Определение минералов и загрязняющих веществ в воде и пищевых продуктах с помощью портативного XRF анализатора

Вода, которая течет из вашего крана, только H₂O? Ответ не так прост, вода может содержать растворенные вещества, скрытые для невооруженного глаза. Портативные рентгенофлуоресцентные (XRF) анализаторы, такие как портативный XRF-анализатор Olympus Vanta™, могут помочь идентифицировать скрытые минералы и загрязнители в питьевой воде.

Определение минералов и загрязняющих веществ в воде.

Хоть мы и думаем, что наша питьевая вода - это просто H₂O, но в вашем стакане воды часто растворены и другие вещества. Некоторые из этих материалов полезны для нас, например фтор, который помогает предотвратить кариес. Другие распространенные минералы включают хлорид кальция (CaCl₂), соединение, содержащее электролит, которое, если оно присутствует в воде, может помочь предотвратить обезвоживание. Хлорид кальция, наряду с другими распространенными хлоридами, такими как хлорид магния, натрия и калия, может попадать в питьевую воду из горных пород в результате геологических процессов. На приведенном ниже графике (Рисунок 1) показана точность анализатора Vanta XRF при измерении растворенного кальция от 1000 до 20 частей на миллион.

Рис. 1. Аналитические характеристики Vanta XRF в отношении растворенного кальция по сравнению с эталонным образцом ICP (на вставке показаны более низкие концентрации).

Однако вода может содержать потенциально вредные вещества, в том числе нитраты (NO₃ -), марганец (Mn), железо (Fe) и бикарбонат (HCO₃ -) и другие. Эти элементы и соединения могут вызывать различные проблемы со здоровьем и оборудованием, включая повреждение труб и водонагревателей, образование накипи и рост бактерий.

Методы элементного анализа, такие как рентгенофлуоресцентный анализ (XRF), выполняемый с помощью анализаторов серии Vanta ™, можно использовать для идентификации и количественной оценки некоторых из этих вредных материалов. XRF также может помочь идентифицировать тяжелые металлы, одну из крупнейших и наиболее вредных групп загрязнителей питьевой воды.

Загрязнение питьевой воды тяжелыми металлами.

Тяжелые металлы, которые обычно включают хром (Cr), никель (Ni), медь (Cu), мышьяк (As), кадмий (Cd), ртуть (Hg) и свинец (Pb), могут вызывать различные проблемы при нахождении их в питьевой воде. Эти металлы могут попадать в воду в результате деятельности человека и геологической деятельности, такой как естественное выветривание горных пород, угольные электростанции и шахты. Когда эти металлы попадают в грунтовые воды, они могут повысить кислотность или щёлочность в воде. В результате, вода потенциально токсична для питья и разрушительна для труб и другой инфраструктуры водоснабжения. Изменяя pH воды, эти металлы также могут способствовать росту различных видов вредных бактерий.

Различные типы питьевой воды.

К счастью, большая часть питьевой воды подвергалается какой-либо фильтрации или другим процессам очистки. Для употребления в пищу мы используем различные виды воды:

• Водопроводная
• Дистилированная
• Фильтрованная
• Родниковая
• Очищенная

Обычно самая доступная водопроводная вода проходит через несколько процессов. Грунтовые воды подвергаются химической обработке для удаления грязи и большинства других растворенных частиц. Затем чистая вода фильтруется и дезинфицируется хлором, в некоторых регионах добавляется фтор. Дистиллированная вода кипятится с образованием водяного пара, а затем снова конденсируется в питьевую воду, удаляя почти все загрязнения. Фильтрованная вода похожа на водопроводную воду, хотя некоторые фильтрованные воды обрабатываются озоном для уничтожения бактерий перед розливом в бутылки в заключительной стадии очистки. Подобно фильтрованной воде, родниковая вода подвергается этапу очистки, который проходит в водопроводной воде в дополнение к обработке озоном. Наконец, очищенная вода включает множество методов очистки, таких как обратный осмос, дистилляция и деионизация. Каждый из этих методов удаляет и оставляет определенные растворенные материалы и загрязнения. Используя анализаторы Vanta XRF, мы можем определить, какие растворенные вещества не были удалены из этих различных типов воды.

Анализ воды с помощью анализаторов Vanta XRF.

Чтобы показать вам, как работает XRF, мы протестировали пять ранее упомянутых типов воды вместе с небольшим количеством дождевой воды с помощью анализатора Vanta, а затем количественно проанализировали результаты. Тест длился одну минуту, что позволило нам быстро определить загрязнители и минералы в воде (табл. 1).

Табл. 1. Анализатор Vanta XRF показывает содержание растворенных веществ в пяти типах воды.

Хотя все типы воды при визуальном осмотре выглядят одинаково, образцы содержат разные растворенные вещества. Воды, которые проходят множество этапов очистки, например дистиллированная и очищенная вода, не содержат обнаруживаемых уровней растворенных минералов, солей или металлов. Воды, расположенные ближе к источнику, такие как родниковая и фильтрованная вода, содержат некоторые элементы из органических материалов, таких как фосфор и сера, а также соли геологических процессов, такие как кальций и хлор. В водопроводной воде, помимо этих органических материалов и солей, есть следы (безопасные) железа и цинка из труб, по которым вода транспортируется. Это железо используеться вашим организмом в качестве необходимого минерала, но оно также может оставлять красноватые пятна на водопроводной арматуре.

Помимо расчета концентраций элементов, анализатор Vanta ™ XRF может рассчитывать концентрацию различных солей. Используя в качестве примера родниковую и водопроводную воду, анализатор Vanta может определять концентрацию хлорида кальция в реальном времени (рис. 2).

Рис. 2. Встроенный расчет хлорида кальция (CaCl₂) анализатором Vanta XRF для родниковой воды (слева) и водопроводной воды (справа).

Выявление загрязнений тяжелыми металлами в сточных водах.

Анализатор Vanta ™ XRF также может определять загрязнение тяжелыми металлами в сточных водах или воде, используемой в промышленных и сельскохозяйственных целях. Хотя некоторые из этих тяжелых металлов могут быть непосредственно обнаружены анализатором Vanta при концентрации 1 ppm (1 мг / л) или выше, бывают некоторые загрязнения ниже этого уровня. Достижения в области пробоподготовки, такие как создание пакетов с ионообменной смолой с интервальной съемкой (TIERS) 1 , позволяют анализатору Vanta обнаруживать концентрации тяжелых металлов и солей вплоть до уровня частей на миллиард (ppb) или долей 1 мг / л. Этот простой и недорогой метод подготовки проб позволяет увеличить обнаружение концентрации в воде в 100–1000 раз, обеспечивая пределы обнаружения, которые могут соперничать с более дорогостоящими методами анализа.

Использование TIERS или других ионообменных смол помогает в обнаружении незаконных сбросов в промышленные и сельскохозяйственные воды, оценке загрязнения тяжелыми металлами сельскохозяйственных угодий и выявлении загрязнителей в более крупных водоемах. Эти методы привели к развитию дактилоскопии сточных вод, что позволяет исследователям определять происхождение конкретных загрязнителей. Возможность достижения пределов обнаружения частей на миллиард с помощью XRF делает его полезным инструментом для анализа сточных вод и идентификации загрязнителей.

Вредные примеси в продуктах питания и напитках

Не только вода может содержать тяжелые металлы. Другие часто потребляемые продукты, такие как зерно и сахар, также могут содержать тяжелые металлы. Металлы, такие как железо и цинк, могут случайно попасть в пищевые продукты из-за поломки машинного оборудования, через удобрения и различные методы измельчения и обработки. Вредные примеси могут быть добавлены к сахару через загрязненную воду, используемую при обработке, и загрязняющие вещества, присутствующие в почве, на которой выросла сахарная свекла. Как и в случае с водой, мы протестировали потребительскую муку, рис и сахар с помощью прибора Vanta ™ XRF и количественно проанализировали результаты. Тест длился одну минуту, и мы быстро выявили загрязнение в этих обычных продуктах (рис. 3).

Рис. 3. Результаты анализа анализатором Vanta XRF продуктов питания - сахар (слева), мука (в центре) и рис (справа).

Хотя ни один из растворенных веществ не виден невооруженным глазом, они явно присутствуют в этих продуктах. Все обнаруженные элементы естественным образом присутствуют в этих материалах и поступают из природных минералов, солей и питательных веществ. Анализатор Vanta можно использовать даже для анализа таких разнообразных продуктов, как протеиновые порошки или каннабис.

Эти элементные анализы четко выявляют вредные вещества в пищевых продуктах и напитках, демонстрируя аналитические характеристики портативных XRF-анализаторов Vanta.