 값은 pH입니다. EVAL-CN0503-ARDZ 평가 소프트웨어는 2개의 5차 다항식 INS1 및 INS2를 구현합니다. 다항식이 저장되면 측정 결과가 원하는 단위(이 경우 pH)로 직접 보고되도록 INS1 또는 INS2 모드를 선택할 수 있습니다. 이는 알 수 없는 샘플에 대한 결과를 쉽게 가져올 수 있습니다.

측정값의 잡음 레벨에는 각 파장에 대한 2개의 다른 데이터 점을 필요로 합니다. 하나는 낮은 pH 값이고 다른 하나는 높은 값이어야 합니다. 곡선 피팅이 선형이 아니므로 2개 값이 사용됩니다. 선택된 pH 값은 6.1 및 7.5입니다. 각 점에 대해 여러 번 측정을 수행했으며 데이터의 표준 편차는 각 pH 값에 대한 각 파장의 RMS(제곱 평균) 잡음 값을 산출합니다. 표 1에 결과가 표시되어 있습니다.

표 1: 2개 파장에서 2개 pH 값에 대한 RMS 잡음 값이 표시되어 있습니다. (표 출처: Analog Devices, Inc.)

이 데이터에는 샘플 준비로 인한 변형이 포함되지 않습니다.

감지 제한(LOD)에 따라 EVAL-CN0503-ARDZ로 감지될 수 있는 최저 농도가 결정됩니다. LOD는 일반적으로 낮은 농도 레벨에서 잡음을 측정하여 결정됩니다. 99.7% 신뢰 레벨을 달성하기 위해 잡음 값에 3이 곱해집니다. pH가 로그 스케일인 경우 LOD는 pH 7에 대해 결정됩니다. 이는 마찬가지로 430nm 및 625nm의 파장에서 결정됩니다. 430nm에서의 LOD는 pH 0.001099이고 615nm에서의 LOD는 pH 0.001456입니다.

혼탁도 테스트 예

혼탁도는 액체의 상대 투명도를 측정합니다. 측정값은 액체에 떠도는 입자의 광 산란 속성을 기반으로 합니다. 광 산란은 부유 입자의 크기 및 농도뿐만 아니라 입사광의 파장에 의해 영향을 받습니다. 이러한 인자는 산란된 빛의 양과 산란 각도에 영향을 줍니다. 혼탁도 테스트는 수질 및 생명 과학을 비롯한 여러 산업에서 수행됩니다. 이는 광학 밀도를 측정하여 조류 증가를 결정하는 데에도 응용할 수 있습니다.

혼탁도 테스트를 위한 광학 경로는 90˚ 또는 180˚ 각도에서 빛을 감지하도록 배치된 광 다이오드를 사용합니다. EVAL-CN0503-ARDZ에서 혼탁도를 테스트하려면 테스트 베이 1 및 4에서 사용 가능한 감지기(90˚)가 필요합니다. 그림 5에는 소스로 삽입된 530nm LED 기판을 가진 광학 베이 4가 표시되어 있습니다.

그림 5: 혼탁도 테스트를 위한 광학 경로는 광 경로에서 광 검출기( 90˚ 및 180˚)를 사용하여 용액의 입자에 의해 산란되는 빛을 감지합니다. (이미지 출처: Analog Devices, Inc.)

이 예는 NTU(nephelometric turbidity units)로 보정 및 보고된, EPA Method 180.1 '혼탁 측정법에 의한 혼탁도 측정'의 수정된 버전을 보여줍니다.

혼탁도 테스트에 사용된 장비에는 EVAL-CN0503-ARDZ 및 EVAL-ADICUP3029 평가 기판과 Hanna Instruments 혼탁도 표준 보정 세트가 포함됩니다. 혼탁도 보정 표준은 초순수에서 특정 크기의 마이크로 비드를 제공합니다. 이러한 용액은 혼탁도 측정값을 보정하고 검증하는 데 사용됩니다.

EVAL-CN0503-ARDZ 소프트웨어 평가 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 사용하여 측정 결과를 Excel로 내보냅니다. 여기서 혼탁도 검량 곡선이 생성됩니다(그림 6).

그림 6: 이러한 검량 곡선은 혼탁도 테스트 결과를 기반으로 합니다. 선형 곡선 피팅은 선형 모델이 피팅 추정값에 대한 우수한 적합도(R²)를 제공합니다. (이미지 출처: Analog Devices, Inc.)

그림 6에서 가로 좌표의 상대 비율(RRAT) 값은 반사광에 대한 입사 비율이 거의 1인 증류수 또는 빈 큐벳이 있는 알려진 측정 설정을 기반으로 하는 기준선 또는 절대 비율 값을 기준으로 합니다. 이 프로세스는 빔 스플리터, 렌즈 및 필터와 같은 광학 유리 소자에 의해 측정에 도입된 작은 인자를 제거하는 데 사용됩니다. 이 값은 연속적인 측정값에 대한 기준으로 사용됩니다.

90° 산란 측정은 높은 혼탁도에 대한 반응이 떨어지기 때문에 응답 곡선을 두 부분으로 나누었습니다. 첫 번째 부분은 낮은 혼탁도(0 NTU ~ 100NTU)를 나타내고 두 번째 부분은 높은 혼탁도(100NTU ~ 750NTU)를 나타냅니다. 이제 두 개의 라인 피팅이 각 부분에 대해 생성됩니다. 현재 두 개의 방정식 값이 있지만 EVAL-CN0503-ARDZ를 사용하여 내장된 INS1 또는 INS2 다항식 피팅을 사용하여 결과 NTU 값을 신속하게 표시할 수 있습니다.

잡음 값은 반복된 측정에 대한 표준 편차를 취해 결정됩니다. 선형 피팅으로 인해 범위의 하한(12NTU)에 가까운 하나의 잡음 점만 사용됩니다. 잡음 레벨은 0.282474NTU에서 측정됩니다.

LOD는 농도가 낮거나 블랭크 상태인 샘플의 잡음 값을 취해 설정되었습니다. 다시, 잡음 값에 3을 곱하여 99.7% 신뢰 구간을 나타냅니다. 블랭크 샘플 농도의 경우 LOD는 0.69204 NTU입니다.

형광 테스트 예

형광은 일부 재료의 전자가 광선에 의해 여기되어 다른 파장의 빛을 방출하는 결과입니다. 방출된 광도는 빛에 민감한 재료의 농도에 비례합니다. 형광 측정은 일반적으로 흡광도 측정을 사용하여 용액의 재료 농도를 측정하는 것보다 훨씬 더 민감합니다. 형광 방출은 화학적으로 특정하기 때문에 특정 분자의 존재와 양을 식별하는 데 사용할 수 있습니다. 형광 측정값은 더 넓은 농도에 걸쳐 선형입니다. 형광 측정의 응용 분야에는 생물학적 분석, 용존 산소, 화학적 산소 요구량 및 우유의 성공적인 저온 살균 감지가 포함됩니다.

일반적으로, 형광 방출은 입사각의 90°에 배치된 광검출기를 사용하여 측정되어 측정에 대한 영향을 최소화합니다. 입사광을 측정하는 기준 검출기를 사용하여 측정에 방해가 되는 인자를 최소화합니다. 이러한 인자에는 광원의 왜곡, 외부 조명, 샘플의 약간의 움직임이 포함됩니다. 또한, 입사광과 방출광의 분리를 증가시키기 위해 형광 검출기와 함께 광학 단색 또는 장거리 통과 필터가 사용됩니다(그림 7).

그림 7: 형광 측정을 위한 광학 경로. 형광 광 다이오드는 입사각 경로의 90° 에 배치됩니다. 형광 필터는 소스 LED 파장을 감쇠합니다. (이미지 출처: Analog Devices, Inc.)

마찬가지로, 형광 테스트에 사용되는 장비에는 EVAL-CN0503-ARDZ 및 EVAL-ADICUP3029 기판이 포함되어 있습니다.

이 예에서, 형광 엽록소를 시연하기 위해 시금치 잎이 사용되었습니다. 시금치 용액은 시금치 잎에 물을 혼합하여 만들었습니다. 이 용액은 여과 후 스톡 용액으로 사용됩니다. 스톡 용액을 희석하여 다양한 비율의 시금치 용액을 만들고 검량 곡선을 만들기 위한 표준으로 사용했습니다. 직교 검출기가 필요했기 때문에 EVAL-CN0503-ARDZ의 광학 베이 1이 사용되었습니다. 소스는 장거리 통과 필터가 삽입된 365nm 파장의 LED입니다.

시금치 용액의 7가지 비율이 테스트되고 엽록소 보정 곡선이 플로팅되었습니다(그림 8).

그림 8: 추세선 방정식을 비롯하여 시금치 용액 비율에 대한 검량 곡선. (이미지 출처: Analog Devices, Inc.)

이전 예에서와 같이 EVAL-CN0503-ARDZ에 의해 결과가 백분율로 직접 보고되도록 엽록소 보정 곡선에 대한 추세선 방정식을 저장할 수 있습니다.

검량 곡선이 비선형이기 때문에 잡음은 7.5% 및 20%의 두 데이터 점을 사용하여 측정되었습니다. 각 샘플에 대한 여러 테스트의 표준 편차는 7.5% 샘플의 경우 0.0616% 시금치, 20% 샘플의 경우 0.1159% 시금치의 RMS 잡음 값을 산출했습니다.

LDO는 블랭크 또는 저농도 샘플을 사용하여 결정되었습니다. 이번에도, 샘플에 대한 RMS 잡음 측정값에 3을 곱해 99.7% 신뢰 수준을 나타내어 0.1621% 시금치의 LOD를 생성했습니다.

결론

휴대용 광학 액체 분석 측정 시스템을 만들려면 정밀하고 정확하며 사용하기 쉬운 장치를 구축하기 위해 화학, 광학, 전자 장치의 상호 작용에 대한 상당한 지식이 필요합니다. 높은 정확도와 정밀도로 시스템을 설계하기 위해 사내에서 복잡한 신호 체인을 설계하는 대신 ADPD4101BCBZR7 광학 AFE를 사용할 수 있습니다. 시작에 도움이 되기 위해 AFE는 EVAL-CN0503-ARDZ 참조 설계에 의해 지원됩니다. 이는 ADPD4101BCBZR7를 기반으로 하며 광학 부품, 펌웨어 및 소프트웨어를 추가하여 사용하기 쉽고 적응력이 뛰어난 프로토타이핑 플랫폼을 만들어 흡광도, 측색, 혼탁도 및 형광 액체 파라미터의 정확한 광학 측정을 수행할 수 있습니다.