従来の浸漬試験と比較したCl2流動試験の性能
まず、比較しました簡単な紙ベースのフローテストを使用した、Merckから市販されている遊離塩素浸漬テスト。テストの感度に対するキャピラリー駆動フローの一般的な影響を調査します。つまり、染料を分析物に長時間さらすかどうかという問題に対処します。解決策は感度の向上につながります。
そのために、SAインクの広いパッドが、追加の添加物なしで長さ9cmの綿リンター紙に印刷されました。図3は、この紙片の反応ゾーンを5 ppmの塩素溶液に浸すと、市販の浸し試験に匹敵する色の強度が得られることを示しています。ただし、フローテストを実行すると、反応ゾーンをすぐにはカバーせず、毛細管力によって長さ9 cmの紙片の端まで7〜8分以内に流れる少量の分析対象物溶液にのみ、明らかに高い色が得られます。市販のディップテストと比較した強度。色の濃さの次に、色付きパッドの幅も塩素濃度に依存します。読みやすさを向上させるには、Bauer et al.9が示唆しているように、ユーザーが結果を解釈するために色の濃さに焦点を合わせるように、開口部のある紙片の周りにシースを使用すると便利です。あるいは、さらに広い染料パッドを印刷して、距離ベースの検出読み出しを使用することも可能です17,18,19。ただし、色付きの部分は均一ではなく、端に向かって色あせてしまうため、長さの測定が困難になります。 1つの染料セクションの代わりにバーコードフローテスト20、21、22、23で別々の染料ラインを印刷すると、半定量分析のために色の強度とラインの数の両方を比較できるため、目での読み取りが容易になります。図3（下）は、さまざまな塩素溶液と接触した後の5本の線によるこのようなバーコードフローテストのスキャンを示しています。繰り返しますが、フローテストの色はディップテストよりもはるかに濃いです。最後に、さまざまな濃度に関する解像度は、単純なフローテストと比較してバーコード設定によって強化されています。したがって、これらの結果は、紙ベースのフローテストがディップテストよりも高い感度をもたらすことを示唆しています。さらに、フローテストは、半定量分析を簡素化する可能性のあるより複雑な印刷パターンを可能にします。
5 ppm溶液に2秒間浸漬した後、または0.5〜5 ppmの遊離塩素溶液に2秒間浸漬した後の、9 cmのロングフローテストおよびバーコードフローテストと比較した、5〜0.5ppmの遊離塩素溶液に2秒間浸漬した後の市販の遊離塩素テストストリップの画像それぞれ約7:30分または5:30分テストを通過しました。単純なフローテストと比較して、バーコードフローテストのフロー時間は、紙の向きがより速い機械方向に変化するために発生することに注意してください。
0.5 ppmの塩素は、市販の浸漬試験ではほとんど検出できませんが、この濃度は、ここで提案するフロー試験ではっきりと確認できます。これまでのところ、エタノール中の染料からなるインクは、それ以上の添加物なしで綿リンター紙に単に印刷されていました。 ｐＨは、例えば、ＳＡの酸化にとって特に重要である。色応答と感度の両方を高めるために、pHを6.0に設定することが好ましいことがわかった7,8。したがって、紙にpH 5または6のリン酸緩衝液を含浸させました。実際、緩衝液で処理したテストでは、明らかな強度の増加が観察されました。ただし、pH 5と6の増加は同じでした。バッファーpH6を含浸させると、フロー時間が2倍になり、バッファーpH 5による時間遅延が1分未満になったため、以降のテストにpH5バッファー含浸を使用することにしました。テスト結果を可能な限り高速かつ高感度で生成します（図4、「5」とマークされたテストを参照）。フローテストの感度は、より多くのボリュームを処理することでさらに向上できます24。これは、たとえば、より長いテストストリップ25で達成できます。より広いサンプルパッド26または扇形のウィッキングパッド27。反応ゾーンを通過するサンプルの量を増やすさらに簡単な方法は、テストストリップとバッキングカードの間に接着された反応ゾーンの後にウィックを追加することです（cf.図2e）ウィックとテストストリップに同じ材料を使用した場合、サンプルの容量はウィックの長さの2倍になります。フローテストの半分の長さのウィックを使用すると、分析物の容量の1.5倍になります。図4aは、2 ppmchの分析後のテストを示しています。ロリン溶液。追加の芯があるテストでは、ない場合よりも多くのバーコード線が色付けされます（図4a、「A」とマークされたテスト）。バッファーとウィッキングパッドを組み合わせると、より濃い色の色付きの線の数が多くなります（図4a、「5A」とマークされたテスト）。さらに分析されたサンプルの量（図4aに記載されているサンプルの質量）。ただし、サンプルフローが高すぎると、色素のにじみが発生し、結果が読みにくくなります。さらに、この場合、吸い取り紙の流れが遅いため、流れ時間は大幅に長くなりました。
（a）2ppmの遊離塩素溶液が以下の時間テストを通過した後のバーコードフローテストの画像画像。画像の下に書かれている質量は、計量によって決定された、テストによって吸収されたサンプルの量に関連しています。 「5」とマークされたテストの素材は、印刷前にpH 5のバッファーを含浸させました。「A」とマークされたテストには、2992 Schleicher &Schüll紙で作られた4.5cmの長さの芯が追加されました（厚さ430µm、180g /m²）、「B」のマークが付いたテストでは、Bioradブロッティングペーパー（厚さ2.45 mm、734g /m²）で作られた芯がありました。（b）塩素濃度に依存する紫色のSA染料の強度（a）の2 ppmの例として示されているような、テストの最初の行から抽出されました。破線は目のガイダンスのために統合され、データセットの漸近指数フィット（y = a − bcx）によって取得されました。
検出可能な遊離塩素の範囲でバッファーと追加の芯の効果を比較するために、最初の線の紫色の強度を抽出して図4bにプロットしました。驚くべきことに、緩衝液の含浸による色の強度の増加は、高塩素濃度に対して非常に強いです。 、しかし、より興味深いローエンドでは無視できます。 Miller et al。が、芯に関連する色強度の増加の影響は、全範囲にわたって比較的一定です。サンプル量の増加による感度の増加は、低濃度では少ないことがわかりました24。私たちの分析における芯による改善はかなり小さいようです。ただし、芯の主な改善点は、図4bにプロットされている色の強度ではなく、色付きのストライプの数の増加であるため、ローエンドにとって重要です。結論として、追加の芯を使用したフローテストを使用して、0.2ppmまでの遊離塩素を検出することはせいぜい可能です。 0.2 ppmの遊離塩素は、テストで視覚的に観察可能な紫色の色相を引き起こしましたが、その目視検査で検出の厳密な限界を決定することは不可能であることに注意してください。そのためには、訓練を受けていない複数のテスターが関与する大規模なフィールド調査が必要になりますが、これはこの原理実証研究の範囲外です。
フローテスト基板によるCl2消費
As上で説明したように、フローテストのセットアップにより、塩素分析の感度が大幅に向上します。ただし、分析対象物とテストの接触が長引くという欠点もあります。遊離塩素などの最も強力な酸化剤は、レドックス染料を酸化するだけでなく、セルロースを主要な分子成分として含む、ほとんどの潜在的な基質材料とも相互作用します。使用済み用紙13。微量の塩素は、反応ゾーンに流れる間に基質材料との反応によって消費される可能性があり、これにより、感度が0.2 ppmの遊離塩素に制限され、決定された塩素の絶対濃度の誤差が増加する可能性があります。非常に低い遊離塩素濃度を検出する場合、後者が問題になります。感度を可能な限り高めるためには、より酸化安定性の高いフロー基板材料を選択する必要があり、酸化プロセスに対する基板材料の安定性を評価する必要があります。
酸化安定性スクリーニングは基板片を2ppmの塩素溶液と混合します。異なる時間間隔での上清中の残留塩素含有量は、DPD染色後に測光的に分析されました。図5aは、さまざまなセルロース基板と接触した後の溶液の塩素損失を示しています。これまでに提示されたすべてのテストに使用されたSchleicher &Schüllの綿リンター紙2992は、かなりの量の塩素を消費します。溶液が試験を通過するのに必要な数分の接触時間の後、0.5ppmを超える遊離塩素が紙と反応しました。非常に純粋な自作のラボコットンリンター紙とAhlstrom-MunksjöのDBS紙は、2992紙よりも実質的に安定しており、2992の一部の紙添加物は純粋なセルロースよりも反応性が高い可能性があります。しかし、前述のように、セルロース自体も塩素と反応し、塩素溶液を純粋な綿のリンターペーパーと60分間接触させた後、0.5ppmの消費をもたらします。濃縮遊離塩素溶液でセルロースを4時間前酸化しても、おそらくこの処理中にヒドロキシル基のごく一部しか酸化されなかったため、紙の安定性は向上しませんでした。 TEMPO触媒酸化を使用したより効果的な酸化処理は、ラボで作成された紙の安定性に大きな影響を及ぼしました。驚くべきことに、この事前酸化された紙は塩素に対してより反応性が高くなりました。これは、より多くの露出を行う表面積の増加によって説明できます。酸化のためのヒドロキシル基。露出したセルロースの表面積を減らすために、2992紙をオーブン内で、120°Cで一晩置くことによって角質化しました。これにより、不可逆的な細孔の閉鎖と細孔壁の相互の接着がもたらされます28。ただし、この処理によって紙の反応性がさらに高まり、セルロース繊維の表面プロセスがまだ十分に理解されておらず、この原稿の範囲を超えてさらに調査する必要があることを示しています。
（a、b）塩素の損失2 ppmの塩素溶液（溶液1mlあたり12mgの基質）中で時間の経過とともに基質サンプルと接触します。塩素濃度は、551nmでの酸化DPDの吸光度によって決定されました。 「空白」は、実験の開始時と終了時の初期塩素溶液の濃度を表します。（c）5および1 ppmの遊離塩素溶液を流した後、緩衝液を含浸させた紙基板で作成した長さ9cmのテストの画像。 （d）5 ppmの遊離塩素溶液をテストの下に示した時間流した後、バッファーを含浸させずに代替の非セルロース系基板で作成した長さ9 cmのテストの画像。（a、c）サンプルは次のもので構成されます。次の紙基板：Schleicher &Schüll2992、Schleicher & Schüll2992、120°Cのオーブンで角質化、実験室で作られた綿リンター紙、TEMPO触媒による事前酸化ラボ製綿リンター紙、遊離塩素予備酸化ラボ製綿リンター紙（Cl2）、およびAhlstrom-MunksjöのDBS紙（b、d）サンプルは次の代替基質で構成されています：PET Ahlstrom-Munksjö6613（純粋なPET）、6613 H（界面活性剤を含む）からの基質d 6614（バインダー付き）、45％ポリエステルと55％セルロースを含むVWRのSpec-Wipe 3、VWRのガラス繊維691、Macherey-Nagelのガラス繊維MN 85 / 90BF。流動時間は、各テスト写真の下に示されています。 Schleicher &Schüll2992紙のフロー時間は、（c）では横方向に使用されたため（7:30分）、（c、d）では異なることに注意してください。 （d）機械方向（5:30分）では、流動時間のみが短縮され、色の強度は大幅に低下しませんでした。ここでの色の濃さの違いは、（c）に示されているすべてのテストが印刷前にバッファーを含浸させたが、（d）のすべてのテストはそうではなかったという事実によるものです。
測光スクリーニングにより、複数の基質の塩素反応性を比較できます。これにより、1mlの2ppm塩素溶液と接触する選択した12mg基質の比率はかなりランダムになります。 Schleicher &Schüll2992紙などの180g /m²の紙で作られた長さ9cm、幅0.5 cmのフローテストは、重量が81 mgで、約180 µlのサンプルを吸い上げます。その結果、1mlの分析物溶液に対して450mgの紙がテストを通過します。テストの0.5cmの端だけが0.5mlの塩素溶液と恒久的に接触していると考えると、この比率は9 mg / mlになり、スクリーニングに選択された12 mg / mlに近くなります。 2つの仮定の間にこの大きな違いがあるため、テストパフォーマンスに対する基質スクリーニングの関連性がチェックされました。図5cは、図5aでスクリーニングされたさまざまな紙基板を使用して行われたフローテストの画像を示しています。すでに5ppmの塩素溶液の分析では、基質間に大きな違いがあることが示されています。より酸化安定性の高い紙基材の場合、バーコードテストの5つのストライプすべてが着色されますが、TEMPO触媒による酸化または角質化によって前処理されたより反応性の高い紙ははるかに少ないストライプを示しました。さらに、綿リンターの化学的予備酸化は、流動時間の実質的な増加をもたらし、したがって、試験溶液と分析物溶液の接触時間も増加させた。 1 ppmの塩素を分析すると、2992紙とより安定した代替紙の色付きストライプのわずかな強度差が見られました。しかし、ここでの違いは、安定性の低い基板よりも顕著ではありませんでした。さまざまな紙基板のテスト結果から、塩素安定性スクリーニングがテスト性能に関連していること、および検出限界が非常に低いフローテストにはセルロース紙よりも多くの不活性基板が必要であることが明らかになります。