Jakość wody jako czynnik decydujący o sukcesie w analityce Od wody do wody ultraczystej – cztery kluczowe pytania

Woda jest substancją reaktywną, łatwo wchłania substancje obce i szybko traci swoją jakość. Jednak w laboratorium nawet najmniejsze zanieczyszczenia mogą zakłócać pracę i zafałszowywać wyniki pomiarów. Dlatego w zależności od zastosowania konieczna jest woda o normowanej czystości. Formuła FACT pomaga dobrać odpowiednią instalację uzdatniającą.

Woda jest jednym z najczęściej stosowanych surowców, czy to jako rozpuszczalnik, środek czyszczący, czy też materiał wyjściowy w procesach przetwórczych. Woda naturalna nie jest jednak sama w sobie „czysta”: Oprócz rozpuszczonych soli, związków organicznych pochodzących z procesów rozkładu biologicznego, cząstek koloidalnych i mikroorganizmów zawiera ona również składniki nieorganiczne, jony powodujące twardość, takie jak wapń i magnez, a także kationy i aniony, takie jak sód, chlorek, siarczan, azotan czy krzemian.

W sytuacjach, w których liczy się najwyższa czystość, stosuje się zatem wodę czystą i ultraczystą, czyli wodę, z której usunięto niemal wszystkie potencjalnie szkodliwe zanieczyszczenia. To, jak wysokie są te wymagania w szczegółach, zależy od konkretnego zastosowania.

W procesach czyszczenia często wystarczy usunąć substancje powodujące twardość wody, aby zapobiec osadzaniu się kamienia. Natomiast w przypadku procedur analitycznych praktycznie wszystkie składniki zakłócające, zarówno organiczne, jak i nieorganiczne, muszą zostać zredukowane do minimum. Na przykład do produkcji mikrochipów woda musi być wolna od związków nieorganicznych, takich jak sole sodu, potasu, wapnia i magnezu, a także od węglowodorów. Już najmniejsze ilości tych jonów zmieniają właściwości elektryczne struktur półprzewodnikowych i mogą prowadzić do nieprawidłowego działania chipów. Z kolei węglowodory pozostawiają na powierzchni płytki półprzewodnikowej pozostałości organiczne, które zakłócają kolejne etapy produkcji, takie jak fotolitografia.

Woda przeznaczona do zastosowań medycznych lub farmaceutycznych nie może przede wszystkim zawierać mikroorganizmów ani ich produktów rozkładu i metabolizmu, czyli pirogenów. Pirogeny to substancje wywołujące gorączkę, przede wszystkim endotoksyny pochodzące ze ścian komórkowych martwych bakterii Gram-ujemnych. Jeśli dostaną się one do krwiobiegu, na przykład poprzez roztwory do infuzji lub wodę do dializy, mogą wywołać poważne reakcje gorączkowe, a nawet wstrząs septyczny. Ponieważ pirogeny są odporne nawet na sterylizację, nie wystarczy jedynie usunąć same mikroorganizmy – woda musi być od samego początku uzdatniona tak, aby była wolna od pirogenów. W biologii komórkowej lub molekularnej woda musi być ponadto wolna od nukleaz, takich jak RNazy i DNazy, aby nie uszkodzić próbek genetycznych.

Woda czysta i ultraczysta w laboratorium

W laboratorium woda czysta i ultraczysta jest wykorzystywana jako rozpuszczalnik, jako baza do roztworów buforowych i pożywek, jako płyn do płukania naczyń szklanych oraz jako woda zasilająca do autoklawów i sterylizatorów parowych. Wyzwaniem jest tutaj fakt, że woda jest niezwykle reaktywna chemicznie i łatwo wchłania substancje obce z otoczenia, na przykład z powietrza lub ze zbiorników magazynowych.

W codziennej pracy laboratoryjnej oznacza to, że: kto nie zna jakości swojej wody, nie zna ani granic swoich wyników pomiarowych, ani wiarygodności swoich procesów. Tylko stała jakość pozwala na uzyskanie powtarzalnych wyników: dlatego wytwarzanie wody ultraczystej należy do standardowych zadań laboratorium.

Przegląd poziomów jakości

To, jak czysta jest woda, można określić przede wszystkim na podstawie przewodności lub oporu właściwego. Dodatkowo w ocenie uwzględnia się inne parametry, takie jak zawartość składników nieorganicznych i organicznych, stężenie cząstek stałych czy liczba obecnych mikroorganizmów. Kluczowym parametrem jest wartość TOC (Total Organic Carbon), która informuje o ilości węgla związanego organicznie w próbce. Międzynarodowe normy, takie jak ASTM, ISO i CLSI, a także obowiązujące w krajach niemieckojęzycznych normy DIN ISO 3696 i VDI 2083, określają stałe parametry dla wody uzdatnionej. Ogólnie można wyróżnić następujące poziomy czystości:

Woda demineralizowana lub całkowicie odsolona (woda VE): uzyskiwana za pomocą wymienników jonowych, o przewodności poniżej 20 μS/cm, wartości TOC poniżej 200 ppb oraz liczbie drobnoustrojów poniżej 1 000 KBE/mL. Wymienniki jonowe, tzw. złoża mieszane, w znacznym stopniu usuwają sole z wody pitnej.

Woda czysta (typ III według normy ASTM): zazwyczaj wytwarzana metodą odwróconej osmozy, o przewodności poniżej 10 μS/cm, zawartości TOC poniżej 200 ppb oraz liczbie drobnoustrojów poniżej 100 KBE/mL. W procesie odwróconej osmozy woda pod wysokim ciśnieniem od 6 do 14 barów jest wtłaczana na półprzepuszczalną membranę; jony, cząstki stałe i mikroorganizmy są zatrzymywane, podczas gdy woda oczyszczona przechodzi przez membranę jako permeat.

„Woda o wysokim stopniu oczyszczenia” (typ II według normy ASTM): uzyskana w procesie podwójnej destylacji lub metodami ciągłymi, takimi jak osmoza odwrotna i elektrodejonizacja. Charakteryzuje się przewodnością <1 μS/cm, wartością TOC < 50 ppb oraz liczbą drobnoustrojów poniżej 10 KBE/mL.

Woda ultraczysta (typ I według normy ASTM): najwyższy stopień czystości, o przewodności 0,055 μS/cm (18,2 MΩ·cm) – najmniejsza fizycznie możliwa wartość, wynikająca z równowagi hydrolitycznej samej wody. Wartości TOC wynoszą tutaj poniżej 10 ppb, a liczba drobnoustrojów poniżej 5 KBE/mL.

Tabela 1: Przegląd poszczególnych stopni czystości wody

Wytwarzanie wody ultraczystej

Woda ultraczysta powstaje w wyniku połączenia kilku procesów. Wymieniacze jonowe usuwają rozpuszczone sole, a osmoza odwrotna redukuje stężenie jonów, związków organicznych i mikroorganizmów. Elektrodejonizacja (EDI) łączy żywice jonowymienne z polem prądu stałego: Pole to przyciąga jony pozostałe w wodzie przez żywicę do membran, które je uporządkowanie odprowadzają. Jednocześnie pole elektryczne samoczynnie i w sposób ciągły regeneruje żywicę jonowymienną; w odróżnieniu od klasycznego wymiennika jonowego nie jest więc konieczny etap regeneracji chemicznej z użyciem kwasu lub ługu. Ultrafiltracja dodatkowo usuwa większe cząsteczki i składniki komórkowe, a promieniowanie UV inaktywuje mikroorganizmy i obniża zawartość TOC. To, która kombinacja jest najkorzystniejsza, zależy w dużej mierze od jakości dostępnej wody zasilającej: jeśli na przykład zamiast wody pitnej wykorzystuje się wodę już zmiękczoną, można pominąć jeden etap uzdatniania.

Również elementy systemu uzdatniania mające kontakt z wodą wpływają na wynik. Tworzywa sztuczne, takie jak PTFE (politetrafluoroetylen) i PEEK (polietereteroketon), zyskały w tym zakresie uznanie, ponieważ charakteryzują się wyjątkową odpornością chemiczną, są praktycznie niezwilżalne i stabilne mechanicznie. Badania wykazują, że dzięki celowemu zastosowaniu takich materiałów można znacznie obniżyć wartości TOC – jest to szczegół, który może mieć znaczenie w przypadku bardzo czułych analiz.

Gdy woda utrudnia analizę

Skutki niewystarczającej jakości wody często ujawniają się dopiero w wynikach pomiarów w postaci trudnych do wyjaśnienia artefaktów. W chromatografii (HPLC, GC, IC) śladowe ilości substancji organicznych mogą osadzać się na fazie stacjonarnej, powodując tzw. piki-duchy lub niestabilną linię bazową. Niektóre substancje organiczne sprzyjają rozwojowi bakterii na medium rozdzielającym, skracając w ten sposób jego żywotność, podczas gdy naładowane cząsteczki organiczne, działając jako czynniki kompleksotwórcze, mogą zafałszować wyniki chromatografii jonowej.

Szczególnie w analizie śladowej, na przykład w medycynie, biochemii, farmakologii, analizie środowiskowej czy kryminalistyce, wartości pomiarowe często mieszczą się w zakresie nanogramów i poniżej. W takich przypadkach nawet niewielkie zanieczyszczenie rozpuszczalnika, jakim jest woda, wystarczy, by zagrozić powtarzalności całej serii pomiarów. Szczególnie trudnym problemem są w tym kontekście substancje per- i polifluorowane alkilowe (PFAS): Te niezwykle stabilne chemicznie „substancje wieczne” często znajdują się już w plastikowych elementach samych urządzeń laboratoryjnych i instalacji uzdatniających, przez co mogą niezauważalnie przedostać się do rzekomo czystej wody – co ma poważne konsekwencje dla analiz PFAS metodą LC-MS. Specjalne wkłady polerujące w punkcie poboru (Point of Use), zaprojektowane specjalnie do zatrzymywania PFAS, stanowią tutaj rozwiązanie i umożliwiają uzyskanie wiarygodnych wyników.

Cztery pytania dotyczące idealnego systemu wody ultraczystej

Każdy, kto zamierza zainwestować w system uzdatniania wody lub system wody ultraczystej, powinien najpierw odpowiedzieć sobie przede wszystkim na cztery pytania. Dostawcy tacy jak Membrapure podsumowują je w tak zwanej formule FACT: jakość wody zasilającej (Feed Water Quality), zastosowanie (Application), zużycie (Consumption) oraz monitorowanie TOC (TOC-Monitoring).

1. Jaka jest jakość wody zasilającej? Analiza wody pozwala ustalić jakość wody zasilającej i wskazuje, jakie etapy uzdatniania są w ogóle konieczne.
2. Do czego potrzebna jest woda ultraczysta? Zastosowanie, czyli konkretny cel wykorzystania, ma decydujące znaczenie dla wymaganej jakości. To, czy woda jest potrzebna do chromatografii, hodowli komórek, czy też jako woda zasilająca do autoklawu, określa, jaki stopień czystości i jakie technologie uzdatniania są wymagane.
3. Jakie jest dzienne zużycie wody ultraczystej? Zużycie, wraz z ewentualnymi szczytami poboru, determinuje dobór parametrów instalacji. Niektóre branże mają zapotrzebowanie na wodę ultraczystą rzędu kilku litrów na godzinę, inne zużywają kilka tysięcy litrów dziennie.
4. Czy konieczne jest ciągłe monitorowanie? W niektórych przypadkach stałe monitorowanie TOC może być istotne, na przykład ze względu na przeprowadzanie szczególnie wrażliwych analiz. W wielu zastosowaniach wystarczająca jest jednak kontrola doraźna.

Czynniki te mają wpływ nie tylko na koszty eksploatacji, ale także na to, jak niezawodnie instalacja zapewnia powtarzalne wyniki przez lata. Dostawcy tacy jak Membrapure łączą wysoką jakość wody z niskimi kosztami. Instalacje tego typu można dostosować do indywidualnych potrzeb – zarówno pod względem jakości wody i wydajności, jak i zajmowanej przestrzeni oraz sposobu montażu, czy to na ścianie, czy na stole laboratoryjnym.

Podsumowanie

Jakość wody jest jednym z podstawowych warunków uzyskania wiarygodnych wyników laboratoryjnych. Ma ona bezpośredni wpływ na bezpieczeństwo procesów i wyniki pomiarów. Wymagany stopień czystości zależy od konkretnego zastosowania. Zakres rozwiązań rozciąga się od prostego zapobiegania osadzaniu się kamienia w procesach czyszczenia, takich jak płukanie szkła laboratoryjnego, aż po odwróconą osmozę i naświetlanie promieniowaniem UV. Kto szuka odpowiedniego systemu uzdatniania wody, powinien zatem zwrócić uwagę nie tylko na jakość wody, ale także uwzględnić zużycie, intensywność użytkowania oraz właściwości wody wejściowej.