如何选购“超纯水器”

省部重点实验室

2012/02/28

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常用设备综合讨论

我们每天都在做实验，接触到的最多的试剂莫过于水，它通常贯穿我们的整个实验过程。也许正是因为水的普遍和易得，往往让我们忽略了它对实验结果产生的影响。现代实验中，实验室纯水愈来愈发挥着不可取代的作用，纯水仪器作为实验室的基本配置在也有着非常广泛的应用。

水是指既将水中易去除的强电介质去除，又将水中难以除去的硅酸及二氧化碳等弱电解质去除至一定程度的水。纯水的含盐量在1.0mg/L以下,电导率小于3μs/cm。

超纯水又称高纯水，是指将水中的导电介质几乎全部去除，又将水中不离解的胶体物质、气体和有机物均去除至很低程度的水。超纯水的含盐量在0.1mg/L以下，电导率小于0.1μs/cm。

纯水和超纯水除了对含盐量或电导率有严格要求外，对水中各种金属离子含量，有机物含量、微粒粒径及数量和微生物数量也有严格指标限制。

将原水加热汽化，再将蒸汽冷凝成的水称为蒸馏水。一般蒸馏水电导率为10μs/cm左右，将一次蒸馏水再次蒸馏得到二次蒸馏水，多次蒸馏得到多次蒸馏水，电导率可降至很低达1.0μs/cm左右。

去离子水是指除去了呈离子形式杂质后的纯水，一般采用离子交换法制取。

当前市场上除了大家所熟知的Millipore（密理博）品牌的纯水/超纯水机以外，还出现了其他一些国内外的品牌。很多人对于如果选择超纯水器，选择时该从哪些方面去考察超纯水器非常困惑，希望本文等对大家对纯水以及超纯水器的理解有所帮助，能帮助大家确定一款称心如意的纯水仪器。

什么样的仪器算是一台先进优秀的仪器,我们该如何评判一台实验室纯水仪器的优劣呢？这是我们进行评测前首先思考的问题。
现代实验技术的发展十分迅猛，实验的精度越来越高，对试剂的纯度、干扰因子的控制以及环境的要求越来越严格，实验技术手段越来越丰富，实验室也向多功能方向发展。与此同时，实验数据要求数据结果可验证、可重复、可追溯，实验步骤和流程却要求更简单，更快速。与之相应，现代实验技术的发展对实验仪器也提出了越来越高的要求：要求实验仪器的品质更高性能更稳定；仪器功能集约化，一台机器要能满足多种需要；实验仪器的监控体系更加完备、可靠同时应当具有科学的数据管理体系；在操作方面，我们需要更加智能化、操作更方便舒适、维护更简单；除此之外仪器的安全性以及对环境低负担也越来越被实验工作者所重视。

现代实验科学的内在发展需求引导了现代先进仪器的发展方向。是否满足现代实验仪器的内在需求便是我们评判一台实验仪器先进性的标准。就纯水仪器而言，产水品质、操作舒适性、监控科学性以及智能化集成化这几个方面是我们最需要考虑的。

产水品质

在正确选择实验室超纯水器之前，我们必须很好地了解如下几个概念：什么是纯水？什么是超纯水？二者有何区别？
纯水又称纯净水，是指以符合生活饮用水卫生标准的水为原水，通过电渗析器法、离子交换器法、反渗透法、蒸馏法及其他适当的加工方法，制得的不含任何添加物，无色透明，可直接饮用的水。市场上出售的一些桶装水，蒸馏水均属纯净水的范围。
超纯水是在纯水的基础上进一步将水中的导电介质几乎完全去除，又将水中不离解的胶体物质、气体及有机物均去除至很低程度的水。电阻率等于或者接近18.2MΩ.cm（25℃）极限值。

纯水和超纯水区别存在于很多方面，这里只列举了其中的一些方面，现归纳如下

A. 电导率不同，纯水电导率一般在2-10us/cm之间，超纯水的电导率为0.056us/cm；有机物、细菌、微粒数等指标也大不相同，比如有机物纯水是几十ppb以上，而超纯水为几个ppb，简单地说超纯水中已经没有什么杂质，接近于理论上的水

B. 制造的难易程度不同，目前市场上使用的纯水基本上都是经过反渗透和蒸馏两种方法制得，而超纯水是在纯水的基础上还要经过紫外光氧化技术（185nm）、抛光核子级树脂处理，微滤或超滤等一系列复杂的纯化技术制得的

C. 在实验中的应用范围不同

下图为不同的纯化技术对不同水中污染物的去除效果的图示，由图可知，没有任何一种单一的纯化技术可以很好的去除所有污染物，所以在超纯水器中，通常组合了几种纯化技术。

中国国家实验室用水标准GB6682-92

名称	一级	二级	三级
pH值范围（25⁰C）	---	---	5.0-7.5
电导率(25⁰C),mS/m	≤ 0.01	0.10	0.50
可氧化物质(以0计),mg/L	---	< 0.08	0.4
吸光度(254nm,1cm光程)	≤ 0.001	0.01	---
蒸发残渣105^O±2C ^O), mg/L	---	≤ 1.0	2.0
可溶性硅(以SiO₂计) mg/L	< 0.01	0.02	---

一级水用于有严格要求的分析实验,如液相色谱分析用水等。
二级水用于无机痕量分析,如原子吸收光谱分析用水等。
三级水用于一般化学分析实验。

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第1楼2012/02/28

国标（GB6682-92）的补充说明：由于在一级和二级水的纯度下，难于测定其真实的pH值，因此对一级和二级水的pH值范围国标不作规定。

一级和二级水的电导率需用新制备的水在线测定

由于在一级水的纯度下，难于测定可氧化物和蒸发残渣，故国标对其限量也不作规定，可用其他条件和制备方法来保证一级水的质量。

国标对一、二级水电导的测试方法有明确的规定：用于一、二水测定的电导仪，需配备电极常数为0.01—0.1cm-1的在线电导池，并具有温度自动补偿功能。

不同的国际组织如ASTM、CLSI、ISO等制定的水质标准也有所不同，所以很难明确地划分实验室用水的等级。一般来说，我们采用下面的分级方法：

应用领域	纯水级别	相关参数
高效液相色谱（HPLC）气相色谱（GC）原子吸收（AA）电感耦合等离子体光谱（ICP）电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）分子生物学实验和细胞培养等	I级水	电阻率(MΩ.cm)：>18.0 TOC含量（ppb）：<10 热原(Eu/ml)：<0.03 颗粒（units/ml）：<1 硅化物 (ppb)：<10 细菌（clu/ml）：<1 pH：NA
制备常用试剂溶液制备缓冲液	II级水	电阻率(MΩ.cm)：>1.0 TOC含量（ppb）：<50 热原(Eu/ml)：<0.25 颗粒（units/ml）：NA 硅化物 (ppb)：<100 细菌（clu/ml）：<100 pH：NA
冲洗玻璃器皿水浴用水	III级水	电阻率(MΩ.cm)：>0.05 TOC含量（ppb）：<200 热原(Eu/ml)：NA 颗粒（units/ml）：NA 硅化物 (ppb)：<1000 细菌（clu/ml）：<1000 pH：5.0-7.5

超纯水器制备超纯水的原理和步骤大体如下

1、原水：可用自来水作原水。

2、自来水预处理：通过砂芯滤板和纤维柱滤除机械杂质，如铁锈和其他悬浮物等。

3、活性炭过滤：活性炭是广谱吸附剂，可吸附气体成分，如水中的余氯等；吸附细菌和某些过渡金属等。氯气能损害反渗透膜，因此应力求除尽。

4、反渗透膜过滤：可滤除95%以上的电解质和大分子化合物，包括胶体微粒和病毒等。由于绝大多数离子的去除，使离子交换柱的使用寿命大大延长。

5、EDI模块在反渗透膜的基础上再将水中的离子去除接近99%，同时也去除部分有机物。有些厂家在水机中没有EDI模块，通常用DI树脂来发挥作用，此树脂需要定期更换，水质有周期性波动。

6、紫外线消解：借助于短波（185nm/254nm）紫外线照射分解水中的不易被活性炭吸附的小有机化合物，如甲醇、乙醇等，使其转变成CO2和水，以降低TOC的指标。

7、离子交换单元：已知混合离子交换床是除去水中离子的决定性手段。借助于多级混床获得超纯水也并不困难。但水的TOC指标主要来自树脂床。因此，高质量的离子交换树脂就成为成败的关键。所谓高质量的树脂，就是化学稳定性特别好，不分解，不含低聚物、单体和添加剂等的树脂。所谓“核子级树脂”大概就属于这一类树脂。对树脂的要求是质量越高越好。为保证高质量，这一类的树脂也都是一次性的。

8、终端过滤器主要是适用于各种不同的应用。 a. 0.22μm滤膜过滤，以除去水中的颗粒物到每毫升1个（小于0.22μm的）。b. 终端超滤柱主要用于去除热原、RNA酶等物质，应用于分子生物学等生命科学实验。 c.Millipore公司还开发了针对环境分析的EDS-Pak和 VOC-Pak等终端过滤装置。

经过上述各步骤处理后生产出来的水就是超纯水了。应能满足各种仪器分析，痕量分析等的要求。以上为从自来水到超纯水的全过程，一些超纯水器如Milli-Q Integral就包含了上述的所有纯化单元。当然很多超纯水器（如Milli-Q Advantage）所需要的进水是纯水（反渗透水，蒸馏水等），不能使用自来水做进水，其纯化单元相对就少的多了。（不含反渗透，EDI等纯化单元）

水质监控

水质监控是产水品质的重要保证，目前利用高精度的电导率仪（或电阻率仪）来测定超纯水的离子杂质已经成为了超纯水器的标准配置。这里要注意的是，因为要测定的电导率值非常低（电阻率很大），所以一定要留意电导率仪的精度是不是能达到要求，一般要求电导率仪的电池常数 0.01 cm-1（参加GB6682-92相关要求）。

另外，电导率仪的安装也是非常重要的，下图为一般超纯水厂家外购的电导率仪的安装方式，这种电导率仪的常见问题是，电极常数较高( 0.3 cm-1)，检测精度不够；电极常数易产生变动；经常以 “T“方式安装（这种结构无法反应真实值）；没有被保护的温度感测器容易破损等等。

下图为市场上的领导者Millipore公司自己设计安装的电阻率仪，其主要优点为：同轴电极设计确保产品品质稳定及准确的电极常数；使用高质量的 316 L 不锈钢材料，低电极常数(0.01 cm-1) 确保准确性；无死角，反应灵敏，没有迟滞现象；感温器受到保护，温度敏感度 0.1 ℃；并且可执行自动电子测试等。

除了TOC指标

和用电阻率来表征水中离子杂质总量一样，水中的有机物杂质总量我们也用一个值来表征——TOC。

通常实验室用的纯水都是用自来水经纯化制得的。自来水中就含有大量的可氧化碳 Oxidizable Carbon。水中含有上百种有机物，这些有机物分子的含碳数量不一，浓度也不同，TOC的监测就是用一个量来表征所有这些有机物杂质的总量。这里以甲醇为例说明TOC的计算方法：

甲醇 (CH3OH)分子量： (3 x 1) + (12) + (16) + (1) = 32

那么纯水当中50 ppb的甲醇是多少TOC呢？

甲醇分子有一个碳原子，占 12 / 32 = 0.375

所以，50 ppb甲醇就等于 50 x 0.375 = 18.75 ppb TOC

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第2楼2012/02/28

TOC的检测一般分为两步，一步是把所有的碳氧化成二氧化碳，第二步是测定生成的二氧化碳的量来倒推出TOC值。对于超纯水的TOC测量，由于一般含量不会很高，一般采用紫外灯(185nm/254nm)氧化法，用电导率的变化来测量生成的二氧化碳的量。见下图：

目前有极少数有实力的厂家为超纯水机配备了在线的TOC仪表。因为TOC对于很多精密仪器分析和实验，比如HPLC，LC-Mass，细胞培养等都或多或少的有影响，也愈来愈受到客户的重视，逐渐成为超纯水器的标准配置。

细菌指标与颗粒物指标等

细菌和颗粒物只有较为繁琐的实验室测量方法，耗费时间很长。通常为了保证最终出水的细菌和颗粒物指标，我们都采用上面提到的0.22μm滤膜作为终端过滤器来保证水质。其他一些指标目前都还没有很好的在线监测方法，而且只有少数实验比较敏感，所受关注较少。

操作舒适性

传统超纯水器取水端口设在机器上，因而只能把机器放在实验台上，既占用大量的宝贵的实验台桌面，也没有办法实现远程取水；不仅不方便，而且在取水的过程中容易造成超纯水的二次污染。Millipore公司从2006年的Milli-Q Advantage 开始逐渐推出了分体式设计的超纯水器，即有单独的取水装置Q-Pod，Q-Pod通过软管与主机相连，可以根据需要安放到方便的取水地点,如水槽边，超净台上，工作台上等等，真正实现了我的用水我做主。

Q-Pod取水手柄还可以自由调节高度和角度，甚至可以从支架上取下，可以轻松适合绝大多数实验室容器的规格，从2L量筒，到10ml试剂瓶，高矮胖瘦，从容应对。

同时取水器上设有调节控制钮，能够方便的定量取水，同时流速也可调节，从逐滴到2L/min。

在Q-Pod取水器上还设有彩色液晶显示屏，全方位显示耗材使用状况及出水水质，让人们放心使用。

随着Millipore推出了分体式设计的超纯水器，也有其他几个品牌的超纯水器也开始重视取水的环节，对于取水环节也逐渐有一些新的外形设计。从目前的趋势看，分体式设计也会慢慢成为一种标准设计。

智能化与集成化

集成化的设计一般指从自来水到超纯水的集成设计，这样即能满足了仪器小型化的需求，也对整体纯化链有一个整体的控制；避免出现以纯水为进水的超纯水器通常出现的，因为纯水水质得不到保障而影响超纯水水质的诸多问题。另外，集成化设计要求可以满足一机多用，比如应用不同的终端过滤器就可以满足不同的实验应用。

人机界面的友好也一直是仪器设备发展的方向之一，很多人都曾经为搞不明白显示屏上的字符而苦恼过。木器市场上最多的超纯水器的显示屏仅仅只显示一行信息，比如18.2这一数值。作为市场的领导者，Millipore公司的超大液晶显示屏，多国语言菜单含中文菜单，能显示水质纯化各步骤的水质信息，更有耗材更换预警与耗材过水量等用户非常关心的信息显示无疑为各家超纯水器厂家做了一个很好的示范。

在过去的很多年里，纯水的选择仅局限于去离子水和蒸馏水。但是现在，随着科技的不断发展，多种纯化技术和纯水器品牌也应运而生。到目前为止，在中国市场占有量最大的是来自美国的Millipore，在中高端市场（科研单位、高校、研究所、分析行业等）的装机量占市场份额的60-70%。其次，中国国内也有很多本土的品牌，所以在选择纯水器之前我们要针对自己的实验需要和经费预算等各种因素来综合考虑，也要考虑设备的稳定性，售后服务，以及自己的特殊要求（比如是否需要做3Q认证等）做出最适合自己的选择。