Ubicuidad del análisis óptico de líquidos mediante un front-end de sensores multimodales

Esta detección de líquidos en tiempo real requiere avances en la instrumentación que incluyan menor tamaño, menor consumo de energía, mayor precisión, personalización rápida, tiempos de respuesta más rápidos y resistencia, todo ello sin dejar de ofrecer resultados de alta calidad.

La instrumentación de base óptica es útil en este caso, ya que puede realizar mediciones de alta precisión que no son destructivas, proporcionando una detección sin contacto de mediciones como la turbidez, el carbono orgánico total, el total de sólidos en suspensión, el oxígeno disuelto y la presencia de contaminantes iónicos. Sin embargo, estos sistemas requieren complejos front-end analógicos (AFE) para controlar los diodos emisores de luz (LED) y, al mismo tiempo, detectar y digitalizar la luz recibida frente al ruido ambiental y del sistema. Estas capacidades de diseño van más allá de las habilidades del diseñador típico. Lo que hace falta es una solución más elegante y lista para usar.

En este artículo se analiza brevemente el análisis óptico de líquidos antes de presentar una plataforma portátil en tiempo real para el análisis rápido de líquidos basada en un sensor óptico multimodal AFE de Analog Devices. También se presenta un diseño de referencia basado en el AFE que ofrece hasta cuatro bahías modulares de ruta óptica. El diseño de referencia se utiliza para demostrar cómo tomar medidas de hidrógeno potencial (pH), turbidez y fluorescencia, y crear curvas de calibración y medir incógnitas.

El análisis óptico de líquidos puede utilizarse para medir las concentraciones de elementos en una muestra líquida. La técnica tiene muchas ventajas, entre ellas que no es destructiva y utiliza la detección sin contacto. Además, los resultados ofrecen alta precisión y baja deriva.

Conceptualmente, el análisis óptico expone la muestra líquida a la luz de una fuente como un diodo emisor de luz (LED) con una longitud de onda óptica conocida. La luz atraviesa la muestra, interactúa con ella y es detectada por un fotodiodo (PD). La respuesta medida de la PD se compara con las respuestas de muestras con concentraciones conocidas, que forman una curva de calibración con la que se puede establecer el valor desconocido.

Este proceso describe las mediciones analíticas que se emplearían en un laboratorio general donde las mediciones de líquidos ópticos de precisión combinan los resultados de dominios mixtos de la electrónica, la óptica y la química. Para que este tipo de pruebas esté disponible en todas partes es necesario reducir los procesos a un factor de forma pequeño, lo que aumenta la complejidad del diseño.

Para simplificar el proceso de diseño de instrumentos, Analog Devices creó el diseño de referencia EVAL-CN0503-ARDZ basado en el front-end óptico analógico (AFE) ADPD4101BCBZR7. El ADPD4101BCBZR7 es un front-end de sensor multimodal completo que puede controlar hasta ocho LED y medir hasta ocho entradas de corriente de retorno independientes (figura 1). El AFE rechaza los desvíos de señal y las interferencias de modulación asíncrona, que suelen proceder de la luz ambiental. El AFE es altamente configurable y presenta una relación señal/ruido (SNR) óptica de hasta 100 decibelios (dB) con un elevado rechazo de la luz ambiente mediante métodos de detección síncrona en chip, lo que permite, en muchos casos, utilizarlo sin un gabinete/recinto ópticamente oscuro.

El diseño de referencia EVAL-CN0503-ARDZ permite la creación rápida de prototipos de mediciones de análisis de líquidos, incluidas fluorescencia, turbidez, absorbancia y colorimetría (figura 2). Dispone de cuatro bahías de pruebas ópticas modulares que proporcionan trayectorias ópticas de paso, y dos bahías incluyen trayectorias de dispersión ortogonales (90°). Se incluye un soporte de cubetas impreso en 3D para cubetas estándar de 10 milímetros (mm), que puede colocarse en cualquiera de las cuatro trayectorias ópticas. El diseño de referencia también proporciona firmware de medición y software de aplicación orientado al análisis de líquidos.

La EVAL-CN0503-ARDZ se conecta con la EVAL-ADICUP3029, una placa microcontroladora Arm Cortex-M3 de 32 bits, que se encarga del funcionamiento de la medición y del flujo de datos. La placa EVAL-ADICUP3029 se conecta directamente a una computadora portátil para mostrar los datos adquiridos en la interfaz gráfica de usuario de evaluación.

El EVAL-CN0503-ARDZ puede medir la fluorescencia, la turbidez, la absorbancia y la colorimetría de una muestra. El receptáculo de la cubeta aloja la óptica, incluida una lente colimadora y un divisor de haces. Cada una de las ranuras aloja un fotodiodo de referencia y proporciona una ruta óptica adecuada para la medición plug-and-play. Además, las tarjetas de LED y fotodiodo de cada bahía pueden intercambiarse para una mayor personalización.

Como demostración, se utilizarán mediciones de pH, turbidez y fluorescencia para crear curvas de calibración y, a continuación, medir incógnitas con el EVAL-CN0503-ARDZ y su software de evaluación. Además, se calculan el valor del nivel de ruido y el límite de detección (LOD). Esto determinará la concentración más baja que puede detectar el EVAL-CN0503-ARDZ en cada ejemplo.

Las medidas de absorbancia, basadas en la ley de Beer-Lambert, consisten en determinar la concentración de un soluto conocido en una solución líquida en función de la cantidad de luz absorbida a una longitud de onda específica. Se trata de una forma de colorimetría. En este ejemplo, la absorbancia se utiliza para medir el pH, un parámetro común en las pruebas de calidad del agua. Este tipo de test también es útil en aplicaciones de análisis, incluyendo oxígeno disuelto, demanda biológica de oxígeno, nitratos, amoníaco y cloro.

Las mediciones de absorbancia, con una ruta óptica directa o de paso, pueden realizarse utilizando cualquiera de las cuatro rutas ópticas de la EVAL-CN0503-ARDZ (figura 3).

Un LED con la longitud de onda deseada genera el haz incidente. Un divisor de haz en el camino óptico dirige parte de la luz a un fotodiodo de referencia que muestrea la intensidad del haz. El resto del haz óptico se dirige a través de la muestra. Las variaciones en la intensidad de la luz y el ruido de la fuente LED se cancelan tomando la relación de las salidas de los fotodiodos de transmisión y referencia.

El ADPD4101BCBZR7 rechaza la contaminación por luz ambiental procedente de fuentes de luz constantes hasta en 60 dB. Para ello se utiliza un esquema de modulación síncrona que modula la corriente del LED y mide de forma síncrona la diferencia entre el estado oscuro (apagado) (en el que la luz ambiente es el único componente) y el estado excitado (encendido) (en el que están presentes tanto la luz ambiente como el componente del LED). Este rechazo de la luz ambiente es automático; no requiere controles externos.

Además del EVAL-CN0503-ARDZ, este ejemplo requiere el EVAL-ADICUP3029 mencionado anteriormente. Utiliza un kit de prueba y ajuste de pH API y un juego de muestras de solución tampón de pH para la calibración.

Los analitos se prepararon añadiendo un indicador de color (azul de bromotimol) del kit de prueba API a las soluciones preparadas con diferentes valores de pH. El azul de bromotimol, en solución, se separa en un ácido débil con alta absorbancia de luz a 430 nanómetros (nm), y una base conjugada que tiene alta absorbancia de luz a 650 nm.

Las soluciones se transfirieron a cubetas y la medición del pH se realizó a estas dos longitudes de onda diferentes en las que el indicador muestra cambios de absorción en función del pH. Esto se consigue fácilmente en el EVAL-CN0503-ARDZ utilizando dos tarjetas LED para diferentes longitudes de onda, que se insertaron en la ruta óptica 2 y en la ruta óptica 3. El soporte de la cubeta se desplaza en las dos trayectorias diferentes para las mediciones.

Los resultados de ambas rutas ópticas se exportaron a Excel utilizando la interfaz gráfica de usuario del software de evaluación EVAL-CN0503-ARDZ (figura 4).

En ambos casos, se trazó el pH frente a la absorbancia para crear la curva de calibración. Se utilizó una función de línea de tendencia en Excel para generar una ecuación para la curva. La estimación de la bondad del ajuste, R2, es cercana a 1.0 en ambos casos, lo que indica la excelente calidad del ajuste. Las concentraciones de muestras desconocidas pueden determinarse a partir de estas ecuaciones con la salida del sensor introducida como variable x, y el valor y resultante es el pH. El software de evaluación EVAL-CN0503-ARDZ implementa dos polinomios de quinto orden, INS1 e INS2. Una vez almacenados los polinomios, se puede seleccionar el modo INS1 o INS2 para que los resultados de la medición se comuniquen directamente en la unidad deseada, en este caso, pH. Esto simplifica la obtención de un resultado para una muestra desconocida.

El nivel de ruido de la medición requiere dos puntos de datos diferentes para cada longitud de onda. Uno debe tener un pH más bajo y el otro más alto. Se utilizan dos valores porque el ajuste de la curva no es lineal. Los valores de pH elegidos fueron 6.1 y 7.5. Se realizaron múltiples mediciones de cada punto, y la desviación estándar de los datos arroja el valor de ruido cuadrático medio (RMS) en cada longitud de onda para cada valor de pH. Los resultados figuran en la tabla 1.

Obsérvese que estos datos excluyen las variaciones debidas a la preparación de las muestras.

El límite de detección (LOD) determina la concentración más baja que es probable que detecte el EVAL-CN0503-ARDZ. El LD suele determinarse midiendo el ruido a niveles de concentración bajos. Para alcanzar un nivel de confianza del 99.7%, el valor del ruido se multiplica por tres. Dado que el pH es una escala logarítmica, el LD se determinó para un pH de 7. Esto se hizo de nuevo a longitudes de onda de 430 nm y 625 nm. El LOD a 430 nm fue un pH de 0.001099, y el LOD a 615 nm fue un pH de 0.001456.

La turbidez mide la claridad relativa de un líquido. La medición se basa en la propiedad de dispersión de luz de las partículas suspendidas en el líquido. La dispersión de luz se ve afectada por el tamaño y la concentración de las partículas en suspensión, así como por la longitud de onda de la luz incidente. Estos factores afectan a la cantidad de luz dispersada y al ángulo de dispersión. Las pruebas de turbidez se llevan a cabo en muchas industrias, incluidas las de calidad del agua y ciencias de la vida. También puede aplicarse para determinar el crecimiento de las algas midiendo la densidad óptica.

El camino óptico para la prueba de turbidez utiliza fotodiodos colocados para detectar la luz en ángulos de 90° o 180°. En la EVAL-CN0503-ARDZ, las pruebas de turbidez requieren un detector a 90°, que está disponible en las bahías de prueba 1 y 4. La bahía óptica 4, con una placa LED de 530 nm insertada como fuente, se muestra en la figura 5.

Este ejemplo muestra una versión modificada del método 180.1 de la EPA, “Determinación de la turbidez por nefelometría”, calibrada e informada en unidades nefelométricas de turbidez (NTU).

El equipo utilizado para las pruebas de turbidez incluye las placas de evaluación EVAL-CN0503-ARDZ y EVAL-ADICUP3029, así como el juego de calibración del estándar de turbidez de Hanna Instruments. El patrón de calibración de turbidez proporciona microperlas de tamaños específicos en agua ultrapura. Estas soluciones se utilizan para calibrar y validar las mediciones de turbidez.

Mediante la interfaz gráfica de usuario (GUI) del software de evaluación EVAL-CN0503-ARDZ, los resultados de las mediciones se exportaron a Excel, donde se generó una curva de calibración de la turbidez (figura 6).

Obsérvese que en la figura 6, los valores de la relación relativa (RRAT) de las abscisas se refieren a los valores de la línea de base o de la relación absoluta basados en una configuración de medición conocida con una cubeta vacía, o con agua destilada donde la relación entre la luz incidente y la reflejada es casi 1. Este proceso se utiliza para eliminar los pequeños factores introducidos en la medición por los elementos ópticos de cristal, como el divisor de haz, la lente y los filtros. Este valor se utiliza como referencia para las mediciones sucesivas.

Dado que la medición de la dispersión a 90° es menos sensible a las turbideces elevadas, la curva de respuesta se dividió en dos secciones, la primera de las cuales representa las turbideces más bajas (de 0 NTU a 100 NTU) y la otra las turbideces más altas (de 100 NTU a 750 NTU). A continuación, se realizaron dos ajustes lineales para cada sección. Aunque ahora hay dos valores de ecuación, la EVAL-CN0503-ARDZ puede seguir utilizándose para mostrar rápidamente los valores de NTU resultantes utilizando los ajustes polinómicos INS1 o INS2 incorporados.

El valor del ruido se determinó tomando la desviación estándar de las mediciones repetidas. Debido al ajuste lineal, sólo se utilizó un punto de ruido cerca de la parte inferior del intervalo (12 NTU). El nivel de ruido se midió en 0.282474 NTU.

El LD se estableció tomando el valor de ruido de una muestra con una concentración baja o en blanco. Una vez más, el valor del ruido se multiplicó por tres para representar un intervalo de confianza del 99.7%. Para una concentración de muestra en blanco, el LOD fue de 0.69204 NTU.

La fluorescencia es el resultado de la excitación de los electrones de algunos materiales por un haz de luz, lo que hace que emitan luz en otra longitud de onda. La intensidad de la luz emitida es proporcional a la concentración del material fotosensible. La fluorometría es generalmente mucho más sensible que el uso de medidas de absorbancia para medir la concentración de materiales en la solución. Las emisiones de fluorescencia pueden utilizarse para identificar la presencia y cantidad de moléculas específicas porque son químicamente específicas. Las mediciones de fluorescencia son lineales en una gama más amplia de concentraciones. Las aplicaciones de las mediciones de fluorescencia incluyen ensayos biológicos, oxígeno disuelto, demanda química de oxígeno y detección del éxito de la pasteurización en la leche.

Generalmente, las emisiones de fluorescencia se miden utilizando un fotodetector colocado a 90° de la luz incidente para minimizar su efecto en la medición. Para minimizar los factores que interfieren en la medición, se utiliza un detector de referencia para medir la luz incidente. Estos factores incluyen las distorsiones de la fuente de luz, la iluminación externa y los ligeros movimientos de la muestra. Además, se utiliza un filtro óptico monocromático o de paso largo con el detector de fluorescencia para aumentar la separación entre la luz incidente y la emitida (figura 7).

De nuevo, el equipo utilizado para las pruebas de fluorescencia incluye las placas EVAL-CN0503-ARDZ y EVAL-ADICUP3029.

En este ejemplo, se utilizaron hojas de espinaca para demostrar la fluorescencia de la clorofila. Se creó una solución de espinacas mezclando hojas de espinacas con agua. Tras filtrarla, se utilizó como solución madre. Se crearon diferentes porcentajes de solución de espinacas diluyendo la solución madre y se utilizaron como patrones para crear una curva de calibración. Como se necesitaba un detector ortogonal, se utilizó la bahía óptica 1 del EVAL-CN0503-ARDZ. La fuente era un LED con una longitud de onda de 365 nm, con un filtro de paso largo insertado.

Se probaron siete porcentajes diferentes de la solución de espinacas y se trazó la curva de calibración de clorofila (figura 8).

Como en los ejemplos anteriores, la ecuación de la línea de tendencia para la curva de calibración de clorofila puede almacenarse de forma que los resultados sean directamente reportados como porcentaje por el EVAL-CN0503-ARDZ.

Dado que la curva de calibración no es lineal, el ruido se midió utilizando dos puntos de datos: 7.5% y 20%. La desviación estándar de múltiples pruebas con cada muestra arrojó un valor de ruido RMS de 0.0616% de espinacas para la muestra del 7.5%, y de 0.1159% de espinacas para la muestra del 20%.

El LD se determinó utilizando un blanco o una muestra de baja concentración. De nuevo, la medición del ruido RMS de la muestra se multiplicó por tres para representar un nivel de confianza del 99.7%, lo que produjo un LOD de 0.1621% de espinacas.

La creación de un sistema óptico portátil de medición de análisis de líquidos requiere un conocimiento considerable de las interacciones de la química, la óptica y la electrónica para crear un dispositivo que sea preciso, exacto y fácil de usar. Para diseñar uno con gran exactitud y precisión, los diseñadores pueden utilizar el AFE óptico ADPD4101BCBZR7 en lugar de diseñar internamente una compleja cadena de señales. Para ayudarle a empezar, el AFE está respaldado por el diseño de referencia EVAL-CN0503-ARDZ. Se basa en el ADPD4101BCBZR7 añadiendo los componentes ópticos, el firmware y el software para crear una plataforma de creación de prototipos fácil de usar y altamente adaptable, capaz de producir mediciones ópticas precisas de absorbancia, colorimetría, turbidez y parámetros de fluorescencia de líquidos.