Analyse av fritt klor i vandig løsning ved svært lav konsentrasjon med laterale strømningstester

Utførelse av Cl2-strømningstester sammenlignet med en konvensjonell dyppetest

Først sammenlignet vi en kommersielt tilgjengelig gratis klordypetest fra Merck med en enkel papirbasert strømningstest for å undersøke den generelle innflytelsen av en kapillærdrevet strømning på følsomheten til testen, dvs. for å adressere spørsmålet om en langvarig eksponering av fargestoffet for analytten løsningen fører til forbedret følsomhet.

For det ble en bred pute med SA-blekk trykt på et bomullsfôrpapir med en lengde på 9 cm uten ytterligere tilsetningsstoffer. Figur 3 viser at neddykking av reaksjonssonen til denne papirstrimmelen i en 5 ppm kloroppløsning fører til en fargeintensitet som kan sammenlignes med den kommersielle dyppetesten. Å plassere strømningstesten, men bare i en liten mengde analytoppløsning som ikke dekker reaksjonssonen umiddelbart, men flyter med kapillærkrefter innen 7–8 minutter til slutten av den 9 cm lange papirstrimmelen, fører til en tydelig høyere farge intensitet sammenlignet med den kommersielt tilgjengelige dyppetesten. Ved siden av fargeintensiteten avhenger bredden på den fargede puten også av klorkonsentrasjonen. For bedre lesbarhet, er det nyttig å bruke en kappe rundt papirstrimlen med en blenderåpning, som ble antydet av Bauer et al.9, at brukeren fokuserer på fargeintensiteten for å tolke resultatene. Alternativt er det mulig å skrive ut en enda bredere fargestoffpute og bruke en avstandsbasert deteksjonsavlesning17,18,19. Imidlertid er den fargede delen ikke homogen og blekner mot slutten, noe som gjør lengden vanskelig å måle. Utskrift av separate fargestofflinjer i en strekkodestrømningstest 20,21,22,23 i stedet for en fargestoffseksjon, muliggjør avlesning av øynene, da både fargeintensitet og antall linjer kan sammenlignes for semikvantitativ analyse. Figur 3 (nederst) viser skanninger av slike strekkodestrømningstester med fem linjer etter kontakt med forskjellige klorløsninger. Igjen er fargen på strømningstesten mye mer intens enn den dyppede testen. Til slutt forbedres oppløsningen med hensyn til forskjellige konsentrasjoner av strekkodeoppsettet sammenlignet med en enkel flytest. Derfor antyder disse resultatene at en papirbasert strømningstest fører til høyere følsomhet enn en dyppetest, og i tillegg tillater en strømningstest mer komplekse utskriftsmønstre som kan forenkle en semikvantitativ analyse.

Mens 0,5 ppm klor bare knapt kan oppdages med den kommersielle dyppetesten, er denne konsentrasjonen tydelig synlig for de her foreslåtte flytestene. Så langt ble blekket bestående av fargestoffet i etanol ganske enkelt trykt på et bomullsfôrpapir uten ytterligere tilsetningsstoffer. PH er for eksempel spesielt viktig for oksidasjon av SA. Det ble funnet at pH fortrinnsvis er satt til 6,0 for å øke både fargesvar og følsomhet7,8. Derfor impregnerte vi papiret med en fosfatbufferløsning med pH 5 eller 6. Faktisk ble en klar intensitetsøkning observert for tester behandlet med buffer. Økningen var imidlertid den samme for pH 5 og 6. Siden impregnering med buffer pH 6 doblet strømningstiden, hvor tidsforsinkelsen på grunn av buffer pH 5 var mindre enn et minutt, bestemte vi oss for å bruke pH 5 bufferimpregnering for videre tester. for å gi testresultater så raske og følsomme som mulig (jf. figur 4, test merket «5»). Sensitiviteten til strømningstester kan økes ytterligere ved å behandle høyere volumer24, som for eksempel kan oppnås ved lengre teststrimler bredere prøvepute26 eller en vifteformet wicking pad27. En enda enklere måte å øke mengden prøve som passerer reaksjonssonen, består i tilsetning av en veke etter at reaksjonssonen limes inn mellom teststrimmelen og støttekortet (jfr. Fig. 2e). Når det samme materialet brukes til veken og teststrimmelen, dobles prøvevolumkapasiteten for vekenes lengde. Når vi bruker veker halve lengden på strømningstesten, er 1,5 ganger analytvolum samplet. Figur 4a viser tester etter analyse av 2 ppm ch lorinløsning. Flere strekkodelinjer er farget for tester med flere veker enn uten (fig. 4a, test merket «A»).Ved å kombinere buffer- og wicking-pads, fører det til et høyere antall fargede linjer med mer intens farge (Fig. 4a, test merket «5A»). Bruk av et ekstra tykt blotpapir som en wick (Fig. 4a, test merket «5B») øker. mengden prøve analysert ytterligere (prøvemassene nevnt i figur 4a). Imidlertid fører for høy prøvestrømning til blødning av fargestoffet og mindre lesbare resultater. Videre var strømningstiden vesentlig lengre i dette tilfellet på grunn av den langsommere strømmen i blotpapiret.

For å sammenligne effekten av buffer og ekstra veke over det detekterbare området fritt klor, er intensiteten til den lilla fargen på den første linjen ble ekstrahert og tegnet i figur 4b. Bemerkelsesverdig er at fargeintensitetsøkningen på grunn av bufferimpregnering er veldig sterk for høy klorkonsentrasjon , men ubetydelig for den mer interessante lave enden. Effekten av fargeintensitetsøkningen relatert til veken er relativt konstant over hele området, selv om Miller et al. fant at sensitivitetsøkningen på grunn av økt prøvevolum er mindre for lave konsentrasjoner24. Forbedringen på grunn av veken i analysen vår virker ganske liten. Imidlertid er det viktig for den lave enden, da hovedforbedringen av veken er det økte antall fargede striper og ikke fargeintensiteten som er tegnet i fig. 4b. Avslutningsvis er det i beste fall mulig å oppdage ned til 0,2 ppm fritt klor ved hjelp av strømningstester med en ekstra veke. Vær oppmerksom på at 0,2 ppm fritt klor forårsaket en synlig lilla fargetone på testen, men det er ikke mulig å bestemme en stiv deteksjonsgrense ved den visuelle inspeksjonen. For å gjøre dette, ville en større feltstudie som involverer flere utrente testere være nødvendig, som er utenfor omfanget av denne bevis-på-prinsipp-studien.

Cl2-forbruk av strømningstestunderlag

Som diskutert ovenfor, øker en strømningstestoppsetting vesentlig sensitiviteten til kloranalysen. Imidlertid er det også en ulempe med langvarig kontakt mellom analyt og test: de fleste sterke oksidasjonsmidler som fritt klor oksyderer ikke bare redoksfargestoffet, men samhandler også med de fleste potensielle substratmaterialer, inkludert cellulose som den viktigste molekylære komponenten i de brukte papirarkene 13. Spormengder av klor kan forbrukes ved reaksjon med substratmaterialet mens det strømmer til reaksjonssonen, noe som kan begrense følsomheten til 0,2 ppm fritt klor, samt øke feilen i den bestemte absolutte konsentrasjonen av klor. Sistnevnte blir et problem hvis det skal oppdages veldig små frie klorkonsentrasjoner. For å øke følsomheten så mye som mulig, må et mer oksidasjonsstabilt flyt substratmateriale velges, og stabiliteten til substratmaterialet mot oksidasjonsprosesser må vurderes.

Screening av oksidativ stabilitet ble utført av blande substratbiter med en 2 ppm kloroppløsning. Det gjenværende klorinnholdet i supernatanten for forskjellige tidsintervaller ble analysert fotometrisk etter DPD-farging. Figur 5a viser klortap av løsninger etter kontakt med forskjellige cellulosesubstrater. Bomullslinerpapiret 2992 fra Schleicher & Schüll, som ble brukt til alle testene som er presentert så langt, bruker en betydelig mengde klor. Allerede etter en kontakttid på noen minutter, som er nødvendig for at løsningen skal strømme gjennom en test, reagerte mer enn 0,5 ppm fritt klor med papiret. Svært rent, selvlaget lab-bomulls linterpapir og DBS-papiret fra Ahlstrom-Munksjö var vesentlig mer stabile enn 2992-papiret, noe som indikerer at noen tilsetningsstoffer i papir i 2992 kan være mer reaktive enn den rene cellulosen. Men som nevnt før, reagerer cellulose i seg selv også med klor, noe som fører til et forbruk på 0,5 ppm etter 60 minutters kontakt av klorløsningen med de rene bomullsskinnene.Foroksidering av cellulose med en konsentrert fri kloroppløsning i 4 timer økte ikke papirets stabilitet, da sannsynligvis bare en mindre brøkdel av hydroksylgrupper ble oksidert under denne behandlingen. En mer effektiv oksidativ behandling ved bruk av en TEMPO-katalysert oksidasjon hadde en betydelig innvirkning på stabiliteten til det lab-laget papiret: Overraskende nok ble dette pre-oksyderte papiret mer reaktivt mot klor, noe som kunne forklares med en økning i overflatearealet som utsatte hydroksylgrupper for oksidasjon. For å redusere den eksponerte overflaten av cellulose ble 2992 papir hornfestet ved å plassere det over natten ved 120 ° C i en ovn, noe som skulle resultere i irreversibel porelukking og vedheft av porevegger til hverandre28. Imidlertid økte også denne behandlingen reaktiviteten til papir ytterligere, noe som indikerer at overflateprosessene til cellulosefibre ennå ikke er godt forstått og trenger ytterligere undersøkelse utenfor omfanget av dette manuskriptet.

Den fotometriske screening tillater å sammenligne kloreaktiviteten til flere substrater, hvor forholdet mellom det valgte 12 mg substratet i kontakt med 1 ml 2 ppm kloroppløsning er ganske tilfeldig. En 9 cm lang og 0,5 cm bred strømningstest laget av 180 g / m² papir, slik som Schleicher & Schüll 2992-papir, veier 81 mg og veker omtrent 180 ul prøve, noe som ville resultere i et forhold på 450 mg papir for 1 ml analytoppløsning som strømmer gjennom testen. Hvis man vurderer at bare 0,5 cm-enden av en test har permanent kontakt med 0,5 ml kloroppløsning, kommer dette forholdet ned til 9 mg / ml, som er nær de valgte 12 mg / ml for screening. På grunn av denne store forskjellen mellom de to forutsetningene ble substratscreeningens relevans for testytelsen sjekket. Figur 5c viser bilder av strømningstester laget med de forskjellige papirsubstratene vist i figur 5a. Allerede analysen av 5 ppm kloroppløsning viser store forskjeller mellom substratene. Mens for de mer oksidasjonsstabile papirsubstratene alle 5 stripene i strekkodetesten er farget, viste de mer reaktive papirene som ble forbehandlet med TEMPO-katalysert oksidasjon eller hornfesting, mye mindre striper. Videre førte den kjemiske foroksydasjonen av bomullsforene til en betydelig økning av flytiden og dermed også kontakttiden for test- og analytoppløsningen. En liten intensitetsforskjell mellom de fargede stripene på 2992-papiret og de mer stabile alternative papirene ble sett når man analyserte 1 ppm klor. Men forskjellene her var mindre markante enn for de mindre stabile underlagene. Fra testresultatene til de forskjellige papirsubstratene blir det klart at klorstabilitetssiktingen er relevant for testytelsen, og at det trengs flere inerte underlag enn cellulosepapir for en flytest med svært lave deteksjonsgrenser.