ADI 仅手掌大小的光学液体分析仪（上）— 光路与电路结构原理
《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《ADI 仅手掌大小的光学液体分析仪(上) — 光路与电路结构原理》对用于液体分析的光学原理进行了简要的技术介绍，引出ADI方案及其实现价值。在下一篇《ADI 仅手掌大小的光学液体分析仪(下) — 平台方案解析与测试》一文中，将会对ADI推出的4通道液体分析仪方案进行深入解析。
一、光路与电路结构
在所有液体分析手段中，光学是最理想的方法之一，它具有高精度、非接触、无损耗的显著优势。受其原理所限，一条完整的检测通道需要复杂精密的光路结构与配套电路，包括特定波长的光源、光路分光器、用于抗干扰的斩光器、样品比色容器、光接收器件与电路、电信号调理和采集分析等，如下图（图1）所示。此外，不同测量指标所需的光波长和光路是有区别的，一台液体分析仪器中需要集成多个通道。因此，传统光学原理的液体分析仪器体积庞大。
对于电路结构，液体分析仪器的发射端需要光源驱动、斩光控制电路等。接收端需要光电二极管接收、信号放大、滤波器、模数转换等模拟电路，以及后端用于控制和运算分析的数字电路。
二、吸光度测量方法
吸光度测量是液体分析中最核心的步骤。这种方法被称为比色法，根据比尔-朗伯定律的原理，液体中特定物质的浓度与吸光度是正相关的。另外一种衍生方法，是在溶液中加入特定显色剂，通过测量溶液颜色变化来分析液体指标，例如pH测量。
下图(图2)为细化的单通道溶液吸光度测量光路示意图。入射光束被分光器分成两路—参考光束与测量光束。参考光束是直接进入接收二极管，而测量光束是经由样品再进入接收二极管。由于两条相同的接收路径同时对测量光束和参考光束进行采样，使用软件将两路结果相减，就可以抑制随时间变化的环境光的影响。此外，通过交替交换接收路径，以及对结果进行平均等手段，还可以减少两个接收路径之间的误差。
三、浊度和荧光测量方法
用光学方法测量液体的浑浊度，是利用了光散射的原理。光线照在液体中悬浮颗粒的表面时，会向四周发生散射，散射光强度和散射角由入射光波长和悬浮物粒径、浓度决定。下图（图3）所示是一种常用的浊度测量光路结构，示意图为俯视视角，当一侧的光源射入悬浮液样品时，设置对侧和90度侧两处光接收装置，通过对比两处的光强，可以推算浊度指标。
某些特定物质再被紫外光等照射时，会激发出另一种波长的光，称为荧光。通过检测荧光的强度来分析物质含量，相比吸光度检测法的线性度更高。但荧光的强度往往很微弱，需要更灵敏的检测与抗干扰手段。下图（图4）所示为荧光测量光路图，其与浊度测量的光路非常类似，也是在对侧和90侧进行光强采集，不同的是，此时想四周发散的是荧光，需要在90度侧的接收处增加滤光片，只允许荧光波长通过。最后，通过测算对侧与90度侧的光比率，来获得荧光强度。
四、高度集成化的芯片
由以上几种测量手段的原理描述，可以看出要想实现光学方法的液体分析，需要配套多路的光源与接收电路，以及小信号调理采集电路等。ADI最新推出的ADPD4100/1系列产品，充分满足了这类技术需求，其中，ADPD4100与ADPD4101的区别仅在于其对外通信接口，分别为SPI和IIC。芯片具有微体积、低成本的优势，长宽仅为3mm左右。
下图（图5）所示为芯片的结构原理图，其具备以下几种主要特性：
- 8路LED驱动（可同时4路工作）与8路光接收通道
- 自带基于脉冲光与数字滤波器的环境光抑制功能
- 发射接收信号链具有100dB的超高信噪比
- 内部ADC最高可达9kHz的采样速率
五、多参数液体分析应用
基于ADPD4101的产品平台，ADI打造了同时支持4路通道的光学液体分析方案。如下图（图6）所示，ADPD4101可支持同时带动4路LED工作，总驱动电流达到400mA，8个接收通道可以灵活配置为接收PD的正或负端，然后接入芯片内部的TIA电路。通过设计各种模式的跳针，该方案可以接入多路不同采样位置的接收PD，同时支持4通道不同类型的液体分析，包括了本文上述的吸光度、荧光、浊度等等。由于ADI芯片及其外围电路本身占用面积很小，此方案的体积基本都体现在4路的样品池及其光路装置。其实际的面积仅为手掌大小，下图（图7）为该方案的平台实物图。
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。ADI已推出具有实用意义的实验室级多通道液体分析仪方案，在《ADI仅手掌大小的光学液体分析仪(下) — 平台方案解析与测试》一文中，对液体分析方案的结构与工作原理进行了详细技术拆解与分析。欲了解更多技术细节和相关方案，可以点击下方「联系我们」，提交您的需求，我们骏龙科技公司愿意为您提供更详细的技术解答。
参考资料