Desempenho de testes de fluxo de Cl2 em comparação a um teste de imersão convencional
Primeiro, nós comparamos um teste de imersão de cloro disponível comercialmente da Merck com um teste de fluxo simples baseado em papel para investigar a influência geral de um fluxo conduzido por capilar na sensibilidade do teste, ou seja, para resolver a questão, se uma exposição prolongada do corante ao analito a solução leva a uma maior sensibilidade.
Para isso, uma ampla almofada de tinta SA foi impressa em um papel linters de algodão de 9 cm de comprimento sem quaisquer outros aditivos. A Figura 3 mostra que o mergulho da zona de reação desta tira de papel em uma solução de cloro 5 ppm leva a uma intensidade de cor comparável ao teste de mergulho comercial. Colocar o teste de fluxo, no entanto, apenas em uma pequena quantidade de solução de analito que não cobre a zona de reação imediatamente, mas flui por forças capilares dentro de 7–8 min até o final da tira de papel de 9 cm de comprimento, leva a uma cor claramente mais alta intensidade em comparação com o teste de mergulho disponível comercialmente. Além da intensidade da cor, a largura da almofada colorida também depende da concentração de cloro. Para uma melhor legibilidade, é útil utilizar uma bainha ao redor da tira de papel com uma abertura, conforme sugerido por Bauer et al.9, que o usuário foque na intensidade da cor para interpretar os resultados. Alternativamente, é possível imprimir uma almofada de tinta ainda mais ampla e usar uma leitura de detecção baseada na distância17,18,19. No entanto, a seção colorida não é homogênea e desbota no final, tornando seu comprimento difícil de medir. A impressão de linhas de corante separadas em um teste de fluxo de código de barras20,21,22,23 em vez de uma seção de corante, facilita a leitura a olho, pois tanto a intensidade da cor quanto o número de linhas podem ser comparados para análise semiquantitativa. A Figura 3 (inferior) mostra varreduras de tais testes de fluxo de código de barras com cinco linhas após o contato com diferentes soluções de cloro. Novamente, a cor do teste de fluxo é muito mais intensa do que no teste de imersão. Finalmente, a resolução com respeito a diferentes concentrações é aprimorada pela configuração do código de barras em comparação com um teste de fluxo simples. Portanto, esses resultados sugerem que um teste de fluxo baseado em papel leva a uma sensibilidade mais alta do que um teste de mergulho e, além disso, um teste de fluxo permite padrões de impressão mais complexos que podem simplificar uma análise semiquantitativa.
Imagens de tiras de teste de cloro livre comercial após 2 s de imersão em solução de cloro livre de 5 a 0,5 ppm em comparação com testes de fluxo de 9 cm de comprimento e testes de fluxo de código de barras após mergulho de 2 s em solução de 5 ppm ou após soluções de cloro livre de 0,5 a 5 ppm fluiu através do teste por aproximadamente 7:30 min ou 5:30 min, respectivamente. Observe que o menor tempo de fluxo para o teste de fluxo de código de barras em comparação com o teste de fluxo simples surge devido a uma mudança na orientação do papel para a direção mais rápida da máquina.
Enquanto 0,5 ppm de cloro mal pode ser detectado com o teste de imersão comercial, esta concentração é claramente visível para os testes de fluxo aqui propostos. Até agora, a tinta que consiste na tintura em etanol era simplesmente impressa em um papel de linters de algodão sem quaisquer aditivos adicionais. O pH é, por exemplo, especialmente importante para a oxidação de SA. Verificou-se que o pH é preferencialmente ajustado para 6,0 para aumentar a resposta de cor e a sensibilidade7,8. Assim, impregnamos o papel com uma solução tampão de fosfato de pH 5 ou 6. De fato, um claro aumento de intensidade foi observado para os testes tratados com tampão. No entanto, o aumento foi o mesmo para pH 5 e 6. Como a impregnação com tampão pH 6 dobrou o tempo de fluxo, pelo que o atraso devido ao tampão pH 5 foi inferior a um minuto, decidimos usar a impregnação com tampão pH 5 para testes adicionais para produzir resultados de teste o mais rápido e sensível possível (cf. Fig. 4, teste marcado com “5”). A sensibilidade dos testes de fluxo pode ser aumentada pelo processamento de volumes mais altos24, o que pode, por exemplo, ser alcançado por tiras de teste mais longas25, a almofada de amostra 26 mais larga ou uma almofada de absorção em forma de leque 27. Uma maneira ainda mais simples de aumentar a quantidade de amostra que passa pela zona de reação consiste na adição de um pavio após a zona de reação colada entre a tira de teste e o cartão de suporte (cf. Fig. 2e). Quando o mesmo material é usado para o pavio e a tira de teste, a capacidade de volume da amostra é duplicada para o comprimento do pavio. Como usamos mechas com metade do comprimento do teste de fluxo, 1,5 vezes o volume do analito é amostrados. A Figura 4a exibe testes após análise de 2 ppm ch solução de Lorine. Mais linhas de código de barras são coloridas para testes com mechas adicionais do que sem (Fig. 4a, teste marcado com “A”).Combinar o tampão e as almofadas de absorção leva a um maior número de linhas coloridas com cor mais intensa (Fig. 4a, teste marcado “5A”). Usar um mata-borrão extra espesso como um pavio (Fig. 4a, teste marcado “5B”) aumenta a quantidade de amostra analisada posteriormente (massas de amostra mencionadas na Fig. 4a). No entanto, um fluxo de amostra muito alto leva ao sangramento do corante e a resultados menos legíveis. Além disso, o tempo de fluxo foi substancialmente mais longo neste caso devido ao fluxo mais lento no papel absorvente.
(a) Imagens de testes de fluxo de código de barras após 2 ppm de solução de cloro livre fluindo através dos testes para o tempo abaixo do imagens. A massa escrita abaixo das imagens refere-se à quantidade de amostra absorvida pelo teste, que foi determinada por pesagem. O substrato para os testes marcados com “5” foi impregnado com tampão de pH 5 antes da impressão. Os testes marcados com “A” tinham um pavio adicional de 4,5 cm feito de papel Schleicher 2992 Schleicher & ( 430 µm de espessura, 180 g / m²), os testes marcados com “B” tiveram um pavio feito de papel mata-borrão Biorad (2,45 mm de espessura, 734 g / m²). (B) Intensidade do corante roxo SA na dependência da concentração de cloro extraído da primeira linha de testes, como mostrado exemplarmente para 2 ppm em (a). As linhas tracejadas foram integradas para orientação do olho e foram obtidas por um ajuste exponencial assintótico (y = a – bcx) dos conjuntos de dados.
A fim de comparar o efeito do buffer e do pavio adicional sobre a faixa detectável de cloro livre, o intensidade da cor púrpura da primeira linha foi extraída e plotada na Fig. 4b. Notavelmente, o aumento da intensidade da cor devido à impregnação do tampão é muito forte para alta concentração de cloro , mas insignificante para os graves mais interessantes. O efeito do aumento da intensidade da cor relacionado ao pavio é relativamente constante em toda a gama, embora Miller et al. descobriram que o aumento da sensibilidade devido ao aumento do volume da amostra é menor para baixas concentrações24. A melhoria devido ao pavio em nossa análise parece bastante pequena. No entanto, é importante para a extremidade inferior, pois a principal melhoria do pavio é o aumento do número de listras coloridas e não a intensidade da cor que é representada na Fig. 4b. Em conclusão, é na melhor das hipóteses possível detectar até 0,2 ppm de cloro livre usando testes de fluxo com um pavio adicional. Observe que 0,2 ppm de cloro livre causou uma tonalidade roxa visualmente observável no teste, mas não é possível determinar um limite rígido de detecção naquela inspeção visual. Para fazer isso, um estudo de campo maior envolvendo vários testadores não treinados seria necessário, o que está fora do escopo deste estudo de prova de princípio.
Consumo de Cl2 por substratos de teste de fluxo
Como discutido acima, uma configuração de teste de fluxo aumenta substancialmente a sensibilidade da análise de cloro. No entanto, há também uma desvantagem do contato prolongado entre o analito e o teste: a maioria dos agentes oxidantes fortes, como o cloro livre, não apenas oxidam o corante redox, mas também interagem com a maioria dos materiais de substrato em potencial, incluindo celulose como o principal componente molecular de as folhas de papel usadas13. Traços de cloro podem ser consumidos pela reação com o material de substrato enquanto flui para a zona de reação, o que pode limitar a sensibilidade a 0,2 ppm de cloro livre, bem como aumentar o erro da concentração absoluta de cloro determinada. Este último se torna um problema, se concentrações muito pequenas de cloro livre forem detectadas. A fim de aumentar a sensibilidade tanto quanto possível, um material de substrato de fluxo mais estável à oxidação deve ser selecionado e a estabilidade do material do substrato contra processos de oxidação precisa ser avaliada.
A triagem de estabilidade oxidativa foi conduzida por misturar pedaços de substrato com uma solução de cloro a 2 ppm. O conteúdo de cloro remanescente no sobrenadante para diferentes intervalos de tempo foi analisado fotometricamente após a coloração DPD. A Figura 5a mostra a perda de cloro das soluções após o contato com diferentes substratos de celulose. O papel de linters de algodão 2992 de Schleicher & Schüll, que foi usado em todos os testes apresentados até agora, consome uma quantidade substancial de cloro. Já após um tempo de contato de alguns minutos, necessários para que a solução flua por um teste, mais de 0,5 ppm de cloro livre reagiu com o papel. O papel linters de algodão de laboratório muito puro feito por você mesmo e o papel DBS da Ahlstrom-Munksjö eram substancialmente mais estáveis do que o papel 2992, o que indica que alguns aditivos de papel em 2992 podem ser mais reativos do que a celulose pura. Mas, como mencionado antes, a própria celulose também reage com o cloro levando a um consumo de 0,5 ppm após 60 minutos de contato da solução de cloro com os papéis de linters de algodão puro.A pré-oxidação da celulose com uma solução concentrada de cloro livre por 4 h não aumentou a estabilidade do papel, pois provavelmente apenas uma pequena fração dos grupos hidroxila foi oxidada durante este tratamento. Um tratamento oxidativo mais eficaz usando uma oxidação catalisada por TEMPO teve um efeito substancial na estabilidade do papel feito em laboratório: Surpreendentemente, este papel pré-oxidado tornou-se mais reativo em relação ao cloro, o que poderia ser explicado por um aumento da área de superfície expondo mais grupos hidroxila para oxidação. Para diminuir a área exposta da superfície de celulose, o papel 2992 foi endurecido colocando-o durante a noite a 120 ° C em um forno, o que deve resultar no fechamento irreversível dos poros e adesão das paredes dos poros entre si28. No entanto, este tratamento também aumentou a reatividade do papel, indicando que os processos de superfície das fibras de celulose ainda não são bem compreendidos e precisam de mais investigações além do escopo deste manuscrito.
(a, b) Perda de cloro devido entrar em contato com amostras de substrato ao longo do tempo em uma solução de cloro a 2 ppm (12 mg de substrato por ml de solução). A concentração de cloro foi determinada pela absorbância do DPD oxidado a 551 nm. “Em branco” representa a concentração da solução de cloro inicial no início e no final do experimento. (C) Imagens de testes de 9 cm de comprimento feitos de substratos de papel impregnados com tampão após 5 e 1 ppm de solução de cloro livre fluindo para o tempo dado abaixo do teste. (d) Imagens de testes de 9 cm de comprimento feitos de substratos alternativos não celulósicos sem impregnação de tampão após 5 ppm de solução de cloro livre fluida durante o tempo dado abaixo do teste. (a, c) As amostras consistem em os seguintes substratos de papel: Schleicher & Schüll 2992, Schleicher & Schüll 2992 hornified em um forno a 120 ° C, linters de algodão feitos em laboratório papel, papel de linters de algodão pré-oxidado com catalisador TEMPO, papel de linters de algodão pré-oxidado com cloro livre (Cl2) e papel DBS de Ahlstrom-Munksjö. (b, d) As amostras consistem nos seguintes substratos alternativos: PET substratos de Ahlstrom-Munksjö 6613 (PET puro), 6613 H (com surfactante) e d 6614 (com ligante), Spec-Wipe 3 da VWR com 45% poliéster e 55% celulose, fibra de vidro 691 da VWR e fibra de vidro MN 85/90 BF da Macherey-Nagel. O tempo de fluxo é fornecido abaixo de cada foto de teste. Observe que o tempo de fluxo para o papel Schleicher & Schüll 2992 é diferente para (c, d) porque em (c) o papel foi usado na direção transversal (7:30 min) e em (d) na direção da máquina (5:30 min), em que apenas o tempo de fluxo foi reduzido e a intensidade da cor não diminuiu significativamente. A diferença de intensidade de cor aqui se deve ao fato de que todos os testes mostrados em (c) foram impregnados com buffer antes da impressão, todos os testes em (d) não.
A triagem fotométrica permite comparar a reatividade do cloro de vários substratos, em que a proporção do substrato de 12 mg escolhido em contato com 1 ml de solução de cloro 2 ppm é bastante aleatória. Um teste de fluxo de 9 cm de comprimento e 0,5 cm de largura feito de papel de 180 g / m², como o papel Schleicher & Schüll 2992, pesa 81 mg e absorve cerca de 180 µl de amostra, o que seria resultar em uma proporção de 450 mg de papel para 1 ml de solução de analito que flui através do teste. Se considerarmos que apenas o final de 0,5 cm de um teste tem contato permanente com solução de cloro 0,5 ml, essa relação cai para 9 mg / ml, que se aproxima dos 12 mg / ml escolhidos para a triagem. Devido a esta grande diferença entre as duas suposições, a relevância da triagem do substrato para o desempenho do teste foi verificada. A Figura 5c mostra imagens de testes de fluxo feitos com os diferentes substratos de papel selecionados na Fig. 5a. Já a análise da solução de cloro 5 ppm mostra grandes diferenças entre os substratos. Enquanto para os substratos de papel mais estáveis à oxidação todas as 5 faixas do teste de código de barras são coloridas, os papéis mais reativos pré-tratados por oxidação catalisada por TEMPO ou hornificação mostraram muito menos faixas. Além disso, a pré-oxidação química dos linters de algodão levou a um aumento substancial do tempo de fluxo e, portanto, também do tempo de contato da solução de teste e analito. Uma pequena diferença de intensidade das listras coloridas no papel 2992 e nos papéis alternativos mais estáveis foi vista ao analisar 1 ppm de cloro. Mas as diferenças aqui foram menos pronunciadas do que para os substratos menos estáveis. A partir dos resultados dos testes dos diferentes substratos de papel, torna-se claro que a triagem da estabilidade do cloro é relevante para o desempenho do teste e que mais substratos inertes do que papel de celulose são necessários para um teste de fluxo com limites de detecção muito baixos.