如何达到实验室用水纯度要求？

图1.  水中杂质对离子色谱法的影响：（a）对系统的影响和（b）对后来实验结果的潜在影响，方框区域表示影响的程度（定性）。

实验室中，用于研究和测试的纯净水必不可少。当水中ppb级别或更低浓度的杂质存在时，可能与样品、活性媒介或整个系统发生反应，从而对研究造成不利影响。到目前为止，Type 1超纯水是实验室使用的最纯净物质。本文讨论Type 1超纯水的高纯度、应用前景以及实验室避免污染的方法。

完全纯净的水仅由水分子组成，羟基和氢离子处于平衡状态（25℃时为10-7 mol/L），构成产生典型18.2 MΩ·cm电阻。但是事实上，由于可溶解的化合物种类众多并能支持多种生命形式的特点，水的纯度不断受到杂质的影响。这些杂质可能是悬浮颗料物、无机化合物、有机分子、溶解的气体，微生物以及相关的生物分子等。要达到实验室用水的纯度要求，水源需经过一系列的净化步骤，去除造成影响的杂质。

图2.  使用TOC很低的Type 1超纯水，以210 mm紫外线检测HPLC的底色改善情况。

Type 1超纯水的纯度

Type 1超纯水的杂质含量，主要受测量这些杂质的技术的灵敏性以及测试环境的限制。在最新的超痕量技术的基础上，Type 1超纯水中非气体杂质的最高水平是有机化合物低于1.5 μg/L（ppb），其他元素和离子低于1.0 μg/L。这意味着Type 1超纯水的纯度至少达到99.99999975%。

图3.  浓缩20 ml样品前的超痕量阳离子分析。

表1比较Type 1超纯水与广泛用于分析研究和测试的3种最纯的商业供应的溶剂即甲醇、乙腈和乙酸的基本杂质规格。采用最新的ICP-MS技术，证明Type 1超纯水中实际没有任何非气体元素，检出限大多在1 μg/L（ppt）以下。这一污染物含量是低于所有其他已测试溶剂的量级。其他实验室试剂的杂质远高于这些溶剂，经常在mg/L范围内。

图4.  接触空气对Type 1超纯水电阻系数的影响。

表2和3分别表明采用吹扫捕集GC-MS和热吸附GC-MS测得的Type 1超纯水中很低的挥发性和半挥发性有机杂质的含量。通常情况下，杂质含量均低于挥发性有机化合物<0.05μg/L和半挥发性有机化合物<0.025μg/L的检出限。这些含量与低于1μg/L（ppb）的有机碳总量（TOC）相符，其中TOC是经常用于测量Type 1超纯水有机污染物的总体指标。

图5.  Type 1超纯水GC-MS：管材增塑剂的影响。

25 ℃和1 bar气压条件下，Type 1超纯水的确含有溶解的氧和氮，浓度分别为9 ppm和14 ppm左右。可通过真空抽气基本脱除这些杂质，但是，由于Type 1超纯水与空气接触时，氧和氮与大气平衡的浓度溶解在水中，多数实验室应用不必采取这个步骤。

图6.  水采集方法的差异导致的空气污染阴离子色谱分析示例：（a）喷洒采集的水；（b）流过容器即无喷洒采集的水。

反渗透和亚微米及/或超细过滤脱除Type 1超纯水中的所有颗粒物和细菌，通过离子交换和充电介质或超细过滤去除内毒素。细菌测试表明，Type 1超纯水中菌落形成单位（CFU）的含量低于1个/10ml，相当于TOC不足0.1 μg/L。

为何使用Type 1超纯水？

Type 1超纯水广泛应用于实验室分析检测工作中，如今成熟的技术已使得包括全部采购和运行费用在内，Type 1超纯水的成本大约仅为1美金每升，具有广阔的经济前景。

图7.  源自洗净瓶的邻苯二甲酸酯污染示例。

由于水可用于分析过程的很多方面，包括样品制备、溶液稀释和空白试验，作为洗提液和冲洗仪器的试剂，任何污染物的存在都可能影响结果。图1表明不同杂质在短期和长期对离子色谱分析结果可靠性和可重复性的多种影响。

高灵敏度分析特别依赖高纯水，尤其是直接测量低浓度或很少样品并需在分析前稀释的情况下。使用Type 1超纯水可降低底色，使研究人员在痕量分析时能够取得高灵敏结果，例如图2所示使用HPLC或图3所示的离子色谱法。

表1：Type 1超纯水与顶级常用溶剂的基本杂质规格比较

保持纯度

如果系统本身管理不当或者在采集和使用过程中对水的处理不当，Type 1超纯水的纯度很容易在使用之前受到影响。

在水净化器内需保持水的纯度。为做到这一点，建议使用组合开口过滤器保护贮水池不受外部污染，通过紫外线光氧化、吸附和离子交换等最终净化技术定期进行再循环，有规律地对系统进行必要杀菌以减少细菌生长。

正常的实验室使用中，水由PURELAB flex等净水器分配到容器中。数秒之内，水开始吸收空气中的CO2，生成H2CO3，酸里的氢离子具有高导电性，CO2浓度仅为0.5 mg/L时，就能将水的电阻率从18.2 MΩ降到最低大约1.3 MΩ，如图4所示。虽然二氧化碳在多数应用中不降低水的等级，但它对电阻系数的影响可能掩盖其他离子对水的污染。

表2.  吹扫捕集GC-MS测得的挥发性有机化合物

对多数应用而言，水的转移分配过程中，受到污染的风险要大得多。例如，为了便于灌满大玻璃瓶或其他大型容器而用固定式分水龙头把软塑胶管接到净水器上，这可能导致水受到污染。图5表明管材的有机脱膜剂或增塑剂对水的影响，GC-MS扫描显示通过PVC软管的Type 1超纯水可能被正丁基磺胺增塑剂污染。此外，对一家制药公司的用户调查表明，不使用管材连接的22台净水器中水的平均活菌总数（TVC）为0.7 CFU/ml，接上分水管的7台装置的这一数值上升到26 CFU/ml。

由于空气中的杂质也能降低水的纯度，分配Type 1超纯水时还务必减少空气夹带现象。图6比较空气对喷洒采集的（低痕量a）水样与流过容器壁采集的（高痕量b）水样的污染情况。离子色谱分析清楚表明，喷洒时检测到的阴离子特别是亚硝酸离子浓度较高。

表3.  热吸附GC-MS测得的半挥发性化合物含量

为了提高纯度，应当在分配后不久使用Type 1超纯水。对洗净瓶所做的使用调查中，Kuroki发现80%以上的用户没有每天用Type 1超纯水灌满洗净瓶。Horikiri的结果也显示，玻璃瓶贮水要优于塑料洗净瓶。在每类容器中贮存2天后，LC-MS对Type 1超纯水的分析表明，除其他杂质外，洗净瓶中水的邻苯二甲酸二正辛酯的浓度达到ppb级，但玻璃瓶中这一含量低出很多（见图7）。已见过的最低痕量来自使用六类邻苯二甲酸酯的混合标准方案注入的Type 1超纯水。如果用于高灵敏度分析的瓶装纯净水在开启后贮存和再次使用，可能出现类似的污染问题。

结语

Type 1超纯水极高的纯度，使实验室工作人员能够取得高灵敏度分析的准确结果。然而，这种分析精确性依赖在采集和使用期间，使用设计完好的净水系统保持和监测系统内水的纯度，也依赖易于采用的水分配方法和良好的实验操作实践。