Type 1 超纯水高纯度的重要性以及实验室使用中如何保护
用Type 1超纯水，取得最优结果
作者：保罗.怀特黑德博士， ELGA 研发设施首席化学家， FRSC 实验室主任
到目前为止， Type 1 超纯水是实验室使用的最纯净物质。文讨论 Type 1 超纯水的高纯度、这种纯度的重要性以及实验室正常使用时如何保护这种纯度。
前言
当今的实验室中，用于研究和测试的纯净水是必不可少的。按十亿分率（ppb）或更低比例计算的元素和化合物，可能与样品、活性媒介或系统组件发生作用，从而对应用造成不利影响。
百分之百的纯净水仅由水分子组成，羟基和氢离子处于均衡状态（摄氏 25 度时为 10-7M）。这种构成产生典型的 18.2 Mohm.cm 电阻。但是，事实上水在一定程度上能够溶解每种化合物并在实际上支持每种生命形式的特性，意味着其纯度不断受到五类杂质的威胁。这些杂质是悬浮颗料物、 无机化合物、 有机分子、 溶解的气体，以及微生物，包括它们的相关生物分子。要生成实验室使用的高纯度水，来自主管的饮用水需经过一系列的净化步骤，去除这些不同类型的杂质。
Type 1 超纯水的纯度
记录的 Type 1 超纯水的杂质含量，主要受到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 微克/升（ppb），其他元素和离子低于 1.0 微克/升。这意味着 Type 1 超纯水的纯度至少达到 99.99999975%。
表 1 比较 Type 1 超纯水与广泛用于分析研究和测试的三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 纳克/升（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，经常在毫克/升范围内。
表 2： 吹扫捕集 GC-MS 测得的挥发性有机化合物含量
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<0.05
微克/升和半挥发性有机化合物<0.025 微克/升的检出限。这些含量与低于 1 微克/升（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。
表3：热吸附GC-MS测得的半挥发性化合物含量
摄氏 25 度和 1 巴气压条件下， 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，氧和氮与大气均衡的浓度溶解在水中，多数实验室应用不必采取这个步骤。
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/10 毫升，相当于 TOC 不足 0.1 微克/升。
为何使用Type 1超纯水？
使用高纯水虽然看似极端，但是如果 Type 1 超纯水用于各种分析和实验应用，的确需要不含所有这些杂质。幸运的是，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一美金每升，从而具有经济前景。
保持纯度
需要纯净水的实验室工作人员必须记住，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。
最重要的是在水净化器内保持水的纯度。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（参考资料 B）。
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（参照资料 D）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（参考资料 E）也显示，玻璃瓶贮水要优于塑料洗净瓶。在每类容器中贮存两天后， 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。
作者：保罗.怀特黑德博士， ELGA 研发设施首席化学家， FRSC 实验室主任
到目前为止， Type 1 超纯水是实验室使用的最纯净物质。文讨论 Type 1 超纯水的高纯度、这种纯度的重要性以及实验室正常使用时如何保护这种纯度。
前言
当今的实验室中，用于研究和测试的纯净水是必不可少的。按十亿分率（ppb）或更低比例计算的元素和化合物，可能与样品、活性媒介或系统组件发生作用，从而对应用造成不利影响。
百分之百的纯净水仅由水分子组成，羟基和氢离子处于均衡状态（摄氏 25 度时为 10-7M）。这种构成产生典型的 18.2 Mohm.cm 电阻。但是，事实上水在一定程度上能够溶解每种化合物并在实际上支持每种生命形式的特性，意味着其纯度不断受到五类杂质的威胁。这些杂质是悬浮颗料物、 无机化合物、 有机分子、 溶解的气体，以及微生物，包括它们的相关生物分子。要生成实验室使用的高纯度水，来自主管的饮用水需经过一系列的净化步骤，去除这些不同类型的杂质。
Type 1 超纯水的纯度
记录的 Type 1 超纯水的杂质含量，主要受到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 微克/升（ppb），其他元素和离子低于 1.0 微克/升。这意味着 Type 1 超纯水的纯度至少达到 99.99999975%。
| 甲醇（半导体级 Puranol™） |
乙腈 （TraceSELECT® Ultra） |
乙酸（Trace SELECT®） |
超纯水 （PURELAB flex） |
|
| 铝 | <1,000 | <1,000 | <200 | <1 |
| 锑 | <500 | <500 | <50 | <0.2 |
| 砷 | <1,000 | <1,000 | <500 | <2 |
| 镉 | <500 | <500 | <10 | <0.5 |
| 钙 | <30,000 | <20,000 | <1,000 | <2 |
| 铬 | <1,000 | <1,000 | <100 | <1 |
| 铜 | <1,000 | <1,000 | <200 | <2 |
| 铁 | <1,000 | <1,000 | <500 | <2 |
| 铅 | <500 | <500 | <10 | <0.2 |
| 镁 | <5,000 | <1,000 | <100 | <1 |
| 锰 | <500 | <500 | <20 | <0.5 |
| 汞 | <200 | <1,000 | <1,000 | <5 |
| 镍 | <1,000 | <1,000 | <100 | <2 |
| 钾 | <10,000 | <10,000 | <500 | <5 |
| 钠 | <20,000 | <20,000 | <1,000 | <2 |
| 锡 | <500 | <1 | <100 | <0.5 |
| 钛 | <1,000 | <1,000 | <50 | <0.5 |
| 钒 | <500 | <500 | <10 | <0.2 |
| 锌 | <10,000 | <1,000 | <200 | <2 |
| 溴化物 | <1,000 | <2 | <20 | |
| 氯化物 | <25,000 | <25,000 | <20 | |
| 氟化物 | <10,000 | <5 | <30 | |
| 硝酸盐 | <25,000 | <25,000 | <20 |
| 甲醇——半导体级Puranal™ 乙酸——TraceSELECT® Ultra |
乙腈——TraceSELECT® 水——产自PURELAB flex |
表 1： Type 1 超纯水与顶级常用溶剂的基本杂质规格比较
表 1 比较 Type 1 超纯水与广泛用于分析研究和测试的三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 纳克/升（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，经常在毫克/升范围内。
| 吹扫捕集 GC-MS 测得的挥发性有机化合物 | |||
| 结果 | 结果 | ||
| 微克/升（ppb） | 微克/升（ppb） | ||
| 苯 | <0.05 | 1,3-二氯丙烷 | <0.05 |
| 溴苯 | <0.05 | 2,2-二氯丙烷 | <0.05 |
| 溴氯甲烷 | <0.05 | 1,1-二氯丙烷 | <0.05 |
| 一溴二氯甲烷 | <0.05 | 顺-1,3-二氯丙烷 | <0.05 |
| 溴仿 | <0.05 | 反-1,3-二氯丙烷 | <0.05 |
| 溴甲烷 | <0.05 | 乙苯 | <0.05 |
| 2-丁酮（MEK） | <0.05 | 六氯西二烯 | <0.05 |
| 正丁基苯 | <0.05 | 已烷 | <0.05 |
| 仲丁基苯 | <0.05 | 异丙醇 | <0.05 |
| 叔丁基苯 | <0.05 | 异丙苯 | <0.05 |
| 四氯化碳 | <0.05 | 异丙甲苯 | <0.05 |
| 氯苯 | <0.05 | 甲叔丁基醚 | <0.05 |
| 一氯二溴甲烷 | <0.05 | 萘 | <0.05 |
| 氯乙烷 | <0.05 | 丙苯 | <0.05 |
| 氯仿 | <0.05 | 苯乙烯 | <0.05 |
| 氯甲烷 | <0.05 | 1,1,1,2-四氯乙烷 | <0.05 |
| 2-氯甲苯 | <0.05 | 1,1,1,2-四氯乙烷 | <0.05 |
| 4-氯甲苯 | <0.05 | 四氯乙烷 | <0.05 |
| 1,2-二溴-3-氯丙烷 | <0.05 | 甲苯 | <0.05 |
| 1,2-二溴甲烷（EDB） | <0.05 | 1,2,3-三氯苯 | <0.05 |
| 二溴甲烷 | <0.05 | 1,2,4-三氯苯 | <0.05 |
| 1,2-二氯苯 | <0.05 | 1,3,5-三氯苯 | <0.05 |
| 1,3-二氯苯 | <0.05 | 1,1,1-三氯苯 | <0.05 |
| 1,4-二氯苯 | <0.05 | 1,1,2-三氯苯 | <0.05 |
| 二氯二氟甲烷 | <0.05 | 三氯乙烷 | <0.05 |
| 1,1-二氯乙烷 | <0.05 | 三氯一氟甲烷 | <0.05 |
| 1,2-二氯乙烷 | <0.05 | 1,2,3-三氯丙烷 | <0.05 |
| 1,1-二氯乙烷 | <0.05 | 1,2,4-三甲苯 | <0.05 |
| 顺-1,2-二氯乙烷 | <0.05 | 1,2,5-三甲苯 | <0.05 |
| 反-1,2-二氯乙烷 | <0.05 | 氯乙烯 | <0.05 |
| 二氯甲烷 | <0.05 | 邻二甲苯 | <0.05 |
| 1,2-二氯丙烷 | <0.05 | 间二甲苯和对二甲苯 | <0.05 |
表 2： 吹扫捕集 GC-MS 测得的挥发性有机化合物含量
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<0.05
微克/升和半挥发性有机化合物<0.025 微克/升的检出限。这些含量与低于 1 微克/升（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。
| 热吸附GC-MS测得的半挥发性化合物含量 | |||
| 结果 | 结果 | ||
| 微克/升（ppb） | 微克/升（ppb） | ||
| 苊 | <0.025 | 六氯丁二烯 | <0.025 |
| 苊烯 | <0.025 | 六氯环戊二烯 | <0.025 |
| 蒽 | <0.025 | 六氯乙烷 | <0.025 |
| 联苯胺 | <0.025 | 吴佛尔酮 | <0.025 |
| 苯并(a)蒽 | <0.025 | 2-甲基萘 | <0.025 |
| 苯并(b)荧蒽 | <0.025 | 萘 | <0.025 |
| 苯并(k)荧蒽 | <0.025 | 2-硝基苯胺 | <0.025 |
| 苯甲醇 | <0.025 | 3-硝基苯胺 | <0.025 |
| 邻苯二甲酸丁苄酯 | <0.025 | 4-硝基苯胺 | <0.025 |
| 顺（2-氯乙氧基）甲烷 | <0.025 | 硝基苯 | <0.025 |
| 顺（2-乙基己基）邻本二甲酸盐 | <0.025 | 正亚硝基二甲苯胺 | <0.025 |
| 顺（2-氯异乙醚）乙醚 | <0.025 | 正亚硝基联苯胺 | <0.025 |
| 双酚A | <0.025 | 壬基苯酚 | <0.025 |
| 4-溴联苯醚 | <0.025 | 菲 | <0.025 |
| 咔唑 | <0.025 | 芘 | <0.025 |
| 4-氯苯胺 | <0.025 | 叱啶 | <0.025 |
| 2-氯萘 | <0.025 | 1,2,4-三氯苯 | <0.025 |
| 4-氯苯基苯基醚 | <0.025 | 苯甲酸 | <0.025 |
| 苯并菲 | <0.025 | 4-氯-3-甲酚 | <0.025 |
| 二苯并呋喃 | <0.025 | 2-氯酚 | <0.025 |
| 1,2-二氯苯 | <0.025 | 煤酚 | <0.025 |
| 1,3-二氯苯 | <0.025 | 2,4-二氯酚 | <0.025 |
| 1,4-二氯苯 | <0.025 | 2,4-二甲酚 | <0.025 |
| 3,3’-二氯联苯胺 | <0.025 | 2,4-二硝基酚 | <0.025 |
| 邻苯二甲酸二乙酯 | <0.025 | 4,6-二硝基-甲酚 | <0.025 |
| 邻苯二甲酸二甲酯 | <0.025 | 2-甲酚 | <0.025 |
| 邻苯二甲酸二正丁酯 | <0.025 | 4-甲酚 | <0.025 |
| 2,6-二硝基甲苯 | <0.025 | 4-硝基酚 | <0.025 |
| 邻苯二甲酸二正辛酯 | <0.025 | 五氯酚 | <0.025 |
| 荧蒽 | <0.025 | 酚 | <0.025 |
| 芴 | <0.025 | 2,4,5-三氯酚 | <0.025 |
| 六氯苯 | <0.025 | ||
表3：热吸附GC-MS测得的半挥发性化合物含量
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/10 毫升，相当于 TOC 不足 0.1 微克/升。
为何使用Type 1超纯水？
使用高纯水虽然看似极端，但是如果 Type 1 超纯水用于各种分析和实验应用，的确需要不含所有这些杂质。幸运的是，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一美金每升，从而具有经济前景。
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）。
由于水可用于一项分析的许多方面，包括样品制备、稀释和空白，作为洗提液以及漂洗仪器，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复制性的多种影响。
高灵敏度分析特别依赖高纯水，尤其是必须直接测量很低浓度或者只有很少样品并且需要在分析之前稀释的情况下。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（参考资料 A）所示使用 HPLC 或图 3所示的离子色谱法。
高灵敏度分析特别依赖高纯水，尤其是必须直接测量很低浓度或者只有很少样品并且需要在分析之前稀释的情况下。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（参考资料 A）所示使用 HPLC 或图 3所示的离子色谱法。
图 2：使用 TOC 很低的 Type 1 超纯水，以 210 毫米的紫外线检测 HPLC 的底色改善情况。
图 3：浓缩 20 毫升样品前的超痕量阳离子分析
保持纯度
需要纯净水的实验室工作人员必须记住，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。
最重要的是在水净化器内保持水的纯度。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（参考资料 B）。
图 4：接触空气对 Type 1 超纯水电阻系数的影响
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二氧化碳， 生成碳酸， 从而将水的电阻率从 18.2 Mohm.cm 降到最低大约 1.3 Mohm.cm， 如图 4 所示。 酸里的氢离子具有高导电性，使这一巨大变化在二氧化碳浓度仅为 0.5 毫克/升时得以实现。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。
对多数应用而言，分配水时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，可能使水受到污染。图 5 表明管材的有机脱膜剂或增塑剂如何溶解于水中： 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0.7CFU/毫升，但另外接上分水管的七台装置的这一数值上升到 26CFU/毫升。
对多数应用而言，分配水时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，可能使水受到污染。图 5 表明管材的有机脱膜剂或增塑剂如何溶解于水中： 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0.7CFU/毫升，但另外接上分水管的七台装置的这一数值上升到 26CFU/毫升。
图 5： Type 1 超纯水 GC-MS：管材增塑剂的影响
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。图 6（参考资料 C）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。
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。
过容器即无喷洒采集的水。
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（参照资料 D）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（参考资料 E）也显示，玻璃瓶贮水要优于塑料洗净瓶。在每类容器中贮存两天后， 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。
图 7：源自洗净瓶的邻苯二甲酸酯污染示例（3）
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。
参考资料
A. Suzuki, Kawaguchi, Enami and Kuroki: Abstract of Proceedings of 15th Environmental Chemistry Forum, 2006, 182-183. (3)
B. Clinical and Laboratory Standards Institute. Preparation and Testing of Reagent Water in the Clinical Laboratory; Approved Guideline-Fourth Edition. CLSI document C3-A4 (2006)
C. Kuroki: Chromatography, 27(3), 125-9 (2006)
D. Kuroki: Industrial Water, 2003, 541, 24-30. (2)
E. Horikiri S., Fujita N., Kuroki Y. and Enami T. Abstracts of Proceedings of 54th Mass Spectrometry Analysis General Forum, 2006, 458-459.
未指明出处的所有实验数据均出自ELGA的研发设施。
关于ELGA LabWater
ELGA LabWater 是威立雅水务技术旗下的子公司和生产企业，提供并维护实验室、医疗及临床纯水系统。 ELGA 在全球 60 多个国家有办事处和经销商， 是威立雅水务技术的一个全球实验室品牌。
ELGA 系威立雅水务的子公司威立雅水务技术的完整组成部分，是水处理领域居于领先地位的设计与建造公司及专业的技术解决方案提供商。威立雅水务技术在世界上 50 多个国家有 10,380 多员工， 2013 年收入达 21 亿欧元。
请访问 www.elgalabwater.com 获取更多信息。
A. Suzuki, Kawaguchi, Enami and Kuroki: Abstract of Proceedings of 15th Environmental Chemistry Forum, 2006, 182-183. (3)
B. Clinical and Laboratory Standards Institute. Preparation and Testing of Reagent Water in the Clinical Laboratory; Approved Guideline-Fourth Edition. CLSI document C3-A4 (2006)
C. Kuroki: Chromatography, 27(3), 125-9 (2006)
D. Kuroki: Industrial Water, 2003, 541, 24-30. (2)
E. Horikiri S., Fujita N., Kuroki Y. and Enami T. Abstracts of Proceedings of 54th Mass Spectrometry Analysis General Forum, 2006, 458-459.
未指明出处的所有实验数据均出自ELGA的研发设施。
关于ELGA LabWater
ELGA LabWater 是威立雅水务技术旗下的子公司和生产企业，提供并维护实验室、医疗及临床纯水系统。 ELGA 在全球 60 多个国家有办事处和经销商， 是威立雅水务技术的一个全球实验室品牌。
ELGA 系威立雅水务的子公司威立雅水务技术的完整组成部分，是水处理领域居于领先地位的设计与建造公司及专业的技术解决方案提供商。威立雅水务技术在世界上 50 多个国家有 10,380 多员工， 2013 年收入达 21 亿欧元。
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