随着超纯水机的问世,极大地提升了实验室技术的基础水平,实验室超纯水机是一种实验室用水净化设备,在医疗、科研中逐步对此项技术产生了相对的依赖性。为了保证超纯水机设备的连续正常运行,产出符合质量要求的纯水,必须把握好实验室技术流程这一重要环节[3]。为此,本研究结合超纯水机集成过滤、超滤、离子交换以及微滤等技术的原理,探讨制定相应的操作技术规范和维护保养措施。
1 实验室纯水制备技术
 
目前,纯水制备技术可归纳为蒸馏、离子交换、微孔过滤、活性炭吸附、超滤及反渗透等。单一技术具有其技术优势和某种局限,产水的技术指标存在差别,完成实验室不同等级纯水制备往往需要两种技术或多种技术的组合或逐级运用。
1.1 实验用水纯度与等级
 
水纯度通常采用电导法测得,即在25℃的水溶液中放置2个相距1 cm的电极板,两端加1 V左右的电位,测定通过1 cm3水的电流信号。电导率与电流强度成正比以μs/cm或ms/m表示,电导率的倒数为阻抗以MΩ•cm@25℃表示,纯水的理论值分别为0.05482μs/cm和18.248 MΩ•cm。
 
实验室纯水标准主要可参照国家实验室分析用水标准GB/T6682-2008、国际标准化组织ISO3696、美国实验与材料学会ASTM D1193以及美国临床与实验室标准研究所CLSI等,综合主要技术指标见表1[6,7]。
 
医疗临床、科研和制药等相关领域用水对细菌数、内毒素含量等指标另有要求;如CLSI要求I级纯水的细菌数控制在10 cfu/ml,中国药典注射用水的标准[7]是<10/100 ml,ASTM将控制细菌和内毒素水平分为A、B、C的3个等级,分别为10/1000 ml、10/100 ml、100/10 ml和0.03、0.25 EU/ml[8]。有机全碳是反映水中有机物污染程度的重要指标,ASTM对各级纯水均有规定,中国药典注射用水和纯水的标准是≤0.50 mg/L。
1.2 纯水制备技术
 
本研究表1显示,如果采用自来水为源水达到不同等级纯度往往需要组合两种或两种以上技术逐级完成。
1.2.1 I级纯水
 
I级纯水即称之为超纯水,是在II级或III级纯水基础上制备。市售超纯水机大多集成了预滤、离子交换、活性碳吸附以及微超滤等技术。
 
(1)预滤。建立在仪器本系统泵驱动下的正压过滤基础上,以去除源水中存在的100μm左右粒径的颗粒物,对下一级纯水柱起保护作用。建议在主要以蒸馏水为源水的超纯水机上配置,也作为其他单一或组合纯水技术的前级处理。
 
(2)离子交换。通过内置的阴离子树脂和阳离子树脂,分别静电吸引供水中的阳离子和阴离子而置换出H+和OH-,形成H2O,单独使用离子交换可生成II级纯水。技术局限为:①产量有限,一旦全部结合为被置换占据后,离子仍游离存在,需要更换;②不能有效去除有机物、热源及细菌等;③化学再生的去离子床可产生有机物和颗粒。在离子交换基础上可结合电去离子(Electro deion ization,EDI)技术,在电场作用下吸附于树脂上的离子分别选择性的通过阳离子或阴离子渗透膜迁移到高浓度侧而排出,同步实现了离子交换、迁移渗透和交换树脂的电再生,故又称作连续电去离子法,水纯度可达到15 MΩ•cm。
 
(3)活性碳吸附。由有机材料制成带有迷宫小孔的多孔颗粒,展开面积很大,1 g活性碳可达1000 m2,溶解于水中的有机分子进入孔中在万有引力的作用下结合在孔壁上。有天然活性碳和人工活性碳之分,能有效吸附可溶性有机物和氯,但不能除去离子和微粒子。
 
表1 实验室纯水标准与主要技术指标
 
(4)微(超)滤。运用切向流超滤技术,发挥着分子筛作用,能有效滤除颗粒物、生物大分子、热源、酶类、微生物和胶体物,除用于化学合成等高级别实验外,由于可有效去除热源和DNA酶、RNA酶,还可作为非常理想的细胞培养和分子生物学实验用水,其缺陷则为不能够去除可溶性无机物和有机物,当高分子物累积过多,存在着污染、阻塞问题。选择性集成上述技术生产的超纯水机可产出10.0~18.0 MΩ•cm两类I级纯水,广泛用于要求消除溶液痕量本底影响的化学和生物学实验,如LC、LC-MS、ICP-MS、q PCR、电泳、细胞培养、组织学及化学元素分析等。若用于实验室特殊目的,可组合以下配置:①微孔滤器,一般为0.2μm的圆盘滤器,作为最后纯化步骤安装在出水端,又称之为终端滤器。能有效滤去细菌以及大于其孔径的颗粒物,如树脂碎片、碳末及胶体颗粒等。用于静注、血清、抗体及培养基等制备用水,但不能去除无机物、有机物、热源及病毒,使用寿命有限;②UV辐照,在出水路径用254 nm UV灯辐照,微生物细胞中的DNA和蛋白吸收UV导致其失活;新近有采用185 nm和254 nm两个波长UV光组合,能产生有机物的光氧化,使有机物溶解转化为CO2,产出TOC≤5 ppb的高纯度水。
1.2.2 II级纯水
 
经反渗透、蒸馏或结合离子交换制备,适用于灵敏度要求较高的化学分析目的。反渗透(reverse osmosis,RO)是经济的纯化水方法,其核心是RO膜,即半透膜。RO膜的孔结构较UF膜还紧密,能够去除颗粒、细菌以及>200 Dalton分子量的有机物(包括热源)达95%~99%。在半透膜两侧存在着浓度差,在渗透压作用下低浓度侧的水分子向高浓度侧移动,稀释过程终止于两侧压力达到平衡。制作RO水是在高浓度施加一个与渗透相反的压力,迫使水通过半透膜而被收集(未通过半透膜的水被排斥掉),称之为反渗透。蒸馏是传统的水纯化技术,可以去除广谱污染物,理想的阻抗值在0.5~1 MΩ•cm之间,水中总离子污染物约500 ppb;采用石英材质的蒸馏器进行双蒸、3次蒸馏效果较佳。但蒸馏过程也会携带某些污染物随之被冷凝,从玻璃或金属接口能提取出硅、钠、锡及铜等污染物。沸点<100℃的有机物将自动转为蒸馏液,沸点>100℃的有机物能溶解在水蒸汽中也进入到蒸馏液。在蒸馏过程中也可能为水道中水的氯与天然有机物发生反应提供动能,生成新的有机化合物。因此,蒸馏水中的TOC水平是在100 ppb左右。蒸馏制备需要较长的储存时间,易受空气中的无机有机挥发物、细菌、颗粒物、藻类以及塑料容器中的有机物、玻璃容器中的离子再次污染。
1.2.3 III级纯水
 
经蒸馏或离子交换技术制备,用于常规化学分析实验及器皿的最终清洗。
 
不同级别或不同纯化技术配置产出的纯水有不同的实验用途、成本也不同,必须根据实验目的结合各项纯水技术指标进行合理选择,既要避免纯水的纯度不能满足实验要求,又要防止不必要的浪费。
2 实验室超纯水机的规范操作与保养
2.1 安装注意事项
 
虽然实验室超纯水机安装与操作较为简单,但有些技术流程步骤不可忽视,操作不当将直接影响产水质量和纯水柱效。
2.1.1 设备安装
 
实验室超纯水机应安装在防水台面或特制的车架上,远离有源仪器设备。在不与RO纯水机组合使用的情况下,供水容器最好要高于纯水机10~20 cm,采用无毒硬质连接管,避免过多的中间接口以防止水污染或污垢积聚,供水容器要洗刷干净并用蒸馏水或RO水涮洗处理,出水口处下方需放置积水盘(槽)。
2.1.2 电源连接
 
直接将主机电源线插到墙壁电源插座,但必须保证电源确有地线,如果未接地线应将主机另行接地;使用接线板最好为防水插座或置接线板远离可能溅到水的区域。
2.1.3 装载或更换纯水柱
 
在断电或电源开关关闭状态下完成装载或更换纯水柱,事先核对纯水柱的规格型号是否与本机性能要求相符,检查纯水柱接口端的密封胶圈有否脱落并置于适当的对接位置。
2.2 操作注意事项
2.2.1 源水要求
 
必须保证装入源水容器内是双蒸水或RO水,电导率<10μs/cm@25℃或更低,水温在5~35℃之间;且不要把转运容器中的水底倒入源水容器,以免残留在水桶或其他容器底部的颗粒或絮状物进入纯水柱导致柱效降低。
2.2.2 实验室超纯水机运行
 
开机后仪器会运行除气泡程序,耗时约为5min,约需15 L水。如果配置了UF组件仪器则随之进入清洗程序,约需60 min。之后,在预操作转态下过夜或至少维持数小时,仪器自循环清洗纯化柱。次日,进入超纯水机操作状态,产水10~15 L后置预操作状态待用。
3 实验室超纯水机的常规保养
 
(1)实验室超纯水机保养的关键环节是“连续开机”和“膜清洗”,仪器故障也常由于忽视这两项操作引发。一旦超纯水机通电使用则必须保证即便在不产水时仍通电处于预操作(pre-operate)状态,不可关闭主机开关或拔掉电源,即全年365 d开机。仪器设有每隔30 min再自内循环程序,其目的是保持“流水不腐”,避免纯水管路和纯水柱滋生细菌。如当日不需要制作纯水,同样需要制作5 L达到理想纯度(18.0 MΩ)的超纯水,以冲洗纯水柱体系。节假日关机中断自循环功能,是产水纯度降低或超纯水机“故障”的主要原因。
 
(2)每隔3个月进行一次清洗程序。如果配置了UF组件,仪器一般设置有定期冲洗程序,需要在下班时或节假日将供水容器装满足够量的源水。如果与RO纯水机联用,要定期清洗RO膜,通常应每月清洗1次。由于随使用时间延长,累积在RO膜表面的离子或有机物浓度增高而产生浓差极化、沉淀导致膜阻塞损害。
 
(3)需认真做好超纯水机使用记录,按期备份待更换的纯水柱等器件,以保证实验室超纯水供应[14]。在源水质量保证的前提下参考更换时间为:①离子交换柱和活性碳柱半年或1年(视出水MΩ•cm值决定);②0.2μm最终滤器半年或1年,超滤膜3~5年;③UV灯为1~2年,视输出强度或菌培养定;④RO机储水桶上端的空气滤器是用来滤除CO2、灰尘、微生物及挥发性有机物,至少每年更换1次,为防止掉入大颗粒物质,滤器外再加罩滤网。不可使用润滑剂如油或硅胶擦拭橡胶密封圈。
4 结论
 
规范超纯水机的应用、保障合格水质提供,需在掌握膜分离等技术原理的基础上,严格执行仪器技术操作流程和日常与定期维护措施,实施整个技术流程的监测与管理,以保证超纯水机设备的连续正常运行,产出符合质量要求的纯水。