实验室用水要求及纯水水质标准

水是实验室常用的良好溶剂,溶解能力强,作各种溶剂和用于洗涤仪器等。随着分析仪器的新发展和广泛应用,对水的质量的要求已成为关键性问题之一,在食品微生物检测中的分子生物学实验与水的纯净度有密切关系。目前很多实验室用水存在概念不强、制备的纯度低、贮存期间细菌污染严重等情况,所以在实验室用水环节为了确保实验数据的科学性和公正性本节将介绍实验室用水的要求及纯水水质标准。

(一)水中的杂质及衡量水质的常用指标

了解实验室超纯水机,就必须要了解超纯水机需要去除的水中杂质。水中杂质通常分为九种。

1.微粒物质。包括泥沙、铁锈、藻类、悬浮物等肉眼可见的微粒杂质,微粒物质是造成浊度、色度、气味的主要来源。

2.胶体物质。胶体物质是比离子物质大而比颗粒物质小的物质。胶体是许多分子和离子的集合物。

3.离子物质。包括阳离子和阴离子。离子物质通常易溶于水中,可以用离子交换或除盐等方法予以去除。

4.不反应的溶解气体。是指如氮气等不与水产生化学反应,产生引入离子污染物到水中的化合物且影响水的pH值的气体。

5.可反应的溶解气体。天然水中常见的溶解气体有氧气、二氧化碳,有时还有硫化氢和氨气等。这些溶解于水中的气体,大都对金属有腐蚀作用,是引起水系统金属腐蚀的重要因素。

6.微生物。主要指水中的细菌含量。

7.热源。热源又称细菌内毒素,主要用于医药用水特别是注射用水时需考量热源的含量控制。

8.有机物。水中的有机物主要是腐殖酸、生活污水和工业废水的污染物。

9.残留消毒剂。自来水公司为控制水中的细菌含量,会添加消毒剂来控制总细菌数。常用的消毒剂为含氯制剂,当氯加到水中会产生含氧化性极强的化合物如余氯。

超纯水是要去除以上所有杂质,衡量水质的常用指标见表2-1。

表2-1　衡量水质的常用指标

(二)实验室用水水质常规分级

1.纯水：纯水的纯化水平最低,通常电导率在1～50μs/cm之间。它可经由单一弱碱性阴离子交换树脂、反渗透或单次蒸馏制成。典型的纯水应用包括玻璃器皿的清洗和清洗机用水。

2.去离子水：去离子水的电导率通常在1.0～0.1μs/cm之间(电阻率在1.0～10.0 MΩ.cm)。它通过采用含强阴离子交换树脂的混合离子交换制成,有相对较高的有机物和细菌污染水平,能满足多种需求,如清洗、配置分析标准样、制备试剂和稀释样品。

3.实验室纯水：通常实验室纯水不仅要求在离子指标上有较高纯度,而且要求低浓度有机物和微生物。典型的指标是电导率<1.0μs/cm(电阻率>1.0 MΩ.cm),总有机碳(TOC)含量小于50 ppb以及细菌含量低于1 CFU/mL。实验室纯水可双蒸而成,或整合RO和离子交换/EDI多种技术制成,也可以再结合吸附介质和UV灯。实验室纯水可适用于多种需求,从试剂制备和溶液稀释,到为细胞培养配备营养液和微生物研究。

4.实验室超纯水：　实验室超纯水在电阻率、有机物含量、颗粒和细菌含量方面接近理论上的纯度极限,通过离子交换、RO膜或蒸馏手段预纯化,再经过核子级离子交换精纯化得到超纯水。通常超纯水的电阻率可达18.2 MΩ.cm,TOC<10 ppb,滤除0.1μm甚至更小的颗粒,细菌含量低于1 CFU/mL。超纯水适合多种精密分析实验的需求,如高效液相色谱(HPLC)、离子色谱(IC)和离子捕获-质谱(ICP-MS)。超纯水水质分为五个行业标准,分别为电阻率18 MΩ.cm、15 MΩ.cm、10 MΩ.cm、2 MΩ.cm、0.5 MΩ.cm,以区分不同水质。实验室超纯水多应用于分子生物学实验。

(三)实验室用水标准

根据中国国家实验室用水GB 6682-2000标准,实验室不同级别用水标准应符合表2-2。

表2-2　实验室不同级别用水标准

一级水用于有严格要求的分析实验,如液相色谱分析用水、电感耦合等离子体质谱、细胞培养、PCR试剂等等。二级水常规实验用水,缓冲液、pH溶液、培养基、自动生化分析仪、化学分析的试剂,并作为一级水的供给。三级水是最低等级的实验室用水,主要用于各种实验器材的冲洗等。

中国国家实验室用水标准(GB 6682-2000)的补充说明：由于在一级和二级水的纯度下,难于测定其真实的pH值,因此对一级和二级水的pH值范围国标不作规定。一级和二级水的电导率需用新制备的水在线测定。由于在一级水的纯度下,难于测定可氧化物和蒸发残渣,故国标对其限量也不作规定,可用其他条件和制备方法来保证一级水的质量。国标对一、二级水电导的测试方法有明确的规定,用于一、二级水测定的电导仪,需配备电极常数为0.01～0.1 cm-1的在线电导池,并具有温度自动补偿功能。

(四)实验室超纯水设备简介

实验室超纯水设备,简单地说就是实验室中用于制出实验所用超纯水的设备。是采用预处理、反渗透技术、超纯化处理以及后级处理等方法,即通过过滤、反渗透、电渗析器、离子交换器、紫外灭菌等方法去除水中导电介质(所有固体杂质、盐离子、细菌病毒等),又将水中不离解的胶体物质、气体及有机物均去除至很低程度,制出实验所用超纯水的实验室用水净化设备。超纯水设备又称作超纯水器,超纯水机,超纯水仪,超纯水系统,实验室超纯水器等。

纯水机中除了水分子(H2O)外,几乎没有什么杂质,更没有细菌、病毒、含氯二英等有机物,当然也没有人体所需的矿物质微量元素,超纯水无硬度,口感较甜,又常称为软水。最初是美国科技界为了研制超纯材料(半导体原件材料、纳米精细陶瓷材料等)应用蒸馏、去离子化、反渗透技术或其他适当的超临界精细技术生产出来的水,如今实验室超纯水设备具备产出多种不同规格的纯水或超纯水的功能,对原水利用率为60%～80%,生产出的超纯水电阻率为18.25 MΩ.cm。实验室用超纯水设备具有运行稳定,水生产过程无菌化,水质标准高,出水量灵活,配备数据跟踪系统,设备智能化等优点,可供大小实验研究使用。实验室超纯水设备大量应用于医药,电子,化工,生物理化实验室等行业。

1.实验室超纯水机的工作原理

实验室超纯水机的工作原理是自来水经过精密滤芯和活性炭滤芯进行预处理,过滤泥沙等颗粒物和吸附异味等,让自来水变得更加干净,然后再通过反渗透装置进行水质纯化脱盐,纯化水进入储水箱储存起来,其水质可以达到国家三级水标准,同时反渗透装置产水的废水排掉。反渗透纯水通过纯化柱进行深度脱盐处理就得到一级水或者超纯水,最后如果用户有特殊要求,则在超纯水后面加上紫外杀菌或者微滤、超滤等装置,除去水中残余的细菌、微粒、热源等。精密滤芯、活性炭滤芯、反渗透膜、纯化柱都是具有相对寿命的材料,精密滤芯和活性炭滤芯实际上是对反渗透膜的保护,如果它们失效,那么反渗透膜的负荷就加重,寿命减短,如果继续开机的话,那产生的纯水水质就下降,随之就加重了纯化柱的负担,则纯化柱的寿命就会缩短。最终结果是加大了超纯水机的使用成本。

2.超纯水设备工艺

(1)预处理系统→反渗透系统→中间水箱→粗混合床→精混合床→纯水箱→纯水泵→紫外线杀菌器→抛光混床→精密过滤器→用水对象(≥18 MΩ.)cm(传统工艺)。(www.xing528.com)

(2)预处理→反渗透→中间水箱→水泵→EDI装置→纯化水箱→纯水泵→紫外线杀菌器→抛光混床→0.2或0.5μm精密过滤器→用水对象(≥18 MΩ.)cm(最新工艺)。

(3)预处理→一级反渗透→加药机(PH调节)→中间水箱→第二级反渗透(正电荷反渗膜)→纯水箱→纯水泵→EDI装置→紫外线杀菌器→0.2或0.5μm精密过滤器→用水对象(≥17MΩ.cm)(最新工艺)。

(4)预处理→反渗透→中间水箱→水泵→EDI装置→纯水箱→纯水泵→紫外线杀菌器→0.2或0.5μm精密过滤器→用水对象(≥15MΩ.)cm(最新工艺)。

(5)预处理系统→反渗透系统→中间水箱→纯水泵→粗混合床→精混合床→紫外线杀菌器→精密过滤器→用水对象(≥15MΩ.)cm(传统工艺)。

3.水质纯化方法

(1)离子交换

是以圆球形树脂(离子交换树脂)过滤原水,水中的离子会与固定在树脂上的离子交换。常见的两种离子交换方法分别是硬水软化和去离子法。硬水软化主要是用在反渗透(RO)处理之前,先将水质硬度降低的一种前处理程序。软化机里面的球状树脂,以两个钠离子交换一个钙离子或镁离子的方式来软化水质。离子交换树脂利用氢离子交换阳离子,而以氢氧根离子交换阴离子;以包含磺酸根的苯乙烯和二乙烯苯制成的阳离子交换树脂会以氢离子交换碰到的各种阳离子(例如Na+、Ca2+、Al3+)。同样的,以包含季铵盐的苯乙烯制成的阴离子交换树脂会以氢氧根离子交换碰到的各种阴离子(如Cl-)。从阳离子交换树脂释出的氢离子与从阴离子交换树脂释出的氢氧根离子相结合后生成纯水。

(2)活性炭吸附

活性炭的吸附过程是利用活性炭过滤器的孔隙大小,及有机物通过孔隙时的渗透率来达到吸附过滤的作用。吸附率和有机物的分子量及其分子大小有关,果壳类(如椰壳)颗粒状的活性炭较能有效地去除氯胺。活性炭还能去除水中的自由氯,以保护纯水系统内其他对氧化剂敏感的纯化单元。活性炭通常与其他的处理方法组合应用。在设计纯水系统时,活性炭与其他相关纯化单位的相关配置,是一项极为重要的水处理工艺。

(3)微孔过滤

微孔过滤法包括深层过滤、筛网过滤及表面过滤三种类型。深层滤膜是以编织纤维或压缩材料制成的基质,利用随机性吸附或是捕捉方式来滞留颗粒。筛网滤膜基本上是具有一致性的结构,就像筛子一般,将大于孔径的颗粒,都滞留在表面上(这种滤膜的孔径大小是非常精确的),而表面过滤则是多层结构,当溶液通过滤膜时,较滤膜内部孔隙大的颗粒将被滞留下来,并主要堆积在滤膜表面上。由于上述三种滤膜的功能不同,因此对滤膜之间的分辨非常重要。由于深层过滤是一种较为经济的方式,可去除98%以上的悬浮固体,同时保护下游的纯化单元不会败坏或堵塞,因此通常被作为预过滤处理。表面过滤可去除99.99%以上的悬浮固体,所以也可作为预过滤处理或澄清用。微孔薄膜(筛网滤膜)一般被置于纯化系统中的最终使用点,以去除最后残留的微量树脂碎片、碳屑、胶质颗粒和微生物。例如：0.22μm微孔滤膜,其可滤过所有的细菌,通常用于将静脉注射用的液体、血清及抗生素进行除菌用。

(4)反渗透(Reverse Osmosis,RO)

反渗透是美国在20世纪60年代研制成功的,最初用于美国宇航技术,以解决宇航员在太空循环用水问题的水处理工艺,后逐渐转为民用,因其高效率、低能耗、无污染等独特优势,已成为当前海水淡化、纯水制备等行业之首选技术,我们熟悉的瓶(桶)装纯净水几乎都是利用反渗透系统制取的。反渗透技术是利用压力差为动力的膜分离过滤技术,其孔径小至纳米级(1 nm=10-9 m),在一定的压力下,H2O分子可以通过RO膜,而原水中的无机盐、重金属离子、有机物、胶体、细菌、病毒等杂质无法透过RO膜,从而使可以透过的纯水和无法透过的浓缩水严格区分开来。反渗膜的工作原理图如下：当两种不同浓度的溶液,由一个RO膜隔开时,渗透现象会自然发生。渗透压将水压过RO膜,水将浓度较高的溶液稀释,最后造成浓度平衡。在水纯化系统中,施加压力于高浓度的溶液中,以抗衡渗透压。如此迫使得纯水由高浓度的液体通过RO膜,并可加以收集。由于RO膜致密度极高,因此,产出的水流很慢,需要经过相当的时间,贮水箱内才会有足够的水量。RO膜可执行离子排除,使得只有水可通过RO膜,其余所有的离子及溶解的分子(包括盐类和糖)都被截留,并被带出反渗透膜元件。如果以原水水质及产水水质为基准,经过适当设计后,RO膜是将自来水纯化为纯水的最经济有效方法。RO膜同时也是试剂级超纯水系统最好的前处理方法。

(5)超滤

是一种与膜孔径大小相关的筛分过程,以膜两侧的压力差为驱动力,以超滤膜为过滤介质,在一定的压力下,当原液流过膜表面时,超滤膜表面密布的许多细小的微孔只允许水及小分子物质通过而成为透过液,而原液中体积大于膜表面微孔径的物质则被截留在膜的进液侧,成为浓缩液,因而实现对原液的净化、分离和浓缩的目的。超滤膜是一种强韧、薄、具有选择性的通透膜,微孔物理孔径大致在0.001～0.1μm之间,可截留大部分某种特定大小以上的分子,包括：胶质、微生物和热源。较小的分子,例如：水和离子,则可通过滤膜。

(6)紫外消解降TOC

紫外线是一种肉眼看不见的光波,存在于光谱紫外线端的外侧,故称之为紫外线,依据不同的波长范围,被割分为A、B、C三种波段,其中的C波段紫外线波长在240～260 nm之间,为最有效的杀菌波段,波段中之波长最强点是253.7 nm。　紫外线杀菌的原理一般认为是生物体内的核酸吸收了紫外光的能量而改变了自身的结构,进而破坏了核酸的功能所致。当核酸吸收的能量达到致死量而紫外光的照射又能保持一定时间时,细菌便大量死亡。在UV灯制造技术方面的进步,已可制造同时产生185 nm和254 nm波长的紫外灯管,这种光波长组合可利用光氧化有机化合物,将超纯水中的总有机碳浓度降低至5 ppb以下。

4.超纯水机的选购

我国不同地域水质存在一定的差异,优劣不一,一般实验室超纯水机厂家产品设计参数(流量、水质、耗材寿命等)皆以水质较优的自来水为计算依据,若用户自来水水质较差,在选型时无论是水质还是产水量皆宜加大一级选型指标值。特别是产水量,最好加倍选择,以防止耗材更换频繁,和因耗材消耗过快导致的产水水质下降。客户给水水质较差时,需向超纯水机厂家申明,厂家技术人员可根据客户具体给水水质情况,为客户选配增强预处理(多介质过滤器、软化装置等)以改善给水水质,延长耗材使用寿命。

实验室纯水系统设计者在考虑超纯水系统之初,应明确超纯水的用途。一般来讲,纯水就已经能够满足大多数实验的用水需求。而超纯水的水质也因应用不同而各异,因此除应该根据超纯水的用途和用量确定超纯水的纯化方法和产水量外,应该注意以下几点选择合适的超纯水设备。

(1)原水水质

在选购超纯水机时一定要向厂商提供原水的水质状况,比如泥沙多,硬度高,地下水等情况,超纯水机的工艺是根据原水水质的好坏来确定的,泥沙多,要添加预处理装置,硬度高,要添加软化装置,含盐量高,要采用二级反渗透工艺等。如果选用以纯水为水源的超纯水机,则只需要提供水质需求和用水量就可以了。

(2)用水量

选择符合水量的要求是超纯水设备选型的先决条件之一。市面上的各类纯水设备产水量在5 L/h～20 L/h之间,一般产水量在20 L/h以上的设备就属于非标准机型。选型中必须根据实际的用水量考虑设备型号,如果选择的设备产水量比实际需求量小,就会对设备的耗材损耗过快,附加成本过高;相对的,如果选择的设备产水量比实际需求量大,就会产生浪费。

(3)实验内容

根据实验内容的要求,选择用水的水质要求是设备选型的重要条件。目前中国实验用水水质分为三类,但是大多数实验用水都只需要一级与三级两种水质。所以,在选实验室超纯水设备时要优先考虑水质是否符合实际需求。一般来讲无机实验只需电阻大于18 MΩ.cm的水质就行,而有机实验则通常要去除水中的有机物质,所以除了电阻大于18 MΩ.cm以外,还需要总有机碳的指标。如果是生物方面的实验,还要去除水中的细菌。

(4)仪器种类

可以根据使用的仪器种类来选择超纯水机。液相用水的电阻大于18 MΩ.cm;并且要去除有机物;原子吸收、原子荧光及环境监测仪器用水大于18 MΩ.cm就行;PCR等分子生物学实验仪器用水除了电阻大于18 MΩ.cm以外,还需除菌,除有机物,除热源。

(5)用水来源

如果用水是合格的,也可以将该纯水的来源方式告知实验室超纯水机厂商,其技术人员会根据该情况来推荐相应的规格型号。

除参考以上实际的应用经验外,最准确的型号选择还是尽量提供详细的水质参数,如电阻、微量元素、细菌、总有机碳水平等。实验室超纯水可用自来水直接制取超纯水,运行周期长,不必频繁维护及更换各种备件,运行安静,能为实验室不间断地及时提供符合实验要求的实验用水,已广泛应用于医药,电子,化工,玻璃,渡涂,锅炉等行业的实验室。

目前市场纯水设备品牌较多,国际品牌诸如康丽根(Culligan)、美国RainSofnt、美国Kinetico、德国Millipore、德国Cillit等,国内知名品牌如沃尔奇、北京莱特莱德、苏州联克特、四川沃特浦、北京历元等。