Analýza čisté vody – Jak čistá je vaše čistá voda?

Analýza čisté a vysoce čisté vody je velmi komplexní téma s různými požadavky a limity v příslušných průmyslových odvětvích. V jaderných elektrárnách je mimo jiné neustále sledován obsah boru ve vysoce čisté vodě. Kovové kontaminace v čisté vodě pro polovodičový průmysl je třeba spolehlivě detekovat v nižších ppt rozsazích. Farmaceutická voda je zvlášť zkoumána na mikrobiální kontaminace. Pokud je například v analytice stopových prvků nutné detekovat chlorid v ppt rozsahu, je třeba udržovat běžně se vyskytující chlorid v eluentu na co nejnižší úrovni. Velmi známý parametr specifické vodivosti vysoce čisté vody 18,2 MΩ·cm může být proto pouze prvním vodítkem při posuzování kvality zkoumané vody.

V této stručné přehledu jsou například a široce známé některé analytické metody pro zkoumání vysoce čisté vody. V závislosti na otázce existuje kromě toho řada metod, které jsou cíleně přizpůsobeny konkrétnímu použití. Například v molekulární biologii je třeba zajistit, aby vysoce čistá voda neobsahovala žádné kontaminace DNA nebo RNA fragmenty. Tento parametr je například detekován pomocí PCR analýzy. Následující studie provedené Fraunhofer IPA jsou mimo jiné využívány pro analytiku vysoce čisté vody:
• Mikrobiální kontaminace (bakterie, houby, spory)
• Celkový uhlík (anorganický i organický)
• Vodivost jako souhrnný parametr všech iontových sloučenin
• Ionchromatografie pro kvantitativní stanovení jednotlivých iontů
• Plynová chromatografie pro kvantitativní stanovení organických kontaminantů
K určení celkového uhlíku se v tomto článku nepřistupuje blíže. To bude provedeno v některém z dalších vydání.

Vodivost

Pomocí měřiče vodivosti je měřena specifická vodivost vysoce čisté vody. Jedná se o velmi robustní a nákladově efektivní metodu, která je ve vysoce čistých vodních systémech často standardně používána online. Naměřená specifická celková vodivost je součtem specifických jednotlivých vodivostí všech přítomných iontů (iontové ekvivalentní vodivosti Λ; v [S·cm2·mol−1] nebo [Ω−1·cm2·mol−1]). Na základě příslušných molárních vodivostí iontů lze tedy vypočítat specifickou vodivost solného roztoku. Důležitá je při měření vodivosti teplota, kterou má roztok během měření. U většiny přístrojů je tato teplota zaznamenávána a zohledněna. Výsledek je pak upraven na referenční teplotu, například T = 25 °C. Známé jsou následující jednotky: specifický odpor v Ωcm a specifická vodivost v S·cm−1. Obvykle je naměřená hodnota udávána jako specifický odpor, přičemž platí: 1 S·cm−1 = 1 Ω−1cm−1. V následující tabulce jsou ilustrativně uvedeny nejdůležitější ekvivalentní vodivosti iontů (3).

Chlorid draselný (KCl) má při 25 °C molární iontovou vodivost 74 + 76 = 150 cm2·Ω−1·mol−1. Roztok chloridu draselného o koncentraci 1 mM (odpovídá přibližně 75 mg/l) má tedy při 25 °C vodivost 1,5E−4 cm−1·Ω−1 nebo 150 μS/cm. V praxi je hodnota mírně nižší, například 147 μS/cm, kvůli skutečnosti, že ekvivalentní vodivost iontů je založena na teoretické nekonečné ředění (Kohlrauschův zákon (4) nebo Debye-Hückel-Onsagerova teorie (5)). Limity vodivosti jsou pro různé kvality vysoce čisté vody definovány například v Ph.Eur (1), v normě ISO 3696 (6), v IRTS Roadmap (7) a ASTM D1193-06 (8). Je důležité vzít v úvahu, že i v naprosto čisté vodě má voda díky své vlastnosti jako ampholyta nízkou vlastní vodivost, která je přibližně 18,2 MΩ·cm nebo 0,55 μS/cm při 25 °C.

Ionchromatografie

Pokud analýza vodivosti jako souhrnného parametru všech iontových sloučenin v analyzované vodě nestačí kvůli nedostatku detailů, používá se iontová chromatografie s koncentrací k měření iontů v ppt rozsahu. Při ní je analyzovaná voda pomocí automatického vzorkovače přiváděna na koncentrátorovou kolonku. Všechny iontové sloučeniny (buď kationty nebo anionty, v závislosti na typu použitého koncentrátoru a analytické kolonky) jsou tímto zadržovány na koncentrátorové koloně. Díky tomu je možné analyzovat mnohem větší objem vzorku než u konvenčních vzorkovacích metod, protože díky koncentraci a následnému eluci je i při velkých objemech vzorku možné dosáhnout velmi ostrého vrcholu. V samotné chromatografii jsou ionty v analytické koloně odděleny podle jejich mobility v čase a následně jsou obvykle analyzovány pomocí velmi citlivého detektoru vodivosti. Pro speciální otázky existují další, částečně selektivní detekční technologie, například UV/VIS detekce, amperometrická detekce nebo spojovací techniky například s hmotnostním spektrometrem (9). O technických detailech přístrojového vybavení, například o použití chemické suppressie při analýze aniontů, se zde dále nezmiňuje. Na základě kalibrace a iontové specifické retenční doby (doba zadržení v analytické koloně) lze koncentraci příslušného iontu určit pomocí porovnání plochy jednotlivých křivek.

Jako příklad je uveden vliv předběžného proplachu před skutečným odběrem z výstupního místa institucionálního okruhu vysoce čisté vody pomocí iontové chromatografie s koncentrací a vodivostní detekcí při chemické suppressii. Pro analytiku aniontů v stopovém rozsahu byl použit systém založený na 850 Professional IC spolu s 858 Professional Sample Processor, dvěma Dosing Dini a softwarem MagIC-Net (Metrohm AG, Herisau, Švýcarsko) (obrázek 1).

Byl zvolen koncentrátor s detekcí vodivosti při chemické suppressii. Kalibrační křivky byly automaticky vytvořeny pomocí vzorkovače na základě základního roztoku a různých objemů koncentrace. Tím bylo možné dosáhnout velmi vysoké přesnosti při vyloučení možných kontaminací zpětným proplachem jehly vzorkovače po každé injekci. Následující výsledky byly získány:

Bylo ukázáno, že i když online měření ve vysoce čisté vodárně ukázalo požadovanou hodnotu 18,2 MΩ·cm, na příkladu výstupního místa bylo možné detekovat různé anionty až do předběžné doby 5 minut. U tohoto výstupního místa je doporučováno předběžné proplachování na deset minut, aby bylo zajištěno bezvadné vysoce čisté vody. Pro ilustraci: 1 μg/l chloridu po pěti minutách předběžného proplachu z roztoku chloridu draselného o koncentraci 1 μg/l (odpovídá 0,013 μmol/l KCl) má například teoretickou vodivost 0,0024 μS/cm (viz tabulka 1). Dále hraje důležitou roli čistota použitých vzorkovacích nádob a musí být vždy zahrnuta do kontrolních měření. Iontové kontaminace na technických součástech (například na 4 mm šroubovce typu Allen; délka 10 mm) je možné výborně kvantifikovat pomocí iontové chromatografie. Obecně by se skleněné nádoby neměly používat pro stopové analýzy kvůli vyluhování iontů z velmi agresivní vysoce čisté vody. Vhodné jsou například nádoby z vysoce čistého polypropylenu (PP). Všechny PP nádoby (pro přípravu eluentu, manipulaci s vzorky a jejich skladování) jsou neustále skladovány ve vysoce čisté vodě, která je v definovaných intervalech měněna.

Plynová chromatografie/hmotnostní spektrometrie

Molekuly kontaminující vysoce čistou vodu lze pomocí různých metod vkládat do kolony plynového chromatografu (GC). V závislosti na vlastnostech molekul (velikost molekuly, interakce s pevným médiem kolony apod.) se pohybují různou rychlostí kolonkou a dosahují detektoru v různých časech. Pokud je jako detektor použit hmotnostní spektrometr (MS), je analyzovaná molekula rozložena například elektronovým nárazem na fragmenty (fragmentuje). Podle poměru hmotnosti k náboji molekulárního fragmentu (nejčastěji kladně nabitý) jsou tyto fragmenty detekovány. Tak je možné získat k jednotlivým časům chromatogramu specifické spektrum MS. Použitelné metody zahrnují:

Kapalinová injekce

Při této metodě je určité objem analyzované vysoce čisté vody injikován do plynového chromatografu (GC) a odpařen v jeho injektoru.

Headspace

V tomto případě je vysoce čistá voda vložena do čisté skleněné nádoby GC (Headspace sklenice) a uzavřena septem. Vznikne rovnováha mezi kapalinou a plynnou fází. Tato rovnováha může být silně posunuta směrem k plynnému stavu pomocí temperace. Z plynové komory je pak odebrána část pomocí plynotěsné stříkačky a přivedena do injektoru GC.

Headspace-trap

Na rozdíl od analytiky headspace je sklenice neustále proplachována čistým plynem (heliem nebo dusíkem apod.). Tento plyn je následně veden přes chladicí nádobu, na které jsou zadržovány všechny organické sloučeniny určitého spektra závislého na teplotě této chladicí nádoby. Po ukončení proplachu je chladicí nádoba rychle ohřáta na teplotu až 40K/s. Zadržované sloučeniny jsou tímto náhle uvolněny a přímo přivedeny do plynového chromatografu. Tato metoda má mnohem vyšší citlivost než klasická headspace analýza.

Obrázky, tabulky a odkazy naleznete v přiloženém pdf dokumentu

Seznam literatury
1. Ph. Eur. Evropská farmakopea, 7. vydání. Štrasburk: Evropský úřad pro kvalitu léčiv a zdravotní péči, 2010.
2. Bogosian, Gregg a Bourneuf, Edward V. Otázka bakteriálního života a smrti. EMBO. 2001, sv. 2, 9, s. 770-774.
3. Eith, Claudia, et al. [Kniha autorů] Kai-Henning Viehweger. Praktikum iontové chromatografie. 2. vydání. Herisau: Metrohm AG, 2007.
4. Kohlrausch, Friedrich. Malý průvodce praktickou fyzikou. 1. vydání Lipsko: Teubner Verlag, 1870.
5. Debye, P. a Hückel, E. K teorii elektrolytů. I. Tavení bodu snížení. Fyzikální časopis. Lipsko: S. Hirzel Verlag, 1923. 24, s. 185-206.
6. ISO 3696. Voda pro analytické laboratoře; specifikace a zkušební metody. Berlín: Beuth Verlag, 1987.
7. Mezinárodní technologická roadmapa pro polovodiče. Zvýšení výtěžnosti. s.l.: www.irts.net, 2003.
8. ASTM D1193-06. Standardní specifikace pro reagentní vodu. West Conshohocken: ASTM International, Americká společnost pro testování a materiály, 2011.
9. Bogenschütz, German, et al. Pokročilé detekční techniky v iontové chromatografii. Herisau: Metrohm AG, 2006.