如何達到實驗室用水純度要求？

圖1.  水中雜質對離子色譜法的影響：（a）對系統的影響和（b）對后來實驗結果的潛在影響，方框區域表示影響的程度（定性）。

實驗室中，用于研究和測試的純凈水必不可少。當水中ppb級別或更低濃度的雜質存在時，可能與樣品、活性媒介或整個系統發生反應，從而對研究造成不利影響。到目前為止，Type 1超純水是實驗室使用的最純凈物質。本文討論Type 1超純水的高純度、應用前景以及實驗室避免污染的方法。

完全純凈的水僅由水分子組成，羥基和氫離子處于平衡狀態（25℃時為10-7 mol/L），構成產生典型18.2 MΩ·cm電阻。但是事實上，由于可溶解的化合物種類眾多并能支持多種生命形式的特點，水的純度不斷受到雜質的影響。這些雜質可能是懸浮顆料物、無機化合物、有機分子、溶解的氣體，微生物以及相關的生物分子等。要達到實驗室用水的純度要求，水源需經過一系列的凈化步驟，去除造成影響的雜質。

圖2.  使用TOC很低的Type 1超純水，以210 mm紫外線檢測HPLC的底色改善情況。

Type 1超純水的純度

Type 1超純水的雜質含量，主要受測量這些雜質的技術的靈敏性以及測試環境的限制。在最新的超痕量技術的基礎上，Type 1超純水中非氣體雜質的最高水平是有機化合物低于1.5 μg/L（ppb），其他元素和離子低于1.0 μg/L。這意味著Type 1超純水的純度至少達到99.99999975%。

圖3.  濃縮20 ml樣品前的超痕量陽離子分析。

表1比較Type 1超純水與廣泛用于分析研究和測試的3種最純的商業供應的溶劑即甲醇、乙腈和乙酸的基本雜質規格。采用最新的ICP-MS技術，證明Type 1超純水中實際沒有任何非氣體元素，檢出限大多在1 μg/L（ppt）以下。這一污染物含量是低于所有其他已測試溶劑的量級。其他實驗室試劑的雜質遠高于這些溶劑，經常在mg/L范圍內。

圖4.  接觸空氣對Type 1超純水電阻系數的影響。

表2和3分別表明采用吹掃捕集GC-MS和熱吸附GC-MS測得的Type 1超純水中很低的揮發性和半揮發性有機雜質的含量。通常情況下，雜質含量均低于揮發性有機化合物<0.05μg/L和半揮發性有機化合物<0.025μg/L的檢出限。這些含量與低于1μg/L（ppb）的有機碳總量（TOC）相符，其中TOC是經常用于測量Type 1超純水有機污染物的總體指標。

圖5.  Type 1超純水GC-MS：管材增塑劑的影響。

25 ℃和1 bar氣壓條件下，Type 1超純水的確含有溶解的氧和氮，濃度分別為9 ppm和14 ppm左右。可通過真空抽氣基本脫除這些雜質，但是，由于Type 1超純水與空氣接觸時，氧和氮與大氣平衡的濃度溶解在水中，多數實驗室應用不必采取這個步驟。

圖6.  水采集方法的差異導致的空氣污染陰離子色譜分析示例：（a）噴灑采集的水；（b）流過容器即無噴灑采集的水。

反滲透和亞微米及/或超細過濾脫除Type 1超純水中的所有顆粒物和細菌，通過離子交換和充電介質或超細過濾去除內毒素。細菌測試表明，Type 1超純水中菌落形成單位（CFU）的含量低于1個/10ml，相當于TOC不足0.1 μg/L。

為何使用Type 1超純水？

Type 1超純水廣泛應用于實驗室分析檢測工作中，如今成熟的技術已使得包括全部采購和運行費用在內，Type 1超純水的成本大約僅為1美金每升，具有廣闊的經濟前景。

圖7.  源自洗凈瓶的鄰苯二甲酸酯污染示例。

由于水可用于分析過程的很多方面，包括樣品制備、溶液稀釋和空白試驗，作為洗提液和沖洗儀器的試劑，任何污染物的存在都可能影響結果。圖1表明不同雜質在短期和長期對離子色譜分析結果可靠性和可重復性的多種影響。

高靈敏度分析特別依賴高純水，尤其是直接測量低濃度或很少樣品并需在分析前稀釋的情況下。使用Type 1超純水可降低底色，使研究人員在痕量分析時能夠取得高靈敏結果，例如圖2所示使用HPLC或圖3所示的離子色譜法。

表1：Type 1超純水與頂級常用溶劑的基本雜質規格比較

保持純度

如果系統本身管理不當或者在采集和使用過程中對水的處理不當，Type 1超純水的純度很容易在使用之前受到影響。

在水凈化器內需保持水的純度。為做到這一點，建議使用組合開口過濾器保護貯水池不受外部污染，通過紫外線光氧化、吸附和離子交換等最終凈化技術定期進行再循環，有規律地對系統進行必要殺菌以減少細菌生長。

正常的實驗室使用中，水由PURELAB flex等凈水器分配到容器中。數秒之內，水開始吸收空氣中的CO2，生成H2CO3，酸里的氫離子具有高導電性，CO2濃度僅為0.5 mg/L時，就能將水的電阻率從18.2 MΩ降到最低大約1.3 MΩ，如圖4所示。雖然二氧化碳在多數應用中不降低水的等級，但它對電阻系數的影響可能掩蓋其他離子對水的污染。

表2.  吹掃捕集GC-MS測得的揮發性有機化合物

對多數應用而言，水的轉移分配過程中，受到污染的風險要大得多。例如，為了便于灌滿大玻璃瓶或其他大型容器而用固定式分水龍頭把軟塑膠管接到凈水器上，這可能導致水受到污染。圖5表明管材的有機脫膜劑或增塑劑對水的影響，GC-MS掃描顯示通過PVC軟管的Type 1超純水可能被正丁基磺胺增塑劑污染。此外，對一家制藥公司的用戶調查表明，不使用管材連接的22臺凈水器中水的平均活菌總數（TVC）為0.7 CFU/ml，接上分水管的7臺裝置的這一數值上升到26 CFU/ml。

由于空氣中的雜質也能降低水的純度，分配Type 1超純水時還務必減少空氣夾帶現象。圖6比較空氣對噴灑采集的（低痕量a）水樣與流過容器壁采集的（高痕量b）水樣的污染情況。離子色譜分析清楚表明，噴灑時檢測到的陰離子特別是亞硝酸離子濃度較高。

表3.  熱吸附GC-MS測得的半揮發性化合物含量

為了提高純度，應當在分配后不久使用Type 1超純水。對洗凈瓶所做的使用調查中，Kuroki發現80%以上的用戶沒有每天用Type 1超純水灌滿洗凈瓶。Horikiri的結果也顯示，玻璃瓶貯水要優于塑料洗凈瓶。在每類容器中貯存2天后，LC-MS對Type 1超純水的分析表明，除其他雜質外，洗凈瓶中水的鄰苯二甲酸二正辛酯的濃度達到ppb級，但玻璃瓶中這一含量低出很多（見圖7）。已見過的最低痕量來自使用六類鄰苯二甲酸酯的混合標準方案注入的Type 1超純水。如果用于高靈敏度分析的瓶裝純凈水在開啟后貯存和再次使用，可能出現類似的污染問題。

結語

Type 1超純水極高的純度，使實驗室工作人員能夠取得高靈敏度分析的準確結果。然而，這種分析精確性依賴在采集和使用期間，使用設計完好的凈水系統保持和監測系統內水的純度，也依賴易于采用的水分配方法和良好的實驗操作實踐。