Forskere svæver vanddråber for at forbedre detektion af forurenende stoffer

I en ny undersøgelse, forskere viste, at brug af lydbølger til at svæve vanddråber i luften kan forbedre påvisningen af ​​skadelige tungmetalforurenende stoffer som bly og kviksølv i vand. Det er vigtigt at opdage små mængder tungmetaller i vand, fordi disse forurenende stoffer er skadelige for menneskers sundhed og miljøet. Den nye teknik kan i sidste ende føre til instrumenter, der fungerer i realtid, overvågning af forurening på stedet, som kunne hjælpe med at forhindre fremtidige blyforureningsproblemer som Flint, Michigan, vandkrise eller opdage forurenet spildevand fra industrianlæg.

"På trods af det store udvalg af vandsensorer, der tilbyder kontinuerlig overvågning, påvisning af flere tungmetaller opløst i vand kan kun udføres ved at sende prøver til specialiseret laboratorieanalyse, " sagde forskerteamets leder Victor Contreras, fra Instituto de Ciencias Físicas UNAM, Mexico. "Vores nye teknik er et skridt mod udviklingen af ​​en enklere analysetilgang, der kan anvendes på stedet og i realtid. Denne type vandanalyse kan bruges af landbruget, farmaceutiske, vandrensning og andre industrier til at overvåge vand for forurenende stoffer."

I tidsskriftet The Optical Society (OSA). Optik bogstaver , forskerne beskriver deres nye tilgang, som bruger en følsom teknik kendt som laserinduceret nedbrydningsspektroskopi (LIBS) til at analysere tungmetaller til stede i svævende vanddråber. Levitering af vanddråberne tillader vandet at fordampe i en kontrolleret position, hvilket øger massekoncentrationen af ​​forurenende stoffer i prøven og gør det lettere at udføre LIBS-analyse. Forskerne viste, at deres nye tilgang pålideligt kan detektere meget lave niveauer af tungmetaller som barium, cadmium og kviksølv med analysetider på blot et par minutter.

Brug af LIBS på væsker

Forskerne brugte LIBS, fordi det giver en hurtig og ligetil måde at identificere flere elementer på samtidigt. LIBS virker ved at fokusere en højenergilaserpuls på en prøve, som fordamper materialet og danner et plasma. Fordi lyset, der udsendes af plasmaet, indeholder materialets atomare fingeraftryk, det er muligt at identificere de kemiske komponenter i prøven ved at analysere det udsendte lys.

Det er en ligetil proces at bruge LIBS-analyse på faste prøver. Faktisk, flere kommercielt tilgængelige håndholdte enheder er tilgængelige til denne type analyse. Imidlertid, det er vanskeligt at bruge denne metode til direkte at analysere væsker, fordi plasmaet, der dannes i væsker, afkøles hurtigere og varer meget kort tid. Ud over, at producere et plasma på en væskeoverflade producerer vandstænk, der direkte påvirker spektroskopiaflæsningen.

Med flydende prøver, at skabe et plasma, der giver et godt signal til kemisk detektion, kræver høje niveauer af laserenergi, som kun kan leveres af voluminøse, ikke-bærbare lasere. For at omgå dette problem, flydende prøver analyseres typisk ved at placere en dråbe på et substrat og vente på, at det tørrer for at koncentrere elementerne af interesse i prøven. Selvom det er ret simpelt at afsætte prøven på et substrat, laserimpulsen exciterer atomer fra elementer i prøven såvel som fra substratet. Udover, vandfordampning kan føre til uhomogen fordeling af urenhederne på underlaget, kompromittere dets signalreproducerbarhed.

I stedet for at afsætte dråberne på et underlag, forskerne brugte intense lydbølger til at svæve enkelte dråber vand. Lydbølgerne producerer en kraft, der er stærk nok til at modvirke tyngdekraften, lader en dråbe svæve ustøttet i luften.

"Akustisk levitation er en enkel og billig metode til at prækoncentrere elementerne af interesse og samtidig undgå forurening fra underlagets overflade, sagde Contreras. Desuden, det kræver ikke, at prøven har nogen form for elektrisk eller magnetisk respons som nogle andre metoder, der bruges til at opnå levitation."

Analyse af dråber

I avisen, forskerne viste, at ved at bruge akustiske bølger til at svæve en enkelt dråbe vand, kunne de registrere meget lave koncentrationer af tungmetaller. For eksempel, de påviste 0,7 milligram per liter cadmium og 0,2 milligram per liter barium. De viste også, at den akustiske levitationsteknik, de brugte, er stabil nok til reproducerbar LIBS-analyse.

"Denne teknologi har et potentiale til samtidig at detektere tungmetaller og andre grundstoffer i vand på en hurtig og omkostningseffektiv måde, " sagde Contreras. "En online analysator baseret på vores teknologi kan en dag hjælpe med at forhindre miljøkatastrofer og bidrage til forbedret kontrol af vandkvaliteten."

Forskerne arbejder nu på at forbedre instrumenteringen. For eksempel, de ønsker at optimere det mekaniske design af den akustiske fælde for at opnå mere stabile levitationsforhold, hvilket vil forbedre reproducerbarheden af ​​LIBS-aflæsningerne. De ønsker også at øge følsomheden ved stabilt at svæve mindre dråber, som yderligere koncentrerer forureningen. Dette er et vigtigt skridt i retning af at miniaturisere enheden, fordi det vil tillade brugen af ​​mindre følsomme, men mere kompakte detektorer.