水龙头流出的水只是H2O吗？答案并不那么简单；水可能含有肉眼看不见的溶解物质。奥林巴斯Vanta手持式XRF元素分析仪之类的便携式X射线荧光（pXRF）仪器可以帮助识别饮用水中隐藏的矿物质和污染物。
识别水中的矿物质和污染物
虽然我们可能认为饮用水只是H2O，但您的杯子里经常会有其他溶解物质。其中一些物质对我们有益，比如氟化物，它有助于防止蛀牙。其他常见矿物质包括氯化钙（CaCl2），一种含有电解质的化合物，当存在于水中时，可以帮助防止脱水。氯化钙，以及其他常见的氯化物，如氯化镁、氯化钠和氯化钾，可以通过地质作用从岩石中渗入饮用水。下图（图1）显示了Vanta pXRF元素分析仪测量溶解钙的精度，从1000 ppm直至20 ppm。
图1.Vanta pXRF元素分析仪对ICP参考样品中溶解钙的分析性能（插图显示较低浓度）
然而，水可能含有潜在的有害物质，包括硝酸盐（NO3-）、锰（Mn）、铁（Fe）和碳酸氢盐（HCO3-）等。这些元素和化合物会导致各种健康和基础设施问题，包括对管道和热水器的危害、水垢形成和细菌生长。
元素分析技术（例如使用Vanta系列进行的便携式X射线荧光（pXRF）分析）可用于识别和量化其中一些有害物质。pXRF还可以帮助识别重金属，重金属是饮用水污染物中最大、最有害的一类。
饮用水中的重金属污染
重金属通常包括铬（Cr）、镍（Ni）、铜（Cu）、砷（As）、镉（Cd）、汞（Hg）和铅（Pb），当存在于饮用水中时，会引起各种问题。这些金属可以通过人类和地质活动进入水中，比如岩石、燃煤发电厂和矿山的自然风化。当这些金属进入地下水时，它们会使水的酸性或碱性更强。因此，饮用水可能有毒，并对管道和其他水基础设施造成破坏。通过改变水的pH值，这些金属还可以促进各种有害细菌的生长。
各种类型的饮用水
幸好，大多数饮用水都经过了一些过滤或其他净化过程。我们有各种类型的饮用水，随时可供使用：
- 自来水
- 蒸馏水
- 过滤水
- 泉水
- 纯净水
通常来说，自来水是最容易获得的，需要经过一些处理。在地下水中加入一些化学物质，去除污垢和大多数其他溶解颗粒。然后使用氯气对洁净水进行过滤和消毒，有一些地区还会加入氟。蒸馏水已经煮沸，产生蒸汽或水蒸气，然后冷凝形成饮用水，几乎去除了所有污染物。过滤后的水与自来水类似，不过一些过滤后的水在装瓶前经过臭氧处理以杀死细菌，然后进行最后的净化步骤。与过滤水类似，泉水除了经过臭氧处理外，还经历了自来水的净化步骤。最后，纯净水包括许多净化技术，如反渗透、蒸馏和去离子。每种技术都会去除并留下某些溶解物质和污染物。使用Vanta pXRF分析仪后，我们可以确定哪些溶解物质没有从这些不同类型的水中去除。
使用Vanta pXRF分析仪分析水
为了向您展示pXRF的工作原理，我们使用Vanta分析仪测试了上述五种类型的水和一些雨水，然后对结果进行了定量分析。测试耗时一分钟，使我们能够快速识别水中的污染物和矿物质（图2）。
| 样品 | 磷（P） | 硫（S） | 氯（CI） | 钙（Ca） | 铁（Fe） | 锌（Zn） |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 蒸馏水 | ||||||
| 纯净水 | ||||||
| 泉水 | 14 ppm | 22 ppm | 256 ppm | 88 ppm | ||
| 过滤水 | 27 ppm | 220 ppm | ||||
| 自来水 | 17 ppm | 285 ppm | 55 ppm | 16 ppm | 1 ppm |
图2.Vanta pXRF对五种水类型的分析显示了各种溶解物质
虽然通过目视检查，所有的水类型看起来都一样，但样品中含有不同的溶解物质。经过许多净化步骤的水，如蒸馏水和纯净水，不含可检测到的溶解矿物质、盐或金属。靠近水源的水域（如泉水和过滤水）含有一些来自有机物质的元素（如磷和硫），以及来自地质过程的盐（如钙和氯）。自来水除了含有这些有机物质和盐类外，还含有一些输送水的管道中的微量铁和锌（仍然安全）。铁可以被您的身体用作所需的矿物质，但也会在您家的水设备上留下红色污渍。幸好，没有一种送检水样含有任何可检测到的重金属。
除了计算元素浓度，Vanta pXRF分析仪还可以计算各种盐的浓度。以我们的泉水和自来水为例，Vanta分析仪可以实时内联测定氯化钙的浓度（图3）。
图3.用Vanta pXRF分析仪内联计算泉水（左）和自来水（右）中的氯化钙（CaCl2）
识别废水中的重金属污染物
Vanta pXRF分析仪还可以识别用于工业和农业目的的废水或水中的重金属污染。虽然Vanta分析仪可以检测到浓度在1 ppm（1 mg/L）或以上的其中一些重金属，但还有一些污染物的浓度低于该水平。样品制备方面的进步，如延时离子交换树脂袋（TIERS）1，使Vanta分析仪能够检测重金属和盐浓度，直至十亿分之一（ppb）水平，或1 mg/L的分数。这种简单且花费不多的样品制备技术可以将水中的浓度放大100到1000倍，从而实现与更昂贵的技术相匹敌的检测限。
使用TIERS或其他离子交换树脂已被证明有助于检测工业和农业水域的非法排放1，评估农田的重金属污染2，以及识别更大水体中的污染物3。这些技术使废水指纹识别技术得到了发展，使研究人员能够识别特定污染物或污染物的来源。pXRF能够达到ppb检测限，使其成为废水分析和污染物识别的有用工具。
食品和饮料中的污染物
水不是唯一可能含有重金属污染的食品或饮料。其他常见的消费品，如谷物和糖，也可能受到重金属污染。除了识别食品中的完整金属碎片，人类和环境活动中的微量金属也会污染食品。金属（如铁和锌）可能通过机器设备故障、肥料中的污染物以及各种研磨和加工技术意外添加到食品中。污染物可能通过加工过程中使用的受污染水以及种植甘蔗的土壤中存在的污染物加入到糖中。与送检水样类似，我们使用Vanta pXRF仪器测试了消费级面粉、大米和糖，并对结果进行了定量分析。测试耗时一分钟，很快为我们提供了这些普通食品柜食品中的污染物（图4）。
图4.Vanta pXRF分析仪扫描常见食品，包括糖（左）、面粉（中）和大米（右）。
虽然肉眼看不到任何溶解物质，但它们显然存在于这些食品中。所有检测到的元素都是自然存在于这些物质中，来自自然存在的矿物质、盐和营养素。Vanta分析仪甚至可以用来测试各种各样的产品，如蛋白粉或大麻。
这些元素分析清楚地揭示了消费性食品和饮料中的污染，展示了Vanta手持式XRF分析仪的分析性能。
