Durchführung von Cl2-Flow-Tests im Vergleich zu einem herkömmlichen Tauchtest
Zuerst haben wir verglichen ein handelsüblicher Dip-Test für freies Chlor von Merck mit einem einfachen Durchflusstest auf Papierbasis zur Untersuchung des allgemeinen Einflusses eines kapillargesteuerten Durchflusses auf die Empfindlichkeit des Tests, dh zur Beantwortung der Frage, ob der Farbstoff länger dem Analyten ausgesetzt ist Die Lösung führt zu einer erhöhten Empfindlichkeit.
Dazu wurde ein breites Pad SA-Tinte ohne weitere Zusätze auf ein 9 cm langes Baumwolllinters-Papier gedruckt. 3 zeigt, dass das Eintauchen der Reaktionszone dieses Papierstreifens in eine 5 ppm Chlorlösung zu einer Farbintensität führt, die mit dem kommerziellen Eintauchtest vergleichbar ist. Wenn Sie den Fließtest jedoch nur in eine kleine Menge Analytlösung geben, die die Reaktionszone nicht sofort bedeckt, sondern innerhalb von 7 bis 8 Minuten bis zum Ende des 9 cm langen Papierstreifens durch Kapillarkräfte fließt, führt dies zu einer deutlich höheren Farbe Intensität im Vergleich zum handelsüblichen Tauchtest. Neben der Farbintensität hängt die Breite des Farbkissens auch von der Chlorkonzentration ab. Für eine bessere Lesbarkeit ist es hilfreich, eine Hülle um den Papierstreifen mit einer Öffnung zu verwenden, wie von Bauer et al.9 vorgeschlagen, damit sich der Benutzer auf die Farbintensität konzentriert, um die Ergebnisse zu interpretieren. Alternativ ist es möglich, ein noch breiteres Färbepad zu drucken und eine entfernungsbasierte Detektionsanzeige 17, 18, 19 zu verwenden. Der farbige Abschnitt ist jedoch nicht homogen und verblasst gegen Ende, wodurch seine Länge schwer zu messen ist. Das Drucken separater Farbstofflinien in einem Barcode-Flusstest20, 21, 22, 23 anstelle eines Farbstoffabschnitts erleichtert das Auslesen mit dem Auge, da sowohl die Farbintensität als auch die Anzahl der Linien für die semiquantitative Analyse verglichen werden können. Abbildung 3 (unten) zeigt Scans solcher Barcode-Flusstests mit fünf Linien nach Kontakt mit verschiedenen Chlorlösungen. Auch hier ist die Farbe des Fließtests viel intensiver als die des Tauchtests. Schließlich wird die Auflösung in Bezug auf unterschiedliche Konzentrationen durch die Barcode-Einrichtung im Vergleich zu einem einfachen Flusstest verbessert. Daher legen diese Ergebnisse nahe, dass ein Fließtest auf Papierbasis zu einer höheren Empfindlichkeit führt als ein Tauchtest, und zusätzlich ermöglicht ein Fließtest komplexere Druckmuster, die eine semi-quantitative Analyse vereinfachen können.
Bilder von handelsüblichen Teststreifen für freies Chlor nach 2 s Eintauchen in freie Chlorlösung von 5 bis 0,5 ppm im Vergleich zu 9 cm langen Fließtests und Barcode-Fließtests nach 2 s Eintauchen in 5 ppm Lösung oder nach Lösungen von 0,5 bis 5 ppm freiem Chlor floss durch den Test für ungefähr 7:30 min bzw. 5:30 min. Bitte beachten Sie, dass die kürzere Fließzeit für den Barcode-Fließtest im Vergleich zum einfachen Fließtest auf eine Änderung der Papierausrichtung in Richtung der schnelleren Maschinenrichtung zurückzuführen ist.
Während 0,5 ppm Chlor mit dem kommerziellen Tauchtest nur knapp nachgewiesen werden können, ist diese Konzentration für die hiermit vorgeschlagenen Fließtests deutlich sichtbar. Bisher wurde die aus dem Farbstoff in Ethanol bestehende Tinte einfach ohne weitere Zusätze auf ein Baumwolllinters-Papier gedruckt. Der pH-Wert ist beispielsweise besonders wichtig für die Oxidation von SA. Es wurde gefunden, dass der pH vorzugsweise auf 6,0 eingestellt ist, um sowohl die Farbantwort als auch die Empfindlichkeit zu erhöhen7,8. Daher haben wir das Papier mit einer Phosphatpufferlösung mit einem pH-Wert von 5 oder 6 imprägniert. Tatsächlich wurde bei mit Puffer behandelten Tests ein deutlicher Intensitätsanstieg beobachtet. Der Anstieg war jedoch für pH 5 und 6 gleich. Da die Imprägnierung mit Puffer pH 6 die Fließzeit verdoppelte, wobei die Zeitverzögerung aufgrund des Puffers pH 5 weniger als eine Minute betrug, entschieden wir uns, die Pufferimprägnierung mit pH 5 für weitere Tests zu verwenden um Testergebnisse so schnell und empfindlich wie möglich zu erhalten (vgl. Abb. 4, Test mit „5“ gekennzeichnet). Die Empfindlichkeit von Flusstests kann durch Verarbeitung höherer Volumina24 weiter erhöht werden, was beispielsweise durch längere Teststreifen25, a erreicht werden kann Ein breiteres Probenkissen26 oder ein fächerförmiges Dochtwirkungskissen27. Eine noch einfachere Möglichkeit, die Probenmenge, die die Reaktionszone passiert, zu erhöhen, besteht darin, einen Docht hinzuzufügen, nachdem die Reaktionszone zwischen Teststreifen und Trägerkarte eingeklebt wurde (vgl. Abb. 2e) Wenn das gleiche Material für den Docht und den Teststreifen verwendet wird, verdoppelt sich die Probenvolumenkapazität für die Länge des Dochtes. Da wir Dochte verwenden, die halb so lang wie der Flusstest sind, beträgt das 1,5-fache des Analytvolumens Abbildung 4a zeigt Tests nach Analyse von 2 ppm ch Lorinlösung. Für Tests mit zusätzlichen Dochten werden mehr Barcode-Linien eingefärbt als ohne (Abb. 4a, Test mit „A“ gekennzeichnet).Das Kombinieren von Puffer- und Dochtwirkungspads führt zu einer höheren Anzahl farbiger Linien mit intensiverer Farbe (Abb. 4a, Test mit „5A“ gekennzeichnet). Die Verwendung eines extra dicken Löschpapiers als Docht (Abb. 4a, Test mit „5B“) nimmt zu die Menge der weiter analysierten Probe (in 4a erwähnte Probenmassen). Ein zu hoher Probenfluss führt jedoch zu einem Ausbluten des Farbstoffs und weniger lesbaren Ergebnissen. Darüber hinaus war die Fließzeit in diesem Fall aufgrund des langsameren Fließens im Löschpapier wesentlich länger.
(a) Bilder von Barcode-Fließtests nach 2 ppm freier Chlorlösung flossen durch die Tests für die Zeit unter dem Bilder. Die unter den Bildern angegebene Masse bezieht sich auf die durch den Test absorbierte Probenmenge, die durch Wiegen bestimmt wurde. Das Substrat für mit „5“ gekennzeichnete Tests wurde vor dem Drucken mit Puffer pH 5 imprägniert. Mit „A“ gekennzeichnete Tests hatten einen zusätzlichen 4,5 cm langen Docht aus 2992 Schleicher & Schüll-Papier ( 430 um Dicke, 180 g / m²), mit „B“ gekennzeichnete Tests hatten einen Docht aus Biorad-Löschpapier (2,45 mm Dicke, 734 g / m²). (B) Intensität des violetten SA-Farbstoffs in Abhängigkeit von der Chlorkonzentration extrahiert aus der ersten Versuchsreihe, wie beispielhaft für 2 ppm in (a) gezeigt. Die gestrichelten Linien wurden zur Führung des Auges integriert und durch eine asymptotische Exponentialanpassung (y = a – bcx) der Datensätze erhalten / p>
Um die Wirkung von Puffer und zusätzlichem Docht über den nachweisbaren Bereich von freiem Chlor zu vergleichen, wird die Die Intensität der violetten Farbe der ersten Linie wurde extrahiert und in Fig. 4b aufgetragen. Bemerkenswerterweise ist die Zunahme der Farbintensität aufgrund der Pufferimprägnierung für eine hohe Chlorkonzentration sehr stark , aber vernachlässigbar für das interessantere untere Ende. Der Effekt des Anstiegs der Farbintensität in Bezug auf den Docht ist über den gesamten Bereich relativ konstant, obwohl Miller et al. fanden heraus, dass der Empfindlichkeitsanstieg aufgrund des erhöhten Probenvolumens bei niedrigen Konzentrationen geringer ist24. Die Verbesserung aufgrund des Dochtes in unserer Analyse scheint eher gering zu sein. Für das untere Ende ist es jedoch wichtig, da die Hauptverbesserung des Dochtes die erhöhte Anzahl von Farbstreifen und nicht die Farbintensität ist, die in Fig. 4b dargestellt ist. Zusammenfassend lässt sich mit Fließversuchen mit zusätzlichem Docht bestenfalls bis zu 0,2 ppm freies Chlor nachweisen. Bitte beachten Sie, dass 0,2 ppm freies Chlor beim Test einen visuell beobachtbaren violetten Farbton verursachten. Es ist jedoch nicht möglich, bei dieser Sichtprüfung eine starre Nachweisgrenze zu bestimmen. Zu diesem Zweck wäre eine größere Feldstudie mit mehreren nicht geschulten Testern erforderlich, die außerhalb des Rahmens dieser Proof-of-Principle-Studie liegt.
Cl2-Verbrauch durch Flusstestsubstrate
As Wie oben diskutiert, erhöht ein Fließtestaufbau die Empfindlichkeit der Chloranalyse wesentlich. Es gibt jedoch auch einen Nachteil des verlängerten Kontakts zwischen Analyt und Test: Die meisten starken Oxidationsmittel wie freies Chlor oxidieren nicht nur den Redoxfarbstoff, sondern interagieren auch mit den meisten potenziellen Substratmaterialien, einschließlich Cellulose als Hauptmolekülkomponente von die gebrauchten Papierblätter13. Spuren von Chlor können durch Reaktion mit dem Substratmaterial verbraucht werden, während es in die Reaktionszone fließt, was die Empfindlichkeit auf 0,2 ppm freies Chlor begrenzen und den Fehler der bestimmten absoluten Chlorkonzentration erhöhen kann. Letzteres wird zum Problem, wenn sehr geringe Konzentrationen an freiem Chlor nachgewiesen werden sollen. Um die Empfindlichkeit so weit wie möglich zu erhöhen, muss ein oxidationsstabileres Strömungssubstratmaterial ausgewählt werden, und die Stabilität des Substratmaterials gegen Oxidationsprozesse muss bewertet werden. Das Oxidationsstabilitätsscreening wurde von durchgeführt Mischen von Substratstücken mit einer 2 ppm Chlorlösung. Der verbleibende Chlorgehalt im Überstand für verschiedene Zeitintervalle wurde nach DPD-Färbung photometrisch analysiert. 5a zeigt den Chlorverlust von Lösungen nach Kontakt mit verschiedenen Cellulosesubstraten. Das Baumwolllinters-Papier 2992 von Schleicher & Schüll, das für alle bisher vorgestellten Tests verwendet wurde, verbraucht eine erhebliche Menge Chlor. Bereits nach einer Kontaktzeit von wenigen Minuten, die erforderlich ist, damit die Lösung einen Test durchläuft, reagierten mehr als 0,5 ppm freies Chlor mit dem Papier. Sehr reines selbst hergestelltes Labor-Baumwolllinters-Papier und das DBS-Papier von Ahlstrom-Munksjö waren wesentlich stabiler als das 2992-Papier, was darauf hinweist, dass einige Papieradditive in 2992 möglicherweise reaktiver sind als die reine Cellulose. Wie bereits erwähnt, reagiert Cellulose selbst auch mit Chlor, was nach 60 Minuten Kontakt der Chlorlösung mit den Papieren aus reiner Baumwolle zu einem Verbrauch von 0,5 ppm führt.Die Voroxidation von Cellulose mit einer konzentrierten freien Chlorlösung für 4 Stunden erhöhte die Stabilität des Papiers nicht, da während dieser Behandlung wahrscheinlich nur ein geringer Anteil der Hydroxylgruppen oxidiert wurde. Eine wirksamere oxidative Behandlung unter Verwendung einer TEMPO-katalysierten Oxidation hatte einen wesentlichen Einfluss auf die Stabilität des im Labor hergestellten Papiers: Überraschenderweise wurde dieses voroxidierte Papier gegenüber Chlor reaktiver, was durch eine Zunahme der Oberflächenexposition erklärt werden konnte Hydroxylgruppen zur Oxidation. Um die freiliegende Zelluloseoberfläche zu verringern, wurde 2992-Papier horniert, indem es über Nacht bei 120 ° C in einen Ofen gelegt wurde, was zu einem irreversiblen Porenverschluss und einer Haftung der Porenwände aneinander führen sollte28. Diese Behandlung erhöhte jedoch auch die Reaktivität von Papier weiter, was darauf hinweist, dass die Oberflächenprozesse von Cellulosefasern noch nicht gut verstanden sind und über den Rahmen dieses Manuskripts hinaus weiter untersucht werden müssen.
(a, b) Fälliger Chlorverlust Kontakt mit Substratproben über die Zeit in einer 2 ppm Chlorlösung (12 mg Substrat pro ml Lösung). Die Chlorkonzentration wurde durch die Absorption des oxidierten DPD bei 551 nm bestimmt. „Leer“ steht für die Konzentration der anfänglichen Chlorlösung zu Beginn und am Ende des Versuchs. (C) Bilder von 9 cm langen Tests, die mit pufferimprägnierten Papiersubstraten durchgeführt wurden, nachdem 5 und 1 ppm freie Chlorlösung für die Zeit unter dem Test angegeben. (d) Bilder von 9 cm langen Tests, die aus alternativen, nicht cellulosehaltigen Substraten ohne Pufferimprägnierung hergestellt wurden, nachdem 5 ppm freie Chlorlösung für die unter dem Test angegebene Zeit durchgeflossen waren. (a, c) Die Proben bestehen aus die folgenden Papiersubstrate: Schleicher & Schüll 2992, Schleicher & Schüll 2992 hornifiziert in einem Ofen bei 120 ° C, im Labor hergestellte Baumwolllinters Papier, TEMPO-katalysiertes voroxidiertes, im Labor hergestelltes Baumwolllinters-Papier, frei chloriertes, voroxidiertes, im Labor hergestelltes Baumwoll-Linters-Papier (Cl2) und DBS-Papier von Ahlstrom-Munksjö. (b, d) Die Proben bestehen aus den folgenden alternativen Substraten: PET Substrate aus Ahlstrom-Munksjö 6613 (reines PET), 6613 H (mit Tensid) an d 6614 (mit Bindemittel), Spec-Wipe 3 von VWR mit 45% Polyester und 55% Cellulose, Glasfaser 691 von VWR und Glasfaser MN 85/90 BF von Macherey-Nagel. Die Fließzeit ist unter jedem Testfoto angegeben. Bitte beachten Sie, dass die Fließzeit für das Schleicher & Schüll 2992-Papier für (c, d) unterschiedlich ist, da in (c) das Papier in Querrichtung verwendet wurde (7:30 min). und in (d) in Maschinenrichtung (5:30 min), wobei nur die Fließzeit verringert wurde und die Farbintensität nicht signifikant abnahm. Der Farbintensitätsunterschied hier ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass alle in (c) gezeigten Tests vor dem Drucken mit Puffer imprägniert wurden, alle Tests in (d) nicht.
Das photometrische Screening ermöglicht den Vergleich der Chlorreaktivität mehrerer Substrate, wobei das Verhältnis des gewählten 12 mg-Substrats in Kontakt mit 1 ml 2 ppm Chlorlösung eher zufällig ist. Ein 9 cm langer und 0,5 cm breiter Fließtest aus 180 g / m² Papier, wie das Schleicher & Schüll 2992-Papier, wiegt 81 mg und leitet ungefähr 180 µl Probe ab führen zu einem Verhältnis von 450 mg Papier für 1 ml Analytlösung, die durch den Test fließt. Wenn man bedenkt, dass nur das 0,5 cm lange Ende eines Tests dauerhaften Kontakt mit 0,5 ml Chlorlösung hat, ergibt sich ein Verhältnis von 9 mg / ml, was nahe an den für das Screening gewählten 12 mg / ml liegt. Aufgrund dieses großen Unterschieds zwischen den beiden Annahmen wurde die Relevanz des Substrat-Screenings für die Testleistung überprüft. Fig. 5c zeigt Bilder von Fließtests, die mit den verschiedenen in Fig. 5a gescreenten Papiersubstraten durchgeführt wurden. Bereits die Analyse von 5 ppm Chlorlösung zeigt große Unterschiede zwischen den Substraten. Während für die oxidationsstabileren Papiersubstrate alle 5 Streifen des Barcode-Tests gefärbt sind, zeigten die reaktiveren Papiere, die durch TEMPO-katalysierte Oxidation oder Hornifizierung vorbehandelt wurden, viel weniger Streifen. Darüber hinaus führte die chemische Voroxidation der Baumwolllinters zu einer wesentlichen Erhöhung der Fließzeit und damit auch der Kontaktzeit von Test- und Analytlösung. Bei der Analyse von 1 ppm Chlor wurde ein geringer Intensitätsunterschied zwischen den farbigen Streifen auf dem 2992-Papier und den stabileren alternativen Papieren festgestellt. Die Unterschiede waren hier jedoch weniger ausgeprägt als bei den weniger stabilen Substraten. Aus den Testergebnissen der verschiedenen Papiersubstrate wird deutlich, dass das Chlorstabilitätsscreening für die Testleistung relevant ist und dass für einen Fließtest mit sehr niedrigen Nachweisgrenzen mehr inerte Substrate als Cellulosepapier benötigt werden.