WaterThe Essence of the Lab

Význam tématu

Voda je nejzákladnějším laboratorním činidlem, které ovlivňuje kvalitativní i kvantitativní výsledky řady metod – od chromatografie či spektrometrie až po kultivaci buněk či PCR. Laboratoře spotřebují až pětkrát více vody než obdobně velké kanceláře (přibližně 35 miliónů litrů ročně). Přibližně 70 % problémů v HPLC je přisuzováno kontaminaci vody a nečištěná voda může vést k chybám v hybridizaci, inhibici enzymů nebo tvorbě usazenin v analytických přístrojích.

Cíle a přehled studie

Dokument si klade za cíl

• popsat hlavní skupiny nečistot ve vodě (rozpuštěné ionty, organické látky, rozptýlené částice, mikroorganismy, plyny),
• charakterizovat běžné třídy laboratorní vody (Typ I, II, III) a odpovídající normy (ISO, ASTM, CLSI, farmakopeje),
• seznámit čtenáře s dostupnými technologiemi čištění (mikrofiltrace, aktivní uhlí, reverzní osmóza, iontoměniče, elektrodeionizace, UV, destilace) a jejich kombinacemi,
• usnadnit výběr vhodné kvality vody pro konkrétní aplikace pomocí přehledových tabulek,
• navrhnout praktické postupy pro instalaci, skladování a monitorování kvality vody,
• nastínit směřování budoucího vývoje v oblasti laboratorní úpravy vody.

Použitá metodika a instrumentace

Pro hodnocení a klasifikaci vody se používají následující parametrické postupy:

• Konduktivita a rezistivita (μS/cm vs. MΩ·cm) – pro stanovení iontové čistoty,
• TOC (Total Organic Carbon) – pro celkový obsah organických látek,
• počet bakterií (CFU/ml) a endotoxinů (EU/ml),
• částicové filtry (Nephelometric Turbidity Units, FI),
• vizuální a chemické testy.

K čištění se využívají následující technologie:

1. Mikrofiltrace (MF) a ultrafiltrace (UF) – odstraňují částice >0,05 μm a mikroorganismy,
2. Aktivní uhlí – degraduje chlor a organické kontaminanty,
3. Reverzní osmóza (RO) – redukuje >95 % iontů a organických látek,
4. Iontoměniče (IX) – vypuzují ionty výměnou za H+ a OH–,
5. Elektrodeionizace (EDI) – kontinuálně regeneruje iontoměniče v elektrickém poli,
6. UV-lampa (185/254 nm) – ničí mikroorganismy a snižuje TOC,
7. Destilace – odděluje vodu od kontaminantů odpařováním a kondenzací.

Hlavní výsledky a diskuse

Analýza různých metod ukazuje, že nedostatečné předčištění (mikrofiltrace, aktivní uhlí) vede k poškození membrán RO nebo k zatékání bakterií a biofilmů. Kombinace RO + EDI dosahuje rezistivity až 17 MΩ·cm a TOC < 20 ppb. Ultrafiltrace na výstupu zajistí odstranění nukleáz a endotoxinů pro aplikace v molekulární biologii. Praktické experimenty demonstrují, že:

• v HPLC vedou organické a iontové nečistoty ke snížení citlivosti a zvýšení šumu,
• v PCR inhibují contaminanty polymerasy a nukleázy zhoršují amplifikaci,
• v elektroforéze vysoká iontová zátěž negativně ovlivňuje migraci vzorků,
• v blotovacích technikách bakterie a organika generují nespecifické vazby,
• v kultivaci buněk endotoxiny a mikroorganismy dramaticky snižují výtěžnost.

Přínosy a praktické využití metody

Důsledné přizpůsobení kvality vody konkrétní aplikaci umožňuje:

• zvýšení reprodukovatelnosti a přesnosti dat,
• snížení provozních nákladů na údržbu přístrojů,
• minimalizaci neplánovaných oprav a výpadků,
• zrychlení workflow – méně opakovaných běhů kvůli kontaminaci,
• bezpečnost biologických experimentů – prevence bakteriálního/toxického zkrácení experimentů.

Budoucí trendy a možnosti využití

Vývoj směřuje k stále vyšší analytické citlivosti a novým materiálovým řešením:

• instalace in-line senzorů pro kontinuální monitorování rezistivity, TOC a bakterií v reálném čase,
• využití nanomateriálů (např. grafenových filtrů) pro ultrarychlé a ultrajemné separace iontů,
• rozšíření aplikací v oblasti genomiky (digitální PCR, mikroRNA) vyžadujících absolutní odbourání nukleáz a endotoxinů,
• nutnost vyšší čistoty vody ve farmaceutickém výzkumu a výrobě, včetně přípravy biologických léčiv a pokročilých diagnostik.

Závěr

Kvalita laboratorní vody zásadně ovlivňuje výsledky širokého spektra metod. Výběr a kombinace vhodných čisticích technologií (předčištění, RO, iontoměniče, UV, UF) v závislosti na požadované úrovni čistoty (Typ I–III) umožní dosáhnout spolehlivosti a reprodukovatelnosti dat. Správné rozmístění přístrojů, skladování a on-line monitoring doplňuje technické řešení dalšími pilíři stability provozu.

Reference

1. European Commission DG ENV (2009): Study on Water Performance of Buildings.
2. ELGA LabWater: Pure LabWater Guide.
3. Whitehead P. (1998): Ultra-pure water for HPLC. Laboratory Solutions.
4. ELGA Application Note: Type I ultra pure water crucial for HPLC and UHPLC.
5. Whitehead P. (2010): Importance of pure water in modern ion chromatography. Lab Manager Magazine.
6. Mostofa KMG et al. (2013): Dissolved Organic Matter in Natural Waters. Photobiogeochemistry of Organic Matter.
7. Bar-Ilan O. et al. (2013): Ecotoxicological effects of nanoparticles. Environmental Science & Technology 47, 4726–43.
8. University of Manchester (2013): Graphene membranes for water desalination.
9. Good Campus (2011): University of Oxford Water Management Strategy Report.