초순수 시스템

ASTM(미국시험재료학회)는 가장 많이 사용되는 실험용수 관련 표준으로, 품질에 따라 여러 등급으로 나뉩니다. 초순수/Type 1 실험용수는 품질과 순도가 가장 높으며 이온을 거의 모두 제거한 정제수입니다. 일반적으로 전처리수(순수 또는 역삼투수)를 추가로 처리해 초순수를 얻습니다. 초순수를 이야기할 때 가장 흔히 사용되는 지표는 전도도, 또는 전도도의 반대 개념인 저항입니다. 초순수의 전도도는 0.055μS/cm, 저항은 18.2MΩ*cm입니다. 그 밖의 지표로는 분야에 따라 TOC, 엔도톡신, 효소 함량 등이 있습니다. 이 경우에는 추가 정제가 필요할 수 있습니다. 필요한 수질을 얻는 데 필요한 정제 기법이 탑재된 정수 시스템을 사용하시기 바랍니다.

초순수는 중요하거나 민감한 분야에서 일관적이고 재현성 있는 결과가 필요할 때 사용합니다. 초순수는 주로 전도도(0.055µS/cm) 또는 저항(18.2MΩ*cm)으로 정의합니다. 이 값을 만족하는 실험용수는 고스트 피크 현상을 유발하거나 샘플의 이온 분리에 영향을 미치는 등 민감한 분석에 영향을 미칠 수 있는 이온이 포함되어 있지 않습니다. 분야에 따라 분석의 민감도가 높으면 그만큼 높은 수질의 실험용수가 필요합니다. 초순수를 제조할 때에는 TOC, 엔도톡신, 효소, 미립자와 같은 불순물을 일정 수준까지 제거해야 합니다.  이러한 불순물은 RNA와 DNA를 분해하는 등 생명과학 분야에 영향을 미칠 수 있고, 민감한 분석에도 교란을 유발할 수 있습니다. 따라서 TOC 또는 RNase 함량이 낮거나 DNase가 없는 실험용수가 필요한 분야라면 사용 중인 정수 시스템에 필요한 수질을 충족하기에 충분한 추가 정제 과정이 탑재되어 있는지 확인해야 합니다.

UV 램프는 유기물을 분해하고 산화시켜 양전하/음전하 하전입자로 만듭니다. 유기물을 산화 및 분해하는 데에는 2개의 파장(185 및 254nm)이 사용됩니다. UV 램프 처리가 끝나면 이온과 유기물을 실험용수에서 제거해야 합니다. 이 때에는 보통 대전된 이온과 결합하는 레진을 사용한 뒤 물에서 제거하는 탈이온 공정을 수행합니다.

HPLC, ICP-MS 등 유기물 함량이 낮아야 하는 중요한 분석 연구에서는 UV 램프가 포함된 정수 시스템이 필요합니다. UV 램프 처리 후에는 산화된 이온을 제거할 탈이온 카트리지가 필요합니다. 활성탄 사용 역시 권장됩니다. 활성탄은 표면적이 넓고 흡착성이 뛰어나 실험용수의 유기물을 효율적으로 제거해줍니다. 이 경우에는 주로 UV 램프를 사용한 뒤 일반적인 순수 탈이온 레진 카트리지가 아니라 탈이온 레진과 활성탄이 모두 포함된 혼합 베드 레진을 사용합니다. 그러나 최종 TOC 값은 철저히 원수에 의해 좌우됩니다. 원수의 최초 TOC 값이 높은 경우 전처리를 하지 않으면 필요한 TOC 값을 충족하지 못할 수 있습니다. 또한, 시스템으로 유입되는 TOC 값이 높으면 소모품의 수명도 그만큼 빨리 줄어들기 때문에 부품 교체 간격이 짧아져 전체적인 운용 비용이 증가하게 됩니다.

일반적으로 총 유기물 함량(TOC 값)은 내장된 TOC 모니터나 TOC 지시기를 사용해 측정합니다. 두 방법 모두 전도도 차이를 사용해 물의 유기물 함량을 결정합니다. 먼저 바탕선이 될 물의 전도도를 측정합니다. 그 다음부터는 두 방법에 약간의 차이가 있습니다. TOC 모니터의 경우 UV 램프와 DI 카트리지를 통해 물을 이동시킵니다. DI 카트리지를 지난 물이 별도의 챔버로 유입되면 유기물 산화가 진행됩니다. 산화가 끝나면 물은 배수됩니다. 이제 산화 과정에서 배출된 CO2로 인해 증가한 전도도를 측정합니다. 새로 측정한 전도도에서 바탕선 값을 빼고, 변환 계수를 사용해 두 값의 차이를 TOC 함량으로 변환합니다.
TOC 지시기의 경우 별도의 챔버를 사용하지 않고 UV 램프를 지난 뒤 DI 카트리지에 들어가기 전에 on-line 방식으로 두 번째 전도도를 측정합니다. 그리고 바탕선과의 차이를 계산해 TOC 값으로 변환합니다. 그러나 두 번째 측정 이후 다운스트림 과정에서 발생하는 모든 영향은 이론적으로만 고려됩니다. 따라서 이 방식의 정확도는 사용 시점에 TOC를 측정하는 TOC 모니터보다 낮습니다. TOC 값이 중요한 분야라면 TOC 측정 모니터를 사용하는 시스템을 선택해야 합니다.

분야와 분석에 따라 다릅니다. 민감한 장비, 민감한 분석법일수록 간섭을 최소화하고 고스트 피크와 같은 이상 현상을 방지할 수 있도록 샘플의 TOC 값을 최소화해야 합니다. 예를 들어, ICP-MS는 비교적 민감한 분석법이기 때문에 ICP-MS를 사용하는 경우에는 HPLC와 비교해 실험용수의 TOC 값이 낮아야 신뢰성 높은 결과를 얻을 수 있습니다. 유기물 함량이 너무 많으면, 즉 TOC 값이 지나치게 높으면 결과값에서 고스트 피크 현상이 관찰되거나, 컬럼과 기타 소모품이 막히거나, 장비의 수명이 감소하여 전체적인 운용 비용이 증가할 수 있습니다.

한외여과 필터는 세포 배양, DNA/RNA 관련 분석 등 생명과학 관련 연구나 분야에 사용됩니다. 한외여과는 포유류 세포 배양 작업 시 중요한 엔도톡신을 제거해줍니다. 또한, 한외여과 필터를 사용하면 각각 RNA/DNA와 단백질의 분해에 관여하는 RNase/DNase 및 단백질 분해효소와 같은 주요 효소를 제거할 수 있습니다.

엔도톡신이 낮아야 하는 포유류 세포 배양의 경우에는 내부/외부 한외여과 필터가 장착된 초순수(즉, Type 1 실험용수) 제조 시스템이 필요합니다. 한외여과 필터는 매우 작은 기공을 사용하는데, 이 기공의 크기는 Dalton을 단위로 하는 분획분자량(MWCO)으로 측정합니다. 한외여과에서는 기공의 MWCO에 따라 엔도톡신, 핵산분해효소, 단백질 분해효소 등을 제거할 수 있습니다.

실험용수의 RNase와 DNase는 크게 2가지 방법으로 제거합니다. 첫 번째는 화학적 DEPC(디에틸 피로카보네이트)를 첨가하는 것입니다. 이렇게 하면 RNA와 DNA를 분해하는 핵산분해효소, 즉 RNase와 DNase를 불활화할 수 있습니다. 두 번째 방법은 한외여과 필터를 사용하는 것입니다. 한외여과를 수행하면 잠재적 발암 물질의 사용을 피할 수 있고, 핵산분해효소를 불활화하지 않고도 실험용수의 RNase와 DNase를 제거할 수 있습니다. 불활화한 핵산분해효소를 제거하지 않으면 TOC(총 유기탄소) 값에 포함됩니다. DEPC와 비교한 한외여과의 또 다른 장점은 실험용수에 DEPC를 혼합하는 경우 과잉 DEPC 제거를 위해 오토클레이브 사용이 필요하다는 점입니다. 이 과정에서 DEPC는 에탄올과 이산화탄소를 생성합니다. 에탄올은 TOC 수치에 포함되고, 이산화탄소는 전도도를 높입니다. 

pH는 수중 H+ 이온의 수로 측정합니다. 수중 이온이 없으면, 즉 전도도가 0.055µS/cm이거나 저항이 18.2MΩ*cm이면 pH는 중성을 나타내는 7이 됩니다.

초순수를 사용할 때에는 품질에 주의해야 합니다. 따라서 초순수를 받기 전에 일부를 먼저 분주해서 품질을 확인해야 합니다. 분주 시에는 침출물이 없는 소재(유리 등)의 용기를 사용하고, 가급적 직접 분주합니다. 또한, 초순수를 보관하면 공기 중 불순물(이산화탄소 등)을 흡수하므로 품질이 그대로 유지되지 않습니다. 때문에 가능하면 초순수는 바로 사용해야 합니다. 수질 보장을 위해 정기적으로 유지관리와 점검을 수행하는 것도 중요합니다. 튜빙을 추가하는 등 사용 범위를 늘리면 튜빙 내부에 불순물이 축적될 수 있습니다.  

초순수를 제조하는 정수 시스템용 원수의 품질은 시스템의 수명과 총 운용 비용에 큰 영향을 미칩니다. 따라서 전처리된 원수(역삼투수 또는 순수)를 사용하는 것이 권장됩니다. 원수를 전처리하면 시스템 소모품을 예상 수명만큼 사용할 수 있습니다. 전처리 없이 원수를 그대로 사용하면 불순물로 인해 소모품 수명이 빠르게 줄어들기 때문에 부품 교체 간격이 짧아집니다. 권장 원수와 관련된 자세한 사항은 시스템 제원을 참고하거나 제조사의 전문가에게 문의하시기 바랍니다.