הפיכת אנליזת נוזלים אופטית לנפוצה באמצעות קצה-קדמי עם חיישן רב-אופנים

אנליזה של נוזלים הוא תחום הצובר חשיבות קריטית נוכח הדאגה העולמית לאבטחת מים ראויים לשתייה לאור התגברות הבצורת, עלייה בעוצמה ובתכיפות של סערות וגידול האוכלוסייה. מזעור הזיהום והשפעתו על המערכת האקולוגית מצריכים ניתוח של דגימות מים בשטח ובזמן אמת.

יכולת חישת נוזלים בזמן אמת מצריכה מכשור מתקדם המתאפיין במידות קומפקטיות, צריכת חשמל נמוכה, דיוק משופר, אפשרות התאמה-מיוחדת מהירה, קיצור זמני התגובה וחוסן, כל אלה תוך קבלת תוצאות באיכות גבוהה.

מכשור אופטי הוא פתרון מעשי במקרה זה, מכיוון שהוא מאפשר לבצע מדידות אל-הרס בדיוק גבוה ולספק חישה ללא-מגע של מאפיינים כגון עכירות, כלל הפחמן האורגני, כלל המוצקים המרחפים, חמצן מומס ונוכחות של מזהמים יוניים. עם זאת, מערכות כאלה דורשות מערכי קצה-קדמי אנלוגי (AFE) מורכבים כדי לדחוף דיודות פולטות אור (LED) ובמקביל לבצע חישה ודיגיטציה של האור הנקלט נוכח רעשי הסביבה והמערכת כאחד. יכולות תכנון כאלו חורגות ממערך הכישורים של המתכנן הטיפוסי. כאן דרוש פתרון מן-המדף אלגנטי יותר.

מאמר זה עוסק בקצרה באנליזה אופטית של נוזלים ובהמשך מציג פלטפורמה ניידת לאנליזה מהירה בזמן-אמת של נוזלים המבוססת על AFE עם חיישן אופטי רב-אופנים (Multimodal‏) של .Analog Devices, Inc‏. כמו כן מוצג כאן תכן ייחוס המבוסס על AFE ומציע עד ארבעה תאי מסלול אופטי (Optical path bays) מודולריים. תכן הייחוס ממחיש את אופן הביצוע של מדידות pH, עכירות ופלואורסצנציה (Fluorescence), יצירת עקומות כיול ומדידת משתנים לא ידועים.

עקרונות בסיסיים באנליזה אופטית של נוזלים

ניתן להשתמש באנליזה אופטית של נוזלים למדידת ריכוזים של יסודות בדגימת נוזל. לטכניקה זו יתרונות רבים; בין היתר, היא אינה הרסנית ועושה שימוש בחישה ללא-מגע. נוסף לכך, התוצאות מתאפיינות בדיוק גבוה ובסחיפה נמוכה.

השיטה מבוססת על הרעיון של חשיפת דגימת הנוזל למקור אור, כגון דיודה פולטת אור (LED) באורך גל ידוע. האור עובר דרך הדגימה, פועל עליה באופן אינטראקטיבי ונקלט על ידי פוטו-דיודה (PD). קריאות המדידה של ה-PD משורטטות מול הקריאות שהתקבלו מדגימות בעלות ריכוזים ידועים, וכך נוצרת עקומה המאפשרת לקבוע את הריכוז של ערכים לא-ידועים.

תהליך זה מתאר את המדידות האנליטיות המקובלות במעבדה כללית המבצעת מדידות אופטיות מדויקות של נוזלים בשיטה המשלבת טכנולוגיות מעולם האלקטרוניקה, האופטיקה והכימיה. כדי לאפשר זמינות גורפת של בדיקות מסוג זה, נדרש מזעור פיזי של התהליכים, דבר המגדיל את מורכבות התכן.

פתרון מודולרי למדידה מהירה של נוזל

כדי לפשט את תהליך התכנון של המכשיר, Analog Devices יצרה את ה-EVAL-CN0503-ARDZ, תכן ייחוס המבוסס על התקן קצה-קדמי אנלוגי (AFE)‏ אופטי ADPD4101BCBZR7. ה-ADPD4101BCBZR7 הוא התקן קצה-קדמי שלם עם חיישן אופטי רב-אופנים המסוגל לדחוף עד שמונה נורות LED ולמדוד עד שמונה כניסות זרם חוזר נפרדות (איור 1). ה-AFE דוחה היסטי אותות והפרעות שמקורן בהתאבכות מאופננת אסינכרונית (Asynchronous modulated interference), הנובעת בדרך כלל מאור הסביבה. ה-AFE ניתן-להגדרה באופן נרחב והוא בעל יחס אות-לרעש (SNR) אופטי של עד 100 דציבלים (dB) עם דחיית אור סביבה גבוהה. באמצעות שיטות גילוי סינכרוני על-השבב הוא מאפשר במקרים רבים שימוש ברכיב ללא מארז סגור מוחשך אופטית.

איור 1: ADPD4101BCBZR7, התקן קצה-קדמי עם חיישן אופטי רב-אופנים המסוגל לדחוף עד שמונה נורות LED ולמדוד עד שמונה כניסות זרם חוזר נפרדות. (מקור התמונה: Analog Devices)

תכן הייחוס EVAL-CN0503-ARDZ מאפשר יצירה מהירה של אב-טיפוס למדידות אנליטיות של נוזלים, כולל פלואורסצנציה, עכירות, בליעה וקולורימטריה (איור 2). הוא כולל ארבעה תאי בדיקה אופטית מודולריים המספקים מסלולים אופטיים Pass-Through‏, ושני תאים הכוללים מסלולי פיזור (Scattering) ניצבים (90°). נוסף לכך יש בו מחזיק קובטה (Cuvette‏) המיוצר בהדפסת 3D‏ ומיועד עבור קובטות סטנדרטיות של 10 מילימטר (מ"מ) שניתן למקם אותן בכל אחד מארבעת המסלולים האופטיים. תכן הייחוס מספק גם קושחת מדידה ותוכנת יישום המיועדים עבור אנליזה של נוזלים.

איור 2: ה-EVAL-CN0503-ARDZ כולל מחזיק קובטות המיוצר בהדפסת 3D‏ ומיועד עבור קובטות סטנדרטיות של 10 מ"מ אותן ניתן למקם בכל אחד מארבעת המסלולים האופטיים שבהם רכיבי האופטיקה המבצעים את המדידה. (מקור התמונה: Analog Devices)

ה-EVAL-CN0503-ARDZ מתחבר עם ה-EVAL-ADICUP3029, לוח מיקרו-בקר Cortex®-M3‏ ®Arm‏ של Bit‏-32‏, המטפל בפעולת המדידה ובהזרמת הנתונים. לוח ה-EVAL-ADICUP3029 מתחבר ישירות למחשב נייד כדי להציג נתונים שנקלטו בממשק המשתמש הגרפי המשמש להערכה.

ה-EVAL-CN0503-ARDZ מאפשר למדוד נתוני אנליזה כגון פלואורסצנציה, עכירות, בליעה וקולורימטריה של דגימת נוזל. מחזיק הקובטות מכיל את רכיבי האופטיקה, כולל עדשת קולימציה ומפצל אלומה (Beam splitter). כל אחד מהתאים מכיל פוטו-דיודת ייחוס ומספק מסלול אופטי מתאים עבור מדידה באופן Plug-and-Play. בנוסף ניתן להחליף בין כרטיסי ה-LED והפוטו-דיודות בכל תא לצורך התאמה-מיוחדת נוספת.

כהדגמה ייערכו מדידות של pH, עכירות ופלואורסצנציה כדי ליצור עקומות כיול, ולאחר מכן יימדדו משתנים לא ידועים באמצעות ה-EVAL-CN0503-ARDZ ותוכנת ההערכה המשולבת בו. נוסף לכך מתבצע חישוב של ערך רמת הרעש וגבול הגילוי (LOD‏). תוצאת החישוב תשמש לקביעת הריכוז הנמוך ביותר שניתן לגלות על ידי ה-EVAL-CN0503-ARDZ בכל דוגמה.

דוגמה לבדיקת בליעה אופטית

מדידות בליעה המבוססות על חוק בר-למברט (Beer–Lambert law) וכוללות קביעה של ריכוז מומס ידוע בתמיסה נוזלית על סמך כמות האור הנבלעת באורך גל מסוים. זוהי צורה של קולורימטריה. בדוגמה זו, הבליעה משמשת למדידת pH, פרמטר נפוץ בבדיקת איכות של מים. בדיקה מסוג זה היא שימושית גם ביישומי אנליזה, כולל חמצן מומס, דרישת חמצן ביולוגית, חנקות, אמוניה וכלורין.

ניתן לבצע מדידות בליעה באמצעות מסלול אופטי ישיר או Pass-through, באמצעות כל אחד מארבעת המסלולים האופטיים ב-EVAL-CN0503-ARDZ (איור 3).

איור 3: מערך אופטי למדידת בליעה באמצעות EVAL-CN0503-ARDZ. מחזיק הקובטות ב-EVAL-CN0503-ARDZ מכיל את הרכיבים האופטיים, כולל עדשת קולימציה ומפצל אלומה (Beam splitter). (מקור התמונה: Analog Devices)

נורת LED באורך הגל הרצוי יוצרת את האלומה הפוגעת (Incident beam). מפצל אלומה בנתיב האופטי מכוון חלק מהאור אל פוטו-דיודת ייחוס הדוגמת את עוצמת האלומה. החלק הנותר של האלומה האופטית מופנה דרך הדגימה. השינויים בעוצמת האור וברעש של מקור ה-LED מתבטלים על ידי שימוש ביחס בין קריאת הפוטו-דיודה של האור העובר לבין זו של פוטו-דיודת הייחוס.

ה-ADPD4101BCBZR7 דוחה זיהום אור סביבה ממקורות אור קבועים ברמה של עד dB‏ 60‏. הדבר נעשה באמצעות סכמת אפנון סינכרוני המאפננת את זרם ה-LED ומודדת באופן סינכרוני את ההפרש בין המצב המואפל (כבוי) (שבו אור הסביבה הוא הרכיב היחיד) לבין המצב המעורר (מופעל) (שבו קיימים גם רכיב אור סביבה וגם רכיב אור LED). דחיית אור הסביבה היא אוטומטית; אין צורך באמצעי בקרה חיצוניים.

נוסף ל-EVAL-CN0503-ARDZ, בדוגמה זו נדרש גם ה-EVAL-ADICUP3029 שהוזכר קודם לכן. הוא משתמש בערכת בדיקה והתאמת pH באמצעות API ובמערך דגימות תמיסת pH Buffer‏ עבור כיול.

חומרי האנליזה הוכנו על ידי הוספת אינדיקטור צבע (ברומותימול כחול) מערכת הבדיקה באמצעות API לתמיסות שהוכנו בערכי pH שונים. ברומותימול כחול, בתמיסה, מפריד לחומצה חלשה עם בליעת אור גבוהה ב-430 ננומטר (nm‏), ולבסיס מצומד (Conjugate base‏) בעל בליעה גבוהה של אור nm‏ 650‏.

התמיסות הועברו לקובטות, ומדידת ה-pH נעשתה בשני אורכי גל שונים אלו כאשר האינדיקטור מציג שינויים בבליעה כפונקציה של ה-pH. קל מאוד לממש זאת באמצעות ה-EVAL-CN0503-ARDZ על ידי שימוש בשני כרטיסי LED עבור אורכי גל שונים שהוכנסו למסלול אופטי 2 ולמסלול אופטי 3. מחזיק הקובטות מועבר לשני המסלולים השונים לצורך המדידות.

התוצאות משני המסלולים האופטיים הועברו לטבלת אקסל באמצעות ממשק המשתמש הגרפי של תוכנת ההערכה EVAL-CN0503-ARDZ (איור 4).

איור 4: עקומות כיול הבליעה למדידת pH עבור הבדיקות עם מקורות אור של nm‏ 430‏ (משמאל) ו-nm‏ 650‏ (מימין). (מקור התמונה: Analog Devices)

בשני המקרים שורטט ה-pH כפונקציה של הבליעה כדי ליצור את עקומת הכיול. פונקציית קו המגמה ב-Excel שימשה ליצירת משוואת העקומה. אומדן ההלימות (Goodness of fit)‏, ^2‏R‏, הוא קרוב ל-1.0 בשני המקרים, ומצביע על איכות ההתאמה המעולה. ניתן לקבוע את הריכוזים של דגימות לא-ידועות מהמשוואות הללו על ידי הצבת יציאת החיישן בתור המשתנה x, וערך ה-y שמתקבל הוא ה-pH. תוכנת ההערכה של EVAL-CN0503-ARDZ מממשת שני פולינומים מסדר חמישי, INS1 ו-INS2. לאחר שמירת הפולינומים, ניתן לבחור באופן INS1 או INS2 כך שתוצאות המדידה ידווחו ישירות ביחידת המדידה הרצויה, במקרה זה pH. הדבר מפשט את הקבלת של תוצאה במדגם לא-ידוע.

רמת הרעש של המדידה מצריכה שתי נקודות נתונים שונות עבור כל אורך גל. ערך ה-pH של האחת צריך להיות נמוך יותר וזה של השנייה צריך להיות גבוה יותר. משתמשים בשני הערכים מכיוון שהלימות העקומה אינה ליניארית. ערכי ה-pH שנבחרו היו 6.1 ו-7.5. בוצעו מספר מדידות של כל נקודה, וסטיית התקן של הנתונים הניבה את ערך הרעש ב-RMS‏ (Root Mean Square) בכל אורך גל עבור כל ערך pH. התוצאות מוצגות בטבלה 1.

טבלה 1: ערכי הרעש ב-RMS עבור שני ערכי pH בשני אורכי גל. (מקור הטבלה: .Analog Devices, Inc‏)

שימו לב שנתונים אלה אינם כוללים שינויים עקב הכנת הדגימה.

גבול הגילוי (Limit of Detection, LOD) קובע את הריכוז הנמוך ביותר שה-EVAL-CN0503-ARDZ מסוגל לגלות. ה-LOD נקבע בדרך כלל על ידי מדידת רעש ברמות ריכוז נמוכות. כדי להשיג רמת ביטחון של 99.7%, ערך הרעש מוכפל פי שלושה. בהתחשב בכך שה-pH הוא סולם לוגריתמי, גבול הגילוי נקבע ל-pH של 7‏. גם כאן הדבר נעשה באורכי גל של nm‏ 430‏ ו-nm‏ 615‏. גבול הגילוי ב-nm‏ 430‏ pH‏ של 0.001099, וה-LOD‏ ב-nm‏ 615‏ היה pH‏ של 0.001456.

דוגמה לבדיקת עכירות

עכירות מבטאת את השקיפות היחסית של נוזל. המדידה מבוססת על תכונת פיזור האור של חלקיקים המרחפים בנוזל. פיזור האור מושפע מגודלם וריכוזם של החלקיקים המרחפים, כמו גם מאורך הגל של האור הפוגע. גורמים אלו משפיעים על כמות האור המפוזר ועל זווית הפיזור. בדיקות עכירות מבוצעות בתחומים רבים, כולל ניטור איכות המים ומדעי החיים. ניתן להשתמש בה גם לקביעת שיעור הצמיחה של אצות על ידי מדידת הצפיפות האופטית.

במסלול האופטי לבדיקת עכירות משתמשים בפוטו-דיודות שתפקידן לגלות אור בזוויות של °‏90‏ או °‏180‏. לביצוע בדיקת עכירות ב-EVAL-CN0503-ARDZ נדרש גלאי ב-°‏90‏ הנמצא בתאי בדיקה 1 ו-4. תא אופטי 4, עם לוח LED של nm‏ 530‏ המשמש כמקור אור, מוצג באיור 5.

איור 5: המסלול האופטי לבדיקת עכירות עושה שימוש בגלאי אור ב-°‏90‏ או °‏180‏ ממסלול האור כדי לגלות את האור המפוזר על ידי חלקיקים בתמיסה. (מקור התמונה: Analog Devices)

בדוגמה זו מוצגת גרסה מותאמת של שיטת EPA‏ 180.1‏, 'קביעת העכירות על ידי נפלומטריה', מכוילת ומדווחת ביחידות עכירות נפלומטרית (NTU‏).

הציוד המשמש לבדיקות עכירות כולל את לוחות ההערכה EVAL-CN0503-ARDZ ו-EVAL-ADICUP3029, כמו גם ערכת כיול עכירות סטנדרטית של Hanna Instruments‏. תקן כיול עכירות מבוסס על מיקרו-חרוזים בגדלים מוגדרים במים אולטרה-טהורים. פתרונות אלה משמשים לכיול ולאימות של מדידות עכירות.

תוצאות המדידה הועברו לטבלת אקסל באמצעות ממשק המשתמש הגרפי (GUI) ותוכנה ההערכה של ה-EVAL-CN0503-ARDZ, כדי ליצור מהן עקומת כיול עכירות (איור 6).

איור 6: עקומות כיול אלו מבוססות על התוצאות של בדיקות העכירות. הלימת העקומה הליניארית מצביעה על אומדני הלימות (^2‏R‏) מצוינים של המודלים הליניאריים. (מקור התמונה: Analog Devices)

שימו לב באיור 6 שערכי היחס היחסי (RRAT‏) של ציר ה-X מתייחסים לערכי קו הבסיס או לערכי היחס האבסולוטי על סמך מערך מדידה ידוע עם קובטה ריקה, או כזו שמכילה מים מזוקקים שבהם היחס בין האור הפוגע לבין האור המוחזר הוא כמעט 1. תהליך זה משמש לנטרול ההשפעה על תהליך המדידה של רכיבי הזכוכית האופטיים, כגון מפצל האלומה, העדשה והמסננים. ערך זה משמש כערך ייחוס עבור מדידות עוקבות.

מכיוון שמדידת הפיזור ב-90° רגישה פחות לעכירות גבוהה, עקומת התגובה פוצלה לשני מקטעים, הראשון מייצג עכירות נמוכה יותר (NTU‏ 0‏ עד NTU‏ 100‏), והשני מייצג עכירות גבוהה יותר (NTU‏ 100‏ עד NTU‏ 750‏). לאחר מכן נעשו שתי התאמות ליניאריות עבור כל מקטע. אף שיש כעת שני ערכי משוואה, עדיין ניתן להשתמש ב-EVAL-CN0503-ARDZ כדי להציג במהירות את ערכי ה-NTU המתקבלים תוך שימוש בהלימויות הפולינומיות המובְנות INS1 או INS2.

ערך הרעש נקבע על ידי חישוב סטיית התקן של מדידות חוזרות. עקב ההלימות הליניארית, משתמשים בנקודת רעש אחת בלבד ליד החלק התחתון של התחום (NTU‏ 12‏). רמת הרעש שנמדדה הייתה ב-NTU‏ 0.282474‏.

ה-LOD נקבע על ידי חישוב ערך הרעש של דגימה בעלת ריכוז נמוך או תמיסה ריקה. גם במקרה זה, ערך הרעש הוכפל פי שלושה כדי לייצג מרווח ביטחון של 99.7%. עבור ריכוז דגימה ריקה ה-LOD היה NTU‏ 0.69204.

דוגמה לבדיקת פלואורסצנציה

פלואורסצנציה היא פליטת אור באורך גל שונה מהאור שנבלע, כתוצאה מעירור אלקטרונים של חומרים מסוימים על ידי אלומת אור. עוצמת האור הנפלט היא פרופורציונלית לריכוז החומר הרגיש לאור. פלואורומטריה (Fluorometry) נחשבת בדרך כלל לשיטה רגישה בהרבה ממדידות בליעה לקביעת ריכוזי חומרים בתמיסה. פליטות פלואורסצנטיות יכולות לשמש לזיהוי נוכחות וקביעת כמות של מולקולות מסוימות בתמיסה, מכיוון שהן ספציפיות מבחינה כימית. מדידות פלואורסצנציה מתאפיינות בליניאריות בתחום רחב יותר של ריכוזים. היישומים של מדידות באמצעות פלואורסצנציה כוללים תבחינים ביולוגיים, חמצן מומס, דרישת חמצן כימית וגילוי של פסטור מוצלח בחלב.

בדרך כלל, הפליטה הפלואורסצנטית נמדדת באמצעות גלאי אופטי המוצב ב-°‏90‏ ביחס לאור הפוגע כדי למזער את השפעתו על המדידה. גלאי ייחוס למדידת האור הפוגע משמש למזעור גורמים המפריעים למדידה. גורמים אלו כוללים עיוותים ממקור האור, תאורה חיצונית ותנועות קלות בדגימה. בנוסף משתמשים במסנן מונוכרומטי אופטי או במסנן Long-Pass עם גלאי הפלואורסצנציה כדי להגדיל את ההפרדה בין האור הפוגע לבין האור הנפלט (איור 7).

איור 7: המסלול האופטי למדידת פלואורסצנציה. גלאי (פוטו-דיודה) הפלואורסצנציה ממוקם ב-90°‏ ביחס למסלול האור הפוגע. מסנן פלואורסצנציה מנחית את אורך הגל של LED המקור. (מקור התמונה: Analog Devices)

גם במקרה זה, הציוד המשמש לבדיקת הפלואורסצנציה כולל את לוח EVAL-CN0503-ARDZ ולוח EVAL-ADICUP3029.

בדוגמה זו, משתמשים בעלי תרד כדי להדגים פלואורסצנציה של כלורופיל. יצרו תמיסת תרד על ידי ריסוק של עלי תרד במים. לאחר סינון, זה שימש כתמיסת אם (Stock solution). תמיסות תרד באחוזי ריכוז שונים הוכנו על ידי דילול תמיסת האם ושימשו כסטנדרטים ליצירת עקומת כיול. בגלל הצורך בגלאי ניצב (אורתוגונלי), השתמשו בתא אופטי 1 של ה- EVAL-CN0503-ARDZ. מקור האור היה נורת LED בעלת אורך גל של nm‏ 365‏, שעליה הורכב מסנן Long-pass.

נבדקו שבעה ריכוזים שונים של תמיסת תרד, ושורטטה עקומת הכיול של הכלורופיל (איור 8).

איור 8: עקומת כיול עבור אחוז תמיסת תרד, כולל משוואת קו המגמה (Trendline equation). (מקור התמונה: Analog Devices)

כמו בדוגמאות הקודמות, ניתן לאחסן ב-EVAL-CN0503-ARDZ את משוואת קו המגמה של עקומת כיול הכלורופיל ועל ידי כך לקבל דיווח תוצאות ישיר באחוזים.

מכיוון שעקומת הכיול אינה ליניארית, הרעש נמדד באמצעות שתי נקודות נתונים – 7.5% ו-20%. מסטיית התקן של בדיקות רבות של כל דגימה התקבל ערך רעש RMS של 0.0616% תרד עבור המדגם של 7.5% ו-0.1159% תרד עבור המדגם של 20%.

ה-LOD נקבע באמצעות דגימה ריקה או דגימה בעלת ריכוז נמוך. גם במקרה זה ה-RMS של מדידת הרעש עבור הדגימה הוכפל פי שלושה כדי לייצג רמת ביטחון של 99.7%, הנותנת LOD של 0.1621% תרד.

סיכום

יצירת מערכת מדידה אופטית ניידת לאנליזה של נוזלים מחייבת ידע רב בקשרי הגומלין בין כימיה, אופטיקה ואלקטרוניקה כדי ליצור מכשיר מדויק (Precise), נכון (Accurate) וקל-לשימוש. כדי לתכנן מערכת בעלת דיוק ונכונות גבוהים, המתכננים יכולים להשתמש ב-AFE האופטי ADPD4101BCBZR7 במקום לתכנן בעצמם שרשרת אותות מורכבת. כדי לסייע בצעדים הראשונים, ה-AFE נתמך על ידי תכן הייחוס EVAL-CN0503-ARDZ. מערכת כזו מבוססת על הרכיב ADPD4101BCBZR7 בתוספת רכיבי אופטיקה, קושחה ותוכנה המהווים יחד פלטפורמת אב-טיפוס נוחה לשימוש ובעלת יכולת התאמה גמישה ביותר. הפלטפורמה מאפשרת מדידות אופטיות מדויקות של פרמטרים בנוזלים: בליעה, קולורימטריה, עכירות ופלואורסצנציה.