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水龍頭流出的水只是H₂O嗎？答案并不那么簡單；水可能含有肉眼看不見的溶解物質(zhì)。奧林巴斯Vanta手持式XRF元素分析儀之類的便攜式X射線熒光（pXRF）儀器可以幫助識(shí)別飲用水中隱藏的礦物質(zhì)和污染物。

識(shí)別水中的礦物質(zhì)和污染物

雖然我們可能認(rèn)為飲用水只是H₂O，但您的杯子里經(jīng)常會(huì)有其他溶解物質(zhì)。其中一些物質(zhì)對(duì)我們有益，比如氟化物，它有助于防止蛀牙。其他常見礦物質(zhì)包括氯化鈣（CaCl₂），一種含有電解質(zhì)的化合物，當(dāng)存在于水中時(shí)，可以幫助防止脫水。氯化鈣，以及其他常見的氯化物，如氯化鎂、氯化鈉和氯化鉀，可以通過地質(zhì)作用從巖石中滲入飲用水。下圖（圖1）顯示了Vanta pXRF元素分析儀測(cè)量溶解鈣的精度，從1000 ppm直至20 ppm。

圖1.Vanta pXRF元素分析儀對(duì)ICP參考樣品中溶解鈣的分析性能（插圖顯示較低濃度）

然而，水可能含有潛在的有害物質(zhì)，包括硝酸鹽（NO₃-）、錳（Mn）、鐵（Fe）和碳酸氫鹽（HCO₃-）等。這些元素和化合物會(huì)導(dǎo)致各種健康和基礎(chǔ)設(shè)施問題，包括對(duì)管道和熱水器的危害、水垢形成和細(xì)菌生長。

元素分析技術(shù)（例如使用Vanta系列進(jìn)行的便攜式X射線熒光（pXRF）分析）可用于識(shí)別和量化其中一些有害物質(zhì)。pXRF還可以幫助識(shí)別重金屬，重金屬是飲用水污染物中最大、最有害的一類。

飲用水中的重金屬污染

重金屬通常包括鉻（Cr）、鎳（Ni）、銅（Cu）、砷（As）、鎘（Cd）、汞（Hg）和鉛（Pb），當(dāng)存在于飲用水中時(shí)，會(huì)引起各種問題。這些金屬可以通過人類和地質(zhì)活動(dòng)進(jìn)入水中，比如巖石、燃煤發(fā)電廠和礦山的自然風(fēng)化。當(dāng)這些金屬進(jìn)入地下水時(shí)，它們會(huì)使水的酸性或堿性更強(qiáng)。因此，飲用水可能有毒，并對(duì)管道和其他水基礎(chǔ)設(shè)施造成破壞。通過改變水的pH值，這些金屬還可以促進(jìn)各種有害細(xì)菌的生長。

各種類型的飲用水

幸好，大多數(shù)飲用水都經(jīng)過了一些過濾或其他凈化過程。我們有各種類型的飲用水，隨時(shí)可供使用：

• 自來水

• 蒸餾水

• 過濾水

• 泉水

• 純凈水

通常來說，自來水是最容易獲得的，需要經(jīng)過一些處理。在地下水中加入一些化學(xué)物質(zhì)，去除污垢和大多數(shù)其他溶解顆粒。然后使用氯氣對(duì)潔凈水進(jìn)行過濾和消毒，有一些地區(qū)還會(huì)加入氟。蒸餾水已經(jīng)煮沸，產(chǎn)生蒸汽或水蒸氣，然后冷凝形成飲用水，幾乎去除了所有污染物。過濾后的水與自來水類似，不過一些過濾后的水在裝瓶前經(jīng)過臭氧處理以殺死細(xì)菌，然后進(jìn)行最后的凈化步驟。與過濾水類似，泉水除了經(jīng)過臭氧處理外，還經(jīng)歷了自來水的凈化步驟。最后，純凈水包括許多凈化技術(shù)，如反滲透、蒸餾和去離子。每種技術(shù)都會(huì)去除并留下某些溶解物質(zhì)和污染物。使用Vanta pXRF分析儀后，我們可以確定哪些溶解物質(zhì)沒有從這些不同類型的水中去除。

使用Vanta pXRF分析儀分析水

為了向您展示pXRF的工作原理，我們使用Vanta分析儀測(cè)試了上述五種類型的水和一些雨水，然后對(duì)結(jié)果進(jìn)行了定量分析。測(cè)試耗時(shí)一分鐘，使我們能夠快速識(shí)別水中的污染物和礦物質(zhì)（圖2）。

圖2.Vanta pXRF對(duì)五種水類型的分析顯示了各種溶解物質(zhì)

雖然通過目視檢查，所有的水類型看起來都一樣，但樣品中含有不同的溶解物質(zhì)。經(jīng)過許多凈化步驟的水，如蒸餾水和純凈水，不含可檢測(cè)到的溶解礦物質(zhì)、鹽或金屬。靠近水源的水域（如泉水和過濾水）含有一些來自有機(jī)物質(zhì)的元素（如磷和硫），以及來自地質(zhì)過程的鹽（如鈣和氯）。自來水除了含有這些有機(jī)物質(zhì)和鹽類外，還含有一些輸送水的管道中的微量鐵和鋅（仍然安全）。鐵可以被您的身體用作所需的礦物質(zhì)，但也會(huì)在您家的水設(shè)備上留下紅色污漬。幸好，沒有一種送檢水樣含有任何可檢測(cè)到的重金屬。

除了計(jì)算元素濃度，Vanta pXRF分析儀還可以計(jì)算各種鹽的濃度。以我們的泉水和自來水為例，Vanta分析儀可以實(shí)時(shí)內(nèi)聯(lián)測(cè)定氯化鈣的濃度（圖3）。

圖3.用Vanta pXRF分析儀內(nèi)聯(lián)計(jì)算泉水（左）和自來水（右）中的氯化鈣（CaCl2）

識(shí)別廢水中的重金屬污染物

Vanta pXRF分析儀還可以識(shí)別用于工業(yè)和農(nóng)業(yè)目的的廢水或水中的重金屬污染。雖然Vanta分析儀可以檢測(cè)到濃度在1 ppm（1 mg/L）或以上的其中一些重金屬，但還有一些污染物的濃度低于該水平。樣品制備方面的進(jìn)步，如延時(shí)離子交換樹脂袋（TIERS）¹，使Vanta分析儀能夠檢測(cè)重金屬和鹽濃度，直至十億分之一（ppb）水平，或1 mg/L的分?jǐn)?shù)。這種簡單且花費(fèi)不多的樣品制備技術(shù)可以將水中的濃度放大100到1000倍，從而實(shí)現(xiàn)與更昂貴的技術(shù)相匹敵的檢測(cè)限。

使用TIERS或其他離子交換樹脂已被證明有助于檢測(cè)工業(yè)和農(nóng)業(yè)水域的非法排放¹，評(píng)估農(nóng)田的重金屬污染²，以及識(shí)別更大水體中的污染物³。這些技術(shù)使廢水指紋識(shí)別技術(shù)得到了發(fā)展，使研究人員能夠識(shí)別特定污染物或污染物的來源。pXRF能夠達(dá)到ppb檢測(cè)限，使其成為廢水分析和污染物識(shí)別的有用工具。

食品和飲料中的污染物

水不是唯一可能含有重金屬污染的食品或飲料。其他常見的消費(fèi)品，如谷物和糖，也可能受到重金屬污染。除了識(shí)別食品中的完整金屬碎片，人類和環(huán)境活動(dòng)中的微量金屬也會(huì)污染食品。金屬（如鐵和鋅）可能通過機(jī)器設(shè)備故障、肥料中的污染物以及各種研磨和加工技術(shù)意外添加到食品中。污染物可能通過加工過程中使用的受污染水以及種植甘蔗的土壤中存在的污染物加入到糖中。與送檢水樣類似，我們使用Vanta pXRF儀器測(cè)試了消費(fèi)級(jí)面粉、大米和糖，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了定量分析。測(cè)試耗時(shí)一分鐘，很快為我們提供了這些普通食品柜食品中的污染物（圖4）。

圖4.Vanta pXRF分析儀掃描常見食品，包括糖（左）、面粉（中）和大米（右）。

雖然肉眼看不到任何溶解物質(zhì)，但它們顯然存在于這些食品中。所有檢測(cè)到的元素都是自然存在于這些物質(zhì)中，來自自然存在的礦物質(zhì)、鹽和營養(yǎng)素。Vanta分析儀甚至可以用來測(cè)試各種各樣的產(chǎn)品，如蛋白粉。

這些元素分析清楚地揭示了消費(fèi)性食品和飲料中的污染，展示了Vanta手持式XRF分析儀的分析性能。