Improved design and field deployment of laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) in-situ groundwater trace element analyzer
本文报告了一种经过重新设计的侧向式小型化激光诱导击穿光谱（LIBS）地下水传感器的成功现场部署，该传感器消除了气泡引起的数据变异性，并通过为期七周的连续地下运行展示了改进后的性能。
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在地球深处，在黑暗、高压的地下水世界中，潜伏着一种无形的威胁：来自石油和天然气作业的咸且有毒的废水的缓慢迁移。当这些受污染的流体从注水井中泄漏时，它们可能会毒害数百万人口赖以饮用和耕作的淡水含水层。为了及早发现这些泄漏，科学家们需要一种方法，能够在不将样本提取到实验室的情况下，直接在地下原位观察水中溶解了什么。挑战在于，那里的环境恶劣、黑暗，且充满了可能干扰精密仪器的气泡。国家能源技术实验室（National Energy Technology Laboratory）的研究人员一直在研发一种工具来解决这个问题：一种坚固的小型探头，它利用微小而强烈的闪光来即时分析水的化学成分。
该工具依赖于一种被称为激光诱导击穿光谱（laser-induced breakdown spectroscopy）的技术。想象一下，将一束强大、快速射出的激光对准一滴水。激光如此猛烈地击中水滴，以至于将其中的一个微小斑点变成了一团超热、发光的等离子体气云。当这团发光的云在极短的时间内冷却时，它会发出一种特定的“彩虹光”，就像指纹一样，揭示出水中究竟存在哪些元素。通过读取这种光，机器可以判断是否存在危险的金属或盐类。虽然这种方法功能强大，但将其置于地下却面临着独特的问题。当激光在水下发射时，剧烈的热量和冲击波会导致产生微小的气泡并向上漂浮。在之前的设备版本中，这些气泡会卡在传感器窗口的正前方，阻挡激光并散射光线，就像汽车挡风玻璃上的雾气一样。这使得读数变得不可靠，并导致信号随时间逐渐减弱。
为了解决这个问题，研究团队重新设计了探头，以改变激光的方向。他们不再让光束直向下射向传感器的底部，而是增加了一个特殊的适配器，将光束旋转九十度，使其从设备的侧面射出。这个简单的改变使得激光产生的任何气泡都能自然地向远离传感器窗口的方向上升，而不是卡在它前面。团队利用3D打印和不锈钢制造了一个新的适配器，并将其安装在现有的探头上。随后，他们将这台改装后的设备放入西弗吉尼亚州的一个监测井中，将其浸泡在地下水中长达七周。该探头每天发射数千次激光，在深度为27英尺、水压显著的环境下持续收集数据。
这次长期测试的结果清晰且令人鼓舞。与之前因气泡堆积导致信号衰减的设计不同，这种新的侧向设计在整个七周期间保持了稳定且强劲的信号。收集到的数据表明，该系统可以可靠地检测钙、钠和钾等常见元素，甚至在收集到足够数据后，还能发现锰和锂的痕迹。研究人员发现，新设计消除了由气泡引起的信号损失，证明了侧向设计对于实现稳定、长期监测是有效的。虽然由于需要额外的反射镜和透镜来转向光束，新适配器略微降低了信号的整体亮度，但这种折衷对于其提供的稳定性而言是非常值得的。
这项工作表明，该技术已准备好进入下一步：变得更小、更简单、更自动化。目前的设备直径略大于两英寸，已经足够小，可以进入许多监测井，但团队相信它可以进一步缩小，以适应更狭窄的空间。实地测试的成功表明，此类设备最终不仅可以用于监测废水注入现场，还可以用于监测工业过程、检查酸性矿山排水或实时追踪水质。通过解决水下气泡的问题，研究人员已经克服了一个重大障碍，让我们离能够实时观察地下水化学变化、确保我们的水源安全清洁的未来又近了一步。
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