Prestazioni dei test di flusso di Cl2 rispetto a un test di immersione convenzionale
Innanzitutto, abbiamo confrontato un test di immersione con cloro libero disponibile in commercio di Merck con un semplice test di flusso su carta per studiare l’influenza generale di un flusso capillare sulla sensibilità del test, ovvero per rispondere alla domanda se un’esposizione prolungata del colorante all’analita soluzione porta a una maggiore sensibilità.
Per questo, un ampio tampone di inchiostro SA è stato stampato su una carta di cotone di 9 cm di lunghezza senza ulteriori additivi. La figura 3 mostra che l’immersione della zona di reazione di questa striscia di carta in una soluzione di cloro a 5 ppm porta ad un’intensità di colore paragonabile al test di immersione commerciale. Posizionare il test di flusso, tuttavia, solo in una piccola quantità di soluzione di analita che non copre immediatamente la zona di reazione ma scorre per forze capillari entro 7–8 min fino all’estremità della striscia di carta lunga 9 cm, porta a un colore chiaramente più elevato intensità rispetto al test di immersione disponibile in commercio. Oltre all’intensità del colore, la larghezza del tampone colorato dipende anche dalla concentrazione di cloro. Per una migliore leggibilità, è utile utilizzare una guaina attorno alla striscia di carta con un’apertura, come suggerito da Bauer et al.9, che consente all’utente di concentrarsi sull’intensità del colore per interpretare i risultati. In alternativa, è possibile stampare un tampone colorante ancora più ampio e utilizzare una lettura di rilevamento basata sulla distanza17,18,19. Tuttavia, la sezione colorata non è omogenea e sfuma verso la fine, rendendo la sua lunghezza difficile da misurare. La stampa di linee di colorante separate in un test di flusso con codice a barre20,21,22,23 invece di una sezione di colorante, facilita la lettura a occhio poiché sia l’intensità del colore che il numero di linee possono essere confrontati per l’analisi semiquantitativa. La Figura 3 (in basso) mostra le scansioni di tali test di flusso del codice a barre con cinque linee dopo il contatto con diverse soluzioni di cloro. Anche in questo caso, il colore del test di flusso è molto più intenso di quello del test immerso. Infine, la risoluzione rispetto alle diverse concentrazioni è migliorata dall’impostazione del codice a barre rispetto a un semplice test di flusso. Quindi, questi risultati suggeriscono che un test di flusso su carta porta a una sensibilità maggiore rispetto a un test di immersione e, inoltre, un test di flusso consente modelli di stampa più complessi che possono semplificare un’analisi semiquantitativa.
Immagini di strisce reattive commerciali per cloro libero dopo 2 s di immersione in una soluzione di cloro libero da 5 a 0,5 ppm rispetto a test di flusso lunghi 9 cm e test di flusso con codice a barre dopo 2 s di immersione in una soluzione a 5 ppm o dopo soluzioni da 0,5 a 5 ppm di cloro libero ha attraversato il test per circa 7:30 min o 5:30 min rispettivamente. Si noti che il tempo di flusso più breve per il test di flusso del codice a barre rispetto al test di flusso semplice deriva da un cambiamento dell’orientamento della carta verso la direzione della macchina più veloce.
Mentre 0,5 ppm di cloro possono essere rilevati solo a malapena con il test di immersione commerciale, questa concentrazione è chiaramente visibile per i test di flusso qui proposti. Finora, l’inchiostro costituito dal colorante in etanolo è stato semplicemente stampato su una carta di cotone senza ulteriori additivi. Il pH è ad esempio particolarmente importante per l’ossidazione di SA. Si è scoperto che il pH è preferibilmente impostato su 6,0 per aumentare sia la risposta del colore che la sensibilità7,8. Quindi, abbiamo impregnato la carta con una soluzione tampone fosfato a pH 5 o 6. In effetti, è stato osservato un netto aumento di intensità per i test trattati con tampone. Tuttavia, l’aumento è stato lo stesso per pH 5 e 6. Poiché l’impregnazione con tampone pH 6 ha raddoppiato il tempo di scorrimento, per cui il ritardo dovuto al tampone pH 5 era inferiore a un minuto, abbiamo deciso di utilizzare l’impregnazione tampone pH 5 per ulteriori test per fornire risultati del test il più velocemente e sensibili possibile (cfr. Fig. 4, test contrassegnato con “5”). La sensibilità dei test di flusso può essere ulteriormente aumentata elaborando volumi più elevati24, cosa che può essere ottenuta ad esempio con strisce reattive più lunghe25, a tampone campione più largo26 o tampone traspirante a forma di ventaglio27. Un modo ancora più semplice per aumentare la quantità di campione che passa la zona di reazione, consiste nell’aggiunta di uno stoppino dopo la zona di reazione incollata tra la striscia reattiva e il cartoncino (cfr. Fig. 2e). Quando si utilizza lo stesso materiale per lo stoppino e per la striscia reattiva, la capacità del volume del campione viene raddoppiata per la lunghezza dello stoppino. Poiché utilizziamo stoppini la metà della lunghezza del test di flusso, 1,5 volte il volume dell’analita è La figura 4a mostra i test dopo l’analisi di 2 ppm ch soluzione di loro. Più linee di codici a barre sono colorate per i test con stoppini aggiuntivi che senza (Fig. 4a, test contrassegnato con “A”).La combinazione di tampone e tamponi traspiranti porta a un numero maggiore di linee colorate con colori più intensi (Fig. 4a, test contrassegnato con “5A”). Utilizzando una carta assorbente extra spessa come stoppino (Fig. 4a, test contrassegnato con “5B”) aumenta la quantità di campione analizzata ulteriormente (masse campione menzionate in Fig. 4a). Tuttavia, un flusso di campione troppo elevato porta al sanguinamento del colorante e a risultati meno leggibili. Inoltre, il tempo di flusso era sostanzialmente più lungo in questo caso a causa del flusso più lento nella carta assorbente.
(a) Immagini dei test di flusso del codice a barre dopo che la soluzione di cloro libero di 2 ppm ha attraversato i test per il tempo inferiore al immagini. La massa scritta sotto le immagini si riferisce alla quantità di campione assorbita dal test, che è stata determinata pesando. Il substrato per i test contrassegnati con “5” è stato impregnato con tampone pH 5 prima della stampa. I test contrassegnati con “A” avevano uno stoppino aggiuntivo lungo 4,5 cm fatto di carta Schleicher & 430 µm di spessore, 180 g / m²), i test contrassegnati con “B” avevano uno stoppino in carta assorbente Biorad (spessore di 2,45 mm, 734 g / m²). (B) Intensità del colorante SA viola in funzione della concentrazione di cloro estratto dalla prima riga di test come mostrato esemplare per 2 ppm in (a). Le linee tratteggiate sono state integrate per la guida dell’occhio e sono state ottenute da un adattamento esponenziale asintotico (y = a – bcx) dei set di dati.
Per confrontare l’effetto del tampone e dello stoppino aggiuntivo sull’intervallo rilevabile del cloro libero, il l’intensità del colore viola della prima riga è stata estratta e tracciata in Fig. 4b. Sorprendentemente, l’aumento dell’intensità del colore dovuto all’impregnazione del tampone è molto forte per un’elevata concentrazione di cloro , ma trascurabile per la fascia bassa più interessante. L’effetto dell’aumento dell’intensità del colore correlato allo stoppino è relativamente costante su tutta la gamma, sebbene Miller et al. ha riscontrato che l’aumento della sensibilità dovuto all’aumento del volume del campione è minore per basse concentrazioni24. Il miglioramento dovuto allo stoppino nella nostra analisi sembra piuttosto piccolo. Tuttavia, è importante per la fascia bassa poiché il miglioramento principale dello stoppino è l’aumento del numero di strisce colorate e non l’intensità del colore che è tracciata nella Fig. 4b. In conclusione, è possibile rilevare al meglio fino a 0,2 ppm di cloro libero utilizzando test di flusso con uno stoppino aggiuntivo. Si noti che 0,2 ppm di cloro libero hanno causato una tonalità viola osservabile visivamente sul test, ma non è possibile determinare un limite di rilevamento rigido in tale ispezione visiva. A tal fine, sarebbe necessario uno studio sul campo più ampio che coinvolga più tester non addestrati che esula dall’ambito di questo studio di prova di principio.
Consumo di Cl2 da substrati di prova di flusso
As discusso sopra, una configurazione di prova di flusso aumenta sostanzialmente la sensibilità dell’analisi del cloro. Tuttavia, esiste anche uno svantaggio del contatto prolungato tra l’analita e il test: la maggior parte degli agenti ossidanti forti come il cloro libero non solo ossidano il colorante redox ma interagiscono anche con la maggior parte dei potenziali materiali del substrato, inclusa la cellulosa come principale componente molecolare i fogli di carta usati 13. Tracce di cloro possono essere consumate dalla reazione con il materiale del substrato durante il flusso nella zona di reazione, il che può limitare la sensibilità a 0,2 ppm di cloro libero, nonché aumentare l’errore della concentrazione assoluta determinata di cloro. Quest’ultimo diventa un problema se si devono rilevare concentrazioni di cloro libero molto piccole. Per aumentare la sensibilità il più possibile, è necessario selezionare un materiale del substrato di scorrimento più stabile all’ossidazione e valutare la stabilità del materiale del substrato contro i processi di ossidazione.
Lo screening della stabilità ossidativa è stato condotto da mescolando pezzi di substrato con una soluzione di cloro 2 ppm. Il contenuto di cloro rimanente nel surnatante per diversi intervalli di tempo è stato analizzato fotometricamente dopo la colorazione DPD. La Figura 5a mostra la perdita di cloro delle soluzioni dopo il contatto con diversi substrati di cellulosa. La carta di cotone linters 2992 di Schleicher & Schüll, utilizzata per tutti i test presentati finora, consuma una notevole quantità di cloro. Già dopo un tempo di contatto di alcuni minuti, necessari affinché la soluzione passi attraverso una prova, più di 0,5 ppm di cloro libero hanno reagito con la carta. La carta linters di cotone da laboratorio molto pura e autoprodotta e la carta DBS di Ahlstrom-Munksjö erano sostanzialmente più stabili della carta 2992, il che indica che alcuni additivi per carta nel 2992 possono essere più reattivi della cellulosa pura. Ma come accennato prima, la cellulosa stessa reagisce anche con il cloro portando ad un consumo di 0,5 ppm dopo 60 min di contatto della soluzione di cloro con le carte di puro cotone linters.La cellulosa preossidante con una soluzione concentrata di cloro libero per 4 h non ha aumentato la stabilità della carta poiché probabilmente solo una frazione minore dei gruppi idrossilici è stata ossidata durante questo trattamento. Un trattamento ossidativo più efficace utilizzando un’ossidazione catalizzata da TEMPO ha avuto un effetto sostanziale sulla stabilità della carta prodotta in laboratorio: sorprendentemente, questa carta preossidata è diventata più reattiva al cloro, il che potrebbe essere spiegato da un aumento dell’area superficiale che espone di più gruppi idrossilici per ossidazione. Per diminuire l’area della superficie di cellulosa esposta, la carta 2992 è stata corneo posizionandola per una notte a 120 ° C in un forno, il che dovrebbe comportare la chiusura irreversibile dei pori e l’adesione delle pareti dei pori l’una all’altra28. Tuttavia, anche questo trattamento ha ulteriormente aumentato la reattività della carta, indicando che i processi superficiali delle fibre di cellulosa non sono ancora ben compresi e necessitano di ulteriori indagini oltre lo scopo di questo manoscritto.
(a, b) Perdita di cloro dovuta a contatto con campioni di substrato nel tempo in una soluzione di cloro a 2 ppm (12 mg di substrato per ml di soluzione). La concentrazione di cloro è stata determinata dall’assorbanza del DPD ossidato a 551 nm. “Vuoto” indica la concentrazione della soluzione di cloro iniziale all’inizio e alla fine dell’esperimento. (C) Immagini di test di 9 cm di lunghezza realizzati con substrati di carta impregnati di tampone dopo che la soluzione di cloro libero di 5 e 1 ppm è fluita per il tempo indicato sotto il test. (d) Immagini di test lunghi 9 cm realizzati con substrati alternativi non cellulosici senza impregnazione tampone dopo che una soluzione di cloro libero di 5 ppm è fluita per il tempo indicato sotto il test. (a, c) i seguenti supporti di carta: Schleicher & Schüll 2992, Schleicher & Schüll 2992 hornified in un forno a 120 ° C, cascami di cotone fabbricati in laboratorio carta, linters di cotone preossidata catalizzata da TEMPO, carta di cotone preossidata prodotta in laboratorio con cloro libero (Cl2) e carta DBS di Ahlstrom-Munksjö. (b, d) I campioni sono costituiti dai seguenti substrati alternativi: PET substrati di Ahlstrom-Munksjö 6613 (PET puro), 6613 H (con tensioattivo) e d 6614 (con legante), Spec-Wipe 3 di VWR con 45% di poliestere e 55% di cellulosa, fibra di vetro 691 di VWR e fibra di vetro MN 85/90 BF di Macherey-Nagel. Il tempo di flusso è indicato sotto ogni foto di prova. Tieni presente che il tempo di scorrimento della carta Schleicher & Schüll 2992 è diverso per (c, d) perché in (c) la carta è stata utilizzata in direzione trasversale (7:30 min) e in (d) in direzione macchina (5:30 min), per cui è stato ridotto solo il tempo di flusso e l’intensità del colore non è diminuita in modo significativo. La differenza di intensità del colore qui è dovuta al fatto che tutti i test mostrati in (c) erano impregnati di buffer prima della stampa, tutti i test in (d) no.
Lo screening fotometrico permette di confrontare la reattività al cloro di più substrati, per cui il rapporto del substrato da 12 mg scelto a contatto con 1 ml di soluzione di cloro 2 ppm è piuttosto casuale. Un test di flusso lungo 9 cm e largo 0,5 cm realizzato con carta da 180 g / m², come la carta Schleicher & Schüll 2992, pesa 81 mg e trasporta circa 180 µl di campione, che risultato in un rapporto di 450 mg di carta per 1 ml di soluzione di analita che scorre attraverso il test. Se si considera che solo l’estremità di 0,5 cm di un test ha un contatto permanente con 0,5 ml di soluzione di cloro, questo rapporto scende a 9 mg / ml, che è vicino ai 12 mg / ml scelti per lo screening. A causa di questa grande differenza tra le due ipotesi, è stata verificata la rilevanza dello screening del substrato per le prestazioni del test. La Figura 5c mostra le immagini dei test di flusso effettuati con i diversi substrati di carta schermati nella Figura 5a. Già l’analisi della soluzione di cloro 5 ppm mostra grandi differenze tra i substrati. Mentre per i substrati di carta più stabili all’ossidazione tutte e 5 le strisce del test del codice a barre sono colorate, le carte più reattive pretrattate mediante ossidazione o hornificazione catalizzata da TEMPO hanno mostrato molte meno strisce. Inoltre, la preossidazione chimica dei cascami di cotone ha portato ad un aumento sostanziale del tempo di flusso e quindi anche del tempo di contatto tra la soluzione di prova e quella di analita. Durante l’analisi di 1 ppm di cloro è stata osservata una sottile differenza di intensità delle strisce colorate sulla carta 2992 e sulle carte alternative più stabili. Ma le differenze qui erano meno pronunciate rispetto ai substrati meno stabili. Dai risultati del test dei diversi substrati di carta, diventa chiaro che lo screening della stabilità del cloro è rilevante per le prestazioni del test e che sono necessari più substrati inerti rispetto alla carta di cellulosa per un test di flusso con limiti di rilevamento molto bassi.