Zjišťování minerálů a škodlivin ve vodě a potravinách pomocí přenosné rentgenové fluorescence (XRF)

Obsahuje voda vytékající z vašeho vodovodního kohoutku jen H₂O? Odpověď není tak jednoduchá. Ve vodě totiž mohou být obsaženy rozpuštěné látky, které jsou pouhým okem neviditelné. Přenosné nástroje pro rentgenovou fluorescenci (pXRF), například ruční XRF analyzátor Olympus Vanta™, mohou pomoci neviditelné minerály a znečišťující látky přítomné v pitné vodě identifikovat.

Zjištění minerálů a znečišťujících látek ve vodě

I když si můžeme myslet, že naši pitnou vodu tvoří jen H₂O, často jsou ve sklenici vody rozpuštěny i jiné látky. Některé z nich jsou pro nás přínosné, například fluorid, který pomáhá bránit vzniku zubního kazu. Dalšími běžně se vyskytujícími minerály jsou, mimo jiné, chlorid vápenatý (CaCl₂), elektrolyt obsahující sloučeninu, která, je-li obsažena ve vodě, pomáhá bránit dehydrataci. Chlorid vápenatý, spolu s dalšími běžně se vyskytujícími chloridy, např. chloridem hořčíku, sodíku a draslíku, mohou do pitné vody proniknout geologickými procesy z hornin. Graf níže (obrázek 1) ukazuje přesnost pXRF analyzátoru Vanta při měření rozpuštěného vápníku v rozmezí od 1000 ppm až k hodnotě 20 ppm.

Obrázek 1. Analytická výkonnost pXRF přístroje Vanta při určení množství rozpuštěného vápníku ve srovnání s ICP referenčním vzorkem (vložený graf zobrazuje hodnoty pro nízké koncentrace)

Ve vodě však mohou být obsaženy také potenciálně škodlivé látky, včetně, mimo jiné, nitrátů (NO₃-), manganu (Mn), železa (Fe), a hydrogenuhličitanů (HCO₃-). Tyto prvky a sloučeniny mohou způsobit různé zdravotní problémy i problémy infrastruktury, včetně poškození potrubí a ohřívačů vody, tvorby vodního kamene a růstu bakteriální populace.

Ke zjištění přítomnosti i množství některých těchto škodlivých látek lze využít techniky analýzy prvků, například analýzu pomocí přenosné rentgenové fluorescence (pXRF) prováděnou přístroji řady Vanta™. PXRF pomáhá také při identifikaci těžkých kovů, což je jedna z největších a nejškodlivějších skupin kontaminantů pitné vody.

Kontaminace pitné vody těžkými kovy

Těžké kovy, mezi které obecně patří chrom (Cr), nikl (Ni), měď (Cu), arzenik (As), kadmium (Cd), rtuť (Hg) a olovo (Pb), mohou, jsou-li přítomny ve vodě, způsobovat různé problémy. Tyto kovy se do vody mohou dostávat lidskou i geologickou činností, například přirozeným zvětráváním hornin nebo provozem uhelných elektráren a dolů. Průnik těchto kovů do podzemních vod může způsobit, že voda bude kyselejší nebo zásaditější. V důsledku toho je voda potenciálně toxická pro pití a destruktivní pro potrubí a další vodní infrastrukturu. Protože tyto kovy mají vliv na pH vody, mohou také nepřímo podporovat růst různých druhů škodlivé bakteriální populace.

Různé druhy pitné vody

Většina pitné vody je naštěstí upravována filtrací nebo jiným procesem čištění. Existují různé druhy pitné vody, které jsou nám snadno dostupné:

• Vodovodní voda
• Destilovaná voda
• Filtrovaná voda
• Pramenitá voda
• Čištěná voda

Vodovodní voda, která je nejlépe dostupnou vodou, prochází několika čisticími procesy. Na začátku je podzemní voda, do níž se přidají určité chemikálie, které odstraní kal a většinu ostatních rozpuštěných částic. Tato čistá voda je poté filtrována a dezinfikována chlorem a v některých regionech se do ní přidává ještě fluor. Destilovaná voda je voda, která byla za vzniku páry nebo vodních par přivedena k varu a poté zkondenzována zpět na pitnou vodu, přičemž došlo k odstranění většiny znečišťujících látek. Filtrovaná voda se podobá vodovodní vodě, i když některé filtrované vody jako konečný krok čištění podstupují úpravu ozónem, kdy dochází k zahubení bakterií před plněním do lahví. Pramenitá voda, podobně jako filtrovaná voda, prochází kromě úpravy ozónem stejným postupem čištění jako vodovodní voda. A jako poslední čištěná voda, u které se používá mnoho technik čištění, například reverzní osmóza, destilace a deionizace. Každá z těchto technik odstraňuje určité rozpuštěné látky a znečišťující látky a určité ponechává. Pomocí pXRF analyzátorů Vanta jsme schopni zjistit, které rozpuštěné látky nebyly z těchto různých druhů vody odstraněny.

Analýza vody pomocí pXRF analyzátorů Vanta

Abychom ukázali, jak pXRF analyzátory fungují, provedli jsme pomocí analyzátoru Vanta rozbor pěti zmíněných druhů vody spolu s rozborem dešťové vody, získané výsledky jsme pak analyzovali kvantitativně. Rozbor trval jednu minutu a umožnil nám rychle zjistit znečišťující látky a minerály přítomné ve vodě (obrázek 2).

Obrázek 2. Rozbor pěti druhů vody provedený pXRF analyzátorem Vanta ukazuje rozsah rozpuštěných látek.

I když všechny druhy vody vypadají při vizuální kontrole stejně, obsahují rozdílná množství rozpuštěných látek. Voda, která prošla mnoha kroky čištění, například destilovaná voda a čištěná voda, neobsahuje žádné detekovatelné úrovně rozpuštěných minerálů, solí ani kovů. Voda, která je blíže vodě zdroje, například pramenitá voda nebo filtrovaná voda, obsahuje některé prvky z organických materiálů, například fosfor a síru, a také soli pocházející z geologických procesů, například vápník a chlor. Vodovodní voda obsahuje kromě těchto organických materiálů a solí také stopové (stále bezpečné) množství železa a zinku, které pochází z potrubí, kterým je voda vedena. Toto železo může vaše tělo využít jako potřebný minerál, ale může také zanechávat červenavé skvrny na vodovodních armaturách ve vašem domě. Naštěstí žádný ze zkoušených druhů vody neobsahoval žádná detekovatelná množství těžkých kovů.

Kromě výpočtu koncentrací prvků dokáže pXRF analyzátor Vanta™ vypočítat také koncentrace různých solí. Vezmeme-li jako příklad naši pramenitou a vodovodní vodu, dokáže analyzátor Vanta určit koncentraci chloridu vápenatého za provozu v reálném čase (obrázek 3).

Obrázek 3. Výpočet obsahu chloridu vápenatého (CaCl2) v pramenité vodě (vlevo) a ve vodovodní vodě (vpravo) provedený za provozu pXRF analyzátorem Vanta

Zjišťování kontaminace těžkými kovy v odpadní vodě

Přenosný XRF analyzátor Vanta™ dokáže zjistit také kontaminaci těžkými kovy v odpadní vodě nebo vodě používané k průmyslovým a zemědělským účelům. I když některé z těchto těžkých kovů je možné analyzátorem Vanta detekovat přímo na úrovni 1 ppm (1 mg/l) či vyšší, některé kontaminanty jsou obsaženy v nižších úrovních. Pokroky v přípravě vzorků, například sáčky s pryskyřicí pro časosběrnou iontovou výměnu (TIERS)¹, umožňují detekovat analyzátorem Vanta nízké koncentrace těžkých kovů a solí až na úroveň počet částic na bilion (ppb) nebo zlomky hodnoty 1 mg/l. Díky této jednoduché a levné technice přípravy vzorků je možné koncentrace obsažené ve vodě zvýšit 100krát až 1000krát a dosáhnout tak meze detekce, která je schopna konkurovat dražším technikám.

Použití techniky TIERS nebo jiného pryskyřičného iontového měniče se ukázalo velmi nápomocné při detekci nezákonného vypouštění průmyslových a zemědělských vod¹, hodnocení znečištění zemědělské půdy těžkými kovy² a při zjišťování znečišťujících látek ve větších vodních plochách³. Tyto techniky vedly k rozvoji sledování typických stop v odpadních vodách (tzv. fingerprintingu), které umožňuje výzkumným pracovníkům určit, odkud konkrétní znečisťující látky pocházejí. Schopnost dosáhnout pomocí pXRF mezí detekce v řádu ppb činí z této techniky užitečný nástroj pro rozbor odpadních vod a identifikaci znečišťujících látek.

Znečišťující látky v potravinách a nápojích

Voda není jediným nápojem či potravinou, která může být kontaminována těžkými kovy. Těžkými kovy mohou být kontaminovány i jiné běžně konzumované potraviny a nápoje, například obiloviny a cukr. Kromě zjištění celých částic kovů v potravinách mohou být potraviny kontaminovány také stopovými kovy pocházející z lidské činnosti a činností probíhajících v životním prostředí. Kovy jako železo a zinek se do potravin mohou dostat neúmyslně při poruše strojního zařízení, prostřednictvím znečištění obsaženého v umělých hnojivech a různými technikami mletí a zpracování. Do cukru se znečišťující látky mohou dostat kontaminovanou vodou použitou při zpracování a kontaminanty přítomnými v půdě, ve které byla cukrová řepa vypěstována. Podobně jako v případě rozborů vody jsme pomocí pXRF nástroje Vanta™ provedli analýzu potravinářské mouky, rýže a cukru a výsledky jsme zanalyzovali kvantitativně. Zkouška trvala jednu minutu a rychle nám poskytla informaci o kontaminaci přítomné v těchto běžně ve spížích skladovaných potravinách (obrázek 4).

Obrázek 4. Přenosný XRF analyzátor Vanta skenuje běžné potraviny, včetně cukru (vlevo), mouky (uprostřed) a rýže (vpravo).

I když žádná z těchto rozpuštěných látek není viditelná pouhým okem, je zcela jistě ve zkoušených potravinách přítomná. Všechny detekované prvky se v daných materiálech vyskytují přirozeně a pocházejí z přirozeně přítomných minerálů, solí a živin. Analyzátor Vanta lze používat dokonce i k rozboru tak rozmanitých produktů, jako jsou práškové proteiny nebo marihuana.

Tyto analýzy prvků jasně odhalují přítomnost kontaminantů v potravinách a nápojích a demonstrují tak analytickou výkonnost ručních XRP analyzátorů Vanta XRF.

Použitá literatura

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.