Torne a análise óptica de líquidos universal usando um front-end de sensor multimodal

No contexto da preocupação global com a segurança da água potável devido às secas, à intensidade e à frequência das tempestades e ao aumento da população, a análise de líquidos se tornou extremamente importante. A análise em tempo real e no local de amostras de água é necessária para minimizar a poluição e seu impacto no ecossistema.

Esse sensoriamento de líquidos em tempo real exige avanços na instrumentação que incluem tamanho menor, menor consumo de energia, precisão aprimorada, personalização rápida, tempos de resposta mais rápidos e robustez, tudo isso enquanto fornece resultados de alta qualidade.

A instrumentação baseada em óptica é útil aqui, pois pode fazer medições de alta precisão que não são destrutivas, fornecendo detecção sem contato de medições como turbidez, carbono orgânico total, sólidos totais em suspensão, oxigênio dissolvido e presença de contaminantes iônicos. No entanto, esses sistemas exigem front-ends analógicos (AFEs) complexos para excitar diodos emissores de luz (LEDs) e, ao mesmo tempo, detectar e digitalizar a luz recebida em face do ruído ambiente e do sistema. Esses recursos de projeto estão além do conjunto de habilidades do projetista típico. O que é necessário é uma solução mais elegante e pronta para uso.

Este artigo discute brevemente a análise óptica de líquidos antes de apresentar uma plataforma portátil e em tempo real para análise rápida de líquidos com base em um AFE de sensor óptico multimodal da Analog Devices, Inc. Também é apresentado um projeto de referência baseado no AFE que oferece até quatro compartimentos de caminho óptico modular. O projeto de referência é usado para demonstrar como fazer medições do potencial de hidrogênio (pH), turbidez e fluorescência, além de criar curvas de calibração e medir incógnitas.

Noções básicas de análise óptica de líquidos

A análise óptica de líquidos pode ser usada para medir as concentrações de elementos em uma amostra de líquido. A técnica tem muitas vantagens, incluindo o fato de não ser destrutiva e usar sensoriamento sem contato. Além disso, os resultados oferecem alta precisão e baixo desvio.

Conceitualmente, a análise óptica expõe a amostra líquida à luz de uma fonte, como um diodo emissor de luz (LED), com um comprimento de onda óptico conhecido. A luz passa pela amostra, interage com ela e é detectada por um fotodiodo (PD). A resposta medida do PD é plotada em relação às respostas de amostras com concentrações conhecidas, que formam uma curva de calibração em relação à qual o valor desconhecido pode ser estabelecido.

Esse processo descreve as medições analíticas que seriam empregadas em um laboratório geral em que medições ópticas precisas de líquidos combinam os resultados de domínios mistos de eletrônica, óptica e química. Para tornar esse tipo de teste disponível de forma universal, é necessário dimensionar os processos para um fator de forma pequeno, aumentando portanto a complexidade do projeto.

Uma solução modular para medição rápida de líquidos

Para simplificar o processo de projeto do instrumento, a Analog Devices criou o projeto de referência EVAL-CN0503-ARDZ com base no front-end óptico analógico (AFE) ADPD4101BCBZR7. O ADPD4101BCBZR7 é um front-end de sensor multimodal completo que pode excitar até oito LEDs e medir até oito entradas separadas de retorno de corrente (Figura 1). O AFE rejeita as diferenças de sinal e interferência oriundas da interferência modulada assíncrona, que geralmente é causada pela luz ambiente. O AFE é altamente configurável e apresenta uma relação óptica de sinal-ruído (SNR) de até 100 decibéis (dB) com alta rejeição da luz ambiente usando métodos de detecção síncrona no chip, o que permite que, em muitos casos, ele seja usado sem um gabinete opticamente escuro.

Figura 1: O AFE de sensor multimodal ADPD4101BCBZR7 pode excitar até oito LEDs e medir até oito entradas separadas de retorno de corrente. (Fonte da imagem: Analog Devices, Inc.)

O projeto de referência EVAL-CN0503-ARDZ permite a criação rápida de protótipos de medições de análise de líquidos, incluindo fluorescência, turbidez, absorbância e colorimetria (Figura 2). Ele possui quatro compartimentos modulares de teste óptico que fornecem caminhos ópticos de passagem e dois compartimentos incluem caminhos de dispersão ortogonais (90°). Está incluído um porta-cubetas impresso em 3D para cubetas padrões de 10 milímetros (mm), que pode ser colocado em qualquer um dos quatro caminhos ópticos. O projeto de referência também oferece firmware de medição e software de aplicação voltado para a análise de líquidos.

Figura 2: O EVAL-CN0503-ARDZ inclui um porta-cubetas impresso em 3D para cubetas padrões de 10 mm que podem ser colocadas em qualquer um dos quatro caminhos ópticos que incorporam a óptica de medição. (Fonte da imagem: Analog Devices, Inc.)

O EVAL-CN0503-ARDZ se conecta ao EVAL-ADICUP3029, uma placa microcontroladora Arm® Cortex®-M3 de 32 bits, que lida com a operação de medição e o fluxo de dados. A placa EVAL-ADICUP3029 se conecta diretamente a um laptop para exibir os dados adquiridos na interface gráfica de avaliação do usuário.

As medições de fluorescência, turbidez, absorbância e colorimetria da análise de líquidos de uma amostra podem ser mensuradas pelo EVAL-CN0503-ARDZ. O porta-cubetas abriga o sistema óptico, incluindo uma lente colimadora e um divisor de feixe. Cada um dos slots contém um fotodiodo de referência e fornece um caminho óptico apropriado para a medição plug-and-play. Além disso, as placas de LED e de fotodiodo em cada compartimento podem ser trocadas para maior personalização.

Como demonstração, as medições de pH, turbidez e fluorescência serão usadas para criar curvas de calibração e, em seguida, medir incógnitas com o EVAL-CN0503-ARDZ e seu software de avaliação. Além disso, o valor do nível de ruído e o limite de detecção (LOD) são calculados. Isso determinará a menor concentração que pode ser detectada pelo EVAL-CN0503-ARDZ em cada exemplo.

Exemplo do teste de absorbância

As medições de absorbância, baseadas na Lei de Beer-Lambert, envolvem a determinação da concentração de um soluto conhecido em uma solução líquida com base na quantidade de luz absorvida em um comprimento de onda específico. Essa é uma forma de colorimetria. Neste exemplo, a absorbância é usada para medir o pH, um parâmetro comum em testes de qualidade da água. Esse tipo de teste também é útil em aplicações de análise, incluindo oxigênio dissolvido, demanda biológica de oxigênio, nitratos, amônia e cloro.

As medições de absorbância, usando um caminho óptico direto ou de passagem, podem ser feitas usando qualquer um dos quatro caminhos ópticos no EVAL-CN0503-ARDZ (Figura 3).

Figura 3: É mostrado um arranjo óptico para uma medição de absorbância usando o EVAL-CN0503-ARDZ. O porta-cubetas no EVAL-CN0503-ARDZ abriga a óptica, incluindo uma lente de colimação e um divisor de feixe. (Fonte da imagem: Analog Devices, Inc.)

Um LED com o comprimento de onda desejado gera o feixe incidente. Um divisor de feixe no caminho óptico direciona parte da luz para um fotodiodo de referência que coleta amostras da intensidade do feixe. O restante do feixe óptico é direcionado através da amostra. As variações na intensidade da luz e o ruído da fonte de LED são cancelados pela relação das saídas dos fotodiodos de transmissão e de referência.

A contaminação por luz ambiente de fontes de luz constantes é rejeitada em até 60 dB pelo ADPD4101BCBZR7. Isso é feito usando um esquema de modulação síncrona que modula a corrente do LED e mede de forma síncrona a diferença entre o estado escuro (desligado) (em que a luz ambiente é o único componente) e o estado excitado (ligado) (em que a luz ambiente e a componente do LED estão presentes). Essa rejeição de luz ambiente é automática; não são necessários controles externos.

Além do EVAL-CN0503-ARDZ, este exemplo requer o EVAL-ADICUP3029 mencionado anteriormente. Ele usa um kit de teste e ajuste de pH API e um conjunto de amostras de solução tampão de pH para calibração.

Os analitos foram preparados com a adição de um indicador de cor (azul de bromotimol) do kit de teste API para as soluções preparadas com diferentes valores de pH. O azul de bromotimol, em solução, separa-se em um ácido fraco com alta absorção de luz a 430 nanômetros (nm) e uma base conjugada que tem alta absorção de luz a 650 nm.

As soluções foram transferidas para cubetas, e a medição do pH foi feita nesses dois comprimentos de onda diferentes, nos quais o indicador mostra mudanças na absorção em função do pH. Isso é facilmente realizado no EVAL-CN0503-ARDZ usando duas placas de LED para diferentes comprimentos de onda, que foram inseridas no caminho óptico 2 e no caminho óptico 3. O porta-cubetas é movido para os dois caminhos diferentes para as medições.

Os resultados de ambos os caminhos ópticos foram exportados para o Excel usando a interface gráfica do usuário do software de avaliação do EVAL-CN0503-ARDZ (Figura 4).

Figura 4: São mostradas as curvas de calibração de absorbância de pH para testes com fontes de luz de 430 nm (esquerda) e 650 nm (direita). (Fonte da imagem: Analog Devices, Inc.)

Em ambos os casos, o pH vs. absorbância foi plotado para criar a curva de calibração. Uma função de linha de tendência no Excel foi usada para gerar uma equação para a curva. A estimativa da qualidade do ajuste, R², está próxima de 1,0 em ambos os casos, indicando a excelente qualidade do ajuste. As concentrações de amostras desconhecidas podem ser determinadas a partir dessas equações com a saída do sensor inserida como a variável x, e o valor y resultante é o pH. O software de avaliação do EVAL-CN0503-ARDZ implementa dois polinômios de quinta ordem, INS1 e INS2. Depois que os polinômios são armazenados, o modo INS1 ou INS2 pode ser selecionado para que os resultados das medições sejam informados diretamente na unidade desejada, nesse caso, pH. Isso simplifica a obtenção de um resultado para uma amostra desconhecida.

O nível de ruído da medição requer dois pontos de dados diferentes para cada comprimento de onda. Um deve ter um valor de pH mais baixo e o outro deve ter um valor mais alto. Dois valores são usados porque o ajuste da curva não é linear. Os valores de pH escolhidos foram 6,1 e 7,5. Foram feitas várias medições de cada ponto, e o desvio padrão dos dados produz o valor de ruído da raiz quadrada média (RMS) em cada comprimento de onda para cada valor de pH. Os resultados são mostrados na Tabela 1.

Tabela 1: São mostrados os valores de ruído RMS para dois valores de pH em dois comprimentos de onda. (Fonte da tabela: Analog Devices, Inc.)

Observe que esses dados excluem variações devidas à preparação da amostra.

O limite de detecção (LOD) determina a menor concentração que pode ser detectada pelo EVAL-CN0503-ARDZ. Normalmente, o LOD é determinado medindo-se o ruído em níveis baixos de concentração. Para atingir um nível de confiança de 99,7%, o valor do ruído é multiplicado por três. Como o pH é uma escala logarítmica, o LOD foi determinado para um pH de 7. Isso foi feito novamente em comprimentos de onda de 430 nm e 625 nm. O LOD a 430 nm foi um pH de 0,001099, e o LOD a 615 nm foi um pH de 0,001456.

Um exemplo do teste de turbidez

A turbidez mede a claridade relativa de um líquido. A medição é baseada na propriedade de dispersão da luz das partículas suspensas no líquido. A dispersão da luz é afetada pelo tamanho e pela concentração das partículas suspensas, bem como pelo comprimento de onda da luz incidente. Esses fatores afetam a quantidade de luz dispersa e o ângulo de dispersão. Os testes de turbidez são realizados em muitos setores, incluindo o de qualidade da água e ciências da vida. Ele também pode ser aplicado para determinar o crescimento de algas por meio da medição da densidade óptica.

O caminho óptico para o teste de turbidez usa fotodiodos posicionados para detectar a luz em ângulos de 90˚ ou 180˚. No EVAL-CN0503-ARDZ, o teste de turbidez requer um detector a 90˚, que está disponível nos compartimentos de teste 1 e 4. O compartimento óptico 4, com uma placa de LED de 530 nm inserida como fonte, é mostrado na Figura 5.

Figura 5: O caminho óptico para um teste de turbidez usa fotodetectores a 90˚ e 180˚ do caminho da luz para detectar a luz espalhada pelas partículas na solução. (Fonte da imagem: Analog Devices, Inc.)

Este exemplo demonstra uma versão modificada do Método EPA 180.1, "Determinação da turbidez por nefelometria", calibrado e relatado em unidades de turbidez nefelométrica (NTU).

O equipamento usado para o teste de turbidez inclui as placas de avaliação EVAL-CN0503-ARDZ e EVAL-ADICUP3029, bem como o conjunto do padrão de calibração da turbidez da Hanna Instruments. O padrão de calibração da turbidez fornece microesferas de tamanhos específicos em água ultrapura. Essas soluções são usadas para calibrar e validar as medições de turbidez.

Usando a interface gráfica do usuário (GUI) de avaliação do software do EVAL-CN0503-ARDZ, os resultados das medições foram exportados para o Excel, onde foi gerada uma curva de calibração da turbidez (Figura 6).

Figura 6: Essas curvas de calibração são baseadas nos resultados dos testes de turbidez. O ajuste linear da curva mostra que os modelos lineares têm excelentes estimativas de qualidade de ajuste (R²). (Fonte da imagem: Analog Devices, Inc.)

Observe que, na Figura 6, os valores da razão relativa (RRAT) da abscissa têm como referência a linha de base ou os valores da razão absoluta com base em um arranjo de medição conhecido com uma cubeta vazia ou com água destilada, em que a razão entre a luz incidente e a refletida é quase 1. Esse processo é usado para remover pequenos fatores introduzidos na medição pelos elementos de vidro óptico, como o divisor de feixe, a lente e os filtros. Esse valor é usado como referência para medições sucessivas.

Como a medição de dispersão de 90° é menos sensível em alta turbidez, a curva de resposta foi dividida em duas seções: a primeira seção representa a turbidez mais baixa (0 NTU a 100 NTU) e a outra representa a turbidez mais alta (100 NTU a 750 NTU). Em seguida, foram feitos dois ajustes lineares para cada seção. Embora agora existam dois valores de equação, o EVAL-CN0503-ARDZ ainda pode ser usado para mostrar rapidamente os valores de NTU resultantes usando os ajustes polinomiais INS1 ou INS2 integrados.

O valor do ruído foi determinado pelo desvio padrão de medições repetidas. Devido ao ajuste linear, apenas um ponto de ruído próximo à parte inferior do intervalo (12 NTU) foi usado. O nível de ruído foi medido em 0,282474 NTU.

O LOD foi estabelecido tomando-se o valor de ruído de uma amostra com uma concentração baixa ou em branco. Novamente, o valor do ruído foi multiplicado por três para representar um intervalo de confiança de 99,7%. Para uma concentração de amostra em branco, o LOD foi de 0,69204 NTU.

Um exemplo do teste de fluorescência

A fluorescência é o resultado da excitação dos elétrons de alguns materiais por um feixe de luz, fazendo com que eles emitam luz em outro comprimento de onda. A intensidade da luz emitida é proporcional à concentração do material sensível à luz. Em geral, a fluorometria é muito mais sensível do que o uso de medições de absorbância para medir a concentração de materiais na solução. As emissões de fluorescência podem ser usadas para identificar a presença e a quantidade de moléculas específicas porque são quimicamente específicas. As medições de fluorescência são lineares em uma faixa mais ampla de concentrações. As aplicações das medições de fluorescência incluem ensaios biológicos, oxigênio dissolvido, demanda química de oxigênio e detecção de pasteurização bem-sucedida no leite.

Em geral, as emissões de fluorescência são medidas usando um fotodetector posicionado a 90° da luz incidente para minimizar seu efeito na medição. Um detector de referência para medir a luz incidente é usado para minimizar os fatores que interferem na medição. Esses fatores incluem distorções da fonte de luz, iluminação externa e pequenos movimentos na amostra. Além disso, um filtro óptico monocromático ou de passagem de comprimentos de onda maiores é usado com o detector de fluorescência para aumentar a separação entre a luz incidente e a emitida (Figura 7).

Figura 7: O caminho óptico para medição de fluorescência. O fotodiodo de fluorescência é colocado a 90° do caminho da luz incidente. Um filtro de fluorescência atenua o comprimento de onda do LED da fonte. (Fonte da imagem: Analog Devices, Inc.)

Novamente, o equipamento usado para o teste de fluorescência inclui as placas EVAL-CN0503-ARDZ e EVAL-ADICUP3029.

Neste exemplo, as folhas de espinafre foram usadas para demonstrar a fluorescência da clorofila. Uma solução de espinafre foi criada misturando-se folhas de espinafre com água. Após a filtragem, foi usada como uma solução estoque. Diferentes porcentagens da solução de espinafre foram criadas pela diluição da solução estoque e foram usadas como padrões para criar uma curva de calibração. Como era necessário um detector ortogonal, foi usado o compartimento óptico 1 no EVAL-CN0503-ARDZ. A fonte era um LED com comprimento de onda de 365 nm, com a inserção de um filtro de passagem de comprimento de onda longo.

Foram testadas sete porcentagens diferentes da solução de espinafre, e a curva de calibração da clorofila foi traçada (Figura 8).

Figura 8: Curva de calibração da solução de porcentagem de espinafre, incluindo a equação da linha de tendência. (Fonte da imagem: Analog Devices, Inc.)

Como nos exemplos anteriores, a equação da linha de tendência para a curva de calibração da clorofila pode ser armazenada para que os resultados sejam informados diretamente como uma porcentagem pelo EVAL-CN0503-ARDZ.

Como a curva de calibração não é linear, o ruído foi medido usando dois pontos de dados: 7,5% e 20%. O desvio padrão de vários testes com cada amostra produziu um valor de ruído RMS de 0,0616% de espinafre para a amostra de 7,5% e 0,1159% de espinafre para a amostra de 20%.

O LOD foi determinado usando uma amostra em branco ou de baixa concentração. Novamente, a medição de ruído RMS da amostra foi multiplicada por três para representar um nível de confiança de 99,7%, produzindo um LOD de 0,1621% de espinafre.

Conclusão

A criação de um sistema portátil de medição de análise óptica de líquidos requer um conhecimento considerável das interações entre química, óptica e eletrônica para criar um dispositivo que seja preciso, exato e fácil de usar. Para projetar um com alta exatidão e precisão, os projetistas podem usar o AFE óptico ADPD4101BCBZR7 em vez de projetar uma cadeia de sinal complexa própria. Para ajudar a começar, o AFE é compatível com o projeto de referência EVAL-CN0503-ARDZ. Ele se baseia no ADPD4101BCBZR7, adicionando os componentes ópticos, o firmware e o software para criar uma plataforma de prototipagem fácil de usar e altamente adaptável, capaz de produzir medições ópticas precisas de parâmetros líquidos de absorbância, colorimetria, turbidez e fluorescência.