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Im Schall schwebend analysiert

Akustische Levitation bringt einen Tropfen zum Schweben (links). So kann er mittels laserinduzierter Plasmaspektroskopie analysiert werden (rechts). Fotos: Victor Contreras, UNAM

Ist dieses Wasser mit Schwermetallen belastet? Bisher sind die Nachweisverfahren vergleichsweise aufwendig. Besser lässt sich die Frage durch Untersuchungen im Schwebezustand klären, berichten Forscher. Sie nutzen für ihre lasertechnischen Analysen von Wassertröpfchen das magisch wirkende Verfahren der akustischen Levitation. Ihr Konzept hat praktisches Potenzial, sind die Wissenschaftler überzeugt.

„Bisher ist die Detektion von mehreren in Wasser gelösten Schwermetallen nur effektiv möglich, indem Proben zur Analyse an spezielle Labore verschickt werden“, sagt Victor Contreras von der Nationalen Autonomen Universität von Mexiko in Mexiko-Stadt. „Unsere neue Technik ist ein Schritt zur Entwicklung eines einfacheren Analyseverfahrens, das vor Ort und schnell durchgeführt werden kann. Diese Art der Wasseranalyse könnte etwa von der Landwirtschaft, Pharmazie und Wasseraufbereitung verwendet werden, um Flüssigkeiten auf Verunreinigungen zu untersuchen“, resümiert der Forscher die Bedeutung der Arbeit seines Teams.

Lasertechnik clever eingesetzt

Bei ihrem grundlegenden Analyseverfahren handelt es sich um die sogenannte laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIBS). Dabei bringt ein energiereicher Laserpuls das Material einer Probe zum Verdampfen, wodurch ein Plasma entsteht. Die Merkmale des dabei von dem Material emittierten Lichts lassen Rückschlüsse auf Inhaltsstoffe der Probe zu – in dem Strahlungsspektrum zeichnet sich der „Fingerabdruck“ bestimmter Substanzen ab.

Bei festen Proben hat sich dieses Verfahren sehr bewährt – es gibt bereits Handgeräte für Analysen. Zur Untersuchung von Flüssigkeiten ist der Einsatz von LIBS hingegen problematisch: Plasma aus Flüssigkeiten kühlt schnell ab und seine Erzeugung auf einer Flüssigkeitsoberfläche verursacht Spritzer, die Probleme verursachen können. Bisher haben deshalb nur aufwendige und sperrige Geräte mit hoher Laserleistung LIBS-Analysen von Flüssigkeiten ermöglicht. Alternativ hat man flüssige Proben auch auf einem Substrat trocknen lassen, um die Bestandteile des „Flecks“ anschließend durch LIBS untersuchen zu können. Doch dabei regt der Laser natürlich auch das Substratmaterial an, was die Analyse beeinträchtigen kann.

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All diese Probleme umgehen Contreras und seine Kollegen, indem sie Tröpfchen von Wasserproben für die LIBS-Analyse schweben lassen. So muss der Laser nicht mehr auf eine Oberfläche gerichtet werden – der Effekt kann stattdessen in einer kontrollierten Position ausgelöst werden, was die Analyse erleichtert. Im Schwebezustand kann der Tropfen zudem durch Verdunstung aufkonzentriert werden. Um den Effekt der Schwerkraft aufzuheben, nutzen die Wissenschaftler das Verfahren der akustischen Levitation: Lautsprechersysteme erzeugen dabei stehende Wellen aus Ultraschall. Sie bilden gemeinsam ein akustisches Feld, dessen Kraft ausreicht, einen Wassertropfen kontrolliert in der Schwebe zu halten.

Ziel: Ein Handgerät zur Wasseranalyse

Wie die Forscher berichten, konnten sie mit ihrem Ansatz zuverlässig selbst niedrige Konzentrationen von Schwermetallen wie Barium, Cadmium und Quecksilber bei Analysezeiten von wenigen Minuten detektieren. Die nötige Technik ist weniger aufwändig, als man meinen könnte und lässt sich offenbar auch in einem kleinen Maßstab realisieren. „Akustische Levitation ist eine einfache und kostengünstige Methode, um eine Probe analysieren zu können und gleichzeitig eine Kontamination mit einer Substratoberfläche zu vermeiden“, resümiert Contreras.

Er und seine Kollegen arbeiten nun an der Optimierung ihres Systems. Vor allem die Miniaturisierung im Hinblick auf die Entwicklung einer leicht handhabbaren Version steht dabei im Zentrum. „Ein auf unserer Technologie basierendes Analysegerät könnte eines Tages dazu beitragen, Umweltkatastrophen zu verhindern und Wasserqualitätskontrollen zu verbessern“, so Contreras.

Quelle: The Optical Society, Optics Letters doi: http://dx.doi.org/10.1364/OL.43.00226

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