Wyniki testów przepływu Cl2 w porównaniu z konwencjonalnym testem zanurzeniowym
Najpierw porównaliśmy dostępny w handlu test zanurzeniowy w wolnym chlorze firmy Merck z prostym testem przepływu na papierze w celu zbadania ogólnego wpływu przepływu napędzanego kapilarami na czułość testu, tj. w celu odpowiedzi na pytanie, czy przedłużona ekspozycja barwnika na analit rozwiązanie prowadzi do zwiększonej czułości.
W tym celu na bawełnianym papierze lintersowym o długości 9 cm wydrukowano szeroki tampon atramentu SA bez żadnych dodatkowych dodatków. Rysunek 3 pokazuje, że zanurzenie strefy reakcyjnej tego paska papieru w 5 ppm roztworze chloru prowadzi do intensywności koloru porównywalnej z komercyjnym testem zanurzeniowym. Jednak umieszczenie testu przepływu tylko w niewielkiej ilości roztworu analitu, który nie pokrywa natychmiast strefy reakcji, ale przepływa pod wpływem sił kapilarnych w ciągu 7-8 minut do końca paska papieru o długości 9 cm, prowadzi do wyraźnie wyższego koloru intensywność w porównaniu z dostępnym na rynku testem zanurzeniowym. Oprócz intensywności koloru szerokość kolorowej podkładki zależy również od stężenia chloru. Dla lepszej czytelności pomocne jest zastosowanie osłony wokół paska papieru z aperturą, jak zasugerowali Bauer i wsp.9, aby użytkownik skupił się na intensywności koloru, aby zinterpretować wyniki. Alternatywnie możliwe jest wydrukowanie jeszcze szerszego tamponu barwnikowego i użycie odczytu wykrywania na podstawie odległości17,18,19. Jednak kolorowy odcinek nie jest jednorodny i blaknie pod koniec, co utrudnia zmierzenie jego długości. Drukowanie oddzielnych linii barwnika w teście przepływu kodu kreskowego20,21,22,23 zamiast jednej sekcji barwnika ułatwia odczyt wzrokowy, ponieważ zarówno intensywność koloru, jak i liczba linii można porównać do analizy półilościowej. Rysunek 3 (na dole) przedstawia skany takich testów przepływu kodu kreskowego z pięcioma liniami po kontakcie z różnymi roztworami chloru. Ponownie, kolor w teście płynięcia jest dużo bardziej intensywny niż w teście zanurzeniowym. Wreszcie, rozdzielczość w odniesieniu do różnych stężeń jest zwiększona przez konfigurację kodu kreskowego w porównaniu z prostym testem przepływu. Stąd te wyniki sugerują, że test przepływu na papierze prowadzi do wyższej czułości niż test zanurzeniowy, a dodatkowo test przepływu pozwala na bardziej złożone wzory drukowania, co może uprościć analizę półilościową.
Obrazy komercyjnych pasków testowych wolnego chloru po 2 sekundach zanurzenia w roztworze wolnego chloru od 5 do 0,5 ppm w porównaniu do testów przepływu o długości 9 cm i testów przepływu z kodem kreskowym po 2 sekundach zanurzenia w roztworze 5 ppm lub po roztworach 0,5 do 5 ppm wolnego chloru przepływały przez test odpowiednio przez około 7:30 min lub 5:30 min. Należy pamiętać, że krótszy czas przepływu dla testu przepływu kodu kreskowego w porównaniu z prostym testem przepływu wynika ze zmiany orientacji papieru w kierunku szybszego kierunku maszyny.
Chociaż 0,5 ppm chloru można wykryć ledwo za pomocą komercyjnego testu zanurzeniowego, to stężenie jest wyraźnie widoczne dla proponowanych tutaj testów przepływu. Do tej pory tusz składający się z barwnika w etanolu był po prostu drukowany na bawełnianym papierze linters bez żadnych dalszych dodatków. Na przykład pH jest szczególnie ważne dla utleniania SA. Stwierdzono, że pH jest korzystnie ustawione na 6,0, aby zwiększyć zarówno odpowiedź barwną, jak i czułość7,8. W związku z tym zaimpregnowaliśmy papier roztworem buforu fosforanowego o pH 5 lub 6. Rzeczywiście, zaobserwowano wyraźny wzrost intensywności dla testów traktowanych buforem. Jednak wzrost był taki sam dla pH 5 i 6. Ponieważ impregnacja buforem o pH 6 podwoiła czas przepływu, przy czym opóźnienie związane z pH buforu 5 było mniejsze niż minuta, zdecydowaliśmy się użyć do dalszych testów impregnacji buforem o pH 5 w celu uzyskania wyników testów tak szybko i precyzyjnie, jak to tylko możliwe (por. rys. 4, test oznaczony „5”). Czułość testów przepływu można dodatkowo zwiększyć, przetwarzając większe objętości24, co można osiągnąć na przykład poprzez dłuższe paski testowe25, a szersza podkładka na próbkę 26 lub wachlarzowa wkładka odprowadzająca wilgoć 27. Jeszcze prostszy sposób na zwiększenie ilości próbki przechodzącej przez strefę reakcji polega na dodaniu knota za strefą reakcji wklejonego między pasek testowy a kartę spodnią (por. Rys. 2e) .Gdy ten sam materiał jest używany do knota i paska testowego, objętość próbki jest podwojona dla długości knota. Ponieważ używamy knotów o połowę długości testu przepływu, 1,5-krotna objętość analitu jest Rysunek 4a przedstawia testy po analizie 2 ppm ch roztwór loryny. Więcej linii kodu kreskowego jest kolorowanych do testów z dodatkowymi knotami niż bez (rys. 4a, test oznaczony „A”).Połączenie podkładek buforowych i odprowadzających wilgoć prowadzi do większej liczby kolorowych linii o bardziej intensywnym kolorze (ryc. 4a, test oznaczony „5A”). Stosowanie bardzo grubego bibuły jako knota (ryc. 4a, test oznaczony „5B”) zwiększa ilość próbki poddawanej dalszej analizie (masy próbek podane na rys. 4a). Jednak zbyt duży przepływ próbki prowadzi do wyciekania barwnika i mniej czytelnych wyników. Ponadto czas przepływu był w tym przypadku znacznie dłuższy ze względu na wolniejszy przepływ w bibule.
(a) Obrazy testów przepływu kodu kreskowego po przepływie 2 ppm roztworu wolnego chloru przez testy przez czas poniżej zdjęcia. Masa zapisana pod obrazami odnosi się do ilości próbki zaabsorbowanej przez test, która została określona przez zważenie. Podłoże do testów oznaczonych „5” zostało zaimpregnowane przed drukowaniem buforem o pH 5. Testy oznaczone „A” miały dodatkowy knot o długości 4,5 cm wykonany z papieru 2992 Schleicher & Schüll ( Grubość 430 µm, 180 g / m²), testy oznaczone „B” miały knot wykonany z bibuły Biorad (grubość 2,45 mm, 734 g / m²). (B) Intensywność fioletowego barwnika SA w zależności od stężenia chloru wyodrębniono z pierwszej linii testów, takich jak pokazano przykładowo dla 2 ppm w (a). Linie przerywane zostały zintegrowane dla orientacji oka i zostały uzyskane przez asymptotyczne dopasowanie wykładnicze (y = a – bcx) zbiorów danych.
W celu porównania efektu bufora i dodatkowego knota w wykrywalnym zakresie wolnego chloru, intensywność fioletowego koloru pierwszej linii została wyekstrahowana i naniesiona na rys. 4b. Co ciekawe, wzrost intensywności koloru w wyniku impregnacji buforem jest bardzo silny przy wysokim stężeniu chloru , ale pomijalne dla bardziej interesującego dołu. Efekt wzrostu intensywności koloru związany z knotem jest stosunkowo stały w całym zakresie, chociaż Miller i in. stwierdzili, że wzrost czułości spowodowany zwiększoną objętością próbki jest mniejszy dla niskich stężeń24. Poprawa wynikająca z knota w naszej analizie wydaje się niewielka. Jest to jednak ważne dla dolnego końca, ponieważ główną poprawą knota jest zwiększona liczba kolorowych pasków, a nie intensywność koloru, która jest wykreślona na rys. 4b. Podsumowując, najlepiej jest wykryć do 0,2 ppm wolnego chloru za pomocą testów przepływu z dodatkowym knotem. Należy pamiętać, że 0,2 ppm wolnego chloru spowodowało wizualnie obserwowalny purpurowy odcień w teście, ale nie jest możliwe ustalenie sztywnej granicy wykrywalności podczas tej kontroli wzrokowej. Aby to zrobić, konieczne byłoby większe badanie terenowe z udziałem wielu nieprzeszkolonych testerów, które wykracza poza zakres tego badania weryfikacyjnego.
Zużycie Cl2 przez substraty do testów przepływu
Jak omówione powyżej, konfiguracja testu przepływu znacznie zwiększa czułość analizy chloru. Istnieje jednak również wada przedłużonego kontaktu między analitem a badanym: większość silnych środków utleniających, takich jak wolny chlor, nie tylko utlenia barwnik redoks, ale także oddziałuje z większością potencjalnych materiałów podłoża, w tym z celulozą jako głównym składnikiem molekularnym zużyte arkusze papieru 13. Śladowe ilości chloru mogą zostać zużyte w wyniku reakcji z materiałem podłoża podczas dopływu do strefy reakcji, co może ograniczyć czułość do 0,2 ppm wolnego chloru, a także zwiększyć błąd wyznaczonego bezwzględnego stężenia chloru. To ostatnie staje się problemem, jeśli mają zostać wykryte bardzo małe stężenia wolnego chloru. Aby maksymalnie zwiększyć czułość, należy wybrać bardziej odporny na utlenianie płynny materiał podłoża i ocenić stabilność materiału podłoża w stosunku do procesów utleniania.
Badanie stabilności oksydacyjnej zostało przeprowadzone przez mieszanie kawałków substratu z 2 ppm roztworem chloru. Pozostałą zawartość chloru w supernatancie w różnych odstępach czasu analizowano fotometrycznie po barwieniu DPD. Rysunek 5a przedstawia utratę chloru roztworów po kontakcie z różnymi substratami celulozowymi. Papier linters bawełniany 2992 firmy Schleicher & Schüll, który był używany we wszystkich dotychczas przedstawionych testach, zużywa znaczną ilość chloru. Już po kilku minutach kontaktu, które są potrzebne, aby roztwór przepłynął przez test, z papierem przereagowało więcej niż 0,5 ppm wolnego chloru. Bardzo czysty papier linters z bawełny laboratoryjnej i papier DBS z Ahlstrom-Munksjö były znacznie bardziej stabilne niż papier 2992, co wskazuje, że niektóre dodatki do papieru w 2992 mogą być bardziej reaktywne niż czysta celuloza. Ale jak wspomniano wcześniej, sama celuloza reaguje również z chlorem, prowadząc do zużycia 0,5 ppm po 60 minutach kontaktu roztworu chloru z czystymi papierami bawełnianymi.Wstępne utlenianie celulozy stężonym roztworem wolnego chloru przez 4 godziny nie zwiększyło stabilności papieru, ponieważ prawdopodobnie tylko niewielka część grup hydroksylowych została utleniona podczas tej obróbki. Bardziej skuteczna obróbka oksydacyjna przy użyciu utleniania katalizowanego TEMPO miała istotny wpływ na stabilność papieru laboratoryjnego: Co zaskakujące, ten wstępnie utleniony papier stał się bardziej reaktywny w stosunku do chloru, co można wyjaśnić zwiększeniem powierzchni odsłaniającej więcej grupy hydroksylowe do utleniania. Aby zmniejszyć odsłoniętą powierzchnię celulozy, papier 2992 został zrogowaciały przez umieszczenie go na noc w temperaturze 120 ° C w piecu, co powinno spowodować nieodwracalne zamknięcie porów i sklejenie ścian porów ze sobą28. Jednak również ta obróbka dodatkowo zwiększyła reaktywność papieru, co wskazuje, że procesy powierzchniowe włókien celulozowych nie są jeszcze dobrze poznane i wymagają dalszych badań wykraczających poza zakres tego manuskryptu.
(a, b) Z powodu utraty chloru do kontaktu z próbkami substratu w czasie w roztworze chloru 2 ppm (12 mg substratu na ml roztworu). Stężenie chloru określono na podstawie absorbancji utlenionego DPD przy 551 nm. „Ślepa” oznacza stężenie początkowego roztworu chloru na początku i na końcu doświadczenia. (C) Obrazy testów o długości 9 cm wykonanych z podłoży papierowych impregnowanych buforem po przepłynięciu 5 i 1 ppm roztworu wolnego chloru do czas podany poniżej testu. (d) Obrazy testów o długości 9 cm wykonanych z alternatywnych, niecelulozowych podłoży bez impregnacji buforowej po przepłynięciu 5 ppm roztworu wolnego chloru przez czas podany poniżej testu. (a, c) Próbki składają się z: następujące podłoża papierowe: Schleicher & Schüll 2992, Schleicher & Schüll 2992 zrogowaciały w piecu w temperaturze 120 ° C, linters z bawełny laboratoryjnej papier, wstępnie utleniony laboratoryjnie utleniony papier bawełniany z katalizatorem TEMPO, wstępnie utleniony wolny chlor papier bawełniany z produkcji laboratoryjnej (Cl2) i papier DBS firmy Ahlstrom-Munksjö. (b, d) Próbki składają się z następujących alternatywnych substratów: PET podłoża z Ahlstrom-Munksjö 6613 (czysty PET), 6613 H (z surfaktantem) d 6614 (ze spoiwem), Spec-Wipe 3 firmy VWR z 45% poliestru i 55% celulozy, włókna szklanego 691 firmy VWR i włókna szklanego MN 85/90 BF firmy Macherey-Nagel. Czas przepływu jest podany poniżej każdego zdjęcia testowego. Należy pamiętać, że czas przepływu papieru Schleicher & Schüll 2992 jest inny dla (c, d), ponieważ w (c) papier był używany w kierunku poprzecznym (7:30 min) oraz w (d) w kierunku maszynowym (5:30 min), przy czym tylko czas przepływu został skrócony, a intensywność koloru nie zmniejszyła się znacząco. Różnica w intensywności koloru w tym miejscu wynika z faktu, że wszystkie testy przedstawione w (c) zostały zaimpregnowane buforem przed drukowaniem, a wszystkie testy z (d) nie.
Fotometryczne badanie przesiewowe pozwala na porównanie reaktywności chloru kilku substratów, przy czym stosunek wybranego substratu 12 mg w kontakcie z 1 ml 2 ppm roztworu chloru jest raczej przypadkowy. Test płynięcia o długości 9 cm i szerokości 0,5 cm wykonany z papieru 180 g / m², takiego jak papier Schleicher & Schüll 2992, waży 81 mg i knotuje próbkę około 180 µl, co daje stosunek 450 mg papieru do 1 ml roztworu analitu przepływającego przez test. Jeśli weźmie się pod uwagę, że tylko koniec testu o średnicy 0,5 cm ma stały kontakt z 0,5 ml roztworu chloru, stosunek ten spada do 9 mg / ml, co jest zbliżone do 12 mg / ml wybranych do badania przesiewowego. Ze względu na tę dużą różnicę między dwoma założeniami sprawdzono znaczenie przesiewania podłoża dla wykonania testu. Rysunek 5c przedstawia obrazy testów płynięcia wykonanych na różnych podłożach papierowych przesiewanych na Rys. 5a. Już analiza 5 ppm roztworu chloru wskazuje na duże różnice między substratami. Podczas gdy w przypadku podłoży papierowych bardziej odpornych na utlenianie wszystkie 5 pasków testu z kodem kreskowym jest zabarwionych, bardziej reaktywne papiery poddane obróbce wstępnej przez utlenianie katalizowane TEMPO lub zacieranie wykazywały znacznie mniej pasków. Ponadto chemiczne utlenianie wstępne lintersów bawełnianych doprowadziło do znacznego wydłużenia czasu przepływu, a tym samym również czasu kontaktu roztworu badanego i analitu. Niewielką różnicę intensywności kolorowych pasków na papierze 2992 i bardziej stabilnych papierach alternatywnych zaobserwowano podczas analizy 1 ppm chloru. Ale tutaj różnice były mniej wyraźne niż w przypadku mniej stabilnych podłoży. Z wyników badań różnych podłoży papierowych jasno wynika, że badanie stabilności chloru jest istotne dla wykonania testu i że do testu płynięcia z bardzo niskimi granicami wykrywalności potrzebne są podłoża bardziej obojętne niż papier celulozowy.