Простая струя воды - лучший детектор загрязняющих веществ
Когда вы просвечиваете ультрафиолетом сквозь воду, загрязненную определенными органическими соединениями и бактериями, контаминанты поглощают УФ-излучение и переизлучают его как видимый свет. Множество современных приборов анализа воды пользуются этими флуоресцентными свойствами загрязнителей. Однако стенки каналов, сквозь которые вода проходит в этих устройствах, создают фоновый шум, затрудняющий четкое «прочтение» результатов.
Но итальянские исследователи разработали новый детектор, предпочитающий использовать лишь узкую струю воды, не сдерживаемую сосудами или трубами. Открытая струя воды играет две роли – образца и пробоотборника.
Как сказано выше, типичные микрожидкостные детекторы захватывают и удерживают пробы воды (вместе с их флуоресцирующими органическими соединениями) внутри узких каналов. Но луч лазера, который высвечивает бактерии и химикалии в воде, также светит на стенки каналов, где он рассеивается – отчего размывается различие между светящимися контаминантами и их фоном. Износ стенок также снижает надежность измерений.
Чтобы решить эти проблемы, Джанлука Персикетти (Gianluca Persichetti) и его коллеги из Института электромагнитных датчиков окружающей среды решили вообще отказаться от стенок и каналов.
Ученые прокачивают воду сквозь выпускное отверстие с скоростью 1,4 м/сек – узким потоком меньше миллиметра в диаметре. Потом на струю воды направляется ультрафиолетовый лазер. Флуоресцентное излучение, посылаемое загрязнителями и бактериями, отскакивает назад и ловится внутри струи, выступающей в качестве волноводного тракта – туннеля, который ведет свет через поток. Сам лазер – источник фонового шума, который может замутнить сигнал. Поэтому итальянцы минимизировали количество лазерного излучения, попадающего в струю – выстреливая лучом лазера под углом, перпендикулярным относительно потока.
Пройдя расстояние в 16 миллиметров, струя входит в маленькую трубку, содержащую светопроводящее волокно, «собирающее» сигналы флуоресцентного света. Потом вода закачивается назад и снова вылетает из выпускного отверстия. Так обеспечивается рециркуляция. Благодаря ней инструмент способен анализировать даже небольшую пробу очень продолжительное время.
Разработчики испытали свой прибор на главных загрязнителях грунтовых вод – бензоле, толуоле, ксилоле (БТК) и полиароматических углеводородах. Это канцерогенные соединения присутствуют в битуме и углеводородном топливе. Устройство оказалось сверхчувствительным: оно определяло куда более низкое содержание загрязнителей в пробах, чем устанавливают нормативы Агентства по охране окружающей среды США. Прибор также «улавливает» Bacillus subtillus – безвредную бактерию, похожую на возбудителя сибирской язвы.
В своем нынешнем варианте устройство оснащено спектрофотометром (прибором для измерения спектров излучения и поглощения путём их сравнения с эталонным спектром) для измерения оптических сигнатур конкретных химикалий. Чтобы еще больше удешевить производство прибора, Перискетти и его группа планируют заменить лазер на светодиод, а спектрофотометр – на комбинацию фильтра (отсеивающего нежелательное фоновое излучение) с фотодиодом (преобразующим свет в электричество, для обнаружения сигнала).
Прибор пригодится не только для анализа воды. Если поставить на него более сложные датчики, он может использоваться в биомедицинских исследованиях - для различения различных химических веществ или типов микроорганизмов.
Новинка представлена в журнале Optics Express.
По материалам пресс-релиза издателя.
Артём Космарский nauka21vek.ru