Analys av fritt klor i vattenlösning vid mycket låg koncentration med sidoflödenstest

Utförande av Cl2-flödestester jämfört med ett konventionellt dopptest

Först jämförde vi ett kommersiellt tillgängligt gratis klordoppprov från Merck med ett enkelt pappersbaserat flödestest för att undersöka det allmänna inflytandet av ett kapillardrivet flöde på testets känslighet, dvs för att ta itu med frågan, om en långvarig exponering av färgämnet för analyten lösningen leder till ökad känslighet.

För det trycktes en bred kudde av SA-bläck på ett bomullsfodral med 9 cm längd utan ytterligare tillsatser. Figur 3 visar att doppningen av reaktionszonen för denna pappersremsa i en 5 ppm klorlösning leder till en färgintensitet som är jämförbar med det kommersiella dopptestet. Placering av flödestestet dock endast i en liten mängd analytlösning som inte täcker reaktionszonen omedelbart men flyter med kapillärkrafter inom 7–8 min till slutet av den 9 cm långa pappersremsan, leder till en klart högre färg intensitet jämfört med det kommersiellt tillgängliga dip-testet. Bredden på den färgade dynan beror också på klorkoncentrationen bredvid färgintensiteten. För en bättre läsbarhet är det bra att använda en mantel runt pappersremsan med en bländare, vilket föreslogs av Bauer et al.9, att användaren fokuserar på färgintensiteten för att tolka resultaten. Alternativt är det möjligt att skriva ut en ännu bredare färgplatta och använda en avståndsbaserad detekteringsavläsning17,18,19. Det färgade avsnittet är dock inte homogent och bleknar mot slutet, vilket gör det svårt att mäta dess längd. Utskrift av separata färglinjer i ett streckkodsflödestest20,21,22,23 istället för ett färgämnesavsnitt, underlättar avläsningen i ögat eftersom både färgintensiteten och antalet rader kan jämföras för semikvantitativ analys. Figur 3 (längst ner) visar skanningar av sådana streckkodsflödestester med fem rader efter kontakt med olika klorlösningar. Återigen är flödestestets färg mycket intensivare än det doppade testet. Slutligen förbättras upplösningen med avseende på olika koncentrationer genom streckkodsinställningen jämfört med ett enkelt flödestest. Följaktligen antyder dessa resultat att ett pappersbaserat flödestest leder till en högre känslighet än ett dopptest, och dessutom möjliggör ett flödestest mer komplexa tryckmönster som kan förenkla en semikvantitativ analys.

Medan 0,5 ppm klor bara knappt kan detekteras med det kommersiella dopptestet, är denna koncentration klart synlig för de här föreslagna flödestesterna. Hittills trycktes bläcket bestående av färgämnet i etanol helt enkelt på ett bomullspapper utan ytterligare tillsatser. PH är till exempel särskilt viktigt för oxidationen av SA. Det visade sig att pH företrädesvis är inställt på 6,0 för att öka både färgrespons och känslighet7,8. Därför impregnerade vi papperet med en fosfatbuffertlösning med pH 5 eller 6. I själva verket observerades en klar intensitetsökning för tester behandlade med buffert. Ökningen var dock densamma för pH 5 och 6. Eftersom impregnering med buffert pH 6 fördubblade flödestiden, varigenom tidsfördröjningen på grund av buffert pH 5 var mindre än en minut, bestämde vi oss för att använda pH 5 buffertimpregnering för ytterligare tester för att ge testresultat så snabbt och känsligt som möjligt (se fig. 4, test märkt ”5”). Flödestestens känslighet kan ökas ytterligare genom att bearbeta högre volymer24, vilket exempelvis kan uppnås med längre testremsor25, en bredare provkudde26 eller en fläktformad kurvkudde 27. Ett ännu enklare sätt att öka mängden prov som passerar reaktionszonen består i tillsats av en korg efter att reaktionszonen limmats in mellan testremsan och stödkortet (jfr. Fig. 2e). När samma material används för veken och testremsan fördubblas volymkapaciteten för veken längs veken. Eftersom vi använder veken halva längden på flödestestet är 1,5 gånger analytvolymen Figur 4a visar tester efter analys av 2 ppm ch lorinlösning. Fler streckkodslinjer färgas för tester med ytterligare vickar än utan (Fig. 4a, test märkt ”A”).Att kombinera buffert- och wicking-dynor leder till ett högre antal färgade linjer med mer intensiv färg (Fig. 4a, test märkt ”5A”). Använd ett extra tjockt papper som en wick (Fig. 4a, test märkt ”5B”) ökar. mängden prov analyseras ytterligare (provmassor som nämns i fig. 4a). Emellertid leder för högt provflöde till blödning av färgämnet och mindre läsbara resultat. Vidare var flödestiden väsentligt längre i detta fall på grund av det långsammare flödet i bläckpapper.

För att jämföra effekten av buffert och ytterligare veke över det detekterbara området fritt klor, intensiteten av den lila färgen på den första raden extraherades och ritades i figur 4b. Anmärkningsvärt är att färgintensitetsökningen på grund av buffertimpregnering är mycket stark för hög klorkoncentration , men försumbar för den mer intressanta lågänden. Effekten av färgintensitetsökningen relaterad till veken är relativt konstant över hela intervallet, även om Miller et al. fann att känslighetsökningen på grund av ökad provvolym är mindre för låga koncentrationer24. Förbättringen på grund av veken i vår analys verkar ganska liten. Det är emellertid viktigt för den låga änden eftersom den viktigaste förbättringen av veken är det ökade antalet färgade ränder och inte den färgintensitet som ritas i fig. 4b. Sammanfattningsvis är det i bästa fall möjligt att detektera ned till 0,2 ppm fritt klor med hjälp av flödestester med en ytterligare veke. Observera att 0,2 ppm fritt klor orsakade en visuellt observerbar lila nyans vid testet, men det är inte möjligt att bestämma en stel detektionsgräns vid den visuella inspektionen. För att göra detta skulle en större fältstudie som involverar flera otränade testare vara nödvändig som inte omfattas av denna proof-of-princip-studie.

Cl2-förbrukning av flödestestunderlag

Som som diskuterats ovan ökar en flödestestuppsättning väsentligt känsligheten hos kloranalysen. Det finns emellertid också en nackdel med den långvariga kontakten mellan analyt och test: de flesta starka oxidationsmedel såsom fritt klor oxiderar inte bara redoxfärgämnet utan interagerar också med de flesta av de potentiella substratmaterialen, inklusive cellulosa som den huvudsakliga molekylkomponenten i de använda pappersarken13. Spårmängder klor kan konsumeras genom reaktion med substratmaterialet medan det strömmar till reaktionszonen, vilket kan begränsa känsligheten till 0,2 ppm fritt klor, samt öka felet i den bestämda absoluta koncentrationen av klor. Det senare blir ett problem om mycket små fria klorkoncentrationer ska detekteras. För att öka känsligheten så mycket som möjligt måste ett substratmaterial med mer oxidationsstabilitet väljas och substratmaterialets stabilitet mot oxidationsprocesser måste utvärderas.

Screening av oxidativ stabilitet utfördes av blandning av substratbitar med en 2 ppm klorlösning. Den återstående klorhalten i supernatanten under olika tidsintervaller analyserades fotometriskt efter DPD-färgning. Figur 5a visar klorförlusten av lösningar efter kontakt med olika cellulosasubstrat. Bomullslintpapper 2992 från Schleicher & Schüll, som användes för alla hittills presenterade tester, förbrukar en stor mängd klor. Redan efter en kontakttid på några minuter, som behövs för att lösningen ska strömma genom ett test, reagerade mer än 0,5 ppm fritt klor med papperet. Mycket rent självtillverkat lantpapper av lab-bomull och DBS-papperet från Ahlstrom-Munksjö var väsentligt mer stabila än 2992-papperet, vilket tyder på att vissa papperstillsatser 2992 kan vara mer reaktiva än den rena cellulosan. Men som nämnts tidigare reagerar cellulosa i sig också med klor, vilket leder till en konsumtion av 0,5 ppm efter 60 minuters kontakt av klorlösningen med de rena bomullslintpappren.Föroxiderande cellulosa med en koncentrerad fri klorlösning under 4 timmar ökade inte pappersstabiliteten, eftersom troligen endast en mindre del av hydroxylgrupper oxiderades under denna behandling. En mer effektiv oxidativ behandling med en TEMPO-katalyserad oxidation hade en väsentlig inverkan på stabiliteten hos det laboratorietillverkade papperet: Överraskande nog blev detta föroxiderade papper mer reaktivt mot klor, vilket kan förklaras av en ökning av ytarean som exponerar mer hydroxylgrupper för oxidation. För att minska den exponerade cellulosaytan, hornbehandlades 2992 papper genom att placera det över natten vid 120 ° C i en ugn, vilket skulle resultera i irreversibel porförslutning och vidhäftning av porväggarna till varandra28. Emellertid ökade också denna behandling pappersreaktiviteten ytterligare, vilket tyder på att ytprocesserna för cellulosafibrer ännu inte är väl förstådda och behöver undersökas utanför detta manuskript.

Den fotometriska screening möjliggör jämförelse av kloreaktiviteten hos flera substrat, varvid förhållandet mellan det valda 12 mg substratet i kontakt med 1 ml 2 ppm klorlösning är ganska slumpmässigt. Ett 9 cm långt och 0,5 cm brett flödestest av 180 g / m² papper, såsom Schleicher & Schüll 2992-papper, väger 81 mg och avviker ungefär 180 | il prov, vilket skulle resultera i ett förhållande av 450 mg papper för 1 ml analytlösning som strömmar genom testet. Om man anser att endast 0,5 cm slutet av ett test har permanent kontakt med 0,5 ml klorlösning, kommer detta förhållande ner till 9 mg / ml, vilket är nära de valda 12 mg / ml för screening. På grund av denna stora skillnad mellan de två antagandena kontrollerades substratskärmningens relevans för testprestanda. Figur 5c visar bilder av flödestester gjorda med de olika papperssubstraten som visas i figur 5a. Analysen av 5 ppm klorlösning visar redan stora skillnader mellan substraten. Medan för de mer oxidationsstabila papperssubstraten alla 5 remsorna i streckkodstestet är färgade, visade de mer reaktiva papperen som förbehandlats med TEMPO-katalyserad oxidation eller hornifikation mycket mindre ränder. Vidare ledde den kemiska föroxidationen av bomullsfodralet till en väsentlig ökning av strömningstiden och följaktligen också kontakttiden för test- och analytlösningen. En liten intensitetsskillnad mellan de färgade ränderna på 2992-papperet och de mer stabila alternativa papperna sågs vid analys av 1 ppm klor. Men skillnaderna här var mindre uttalade än för de mindre stabila substraten. Från testresultaten för de olika papperssubstraten blir det tydligt att klorstabilitetsscreeningen är relevant för testets prestanda och att mer inerta substrat än cellulosapapper behövs för ett flödestest med mycket låga detektionsgränser.