水的基本性質

• 1個水分子(H2O)是由1個氧原子和2個氫原子彎曲鍵結而成。由于正、負電荷的中心不一致，因此屬于極性分子。當2個水分子同時存在時，二者會由靜電交互作用與氫鍵結合，互相吸引并保持一定的距離。而1個水分子可以同時與4個水分子結合，形成晶體般的整齊結構。

• 水分子聚合體中，由于氫鍵鍵結的網狀結構會部分斷裂，而形成逐次移動變化的狀態，因此水在整體上呈現液態，而此結構變化每秒可達1012次。

• 一般而言，水若含有適量的鈉、鉀離子及硅酸鹽等礦物質，就會覺得好喝，若含有大量殘留的鹽類，如鎂、鈣等非酸堿中性鹽類，就會覺得難喝。也就是說，所謂的水除了H2O外，還含有許多其它的成分，而這些成分的種類和含量決定了水的味道。

• 水極易溶解鹽類，即使陰陽離子經由靜電的交互作用，很強的結合在一起，在水中也很容易電解。這是因為，水分子可以和離子結合產生“水合離子”。離子的半徑很小，電荷大的離子會與水分子強力的交互作用，由水分子在離子的周圍緊密排列。這時候，陽離子會與帶負極矩的氧原子相互作用，而陰離子則形成相反的結構。

水中存在的雜質

• 可溶性無機物：無機鹽類、溶解氣體、重金屬、硬度成分(鈣、鎂等)

• 可溶性有機物：木質素、單寧、腐植酸、內毒素、RNA分解酶、農藥、環境荷爾蒙物質、界面活性劑、有機溶劑

• 微粒子：鐵銹、膠體、懸浮物、固體顆粒

• 微生物：細菌類、藻

實驗用水所要求的純度

所謂實驗，是指對現象所推測的假設加以驗證的動作。假設能否被證明為真理，與假設能否具有再現性的結果至關重要。實驗的再現性除了要有良好的技巧，還受到所用化學試劑的純度和分析儀器的精密度的影響。實驗中用來配置溶液的化學試劑，及所使用的水的純度也非常重要。假設水中污染物對實驗檢測會造成影響，就必須去除這些物質。此外，為了取得良好的再現性結果，使用能保持穩定水質的純水是必要的。

隨著實驗用的分析系統靈敏度的提高，對水的純度有了更高的要求。

　　1ppm = 1mg/L

　　1ppb = 1μg/L

　　1ppt = 1ng/L = 1μg/ml

在水中，將距離1cm的兩片表面積為1cm2大小的電極加以通電，來監測兩極間的導電率，通過所加電壓和測得的電流能夠獲知兩極間的電阻值，這個數值在水質分析中通常被稱為電阻率或比電阻，其單位用MΩ.cm(mega

ohm-centimeter)來表示。

電阻率的倒數稱為導電率或電導率，用μs/cm(micro Siemens per centimeter)來表示。

這兩個參數是表示水的純度的zui常用參數。

將自來水中的離子去除，會使得電阻率值升高(導電率降低)，單并非無限制的增加，這是因為部分水分子會電離為氫離子和氫氧根離子，其電阻率值極限值18.248MΩ.cm(25℃)。此外，電阻率值會隨著水的電離常數而改變，因而會受到水溫的影響。例如，25℃的超純水，其電阻值為18.2MΩ.cm,但在0℃則為84.2MΩ.cm,

100 ℃則為1.3MΩ.cm。在25 ℃附近，當溫度上升1 ℃，其電阻值將下降0.84MΩ.cm。因此，多使用補償至25 ℃的電阻率值來做衡量標準。

此外像總有機碳含量(TOC)，熱源內毒素含量，細菌含量，顆粒含量，微生物含量，總溶解固體含量(TDS)等也常常被用作補充說明水質的重要參數。因此，水的純度標準通常由以上這些參數的一項或幾項來綜合說明、分級。

純水的分級標準

• 實驗室純水可分為4個常規等級：純水、去離子水、實驗室Ⅱ級純水和超純水

• 純水：純化水平zui低，通常電導率在1-50μs/cm之間。它可經由單一弱堿性陰離子交換樹脂、反滲透或單次蒸餾制成。典型的應用包括玻璃器皿的清洗、高壓滅菌器、恒溫恒濕實驗箱和清洗機用水。

• 去離子水：電導率通常在1.0-0.1μs/cm之間。通過采用含強陰離子交換樹脂的混床離子交換制成，但它有相對較高的有機物和細菌污染水平，能滿足多種需求，如清洗、制備分析標準樣、制備試劑和稀釋樣品等。

• 實驗室Ⅱ級純水：電導率<1.0μs/cm，總有機碳(TOC)含量小于50ppb以及細菌含量低于1CFU/ml。其水質可適用于多種需求，從試劑制備和溶液稀釋，到為細胞培養配備營養液和微生物研究。這種純水可雙蒸而成，或整合RO和離子交換/EDI多種技術制成，也可以再結合吸附介質和UV燈。

• 超純水：這種級別的純水在電阻率、有機物含量、顆粒和細菌含量方面接近理論上的純度極限，通過離子交換、RO膜或蒸餾手段預純化，再經過核子級離子交換精純化得到超純水。通常超純水的電阻率可達18.2MΩ-cm，TOC<10ppb，濾除0.1μm甚至更小的顆粒，細菌含量低于1CFU/ml。超純水適合多種精密分析實驗的需求，如液相色譜(HPLC)，離子色譜(IC)和離子捕獲-質譜(ICP-MS)。少熱源超純水適用于像真核細胞培養等生物應用，超濾技術通常用于去除大分子生物活性物質，如熱源(結果為<0.005IU/ml)以及無法檢測到的核酸酶和蛋白酶。

目前世界上比較通用的純水標準主要有以下幾個：標準化組織(ISO)，美國臨床病理學會(CAP)試藥級用水標準，美國測試和材料實驗社團組織(ASTM)，臨床試驗標準委員會(NCCLS)，美國藥學會(USP)等。同時，我國也有相應的純水標準：中國國家電子級超純水規格GB/T11446-1997和中國國家實驗室用水規格GB6682-92等。因此市面上絕大多數的純水系統，無論是進口的還是國產的，都是依據這些標準來設計流程的。

中國國家電子級超純水規格

GB/T11446.1-1997

　　純水的應用

　　目前純水主要應用在兩大領域：

　　一、生命科學應用領域

　　二、分析和常規應用領域

生命科學應用方面，主要有：細菌細胞培養，臨床生物化學，電泳，電生理學，酶聯免疫吸附分析，內毒素分析，組織學，水栽培，細胞免疫化學，哺乳動物細胞培養，介質制備，微生物分析，分子生物學，單克隆抗體研究，植物組織培養，放射性免疫分析等等。

分析和常規應用方面，主要有：蒸餾水器供水，蒸汽發生器，玻璃器皿清洗，樣本稀釋和試劑制備，超純水系統供水，固相萃取，普通化學，電化學，分光光度計，TOC分析，水質分析，離子色譜，火焰法原子吸收(Flame-AAS)，石墨爐原子吸收(GF-AAS)，液相色譜(HPLC)，液質聯用(HPLC-MS)，電耦合等離子光譜儀(ICP-AES)，等離子質譜(ICP-MS)，痕量金屬檢測，氣質聯用(GC-MS)等等.

對水的純度要求*的幾個主要應用

• 電泳：電泳用水zui重要的要求是生物活性物質諸如內毒素(通常小于0.05EU/ml)，核糖核酸酶和蛋白酶(不可測定)的去除。用電阻率18.2MΩ-cm，TOC<10ppb，0.1μm或更小孔徑的微濾以及細菌含量低于1CFU/ml的超純水作為供水。

• 內毒素分析：從分離到細胞培養的各種應用領域用水都要求規定內毒素指標，內毒素zui大指標范圍從0.25IU/ml到0.03IU/ml。對內毒素分析，適用少內毒素的超純水，通常是0.05IU/ml或更小。超濾是制造少內毒素超純水的必須手段(上通常使用MWCO為5000道爾頓的超濾膜)，而且可以結合UV等進行光氧化。

• 石磨爐原子吸收光譜：GF-AAS與其他原子吸收光譜測定的不同之處是，其火焰爐被電子發熱石墨管或棒替代，能在元素分析中達到很高的靈敏度。GF-AAS要求*純水系統，提供ppt級的雜質水平，18.2MΩ-cm的電阻率和低TOC水平。內置監測儀提供純度保證，zui終的水質指標是由良好的預處理系統，加上連續循環流路和純水的超純化而實現。

• 電感耦合等離子光譜儀：在ICP-AES應用中，對不同元素的靈敏度明顯不同,但金屬、過渡金屬、磷和硫檢測下限都在ppb范圍內。ICP-AES對水的純度要求相當嚴格，電阻率大于18MΩ-cm的超純水是必須的，TOC的要求一般不太重要，前處理要求反滲透或離子交換。

• 等離子質譜：ICP-MS可被用于測定在ppt水平的元素。對這種靈敏的ICP-MS分析工作，水的純度要求非常嚴格，要求水中雜質在ppt水平，電阻率18.2MΩ-cm和較低的TOC。zui終的水質指標是由良好的預處理系統，加上連續循環流路和純水的超純化而實現。

• 質譜分析：質譜能對混合物進行痕量分析，由于其高靈敏度，要求zui高純度的用水。所有的樣本制備和前處理，例如固相萃取都需要超純水。要求水中雜質在ppt水平，進行有機物分析時要求電阻率18.2MΩ-cm，非常低的TOC，一般指標小于3ppb。

• 痕量金屬檢測：先進的現代分析儀器不斷提升分析的靈敏度。痕量元素現在通過使用諸如ICP-MS技術，可測定在ppt和亞ppt水平的物質。痕量分析工作需要不含可測定成分的純水，并且水質要求適用于zui嚴格zui靈敏的ICP-MS工作。因此，空白試劑，標準樣稀釋和樣本制備均需要純度zui高的超純水，甚至需要在無塵室中操作。

隨著科技的發展，越來越多的應用開始要求使用純度高的超純水。

水的純化技術

微孔深層過濾

對顆粒的通過設置了物理屏障，并根據過濾微細顆粒的大小分級，由纏繞纖維或壓緊的物質形成多孔矩陣，通過吸附或捕捉方式截留顆粒。深層過濾器(一般為1-50μm)通常作為一種經濟的純化方式用于截留大量的懸浮固體，并保護下游的純化設備不被污染和堵塞。它們需要定期更換。

活性碳吸附

活性碳通常用于預處理系統以去除進水中的氯和氯胺，防止它們破壞過濾膜和離子交換樹脂。

大部分活性碳是由椰殼或煤在有水蒸氣和CO2的條件下，經800-1000℃

煅燒而形成具活性的木炭，經過酸洗去掉殘余氧化物和其他溶解物質。用于水處理的活性碳通常孔徑范圍在500-1000nm之間，每克比表面積大約1000m2，通常是顆粒狀壓縮成型的，并裝填于純化柱中以防止產生太過微細顆粒污染下游。

活性碳的巨大表面和海量微孔以及吸附的物質，成為微生物的繁殖地。微生物的生長可以通過添加非溶解性生物殺滅劑到碳中，如銀，得到部分抑制。活性碳柱需要定期更換以保持zui少的細菌含量。

反滲透(RO)

反滲透膜通常用于濾除直徑小于1nm的污染物，典型的反滲透方式可以濾掉水中90%的離子污染物，大部分有機物和幾乎全部微粒污染物。反滲透對分子量<100道爾頓的非離子污染物的去除能力較低，而隨污染物分子量的增大，RO膜的濾除能力也隨之增強。理論上說，這種方式可以100%濾除>300道爾頓分子量的分子和包括膠體及微生物在內的顆粒，溶解的氣體則無法靠RO膜去除。

由于其出色的純化功效，反滲透是一項對去除絕大部分雜質非常具成本效益的技術。不過，其產水速度相對較低，所以使用時通常配以儲水箱暫存產成水以備使用或進一步純化。反滲透裝置保護后續系統免收膠體和有機物的堵塞或污染，其后續系統通常配備離子交換或電滲析裝置。

離子交換

離子交換樹脂床能通過與H+和OH-的離子交換，從水中有效去除離子。離子交換樹脂是直徑小于1mm的多孔小球，由交鏈的含有大量功能*的離子交換點的不溶性聚合物制成。水中的離子依據它們的相對電荷密度競爭離子交換樹脂的交換點而被樹脂吸附。樹脂分為陽離子樹脂和陰離子樹脂兩種。

離子交換樹脂床放在小型濾柱或大型濾筒中使用，一般使用一段時間后就要更換，此時陰陽離子交換基團已經替換了樹脂中大部分H+和OH-的活性點。通過將RO膜設置在離子交換之前的方式，可得到更純的水質并延長填料的使用壽命，該方法經常用于生產高純度超純水的實驗室純水系統中。這種方法也可避免離子交換樹脂表面被大的有機物分子堵塞，從而降低其交換能力。

電滲析

電滲析(EDI)是一項結合了離子交換樹脂和離子選擇性通透膜，并結合直流電去除水中離子化雜質的技術。該項技術的發展克服了離子交換樹脂的局限性，特別是離子交換柱耗竭時離子雜質的釋放及重填或再生離子交換柱的工作。

水通過一個或多個在陽離子或陰離子選擇膜之間填滿離子交換樹脂的管腔，在電場的作用下，離子在離子交換樹脂間向管腔的兩側移動并進入另外的管腔，這個過程中也會電解產生維持樹脂處于再生狀態所需的H+和OH-。流向兩側獨立管腔的離子被水沖刷掉。

通常，EDI的產成水電阻率可達到5-17MΩ-cm(在25℃時)，總有機碳含量(TOC)低于20ppb。由于系統內化學和電環境的作用抑制微生物生長，使細菌水平達到zui小化。一般來說，EDI不能產生電阻率18.2MΩ-cm的超純水。必須在EDI之后放置離子交換柱才可生產18.2MΩ-cm的超純水，并且因為水中只有極少數量的離子存在，所以延長了離子交換柱的使用壽命。

蒸餾

蒸餾法是通過改變水的形態——從液態到氣態再回到液態，將水和污染物分離。每一個轉換過程都為純水與污染物的分離提供了機會。理論上，除蒸汽壓力與水接近的物質和共沸化合物，蒸餾法能去除所有種類的水中污染物。

像RO一樣，蒸餾法生產純水的速度較慢，所以蒸餾水必須先儲存起來以備日后使用。

蒸餾水器非常耗電——每生產1升純水通常耗費1KW電力。依據蒸餾水器的不同設計，蒸餾水的電阻率大約能達到1

MΩ-cm，因為空氣中的CO2會溶入蒸餾水中迅速降低其電導率。新鮮蒸餾水是無菌的，但如果保存不當，一段時間后就不再是無菌的了。

微濾

純水系統中的微濾器對水中顆粒物和微生物進行物理性阻截。膜濾器*根據顆粒的大小分級，有較一致的分子結構，截留所有大于其表面孔徑的顆粒。

膜濾器(0.05-0.20μm)通常被放置在盡可能接近出水點的地方來捕獲微生物和微細顆粒。

所截留的顆粒物包括微生物或其代謝物和可溶性物質，可能再次從濾器中瀝濾出來，所以對微濾器的適當維護(定期消毒和周期性更換)是必要的，使其性能保持在理想水平。新安裝的濾器通常要求在使用前沖洗以去除可能含有的可萃取污染物。

超濾

超濾(UF)是一個過濾術語，指能去除如蛋白質大小的顆粒的過濾器。膜孔徑通常在1-50nm之間，中空纖維結構的超濾膜通常有較高的濾過速率。超濾膜根據其降低相關污染物濃度的效率來分級。

超濾膜通常安裝在靠近純水儀出水口的位置以降低微生物和有機大分子，包括核酸酶和內毒素的濃度。超濾必須定期清洗或更換以保持其效能。超濾可以以傳統的方式安裝，所有水流徑直穿透濾膜，或者以更佳的方式——切向流方式，一部分進水平行流過膜表面帶走污染物以減少其對膜表面的堵塞。

對于保障超純水在顆粒、細菌和熱源含量等各項指標上保持穩定的高質量，超濾法是一項出色的技術。上通行的用于超純水儀的超濾膜截留分子量是5000道爾頓。

紫外燈

紫外燈通常作為殺菌裝置分解和光氧化有機污染物使其極化或離子化，一般安裝在離子交換柱之前，便于離子交換柱將其吸附去除。實驗室純水系統的紫外燈光源為低壓汞燈。

254nm波長的射線具備zui強的殺菌能力，能破壞DNA和RNA聚合酶，只需低量就可有效阻止細菌的復制，較高劑量時有殺菌作用。UV燈組件和UV燈本身的設計應提供足夠的UV劑量以避免活菌的滋生并抑制微生物生長。

較短波長(185nm)的射線對有機物有非常好的氧化作用。UV將大的有機分子裂變為較小的離子化合物，并被后置的離子交換柱純化去除。通過*個離子交換柱對有機離子的去除，優化了UV的效能。

先進的超純水系統都會使用這種雙波長的紫外燈組件。

KDF法簡介

凱得菲(KDF)的作用及功效

凱得菲(KDF)是高純度的銅/鋅合金顆粒，它通過微電化學氧化-還原反應(Redox)進行水處理工作，在與水接觸時，合金中的兩種金屬在亞微觀尺度上構成無數小的原電池系統，這種材料在水中具有*的反應能力和極快的反應速度，可以清除水中高達99%的氯和水中溶解的鉛、汞、鎳、鉻等金屬離子和化合物。對抑制細菌、真菌、污垢、水藻的滋生效果。被用于預處理、主處理與廢水處理設備。凱得菲(KDF)*或取代現有技術，可大輻度延長了系統壽命，減少重金屬、微生物、污垢，降低了總費用，減化系統維護。

(1) 去除強氧化劑(余氯)

凱得菲(KDF)具有*的還原能力，能去除水中的各種強氧化劑，對余氯特別有效。

(2)去除重金屬

凱得菲(KDF)處理介質可以去除水中的多種重金屬離子，如鉛、汞、銅、鎳、鎘、砷、銻、鋁和其他許多可溶性重金屬離子，它們的去除是通過置換反應和物理和化學吸附反應來完成的。凱得菲(KDF)去除重金屬離子的機理如下：金屬離子吸附于凱得菲(KDF)處理介質的表面并與凱得菲(KDF)中的鋅發生置換反應，生成的金屬或吸附在凱得菲(KDF)表面，或進入凱得菲(KDF)晶格中，從而使有毒重金屬污染物結合在凱得菲(KDF)上。例如，水中溶解的鉛離子還原成不溶性的鉛原子，并吸附于凱得菲(KDF)介質的表面,汞離子與凱得菲(KDF)也發生類似的反應，X射線衍射研究發現汞的去除是形成了銅-汞合金。

(3)去除硫化氫

在應用膜法進行水處理時，如果選用地下水作水源，水中可能存在硫化氫，硫化氫如被氧化成硫磺就會污染濾膜表面，凱得菲(KDF)過濾介質有去除硫化氫的功能，生成的硫化銅不溶于水，可在凱得菲(KDF)介質反沖洗時去除

(4)減少懸浮固體

凱得菲(KDF)處理介質的顆粒平均尺寸大約為60目，zui小的顆粒約110目，也能起到物理過濾去除懸浮物質的作用，通常凱得菲(KDF)過濾介質能夠有效地去除直徑小于至50μm的顆粒。

(5)減少礦物質結垢

(6)抑制微生物繁殖

凱得菲(KDF)處理介質不是通過一種機理、而是幾種機理控制微生物的生長繁殖，通過每一種的單獨作用或協同作用來達到抑制微生物的作用。主要機理包括：氧化還原電位的變化，氫氧根離子和*的形成，介質中鋅的溶出等。在一般情況下，凱得菲(KDF)處理介質作為反滲透膜的預處理手段時，能夠抑制細菌、藻類等微生物的繁殖，從而防止了微生物對膜的破壞。

超純水保持*水質的方法

• 超純水取水后很容易遭到環境污染，所以使用前取水(即取即用)方式時zui合適的。只有把超純水與環境接觸的時間縮到極短，才能夠獲得純度*的超純水。

• 在配置高純度的化學試劑時，盡量不要使用長時間儲桶中存放的超純水，因為儲桶經長時間使用后，會因雜質、微生物的污染而造成水質的劣化，像這種水，在使用時已經不再是超純水。

• 純水儲桶安裝空氣過濾器，防止環境因素造成的污染。

• 儲水桶請勿放置在日光直射處，水溫上升，容易造成微生物繁殖。特別是半透明儲水桶，也會因為日光通透而造成藻類繁殖。

• 超純水取水時一定要將初期的出水放掉，以獲得穩定的水質。

• 取水時讓超純水順著容器側壁流入，盡量不要讓氣泡產生，可降低空氣污染。

• 請不要在終端濾器后再連接軟管，使用直接取水的方式才能獲得純度高的超純水。

• 長時間不用純水時，應將壓力儲水桶中的RO水全部放掉以防止污染。

• 超純水機若長時間不使用，再次使用時應把初期純水充分放掉以確保水質。

• 原則上，純水機應至少每7—10天通水一次，以防止微生物污染。

超純水使用要點

1、即取即用

2、排掉前端初期水

3、取水時避免產生氣泡

實驗室常見的水的種類

1、蒸餾水(Distilled Water)

實驗室zui常用的一種純水，雖設備便宜，但極其耗能和費水且速度慢，應用會逐漸減少。蒸餾水能去除自來水內大部分的污染物，但揮發性的雜質無法去除，如二氧化碳、氨、二氧化硅以及一些有機物。新鮮的蒸餾水是無菌的，但儲存后細菌易繁殖;此外，儲存的容器也很講究，若是非惰性的物質，離子和容器的塑形物質會析出造成二次污染。

2、去離子水(Deionized Water)

應用離子交換樹脂去除水中的陰離子和陽離子，但水中仍然存在可溶性的有機物，可以污染離子交換柱從而降低其功效，去離子水存放后也容易引起細菌的繁殖。

3、反滲水(Reverse osmosis Water)

其生成的原理是水分子在壓力的作用下，通過反滲透膜成為純水，水中的雜質被反滲透膜截留排出。反滲水克服了蒸餾水和去離子水的許多缺點，利用反滲透技術可以有效的去除水中的溶解鹽、膠體，細菌、病毒、細菌內毒素和大部分有機物等雜質，但不同廠家生產的反滲透膜對反滲水的質量影響很大。

4、超純水(Ultra-pure grade water)

其標準是水電阻率為18.2MΩ-cm。但超純水在TOC、細菌、內毒素等指標方面并不相同，要根據實驗的要求來確定，如細胞培養則對細菌和內毒素有要求，而HPLC則要求TOC低。

5、MilliQ是millipore公司的主要產品，其生成的水屬于超純水即其電阻率為18.2MΩ-cm，但MilliQ又分四種系列( Milli-Q Academic Milli-Q Biocel Milli-Q Gradient Milli-Q Synthesis)，在TOC、熱原等方面還是有差異的，適用于不同的實驗。

評價水質的常用指標

1、電阻率(electrical resistivity)：

衡量實驗室用水導電性能的指標，單位為MΩ-cm，隨著水內無機離子的減少電阻加大則數值逐漸變大，實驗室超純水的標準:電阻率為18.2MΩ-cm。

2、總有機碳(Total Organic Carbon，TOC)：

水中碳的的濃度，反映水中氧化的有機化合物的含量，單位為ppm或ppb。

3、內毒素(Endotoxin)：

革蘭氏陰性細菌的脂多糖細胞壁碎片，又稱之為“熱原”，單位cuf/ml。