Performanța testelor de debit Cl2 în comparație cu un test de dip convențional
În primul rând, am comparat un test gratuit de comercializare a clorului disponibil de la Merck cu un test simplu de debit pe bază de hârtie pentru a investiga influența generală a unui debit condus capilar asupra sensibilității testului, adică pentru a aborda întrebarea, dacă o expunere prelungită a colorantului la analit soluția duce la o sensibilitate sporită.
Pentru aceasta, un tampon larg de cerneală SA a fost tipărit pe o hârtie de bumbac de 9 cm lungime, fără alți aditivi. Figura 3 arată că scufundarea zonei de reacție a acestei benzi de hârtie într-o soluție de clor de 5 ppm duce la o intensitate a culorii comparabilă cu testul comercial de scufundare. Totuși, plasarea testului de curgere numai într-o cantitate mică de soluție de analit care nu acoperă imediat zona de reacție, dar curge prin forțe capilare în decurs de 7-8 minute până la capătul benzii de hârtie lungă de 9 cm, duce la o culoare clar mai mare intensitate comparativ cu testul dip disponibil comercial. Lângă intensitatea culorii, lățimea tamponului colorat depinde și de concentrația de clor. Pentru o mai bună lizibilitate, este util să folosiți o teacă în jurul benzii de hârtie cu o deschidere, așa cum a fost sugerat de Bauer și colab.9, că utilizatorul se concentrează pe intensitatea culorii pentru a interpreta rezultatele. Alternativ, este posibil să imprimați un tampon de vopsire și mai larg și să utilizați o citire de detecție bazată pe distanță17,18,19. Cu toate acestea, secțiunea colorată nu este omogenă și se estompează spre final, făcând lungimea sa greu de măsurat. Imprimarea liniilor de vopsire separate într-un test de flux de coduri de bare 20,21,22,23 în loc de o secțiune de vopsea, facilitează citirea prin ochi, deoarece intensitatea culorii și numărul de linii pot fi comparate pentru analiza semicantitativă. Figura 3 (jos) prezintă scanări ale unor astfel de teste de curgere a codului de bare cu cinci linii după contactul cu diferite soluții de clor. Din nou, culoarea testului de curgere este mult mai intensă decât a testului scufundat. În cele din urmă, rezoluția cu privire la diferite concentrații este îmbunătățită prin configurarea codului de bare în comparație cu un test de flux simplu. Prin urmare, aceste rezultate sugerează că un test de flux pe hârtie duce la o sensibilitate mai mare decât un test de scufundare și, în plus, un test de flux permite modele de imprimare mai complexe care pot simplifica o analiză semi-cantitativă.
Imagini de benzi comerciale de testare a clorului liber după scufundare de 2 s în soluție de clor liber de 5 până la 0,5 ppm în comparație cu testele de debit lung de 9 cm și teste de flux de coduri de bare după scufundare de 2 s în soluție de 5 ppm sau după soluții de 0,5 până la 5 ppm de clor liber a trecut prin test timp de aproximativ 7:30 min sau respectiv 5:30 min. Vă rugăm să rețineți că timpul de curgere mai scurt pentru testul de flux al codului de bare în comparație cu testul de flux simplu apare datorită schimbării orientării hârtiei spre direcția mai rapidă a mașinii.
În timp ce 0,5 ppm de clor abia poate fi detectat doar cu testul comercial, această concentrație este clar vizibilă pentru testele de flux propuse prin prezenta. Până în prezent, cerneala constând din colorant în etanol a fost tipărită pur și simplu pe o hârtie de scame de bumbac fără alți aditivi. De exemplu, pH-ul este deosebit de important pentru oxidarea SA. S-a constatat că pH-ul este de preferință setat la 6,0 pentru a crește atât răspunsul de culoare, cât și sensibilitatea7,8. Prin urmare, am impregnat hârtia cu o soluție tampon de fosfat cu pH 5 sau 6. Într-adevăr, a fost observată o creștere clară a intensității pentru testele tratate cu tampon. Cu toate acestea, creșterea a fost aceeași pentru pH 5 și 6. Deoarece impregnarea cu tampon pH 6 a dublat timpul de curgere, prin care întârzierea datorată tamponului pH 5 a fost mai mică de un minut, am decis să folosim impregnarea tamponului pH 5 pentru teste suplimentare pentru a obține rezultate de testare cât mai rapide și sensibile posibil (cf. Fig. 4, testul marcat cu „5”). Sensibilitatea testelor de curgere poate fi crescută în continuare prin procesarea unor volume mai mari24, care poate fi realizată de exemplu prin benzi de testare mai lungi25, a tampon de eșantion mai larg 26 sau un tampon de absorbție în formă de evantai 27. O modalitate chiar mai simplă de a crește cantitatea de eșantion care trece prin zona de reacție, constă în adăugarea unui fitil după zona de reacție lipită între banda de testare și cardul de sprijin (cf. Fig. 2e). Când se folosește același material pentru fitil și bandă de testare, capacitatea volumului eșantionului este dublată pentru lungimea fitilului. Pe măsură ce folosim fitile la jumătate din lungimea testului de flux, 1,5 ori din volumul analitului este Figura 4a afișează testele după analiza a 2 ppm ch soluție de lorină. Mai multe linii de coduri de bare sunt colorate pentru testele cu fitile suplimentare decât fără (Fig. 4a, testul marcat „A”).Combinarea tampoanelor și tampoanelor de absorbție duce la un număr mai mare de linii colorate cu o culoare mai intensă (Fig. 4a, testul marcat „5A”). Folosirea unei hârtii groase ca un fitil (Fig. 4a, testul marcat „5B”) crește cantitatea de eșantion analizată în continuare (masele eșantionului menționate în Fig. 4a). Cu toate acestea, un debit prea mare al probei duce la sângerarea colorantului și la rezultate mai puțin lizibile. Mai mult, timpul de curgere a fost substanțial mai mare în acest caz, din cauza fluxului mai lent în hârtie.
(a) Imagini ale testelor de curgere a codului de bare după 2 ppm soluție de clor liber a trecut prin teste pentru timpul de mai jos imagini. Masa scrisă sub imagini se referă la cantitatea de probă absorbită de test, care a fost determinată prin cântărire. Substratul pentru testele marcate cu „5” a fost impregnat cu tampon pH 5 înainte de tipărire. Testele marcate cu „A” aveau o fitilă suplimentară de 4,5 cm din 2992 Schleicher & hârtie Schüll ( 430 µm grosime, 180 g / m²), testele marcate cu „B” au avut un fitil realizat din hârtie de șters Biorad (2,45 mm grosime, 734 g / m²). (B) Intensitatea colorantului SA purpuriu în funcție de concentrația de clor extrase din prima linie de teste, cum ar fi exemplificativ pentru 2 ppm în (a). Liniile punctate au fost integrate pentru ghidarea ochiului și au fost obținute printr-o potrivire exponențială asimptotică (y = a – bcx) a seturilor de date.
Pentru a compara efectul tamponului și a fitilului suplimentar în intervalul detectabil de clor liber, intensitatea culorii purpurii a primei linii a fost extrasă și reprezentată grafic în Fig. 4b. În mod remarcabil, intensitatea culorii crește datorită impregnării tamponului este foarte puternică pentru o concentrație mare de clor , dar neglijabil pentru low-ul mai interesant. Efectul creșterii intensității culorii legat de fitil este relativ constant pe toată gama, deși Miller și colab. a constatat că sensibilitatea crește datorită volumului crescut al eșantionului este mai mică pentru concentrații scăzute24. Îmbunătățirea datorată fitilului din analiza noastră pare destul de mică. Cu toate acestea, este important pentru capătul scăzut, deoarece îmbunătățirea principală a fitilului este numărul crescut de dungi colorate și nu intensitatea culorii, care este reprezentată în figura 4b. În concluzie, este cel mai bine posibil să se detecteze până la 0,2 ppm clor liber folosind teste de curgere cu un fitil suplimentar. Vă rugăm să rețineți că 0,2 ppm de clor liber a provocat o nuanță violet observabilă vizual la test, dar nu este posibil să se determine o limită rigidă de detectare la acea inspecție vizuală. Pentru a face acest lucru, ar fi necesar un studiu de teren mai amplu, care să implice mai mulți testeri neantrenați, care nu intră în sfera acestui studiu de dovadă de principiu.
Consumul de Cl2 de către substraturile de testare a fluxului
discutat mai sus, un set de testare a fluxului crește substanțial sensibilitatea analizei clorului. Cu toate acestea, există și un dezavantaj al contactului prelungit dintre analit și test: majoritatea agenților oxidanți puternici, cum ar fi clorul liber, nu numai că oxidează colorantul redox, dar interacționează și cu majoritatea materialelor potențiale ale substratului, inclusiv celuloza ca componentă moleculară majoră foile de hârtie folosite13. Urme de clor pot fi consumate prin reacția cu materialul substrat în timp ce curge în zona de reacție, ceea ce poate limita sensibilitatea la 0,2 ppm de clor liber, precum și crește eroarea concentrației absolute determinate de clor. Acesta din urmă devine o problemă, dacă trebuie detectate concentrații foarte mici de clor liber. Pentru a crește sensibilitatea cât mai mult posibil, trebuie selectat un material substrat cu curgere mai stabilă la oxidare și trebuie evaluată stabilitatea materialului substrat față de procesele de oxidare.
Screening-ul stabilității oxidative a fost realizat de amestecând bucăți de substrat cu o soluție de clor de 2 ppm. Conținutul de clor rămas în supernatant pentru diferite intervale de timp a fost analizat fotometric după colorarea DPD. Figura 5a prezintă pierderea de clor a soluțiilor după contactul cu diferite substraturi de celuloză. Hârtia de bumbac 2992 de la Schleicher & Schüll, care a fost utilizată pentru toate testele prezentate până acum, consumă o cantitate substanțială de clor. Deja după un timp de contact de câteva minute, care sunt necesare pentru ca soluția să curgă printr-un test, mai mult de 0,5 ppm clor liber a reacționat cu hârtia. Hârtia foarte pură de lintere de bumbac auto-fabricate și hârtia DBS de la Ahlstrom-Munksjö au fost mult mai stabile decât hârtia 2992, ceea ce indică faptul că unii aditivi de hârtie din 2992 pot fi mai reactivi decât celuloza pură. Dar, așa cum s-a menționat anterior, celuloza însăși reacționează și cu clorul, ducând la un consum de 0,5 ppm după 60 de minute de contact al soluției de clor cu hârtiile de bumbac pur.Celuloza preoxidantă cu o soluție concentrată de clor liber timp de 4 ore nu a crescut stabilitatea hârtiei, deoarece probabil doar o fracțiune minoră a grupelor hidroxil a fost oxidată în timpul acestui tratament. Un tratament oxidativ mai eficient folosind o oxidare catalizată de TEMPO a avut un efect substanțial asupra stabilității hârtiei fabricate în laborator: În mod surprinzător, această hârtie pre-oxidată a devenit mai reactivă față de clor, ceea ce ar putea fi explicat printr-o creștere a suprafeței expunând mai mult grupări hidroxil pentru oxidare. Pentru a micșora suprafața de celuloză expusă, hârtia 2992 a fost hornificată prin plasarea ei peste noapte la 120 ° C într-un cuptor, ceea ce ar trebui să conducă la închiderea ireversibilă a porilor și aderarea pereților porilor între ei28. Totuși, de asemenea, acest tratament a sporit și mai mult reactivitatea hârtiei, indicând faptul că procesele de suprafață ale fibrelor de celuloză nu sunt încă bine înțelese și necesită investigații suplimentare dincolo de scopul acestui manuscris.
(a, b) Pierderea de clor datorată pentru a contacta probele de substrat în timp într-o soluție de clor de 2 ppm (12 mg substrat per ml soluție). Concentrația de clor a fost determinată de absorbția DPD oxidat la 551 nm. „Blank” reprezintă concentrația soluției inițiale de clor la începutul și la sfârșitul experimentului. (C) Imagini ale testelor lungi de 9 cm realizate cu substraturi de hârtie impregnate cu tampon după 5 și 1 ppm soluție de clor liber care a circulat pentru timpul dat sub test. (d) Imagini ale testelor lungi de 9 cm realizate pe substraturi alternative, necelulozice, fără impregnare tampon, după 5 ppm soluție de clor liber care a trecut prin timpul dat sub test. (a, c) Probele constau din următoarele substraturi de hârtie: Schleicher & Schüll 2992, Schleicher & Schüll 2992 hornificat într-un cuptor la 120 ° C, scame de bumbac fabricate în laborator hârtie, hârtie de bumbac pre-oxidată fabricată de laborator pre-oxidată, hârtie de bumbac pre-oxidată fabricată de laborator (Cl2) și hârtie DBS de la Ahlstrom-Munksjö. (b, d) Probele constau din următoarele substraturi alternative: PET substraturi din Ahlstrom-Munksjö 6613 (PET pur), 6613 H (cu surfactant) și d 6614 (cu liant), Spec-Wipe 3 de la VWR cu 45% poliester și 55% celuloză, fibră de sticlă 691 de la VWR și fibră de sticlă MN 85/90 BF de la Macherey-Nagel. Timpul de curgere este dat sub fiecare fotografie de test. Vă rugăm să rețineți că timpul de curgere pentru hârtia Schleicher & Schüll 2992 este diferit pentru (c, d) deoarece în (c) hârtia a fost utilizată în direcție transversală (7:30 min) și în (d) în direcția mașinii (5:30 min), prin care doar timpul de curgere a fost redus, iar intensitatea culorii nu a scăzut semnificativ. Diferența de intensitate a culorii aici se datorează faptului că toate testele prezentate în (c) au fost impregnate cu tampon înainte de imprimare, toate testele din (d) nu.
Screeningul fotometric permite compararea reactivității clorului a mai multor substraturi, prin care raportul substratului ales de 12 mg în contact cu 1 ml de soluție de clor 2 ppm este destul de aleatoriu. Un test de debit de 9 cm lungime și 0,5 cm lățime realizat din hârtie de 180 g / m², cum ar fi hârtia Schleicher & Schüll 2992, cântărește 81 mg și măsoară aproximativ 180 µl probă, ceea ce ar rezultă un raport de 450 mg de hârtie pentru 1 ml de soluție de analit care curge prin test. Dacă se consideră că doar capătul de 0,5 cm al unui test are contact permanent cu 0,5 ml soluție de clor, acest raport se reduce la 9 mg / ml, care este aproape de 12 mg / ml alese pentru screening. Datorită acestei mari diferențe între cele două ipoteze, a fost verificată relevanța screeningului substratului pentru performanța testului. Figura 5c prezintă imagini ale testelor de flux realizate cu diferite substraturi de hârtie ecranate în Fig. 5a. Deja analiza soluției de clor de 5 ppm arată diferențe mari între substraturi. În timp ce pentru substraturile de hârtie mai stabile la oxidare toate cele 5 dungi ale testului codului de bare sunt colorate, hârtiile mai reactive pretratate prin oxidare sau hornificare catalizată de TEMPO au arătat dungi mult mai puține. Mai mult, preoxidarea chimică a scamelor de bumbac a condus la o creștere substanțială a timpului de curgere și, prin urmare, și a timpului de contact al soluției de test și analit. O diferență subțire de intensitate a dungilor colorate pe hârtia 2992 și a hârtiei alternative mai stabile a fost observată la analizarea clorului de 1 ppm. Dar diferențele de aici au fost mai puțin pronunțate decât pentru substraturile mai puțin stabile. Din rezultatele testelor diferitelor substraturi de hârtie, devine clar că examinarea stabilității clorului este relevantă pentru performanța testului și că sunt necesare mai multe substraturi inerte decât hârtia de celuloză pentru un test de flux cu limite de detecție foarte mici.