來自墨西哥的一個研究小組開發(fā)出一種使用激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)(LIBS)的方法檢測單個水滴中極低濃度的重金屬，而LIBS技術(shù)通常用于分析固體樣品。研究人員利用他們開發(fā)的技術(shù)，利用聲波懸浮技術(shù)對水滴進(jìn)行懸浮和預(yù)濃縮以便完成更精確的化學(xué)分析，研究人員在去離子水基樣品中獲得了微量鋇、鎘、汞和鉛的可重復(fù)測量結(jié)果。
墨西哥國立自治大學(xué)的一個研究小組利用聲波懸浮水滴，并使用激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)(LIBS)對液體樣品進(jìn)行化學(xué)分析，以研究其中的重金屬污染物。圖片來源：Jairo Peralta和Victor Contreras /墨西哥國立自治大學(xué)自然物理研究所。
研究團(tuán)隊表示，他們利用LIBS技術(shù)在有朝一日可用來快速且經(jīng)濟(jì)地監(jiān)測供水質(zhì)量，并實時識別潛在的污染。
將LIBS用于液體檢測
LIBS是一種幾十年前被發(fā)明出來的原子發(fā)射光譜學(xué)方法，主要方法是用激光汽化一小塊固體樣品以產(chǎn)生等離子體。這種激光誘導(dǎo)等離子體能夠發(fā)射與樣品化學(xué)組成相關(guān)的光譜。最近LIBS設(shè)備的小型化以及LIBS技術(shù)幾乎不需要樣品制備的優(yōu)勢使得該技術(shù)被越來越多地用于提供實時的固體樣品分析。
盡管LIBS應(yīng)用的數(shù)量在不斷增加，但該技術(shù)卻很難被用于液體樣品分析。其中一個原因是由于由液體形成的激光誘導(dǎo)等離子體將迅速冷卻并快速消失，限制了儀器捕獲和測量等離子體發(fā)射光譜的時間窗口。另一個缺點是液體在受到干擾時會產(chǎn)生波動、飛濺或形成氣溶膠，從而散射光線并破壞光譜。
這兩個障礙的潛在解決方案是將液體樣品進(jìn)行干燥處理以在固體基質(zhì)上進(jìn)行LIBS分析。以這種方式蒸發(fā)液體樣品以濃縮其中的元素并消除與液體物理性質(zhì)相關(guān)的問題。然而，對干燥樣品殘留物的照射激光脈沖也會從固體基質(zhì)中激發(fā)原子，從而使結(jié)果并不準(zhǔn)確。
聲學(xué)懸浮LIBS
為了找到另一種解決方式，由墨西哥國立自治大學(xué)的自然物理研究所的Victor Contreras領(lǐng)導(dǎo)的一個研究小組利用聲波懸浮技術(shù)在半空中懸浮水滴樣品進(jìn)行LIBS分析。懸浮不僅消除了來自固體基質(zhì)的干擾問題，而且懸浮液滴會產(chǎn)生略微蒸發(fā)，濃縮可能含有的任何化學(xué)物質(zhì)。而且，因為液滴的位置是一個明確的小點，所以可以使用一種緊湊且經(jīng)濟(jì)高效的低能量激光器來產(chǎn)生等離子體。
Contreras和他的研究團(tuán)隊利用含有少量重金屬的水基溶液展示了他們的LIBS技術(shù)。首先，他們將水滴放置在單軸懸浮器的聲波節(jié)點中。一旦水滴開始懸浮就會產(chǎn)生輕微蒸發(fā)，并濃縮其中所含的重金屬，并使其更容易通過光譜檢測。接下來，Nd：YAG激光系統(tǒng)將向漂浮的預(yù)濃縮水滴提供持續(xù)10ns和30mJ能量的532nm激光脈沖。
激光脈沖使水滴產(chǎn)生等離子體，而等離子體發(fā)射的光譜通過平凸透鏡被收集并聚焦到與光譜儀和計算機(jī)耦合的光纖中進(jìn)行化學(xué)分析。從開始水滴懸浮到完成化學(xué)鑒定的整個過程只需幾分鐘。研究人員報告稱，他們在水滴樣品中檢測到低至0.2mg / L的鋇、0.7mg / L的鎘、1.0mg / L的汞和2.0mg / L的鉛，并且能夠在多次試驗中提供可重現(xiàn)的結(jié)果。Contreras表示：“基于我們的技術(shù)的在線分析儀有一天可以幫助防止出現(xiàn)環(huán)境災(zāi)難，并有助于改善水質(zhì)控制技術(shù)?！?
研究人員正在努力改進(jìn)該儀器：他們正在優(yōu)化聲學(xué)懸浮捕集器的機(jī)械設(shè)計以提供更穩(wěn)定的懸浮條件，并且還在努力通過進(jìn)一步減小水滴樣本的尺寸來提高檢測靈敏度。