ADI僅手掌大小的光學液體分析儀

作者：駿龍科技現(xiàn)場應(yīng)用工程師

pH值、濁度等指標是常見的液體分析需求，傳統(tǒng)的光學原理液體分析儀器都是龐大的實驗室設(shè)備，做一次液體分析常常耗時一天。ADI推出了高集成化的光學傳感前端芯片，讓此類儀器的體積可以做到手掌大小。本文將為大家具體介紹光學液體分析儀的光路與電路結(jié)構(gòu)原理，并對ADI推出的4通道液體分析儀方案進行深入解析。

1.光路與電路結(jié)構(gòu)
在所有液體分析手段中，光學是最理想的方法之一，它具有高精度、非接觸、無損耗的顯著優(yōu)勢。受其原理所限，一條完整的檢測通道需要復(fù)雜精密的光路結(jié)構(gòu)與配套電路，包括特定波長的光源、光路分光器、用于抗干擾的斬光器、樣品比色容器、光接收器件與電路、電信號調(diào)理和采集分析等，如下圖（圖1）所示。此外，不同測量指標所需的光波長和光路是有區(qū)別的，一臺液體分析儀器中需要集成多個通道，因此，傳統(tǒng)光學原理的液體分析儀器體積龐大。

對于電路結(jié)構(gòu)，液體分析儀器的發(fā)射端需要光源驅(qū)動、斬光控制電路等。接收端需要光電二極管接收、信號放大、濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換等模擬電路，以及后端用于控制和運算分析的數(shù)字電路。

圖1 用于液體分析的光路與電路結(jié)構(gòu)

2.吸光度測量方法
吸光度測量是液體分析中最核心的步驟。這種方法被稱為比色法，根據(jù)比爾-朗伯定律的原理，液體中特定物質(zhì)的濃度與吸光度是正相關(guān)的。另外一種衍生方法，是在溶液中加入特定顯色劑，通過測量溶液顏色變化來分析液體指標，例如pH測量。

下圖(圖2)為細化的單通道溶液吸光度測量光路示意圖。入射光束被分光器分成兩路—參考光束與測量光束。參考光束是直接進入接收二極管，而測量光束是經(jīng)由樣品再進入接收二極管。由于兩條相同的接收路徑同時對測量光束和參考光束進行采樣，使用軟件將兩路結(jié)果相減，就可以抑制隨時間變化的環(huán)境光的影響。此外，通過交替交換接收路徑，以及對結(jié)果進行平均等手段，還可以減少兩個接收路徑之間的誤差。

圖2 吸光度測量光路圖

3.濁度和熒光測量方法
用光學方法測量液體的渾濁度，是利用了光散射的原理。光線照在液體中懸浮顆粒的表面時，會向四周發(fā)生散射，散射光強度和散射角由入射光波長和懸浮物粒徑、濃度決定。下圖（圖3）所示是一種常用的濁度測量光路結(jié)構(gòu)，示意圖為俯視視角，當一側(cè)的光源射入懸浮液樣品時，設(shè)置對側(cè)和90度側(cè)兩處光接收裝置，通過對比兩處的光強，可以推算濁度指標。

圖3 濁度測量光路圖

某些特定物質(zhì)再被紫外光等照射時，會激發(fā)出另一種波長的光，稱為熒光。通過檢測熒光的強度來分析物質(zhì)含量，相比吸光度檢測法的線性度更高。但熒光的強度往往很微弱，需要更靈敏的檢測與抗干擾手段。下圖（圖4）所示為熒光測量光路圖，其與濁度測量的光路非常類似，也是在對側(cè)和90側(cè)進行光強采集，不同的是，此時想四周發(fā)散的是熒光，需要在90度側(cè)的接收處增加濾光片，只允許熒光波長通過。最后，通過測算對側(cè)與90度側(cè)的光比率，來獲得熒光強度。

圖4 熒光測量光路圖

4.高度集成化的芯片
由以上幾種測量手段的原理描述，可以看出要想實現(xiàn)光學方法的液體分析，需要配套多路的光源與接收電路，以及小信號調(diào)理采集電路等。ADI最新推出的ADPD4100/1系列產(chǎn)品，充分滿足了這類技術(shù)需求，其中，ADPD4100與ADPD4101的區(qū)別僅在于其對外通信接口，分別為SPI和IIC。芯片具有微體積、低成本的優(yōu)勢，長寬僅為3mm左右。駿龍科技可以為工程師提供此芯片的試驗樣品和充足技術(shù)支持，助力工程師搭建完整的芯片外圍電路方案，直至項目批量生產(chǎn)的芯片供應(yīng)。

下圖（圖5）所示為芯片的結(jié)構(gòu)原理圖，其具備以下幾種主要特性：

• 8路LED驅(qū)動（可同時4路工作）與8路光接收通道

• 自帶基于脈沖光與數(shù)字濾波器的環(huán)境光抑制功能

• 發(fā)射接收信號鏈具有100dB的超高信噪比

• 內(nèi)部ADC最高可達9kHz的采樣速率

圖5 ADPD4100/1產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)圖

5.多參數(shù)液體分析應(yīng)用
基于ADPD4101的產(chǎn)品平臺，ADI打造了同時支持4路通道的光學液體分析方案。如下圖（圖6）所示，ADPD4101可支持同時帶動4路LED工作，總驅(qū)動電流達到400mA，8個接收通道可以靈活配置為接收PD的正或負端，然后接入芯片內(nèi)部的TIA電路。通過設(shè)計各種模式的跳針，該方案可以接入多路不同采樣位置的接收PD，同時支持4通道不同類型的液體分析，包括了本文上述的吸光度、熒光、濁度等等。

圖6 4通道液體分析方案

由于ADI芯片及其外圍電路本身占用面積很小，此方案的體積基本都體現(xiàn)在4路的樣品池及其光路裝置。其實際的面積僅為手掌大小，下圖（圖7）為該方案的平臺實物圖。

圖7 ADI的4通道液體分析方案

6. 液體分析儀結(jié)構(gòu)介紹
多參數(shù)光學液體分析儀的最主要結(jié)構(gòu)是一個3D打印的檢測池，配套的電路板設(shè)計能夠支持其光路發(fā)揮功能，如下圖（圖8）所示。其中，電路板上包含了必備的光發(fā)射與接收器件，ADPD4101芯片及其外圍電路，預(yù)留主控板接口用于連接ADUCM3029處理器的開發(fā)板，默認是位于該電路板的下方。在使用時，計算機通過該ADUCM3029開發(fā)板上的USB接口實現(xiàn)供電和通訊。該方案平臺的ADI官方編號為CN0503，如需要測試評估該方案的實物，可以咨詢駿龍科技當?shù)剞k事處。

圖8 光學液體分析儀方案平臺

具體分析其結(jié)構(gòu)，可以看到不同位置的發(fā)射與接收光器件。如下圖（圖9）所示，首先是在檢測池結(jié)構(gòu)的對向、側(cè)邊、底部分別都設(shè)置有部件安裝位置，接口為4pin排針。除了底部的4個光接收二極管是焊接在電路板上，其他位置的部件均采用可插拔式。下圖（圖10）為插拔部件實物圖，為采用4pin排座接口的小型電路板，其上焊接了LED或光接收PD。CN0503方案演示了多種測量參數(shù)，其配套了多種波長型號的LED發(fā)光板，在后文中會有體現(xiàn)，根據(jù)不同的測量指標需求，需要更換不同波長型號的LED板。

圖9 檢測池光配件的安裝位置

圖10 LED光源板和光接收PD板

7.測量光路原理
通過檢測池的俯視解析圖，可以直觀看到該方案的平臺光路原理。如下圖（圖11）所示，檢測池分為4個獨立的光路通道，每個通道都需要配備比色皿支架，支架結(jié)構(gòu)中包含了聚光鏡、平板分光器、窄帶濾光器等等。檢測池底部的4個接收PD是用于吸光度檢測時的背景光參考，光源是自平板分光器分出的垂直90度光，這在前文的吸光度測量原理中進行了介紹。在側(cè)邊位置的接收PD用于接收水平90度散射光，具體用于濁度和熒光測量。

圖11 檢測池結(jié)構(gòu)原理示意圖

下圖（圖12）為比色皿支架的結(jié)構(gòu)，其主要是將1mm長寬的透明比色皿固定于特定位置，而后引導光路進行反射散射等。在正向光路路徑上，比色皿支架包含一個黑色圓柱體形狀的窄帶光濾波器，用于使光路更為潔凈，檢測結(jié)果更準確，客戶在實際設(shè)計自己的方案時，也可以通過其他方法達到這一目的。在光路徑后段，可見一個平板分光器，它可以將射入的LED光分出一路垂直90度向下的光束，用于作為吸光度測量中的參考光，起到抗干擾作用。實際上，該方案實現(xiàn)環(huán)境光抑制的最重要原理是通過ADPD1401的脈沖式光源方案，其在無光源瞬間會采集PD信號，而后自動與有光信號進行相減補償。

圖12 比色皿支架結(jié)構(gòu)

在熒光測量時，水平90度側(cè)的接收PD前需要增加濾光片，如下圖（圖13）所示。這是由于被測物質(zhì)激發(fā)出的熒光往往非常微弱，此處PD接收的信號很有可能被散射光和環(huán)境光所淹沒。通過增加濾光片，可以讓熒光波長為主的光強進入接收PD。

圖13 熒光測量光路原理

8.pH值測量試驗
在pH值測量試驗中，將顏色指示劑（溴麝香草酚藍）添加到不同 pH 值的溶液中，此時溶液的顏色將會因pH值的不同而顯示不同顏色，如下圖（圖14）所示。將溶液轉(zhuǎn)移到比色皿中，并在兩種不同的波長（430 nm 和 615 nm）下進行測試。溶液中指示劑的吸光度會隨 pH 值不同而變化。使用CN0503方案平臺實現(xiàn)pH測量時，兩個不同波長的 LED 小板可以插入光路 2 和光路 3。然后將比色皿支架簡單地移動到這兩個光路中進行測量。

圖14 不同pH值溶液的顯色效果

通過上位機軟件讀取數(shù)據(jù)，然后繪制成表格。下圖（圖15）繪制了分別使用兩種波長LED測量的 p值與吸光度的關(guān)系圖，這些曲線可以用于作為校準數(shù)據(jù)的曲線。通過圖上的標準pH數(shù)據(jù)點，添加趨勢線可以獲得校準曲線方程。通過使用這些方程，就可以確定其他被測樣品的濃度。

圖15兩種光波長的pH與吸光度關(guān)系圖

9.濁度測量試驗
下圖（圖16）所示為濁度測量的樣品圖，試驗中是用530nm的光源在光路4通道中進行的測量。在做標定時，整體曲線按照低渾濁度、高渾濁度兩個區(qū)段考察，這是因為 90度的散射測量結(jié)果對高濁度的響應(yīng)較差。如下圖（圖17）所示，橫軸表示的是對射與散射的強度比率，較低的濁度范圍定義為0 NTU 到 100 NTU，較高的濁度范圍定義為100 NTU 到 750 NTU，然后分別對兩個區(qū)段進行線性擬合。需要注意的是，兩段曲線數(shù)據(jù)之間是相互依賴的。第一段方程的結(jié)果是第二段方程 的輸入變量。存儲方程值后，第一段可作為校準曲線測量低濁度樣品，第二段可作為校準曲線測量高濁度樣品。

圖16 濁度測量試驗樣品

圖17 濁度測量結(jié)果曲線圖

10.熒光測量實驗
熒光是一種化學特異性，可用于識別溶液中特定分子的存在和濃度。在此試驗中，使用菠菜汁代替熒光葉綠素，通過稀釋不同的濃度，制作成樣品進行測量，如下圖（圖18）所示。熒光測量有許多應(yīng)用場景，例如生物測定、溶解氧、化學需氧量、牛奶巴氏殺菌有效率等。

圖18 不同濃度的菠菜液汁樣品

在本實驗中，菠菜汁溶液是通過由打碎的菠菜葉與水混合制成的，然后將其固體過濾。使用本方案進行熒光測量室，是使用光路1通道，LED波長選用了365 nm，并在光路上加入了窄帶濾光器。下圖（圖19）是菠菜汁濃度與熒光強度比率的圖線，通過曲線擬合，可以作為標準曲線，用于未知濃度樣品的測量。

圖19 菠菜汁濃度與熒光比率曲線圖

11.總結(jié)
使用光學手段進行液體分析需要復(fù)雜的光路與電路結(jié)構(gòu)，ADI推出的光學模擬前端芯片，具備通道數(shù)多、自帶抗干擾的特點。其小巧的體積與業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的性能，為光學液體分析儀的小型化提供了可能性。ADI推出了具有實用意義的實驗室級多通道液體分析儀方案，本文介紹了光學液體分析的基礎(chǔ)知識，并對該液體分析儀方案的結(jié)構(gòu)與工作原理進行了詳細技術(shù)拆解與分析。欲了解更多技術(shù)細節(jié)方案和進行評估測試，請聯(lián)系駿龍科技公司為您提供更詳細的技術(shù)解答。

參考文獻
[1] ADPD4100/1產(chǎn)品頁面：https://www.analog.com/cn/products/adpd4101.html

[2] CN0503應(yīng)用方案頁面：https://www.analog.com/cn/design-center/reference-designs/circuits-from-the-lab/cn0503.html

作者：王斌