En un nuevo estudio, Los investigadores demostraron que el uso de ondas sonoras para levitar gotitas de agua en el aire puede mejorar la detección de contaminantes de metales pesados ​​nocivos como el plomo y el mercurio en el agua. La detección de pequeñas cantidades de metales pesados ​​en el agua es importante porque estos contaminantes son dañinos para la salud humana y el medio ambiente. La nueva técnica podría eventualmente conducir a instrumentos que funcionen en tiempo real, monitoreo de contaminantes in situ, que podría ayudar a prevenir futuros problemas de contaminación por plomo como el Flint, Michigan, crisis de agua o detectar aguas residuales contaminadas de sitios industriales.

"A pesar de la gran variedad de sensores de agua que ofrecen monitoreo continuo, La detección de múltiples metales pesados ​​disueltos en agua solo se puede realizar enviando muestras para análisis de laboratorio especializados. "dijo el líder del equipo de investigación Víctor Contreras, del Instituto de Ciencias Físicas UNAM, México. "Nuestra nueva técnica es un paso hacia el desarrollo de un enfoque de análisis más simple que podría aplicarse en el sitio y en tiempo real. Este tipo de análisis de agua podría ser utilizado por la agricultura, farmacéutico, purificación de agua y otras industrias para controlar el agua en busca de contaminantes ".

En la revista The Optical Society (OSA) Letras de óptica , los investigadores detallan su nuevo enfoque, que utiliza una técnica sensible conocida como espectroscopia de degradación inducida por láser (LIBS) para analizar los metales pesados ​​presentes en las gotas de agua que levitan. La levitación de las gotas de agua permite que el agua se evapore en una posición controlada, lo que aumenta la concentración másica de contaminantes en la muestra y facilita la realización del análisis LIBS. Los investigadores demostraron que su nuevo enfoque puede detectar de manera confiable niveles muy bajos de metales pesados ​​como el bario, cadmio y mercurio con tiempos de análisis de solo unos minutos.

Usando LIBS en líquidos

Los investigadores utilizaron LIBS porque ofrece una forma rápida y sencilla de identificar varios elementos simultáneamente. LIBS funciona enfocando un pulso láser de alta energía en una muestra, que vaporiza el material y genera un plasma. Debido a que la luz emitida por el plasma contiene las huellas dactilares atómicas del material, es posible identificar los componentes químicos de la muestra analizando la luz emitida.

Es un proceso sencillo utilizar el análisis LIBS en muestras sólidas. De hecho, varios dispositivos de mano disponibles comercialmente están disponibles para este tipo de análisis. Sin embargo, Es difícil utilizar este método para analizar directamente líquidos porque el plasma formado en líquidos se enfría más rápido y dura muy poco tiempo. Además, producir un plasma en una superficie líquida produce salpicaduras de agua que afectan directamente la lectura de la espectroscopia.

Con muestras líquidas, crear un plasma que proporcione una buena señal para la detección química requiere altos niveles de energía láser, que solo puede ser proporcionado por bulky, láseres no portátiles. Para evitar este problema, Las muestras líquidas se analizan típicamente colocando una gota sobre un sustrato y esperando a que se seque para concentrar los elementos de interés en la muestra. Aunque depositar la muestra sobre un sustrato es bastante sencillo, el pulso láser excita los átomos de los elementos de la muestra y del sustrato. Además, La evaporación del agua podría provocar una distribución no homogénea de las impurezas en el sustrato. comprometiendo la reproducibilidad de la señal.

En lugar de depositar las gotas sobre un sustrato, los investigadores utilizaron ondas de sonido intensas para hacer levitar gotitas de agua. Las ondas sonoras producen una fuerza lo suficientemente fuerte como para contrarrestar la gravedad, permitiendo que una gota flote sin apoyo en el aire.

"La levitación acústica es un método simple y económico para preconcentrar los elementos de interés mientras se evita la contaminación de la superficie del sustrato, "dijo Contreras." Además, no requiere que la muestra tenga ningún tipo de respuesta eléctrica o magnética como algunos otros métodos utilizados para lograr la levitación ".

Analizando gotitas

En el papel, Los investigadores demostraron que el uso de ondas acústicas para levitar una sola gota de agua les permitió detectar concentraciones muy bajas de metales pesados. Por ejemplo, detectaron 0,7 miligramos por litro de cadmio y 0,2 miligramos por litro de bario. También demostraron que la técnica de levitación acústica que utilizaron es lo suficientemente estable para un análisis LIBS reproducible.

"Esta tecnología tiene el potencial de detectar simultáneamente metales pesados ​​y otros elementos en el agua de una manera rápida y rentable, ", dijo Contreras." Un analizador en línea basado en nuestra tecnología podría algún día ayudar a prevenir desastres ambientales y contribuir a mejorar el control de la calidad del agua ".

Los investigadores ahora están trabajando para mejorar la instrumentación. Por ejemplo, quieren optimizar el diseño mecánico de la trampa acústica para lograr condiciones de levitación más estables, lo que mejorará la reproducibilidad de las lecturas LIBS. También quieren aumentar la sensibilidad levitando de forma estable gotas más pequeñas, que concentra aún más los contaminantes. Este es un paso clave hacia la miniaturización del dispositivo porque permitirá el uso de menos sensibles, pero detectores más compactos.