實驗室用水知識介紹PPT課件

1、上海和泰儀器有限公司第1頁/共42頁上海和泰儀器有限公司 1個水分子(H2O)是由1個氧原子和2個氫原子彎曲鍵結(jié)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(jié)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(jié)合，形成晶體般的整齊結(jié)構(gòu)。 水分子聚合體中，由于氫鍵鍵結(jié)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)會部分斷裂，而形成逐次移動變化的狀態(tài)，因此水在整體上呈現(xiàn)液態(tài)，而此結(jié)構(gòu)變化每秒可達1012次。第2頁/共42頁上海和泰儀器有限公司 一般而言，水若含有適量的鈉、鉀離子及硅酸鹽等礦物質(zhì)，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

2、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(jīng)由靜電的交互作用，很強的結(jié)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(jié)合產(chǎn)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(jié)構(gòu)。第3頁/共42頁上海和泰儀器有限公司 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(zhì)素、單寧、腐植酸、內(nèi)毒素、RNA分解酶、農(nóng)藥、三氯甲烷、環(huán)境荷爾蒙物質(zhì)、界面活性劑、有機溶劑

3、 微粒子：鐵銹、膠體、懸浮物、固體顆粒 微生物：細菌類、藻類第4頁/共42頁上海和泰儀器有限公司 所謂實驗，是指對現(xiàn)象所推測的假設(shè)加以驗證的動作。假設(shè)能否被證明為真理，與假設(shè)能否具有再現(xiàn)性的結(jié)果至關(guān)重要。實驗的再現(xiàn)性除了要有良好的技巧，還受到所用化學(xué)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(xué)試劑，及所使用的水的純度也非常重要。假設(shè)水中污染物對實驗檢測會造成影響，就必須去除這些物質(zhì)。此外，為了取得良好的再現(xiàn)性結(jié)果，使用能保持穩(wěn)定水質(zhì)的純水是必要的。 隨著實驗用的分析系統(tǒng)靈敏度的提高，對水的純度有了更高的要求。 1ppm = 1mg/L 1ppb = 1g/L 1ppt = 1n

4、g/L = 1g/ml第5頁/共42頁上海和泰儀器有限公司 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(jiān)測兩極間的導(dǎo)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(shù)值在水質(zhì)分析中通常被稱為電阻率或比電阻，其單位用M.cm(mega ohm-centimeter)來表示。 電阻率的倒數(shù)稱為導(dǎo)電率或電導(dǎo)率，用s/cm(micro Siemens per centimeter)來表示。 這兩個參數(shù)是表示水的純度的最常用參數(shù)。 將自來水中的離子去除，會使得電阻率值升高（導(dǎo)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

5、.248M.cm(25)。此外，電阻率值會隨著水的電離常數(shù)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18.2M.cm,但在0則為84.2M.cm, 100 則為1.3M.cm。在25 附近，當溫度上升1 ，其電阻值將下降0.84M.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(nèi)毒素含量，細菌含量，顆粒含量，微生物含量，總?cè)芙夤腆w含量（TDS）等也常常被用作補充說明水質(zhì)的重要參數(shù)。因此，水的純度標準通常由以上這些參數(shù)的一項或幾項來綜合說明、分級。第6頁/共42頁上海和泰儀器有限公司 實驗室純水可分為4個常規(guī)等級：純水、去離子水、實驗

6、室級純水和超純水 純水：純化水平最低，通常電導(dǎo)率在150s/cm之間。它可經(jīng)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(yīng)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。第7頁/共42頁上海和泰儀器有限公司 去離子水：電導(dǎo)率通常在1.0-0.1s/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。 實驗室級純水：電導(dǎo)率1.0s/cm，總有機碳（TOC）含量小于50ppb以及細菌含量低于1CFU/ml。其水質(zhì)可適用于多種需求，從試劑制備和溶液稀釋，到為細胞培養(yǎng)配備營

7、養(yǎng)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(shù)制成，也可以再結(jié)合吸附介質(zhì)和UV燈。第8頁/共42頁上海和泰儀器有限公司 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(yù)純化，再經(jīng)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18.2M-cm ，TOC10ppb，濾除0.1m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，如高效液相色譜（HPLC），離子色譜（IC）和離子捕獲質(zhì)譜（ICPMS）。少熱源超純水適用于像真核細胞培養(yǎng)等生物應(yīng)用，超濾技術(shù)通常用于去除大分

8、子生物活性物質(zhì)，如熱源（結(jié)果為1m顆粒個/ml細菌個/ml硝酸根g/L磷酸根g/L硫酸根g/LTOCg/LEW-I10.10.0111120EW-II150.1111100注*（95時間不低于17），*（95時間不低于13）第11頁/共42頁上海和泰儀器有限公司PH25電導(dǎo)率25 S/cm比電阻25M*cm可氧化物質(zhì)以(O)計 mg/L吸光度254nm,1cm蒸發(fā)殘渣 mg/L(10525)可溶性硅以(sio2)計,mg/L一級 0.110 0.001 0.01二級 1.010.080.011.00.02三級5.0-7.55.00.20.40 2.0第12頁/共42頁上海和泰儀器有限公司比電阻

9、25M*cm氧化矽mg/L.max重金屬mg/L.maxKMnO4消毒分.min鈉mg/L.max氨mg/L.max微生物PH值CAP-100.010.01600.10.1微少6.0-7.0CAP-0.50.010.01600.010.01微少6.0-7.0CAP-0.20.010.01600.10.1微少6.0-7.0NCCLS100.05 10 第13頁/共42頁上海和泰儀器有限公司純水的應(yīng)用 目前純水主要應(yīng)用在兩大領(lǐng)域： 一、生命科學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域 二、分析和常規(guī)應(yīng)用領(lǐng)域 生命科學(xué)應(yīng)用方面，主要有：細菌細胞培養(yǎng)，臨床生物化學(xué)，電泳，電生理學(xué)，酶聯(lián)免疫吸附分析，內(nèi)毒素分析，組織學(xué)，水栽培，細胞免

10、疫化學(xué)，哺乳動物細胞培養(yǎng)，介質(zhì)制備，微生物分析，分子生物學(xué)，單克隆抗體研究，植物組織培養(yǎng)，放射性免疫分析等等。 分析和常規(guī)應(yīng)用方面，主要有：蒸餾水器供水，蒸汽發(fā)生器，玻璃器皿清洗，樣本稀釋和試劑制備，超純水系統(tǒng)供水，固相萃取，普通化學(xué)，電化學(xué)，分光光度計，TOC分析，水質(zhì)分析，離子色譜，火焰法原子吸收（Flame-AAS），石墨爐原子吸收（GF-AAS），高效液相色譜（HPLC），液質(zhì)聯(lián)用（HPLC-MS），電耦合等離子光譜儀（ICP-AES），等離子質(zhì)譜（ICP-MS），痕量金屬檢測，氣質(zhì)聯(lián)用（GC-MS）等等.第14頁/共42頁上海和泰儀器有限公司 電泳：電泳用水最重要的要求是生物活性物質(zhì)

11、諸如內(nèi)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。最好用電阻率18.2 M-cm，TOC10ppb，0.1m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(nèi)毒素分析：從分離到細胞培養(yǎng)的各種應(yīng)用領(lǐng)域用水都要求規(guī)定內(nèi)毒素指標，內(nèi)毒素最大指標范圍從0.25IU/ml到0.03IU/ml。對內(nèi)毒素分析，適用少內(nèi)毒素的超純水，通常是0.05IU/ml或更小。超濾是制造少內(nèi)毒素超純水的必須手段（國際上通常使用MWCO為5000道爾頓的超濾膜），而且可以結(jié)合UV等進行光氧化。第15頁/共42頁上海和泰儀器有限公司 石磨爐原子吸收光譜：GF-AAS與其他原子吸

12、收光譜測定的不同之處是，其火焰爐被電子發(fā)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要求頂級純水系統(tǒng)，提供ppt級的雜質(zhì)水平，18.2 M-cm的電阻率和低TOC水平。內(nèi)置監(jiān)測儀提供純度保證，最終的水質(zhì)指標是由良好的預(yù)處理系統(tǒng)，加上連續(xù)循環(huán)流路和純水的超純化而實現(xiàn)。 電感耦合等離子光譜儀：在ICP-AES應(yīng)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(nèi)。ICP-AES對水的純度要求相當嚴格，電阻率大于18 M-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。第16頁/共42頁上海和泰儀器有限公司 等離子質(zhì)譜：IC

13、P-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(zhì)在ppt水平，電阻率18.2 M-cm和較低的TOC。最終的水質(zhì)指標是由良好的預(yù)處理系統(tǒng)，加上連續(xù)循環(huán)流路和純水的超純化而實現(xiàn)。 質(zhì)譜分析：質(zhì)譜能對混合物進行痕量分析，由于其高靈敏度，要求最高純度的用水。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(zhì)在ppt水平，進行有機物分析時要求電阻率18.2 M-cm，非常低的TOC，一般指標小于3ppb。第17頁/共42頁上海和泰儀器有限公司 痕量金屬檢測：先進的現(xiàn)代分析儀器不斷提升分析的靈敏度。痕量元素現(xiàn)在通過使用諸如ICP-M

14、S技術(shù)，可測定在ppt和亞ppt水平的物質(zhì)。痕量分析工作需要不含可測定成分的純水，并且水質(zhì)要求適用于最嚴格最靈敏的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最高的超純水，甚至需要在無塵室中操作。 隨著科技的發(fā)展，越來越多的應(yīng)用開始要求使用純度高的超純水。第18頁/共42頁上海和泰儀器有限公司第19頁/共42頁上海和泰儀器有限公司微孔深層過濾 對顆粒的通過設(shè)置了物理屏障，并根據(jù)過濾微細顆粒的大小分級，由纏繞纖維或壓緊的物質(zhì)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1-50m）通常作為一種經(jīng)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(shè)備不被污染和堵

15、塞。它們需要定期更換。BackBack第20頁/共42頁上海和泰儀器有限公司活性碳吸附 活性碳通常用于預(yù)處理系統(tǒng)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(jīng)800-1000 煅燒而形成具活性的木炭，經(jīng)過酸洗去掉殘余氧化物和其他溶解物質(zhì)。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(chǎn)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(zhì)，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。

16、活性碳柱需要定期更換以保持最少的細菌含量。 NextNext第21頁/共42頁上海和泰儀器有限公司 第22頁/共42頁上海和泰儀器有限公司反滲透（RORO） 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300道爾頓分子量的分子和包括膠體及微生物在內(nèi)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(zhì)非常具成本效益的技術(shù)。不過，其產(chǎn)水速度相對較低，所以使用時通常配以儲水箱暫存產(chǎn)成水以備使用或進一步純化。反滲透裝置保護后續(xù)系統(tǒng)免收膠體和有機物的堵塞或污染，其后續(xù)系統(tǒng)

17、通常配備離子交換或電滲析裝置。NextNext第23頁/共42頁上海和泰儀器有限公司BackBack第24頁/共42頁上海和泰儀器有限公司離子交換 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強大的離子交換點的不溶性聚合物制成。水中的離子依據(jù)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(jīng)替換了樹脂中大部分H+和OH-的活性點。通過將RO膜設(shè)置在離子交換之前的方式，可得到更

18、純的水質(zhì)并延長填料的使用壽命，該方法經(jīng)常用于生產(chǎn)高純度超純水的實驗室純水系統(tǒng)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。第25頁/共42頁上海和泰儀器有限公司BackBack第26頁/共42頁上海和泰儀器有限公司電滲析 電滲析（EDI）是一項結(jié)合了離子交換樹脂和離子選擇性通透膜，并結(jié)合直流電去除水中離子化雜質(zhì)的技術(shù)。該項技術(shù)的發(fā)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(zhì)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(cè)移動并進入另外的管腔，這

19、個過程中也會電解產(chǎn)生維持樹脂處于再生狀態(tài)所需的H+和OH- 。流向兩側(cè)獨立管腔的離子被水沖刷掉。NextNext第27頁/共42頁上海和泰儀器有限公司 通常，EDI的產(chǎn)成水電阻率可達到5-17 M-cm（在25時），總有機碳含量（TOC）低于20ppb。由于系統(tǒng)內(nèi)化學(xué)和電環(huán)境的作用抑制微生物生長，使細菌水平達到最小化。一般來說，EDI不能產(chǎn)生電阻率18.2 M-cm的超純水。必須在EDI之后放置離子交換柱才可生產(chǎn)18.2 M-cm的超純水，并且因為水中只有極少數(shù)量的離子存在，所以延長了離子交換柱的使用壽命。BackBack第28頁/共42頁上海和泰儀器有限公司蒸餾 蒸餾法是通過改變水的形態(tài)從液

20、態(tài)到氣態(tài)再回到液態(tài)，將水和污染物分離。每一個轉(zhuǎn)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(zhì)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(chǎn)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(chǎn)1升純水通常耗費1KW電力。依據(jù)蒸餾水器的不同設(shè)計，蒸餾水的電阻率大約能達到1 M-cm，因為空氣中的CO2會溶入蒸餾水中迅速降低其電導(dǎo)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。BackBack第29頁/共42頁上海和泰儀器有限公司微濾 純水系統(tǒng)中的微濾器對水中顆粒物和微生物進行物理性阻截。膜濾器完全根據(jù)

21、顆粒的大小分級，有較一致的分子結(jié)構(gòu)，截留所有大于其表面孔徑的顆粒。 膜濾器（0.05-0.20m）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(zhì)，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。BackBack第30頁/共42頁上海和泰儀器有限公司超濾 超濾（UF）是一個過濾術(shù)語，指能去除如蛋白質(zhì)大小的顆粒的過濾器。膜孔徑通常在1-50nm之間，中空纖維結(jié)構(gòu)的超濾膜通常有較高的濾過速率。超濾膜根據(jù)其降低相關(guān)污染物濃度

22、的效率來分級。第31頁/共42頁上海和泰儀器有限公司 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(nèi)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(tǒng)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(wěn)定的高質(zhì)量，超濾法是一項出色的技術(shù)。國際上通行的用于超純水儀的超濾膜截留分子量是5000道爾頓。BackBack第32頁/共42頁上海和泰儀器有限公司紫外燈 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

23、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(tǒng)的紫外燈光源為低壓汞燈。第33頁/共42頁上海和泰儀器有限公司 254nm波長的射線具備最強的殺菌能力，能破壞DNA和RNA聚合酶，只需低量就可有效阻止細菌的復(fù)制，較高劑量時有殺菌作用。UV燈組件和UV燈本身的設(shè)計應(yīng)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?yōu)檩^小的離子化合物，并被后置的離子交換柱純化去除。通過第一個離子交換柱對有機離子的去除，優(yōu)化了UV的效能。 先進的超純水系統(tǒng)都會使用這種雙波長的紫外燈組件。BackBack第34頁/共42頁上海

24、和泰儀器有限公司KDFKDF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(xué)氧化-還原反應(yīng)（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(gòu)成無數(shù)小的原電池系統(tǒng)，這種材料在水中具有強大的反應(yīng)能力和極快的反應(yīng)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、水藻的滋生效果卓著。被用于預(yù)處理、主處理與廢水處理設(shè)備。凱得菲(KDF)完善或取代現(xiàn)有技術(shù)，可大輻度延長了系統(tǒng)壽命，減少重金屬、微生物、污垢，降低了總費用，減化系統(tǒng)維護。第35頁/共42頁上海和泰儀器有限公司 (1) 去

25、除強氧化劑(余氯) 凱得菲(KDF)具有強大的還原能力，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(zhì)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(yīng)和物理和化學(xué)吸附反應(yīng)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(zhì)的表面并與凱得菲(KDF)中的鋅發(fā)生置換反應(yīng)，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(jié)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(zhì)的表面,汞離子與凱得菲(KDF)也發(fā)生類似的反應(yīng)，X射線衍射研究發(fā)現(xiàn)汞的去除是形成了銅汞合金。第36頁/共42頁上海和泰儀器有限公司 (3)去除硫化氫 在應(yīng)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(zhì)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(zhì)反沖洗時去除 (