Левитация воды звуковыми волнами для обнаружения загрязнений

В новом исследовании ученые 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 очень вредны для здоровья человека и окружающей среды. Новая методика может в конечном итоге привести к инструментам, которые выполняют мониторинг загрязняющих веществ на месте в реальном времени.

«Несмотря на большое разнообразие датчиков воды, которые обеспечивают постоянный 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.

«Наша новая методика — это шаг к разработке более простого подхода к анализу, который может применяться на месте и в реальном времени. Этот тип анализа воды может использоваться сельскохозяйственными, фармацевтическими, водоочистительными и другими отраслями для мониторинга воды для загрязнений».

В журнале Optics Letters Optical Society (OSA) исследователи подробно описывают свой новый подход, в котором используется чувствительный метод, известный как лазерная спектроскопия пробоя (LIBS) для анализа тяжелых металлов, присутствующих при прокаливании капель воды. Левитация капель воды позволяет воде испаряться в контролируемом положении, что увеличивает массовую концентрацию загрязняющих веществ в образце и облегчает проведение анализа LIBS. Исследователи показали, что их новый подход может надежно обнаруживать очень низкие уровни тяжелых металлов, таких как барий, кадмий и ртуть, со временем анализа всего несколько минут.

Использование LIBS на жидкостях

Исследователи использовали LIBS, потому что он предлагает быстрый и простой способ идентифицировать несколько элементов одновременно. LIBS работает путем фокусировки лазерного импульса высокой энергии на образец, который испаряет материал и генерирует плазму. Поскольку свет, излучаемый плазмой, содержит атомные отпечатки материала, можно идентифицировать химические компоненты образца путем анализа испускаемого света.

Это простой процесс использования LIBS-анализа на твердых образцах. Фактически для этого типа анализа доступно несколько имеющихся в продаже карманных устройств. Однако трудно использовать этот метод для непосредственного анализа жидкостей, поскольку плазма, образующаяся в жидкостях, быстрее остывает и живет очень короткое время. Кроме того, при производстве плазмы на поверхности жидкости возникают брызги воды, которые непосредственно влияют на считывание спектроскопии.

С образцами жидкости создание плазмы, которая обеспечивает хороший сигнал для химического обнаружения, требует высоких уровней лазерной энергии, которые могут быть обеспечены только громоздкими, не переносимыми лазерами. Чтобы обойти эту проблему, жидкие образцы обычно анализируют, помещая каплю на субстрат и ожидая, что он высохнет, чтобы сконцентрировать интересующие элементы в образце.

Хотя осаждение образца на подложку достаточно просто, лазерный импульс возбуждает атомы из элементов в образце, а также из подложки. Кроме того, испарение воды может привести к неоднородному распределению примесей на подложке, что снижает его воспроизводимость сигнала.

Вместо того, чтобы осаждать капли на подложку, исследователи использовали интенсивные звуковые волны для левитации одиночных капелек воды. Звуковые волны создают силу, достаточно сильную, чтобы противодействовать гравитации, позволяя капле висеть в воздухе.

«Акустическая левитация — это простой и недорогой метод предварительного концентрирования интересующих элементов, избегая загрязнения поверхности подложки», — сказал Контрерас. «Более того, он не требует, чтобы образец имел какой-либо электрический или магнитный отклик, как некоторые другие методы, используемые для достижения левитации».

Анализ капель

В работе 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 применяемая ими акустическая методика левитации достаточно стабильна для воспроизводимого анализа LIBS.

«Эта технология имеет потенциал для одновременного обнаружения тяжелых металлов и других элементов в воде быстрым и экономичным способом», — сказал Контрерас. «Онлайн-анализатор, основанный на нашей технологии, может однажды помочь предотвратить экологические катастрофы и способствовать улучшению контроля качества воды».

В настоящее время исследователи работают над улучшением инструментария. 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 меньшие капли, что дополнительно концентрирует загрязняющие вещества. Это ключевой шаг в направлении миниатюризации устройства, поскольку он позволит использовать менее чувствительные, но более компактные детекторы.

Больше информации: Victor Contreras, Ricardo Valencia, Jairo Peralta, H. Sobral, M. A. Meneses-Nava, Horacio Martinez. Chemical elemental analysis of single acoustic-levitated water droplets by laser-induced breakdown spectroscopy. Optics Letters, 2018; 43 (10): 2260 DOI: 10.1364/OL.43.002260