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如何给实验室用水分级?

水是实验室内一个常常被忽视但至关重要的试剂。实验室用水有那些种类?能达到什么级别?不同实验对水的要求有那些?
实验室常见的水的种类:
1、蒸馏水(Distilled Water ):
实验室最常用的一种纯水,虽设备便宜,但极其耗能和费水且速度慢,应用会逐渐减少。蒸馏水能去除自来水内大部分的污染物,但挥发性的杂质无法去除,如二氧化碳、氨、二氧化硅以及一些有机物。新鲜的蒸馏水是无菌的,但储存后细菌易繁殖;此外,储存的容器也很讲究,若是非惰性的物质,离子和容器的塑形物质会析出造成二次污染。
2、去离子水(Deionized Water ):
应用离子交换树脂去除水中的阴离子和阳离子,但水中仍然存在可溶性的有机物,可以污染离子交换柱从而降低其功效,去离子水存放后也容易引起细菌的繁殖。
3、反渗水(Reverse osmosis Water):
其生成的原理是水分子在压力的作用下,通过反渗透膜成为纯水,水中的杂质被反渗透膜截留排出。反渗水克服了蒸馏水和去离子水的许多缺点,利用反渗透技术可以有效的去除水中的溶解盐、胶体,细菌、病毒、细菌内毒素和大部分有机物等杂质,但不同厂家生产的反渗透膜对反渗水的质量影响很大。
4、超纯水(Ultra-pure grade water):
其标准是水电阻率为18.2MΩ-cm。但超纯水在TOC、细菌、内毒素等指标方面并不相同,要根据实验的要求来确定,如细胞培养则对细菌和内毒素有要求,而HPLC则要求TOC低。
评价水质的常用指标:
1、电阻率(electrical resistivity):
衡量实验室用水导电性能的指标,单位为MΩ-cm,随着水内无机离子的减少电阻加大则数值逐渐变大,实验室超纯水的标准:电阻率为18.2MΩ-cm。
2、总有机碳(Total Organic Carbon ,TOC):
水中碳的的浓度,反映水中氧化的有机化合物的含量,单位为ppm 或 ppb。
3、内毒素(Endotoxin):
革兰氏阴性细菌的脂多糖细胞壁碎片,又称之为"热原",单位cuf/ml

水的基本性质:1个水分子(H2O)是由1个氧原子和2个氢原子弯曲键结而成。由于正、负电荷的中心不一致,因此属于极性分子。当2个水分子同时存在时,二者会由静电交互作用与氢键结合,互相吸引并保持一定的距离。而1个水分子可以同时与4个水分子结合,形成晶体般的整齐结构。

水分子聚合体中,由于氢键键结的网状结构会部分断裂,而形成逐次移动变化的状态,因此水在整体上呈现液态,而此结构变化每秒可达1012次。

一般而言,水若含有适量的钠、钾离子及硅酸盐等矿物质,就会觉得好喝,若含有大量残留的盐类,如镁、钙等非酸碱中性盐类,就会觉得难喝。也就是说,所谓的水除了H2O外,还含有许多其它的成分,而这些成分的种类和含量决定了水的味道。

水极易溶解盐类,即使阴阳离子经由静电的交互作用,很强的结合在一起,在水中也很容易电解。这是因为,水分子可以和离子结合产生“水合离子”。离子的半径很小,电荷大的离子会与水分子强力的交互作用,由水分子在离子的周围紧密排列。这时候,阳离子会与带负极矩的氧原子相互作用,而阴离子则形成相反的结构。

水中存在的杂质

可溶性无机物:无机盐类、溶解气体、重金属、硬度成分(钙、镁等)

可溶性有机物:木质素、单宁、腐植酸、内毒素、RNA分解酶、农药、三氯甲烷、环境荷尔蒙物质、界面活性剂、有机溶剂

微粒子:铁锈、胶体、悬浮物、固体颗粒

微生物:细菌类、藻类

实验用水所要求的纯度

所谓实验,是指对现象所推测的假设加以验证的动作。假设能否被证明为真理,与假设能否具有再现性的结果至关重要。实验的再现性除了要有良好的技巧,还受到所用化学试剂的纯度和分析仪器的精密度的影响。实验中用来配置溶液的化学试剂,及所使用的水的纯度也非常重要。假设水中污染物对实验检测会造成影响,就必须去除这些物质。此外,为了取得良好的再现性结果,使用能保持稳定水质的纯水是必要的。

随着实验用的分析系统灵敏度的提高,对水的纯度有了更高的要求。

1ppm=1mg/L

1ppb=1μg/L

1ppt=1ng/L=1μg/ml

在水中,将距离1cm的两片表面积为1cm2大小的电极加以通电,来监测两极间的导电率,通过所加电压和测得的电流能够获知两极间的电阻值,这个数值在水质分析中通常被称为电阻率或比电阻,其单位用MΩ.cm来表示。电阻率的倒数称为导电率或电导率,用μs/cm来表示。

这两个参数是表示水的纯度的最常用参数。

将自来水中的离子去除,会使得电阻率值升高(导电率降低),单并非无限制的增加,这是因为部分水分子会电离为氢离子和氢氧根离子,其电阻率值极限值18.248MΩ.cm(25℃)。此外,电阻率值会随着水的电离常数而改变,因而会受到水温的影响。例如,25℃的超纯水,其电阻值为18.2MΩ.cm,但在0℃则为84.2MΩ.cm,100℃则为1.3MΩ.cm。在25℃附近,当温度上升1℃,其电阻值将下降0.84MΩ.cm。因此,多使用补偿至25℃的电阻率值来做衡量标准。

此外像总有机碳含量(TOC),热源内毒素含量,细菌含量,颗粒含量,微生物含量,总溶解固体含量(TDS)等也常常被用作补充说明水质的重要参数。因此,水的纯度标准通常由以上这些参数的一项或几项来综合说明、分级。

纯水的分级标准

实验室纯水可分为4个常规等级:纯水、去离子水、实验室Ⅱ级纯水和超纯水

纯水: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。典型的应用包括玻璃器皿的清洗、高压灭菌器、恒温恒湿实验箱和清洗机用水。

去离子水:电导率通常在1.0-0.1μs/cm之间。通过采用含强阴离子交换树脂的混床离子交换制成,但它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、制备分析标准样、制备试剂和稀释样品等。

实验室Ⅱ级纯水:电导率<1.0μs/cm,总有机碳(TOC)含量小于50ppb以及细菌含量低于1CFU/ml。其水质可适用于多种需求,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。这种纯水可双蒸而成,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。

超纯水:这种级别的纯水在电阻率、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18.2MΩ-cm,TOC<10ppb,滤除0.1μm甚至更小的颗粒,细菌含量低于1CFU/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)。少热源超纯水适用于像真核细胞培养等生物应用,超滤技术通常用于去除大分子生物活性物质,如热源(结果为<0.005IU/ml)以及无法检测到的核酸酶和蛋白酶。

目前世界上比较通用的纯水标准主要有以下几个:国际标准化组织(ISO),美国临床病理学会(CAP)试药级用水标准,美国测试和材料实验社团组织(ASTM),临床试验标准国际委员会(NCCLS),美国药学会(USP)等。同时,我国也有相应的纯水标准:中国国家电子级超纯水规格GB/T11446-1997和中国国家实验室用水规格GB6682-92等。因此市面上绝大多数的纯水系统,无论是进口的还是国产的,都是依据这些标准来设计流程的。