In een nieuwe studie, onderzoekers toonden aan dat het gebruik van geluidsgolven om waterdruppels in de lucht te laten zweven, de detectie van schadelijke zware metalen verontreinigingen zoals lood en kwik in water kan verbeteren. Het detecteren van kleine hoeveelheden zware metalen in water is belangrijk omdat deze verontreinigingen schadelijk zijn voor de menselijke gezondheid en het milieu. De nieuwe techniek zou uiteindelijk kunnen leiden tot instrumenten die realtime, on-site controle van verontreinigingen, die toekomstige problemen met loodverontreiniging zoals de Flint kunnen helpen voorkomen, Michigan, watercrisis of detectie van verontreinigd afvalwater van industriële locaties.

"Ondanks de grote verscheidenheid aan watersensoren die continue monitoring bieden, detectie van meerdere in water opgeloste zware metalen kan alleen worden uitgevoerd door monsters op te sturen voor gespecialiseerde laboratoriumanalyse, " zei de onderzoeksteamleider Victor Contreras, van het Instituto de Ciencias Físicas UNAM, Mexico. "Onze nieuwe techniek is een stap in de richting van de ontwikkeling van een eenvoudigere analyseaanpak die ter plaatse en in realtime kan worden toegepast. Dit type wateranalyse kan worden gebruikt door landbouw-, farmaceutisch, waterzuivering en andere industrieën om water te controleren op verontreinigingen."

In het tijdschrift The Optical Society (OSA) Optica Letters , de onderzoekers beschrijven hun nieuwe aanpak, die een gevoelige techniek gebruikt die bekend staat als laser-geïnduceerde afbraakspectroscopie (LIBS) om zware metalen te analyseren die aanwezig zijn in zwevende waterdruppels. Door de waterdruppels te laten zweven, kan het water in een gecontroleerde positie verdampen, die de massaconcentratie van verontreinigingen in het monster verhoogt en het gemakkelijker maakt om LIBS-analyse uit te voeren. De onderzoekers toonden aan dat hun nieuwe aanpak op betrouwbare wijze zeer lage niveaus van de zware metalen zoals barium, cadmium en kwik met analysetijden van slechts enkele minuten.

LIBS gebruiken op vloeistoffen

De onderzoekers gebruikten LIBS omdat het een snelle en eenvoudige manier biedt om meerdere elementen tegelijk te identificeren. LIBS werkt door een laserpuls met hoge energie op een monster te richten, die het materiaal verdampt en een plasma genereert. Omdat het door het plasma uitgezonden licht de atomaire vingerafdrukken van het materiaal bevat, het is mogelijk om de chemische componenten van het monster te identificeren door het uitgestraalde licht te analyseren.

Het is een eenvoudig proces om LIBS-analyse op vaste monsters te gebruiken. In feite, er zijn verschillende in de handel verkrijgbare draagbare apparaten beschikbaar voor dit type analyse. Echter, het is moeilijk om deze methode te gebruiken om vloeistoffen direct te analyseren, omdat het plasma dat in vloeistoffen wordt gevormd sneller afkoelt en zeer kort meegaat. In aanvulling, het produceren van een plasma op een vloeibaar oppervlak produceert waterspatten die de spectroscopie-uitlezing direct beïnvloeden.

Met vloeibare monsters, het creëren van een plasma dat een goed signaal geeft voor chemische detectie vereist hoge niveaus van laserenergie, die alleen kan worden geleverd door omvangrijke, niet-draagbare lasers. Om dit probleem te omzeilen, vloeibare monsters worden doorgaans geanalyseerd door een druppel op een substraat te plaatsen en te wachten tot het droog is om de van belang zijnde elementen in het monster te concentreren. Hoewel het deponeren van het monster op een substraat vrij eenvoudig is, de laserpuls prikkelt atomen van zowel elementen in het monster als van het substraat. Daarnaast, waterverdamping kan leiden tot een inhomogene verdeling van de onzuiverheden op het substraat, de reproduceerbaarheid van het signaal in gevaar brengen.

In plaats van de druppeltjes op een substraat af te zetten, de onderzoekers gebruikten intense geluidsgolven om enkele waterdruppels te laten zweven. De geluidsgolven produceren een kracht die sterk genoeg is om de zwaartekracht tegen te gaan, een druppel zonder ondersteuning in de lucht laten zweven.

"Akoestische levitatie is een eenvoudige en goedkope methode om de van belang zijnde elementen vooraf te concentreren en verontreiniging van het substraatoppervlak te voorkomen, "zei Contreras. "Bovendien, het vereist niet dat het monster enige vorm van elektrische of magnetische respons heeft zoals sommige andere methoden die worden gebruikt om levitatie te bereiken."

Druppels analyseren

In de krant, de onderzoekers toonden aan dat ze door akoestische golven te gebruiken om een ​​enkele druppel water te laten zweven, zeer lage concentraties zware metalen konden detecteren. Bijvoorbeeld, ze detecteerden 0,7 milligram per liter cadmium en 0,2 milligram per liter barium. Ze toonden ook aan dat de akoestische levitatietechniek die ze gebruikten stabiel genoeg is voor reproduceerbare LIBS-analyse.

"Deze technologie heeft het potentieel om tegelijkertijd op een snelle en kosteneffectieve manier zware metalen en andere elementen in water te detecteren, " zei Contreras. "Een online analyser op basis van onze technologie zou op een dag milieurampen kunnen helpen voorkomen en bijdragen aan een betere controle van de waterkwaliteit."

De onderzoekers werken nu aan verbetering van de instrumentatie. Bijvoorbeeld, ze willen het mechanische ontwerp van de akoestische val optimaliseren om stabielere levitatie-omstandigheden te bereiken, wat de reproduceerbaarheid van de LIBS-metingen zal verbeteren. Ze willen ook de gevoeligheid verhogen door kleinere druppels stabiel te laten zweven, die de verontreinigingen verder concentreert. Dit is een belangrijke stap in de richting van het miniaturiseren van het apparaat, omdat het het gebruik van minder gevoelige, maar compactere detectoren.