I en ny studie, forskare visade att användning av ljudvågor för att sväva vattendroppar i luften kan förbättra upptäckten av skadliga tungmetallföroreningar som bly och kvicksilver i vatten. Det är viktigt att upptäcka små mängder tungmetaller i vatten eftersom dessa föroreningar är skadliga för människors hälsa och miljön. Den nya tekniken kan så småningom leda till instrument som utför realtid, kontroll av föroreningar på plats, vilket kan hjälpa till att förhindra framtida problem med blyföroreningar som Flint, Michigan, vattenkris eller upptäcka förorenat avloppsvatten från industriområden.

"Trots det stora utbudet av vattensensorer som erbjuder kontinuerlig övervakning, upptäckt av flera tungmetaller lösta i vatten kan endast utföras genom att skicka prov för specialiserad laboratorieanalys, "sade forskargruppens ledare Victor Contreras, från Instituto de Ciencias Físicas UNAM, Mexiko. "Vår nya teknik är ett steg mot utvecklingen av en enklare analysmetod som kan tillämpas på plats och i realtid. Denna typ av vattenanalys kan användas av jordbruk, farmaceutisk, vattenrening och andra industrier för att övervaka vatten för föroreningar. "

I tidskriften The Optical Society (OSA) Optikbokstäver , forskarna beskriver deras nya tillvägagångssätt, som använder en känslig teknik som kallas laserinducerad nedbrytningsspektroskopi (LIBS) för att analysera tungmetaller som finns i svävande vattendroppar. Genom att sväva vattendropparna kan vattnet avdunsta i ett kontrollerat läge, vilket ökar masskoncentrationen av föroreningar i provet och gör det lättare att utföra LIBS -analys. Forskarna visade att deras nya tillvägagångssätt på ett tillförlitligt sätt kan upptäcka mycket låga halter av tungmetaller som barium, kadmium och kvicksilver med analystider på bara några minuter.

Använda LIBS på vätskor

Forskarna använde LIBS eftersom det erbjuder ett snabbt och enkelt sätt att identifiera flera element samtidigt. LIBS fungerar genom att fokusera en laser med hög energi på ett prov, som förångar materialet och genererar en plasma. Eftersom ljuset som avges av plasma innehåller atomens fingeravtryck av materialet, det är möjligt att identifiera de kemiska komponenterna i provet genom att analysera det utsända ljuset.

Det är en enkel process att använda LIBS -analys på fasta prover. Faktiskt, flera kommersiellt tillgängliga handhållna enheter är tillgängliga för denna typ av analys. Dock, det är svårt att använda denna metod för att direkt analysera vätskor eftersom plasma som bildas i vätskor svalnar snabbare och varar mycket kort tid. Dessutom, producerar en plasma på en flytande yta producerar vattenstänk som direkt påverkar spektroskopi avläsning.

Med flytande prover, skapa en plasma som ger en bra signal för kemisk detektion kräver höga nivåer av laserenergi, som bara kan tillhandahållas av skrymmande, icke-bärbara lasrar. För att kringgå detta problem, flytande prover analyseras vanligtvis genom att placera en droppe på ett substrat och vänta på att det torkar för att koncentrera elementen av intresse i provet. Även om deponering av provet på ett substrat är ganska enkelt, laserpulsen exciterar atomer från element i provet såväl som från substratet. Förutom, vattenavdunstning kan leda till inhomogen fördelning av föroreningarna på substratet, äventyrar dess signalåtergivning.

Istället för att avsätta dropparna på ett substrat, forskarna använde intensiva ljudvågor för att sväva enstaka vattendroppar. Ljudvågorna producerar en kraft som är tillräckligt stark för att motverka gravitationen, så att en droppe kan sväva utan stöd i luften.

"Akustisk levitation är en enkel och billig metod för att förkoncentrera elementen av intresse samtidigt som man undviker kontaminering från substratytan, "sa Contreras." Dessutom, det kräver inte att provet har någon typ av elektrisk eller magnetisk respons som vissa andra metoder som används för att uppnå svävning. "

Analysera droppar

I tidningen, forskarna visade att med hjälp av akustiska vågor för att sväva en enda droppe vatten kunde de upptäcka mycket låga halter av tungmetaller. Till exempel, de upptäckte 0,7 milligram per liter kadmium och 0,2 milligram per liter barium. De visade också att den akustiska levitationsteknik de använde är tillräckligt stabil för reproducerbar LIBS -analys.

"Denna teknik har en potential att samtidigt upptäcka tungmetaller och andra element i vatten på ett snabbt och kostnadseffektivt sätt, "sa Contreras." En analysator online baserad på vår teknik kan en dag hjälpa till att förhindra miljökatastrofer och bidra till förbättrad vattenkvalitetskontroll. "

Forskarna arbetar nu med att förbättra instrumenteringen. Till exempel, de vill optimera den mekaniska utformningen av den akustiska fällan för att uppnå mer stabila svävningsförhållanden, vilket kommer att förbättra reproducerbarheten för LIBS -avläsningarna. De vill också öka känsligheten genom att stabilt sväva mindre droppar, som ytterligare koncentrerar föroreningarna. Detta är ett viktigt steg mot miniatyrisering av enheten eftersom den tillåter användning av mindre känsliga, men mer kompakta detektorer.