ADI 仅手掌大小的光学液体分析仪（下）— 平台方案解析与测试
《ADI 仅手掌大小的光学液体分析仪》系列专辑由两篇文章构成，主要介绍了光学液体分析仪的光路与电路结构原理，以及ADI分析仪方案的解析与测试。
本文为下篇，将会对ADI推出的4通道液体分析仪方案进行深入解析。关于液体分析的光学原理以及ADI推出的芯片平台介绍，可参考《ADI 仅手掌大小的光学液体分析仪(上) — 光路与电路结构原理》。
一、整体结构介绍
多参数光学液体分析仪的最主要结构是一个3D打印的检测池，配套的电路板设计能够支持其光路发挥功能，如下图（图1）所示。其中，电路板上包含了必备的光发射与接收器件，ADPD4101芯片及其外围电路，预留主控板接口用于连接ADUCM3029处理器的开发板，默认是位于该电路板的下方。在使用时，计算机通过该ADUCM3029开发板上的USB接口实现供电和通讯。该方案平台的ADI官方编号为CN0503。
具体分析其结构，可以看到不同位置的发射与接收光器件。如下图（图2）所示，首先是在检测池结构的对向、侧边、底部分别都设置有部件安装位置，接口为4pin排针。除了底部的4个光接收二极管是焊接在电路板上，其他位置的部件均采用可插拔式。下图（图3）为插拔部件实物图，为采用4pin排座接口的小型电路板，其上焊接了LED或光接收PD。CN0503方案演示了多种测量参数，其配套了多种波长型号的LED发光板，在后文中会有体现，根据不同的测量指标需求，需要更换不同波长型号的LED板。
二、测量光路原理
通过检测池的俯视解析图，可以直观看到该方案的平台光路原理。如下图（图4）所示，检测池分为4个独立的光路通道，每个通道都需要配备比色皿支架，支架结构中包含了聚光镜、平板分光器、窄带滤光器等等。检测池底部的4个接收PD是用于吸光度检测时的背景光参考，光源是自平板分光器分出的垂直90度光，这在上篇文章《ADI仅手掌大小的光学液体分析仪(上) — 光路与电路结构原理》的吸光度测量原理中进行了介绍。在侧边位置的接收PD用于接收水平90度散射光，具体用于浊度和荧光测量。
下图（图5）为比色皿支架的结构，其主要是将1mm长宽的透明比色皿固定于特定位置，而后引导光路进行反射散射等。在正向光路路径上，比色皿支架包含一个黑色圆柱体形状的窄带光滤波器，用于使光路更为洁净，检测结果更准确，客户在实际设计自己的方案时，也可以通过其他方法达到这一目的。在光路径后段，可见一个平板分光器，它可以将射入的LED光分出一路垂直90度向下的光束，用于作为吸光度测量中的参考光，起到抗干扰作用。实际上，该方案实现环境光抑制的最重要原理是通过ADPD1401的脉冲式光源方案，其在无光源瞬间会采集PD信号，而后自动与有光信号进行相减补偿。
在荧光测量时，水平90度侧的接收PD前需要增加滤光片，如下图（图6）所示。这是由于被测物质激发出的荧光往往非常微弱，此处PD接收的信号很有可能被散射光和环境光所淹没。通过增加滤光片，可以让荧光波长为主的光强进入接收PD。
三、pH值测量试验
在pH值测量试验中，将颜色指示剂（溴麝香草酚蓝）添加到不同 pH 值的溶液中，此时溶液的颜色将会因pH值的不同而显示不同颜色，如下图（图7）所示。将溶液转移到比色皿中，并在两种不同的波长（430 nm 和 615 nm）下进行测试。溶液中指示剂的吸光度会随 pH 值不同而变化。使用CN0503方案平台实现pH测量时，两个不同波长的 LED 小板可以插入光路 2 和光路 3。然后将比色皿支架简单地移动到这两个光路中进行测量。
通过上位机软件读取数据，然后绘制成表格。下图（图8）绘制了分别使用两种波长LED测量的 p值与吸光度的关系图，这些曲线可以用于作为校准数据的曲线。通过图上的标准pH数据点，添加趋势线可以获得校准曲线方程。通过使用这些方程，就可以确定其他被测样品的浓度。
四、浊度测量试验
下图（图9）所示为浊度测量的样品图，试验中是用530nm的光源在光路4通道中进行的测量。在做标定时，整体曲线按照低浑浊度、高浑浊度两个区段考察，这是因为 90度的散射测量结果对高浊度的响应较差。如下图（图10）所示，横轴表示的是对射与散射的强度比率，较低的浊度范围定义为0 NTU 到 100 NTU，较高的浊度范围定义为100 NTU 到 750 NTU，然后分别对两个区段进行线性拟合。需要注意的是，两段曲线数据之间是相互依赖的。第一段方程的结果是第二段方程的输入变量。存储方程值后，第一段可作为校准曲线测量低浊度样品，第二段可作为校准曲线测量高浊度样品。
五、荧光测量实验
荧光是一种化学特异性，可用于识别溶液中特定分子的存在和浓度。在此试验中，使用菠菜汁代替荧光叶绿素，通过稀释不同的浓度，制作成样品进行测量，如下图（图11）所示。荧光测量有许多应用场景，例如生物测定、溶解氧、化学需氧量、牛奶巴氏杀菌有效率等。
在本实验中，菠菜汁溶液是通过由打碎的菠菜叶与水混合制成的，然后将其固体过滤。使用本方案进行荧光测量室，是使用光路1通道，LED波长选用了365 nm，并在光路上加入了窄带滤光器。下图（图12）是菠菜汁浓度与荧光强度比率的图线，通过曲线拟合，可以作为标准曲线，用于未知浓度样品的测量。
六、总结
使用光学手段进行液体分析需要复杂的光路与电路结构，ADI推出的光学模拟前端芯片，具备通道数多、自带抗干扰的特点。其小巧的体积与业内领先的性能，为光学液体分析仪的小型化提供了可能性。本文详细分解介绍了这款实验室级多通道液体分析仪平台，为关心此技术的工程师客户提供了实用可行方案。欲了解更多技术细节和相关方案，您可以点击下方「联系我们」，提交您的需求，我们澳门人巴黎人1797公司愿意为您提供更详细的技术解答。
参考资料