墨西哥国立自治大学的一个研究小组利用声波悬浮水滴，并使用激光诱导击穿光谱技术（LIBS）对液体样品进行化学分析，以研究其中的重金属污染物。图片来源：Jairo Peralta和Victor Contreras /墨西哥国立自治大学自然物理研究所。

来自墨西哥的一个研究小组已经开发出一种使用激光诱导击穿光谱技术（LIBS）的方法检测单个水滴中极低浓度的重金属，而LIBS技术通常用于分析固体样品。研究人员利用他们开发的技术，利用声波悬浮技术对水滴进行悬浮和预浓缩以便完成更精确的化学分析，研究人员在去离子水基样品中获得了微量钡、镉、汞和铅的可重复测量结果。研究团队表示，他们利用LIBS技术在有朝一日可用来快速且经济地监测供水质量，并实时识别潜在的污染。

将LIBS用于液体检测

LIBS是一种几十年前被发明出来的原子发射光谱学方法，主要方法是用激光汽化一小块固体样品以产生等离子体。这种激光诱导等离子体能够发射与样品化学组成相关的光谱。最近LIBS设备的小型化以及LIBS技术几乎不需要样品制备的优势使得该技术被越来越多地用于提供实时的固体样品分析。

尽管LIBS应用的数量在不断增加，但该技术却很难被用于液体样品分析。其中一个原因是由于由液体形成的激光诱导等离子体将迅速冷却并快速消失，限制了仪器捕获和测量等离子体发射光谱的时间窗口。另一个缺点是液体在受到干扰时会产生波动、飞溅或形成气溶胶，从而散射光线并破坏光谱。

这两个障碍的潜在解决方案是将液体样品进行干燥处理以在固体基质上进行LIBS分析。以这种方式蒸发液体样品以浓缩其中的元素并消除与液体物理性质相关的问题。然而，对干燥样品残留物的照射激光脉冲也会从固体基质中激发原子，从而使结果并不准确。

声学悬浮LIBS

为了找到另一种解决方式，由墨西哥国立自治大学的自然物理研究所的Victor Contreras领导的一个研究小组利用声波悬浮技术在半空中悬浮水滴样品进行LIBS分析。悬浮不仅消除了来自固体基质的干扰问题，而且悬浮液滴会产生略微蒸发，浓缩可能含有的任何化学物质。而且，因为液滴的位置是一个明确的小点，所以可以使用一种紧凑且经济高效的低能量激光器来产生等离子体。

Contreras和他的研究团队利用含有少量重金属的水基溶液展示了他们的LIBS技术。首先，他们将水滴放置在单轴悬浮器的声波节点中。一旦水滴开始悬浮就会产生轻微蒸发，并浓缩其中所含的重金属，并使其更容易通过光谱检测。接下来，Nd：YAG激光系统将向漂浮的预浓缩水滴提供持续10ns和30mJ能量的532nm激光脉冲。

激光脉冲使水滴产生等离子体，而等离子体发射的光谱通过平凸透镜被收集并聚焦到与光谱仪和计算机耦合的光纤中进行化学分析。从开始水滴悬浮到完成化学鉴定的整个过程只需几分钟。研究人员报告称，他们在水滴样品中检测到低至0.2mg / L的钡、0.7mg / L的镉、1.0mg / L的汞和2.0mg / L的铅，并且能够在多次试验中提供可重现的结果。Contreras表示：“基于我们的技术的在线分析仪有一天可以帮助防止出现环境灾难，并有助于改善水质控制技术。”

研究人员正在努力改进该仪器：他们正在优化声学悬浮捕集器的机械设计以提供更稳定的悬浮条件，并且还在努力通过进一步减小水滴样本的尺寸来提高检测灵敏度。

来源： https://www.osa-opn.org/home/newsroom/2018/may/mining_data_from_a_floating_droplet/

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