Généraliser l'analyse optique des liquides à l'aide d'un circuit d'entrée de capteur multimodal

Dans le contexte des préoccupations mondiales concernant la sécurité de l'eau potable en raison des sécheresses, de l'intensité et de la fréquence des tempêtes et de la croissance démographique, l'analyse des liquides est devenue d'une importance cruciale. L'analyse en temps réel et sur site d'échantillons d'eau est nécessaire pour minimiser la pollution et son impact sur l'écosystème.

Cette détection en temps réel des liquides nécessite des avancées en matière d'instrumentation, notamment un format plus compact, une consommation d'énergie réduite, une précision améliorée, une personnalisation rapide, des temps de réponse plus courts et une robustesse renforcée, tout en fournissant des résultats de haute qualité.

L'instrumentation optique est utile ici car elle permet d'effectuer des mesures de haute précision non destructives, fournissant une détection sans contact de mesures telles que la turbidité, le carbone organique total, le total des solides en suspension, l'oxygène dissous et la présence de contaminants ioniques. Cependant, de tels systèmes requièrent des circuits d'entrée analogiques (AFE) complexes pour commander des diodes électroluminescentes (LED) tout en détectant et en numérisant la lumière reçue en dépit du bruit ambiant et du bruit système. De telles capacités de conception dépassent les compétences typiques du concepteur. C'est pourquoi une solution plus sophistiquée et prête à l'emploi est requise.

Cet article traite brièvement de l'analyse optique des liquides avant de présenter une plateforme en temps réel portable pour l'analyse rapide des liquides, basée sur un circuit AFE de capteur optique multimodal d'Analog Devices, Inc. Une conception de référence basée sur l'AFE et offrant jusqu'à quatre baies de trajet optique modulaires est également présentée. La conception de référence est utilisée pour démontrer comment effectuer des mesures de potentiel hydrogène (pH), de turbidité et de fluorescence, créer des courbes d'étalonnage et mesurer des inconnues.

Principes de base de l'analyse optique des liquides

L'analyse optique des liquides peut être utilisée pour mesurer les concentrations d'éléments dans un échantillon de liquide. La technique présente de nombreux avantages, notamment celui d'être non destructive et d'utiliser la détection sans contact. De plus, les résultats offrent une haute précision et une faible dérive.

L'analyse optique consiste à exposer l'échantillon de liquide à la lumière d'une source telle qu'une LED avec une longueur d'onde optique connue. La lumière traverse l'échantillon, interagit avec lui et est détectée par une photodiode (PD). La réponse mesurée par la photodiode est tracée par rapport aux réactions des échantillons avec des concentrations connues, formant une courbe d'étalonnage par rapport à laquelle la valeur inconnue peut être établie.

Ce processus décrit les mesures analytiques employées dans un laboratoire général où les mesures optiques de précision des liquides combinent les résultats des domaines mixtes de l'électronique, de l'optique et de la chimie. Pour que ce type de test soit généralisé, les processus doivent être réduits à un petit facteur de forme, ce qui augmente la complexité de conception.

Une solution modulaire pour la mesure rapide des liquides

Pour simplifier le processus de conception d'instruments, Analog Devices a créé la conception de référence EVAL-CN0503-ARDZ basée sur le circuit AFE optique ADPD4101BCBZR7. L'ADPD4101BCBZR7 est un circuit d'entrée de capteur multimodal complet qui peut commander jusqu'à huit LED et mesurer jusqu'à huit entrées distinctes de courant retourné (Figure 1). L'AFE rejette les décalages de signaux et les interférences modulées asynchrones, qui proviennent généralement de la lumière ambiante. L'AFE est hautement configurable et présente un rapport signal/bruit (SNR) optique atteignant 100 décibels (dB) avec une réjection élevée de la lumière ambiante à l'aide de méthodes de détection synchrone sur puce, lui permettant, dans de nombreux cas, d'être utilisé sans boîtier optiquement sombre.

Figure 1 : L'AFE de capteur multimodal ADPD4101BCBZR7 peut commander jusqu'à huit LED et mesurer jusqu'à huit entrées de courant retourné distinctes. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

La conception de référence EVAL-CN0503-ARDZ permet le prototypage rapide des mesures d'analyse de liquide, y compris la fluorescence, la turbidité, l'absorbance et la colorimétrie (Figure 2). Elle est dotée de quatre baies de test optique modulaires qui fournissent des trajets optiques traversants, et deux baies incluent des trajets de diffusion orthogonaux (90°). Un support de réservoir imprimé en 3D pour les réservoirs standard de 10 millimètres (mm) est inclus, et peut être placé sur l'un des quatre trajets optiques. La conception de référence fournit également un micrologiciel de mesure et un logiciel d'application ciblant l'analyse des liquides.

Figure 2 : L'EVAL-CN0503-ARDZ inclut un support de réservoir imprimé en 3D pour réservoirs standard de 10 mm, qui peut être placé sur l'un des quatre trajets optiques intégrant l'optique de mesure. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

L'EVAL-CN0503-ARDZ se connecte avec la carte de microcontrôleur Arm® Cortex®-M3 32 bits EVAL-ADICUP3029, qui gère les opérations de mesure et le flux de données. La carte EVAL-ADICUP3029 se connecte directement à un ordinateur portable pour afficher les données acquises dans l'interface utilisateur graphique d'évaluation.

L'EVAL-CN0503-ARDZ permet de mesurer la fluorescence, la turbidité, l'absorbance et la colorimétrie d'un échantillon dans le cadre d'une analyse de liquide. Le support de réservoir abrite l'optique, y compris une lentille collimatrice et un séparateur de faisceau. Chacun des emplacements contient une photodiode de référence et fournit un trajet optique approprié pour la mesure plug-and-play. De plus, les cartes de photodiode et LED dans chaque baie peuvent être désactivées pour une personnalisation supplémentaire.

À titre de démonstration, des mesures du pH, de la turbidité et de la fluorescence sont utilisées pour créer des courbes d'étalonnage, puis pour mesurer les inconnues avec l'EVAL-CN0503-ARDZ et son logiciel d'évaluation. De plus, la valeur du niveau de bruit et la limite de détection (LOD) sont calculées. Cela permet de déterminer la concentration la plus faible pouvant être détectée par l'EVAL-CN0503-ARDZ dans chaque exemple.

Exemple de test d'absorbance

Les mesures d'absorbance, basées sur la loi de Beer-Lambert, impliquent de déterminer la concentration d'un soluté connu dans une solution liquide en fonction de la quantité de lumière absorbée à une longueur d'onde spécifique. Il s'agit d'une forme de colorimétrie. Dans cet exemple, l'absorbance est utilisée pour mesurer le pH, un paramètre courant dans les tests de qualité de l'eau. Ce type de test est également utile dans les applications d'analyse, y compris pour l'oxygène dissous, la demande biochimique en oxygène, les nitrates, l'ammoniac et le chlore.

Les mesures d'absorbance, utilisant un trajet optique direct ou traversant, peuvent être effectuées à l'aide de l'un des quatre trajets optiques sur l'EVAL-CN0503-ARDZ (Figure 3).

Figure 3 : Configuration optique pour une mesure d'absorbance à l'aide de l'EVAL-CN0503-ARDZ. Le support de réservoir de l'EVAL-CN0503-ARDZ abrite l'optique, y compris une lentille collimatrice et un séparateur de faisceau. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Une LED à la longueur d'onde désirée génère le faisceau incident. Un séparateur de faisceau dans le trajet optique dirige une partie de la lumière vers une photodiode de référence qui échantillonne l'intensité du faisceau. Le reste du faisceau optique est dirigé à travers l'échantillon. Les variations d'intensité lumineuse et de bruit de la source LED sont annulées en prenant le rapport des sorties des photodiodes d'émission et de référence.

La contamination par la lumière ambiante provenant de sources lumineuses constantes est rejetée par au moins 60 dB par l'ADPD4101BCBZR7. Cela est effectué à l'aide d'un schéma de modulation synchrone qui module le courant LED et mesure de manière synchrone la différence entre l'état sombre (éteint) (où la lumière ambiante est le seul composant) et l'état excité (allumé) (où la lumière ambiante et le composant LED sont présents). Cette réjection de la lumière ambiante est automatique ; aucun contrôle externe n'est requis.

En plus de l'EVAL-CN0503-ARDZ, cet exemple nécessite l'EVAL-ADICUP3029 mentionné précédemment. Cette carte utilise un kit d'ajusteur et de test de pH API et un ensemble d'échantillons de solutions tampons de pH pour l'étalonnage.

Les analytes sont préparés en ajoutant un indicateur coloré (bleu de bromothymol) provenant du kit de test API aux solutions préparées avec différentes valeurs de pH. Le bleu de bromothymol, en solution, se sépare en un acide faible avec une absorbance élevée de la lumière à 430 nanomètres (nm) et une base conjuguée qui a une absorbance élevée de la lumière à 650 nm.

Les solutions sont transférées dans des réservoirs et la mesure du pH est effectuée à ces deux longueurs d'onde différentes pour lesquelles l'indicateur montre les changements d'absorption en fonction du pH. Cela est facilement réalisable dans l'EVAL-CN0503-ARDZ en utilisant deux cartes LED insérées dans le trajet optique 2 et le trajet optique 3 pour les différentes longueurs d'onde. Le support de réservoir est déplacé dans les deux trajets différents pour les mesures.

Les résultats des deux trajets optiques sont exportés dans Excel à l'aide de l'interface utilisateur graphique du logiciel d'évaluation EVAL-CN0503-ARDZ (Figure 4).

Figure 4 : Courbes d'étalonnage d'absorbance du pH pour les tests avec des sources lumineuses de 430 nm (à gauche) et de 650 nm (à droite). (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Dans les deux cas, le pH en fonction de l'absorbance a été tracé pour créer la courbe d'étalonnage. Une fonction de courbe de tendance dans Excel a été utilisée pour générer une équation pour la courbe. L'estimation de la qualité de l'ajustement, R², est proche de 1,0 dans les deux cas, indiquant l'excellente qualité de l'ajustement. Les concentrations d'échantillons inconnus peuvent être déterminées à partir de ces équations, la sortie du capteur étant saisie comme variable x et la valeur y résultante étant la valeur du pH. Le logiciel d'évaluation EVAL-CN0503-ARDZ implémente deux polynômes du cinquième ordre, INS1 et INS2. Une fois les polynômes stockés, le mode INS1 ou INS2 peut être sélectionné afin que les résultats de mesure soient rapportés directement dans l'unité souhaitée, dans ce cas, le pH. Cela simplifie l'obtention d'un résultat pour un échantillon inconnu.

Le niveau de bruit de la mesure requiert deux points de données différents pour chaque longueur d'onde. L'un doit correspondre à une valeur de pH inférieure et l'autre à une valeur supérieure. Deux valeurs sont utilisées car l'ajustement de la courbe n'est pas linéaire. Les valeurs de pH choisies sont de 6,1 et 7,5. Plusieurs mesures ont été effectuées pour chaque point, et l'écart type des données donne la valeur de bruit efficace (RMS) à chaque longueur d'onde pour chaque valeur de pH. Les résultats sont présentés dans le Tableau 1.

Tableau 1 : Valeurs de bruit RMS pour deux valeurs de pH à deux longueurs d'onde. (Source du tableau : Analog Devices, Inc.)

Notez que ces données excluent les variations dues à la préparation des échantillons.

La limite de détection détermine la plus faible concentration susceptible d'être détectée par l'EVAL-CN0503-ARDZ. La limite de détection est généralement déterminée en mesurant le bruit à de faibles niveaux de concentration. Pour atteindre un niveau de confiance de 99,7 %, la valeur de bruit est multipliée par trois. Étant donné que le pH est une échelle logarithmique, la limite de détection a été déterminée pour un pH de 7. Cette mesure a de nouveau été effectuée à des longueurs d'onde de 430 nm et 625 nm. La limite de détection à 430 nm correspond à un pH de 0,001099 et la limite de détection à 615 nm correspond à un pH de 0,001456.

Exemple de test de turbidité

La turbidité mesure la clarté relative d'un liquide. La mesure est basée sur la propriété de diffusion de la lumière des particules en suspension dans le liquide. La diffusion de la lumière est affectée par la taille et la concentration des particules en suspension, ainsi que par la longueur d'onde de la lumière incidente. Ces facteurs affectent la quantité de lumière diffusée et l'angle de diffusion. Les tests de turbidité sont effectués dans de nombreuses industries, y compris la qualité de l'eau et les sciences de la vie. Ils peuvent également être appliqués à la détermination de la croissance des algues en mesurant la densité optique.

Le trajet optique pour les tests de turbidité utilise des photodiodes placées de manière à détecter la lumière à des angles de 90° ou 180°. Dans l'EVAL-CN0503-ARDZ, les tests de turbidité nécessitent un détecteur à 90°, qui est disponible dans les baies de test 1 et 4. La baie optique 4, avec une carte LED 530 nm insérée comme source, est illustrée à la Figure 5.

Figure 5 : Le trajet optique pour un test de turbidité utilise des photodétecteurs à 90° et 180° du trajet lumineux pour détecter la lumière diffusée par les particules dans la solution. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Cet exemple illustre une version modifiée de la méthode EPA 180.1 relative à la détermination de la turbidité par néphélométrie, étalonnée et rapportée en unités de turbidité néphélométrique (NTU).

L'équipement utilisé pour les tests de turbidité inclut les cartes d'évaluation EVAL-CN0503-ARDZ et EVAL-ADICUP3029, ainsi que le kit d'étalonnage standard de turbidité de Hanna Instruments. La solution-étalon de turbidité fournit des microbilles de tailles spécifiques dans de l'eau ultra-pure. Ces solutions sont utilisées pour étalonner et valider les mesures de turbidité.

À l'aide de l'interface utilisateur graphique (GUI) du logiciel d'évaluation EVAL-CN0503-ARDZ, les résultats de mesure sont exportés dans Excel, où une courbe d'étalonnage de la turbidité est générée (Figure 6).

Figure 6 : Ces courbes d'étalonnage sont basées sur les résultats des tests de turbidité. L'ajustement de la courbe linéaire montre que les modèles linéaires ont d'excellentes estimations de la qualité de l'ajustement (R²). (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Notez que dans la Figure 6, les valeurs de rapport relatif (RRAT) de l'abscisse sont référencées aux valeurs de ligne de base ou de rapport absolu basées sur une configuration de mesure connue avec un réservoir vide, ou avec de l'eau distillée où le rapport lumière incidente-lumière réfléchie est presque de 1. Ce processus est utilisé pour éliminer les petits facteurs introduits dans la mesure par les éléments en verre optique, tels que le séparateur de faisceau, la lentille et les filtres. Cette valeur sert de référence pour les mesures successives.

Étant donné que la mesure de diffusion à 90° est moins sensible aux turbidités élevées, la courbe de réponse est divisée en deux sections, la première section représentant une turbidité plus faible (0 NTU à 100 NTU) et la deuxième une turbidité plus élevée (100 NTU à 750 NTU). Deux ajustements linéaires sont ensuite effectués pour chaque section. Même s'il existe désormais deux valeurs d'équation, l'EVAL-CN0503-ARDZ peut toujours être utilisé pour afficher rapidement les valeurs NTU résultantes avec les ajustements polynomiaux INS1 ou INS2 intégrés.

La valeur de bruit est déterminée en prenant l'écart type des mesures répétées. En raison de l'ajustement linéaire, seul un point de bruit près du bas de la plage (12 NTU) est utilisé. Le niveau de bruit a été mesuré à 0,282474 NTU.

La limite de détection a été établie en prenant la valeur de bruit d'un échantillon avec une concentration faible ou nulle. Là encore, la valeur de bruit a été multipliée par trois pour représenter un intervalle de confiance de 99,7 %. Pour une concentration d'échantillon nulle, la limite de détection était de 0,69204 NTU.

Exemple de test de fluorescence

La fluorescence est le résultat de l'excitation des électrons de certains matériaux par un faisceau de lumière, ce qui les amène à émettre de la lumière à une autre longueur d'onde. L'intensité lumineuse émise est proportionnelle à la concentration du matériau photosensible. La fluorométrie est généralement beaucoup plus sensible que les mesures d'absorbance pour mesurer la concentration de matériaux dans la solution. Les émissions de fluorescence peuvent être utilisées pour identifier la présence et la quantité de molécules spécifiques car elles sont chimiquement spécifiques. Les mesures de fluorescence sont linéaires sur une plus large gamme de concentrations. Les applications des mesures de fluorescence incluent les essais biologiques, l'oxygène dissous, la demande chimique en oxygène et la détection d'une pasteurisation réussie du lait.

Généralement, les émissions de fluorescence sont mesurées à l'aide d'un photodétecteur positionné à 90° de la lumière incidente pour minimiser son effet sur la mesure. Un détecteur de référence pour mesurer la lumière incidente est utilisé pour minimiser les facteurs qui interfèrent avec la mesure. Ces facteurs incluent les distorsions de la source lumineuse, l'éclairage externe et les légers mouvements de l'échantillon. De plus, un filtre optique monochromatique ou passe-long est utilisé avec le détecteur de fluorescence pour augmenter la séparation entre la lumière incidente et la lumière émise (Figure 7).

Figure 7 :Trajet optique pour la mesure de fluorescence. La photodiode de fluorescence est placée à 90° par rapport au trajet de la lumière incidente. Un filtre de fluorescence atténue la longueur d'onde LED source. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Encore une fois, l'équipement utilisé pour les tests de fluorescence comprend les cartes EVAL-CN0503-ARDZ et EVAL-ADICUP3029.

Dans cet exemple, des feuilles d'épinards ont été utilisées pour mettre en évidence la chlorophylle fluorescente. Une solution d'épinards a été créée en mélangeant des feuilles d'épinards avec de l'eau. Après filtration, cette solution a été utilisée comme solution de réserve. Différents pourcentages de la solution d'épinards ont été préparés en diluant la solution de réserve, et ont été utilisés comme étalons pour créer une courbe d'étalonnage. Comme un détecteur orthogonal était nécessaire, la baie optique 1 de l'EVAL-CN0503-ARDZ a été utilisée. La source était une LED avec une longueur d'onde de 365 nm, avec un filtre passe-long inséré.

Sept pourcentages différents de la solution d'épinards ont été testés et la courbe d'étalonnage de la chlorophylle a été tracée (Figure 8).

Figure 8 : Courbe d'étalonnage pour les pourcentages de solution d'épinards, y compris l'équation de la courbe de tendance. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Comme dans les exemples précédents, l'équation de la courbe de tendance pour la courbe d'étalonnage de la chlorophylle peut être stockée afin que les résultats soient directement rapportés en pourcentage par l'EVAL-CN0503-ARDZ.

Étant donné que la courbe d'étalonnage n'est pas linéaire, le bruit a été mesuré à l'aide de deux points de données — 7,5 % et 20 %. L'écart type de plusieurs tests avec chaque échantillon a donné une valeur de bruit RMS de 0,0616 % d'épinards pour l'échantillon à 7,5 % et de 0,1159 % d'épinards pour l'échantillon à 20 %.

La limite de détection est déterminée à l'aide d'un échantillon à concentration faible ou nulle. Là encore, la mesure du bruit RMS pour l'échantillon a été multipliée par trois pour représenter un niveau de confiance de 99,7 %, produisant une limite de détection de 0,1621 % d'épinards.

Conclusion

La création d'un système de mesure portable pour l'analyse optique des liquides nécessite une connaissance avancée des interactions chimiques, optiques et électroniques pour créer un dispositif précis, précis et facile à utiliser. Pour concevoir un tel dispositif avec une exactitude et une précision élevées, les concepteurs peuvent utiliser l'AFE optique ADPD4101BCBZR7 au lieu de concevoir une chaîne de signaux complexe en interne. Pour vous aider à démarrer, l'AFE est pris en charge par la conception de référence EVAL-CN0503-ARDZ. Celle-ci s'appuie sur l'ADPD4101BCBZR7 en ajoutant les composants optiques, le micrologiciel et le logiciel pour créer une plateforme de prototypage facile à utiliser et hautement adaptable, capable de produire des mesures optiques précises des paramètres d'absorbance, de colorimétrie, de turbidité et de fluorescence des liquides.