Идентификация минералов и загрязнителей в воде и пищевых продуктах с помощью портативного РФА

Вода, которая течет из вашего крана, только ли состоит из молекул H₂O? Ответ не так прост; вода может содержать растворенные вещества, невидимые невооруженным глазом. Портативные рентгенофлуоресцентные (РФ) анализаторы, такие как Vanta™ Olympus, могут помочь выявить скрытые минералы и загрязнители в питьевой воде.

Идентификация минералов и загрязнителей в воде

Мы можем думать, что наша питьевая вода состоит только из H₂O, но часто в ней можно выявить другие растворенные вещества. Некоторые из этих веществ полезны для нас, например, фтор, который помогает предотвратить кариес. Другие распространенные минералы включают хлорид кальция (CaCl₂), — соединение, содержащее электролит, которое при наличии в воде может помочь предотвратить обезвоживание. Хлорид кальция, наряду с другими распространенными хлоридами, такими как хлорид магния, натрия и калия, может проникать в питьевую воду из горных пород в результате геологических процессов. График ниже (Рис. 1) показывает точность РФ-анализатора Vanta при измерении растворенного кальция в диапазоне от 1000 до 20 ppm.

Рис. 1 Результаты анализа Vanta для растворенного кальция в сравнении с методом ICP (вставлен. снимок отображает более низкие концентрации)

Однако вода может содержать потенциально вредные вещества, в том числе нитраты (NO₃-), марганец (Mn), железо (Fe) и бикарбонат (HCO₃-) и др. Эти элементы и соединения могут влиять на здоровье или вызвать проблемы с инфраструктурой, включая повреждение труб и водонагревателей, образование накипи и рост бактерий.

Методы элементного анализа, как например, рентгеновская флуоресценция, выполняемая с использованием портативных анализаторов Vanta™, могут использоваться для идентификации и количественного определения этих вредных материалов. Технология РФА также позволяет идентифицировать тяжелые металлы, одну из самых больших и вредных групп загрязнителей питьевой воды.

Загрязнение питьевой воды тяжелыми металлами

Тяжелые металлы, к которым обычно относятся хром (Cr), никель (Ni), медь (Cu), мышьяк (As), кадмий (Cd), ртуть (Hg) и свинец (Pb), могут вызывать различные проблемы при наличии их в питьевой воде. Эти металлы могут попасть в воду в результате человеческой и геологической деятельности, например, естественного выветривания горных пород; работающих на угле электростанций; и шахт. При попадании в грунтовые воды, эти металлы могут сделать воду более кислой или щелочной. В результате вода становится потенциально токсичной для питья, разрушает трубы и другую инфраструктуру водоснабжения. Изменяя рН воды, эти металлы также могут способствовать росту различных видов вредных бактерий.

Различные типы питьевой воды

К счастью, большая часть питьевой воды проходит фильтрацию или другие процессы очистки. У нас есть доступ к различным видам питьевой воды:

• Вода из-под крана
• Дистиллированная вода
• Фильтрованная вода
• Родниковая вода
• Очищенная вода

Самая доступная водопроводная вода проходит несколько процессов очистки. Что касается грунтовых вод, сюда добавляют некоторые химические вещества для удаления растворенных загрязнений. Затем чистую воду фильтруют и дезинфицируют хлором, а в некоторых регионах добавляют фтор. Дистиллированная вода — это обыкновенная вода, очищенная от примесей и включений путем кипячения. В процессе кипячения вода превращается в пар, который конденсируется в чистую жидкую форму. Фильтрованная вода похожа на водопроводную, но в некоторых случаях вода обрабатываются озоном для уничтожения бактерий перед розливом в бутылки на заключительном этапе очистки. Подобно фильтрованной воде, родниковая вода проходит этап очистки, который проходит водопроводная вода, а также обработку озоном. Наконец, очищенная вода включает множество методов очистки, таких как обратный осмос, дистилляция и деионизация. Каждый из этих методов удаляет определенные растворенные вещества и загрязнения, но оставляет другие. С помощью портативных РФ-анализаторов Vanta мы можем определить, какие растворенные вещества не были удалены из воды.

Анализ воды с помощью РФ-анализаторов Vanta

Чтобы показать вам, как работает pXRF, мы протестировали пять ранее упомянутых типов воды, а также дождевую воду с помощью анализатора Vanta, а затем провели количественный анализ результатов. Тест длился одну минуту, что позволило нам быстро выявить загрязняющие вещества и минералы в воде (Рис. 2).

Рис. 2 Анализ пяти типов воды с помощью Vanta показал ряд растворенных веществ

Если все типы воды выглядят одинаково при визуальном осмотре, образцы содержат разные растворенные вещества. Вода, прошедшая множество этапов очистки, например, дистиллированная вода или очищенная вода, не содержит определяемых уровней растворенных минералов, солей или металлов. Вода, находящаяся ближе к источнику (родниковая и фильтрованная вода), содержит некоторые органические соединения, такие как фосфор и сера, а также соли, образовавшиеся в результате геологических процессов, такие как кальций и хлор. Водопроводная вода, помимо этих органических соединений и солей, содержит примеси (безопасные) железа и цинка из некоторых труб, по которым вода транспортируется. Железо может быть использовано вашим телом в качестве необходимого минерала, но также может оставить красноватые пятна на водопроводных приборах в вашем доме. К счастью, ни в одном из исследованных типов воды не было обнаруживаемых количеств тяжелых металлов.

Помимо расчета концентрации элементов РФ-анализатор Vanta™ может определить концентрацию различных солей. На примере родниковой и водопроводной воды анализатор Vanta смог определить концентрацию хлорида кальция в режиме реального времени (Рис. 3).

Рис. 3 Расчет концентраций хлорида кальция (CaCl2) в родниковой воде (слева) и водопроводной воде (справа) с помощью РФ-анализатора Vanta

Выявление тяжелых металлов в сточных водах

РФ-анализатор Vanta™ также может определять загрязнение тяжелыми металлами сточных вод промышленных и сельскохозяйственных предприятий. Некоторые тяжелые металлы могут быть напрямую обнаружены анализатором Vanta в концентрациях 1 ppm (1 мг/л) или выше, а некоторые загрязняющие вещества имеют концентрации ниже этого уровня. Усовершенствованная подготовка проб (например, использование пакетов с ионообменной смолой TIERS)¹ позволяет анализатору Vanta обнаруживать концентрации тяжелых металлов и солей вплоть до ppb (частей на миллиард, или 1 мг/л). Этот простой и недорогой метод подготовки проб может увеличить концентрацию в воде в 100–1000 раз, обеспечивая пределы обнаружения, конкурирующие с более дорогими методами.

Использование TIERS или других ионообменных смол позволяет выявить незаконные сбросы сточных вод промышленных и сельскохозяйственных предприятий¹, оценить загрязнение сельскохозяйственных угодий тяжелыми металлами² и идентифицировать загрязняющие вещества в более крупных водоемах³. Эти технологии привели к созданию «отпечатков пальцев» предприятий, позволяя исследователям определять источник выброса вредных (загрязняющих) веществ в воду. Возможность достижения низких пределов обнаружения (до уровня ppm) с помощью портативного РФА обеспечивает эффективный анализ и идентификацию загрязняющих веществ в сточных водах.

Загрязняющие вещества в пищевых продуктах и напитках

Вода — не единственный потребляемый продукт, который может содержать тяжелые металлы. Другие часто потребляемые продукты, такие как зерновые и сахар, также могут быть загрязнены тяжелыми металлами. Помимо цельнометаллических частиц в пищевых продуктах следовые количества металлов в результате деятельности человека и окружающей среды также могут загрязнять пищевые продукты. Такие металлы, как железо и цинк, могут случайно попасть в пищевые продукты по причине поломки машинного оборудования, загрязняющих веществ в удобрениях и использования различных методов измельчения и обработки. Посторонние вещества могут попасть в сахар через загрязненную воду, используемую при переработке, или через загрязненную почву, на которой выращивался сахарный тростник. Аналогично анализу воды, мы протестировали муку, рис и сахар с помощью РФ-спектрометра Vanta™ и провели количественный анализ результатов. Тест занял одну минуту, и мы быстро получили данные о загрязнении этих продуктов из кладовой (Рис. 4).

Рис. 4 Анализ обычных продуктов, — сахара (слева), муки (в центре) и риса (справа), с помощью Vanta

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

Данные примеры элементного анализа четко показывают загрязнение пищевых продуктов и напитков, демонстрируя аналитические возможности портативного РФ-анализатора Vanta.

Использованная литература

1. Shih, P.K., Chiang, L.C., Lin, S.C., Chang, T.K. and Hsu, W.C., 2019. Application of Time-Lapse Ion Exchange Resin Sachets (TIERS) for Detecting Illegal Effluent Discharge in Mixed Industrial and Agricultural Areas, Taiwan. Sustainability, 11(11), p.3129.

2. Huang, J.J.S., Lin, S.C., Löwemark, L., Liou, S.Y.H., Chang, Q., Chang, T.K., Wei, K.Y. and Croudace, I.W., 2019. Rapid assessment of heavy metal pollution using ion-exchange resin sachets and micro-XRF core-scanning. Scientific reports, 9(1), pp.1-6.

3. Pan, S.Y., Syu, W.J., Chang, T.K. and Lee, C.H., 2020. A multiple model approach for evaluating the performance of time-lapse capsules in trapping heavy metals from water bodies. RSC Advances, 10(28), pp.16490-16501.