Prestaties van Cl2-stromingstests in vergelijking met een conventionele dompeltest
Eerst vergeleken we een in de handel verkrijgbare dompeltest met vrij chloor van Merck met een eenvoudige op papier gebaseerde stromingstest om de algemene invloed van een capillair aangedreven stroming op de gevoeligheid van de test te onderzoeken, dwz om de vraag te beantwoorden of een langdurige blootstelling van de kleurstof aan de analyt oplossing leidt tot verhoogde gevoeligheid.
Daarvoor werd een brede pad met SA-inkt gedrukt op katoenlinterspapier van 9 cm lengte zonder verdere toevoegingen. Figuur 3 laat zien dat het dompelen van de reactiezone van deze papieren strook in een 5 ppm chlooroplossing leidt tot een kleurintensiteit vergelijkbaar met de commerciële dompeltest. Het plaatsen van de vloeitest echter alleen in een kleine hoeveelheid analytoplossing die de reactiezone niet onmiddellijk bedekt maar door capillaire krachten binnen 7-8 minuten naar het einde van de 9 cm lange papieren strook stroomt, leidt tot een duidelijk hogere kleur intensiteit vergeleken met de in de handel verkrijgbare diptest. Naast de kleurintensiteit is de breedte van de gekleurde pad ook afhankelijk van de chloorconcentratie. Voor een betere leesbaarheid is het handig om een omhulsel rond de papieren strook te gebruiken met een opening, zoals werd gesuggereerd door Bauer et al.9, dat de gebruiker zich concentreert op de kleurintensiteit om de resultaten te interpreteren. Als alternatief is het mogelijk om een nog breder kleurstofkussen te printen en een op afstand gebaseerde detectie-uitlezing te gebruiken17,18,19. Het gekleurde gedeelte is echter niet homogeen en vervaagt naar het einde toe, waardoor de lengte moeilijk te meten is. Afzonderlijke kleurstoflijnen afdrukken in een streepjescodestroomtest in plaats van één kleurstofgedeelte, vergemakkelijkt de uitlezing met het oog, aangezien zowel de kleurintensiteit als het aantal lijnen kan worden vergeleken voor semikwantitatieve analyse. Figuur 3 (onder) toont scans van dergelijke barcodestroomtests met vijf lijnen na contact met verschillende chlooroplossingen. Ook hier is de kleur van de vloeitest veel intenser dan die van de ondergedompelde test. Ten slotte wordt de resolutie met betrekking tot verschillende concentraties verbeterd door de barcode-instelling in vergelijking met een eenvoudige stroomtest. Daarom suggereren deze resultaten dat een op papier gebaseerde stroomtest tot een hogere gevoeligheid leidt dan een dompeltest, en bovendien maakt een stroomtest complexere afdrukpatronen mogelijk die een semi-kwantitatieve analyse kunnen vereenvoudigen.
Afbeeldingen van commerciële teststrips voor vrij chloor na 2 s onderdompeling in vrije chlooroplossing van 5 tot 0,5 ppm in vergelijking met 9 cm lange flowtests en barcode flow-tests na 2 s onderdompeling in 5 ppm oplossing of na oplossingen van 0,5 tot 5 ppm vrij chloor stroomde respectievelijk ongeveer 7:30 min of 5:30 min door de test. Houd er rekening mee dat de kortere doorlooptijd voor de streepjescodestroomtest in vergelijking met de eenvoudige vloeitest ontstaat door een verandering van de papieroriëntatie naar de snellere machinerichting.
Terwijl 0,5 ppm chloor nauwelijks kan worden gedetecteerd met de commerciële dompeltest, is deze concentratie duidelijk zichtbaar voor de hier voorgestelde vloeitesten. Tot dusverre werd de inkt bestaande uit de kleurstof in ethanol eenvoudigweg zonder verdere toevoegingen op katoenlinterspapier gedrukt. De pH is bijvoorbeeld vooral belangrijk voor de oxidatie van SA. Het bleek dat de pH bij voorkeur is ingesteld op 6,0 om zowel de kleurrespons als de gevoeligheid te verhogen7,8. Daarom hebben we het papier geïmpregneerd met een fosfaatbufferoplossing van pH 5 of 6. Er werd inderdaad een duidelijke intensiteitstoename waargenomen bij testen die met buffer waren behandeld. De toename was echter hetzelfde voor pH 5 en 6. Omdat impregneren met buffer pH 6 de uitlooptijd verdubbelde, waarbij de tijdvertraging vanwege buffer pH 5 minder dan een minuut was, hebben we besloten om pH 5 bufferimpregnering te gebruiken voor verdere tests om testresultaten zo snel en gevoelig mogelijk op te leveren (zie Fig. 4, test gemarkeerd met “5”). De gevoeligheid van flowtests kan verder worden verhoogd door grotere volumes24 te verwerken, wat bijvoorbeeld kan worden bereikt door langere teststrips25, een breder monsterkussen26 of een waaiervormig wicking-kussentje27 Een nog eenvoudiger manier om de hoeveelheid monster die de reactiezone passeert te vergroten, bestaat erin om na de reactiezone een lont toe te voegen tussen de teststrip en de steunkaart (cf. Fig. 2e). Wanneer hetzelfde materiaal wordt gebruikt voor de lont en de teststrip, wordt de capaciteit van het monstervolume verdubbeld voor de lengte van de lont. Omdat we lonten gebruiken die de helft van de lengte van de vloeitest zijn, is 1,5 keer het analytvolume bemonsterd Figuur 4a toont tests na analyse van 2 ppm ch lorine oplossing. Voor tests met extra lonten zijn meer streepjescodelijnen gekleurd dan zonder (Fig. 4a, test gemarkeerd met “A”).Het combineren van buffer- en wicking-kussentjes leidt tot een hoger aantal gekleurde lijnen met een intensere kleur (Fig. 4a, test gemarkeerd met “5A”). Het gebruik van een extra dik vloeipapier als lont (Fig. 4a, test gemarkeerd met “5B”) neemt toe de hoeveelheid monster die verder wordt geanalyseerd (monstermassa’s genoemd in Fig. 4a). Een te hoge monsterstroom leidt echter tot bloeding van de kleurstof en tot minder leesbare resultaten. Bovendien was de doorstroomtijd in dit geval aanzienlijk langer vanwege de langzamere stroom in het vlekpapier.
(a) Afbeeldingen van streepjescodestroomtests nadat 2 ppm vrije chlooroplossing door de tests stroomde gedurende de tijd onder de afbeeldingen. De massa die onder de afbeeldingen staat, heeft betrekking op de hoeveelheid monster die door de test is opgenomen, die werd bepaald door te wegen. Het substraat voor tests gemarkeerd met “5” werd voorafgaand aan het afdrukken geïmpregneerd met buffer pH 5. Tests gemarkeerd met “A” hadden een extra 4,5 cm lange lont gemaakt van 2992 Schleicher & Schüll-papier ( 430 µm dikte, 180 g / m²), testen gemarkeerd met “B” hadden een pit gemaakt van Biorad-vloeipapier (2,45 mm dikte, 734 g / m²). (B) Intensiteit van de paarse SA-kleurstof afhankelijk van de chloorconcentratie geëxtraheerd uit de eerste testlijn, zoals getoond als voorbeeld voor 2 ppm in (a). De stippellijnen werden geïntegreerd voor geleiding van het oog en werden verkregen door een asymptotische exponentiële fit (y = a – bcx) van de datasets. / p>
Om het effect van buffer en extra pit over het detecteerbare bereik van vrij chloor te vergelijken, intensiteit van de paarse kleur van de eerste regel werd geëxtraheerd en uitgezet in Fig. 4b. Opmerkelijk is dat de toename van de kleurintensiteit door bufferimpregnatie erg sterk is voor hoge chloorconcentraties , maar verwaarloosbaar voor de interessantere lage tonen. Het effect van de toename van de kleurintensiteit gerelateerd aan de pit is relatief constant over het volledige bereik, hoewel Miller et al. ontdekte dat de gevoeligheidstoename als gevolg van een groter monstervolume minder is voor lage concentraties24. De verbetering als gevolg van de pit in onze analyse lijkt vrij klein. Het is echter belangrijk voor de lage kant, aangezien de belangrijkste verbetering van de pit het toegenomen aantal gekleurde strepen is en niet de kleurintensiteit die is uitgezet in figuur 4b. Concluderend is het op zijn best mogelijk om tot 0,2 ppm vrij chloor te detecteren met behulp van vloeitesten met een extra pit. Houd er rekening mee dat 0,2 ppm vrij chloor een visueel waarneembare paarse tint veroorzaakte bij de test, maar het is niet mogelijk om een starre detectielimiet vast te stellen bij die visuele inspectie. Om dit te doen, zou een grotere veldstudie met meerdere ongetrainde testers nodig zijn, die buiten het bereik van deze proof-of-principle-studie valt.
Cl2-verbruik door flowtestsubstraten
Zoals hierboven besproken, verhoogt een stroomtestopstelling de gevoeligheid van de chlooranalyse aanzienlijk. Er is echter ook een nadeel van het langdurige contact tussen analyt en test: de meeste sterke oxidatiemiddelen, zoals vrij chloor, oxideren niet alleen de redox-kleurstof, maar hebben ook een wisselwerking met de meeste potentiële substraatmaterialen, waaronder cellulose als de belangrijkste moleculaire component van de gebruikte vellen papier 13. Sporenhoeveelheden chloor kunnen worden verbruikt door reactie met het substraatmateriaal terwijl het naar de reactiezone stroomt, wat de gevoeligheid kan beperken tot 0,2 ppm vrij chloor, en ook de fout van de bepaalde absolute chloorconcentratie kan vergroten. Dit laatste wordt een probleem als er zeer kleine concentraties vrij chloor moeten worden gedetecteerd. Om de gevoeligheid zoveel mogelijk te verhogen, moet een oxidatiestabiel substraatmateriaal worden geselecteerd en moet de stabiliteit van het substraatmateriaal tegen oxidatieprocessen worden geëvalueerd.
Screening op oxidatieve stabiliteit werd uitgevoerd door het mengen van substraatstukken met een 2 ppm chlooroplossing. Het resterende chloorgehalte in het supernatant voor verschillende tijdsintervallen werd fotometrisch geanalyseerd na DPD-kleuring. Figuur 5a toont het chloorverlies van oplossingen na contact met verschillende cellulosesubstraten. Het katoenlinterspapier 2992 van Schleicher & Schüll, dat werd gebruikt voor alle tot dusver gepresenteerde tests, verbruikt een aanzienlijke hoeveelheid chloor. Al na een contacttijd van enkele minuten, die nodig zijn om de oplossing door een test te laten stromen, reageerde meer dan 0,5 ppm vrij chloor met het papier. Zeer zuiver zelfgemaakt lab-katoenlinterspapier en het DBS-papier van Ahlstrom-Munksjö waren aanzienlijk stabieler dan het 2992-papier, wat aangeeft dat sommige papieradditieven in 2992 reactiever zijn dan de pure cellulose. Maar zoals eerder vermeld, reageert cellulose zelf ook met chloor, wat leidt tot een verbruik van 0,5 ppm na 60 minuten contact van de chlooroplossing met het zuivere katoenlinterspapier.Het vooraf oxideren van cellulose met een geconcentreerde oplossing van vrij chloor gedurende 4 uur verhoogde de stabiliteit van het papier niet aangezien waarschijnlijk slechts een kleine fractie van hydroxylgroepen tijdens deze behandeling werd geoxideerd. Een effectievere oxidatieve behandeling met behulp van een door TEMPO gekatalyseerde oxidatie had een aanzienlijk effect op de stabiliteit van het in het laboratorium vervaardigde papier: verrassend genoeg werd dit voorgeoxideerde papier reactiever ten opzichte van chloor, wat kan worden verklaard door een toename van het oppervlak waardoor meer hydroxylgroepen voor oxidatie. Om het blootgestelde celluloseoppervlak te verkleinen, werd 2992-papier gehoornd door het een nacht bij 120 ° C in een oven te plaatsen, wat zou moeten resulteren in onomkeerbare poriënsluiting en adhesie van poriewanden aan elkaar28. Maar ook deze behandeling verhoogde de reactiviteit van papier verder, wat aangeeft dat de oppervlakteprocessen van cellulosevezels nog niet goed worden begrepen en verder onderzoek behoeven buiten het bestek van dit manuscript.
(a, b) Chloorverlies als gevolg in contact komen met substraatmonsters in een 2 ppm chlooroplossing (12 mg substraat per ml oplossing). De chloorconcentratie werd bepaald door de absorptie van de geoxideerde DPD bij 551 nm. “Blank” staat voor de concentratie van de oorspronkelijke chlooroplossing aan het begin en het einde van het experiment. (C) Afbeeldingen van 9 cm lange tests gemaakt van buffergeïmpregneerde papiersubstraten nadat er 5 en 1 ppm vrije chlooroplossing doorheen was gestroomd voor de tijd vermeld onder de test. (d) Afbeeldingen van 9 cm lange tests gemaakt van alternatieve, niet-cellulosehoudende substraten zonder bufferimpregnering nadat 5 ppm vrije chlooroplossing doorstroomde gedurende de tijd die onder de test werd vermeld. (a, c) Monsters bestaan uit de volgende papiersubstraten: Schleicher & Schüll 2992, Schleicher & Schüll 2992 gehoornd in een oven op 120 ° C, katoenen linters van laboratoriumkwaliteit papier, TEMPO-gekatalyseerd, voorgeoxideerd, laboratoriumgemaakt katoenlinterspapier, vrij chloor, voorgeoxideerd, laboratoriumgemaakt katoenlinterspapier (Cl2) en DBS-papier van Ahlstrom-Munksjö. (b, d) Monsters bestaan uit de volgende alternatieve substraten: PET substraten van Ahlstrom-Munksjö 6613 (puur PET), 6613 H (met oppervlakteactieve stof) en d 6614 (met bindmiddel), Spec-Wipe 3 van VWR met 45% polyester en 55% cellulose, glasvezel 691 van VWR en glasvezel MN 85/90 BF van Macherey-Nagel. De doorlooptijd staat onder elke testfoto vermeld. Houd er rekening mee dat de doorlooptijd voor het Schleicher & Schüll 2992-papier anders is voor (c, d) omdat in (c) het papier in dwarsrichting werd gebruikt (7:30 min) en in (d) in machinerichting (5:30 min), waarbij alleen de vloeitijd werd verminderd, en de kleurintensiteit niet significant afnam. Het verschil in kleurintensiteit is hier te wijten aan het feit dat alle tests getoond in (c) voorafgaand aan het afdrukken zijn geïmpregneerd met buffer, alle tests in (d) niet.
De fotometrische screening laat toe om de chloorreactiviteit van verschillende substraten te vergelijken, waarbij de verhouding van het gekozen 12 mg substraat in contact met 1 ml 2 ppm chlooroplossing nogal willekeurig is. Een 9 cm lange en 0,5 cm brede vloeitest gemaakt van 180 g / m² papier, zoals het Schleicher & Schüll 2992-papier, weegt 81 mg en voert een monster van ongeveer 180 µl af. resulteren in een verhouding van 450 mg papier voor 1 ml analytoplossing die door de test stroomt. Als men bedenkt dat alleen het uiteinde van 0,5 cm van een test permanent contact heeft met 0,5 ml chlooroplossing, komt deze verhouding neer op 9 mg / ml, wat dicht bij de gekozen 12 mg / ml voor de screening ligt. Vanwege dit grote verschil tussen de twee aannames werd de relevantie van de substraatscreening voor de testprestatie gecontroleerd. Figuur 5c toont afbeeldingen van stroomtesten gemaakt met de verschillende papiersubstraten die in figuur 5a zijn gescreend. Reeds de analyse van 5 ppm chlooroplossing laat grote verschillen tussen de substraten zien. Terwijl voor de meer oxidatiestabiele papiersubstraten alle 5 strepen van de barcodetest gekleurd zijn, vertoonden de reactievere papiersoorten die voorbehandeld waren door middel van TEMPO-gekatalyseerde oxidatie of hoornvorming veel minder strepen. Verder leidde de chemische vooroxidatie van de katoenlinters tot een aanzienlijke verlenging van de uitlooptijd en daarmee ook de contacttijd van test- en analytoplossing. Een klein intensiteitsverschil tussen de gekleurde strepen op het 2992-papier en de stabielere alternatieve papiersoorten werd gezien bij analyse van 1 ppm chloor. Maar de verschillen waren hier minder uitgesproken dan bij de minder stabiele substraten. Uit de testresultaten van de verschillende papiersubstraten wordt duidelijk dat de chloorstabiliteitsscreening relevant is voor de testprestatie en dat er meer inerte substraten dan cellulosepapier nodig zijn voor een vloeitest met zeer lage detectielimieten.