實驗室凈水系統差異、類型、用途比較

實驗室凈水系統差異、類型、用途比較

水凈化系統從給水（自來水或預處理水）中去除各種污染物，以生產適合實驗室內各種應用的純水。

常見的實驗室自來水污染物

自來水中常見的污染物包括酶（核酸酶和蛋白酶）、氣體、有機物、微生物（細菌、病毒）、膠體和無機離子。水純度系統旨在過濾某些應用中特有的特定類別的污染物；系統之間的其他主要區別包括水箱容量、生產率、產水等級、可擴展性、維護水平和遠程分配。

什么是實驗室級水？

由于實驗室級水用于廣泛的過程，因此去除污染源的給水對于確保準確的結果至關重要。

實驗室水中最常見的污染物是什么？

常見的水性污染物的主要類別是微生物、酶、無機帶電離子、膠體、氣體和有機物。

水污染源 - 細胞培養、PCR 反應和實驗室研究

細菌和病毒等微生物會影響細胞培養研究、PCR 反應和環境研究的結果。酶，如核酸酶和蛋白酶，將分解核酸和蛋白質靶標，顛覆微陣列、DNA 測序和高通量篩選 (HTS) 實驗的結果。

帶電無機離子，如鎂、鈣和鈉，在化學反應中充當催化劑，影響免疫測定，如 ELISA。膠體、沉淀物和懸浮有機物會損壞分析儀器，例如高效液相色譜 (HPLC) 泵和注射器、氣相色譜 (GC) 系統和質譜儀。

溶解的氣體，如二氧化碳、氮氣、氧氣和氨氣，通過在電離過程中形成酸和堿來改變水的 pH 值。氣體通常在水中形成氣泡，使液體粒子計數或分光光度測量的結果出現偏差。

給水中發現的常見有機物，包括清潔劑、油和溶劑，會通過增加背景噪音和促進微生物生長來干擾實驗。

凈水系統如何去除實驗室水中的污染物？

實驗室中的水純度系統利用多種不同的技術去除給水中的污染物；每種技術都有不同的優點和局限性。對于需要超純水的關鍵應用，實驗室可以開發結合多種過濾或吸附技術的多級凈化系統。

實驗室水凈化方法

蒸餾是最簡單的水凈化形式，它涉及在連接到冷卻盤管的燒瓶中煮沸水。冷卻盤管將水蒸氣冷凝回液體形式，水被洗脫到單獨的燒杯或儲罐中。蒸餾可去除多種污染物，但該過程既費時又費力。此外，沸點超過 100°C 的某些污染物（例如有機物）將與水一起沸騰并冷凝到最終洗脫液中。

離子交換是一種重量分析過程，水從充滿離子交換珠基樹脂的垂直柱中滲出。圓形、半多孔珠與進水交換離子，例如氫離子交換陽離子，例如鈉離子。這種低成本、低容量的凈化方法可有效去除給水中的無機帶電離子，但不能去除有機物或微生物。離子交換通常用作進一步水過濾之前的預處理步驟。

活性炭是一種過濾工藝，旨在從給水中去除有機分子。當水通過碳過濾器時，有機分子通過范德華力與孔壁結合。木炭過濾器的使用壽命比其他過濾介質長，但碳過濾器不能去除水中的無機離子、微粒或膠體。

超濾是一種涉及水通過半透膜的凈化技術。懸浮和高分子量固體被膜過濾器截留，而低分子量溶質通過膜進入滲透液。超濾可有效去除進水中的大部分微生物和顆粒，但有機分子和無機離子不會被濾除。

反滲透是一種凈化技術，它利用施加的力來克服由溶劑中的化學勢差引起的滲透壓。在反滲透 (RO) 過程中，溶劑通過半透膜，而溶質則保留在受壓側。盡管反滲透可以去除所有類型的污染物，但流速仍然很低；導致大多數實驗室在夜間運行 RO 系統，以確保每個工作日都有足夠的水。

紫外線 (UV) 殺菌輻射采用短波紫外線來滅活微生物。除了破壞多種微生物外，UV 光（發射波長為 254 nm）還會氧化有機化合物以產生 TOC 水平低于 5 ppb（十億分之幾）的水。然而，紫外線不能去除水中的膠體、顆粒或無機離子。

實驗室凈水用途和應用

實驗室純水機通常用于許多應用領域，包括環境科學、藥物研發、臨床診斷、醫學微生物學、生命科學和學術研究。

A - 生產的水等級

A1 - ASTM 1 類水

ASTM 1 類水是最純凈的水等級，通常保留用于關鍵應用，例如 HPLC、GC 和 ICP-MS，或分析技術，例如實時 PCR、DNA 測序和基因篩選。由于 1 類水的生產成本高于低等級水，因此將 1 類水用于非關鍵應用的成本過高。

A2 - ASTM 2 類水

ASTM 2 型水系統用于制造 pH 中性緩沖液、細胞和組織培養基以及常見的散裝試劑。2 型水通常用作生產 1 型水的凈化系統的預處理進料。

A3 - ASTM 3 類水

ASTM 3 類水專門用于非關鍵實驗室工作，如玻璃器皿沖洗和試劑浴、高壓滅菌器、測試室、水套培養箱、植物生長室和消毒系統的進水。3 類水可用作生產 1 類或 2 類水的凈化系統的給水。

A4 - 去離子水系統

離子交換是一種重量分析過程，水從充滿離子交換珠基樹脂的垂直柱中滲出。圓形、半多孔珠與進水交換離子，例如氫離子交換陽離子，例如鈉離子。這種低成本、低容量的凈化方法可有效去除給水中的無機帶電離子，但不能去除有機物或微生物。離子交換通常用作進一步水過濾之前的預處理步驟。

A5 - 反滲透水系統

反滲透是一種凈化技術，它利用施加的力來克服由溶劑中的化學勢差引起的滲透壓。在反滲透 (RO) 過程中，溶劑通過半透膜，而溶質則保留在受壓側。盡管反滲透可以去除所有類型的污染物，但流速仍然很低；導致大多數實驗室在夜間運行 RO 系統，以確保每個工作日都有足夠的水。

B - 凈水系統配置

B1 - 臺式凈水系統

臺式超純水機，專為使用點應用和夜間大宗水生產而設計。盡管臺式系統比壁掛式系統占用更多的工作空間，但與壁掛式系統相比，它們包括更大的水箱和更多可用的附件（如紫外線燈和超濾器）。

B2 - 壁掛式凈水系統

壁掛式凈化系統，包括一個安裝支架和多達 3 個可選的遠程分配器。盡管壁掛式系統包括比臺式裝置更小的水箱，但它們為其他關鍵設備騰出了寶貴的工作空間。

C - 水凈化系統控制器

C1 - 模擬水凈化系統

經濟型水凈化系統，包括模擬控制器，帶有自動運行的進水電磁閥。數字控制器包括附加功能，例如水庫液位指示器、用戶可編程方法、過濾器更換警報、數據導出和符合 GLP 的文檔。

C2 - 數字凈水系統

水凈化系統，包括帶有集成給水監控、符合 GLP 的文檔、數據導出例程、操作模式狀態指示器、用戶可編程協議、水庫液位指示器和濾芯更換警報的數字控制器。

D - 凈水系統電壓

120 伏連接適用于美國的標準實驗室電源插座。與設計為在 120 伏下運行的設備相比，歐洲大陸常見的 240 伏連接需要更少的電流（安培數）和更小的導體。

E - 產水率

結合所產水的等級，流量是每個純水機最關鍵的屬性。要計算總系統容量，流量（以升/小時或加侖/小時列出）必須與水箱容量（以升或加侖列出）配對。

較小的研究實驗室使用體積較小的使用點系統。

高通量實驗室需要每小時超過 90 升的大容量系統，其儲水箱最多可容納 200 升純凈水。高通量實驗室通常在夜間運行他們的純水機，以確保在每個工作日開始時水庫被填滿，防止與實驗室級水短缺相關的停機時間。

F - 特殊功能

F1 - 低總有機碳 (TOC)

TOC是純凈水中有機化合物中碳總量的量度。盡管總有機碳和有機化合物的總濃度之間不存在直接相關性，但 TOC 被用作估計純水中有機污染水平的一般指標。

給水中發現的常見有機物，包括清潔劑、油和溶劑，會通過增加背景噪音和促進微生物生長來干擾實驗。河水中的 TOC 水平通常保持在 7 ppm（百萬分之幾）左右，而海水（700 ppb（十億分之一））和飲用水（100 ppb）中的 TOC 水平要低得多。超純的實驗室級水必須含有少于 10 ppb 的總有機碳才能滿足 ASTM 標準。

F2 - 低內毒素

內毒素是一類存在于大多數革蘭氏陰性菌外膜中的脂多糖 (LPS)。純化水中存在的內毒素會影響缺乏內毒素受體的細胞系的生長和克隆功能。除了對細胞培養研究產生負面影響外，內毒素還可以作為純化水中微生物水平的一般指標。超濾和紫外線 (UV) 照射是降低給水中內毒素水平的有效方法。

F3 - 紫外線燈

紫外線 (UV) 殺菌輻射采用短波紫外線來滅活微生物。除了破壞多種微生物外，UV 光（發射波長為 254 nm）還會氧化有機化合物以產生 TOC 水平低于 5 ppb（十億分之幾）的水。然而，紫外線不能去除水中的膠體、顆粒或無機離子。

F4 - 遠程水箱

對于高通量實驗室，帶有遠程水箱的水凈化系統提供了在夜間運行水凈化系統的選項，以確保水庫在每個工作日開始時就充滿了容量，從而防止與實驗室級水短缺相關的停機時間。