In un nuovo studio, i ricercatori hanno dimostrato che l'uso delle onde sonore per far levitare le goccioline d'acqua a mezz'aria può migliorare la rilevazione di contaminanti nocivi di metalli pesanti come piombo e mercurio nell'acqua. Rilevare piccole quantità di metalli pesanti nell'acqua è importante perché questi contaminanti sono dannosi per la salute umana e per l'ambiente. La nuova tecnica potrebbe eventualmente portare a strumenti che eseguono in tempo reale, monitoraggio in loco dei contaminanti, che potrebbe aiutare a prevenire futuri problemi di contaminazione da piombo come il Flint, Michigan, crisi idrica o rilevare acque reflue contaminate da siti industriali.

"Nonostante la grande varietà di sensori dell'acqua che offrono un monitoraggio continuo, il rilevamento di più metalli pesanti disciolti in acqua può essere eseguito solo inviando campioni per analisi di laboratorio specializzato, " ha detto il capo del gruppo di ricerca Victor Contreras, dell'Instituto de Ciencias Físicas UNAM, Messico. "La nostra nuova tecnica è un passo verso lo sviluppo di un approccio di analisi più semplice che potrebbe essere applicato in loco e in tempo reale. Questo tipo di analisi dell'acqua potrebbe essere utilizzato da aziende agricole, farmaceutico, depurazione dell'acqua e altre industrie per monitorare l'acqua per i contaminanti."

Nella rivista The Optical Society (OSA) Lettere di ottica , i ricercatori dettagliano il loro nuovo approccio, che utilizza una tecnica sensibile nota come spettroscopia di rottura indotta da laser (LIBS) per analizzare i metalli pesanti presenti nelle gocce d'acqua levitanti. La levitazione delle gocce d'acqua consente all'acqua di evaporare in una posizione controllata, che aumenta la concentrazione di massa di contaminanti nel campione e facilita l'esecuzione dell'analisi LIBS. I ricercatori hanno dimostrato che il loro nuovo approccio può rilevare in modo affidabile livelli molto bassi di metalli pesanti come il bario, cadmio e mercurio con tempi di analisi di pochi minuti.

Utilizzo di LIBS sui liquidi

I ricercatori hanno utilizzato LIBS perché offre un modo rapido e diretto per identificare più elementi contemporaneamente. LIBS funziona focalizzando un impulso laser ad alta energia su un campione, che vaporizza il materiale e genera un plasma. Poiché la luce emessa dal plasma contiene le impronte atomiche del materiale, è possibile identificare i componenti chimici del campione analizzando la luce emessa.

È un processo semplice utilizzare l'analisi LIBS su campioni solidi. Infatti, diversi dispositivi palmari disponibili in commercio sono disponibili per questo tipo di analisi. Però, è difficile utilizzare questo metodo per analizzare direttamente i liquidi perché il plasma formato nei liquidi si raffredda più velocemente e dura pochissimo tempo. Inoltre, la produzione di plasma su una superficie liquida produce spruzzi d'acqua che influenzano direttamente la lettura della spettroscopia.

Con campioni liquidi, la creazione di un plasma che fornisca un buon segnale per il rilevamento chimico richiede alti livelli di energia laser, che può essere fornito solo da ingombranti, laser non portatili. Per aggirare questo problema, i campioni liquidi vengono tipicamente analizzati ponendo una goccia su un substrato e aspettando che si asciughi per concentrare gli elementi di interesse nel campione. Sebbene depositare il campione su un substrato sia abbastanza semplice, l'impulso laser eccita gli atomi dagli elementi nel campione e dal substrato. Oltretutto, l'evaporazione dell'acqua potrebbe portare a una distribuzione disomogenea delle impurità sul substrato, compromettendo la sua riproducibilità del segnale.

Invece di depositare le goccioline su un substrato, i ricercatori hanno utilizzato onde sonore intense per far levitare singole goccioline d'acqua. Le onde sonore producono una forza abbastanza forte da contrastare la gravità, permettendo a una goccia di librarsi in aria senza supporto.

"La levitazione acustica è un metodo semplice ed economico per preconcentrare gli elementi di interesse evitando la contaminazione dalla superficie del substrato, " disse Contreras. "Inoltre, non richiede che il campione abbia alcun tipo di risposta elettrica o magnetica come altri metodi utilizzati per ottenere la levitazione."

Analizzare le goccioline

Nella carta, i ricercatori hanno dimostrato che l'uso delle onde acustiche per far levitare una singola goccia d'acqua ha permesso loro di rilevare concentrazioni molto basse di metalli pesanti. Per esempio, hanno rilevato 0,7 milligrammi per litro di cadmio e 0,2 milligrammi per litro di bario. Hanno anche dimostrato che la tecnica di levitazione acustica che hanno usato è sufficientemente stabile per un'analisi LIBS riproducibile.

"Questa tecnologia ha il potenziale per rilevare contemporaneamente metalli pesanti e altri elementi nell'acqua in modo rapido ed economico, " ha affermato Contreras. "Un analizzatore online basato sulla nostra tecnologia potrebbe un giorno aiutare a prevenire i disastri ambientali e contribuire a migliorare il controllo della qualità dell'acqua".

I ricercatori stanno ora lavorando per migliorare la strumentazione. Per esempio, vogliono ottimizzare la progettazione meccanica della trappola acustica per ottenere condizioni di levitazione più stabili, che migliorerà la riproducibilità delle letture LIBS. Vogliono anche aumentare la sensibilità facendo levitare stabilmente gocce più piccole, che concentra ulteriormente i contaminanti. Questo è un passo fondamentale verso la miniaturizzazione del dispositivo perché consentirà l'uso di dispositivi meno sensibili, ma rivelatori più compatti.