實驗室超純水機的規(guī)范應用與維護技術*

周 末 姚 璐 薛曉霞 崔澤實*

實驗室超純水機的規(guī)范應用與維護技術*

周 末①姚 璐①薛曉霞①崔澤實①*

目的：探索實驗室超純水機的規(guī)范操作與保養(yǎng)措施。方法：在總結(jié)超純水機應用實踐的基礎上，研究超純水機集成過濾、超濾、離子交換及微濾等技術的原理與操作保養(yǎng)的相互關系，完善必要的配套設施，制定操作流程規(guī)范、質(zhì)量控制和保養(yǎng)措施。結(jié)果：超純水機的規(guī)范操作降低了實驗室超純水機的故障發(fā)生率，保證產(chǎn)水質(zhì)量，純水柱的更新周期延長，節(jié)省資金。結(jié)論：規(guī)范超純水機的應用及保障合格水質(zhì)的提供，需在掌握膜分離等技術原理的基礎上，嚴格執(zhí)行儀器技術操作流程和日常與定期維護措施，實施全技術流程的監(jiān)測與管理。

超純水；膜分離技術；規(guī)范應用；保養(yǎng)維護；實驗室

[First-author’s address] China Medical University, Shenyang 110001, China.

隨著超純水機的問世，極大地提升了實驗室技術的基礎水平，實驗室超純水機是一種實驗室用水凈化設備，在醫(yī)療、科研中逐步對此項技術產(chǎn)生了相對的依賴性[1-2]。為了保證超純水機設備的連續(xù)正常運行，產(chǎn)出符合質(zhì)量要求的純水，必須把握好實驗室技術流程這一重要環(huán)節(jié)[3]。為此，本研究結(jié)合超純水機集成過濾、超濾、離子交換以及微濾等技術的原理，探討制定相應的操作技術規(guī)范和維護保養(yǎng)措施。

1 實驗室純水制備技術

目前，純水制備技術可歸納為蒸餾、離子交換、微孔過濾、活性炭吸附、超濾及反滲透等[1,3]。單一技術具有其技術優(yōu)勢和某種局限，產(chǎn)水的技術指標存在差別，完成實驗室不同等級純水制備往往需要兩種技術或多種技術的組合或逐級運用。

1.1 實驗用水純度與等級

水純度通常采用電導法測得，即在25 ℃的水溶液中放置2個相距1 cm的電極板，兩端加1 V左右的電位，測定通過1 cm3水的電流信號[4-5]。電導率與電流強度成正比以μs/cm或ms/m表示，電導率的倒數(shù)為阻抗以MΩ·cm@25 ℃表示，純水的理論值分別為0.05482 μs/cm和18.248 MΩ·cm。

實驗室純水標準主要可參照國家實驗室分析用水標準GB/T6682-2008、國際標準化組織ISO3696、美國實驗與材料學會ASTM D1193以及美國臨床與實驗室標準研究所CLSI等，綜合主要技術指標見表1[6-7]。

醫(yī)療臨床、科研和制藥等相關領域用水對細菌數(shù)、內(nèi)毒素含量等指標另有要求；如CLSI要求I級純水的細菌數(shù)控制在10 cfu/ml，中國藥典注射用水的標準[7]是＜10/100 ml，ASTM將控制細菌和內(nèi)毒素水平分為A、B、C的3個等級，分別為10/1000 ml、10/100 ml、100/10 ml和0.03、0.25 EU/ml[8]。有機全碳是反映水中有機物污染程度的重要指標，ASTM對各級純水均有規(guī)定，中國藥典注射用水和純水的標準是≤0.50 mg/L。

1.2 純水制備技術

本研究表1顯示，如果采用自來水為源水達到不同等級純度往往需要組合兩種或兩種以上技術逐級完成。

1.2.1 I級純水

I級純水即稱之為超純水，是在II級或III級純水基礎上制備。市售超純水機大多集成了預濾、離子交換、活性碳吸附以及微超濾等技術[1,8-10]。

(1)預濾。建立在儀器本系統(tǒng)泵驅(qū)動下的正壓過濾基礎上，以去除源水中存在的100 μm左右粒徑的顆粒物，對下一級純水柱起保護作用。建議在主要以蒸餾水為源水的超純水機上配置，也作為其他單一或組合純水技術的前級處理。

(2)離子交換。通過內(nèi)置的陰離子樹脂和陽離子樹脂，分別靜電吸引供水中的陽離子和陰離子而置換出H+和OH-，形成H2O，單獨使用離子交換可生成II級純水。技術局限為：①產(chǎn)量有限，一旦全部結(jié)合為被置換占據(jù)后，離子仍游離存在，需要更換；②不能有效去除有機物、熱源及細菌等；③化學再生的去離子床可產(chǎn)生有機物和顆粒。在離子交換基礎上可結(jié)合電去離子(Electro deion ization，EDI)技術，在電場作用下吸附于樹脂上的離子分別選擇性的通過陽離子或陰離子滲透膜遷移到高濃度側(cè)而排出，同步實現(xiàn)了離子交換、遷移滲透和交換樹脂的電再生，故又稱作連續(xù)電去離子法，水純度可達到15 MΩ·cm[11-13]。

(3)活性碳吸附。由有機材料制成帶有迷宮小孔的多孔顆粒，展開面積很大，1 g活性碳可達1000 m2，溶解于水中的有機分子進入孔中在萬有引力的作用下結(jié)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機物和氯，但不能除去離子和微粒子。

表1 實驗室純水標準與主要技術指標

(4)微(超)濾。運用切向流超濾技術，發(fā)揮著分子篩作用，能有效濾除顆粒物、生物大分子、熱源、酶類、微生物和膠體物，除用于化學合成等高級別實驗外，由于可有效去除熱源和DNA酶、RNA酶，還可作為非常理想的細胞培養(yǎng)和分子生物學實驗用水，其缺陷則為不能夠去除可溶性無機物和有機物，當高分子物累積過多，存在著污染、阻塞問題。選擇性集成上述技術生產(chǎn)的超純水機可產(chǎn)出10.0～18.0 MΩ·cm兩類I級純水，廣泛用于要求消除溶液痕量本底影響的化學和生物學實驗，如LC、LC-MS、ICP-MS、qPCR、電泳、細胞培養(yǎng)、組織學及化學元素分析等。若用于實驗室特殊目的，可組合以下配置：①微孔濾器，一般為0.2 μm的圓盤濾器，作為最后純化步驟安裝在出水端，又稱之為終端濾器。能有效濾去細菌以及大于其孔徑的顆粒物，如樹脂碎片、碳末及膠體顆粒等。用于靜注、血清、抗體及培養(yǎng)基等制備用水，但不能去除無機物、有機物、熱源及病毒，使用壽命有限；②UV輻照，在出水路徑用254 nmUV燈輻照，微生物細胞中的DNA和蛋白吸收UV導致其失活；新近有采用185 nm和254 nm兩個波長UV光組合，能產(chǎn)生有機物的光氧化，使有機物溶解轉(zhuǎn)化為CO2，產(chǎn)出TOC≤5 ppb的高純度水。

1.2.2 II級純水

經(jīng)反滲透、蒸餾或結(jié)合離子交換制備，適用于靈敏度要求較高的化學分析目的。反滲透(reverse osmosis，RO)是經(jīng)濟的純化水方法，其核心是RO膜，即半透膜。RO膜的孔結(jié)構(gòu)較UF膜還緊密，能夠去除顆粒、細菌以及＞200 Dalton分子量的有機物(包括熱源)達95%～99%。在半透膜兩側(cè)存在著濃度差，在滲透壓作用下低濃度側(cè)的水分子向高濃度側(cè)移動，稀釋過程終止于兩側(cè)壓力達到平衡。制作RO水是在高濃度施加一個與滲透相反的壓力，迫使水通過半透膜而被收集(未通過半透膜的水被排斥掉)，稱之為反滲透。蒸餾是傳統(tǒng)的水純化技術，可以去除廣譜污染物，理想的阻抗值在0.5～1 MΩ·cm之間，水中總離子污染物約500 ppb；采用石英材質(zhì)的蒸餾器進行雙蒸、3次蒸餾效果較佳。但蒸餾過程也會攜帶某些污染物隨之被冷凝，從玻璃或金屬接口能提取出硅、鈉、錫及銅等污染物。沸點＜100 ℃的有機物將自動轉(zhuǎn)為蒸餾液，沸點＞100 ℃的有機物能溶解在水蒸汽中也進入到蒸餾液。在蒸餾過程中也可能為水道中水的氯與天然有機物發(fā)生反應提供動能，生成新的有機化合物。因此，蒸餾水中的TOC水平是在100 ppb左右。蒸餾制備需要較長的儲存時間，易受空氣中的無機有機揮發(fā)物、細菌、顆粒物、藻類以及塑料容器中的有機物、玻璃容器中的離子再次污染。

1.2.3 III級純水

經(jīng)蒸餾或離子交換技術制備，用于常規(guī)化學分析實驗及器皿的最終清洗。

不同級別或不同純化技術配置產(chǎn)出的純水有不同的實驗用途、成本也不同，必須根據(jù)實驗目的結(jié)合各項純水技術指標進行合理選擇，既要避免純水的純度不能滿足實驗要求，又要防止不必要的浪費。

2 實驗室超純水機的規(guī)范操作與保養(yǎng)

2.1 安裝注意事項

雖然實驗室超純水機安裝與操作較為簡單，但有些技術流程步驟不可忽視，操作不當將直接影響產(chǎn)水質(zhì)量和純水柱效。

2.1.1 設備安裝

實驗室超純水機應安裝在防水臺面或特制的車架上，遠離有源儀器設備。在不與RO純水機組合使用的情況下，供水容器最好要高于純水機10～20 cm，采用無毒硬質(zhì)連接管，避免過多的中間接口以防止水污染或污垢積聚，供水容器要洗刷干凈并用蒸餾水或RO水涮洗處理，出水口處下方需放置積水盤(槽)。

2.1.2 電源連接

直接將主機電源線插到墻壁電源插座，但必須保證電源確有地線，如果未接地線應將主機另行接地；使用接線板最好為防水插座或置接線板遠離可能濺到水的區(qū)域。

2.1.3 裝載或更換純水柱

在斷電或電源開關關閉狀態(tài)下完成裝載或更換純水柱，事先核對純水柱的規(guī)格型號是否與本機性能要求相符，檢查純水柱接口端的密封膠圈有否脫落并置于適當?shù)膶游恢谩?/p>

2.2 操作注意事項

2.2.1 源水要求

必須保證裝入源水容器內(nèi)是雙蒸水或RO水，電導率＜10 μs/cm@25 ℃或更低，水溫在5～35 ℃之間；且不要把轉(zhuǎn)運容器中的水底倒入源水容器，以免殘留在水桶或其他容器底部的顆粒或絮狀物進入純水柱導致柱效降低。

2.2.2 實驗室超純水機運行

開機后儀器會運行除氣泡程序，耗時約為5 min，約需15 L水。如果配置了UF組件儀器則隨之進入清洗程序，約需60 min。之后，在預操作轉(zhuǎn)態(tài)下過夜或至少維持數(shù)小時，儀器自循環(huán)清洗純化柱。次日，進入超純水機操作狀態(tài)，產(chǎn)水10～15 L后置預操作狀態(tài)待用。

3 實驗室超純水機的常規(guī)保養(yǎng)

(1)實驗室超純水機保養(yǎng)的關鍵環(huán)節(jié)是“連續(xù)開機”和“膜清洗”，儀器故障也常由于忽視這兩項操作引發(fā)。一旦超純水機通電使用則必須保證即便在不產(chǎn)水時仍通電處于預操作(pre-operate)狀態(tài)，不可關閉主機開關或拔掉電源，即全年365 d開機。儀器設有每隔30 min再自內(nèi)循環(huán)程序，其目的是保持“流水不腐”，避免純水管路和純水柱滋生細菌。如當日不需要制作純水，同樣需要制作5 L達到理想純度(18.0 MΩ)的超純水，以沖洗純水柱體系。節(jié)假日關機中斷自循環(huán)功能，是產(chǎn)水純度降低或超純水機“故障”的主要原因。

(2)每隔3個月進行一次清洗程序。如果配置了UF組件，儀器一般設置有定期沖洗程序，需要在下班時或節(jié)假日將供水容器裝滿足夠量的源水。如果與RO純水機聯(lián)用，要定期清洗RO膜，通常應每月清洗1次。由于隨使用時間延長，累積在RO膜表面的離子或有機物濃度增高而產(chǎn)生濃差極化、沉淀導致膜阻塞損害[9-13]。

(3)需認真做好超純水機使用記錄，按期備份待更換的純水柱等器件，以保證實驗室超純水供應[14]。在源水質(zhì)量保證的前提下參考更換時間為：①離子交換柱和活性碳柱半年或1年(視出水MΩ·cm值決定)；②0.2 μm最終濾器半年或1年，超濾膜3～5年；③UV燈為1～2年，視輸出強度或菌培養(yǎng)定；④RO機儲水桶上端的空氣濾器是用來濾除CO2、灰塵、微生物及揮發(fā)性有機物，至少每年更換1次，為防止掉入大顆粒物質(zhì)，濾器外再加罩濾網(wǎng)。不可使用潤滑劑如油或硅膠擦拭橡膠密封圈。

4 結(jié)論

規(guī)范超純水機的應用、保障合格水質(zhì)提供，需在掌握膜分離等技術原理的基礎上，嚴格執(zhí)行儀器技術操作流程和日常與定期維護措施，實施整個技術流程的監(jiān)測與管理，以保證超純水機設備的連續(xù)正常運行，產(chǎn)出符合質(zhì)量要求的純水。

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The standardization application and maintenance of laboratory ultra pure water machine

ZHOU Mo, YAO Lu, XUE Xiao-xia, et al
China Medical Equipment,2015,12(6):8-11.

Objective: To explore a pathway of standard operation and maintenance measures for the laboratory ultra pure water machine. Methods: Based on summarizing the application practice, study the relationship between the principle of pure water preparation and procedures of the operation and maintenance, improved pre-filtration facilities, setup the operation standards and periodical maintenance measures. Results: Reduced failure of ultra pure water machine, ensure the quality of water production, water column update cycle extended. Conclusion: The qualified water provided, need based on the membrane separation technology, strictly performing the operation process standard and regular maintenance measures, and keep to the total technical process management and monitoring.

Ultra pure water; Membrane separation technology; Standardization operation; Maintenance; Laboratory

周末,男,(1984- ),本科學歷，實驗師。中國醫(yī)科大學實驗中心三部，從事生物樣本制備、顯微成像分析等實驗技術研究工作。

1672-8270(2015)06-0008-04

R197.39

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.06.003

2015-03-22

遼寧省教育廳項目(遼教發(fā)[2014]108)“生命科學(醫(yī)藥工)綜合實驗實訓平臺”；沈陽市科學技術項目(F11-241-00)“沈陽市生命科學實驗技術重點實驗室建設”；沈陽市科學技術項目(F12-264-4-01)“分子細胞計量學實驗技術數(shù)字資源共享服務平臺”

①中國醫(yī)科大學實驗中心三部 遼寧 沈陽 110001

*通訊作者：labczs@mail.cmu.edu.cn