В новом исследовании исследователи показали, что использование звуковых волн для левитации капель воды в воздухе может улучшить обнаружение вредных примесей тяжелых металлов, таких как свинец и ртуть, в воде. Обнаружение небольших количеств тяжелых металлов в воде важно, поскольку эти загрязнители вредны для здоровья человека и окружающей среды. Новый метод может в конечном итоге привести к созданию инструментов, которые выполняют мониторинг загрязнения в режиме реального времени на месте, что может помочь предотвратить будущие проблемы загрязнения свинцом, такие как кризис воды во Флинте, штат Мичиган, или обнаруживать загрязненные сточные воды с промышленных площадок.
«Несмотря на большое разнообразие датчиков воды, которые обеспечивают непрерывный мониторинг, обнаружение нескольких тяжелых металлов, растворенных в воде, может быть выполнено только путем отправки образцов для специализированного лабораторного анализа», - сказал руководитель исследовательской группы Виктор Контрерас из Instituto. de Ciencias Físicas UNAM, Мексика. «Наш новый метод - это еще один шаг к разработке более простого подхода к анализу, который можно применять на месте и в режиме реального времени. Этот тип анализа воды может использоваться в сельском хозяйстве, фармацевтике, водоочистке и других отраслях для контроля воды на наличие загрязняющих веществ.."
В журнале The Optical Society (OSA) Optics Letters исследователи подробно описывают свой новый подход, который использует чувствительный метод, известный как спектроскопия индуцированного лазером пробоя (LIBS), для анализа тяжелых металлов, присутствующих в левитирующих каплях воды. Левитация капель воды позволяет воде испаряться в контролируемом положении, что увеличивает массовую концентрацию загрязняющих веществ в образце и упрощает проведение анализа LIBS. Исследователи показали, что их новый подход может надежно обнаруживать очень низкие уровни тяжелых металлов, таких как барий, кадмий и ртуть, за время анализа всего несколько минут.
Использование LIBS для жидкостей
Исследователи использовали LIBS, потому что он предлагает быстрый и простой способ одновременной идентификации нескольких элементов. LIBS работает путем фокусировки высокоэнергетического лазерного импульса на образец, который испаряет материал и генерирует плазму. Поскольку свет, излучаемый плазмой, содержит атомные отпечатки материала, можно идентифицировать химические компоненты образца путем анализа излучаемого света..
Использование анализа LIBS на твердых образцах является простым процессом. На самом деле, для этого типа анализа доступно несколько коммерчески доступных портативных устройств. Однако использовать этот метод для непосредственного анализа жидкостей затруднительно, поскольку образующаяся в жидкостях плазма быстрее остывает и существует очень короткое время. Кроме того, создание плазмы на поверхности жидкости приводит к образованию водяных брызг, которые напрямую влияют на показания спектроскопии.
В случае жидких образцов для создания плазмы, обеспечивающей хороший сигнал для обнаружения химических веществ, требуется высокий уровень лазерной энергии, который может быть обеспечен только громоздкими непортативными лазерами. Чтобы обойти эту проблему, жидкие образцы обычно анализируют, помещая каплю на подложку и ожидая ее высыхания, чтобы сконцентрировать интересующие элементы в образце. Хотя нанесение образца на подложку довольно просто, лазерный импульс возбуждает атомы элементов в образце, а также из подложки. Кроме того, испарение воды могло привести к неравномерному распределению примесей на подложке, что ухудшило воспроизводимость его сигнала.
Вместо того, чтобы наносить капли на подложку, исследователи использовали интенсивные звуковые волны, чтобы левитировать отдельные капли воды. Звуковые волны создают силу, достаточную для противодействия гравитации, позволяя капле парить в воздухе без поддержки.
«Акустическая левитация - это простой и недорогой метод предварительной концентрации интересующих элементов, избегая при этом загрязнения с поверхности субстрата», - сказал Контрерас. «Более того, образец не должен иметь какой-либо электрический или магнитный отклик, как некоторые другие методы, используемые для достижения левитации».
Анализ капель
В статье исследователи показали, что использование акустических волн для левитации одной капли воды позволило им обнаружить очень низкие концентрации тяжелых металлов. Например, они обнаружили 0,7 миллиграмма на литр кадмия и 0,2 миллиграмма на литр бария. Они также показали, что используемый ими метод акустической левитации достаточно стабилен для воспроизводимого анализа LIBS.
«Эта технология может одновременно обнаруживать тяжелые металлы и другие элементы в воде быстрым и экономичным способом», - сказал Контрерас. «Онлайн-анализатор, основанный на нашей технологии, однажды может помочь предотвратить экологические катастрофы и внести свой вклад в улучшение контроля качества воды."
В настоящее время исследователи работают над улучшением инструментов. Например, они хотят оптимизировать механическую конструкцию акустической ловушки для достижения более стабильных условий левитации, что улучшит воспроизводимость показаний LIBS. Они также хотят повысить чувствительность, стабильно левитируя более мелкие капли, что еще больше концентрирует загрязняющие вещества. Это ключевой шаг к миниатюризации устройства, поскольку он позволит использовать менее чувствительные, но более компактные детекторы.