实验纯化水的那些事

高效液相色谱HPLC的分析对于我们药学行业的每一个人来说都是很熟悉的一个实验，实验分析的质量与我们所用的溶剂质量息息相关。各种有机溶剂(如甲醇、乙腈)、无机试剂(如NaCl、磷酸)及水一般被用于流动相或流动相的配制，因此，它们质量的好坏对于获得有效的分析方法和精确的实验结果是非常重要的。目前市场上有很多用于HPLC级别的试剂，包括水，它们专门为使用紫外检测器的HPLC而供应的。然而HPLC级别的水成本太高(100-200元/L)，大多数还是选择在实验室自制水。于是问题就出现了......

水中污染物之一：电解质

电解质是指水中呈离子状态存在的物质，包括可溶性的无机物(如NaCl)、有机物(如乙酸)及一些带电的胶体离子等，这些物质的存在不仅会影响我们的峰形、溶液pH值从而干扰我们的实验，还会影响柱效、污染仪器。幸运的是，电解质具有导电性，因此可以通过电阻率ρ(单位：MΩ.cm)或电导率X(单位：μs/cm)来表征此类杂质的相对含量。

F为法拉第常数，Ci为每种离子的浓度，Zi为每种离子携带的电荷数，μi为迁移率

理论上完全不含离子的超纯化水在25℃时电导率为0.055μS/cm(网上有公式推导)，所以电阻率ρ约为18.2 MΩ.cm (25℃)。水的电导率与其所含的无机酸、碱、盐的浓度密切相关，如NaCl含量为0ppb时，电导率为18.2MΩ.cm；但含量仅上升1个ppb时，电阻率变为17.6MΩ.cm (ppb为千分之一个ppm，十亿分之一)。因此水的电阻率ρ常用于推测水中离子的总浓度或含盐量。电阻率ρ也会随着温度的变化而变化，一般以25℃计。

水中污染物之二：有机物

总有机碳(Total Organic Carbon，TOC)是指水体中溶解性和悬浮性有机物含碳的总量。水中有机物的种类很多，目前还不能全部进行分离鉴定。TOC值常常被忽略，关注程度远低于电阻率ρ，一般认为电阻率ρ达到18.2MΩ.cm即意味着水质良好。其实电阻率ρ为18.2MΩ.cm的水并不意味着它的TOC也非常小，因为电阻率ρ仅能代表水中离子含量是否符合要求，并不能反应有机物的含量，电阻率ρ的好坏与TOC没有直接关系。况且，太多实验结果证明，TOC的数据对液相干扰的影响非常大。

实验室用的超纯化水TOC一般要求低于5ppb，从上图可以看出，TOC在5ppb时基线依旧不平，因此，超过5ppb的超纯化水难免或多或少对液相实验有干扰。当检测波长为214nm时，液相基线对水质最为敏感，因为绝大多数有机污染物的吸收波长为214nm或处于附近。TOC除了对液相基线、检测精度相关外，对色谱柱的柱效也有影响，甚至会大大影响色谱柱的使用寿命。

USP《643》和USP《645》分别提出对水的电阻率ρ和总有机碳量TOC的监控。

其它污染物

水中除了有电解质和有机物外，还有颗粒物(如尘埃)、微生物、细菌及溶解气体(如N2、O2)。这些污染物一方面会影响溶液的离子浓度和pH值、折射光线而影响测定结果，另一方面会阻塞色谱柱和仪器内部通道而对其有损害，最终是增加我们的成本。

实验室用水及分类

根据GB/T6682-2008规定，实验室用水分为一级水、二级水、三级水：三级水质量最次，一般用于清洗或溶液稀释等一般的化学分析试验，二级水可用于无机衡量分析等试验(如原子吸收光谱分析用水)，一级水是最好的水，适合于多种精密分析实验的需求(如HPLC)。

三级水也就是我们常说的RO水(Reverseosmosis water)，一般由反渗透或单次蒸馏而成，其中反渗透最为方便也用得最多，其工作原理就是通过外加压力改变水流方向而使水从高渗透压流向低渗透压。三级水的核心模块是RO膜，RO膜孔径一般为10A到100A之间，在一定的压力下，水分子可以通过RO膜，而源水中的无机盐、重金属离子、有机物、胶体、细菌、病毒等杂质无法通过RO膜，从而使可以透过的纯化水和无法透过的浓缩水严格区分开来。RO纯化水机的核心为RO膜，目前公认最好的RO膜为美国产的陶氏膜。

二级水可通过三级水双蒸、或整合RO和离子交换/EDI等多种技术而成。EDI(连续去离子技术)是利用离子交换树脂吸附给水中的阴阳离子，同时这些被吸附的离子又在直流电场弱电流的作用下，分别透过阴阳离子交换膜而被去除的过程。EDI技术一般能产出10MΩ.cm以上的水。在二级水的生产中还会增加紫外光照，因为UV波长在185nm时会产生光氧化反应，在254nm时辐射强度最强。总的来说，在180nm-254nm波段范围内，UV光照射一方面可以分解水中不易被活性炭吸附的小有机化合物(如甲醇)，使其转变成为CO2和水，以降低TOC的指标，另一方面可以抑制水中细菌的繁殖并可杀死细菌，同时UV照射并不会改变水的物理及化学性质，具有显著的优越性。

一级水是最好的水，也就是我们常说的超纯化水(Ultrapure water，UP水)，它在电阻率、有机物含量、颗粒和细菌的含量等方面接近理论上的纯度基线，适合于多种精密分析实验的需求(如高效液相色谱HPLC、离子色谱IC)。目前制作超纯化水主要有以下三种工艺：

• 预处理→反渗透→中间水箱→水泵→EDI装置→纯化水箱→纯化水泵→紫外线杀菌器→0.2或0.5μm精密过滤器→用水对象(≥15MΩ.CM)

• 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)→纯化水箱→纯化水泵→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)

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

制作流程的不同产生的水质相对来说也有微小差异，Million-Q®与第三种工艺相似，含有抛光模块(Polishingunit)。

大部分实验室纯化水仪直接与自来水相连，因此，除上述介绍的几种纯化方式外，通常还结合离子交换法、超滤、0.2um膜过滤、活性炭过滤等方式。

实验用水注意事项

1. 使用时检测超纯化水的电阻率ρ和总有机碳量TOC；

2. 水尽量即取即用：随着时间的变化，取出的超纯化水会因接触空气或其它原因而使电阻率ρ下降，影响水质；

3. 容器及取样瓶的清洁与材质：清洁问题毋庸置疑，PE材质的容器对液相的干扰明显大于玻璃材质的容器；

4. 排掉初期的0.5 - 1L的水：超纯化水仪再次使用时初始的0.5 - 1L水不可使用，因为这部分水可能是前一次关机前遗留在机器内部的死水；

5. 避免手的污染；

6. 考虑到成本因素，在使用水时能用三级水时尽量不用一级水，避免使用成本的增加，比如若只是清洗用，三级水即可，无需使用一级水；

7. 反渗透膜是一个十分重要的部件，在使用过程中常常有细菌等微观物质淤积在其表面，因此即使不用水都应常开机用少量的水，让机器内部的水形成流通，尽量减少死水的沉积时间过长。反渗透膜的寿命在2 - 3年，具体取决于用水量。

后记：本人非分析专业出身，从事的工作也非分析类。此文的小结纯粹出于个人工作中的部分感想与总结，希望对大家有帮助。如有错误，真诚期待各位的指教与批评。