Analisi dell'acqua ultrapura – Quanto è pulata la vostra acqua ultrapura?

Analisi dell'acqua di alimentazione – Quanto è pura la vostra acqua di alimentazione?

Analisi dell'acqua pura e ultrapura è un tema molto ampio con requisiti e limiti molto diversi nei settori industriali corrispondenti. Nelle centrali nucleari, tra l'altro, il contenuto di boro dell'acqua ultrapura viene costantemente monitorato. La contaminazione metallica nell'acqua ultrapura per l'industria dei semiconduttori deve essere rilevata in modo affidabile nell'intervallo di ppt inferiore. L'acqua farmaceutica viene esaminata in particolare per contaminazioni microbiologiche. Se, ad esempio, nella analisi delle tracce si deve rilevare il cloruro nell'intervallo di ppt, è importante mantenere il cloruro, che è onnipresente, nel eluente il più basso possibile. Il parametro ampiamente noto della conduttività specifica dell'acqua ultrapura di 18,2 MΩ·cm può quindi rappresentare solo un primo indicatore nella valutazione della qualità dell'acqua ultrapura analizzata.

In questa breve panoramica si vogliono illustrare, a titolo esemplificativo e ampiamente noto, alcuni metodi analitici per l'indagine dell'acqua ultrapura. A seconda della domanda di ricerca, esistono inoltre numerosi metodi specificamente adattati all'ambito di applicazione. Ad esempio, in biologia molecolare, è importante fornire acqua ultrapura senza contaminazioni di frammenti di DNA o RNA. Questo parametro viene rilevato, ad esempio, mediante analisi PCR. Le seguenti indagini condotte dal Fraunhofer IPA sono tra l'altro utilizzate per l'analisi dell'acqua ultrapura:
• Contaminazione microbiologica (batteri, funghi, spore)
• Carbonio totale (inorganico e organico)
• Conduttività come parametro sommatorio di tutte le sostanze ioniche
• Cromatografia ionica per la determinazione quantitativa di singoli ioni
• Cromatografia a gas per la determinazione quantitativa di contaminanti organici
La determinazione del carbonio totale non verrà approfondita in questo articolo. Ciò sarà trattato in uno dei prossimi numeri.

Conduttività

Attraverso uno strumento di misura della conduttività si misura la conduttività specifica dell'acqua ultrapura. Questo rappresenta un metodo molto robusto ed economico, che viene di solito utilizzato come standard in linea nei sistemi di acqua ultrapura. La conduttività totale misurata si ottiene sommando le conduttività specifiche di tutti gli ioni presenti (equivalente di conduttività ionica γ; in [S·cm²·mol⁻¹] o [Ω⁻¹·cm²·mol⁻¹]). Partendo dalle rispettive conduttività molari degli ioni, si può quindi calcolare la conduttività specifica di una soluzione salina. È importante considerare la temperatura durante le misurazioni di conduttività, che viene rilevata e corretta dalla maggior parte degli strumenti. La lettura viene quindi riportata a una temperatura di riferimento, ad esempio T = 25 °C. Sono note le seguenti unità: resistenza specifica in Ω·cm e conduttività specifica in S·cm⁻¹. Di solito, il valore di misura viene indicato come resistenza specifica, dove vale: 1 S·cm⁻¹ = 1 Ω⁻¹·cm⁻¹. Nella tabella seguente sono illustrati a titolo esemplificativo i principali equivalenti di conduttività ionica (3).

Il cloruro di potassio (KCl) a 25 °C ha una conduttività ionica molare di 74 + 76 = 150 cm²·Ω⁻¹·mol⁻¹. Una soluzione di KCl 1 mM (equivalente a circa 75 mg/l) presenta quindi a 25 °C una conduttività di 1,5E-4 cm⁻¹·Ω⁻¹ o 150 μS/cm. In pratica, il valore è leggermente inferiore, pari a 147 μS/cm, a causa del fatto che la conduttività ionica equivalente si basa su una teoria di diluizione infinita (legge di Kohlrausch (4) o teoria di Debye-Hückel-Onsager (5)). I limiti di legge per la conduttività sono definiti per le diverse qualità di acqua ultrapura, tra cui la Ph.Eur (1), lo standard ISO 3696 (6), la roadmap IRTS (7) e ASTM D1193-06 (8). È importante notare che anche in condizioni di purezza assoluta, l'acqua presenta una bassa conduttività propria a causa della sua natura di amfolita. Questa si aggira intorno a 18,2 MΩ·cm o 0,55 μS/cm a 25 °C.

Cromatografia ionica

Se l'analisi della conduttività come parametro sommatorio di tutte le sostanze ioniche presenti nell'acqua da analizzare non è più sufficiente a causa della mancanza di dettaglio, si utilizza la cromatografia ionica con arricchimento per la misurazione di ioni nell'intervallo di ppt. In questo metodo, l'acqua ultrapura da analizzare viene caricata con un sistema automatizzato di campionamento su una colonna di arricchimento. Tutti i composti ionici (cationi o anioni, a seconda della colonna di arricchimento e di analisi installata e del metodo utilizzato) vengono trattenuti dalla colonna di arricchimento. In questo modo, rispetto alle tradizionali linee di campionamento, è possibile analizzare un volume di campione molto più grande, poiché, grazie all'arricchimento e all'eluzione successiva, si può ottenere un picco molto più definito anche con volumi elevati da analizzare. Nella fase di cromatografia vera e propria, gli ioni vengono separati nel tempo nella colonna di analisi in base alla mobilità e successivamente analizzati con un rivelatore di conduttività ad alta sensibilità. Per esigenze specifiche, esistono altre tecnologie di rilevamento, tra cui la rilevazione UV/VIS, quella amperometrica e tecniche di accoppiamento, ad esempio con uno spettrometro di massa (9). Non entreremo nei dettagli delle apparecchiature come la suppressione chimica utilizzata nell'analisi degli anioni. Basandosi su una calibrazione e sul tempo di ritenzione ionica (tempo di permanenza nella colonna di analisi), la concentrazione di ciascun ione può essere determinata tramite confronto delle curve di risposta.

Come esempio, si mostra l'influenza del prelavaggio prima del prelievo effettivo da un punto di campionamento del circuito di acqua ultrapura dell'istituto, mediante cromatografia ionica con arricchimento e rivelatore di conduttività con suppressione chimica. Per l'analisi degli anioni in tracce, è stato utilizzato un sistema basato sull'850 Professional IC insieme al 858 Professional Sample Processor, due dosatori 800 Dosing e il software MagIC-Net (Metrohm AG, Herisau, Svizzera) (Figura 1).

È stato scelto un sistema di arricchimento degli anioni con rivelatore di conduttività con suppressione chimica. Le curve di calibrazione sono state create automaticamente con un sistema di campionamento partendo da una soluzione madre e vari volumi di arricchimento. In questo modo, si è raggiunta un'alta precisione, evitando possibili contaminazioni di ritorno grazie al lavaggio esterno e interno dell'ago del sistema di campionamento dopo ogni iniezione. I risultati ottenuti sono stati:

È stato dimostrato che, sebbene la misurazione online dell'acqua ultrapura indicasse un valore di 18,2 MΩ, presso un punto di campionamento esemplificativo sono stati rilevati diversi anioni fino a un tempo di prelavaggio di 5 minuti. A questo punto di campionamento, si raccomanda un prelavaggio di dieci minuti per ottenere acqua ultrapura senza contaminazioni. Per chiarire: 1 μg/l di cloruro dopo cinque minuti di prelavaggio da una soluzione di cloruro di potassio 1 μg/l (equivalente a 0,013 μmol/l KCl) corrisponde, ad esempio, a una conduttività teorica di 0,0024 μS/cm (vedi tabella 1). Inoltre, l'influenza della purezza dei recipienti di campionamento utilizzati è significativa e deve sempre essere valutata nelle analisi di confronto. Le contaminazioni ioniche sui componenti tecnici (ad esempio, una vite a brugola da 4 mm di lunghezza; 10 mm di lunghezza) possono essere quantificate perfettamente con la cromatografia ionica. In generale, i recipienti in vetro non sono raccomandati per le analisi di tracce a causa del rilascio di ioni da parte dell'acqua ultrapura molto aggressiva. Sono adatti, tra gli altri, recipienti in polipropilene ad alta purezza (PP). Tutti i recipienti in PP (per la preparazione del eluente, la manipolazione e lo stoccaggio dei campioni) vengono costantemente conservati in acqua ultrapura, che viene sostituita a intervalli di tempo definiti.

Cromatografia gas/spettrometria di massa

Le molecole che contaminano l'acqua ultrapura possono essere immesse sulla colonna di un gascromatografo (GC) mediante vari metodi. A seconda delle proprietà delle molecole (dimensione, interazione con la matrice stazionaria della colonna, ecc.), queste si muovono con velocità diversa lungo la tubo e raggiungono il rivelatore in momenti diversi. Se si utilizza uno spettrometro di massa (MS) come rivelatore, la molecola da analizzare viene frammentata, ad esempio, mediante bombardamento elettronico. A seconda del rapporto tra massa e carica del frammento molecolare (generalmente caricato), questi vengono rilevati. In questo modo, ad ogni istante del cromatogramma del GC si ottiene uno spettro MS specifico. Possono essere impiegate le seguenti tecniche:

Iniezione liquida

Con questa tecnica, una quantità definita di acqua ultrapura da analizzare viene iniettata in un gascromatografo (GC) e vaporizzata nell'iniettore.

Headspace

In questo metodo, l'acqua ultrapura viene inserita in un recipiente di vetro GC pulito (Headspace-vetro) e sigillata con un septum. Si stabilisce un equilibrio tra liquido e fase gassosa per ogni componente. Riscaldando, l'equilibrio può essere spostato notevolmente verso la fase gassosa. Una parte del gas viene quindi prelevata con una siringa a tenuta di gas e introdotta nell'iniettore del GC.

Trappola di Headspace

In modo diverso rispetto all'analisi Headspace, il recipiente viene continuamente lavato con gas ultrapuro (elio o azoto, ecc.). Il gas di lavaggio viene quindi passato attraverso una trappola refrigerata, sulla quale vengono trattenute tutte le sostanze organiche di uno spettro specifico, dipendente dalla temperatura della trappola stessa. Dopo aver terminato il lavaggio, la trappola viene riscaldata rapidamente fino a 40 K/s. Le sostanze trattenute vengono rilasciate bruscamente e inviate direttamente al gascromatografo. Questa metodologia ha una sensibilità di rilevamento molto superiore rispetto alla tecnica classica di Headspace.

Immagini, tabelle e riferimenti incrociati sono disponibili nel documento pdf allegato

Bibliografia
1. Ph. Eur. Farmacopea Europea, 7a edizione. Strasburgo: Direttorato Europeo per la qualità dei medicinali e dell'assistenza sanitaria, 2010.
2. Bogosian, Gregg e Bourneuf, Edward V. Una questione di vita o di morte batterica. EMBO. 2001, Vol. 2, 9, pp. 770-774.
3. Eith, Claudia, et al. [Libro di testo] Kai-Henning Viehweger. Laboratorio di cromatografia ionica. 2a edizione. Herisau: Metrohm AG, 2007.
4. Kohlrausch, Friedrich. Piccolo manuale di fisica pratica. 1a edizione Leipzig: Teubner Verlag, 1870.
5. Debye, P. e Hückel, E. Sulla teoria degli elettroliti. I. Abbassamento del punto di congelamento. Zeitschrift für Physik. Leipzig: S. Hirzel Verlag, 1923. 24, pp. 185-206.
6. ISO 3696. Acqua per uso analitico di laboratorio; specifiche e metodi di prova. Berlino: Beuth Verlag, 1987.
7. Roadmap Internazionale sulla Tecnologia dei semiconduttori. Miglioramento della resa. s.l.: www.irts.net, 2003.
8. ASTM D1193-06. Specifica standard per acqua reagente. West Conshohocken: ASTM International, American Society for Testing and Materials, 2011.
9. Bogenschütz, German, et al. Tecniche avanzate di rilevamento nella cromatografia ionica. Herisau: Metrohm AG, 2006.