懸浮水滴技術或有助於污染物的檢測

上圖所示是研究人員使用聲波來懸浮水滴，利用這種方法可以實現水的蒸發，從而濃縮樣品用於光譜檢測水中有害重金屬污染物如鉛和汞的情況。來源：墨西哥國立自治大學。

在一項新的研究中，研究人員表明，使用超聲波來漂浮半空中的水滴可以改善水中有害重金屬污染物如鉛和汞的檢測技術。檢測水中的少量重金屬含量是重要的，因為這些污染物對人體健康和環境有害。這項新技術最終將實現一種新型儀器可進行實時、現場污染物監測，這有助於防止未來的鉛污染問題，如密歇根州的水危機或檢測工業場所污染的廢水。

研究小組組長Victor Contreras說：「儘管有大量的水感測器提供連續的監測，但檢測水中溶解的多種重金屬只能通過將樣本送出進行專門的實驗室分析來完成。我們的新技術是朝著更簡單的分析方法發展的一步，可以在現場和實時應用。這種類型的水分析可用於農業、製藥、水凈化和其他工業，以監測污染物的水質。」

在光學學會（OSA）雜誌《光學快報Optics Letters》中，研究人員詳述了他們的新方法，它使用一種被稱為激光誘導擊穿光譜（LIBS）的敏感技術來分析懸浮在水中的重金屬。懸浮水滴允許水在受控位置蒸發，這增加了樣品中污染物的質量濃度，並且使得更容易執行激光誘導擊穿光譜分析。研究人員表明，他們的新方法能夠可靠地檢測到極低水平的重金屬，如鋇、鎘和汞，分析時間僅幾分鐘。

激光誘導擊穿光譜在液體中的應用

研究人員使用激光誘導擊穿光譜，因為它提供了一種快速和直接的方法來同時識別幾個元素。激光誘導擊穿光譜通過將高能激光脈衝聚焦到樣品上，蒸發樣品併產生等離子體。由於等離子體發射的光包含材料的原子指紋，因此可以通過分析發射光來識別樣品的化學成分。

在固體樣品中使用激光誘導擊穿光譜分析是一個簡單的過程。事實上，一些商業上可用的手持設備可用於這種類型的分析。然而，由於液體中形成的等離子體冷卻得更快並且持續很短的時間，所以很難用這種方法直接分析液體。此外，在液體表面上產生等離子體會產生直接影響水滴光譜的讀數。

上圖所示是利用激光誘導擊穿光譜對水滴進行分析，激光能量擊穿光譜利用高能激光脈衝蒸發樣品併產生等離子體。由等離子體發射的光可以被檢測並用於識別樣品的化學成分。圖像來源：墨西哥國立自治大學。

用液體樣品，產生一種提供良好的化學檢測信號的等離子體需要高水平的激光能量，只能用笨重的、不可攜帶的激光器來實現。為了規避這個問題，通常通過將液滴放置在基底上並等待它乾燥以濃縮樣品中的感興趣元素來分析液體樣品。雖然將樣品沉積在襯底上是相當簡單的，但是激光脈衝激發樣品中的元素以及來自襯底的原子。此外，水分蒸發會導致雜質在襯底上分布不均勻，從而影響其信號再現性。

研究人員使用強聲波來懸浮單個水滴，而不是將水滴沉積在基底上。聲波產生的力足以抵消重力，使液滴懸停在空氣中。

「聲懸浮是一種簡單而廉價的方法，可以預先濃縮感興趣的元素，同時避免從襯底表面污染。」 Contreras說。「此外，它不要求樣品具有任何類型的電或磁響應，例如用於實現懸浮的一些其他方法。」

液滴分析

在論文中，研究人員表明，用聲波懸浮一滴水使他們能夠探測到極低濃度的重金屬。例如，他們檢測到0.7毫克每升鎘和0.2毫克每升鋇。他們還表明，他們使用的聲學懸浮技術是足夠穩定的可重複的激光誘導擊穿光譜分析。

「這項技術有可能同時以快速和成本效益的方式同時檢測水中的重金屬和其他元素，」 Contreras說。「一個基於我們的技術的在線分析儀有一天將有助於防止環境災害，並有助於改善水質控制。」

研究人員正在努力改進儀器設備。例如，他們希望優化聲學陷阱的機械設計，以獲得更穩定的懸浮條件，這將提高激光誘導擊穿光譜讀數的再現性。他們還想通過穩定懸浮較小的液滴來增加靈敏度，這進一步濃縮了污染物。這是邁向小型化的關鍵步驟，因為它將允許使用不太敏感但更緊湊的探測器。

來源：https://phys.org/news/2018-05-levitate-droplets-contaminant.html

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