Analyse du chlore libre en solution aqueuse à très faible concentration avec des tests d’écoulement latéral

Performance des tests d’écoulement de Cl2 par rapport à un test d’immersion conventionnel

Premièrement, nous avons comparé un test de trempage au chlore libre disponible dans le commerce de Merck avec un simple test d’écoulement sur papier pour étudier l’influence générale d’un écoulement capillaire sur la sensibilité du test, c’est-à-dire pour répondre à la question de savoir si une exposition prolongée du colorant à l’analyte La solution conduit à une sensibilité accrue.

Pour cela, un large tampon d’encre SA a été imprimé sur un papier linters de coton de 9 cm de long sans aucun additif supplémentaire. La figure 3 montre que le trempage de la zone de réaction de cette bande de papier dans une solution de chlore à 5 ppm conduit à une intensité de couleur comparable au test de trempage commercial. Cependant, le fait de ne placer le test d’écoulement que dans une petite quantité de solution d’analyte qui ne couvre pas immédiatement la zone de réaction mais s’écoule par des forces capillaires dans les 7 à 8 min jusqu’à l’extrémité de la bande de papier de 9 cm de long, conduit à une couleur nettement plus élevée l’intensité par rapport au test d’immersion disponible dans le commerce. En plus de l’intensité de la couleur, la largeur du tampon coloré dépend également de la concentration de chlore. Pour une meilleure lisibilité, il est utile d’utiliser une gaine autour de la bande de papier avec une ouverture, comme suggéré par Bauer et al.9, que l’utilisateur se concentre sur l’intensité de la couleur pour interpréter les résultats. En variante, il est possible d’imprimer un tampon de teinture encore plus large et d’utiliser une lecture de détection basée sur la distance17,18,19. Cependant, la section colorée n’est pas homogène et s’estompe vers la fin, ce qui rend sa longueur difficile à mesurer. L’impression de lignes de teinture séparées dans un test d’écoulement de code à barres20,21,22,23 au lieu d’une section de teinture facilite la lecture à l’œil nu car l’intensité de la couleur et le nombre de lignes peuvent être comparés pour une analyse semi-quantitative. La figure 3 (en bas) montre des scans de ces tests d’écoulement de codes à barres avec cinq lignes après contact avec différentes solutions de chlore. Là encore, la couleur du test d’écoulement est beaucoup plus intense que celle du test plongé. Enfin, la résolution par rapport aux différentes concentrations est améliorée par la configuration du code à barres par rapport à un simple test de débit. Par conséquent, ces résultats suggèrent qu’un test d’écoulement sur papier conduit à une sensibilité plus élevée qu’un test d’immersion, et, en outre, un test d’écoulement permet des modèles d’impression plus complexes qui peuvent simplifier une analyse semi-quantitative.

Alors que 0,5 ppm de chlore ne peut être à peine détecté avec le test d’immersion commercial, cette concentration est clairement visible pour les tests de débit proposés ici. Jusqu’à présent, l’encre constituée du colorant dans l’éthanol était simplement imprimée sur un papier linters de coton sans autre additif. Le pH est par exemple particulièrement important pour l’oxydation de SA. Il a été trouvé que le pH est de préférence réglé à 6,0 pour augmenter à la fois la réponse colorée et la sensibilité7,8. Ainsi, nous avons imprégné le papier avec une solution tampon phosphate de pH 5 ou 6. En effet, une nette augmentation d’intensité a été observée pour les tests traités avec du tampon. Cependant, l’augmentation était la même pour pH 5 et 6. Étant donné que l’imprégnation avec du tampon pH 6 doublait le temps d’écoulement, le délai dû au tampon pH 5 étant inférieur à une minute, nous avons décidé d’utiliser une imprégnation tampon pH 5 pour d’autres tests pour obtenir des résultats de test aussi rapides et sensibles que possible (cf. Fig. 4, test marqué «5»). un tampon d’échantillon plus large26 ou un tampon à mèche en éventail 27. Une manière encore plus simple d’augmenter la quantité d’échantillon passant dans la zone de réaction, consiste à ajouter une mèche après la zone de réaction collée entre la bandelette de test et la carte de support (cf. Fig. 2e). Lorsque le même matériau est utilisé pour la mèche et la bandelette de test, la capacité du volume de l’échantillon est doublée pour la longueur de la mèche. Comme nous utilisons des mèches de la moitié de la longueur du test d’écoulement, 1,5 fois le volume d’analyte est échantillonné. La figure 4a montre les tests après analyse de 2 ppm ch solution de lorine. Plus de lignes de codes-barres sont colorées pour les tests avec des mèches supplémentaires que sans (Fig. 4a, test marqué «A»).La combinaison de tampons tampons et de tampons absorbants conduit à un nombre plus élevé de lignes colorées avec une couleur plus intense (Fig. 4a, test marqué «5A»). L’utilisation d’un papier buvard très épais comme mèche (Fig. 4a, test marqué «5B») augmente la quantité d’échantillon analysée plus avant (masses d’échantillon mentionnées sur la figure 4a). Cependant, un débit d’échantillon trop élevé entraîne une purge du colorant et des résultats moins lisibles. De plus, le temps d’écoulement était sensiblement plus long dans ce cas en raison du débit plus lent dans le papier buvard.

Afin de comparer l’effet du tampon et de la mèche supplémentaire sur la plage détectable de chlore libre, le L’intensité de la couleur violette de la première ligne a été extraite et représentée sur la figure 4b. Remarquablement, l’augmentation d’intensité de la couleur due à l’imprégnation du tampon est très forte pour une concentration élevée de chlore , mais négligeable pour le bas de gamme plus intéressant. L’effet de l’augmentation de l’intensité de la couleur liée à la mèche est relativement constant sur toute la plage, bien que Miller et al. ont constaté que l’augmentation de la sensibilité due à l’augmentation du volume d’échantillon est moindre pour les faibles concentrations24. L’amélioration due à la mèche dans notre analyse semble plutôt faible. Cependant, il est important pour le bas de gamme car l’amélioration principale de la mèche est le nombre accru de rayures colorées et non l’intensité de couleur qui est tracée sur la figure 4b. En conclusion, il est au mieux possible de détecter jusqu’à 0,2 ppm de chlore libre en utilisant des tests de débit avec une mèche supplémentaire. Veuillez noter que 0,2 ppm de chlore libre a provoqué une teinte violette visuellement observable sur le test, mais il n’est pas possible de déterminer une limite de détection rigide sur cette inspection visuelle. Pour ce faire, une étude de terrain plus large impliquant plusieurs testeurs non formés serait nécessaire, ce qui est hors de portée de cette étude de démonstration de principe.

Consommation de Cl2 par les substrats de test de flux

Comme discuté ci-dessus, une configuration d’essai d’écoulement augmente considérablement la sensibilité de l’analyse du chlore. Cependant, il existe également un inconvénient du contact prolongé entre l’analyte et le test: la plupart des agents oxydants puissants tels que le chlore libre n’oxydent pas seulement le colorant redox mais interagissent également avec la plupart des matériaux de substrat potentiels, y compris la cellulose en tant que principal composant moléculaire de les feuilles de papier utilisées 13. Des traces de chlore peuvent être consommées par réaction avec le matériau du substrat tout en s’écoulant vers la zone de réaction, ce qui peut limiter la sensibilité à 0,2 ppm de chlore libre, ainsi qu’accroître l’erreur de la concentration absolue déterminée de chlore. Ce dernier devient un problème, si de très petites concentrations de chlore libre doivent être détectées. Afin d’augmenter la sensibilité autant que possible, un matériau de substrat à écoulement plus stable à l’oxydation doit être sélectionné, et la stabilité du matériau du substrat contre les processus d’oxydation doit être évaluée.

Un criblage de stabilité à l’oxydation a été effectué par mélanger des morceaux de substrat avec une solution chlorée à 2 ppm. La teneur en chlore résiduelle dans le surnageant pour différents intervalles de temps a été analysée par photométrie après coloration au DPD. La figure 5a montre la perte de chlore des solutions après contact avec différents substrats cellulosiques. Le papier linters de coton 2992 de Schleicher & Schüll, qui a été utilisé pour tous les tests présentés jusqu’à présent, consomme une quantité substantielle de chlore. Déjà après un temps de contact de quelques minutes, qui sont nécessaires pour que la solution passe à travers un test, plus de 0,5 ppm de chlore libre ont réagi avec le papier. Le papier linters de coton de laboratoire très pur et le papier DBS d’Ahlstrom-Munksjö étaient sensiblement plus stables que le papier 2992, ce qui indique que certains additifs de papier dans 2992 peuvent être plus réactifs que la cellulose pure. Mais comme mentionné précédemment, la cellulose elle-même réagit également avec le chlore conduisant à une consommation de 0,5 ppm après 60 min de contact de la solution chlorée avec les papiers linters pur coton.La pré-oxydation de la cellulose avec une solution concentrée de chlore libre pendant 4 h n’a pas augmenté la stabilité du papier car probablement seule une petite fraction de groupes hydroxyle était oxydée pendant ce traitement. Un traitement oxydant plus efficace utilisant une oxydation catalysée par TEMPO a eu un effet substantiel sur la stabilité du papier fabriqué en laboratoire: de manière surprenante, ce papier pré-oxydé est devenu plus réactif vis-à-vis du chlore, ce qui pourrait s’expliquer par une augmentation de la surface exposant plus groupes hydroxyle pour l’oxydation. Pour diminuer la surface de cellulose exposée, le papier 2992 a été hornifié en le plaçant pendant une nuit à 120 ° C dans un four, ce qui devrait entraîner une fermeture irréversible des pores et une adhérence des parois des pores les unes aux autres28. Cependant, ce traitement a également augmenté la réactivité du papier, indiquant que les processus de surface des fibres de cellulose ne sont pas encore bien compris et nécessitent une étude plus approfondie au-delà de la portée de ce manuscrit.

Le criblage photométrique permet de comparer la réactivité au chlore de plusieurs substrats, le rapport du substrat 12 mg choisi en contact avec 1 ml de solution chlorée à 2 ppm étant assez aléatoire. Un test d’écoulement de 9 cm de long et 0,5 cm de large fait de papier 180 g / m², tel que le papier Schleicher & Schüll 2992, pèse 81 mg et mèche environ 180 µl d’échantillon, ce qui donnent un rapport de 450 mg de papier pour 1 ml de solution d’analyte s’écoulant à travers le test. Si l’on considère que seule l’extrémité de 0,5 cm d’un test est en contact permanent avec 0,5 ml de solution chlorée, ce rapport revient à 9 mg / ml, ce qui est proche des 12 mg / ml choisis pour le dépistage. En raison de cette grande différence entre les deux hypothèses, la pertinence du dépistage du substrat pour les performances du test a été vérifiée. La figure 5c montre des images d’essais d’écoulement réalisés avec les différents substrats de papier criblés sur la figure 5a. Déjà, l’analyse d’une solution chlorée à 5 ppm montre de grandes différences entre les substrats. Alors que pour les substrats de papier les plus stables à l’oxydation, les 5 bandes du test de code à barres sont colorées, les papiers les plus réactifs prétraités par oxydation ou hornification catalysée par TEMPO ont montré beaucoup moins de bandes. En outre, la pré-oxydation chimique des linters de coton a conduit à une augmentation substantielle du temps d’écoulement et donc également du temps de contact de la solution d’essai et d’analyte. Une légère différence d’intensité des bandes colorées sur le papier 2992 et les papiers alternatifs plus stables a été observée lors de l’analyse de 1 ppm de chlore. Mais les différences ici étaient moins prononcées que pour les substrats moins stables. D’après les résultats des tests des différents substrats en papier, il devient clair que le dépistage de la stabilité au chlore est pertinent pour la performance du test et que plus de substrats inertes que le papier cellulosique sont nécessaires pour un test d’écoulement avec des limites de détection très basses.