Статьи
 |
 |  |
 |  |  |  |  |  |
Ультрачистая вода для ВЭЖХ
| 
| 
Почему она необходима и как она производится?
Др. Пол Уайтхед
Присутствие следов органических соединений в очищенной воде затрагивает многие лаборатории, по мере потребности добиться более низких пределов в определении следовых количеств примесей. Анализ следовых количеств с помощью Высокоэффективной Жидкостной Хроматографии (ВЭЖХ), использующий предварительное концентрирование и/или градиентное элюирование является наиболее перспективным и требует применения в лаборатории ультрачистой воды. В этом случае содержание в воде органических примесей намного более критично, чем содержание неорганики. В этой статье показана важность чистоты воды в ВЭЖХ, приведено краткое изложение происхождения органических примесей в воде, а также технологий, используемых для удаления примесей, и описана их эффективность.
Фактически все анализы примесей с помощью ВЭЖХ требуют использования значительного количества очищенной воды для:
• Элюента
• Нулевых значений
• Реагентной воды для стандартов
• Пробоподготовки
• Предварительной обработки пробы
• Промывочной воды для твердо-фазной экстракции
При подобном или ином применении чистота воды может стать критическим фактором, влияющим на чувствительность, сходимость и робастность полученных результатов.
Очевидно, что наиболее явные примеси тех органических соединений, которые непосредственно влияют на пики хроматограммы. Их следует минимизировать или исключить. Однако, кроме того существуют примеси, которые могут косвенным путём повлиять на результаты анализа, например, вступив в реакцию с реактивом или аналитом во время пробоподготовки образца, загрязнив колонки или детекторы или повлияв на срок годности стандартов. Такое влияние может быть не менее серьёзным, чем непосредственное влияние на хроматограмму. Следовательно, главная цель – не только уменьшить концентрацию специфических примесей, но и по возможности снизить суммарные уровни загрязнения.
Общий органический углерод (Total Organic Carbon или TOC) используется как удобный способ выявления содержания органических веществ в очищенной воде в течение всего анализа. Он измеряется окислением органических загрязнителей до углекислого газа одним из нескольких методов, чаще всего коротковолновым УФ-излучением или нагреванием, с последующим измерением количества результирующего углекислого газа способом поглощения инфракрасного излучения или по влиянию на проводимость воды, в которой он растворен.
ПРОИСХОЖДЕНИЕ ОРГАНИКИ В ВОДЕ
Ультрачистая вода обычно производится методом многоэтапной обработки питающей водопроводной воды. Органические соединения в питающей воде могут быть естественного и искусственного происхождения. Естественные загрязнители образуются при разложении растений и являются сложной смесью гульминовых и фульвиновых кислот и танинов. Кроме того, в воде присутствуют бактерии и их продукты жизнедеятельности. Искусственные соединения включают отходы производства (моющие средства и масла), сельского хозяйства (удобрения, гербициды и пестициды) и широкий спектр загрязняющих веществ из бытовых отходов.
Концентрации примесей изменяются в зависимости от географического местоположения, времени года и количества осадков. При получении питьевой воды, из неё удаляется множество загрязняющих веществ, однако некоторые загрязнители (такие как пластификатор из систем трубопровода, битумный слой из баков), напротив, привносятся. Другие соединения могут образовываться в процессе очистки воды, в результате действия хлора или озона. В их число входят соединения галогенов с малым молекулярным весом (например хлороформ), которые тяжело удалить из воды. Органика в питающей воде может присутствовать в виде коллоидных систем или крупных частиц. По своей природе они могут быть гидрофильными (например, спирты), или гидрофобными (ароматические углеводы). Молекулярная масса может колебаться в пределах от 100 до 4000 и более дальтон. Уровни общего органического углерода в питьевой воде могут колебаться от 0.1 до 4 ppm.
Фактически все анализы примесей с помощью ВЭЖХ требуют использования значительного количества очищенной воды для:
• Элюента
• Нулевых значений
• Реагентной воды для стандартов
• Пробоподготовки
• Предварительной обработки пробы
• Промывочной воды для твердо-фазной экстракции
При подобном или ином применении чистота воды может стать критическим фактором, влияющим на чувствительность, сходимость и робастность полученных результатов.
Очевидно, что наиболее явные примеси тех органических соединений, которые непосредственно влияют на пики хроматограммы. Их следует минимизировать или исключить. Однако, кроме того существуют примеси, которые могут косвенным путём повлиять на результаты анализа, например, вступив в реакцию с реактивом или аналитом во время пробоподготовки образца, загрязнив колонки или детекторы или повлияв на срок годности стандартов. Такое влияние может быть не менее серьёзным, чем непосредственное влияние на хроматограмму. Следовательно, главная цель – не только уменьшить концентрацию специфических примесей, но и по возможности снизить суммарные уровни загрязнения.
Общий органический углерод (Total Organic Carbon или TOC) используется как удобный способ выявления содержания органических веществ в очищенной воде в течение всего анализа. Он измеряется окислением органических загрязнителей до углекислого газа одним из нескольких методов, чаще всего коротковолновым УФ-излучением или нагреванием, с последующим измерением количества результирующего углекислого газа способом поглощения инфракрасного излучения или по влиянию на проводимость воды, в которой он растворен.
ПРОИСХОЖДЕНИЕ ОРГАНИКИ В ВОДЕ
Ультрачистая вода обычно производится методом многоэтапной обработки питающей водопроводной воды. Органические соединения в питающей воде могут быть естественного и искусственного происхождения. Естественные загрязнители образуются при разложении растений и являются сложной смесью гульминовых и фульвиновых кислот и танинов. Кроме того, в воде присутствуют бактерии и их продукты жизнедеятельности. Искусственные соединения включают отходы производства (моющие средства и масла), сельского хозяйства (удобрения, гербициды и пестициды) и широкий спектр загрязняющих веществ из бытовых отходов.
Концентрации примесей изменяются в зависимости от географического местоположения, времени года и количества осадков. При получении питьевой воды, из неё удаляется множество загрязняющих веществ, однако некоторые загрязнители (такие как пластификатор из систем трубопровода, битумный слой из баков), напротив, привносятся. Другие соединения могут образовываться в процессе очистки воды, в результате действия хлора или озона. В их число входят соединения галогенов с малым молекулярным весом (например хлороформ), которые тяжело удалить из воды. Органика в питающей воде может присутствовать в виде коллоидных систем или крупных частиц. По своей природе они могут быть гидрофильными (например, спирты), или гидрофобными (ароматические углеводы). Молекулярная масса может колебаться в пределах от 100 до 4000 и более дальтон. Уровни общего органического углерода в питьевой воде могут колебаться от 0.1 до 4 ppm.
Рис. 1 Обратный осмос (RO) – деионизация под давлением
СНИЖЕНИЕ УРОВНЕЙ TOC
Основной метод устранения большинства органических соединений из питающей воды – это обратный осмос (RO). Вода закачивается в герметичный цилиндрический сосуд, содержащий спираль полупроницаемой мембраны. Мембрана отталкивает около 95% ионов и органики с молекулярной массой более 100 дальтон. Она также служит преградой для бактерий и частиц. Однако обратный осмос менее эффективен при удалении органики с малыми молекулярными массами, такой как спирты и галоидные производные метана. Очищенная вода проходит через обратноосмотическую мембрану в виде пермеата. Загрязнители остаются в воде (концентрат), которая постоянно смывается в слив. Характеристики очистки обратным осмосом изображены на рис. 1, а конструкция модуля показана на Рис. 2.
Основной метод устранения большинства органических соединений из питающей воды – это обратный осмос (RO). Вода закачивается в герметичный цилиндрический сосуд, содержащий спираль полупроницаемой мембраны. Мембрана отталкивает около 95% ионов и органики с молекулярной массой более 100 дальтон. Она также служит преградой для бактерий и частиц. Однако обратный осмос менее эффективен при удалении органики с малыми молекулярными массами, такой как спирты и галоидные производные метана. Очищенная вода проходит через обратноосмотическую мембрану в виде пермеата. Загрязнители остаются в воде (концентрат), которая постоянно смывается в слив. Характеристики очистки обратным осмосом изображены на рис. 1, а конструкция модуля показана на Рис. 2.
Рис. 2 Спирально намотанная мембрана RO
Для удаления следовых количеств органики из воды используются дополнитель-ные технологии. Ионообменные смолы удерживают ионизированные или сильно полярные органические соединения, такие как кислоты и соли. Смешанный слой катионной и анионной смол эффективен, однако эффективность удаления можно повысить добавлением смол, которые удаляют оставшиеся малые количества органики. Гранулированный или брикетированный активированный уголь адсорбирует оставшиеся следовые количества органических соединений в воде. Его эффективность зависит от размера пор угля и природы органики. Размер пор угля оптимизируют для увеличения адсорбции соединений с малой молекулярной массой. Таким образом, активированный уголь дополняет действие обратного осмоса. Эффективность активированного угля ограничивается тем фактом, что силы Ван дер Ваальса, удерживающие органику внутри микропор в гранулах, являются слабыми. Активированным углем невозможно полностью очистить воду от следовых количеств органических соединений из воды. Дополнительно органика может быть смещена насыщением адсорбента, либо присутствием более поглощаемых веществ. Недостатком всех сред является и то, что они также могут быть причиной вторичного загрязнения очищенной воды органическим фильтратом. Поэтому выбор и предварительная очистка смол и других сред нуждаются в особом внимании.
Для удаления следовых количеств органических примесей, их окисляют до такой формы, которая удаляется более эффективно. В крупных производственных водоочистных сооружениях используется окисление озоном, УФ излучением или их сочетанием, например, для обеспечения промывки пластины для изготовления ИС водой для электронной промышленности. Из этих методов УФ излучение является наиболее общим, а также наиболее пригодным для приспособления к лабораторным масштабам.
Рис. 3 Вакуумная газоразрядная лампа
Для окисления органики ультрафиолетом в лабораториях используют специальные вакуумные газоразрядные лампы. Относительная интенсивность излучаемых спектральных линий этим типом ламп показана на Рис. 3. Около 90% излучения с длиной волны 254 нм является бактерицидным, а его небольшая часть (приблизительно 2%) излучается с длиной волны 185 нм. Обычно это излучение поглощается кварцевым стеклом лампы, однако, специальные лампы с кварцевым покрытием высокой проницаемости позволяют использовать данное излучение.
Ультрафиолетовое излучение с длиной волны 185 нм в 2 случаях достаточно сильно реагирует с органическими соединениями:
• Непосредственное расщепление органических соединений
• Косвенное расщепление, посредством образования гидроксильных радикалов.
Рис. 4 Процентное соотношение TOC, удаленного с помощью УФ-излучения с последующей деионизацией
Как показано в Таблице 1, излучение длиной волны 185 нм способно разрушить большинство связей органических соединений, таким образом, большие молекулы распадаются на более мелкие части. Однако, главный механизм очистки - это реакция излучения с растворенным кислородом в воде, в результате чего образовываются ОН радикалы. Они являются сильно окисленными и, реагируя с присутствующей органикой, образовывают органические кислоты (в основном с малой молекулярной массой), такие как уксусная кислота. В дальнейшем, при длительном воздействии на эти кислоты УФ излучением, происходит окисление до диоксида углерода. Кислоты и диоксид углерода полностью удаляются из воды анионом или смешанными ионообменными смолами. На Рис. 4 показаны примеры эффективного УФ излучения, понижающего уровень TOC. В зависимости от потока и интенсивности лампы, TOC уменьшается на 60% - 90%. Кроме удаления присутствующей органики в питающей воде, системы очистки также должны минимизировать вымывание примесей из внутренней системы компонентов. Это достаточно сложно из-за общих требований по минимизации любого эффекта по очистке неорганики в получаемой воде, применяемых к пластиковым частям. Требуется тщательный выбор и тестирование материалов. Рассматривается спектр чистых полимеров полиэтилена, полипропилена и фторуглерода.
Рис. 5 Содержание органики в различных типах воды
Следует избегать пластика, такого как нейлон, который образует с водой устойчивый пластификатор (например, сульфамид бензола). Содержание TOC в различных типах воды, изображено на Рис. 5.
ОБОРУДОВАНИЕ
Несмотря на то, что можно объединить все эти технологии в один прибор, на практике, кроме применения для очень маленьких объемов, большая гибкость и эффективность обеспечиваются, если разделить технологии на 2 или более стадий. Первый шаг обработки предочистки и обратного осмоса выполняется в центральных водоочистных системах с частично очищенной водой, циркулирующей по кольцевому трубо-проводу или локально. Обратный осмос производит очищенную воду достаточно медленно, и она собирается в бак перед использованием или дальнейшей очисткой. Также это возможно на стадии выполнения дальнейшей деионизации с помощью ионообменных смол или с помощью электродеионизации. Однако следует заметить, что основываясь только на деионизации, используя смолы или дестилляцию по удалению большинства примесей, невозможно обеспечить достижение сверхнизких уровней органических примесей. Было бы весьма желательно включить обратный осмос в цепь очистки. Финишная очистка объединяет ряд различных обработок для обеспечения деионизации, адсорбции, УФ-фотоокисления и микрофильтрации. Ультрафильтрация также может быть включена в удаление биологически активных материалов, таких как РНКаза, ДНКаза или эндотоксины. Финишная очистка также включает рециркуляцию, а система контроля выполняет проверку. В качестве прибора измерения общего органического углерода используется встроенный блок или внешняя независимая единица. Типичная лабораторная система изображена на Рис. 6
.
Рис. 6 Типовые технологии очистки воды в лабораторной системе
Рисунок 7 Сравнение хроматограмм воды, полученной системами высокой очистки и системой обратного осмоса
На Рис. 7 приведена ВЭЖХ хроматограмма 60 мл воды, полученной с помощью системы высокой очистки в сравнении с 10 мл воды, полученной с помощью обратного осмоса, причем анализ проводился при одинаковых условиях. Очевидно, что хроматограмма обратноосмотического пермеата, который содержит ~60 ppb TOC имеет значительно больше пиков, чем ультрачистая вода (TOC<2 ppb). Следует помнить, что пермеат RO уже значительно чище, чем питающая вода (TOC ~1200 ppb).
Рис. 8 Образец объемом 50 мл пропущенный через колонку С18 и элюированный
Как показано выше, лучшая очищенная вода может быть получена непосредственно с помощью системы очистки. На рис. 8 показаны 3 хроматограммы, полученные с УФ-детектором на длине волны 254 нм. Верхняя хроматограмма соответствует образцу воды с максимальными пиками в 1.2 mAU, нижняя хроматограмма соответствует воде, полученной с помощью блока высокой очистки. На нижней хроматограмме нет пиков высотой не более 0.1 mAU. Средняя хроматограмма показывает высокоочищенную воду смешанную с фталатными эфирами в концентрации 0.4 мкг/л (ppb).
Ультрачистая вода с концентрацией органических соединений менее 1 ppm, необходима для анализа следовых количеств методом ВЭЖХ и может постоянно производиться системой высокой очистки воды, которая сочетает в себе определённую последовательность технологий дополнительной очистки воды. Данные технологии устраняют весь спектр органических соединений из питающей воды. Технологии очистки следует объединять в системы, которые минимизируют контаминацию, а также эффективно и постоянно поддерживают качество воды.