マルチモーダルセンサフロントエンドを用いた光学式液体分析のユビキタス化

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干ばつ、暴風雨の強さと頻度、人口の増加による飲料水の安全保障に対する世界的な懸念の中で、液体分析は非常に重要になっています。汚染と生態系への影響を最小限に抑えるためには、水サンプルをリアルタイムでオンサイト分析する必要があります。

このような液体のリアルタイムセンシングには、小型化、低消費電力化、精度の向上、迅速なカスタマイズ、高速な応答時間、堅牢性など、高品質な結果を提供しながらも、装置の進歩が必要です。

光学ベースの計測器は、濁度、全有機炭素、全浮遊物質、溶存酸素、イオン性汚染物質の存在などの測定値を非接触で検出し、非破壊で高精度の測定を行うことができるため、ここでは有効です。しかし、このようなシステムには、発光ダイオード（LED）を駆動する一方で、周囲ノイズとシステムノイズの両方が存在する中で受光した光を感知し、デジタル化するための複雑なアナログフロントエンド（AFE）が必要です。このような設計能力は、一般的な設計者のスキルセットを超えています。必要なのは、もっと洗練された既製のソリューションです。

この記事では、光学式液体分析について簡単に説明した後で、 Analog Devices, Inc. のマルチモーダル光センサAFEをベースにした迅速液体分析用のポータブルリアルタイムプラットフォームを紹介します。さらに最大4つのモジュール式光路ベイを提供するAFEをベースにしたリファレンスデザインも紹介します。リファレンスデザインは、電位水素（pH）、濁度、蛍光の測定、検量線の作成、未知の試料の測定方法を実証するために使用されます。

光学式液体分析の基礎

光学式液体分析は、液体サンプル中の元素濃度を測定するために使用することができます。この技術には、非破壊で非接触検出が可能など、多くの利点があります。さらに、高精度でドリフトが少ない結果になります。

概念的には、光学式分析は、既知の光波長を持つ発光ダイオード（LED）のような光源からの光を液体サンプルに照射します。光はサンプルを通過し、サンプルと相互作用し、フォトダイオード（PD）によって検出されます。PDからの測定された応答は、濃度既知のサンプルからの応答に対してプロットされます。そしてそれによって未知の値を確定することができる検量線を作成します。

このプロセスでは、エレクトロニクス、光学、化学の混合領域の結果を組み合わせた精密光学式液体測定が行われる一般的な研究室で使用される分析的測定について説明します。この種のテストをユビキタスに利用できるようにするには、プロセスを小さなフォームファクタに縮小する必要があり、それによって設計の複雑さが増します。

迅速な液体測定のためのモジュール式ソリューション

Analog Devicesは、計測器設計のプロセスを簡素化するために、 ADPD4101BCBZR7 アナログ光フロントエンド（AFE）をベースにした EVAL-CN0503-ARDZ リファレンスデザインを作製しました。ADPD4101BCBZR7は、最大8個のLEDを駆動し、最大8個の個別のリターン電流入力を測定できる完全なマルチモーダルセンサフロントエンドです(図1)。AFEは、信号のオフセットと、通常は周囲の光に起因する非同期変調干渉による干渉を除去します。AFEは高度な設定が可能で、内蔵された同期検出方式によって高い周辺光除去を備え、最大100デシベル（dB）の光信号対雑音比（SNR）を特長とし、多くの場合、光学的影響を無くすための暗い筐体なしで使用できます。

ADPD4101BCBZR7は、最大8個のLEDを駆動し、最大8個の個別のリターン電流入力を測定できる完全なマルチモーダルセンサAFEです。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

EVAL-CN0503-ARDZリファレンスデザインによって、蛍光、濁度、吸光度、比色測定などの液体分析測定の試作を大幅に短縮することができます（図2）。それには、パススルー光路がついている4つのモジュール式光学テストベイがあり、2つのベイには直交（90°）散乱光路があります。標準的な10ミリメータ（mm）キュベット用の3Dプリントキュベットホルダが付属しており、4つの光路のいずれにも取り付けることができます。リファレンスデザインは、液体分析をターゲットとした測定ファームウェアおよび アプリケーションソフトウェア も提供します。

図2：EVAL-CN0503-ARDZには、標準的な10mmキュベット用の3Dプリントキュベットホルダが付属しており、測定光学系を組み込んだ4つの光路のいずれにも取り付けることができます。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

EVAL-CN0503-ARDZは、32ビット Arm® Cortex®-M3マイクロコントローラボード EVAL-ADICUP3029と接続し、測定操作とデータフローを処理します。EVAL-ADICUP3029ボードはノートパソコンに直接接続し、取得したデータを評価用グラフィックユーザーインターフェースに表示します。

EVAL-CN0503-ARDZは、サンプルの蛍光、濁度、吸光度、比色などの液体分析測定が可能です。キュベットホルダには、コリメートレンズやビームスプリッタなどの光学系が収められています。各スロットにはリファレンスフォトダイオードがあり、プラグアンドプレイ測定に適した光路を提供します。さらに、各ベイのLEDカードとフォトダイオードカードを入れ替えることで、さらなるカスタマイズが可能です。

デモンストレーションとして、pH、濁度、蛍光の測定値を用いて検量線を作成し、EVAL-CN0503-ARDZとその評価ソフトウェアを用いて未知の物質を測定します。さらに、ノイズレベル値と検出限界（LOD）が計算されます。これにより、各例でEVAL-CN0503-ARDZが検出できる最低濃度が決定されます。

吸光度試験例

吸光度測定は、ランベルト-ベールの法則による、特定の波長でどれだけ光が吸収されるかに基づいて、液体溶液中の既知の溶質の濃度を決定します。これは測色の一種です。この例では、水質検査で一般的なパラメータであるpHの測定に吸光度を使用しています。この種の検査は、溶存酸素、生物学的酸素要求量、硝酸塩、アンモニア、塩素などの分析用途にも有効です。

吸光度測定は、ダイレクトまたはパススルー光路を使用して、EVAL-CN0503-ARDZ上の4つの光路のいずれかを使用することで行うことができます（図3）。

図3：EVAL-CN0503-ARDZを使用した吸光度測定の光学セットアップ。EVAL-CN0503-ARDZのキュベットホルダには、コリメートレンズやビームスプリッタなどの光学系が収められています。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

所望の波長のLEDが入射ビームを発生させます。光路にあるビームスプリッタは、光の一部をビーム強度をサンプリングするリファレンスフォトダイオードに振り向けます。それ以外の光ビームはサンプルを透過します。LED源の光強度とノイズの変動は、送光用フォトダイオードとリファレンス用フォトダイオードの出力比を取ることでキャンセルされます。

ADPD4101BCBZR7は、定常光源から周辺光による悪影響を60dBも除去します。これは、LED電流を変調する同期変調方式を使用して行われ、暗（オフ）状態（周辺光が唯一の成分である状態）と励起（オン）状態（周辺光とLED成分の両方が存在する状態）の差を同期的に測定します。この周辺光除去は自動で行われるため、外部からの制御は必要ありません。

この例では、EVAL-CN0503-ARDZに加えて前述のEVAL-ADICUP3029が必要です。校正には、API pHテスト、調整キットおよびpH緩衝液サンプル一式を使用します。

分析対象物は、pH値の異なる調製溶液にAPIテストキットの発色指示薬（ブロモチモールブルー）を加えて調製しました。ブロモチモールブルーは溶液中で、430ナノメータ（nm）の光の高い吸光度を持つ弱酸と、650nmの光の高い吸光度を持つ共役塩基に分離します。

溶液をキュベットに移し、指示薬がpHの関数として吸収の変化を示すこれら2つの異なる波長でpH測定を行いました。EVAL-CN0503-ARDZでは、異なる波長用の2枚のLEDカードを光路2と光路3に挿入することで、簡単に実現できます。キュベットホルダを2つの異なる経路に移動して測定します。

両方の光路からの結果は、EVAL-CN0503-ARDZ評価ソフトウェアのグラフィックユーザーインターフェースを使用してExcelにエクスポートしました（図4）。

図4：430nm（左）と650nm（右）の光源を用いた試験におけるpHの吸光度検量線を示します。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

どちらの場合も、pH対吸光度をプロットして検量線を作成しました。Excelのトレンドライン関数を使い、曲線の方程式を作成しました。適合度推定値、R²は、どちらの場合も1.0に近く、適合の質が優れていることを示しています。未知のサンプルの濃度は、センサ出力をx変数として入力したこれらの方程式から求めることができ、結果として得られるy値がpHとなります。EVAL-CN0503-ARDZ評価ソフトウェアは、2つの5次多項式、INS1とINS2を実装しています。多項式が保存されると、INS1またはINS2モードが選択され、測定結果が希望する単位（この場合は pH）で直接出力されます。これにより、未知のサンプルの結果を簡単に得ることができます。

測定のノイズレベルには、各波長について2つの異なるデータポイントが必要です。1つはpH値の低いもの、もう1つはpH値の高いものでなければなりません。カーブフィットが直線的でないため、2つの値が使用されています。pH値は6.1と7.5を選びました。各ポイントについて複数の測定が行われ、データの標準偏差から、各pH値における各波長の二乗平均平方根（RMS）ノイズ値が得られます。結果を表1に示します。

6.1pHサンプル 7.5pHサンプル 430nm 615nm 430nm 615nm RMSノイズ値（pH） 0.002098 0.000183 8.18994 x 10-7 0.000165

表1：2つの波長における2つのpH値のRMSノイズ値を示します。（表提供：Analog Devices, Inc.）

なお、このデータにはサンプル調製による変動は含まれていないことに注意してください。

検出限界（LOD）は、EVAL-CN0503-ARDZによって検出される可能性のある最低濃度を決定します。LODは通常、低濃度レベルでのノイズ測定によって決定されます。信頼水準99.7％を達成するために、ノイズ値は3倍されます。pHは対数スケールであることから、LODはpH7で決定されました。これも波長430nmと625nmで行いました。430nmでのLODはpH0.001099、615nmでのLODはpH0.001456でした。

濁度試験例

濁度は液体の相対的な透明度を測定します。測定は、液体中に浮遊する粒子の光散乱特性に基づいています。光散乱は、浮遊粒子のサイズと濃度、および入射光の波長に影響されます。これらの要因は、散乱される光の量と散乱角に影響します。濁度検査は、水質や生命科学など多くの産業で実施されています。また、光学密度を測定して藻類の成長を判定するのにも応用できます。

濁度検査用の光路は、90˚または180˚の角度で光を検出するように配置されたフォトダイオードを使用します。EVAL-CN0503-ARDZでは、濁度試験には90˚の検出器が必要であり、テストベイ1と4に設置されています。光源として530nmのLEDボードを挿入したオプティカルベイ4を図5に示します。

図5：濁度検査の光路は、溶液中の粒子によって散乱された光を検出するため、光路から90˚と180˚の位置に配置した光検出器を使用しています。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

この例では、EPAメソッド180.1「比濁法による濁度の決定」を修正し、比濁計濁度単位（NTU）で校正および報告したものを示します。

濁度テストに使用される機器には、EVAL-CN0503-ARDZとEVAL-ADICUP3029評価ボード、およびHanna Instruments濁度標準校正セットが含まれます。濁度校正標準は、超純水中の特定のサイズのマイクロビーズを提供します。これらの溶液は、濁度測定の校正と検証に使用されます。

EVAL-CN0503-ARDZソフトウェアの評価用グラフィカルユーザーインターフェース（GUI）を使用して、測定結果をExcelにエクスポートし、濁度検量線を作成しました（図6）。

図6：これらの検量線は、濁度試験の結果に基づいています。線形曲線フィットは、線形モデルが優れた適合度推定値（R²）を持つことを示しています。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

図6において、横軸の相対比（RRAT）の値は、空のキュベット、または入射光と反射光の比がほぼ1である蒸留水を用いた既知の測定セットアップに基づくベースラインまたは絶対比の値を基準としていることに注意してください。このプロセスは、ビームスプリッター、レンズ、フィルターなどの光学ガラス素子によって測定に導入される小さな要因を除去するために使用されます。この値は、連続測定の基準として使用されます。

90°散乱測定は高濁度に対する応答性が低いため、応答曲線は2つの領域に分けられ、最初の領域は低濁度（0NTU～100NTU）を表し、もう1つの領域は高濁度（100NTU～750NTU）を表します。その後、各領域について2つの線形フィットを行いました。方程式の値が2つありますが、EVAL-CN0503-ARDZでは、INS1またはINS2の多項式フィットを用いてNTU値を表示することができます。

ノイズ値は、繰り返し測定の標準偏差を取ることによって決定されました。線形フィットのため、レンジの最下部付近のノイズポイント（12NTU）のみが使用されました。ノイズレベルは0.282474NTUで測定されました。

LODは、低濃度またはブランク濃度のサンプルのノイズ値を取ることによって設定されました。ここでも、ノイズ値を3倍して99.7％の信頼区間としました。ブランクサンプル濃度では、LODは0.69204NTUでした。

蛍光試験例

蛍光とは、ある物質の電子が光線によって励起され、別の波長の光を発することです。発光強度は感光性物質の濃度に比例します。蛍光光度法は一般に、吸光度測定を使って溶液中の物質の濃度を測定するよりもはるかに感度が高いです。蛍光発光は化学的に特異的であるため、特定の分子の存在と量を同定するのに用いることができます。蛍光測定は、より広い濃度範囲で直線的です。蛍光測定の用途には、生物学的検定法、溶存酸素、化学的酸素要求量、牛乳の低温殺菌の検出などがあります。

一般的に、蛍光発光は、測定への影響を最小限にするため、入射光から90°の位置に光検出器を用いて測定されます。入射光を測定する基準検出器は、測定を妨害する要因を最小限に抑えるために使用されます。これらの要因には、光源による歪み、外部照明、サンプルのわずかな動きなどが含まれます。さらに、入射光と放出光の分離を高めるために、蛍光検出器とともに光学単色フィルタまたはロングパスフィルタが使用されます（図7）。

図7：蛍光測定のための光路。蛍光フォトダイオードは入射光路に対して90°に配置されています。蛍光フィルタは、光源LEDの波長を減衰させます。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

ここでも、蛍光テストに使用した装置には、EVAL-CN0503-ARDZおよびEVAL-ADICUP3029ボードが含まれます。

この例では、蛍光クロロフィルを実証するためにホウレンソウの葉を使用しました。ホウレンソウの葉を水に混ぜて、ホウレンソウ溶液を作りました。濾過後、これをストック溶液として使用しました。原液を希釈してさまざまな割合のホウレンソウ溶液を作成し、検量線を作成するための基準として使用しました。直交検出器が必要なため、EVAL-CN0503-ARDZの光学ベイ1を使用しました。光源は波長365nmのLEDで、ロングパスフィルタが挿入されています。

7種類の割合のホウレンソウ溶液を試験し、クロロフィル検量線をプロットしました（図8）。

図8：パーセントホウレンソウ溶液の検量線（トレンドライン方程式を含む）。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

先の例と同様に、クロロフィル検量線のトレンドライン方程式を保存することで、EVAL-CN0503-ARDZによって結果がパーセンテージとして直接出力されます。

検量線は非線形であるため、ノイズは2つのデータポイント-7.5%と20%を使って測定されました。各サンプルを用いた複数回のテストの標準偏差から、RMSノイズ値は7.5%試料で0.0616%ホウレンソウ、20%試料で0.1159%ホウレンソウとなりました。

LODはブランクまたは低濃度試料を用いて決定しました。この場合も、試料のRMSノイズ測定値を3倍して99.7%の信頼レベルを表し、LODは0.1621%のホウレンソウとなりました。

まとめ

持ち運び可能な光学式液体分析測定システムを作るには、化学、光学、エレクトロニクスの相互関係に関するかなりの知識が必要であり、正確で使いやすい装置を作る必要があります。高精度で設計するために、設計者は複雑なシグナルチェーンを社内で設計する代わりに、ADPD4101BCBZR7光AFEを使用することができます。始めるにあたって、AFEは、EVAL-CN0503-ARDZリファレンスデザインでサポートされています。これは、ADPD4101BCBZR7に光学コンポーネント、ファームウェア、ソフトウェアを追加して構築されたもので、吸光度、比色、濁度、蛍光の液体パラメータを正確に光学測定できる、使いやすく適応性の高いプロトタイピングプラットフォームです。