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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Testreagenz zur kolorimetrischen Bestimmung
von Gehalten der Gesamtmenge von Chlor in einer fluiden Messprobe.
Insbesondere betrifft die Erfindung ein Testreagenz, welches auf eine
Trägermatrix
durch Tränken
aufgebracht werden kann, die bei Kontakt mit einer fluiden Messprobe
zur Ausbildung einer Farbe führt,
welche proportional zu der Menge des vorhandenen Gesamtrestchlors
ist.
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Hintergrund der Erfindung
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Die
Verwendung von Chlor als Desinfektionsmittel für Wasserzuführungen und verschiedene Gerätearten,
wie medizinische Geräte
und solche zur Lebensmittelbearbeitung, ist üblich. Nach einer Chlordesinfektion,
beispielsweise eines medizinischen Gerätes wie einer Hämodialyseeinheit,
ist es wichtig, dass das verbleibende Speisewasser, welches dazu
verwendet wird, das Dialysat herzustellen, für ein ordnungsgemäßes Auswaschen
absolut frei von irgendwelchen möglichen
Chlorverunreinigungen ist. Daher ist es für die sichere Verwendung einer
Hämodialyseeinheit
wichtig, dass ein genauer Test zur Verfügung steht, um den Gesamtchlorgehalt
im Speisewasser anzuzeigen, und dass der Test dazu geeignet ist,
Chlorgehalte bei oder über
der maximal zulässigen
Konzentration von 0,1 Milligramm pro Liter (ppm) zu erfassen. Der
Test darf nicht nur auf vorhandenes ungebundenes Chlor prüfen, sondern
muss auch auf vorhandenes gebundenes Chlor prüfen sowie sicherstellen, dass
alle möglichen
Chlorquellen erfasst werden. Derartige Tests müssen auf Chlor, ob ungebunden
oder gebunden als einfach hydrolisierbare Verbindungen, welche vorhandenes
Chlor enthalten, wie Monochloramin oder dergleichen, empfindlich
sein.
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Die
vorhandene Chlorverbindungsklasse setzt sich aus Verbindungen zusammen,
welche Lösungen von
hyperchloriger Säure
ergeben, wenn sie in wässriger
Lösung
vorliegen. Die vorhandene Chlorverbindungsklasse ist außerdem unterteilt
in Verbindungen, welche vorhandenes Chlor ungebunden enthalten,
und Verbindungen, welche vorhandenes Chlor gebunden enthalten. Die
Gesamtmenge von vorhandenem ungebundenem Chlor und vorhandenem gebundenem
Chlor wird als insgesamt vorhandenes Chlor bezeichnet. Um bei Tests
zur Chlorbestimmung bei medizinischen Geräteeinheiten sinnvolle Ergebnisse
zu erzielen, ist es wichtig, dass die Tests insgesamt vorhandenes
Chlor messen und zugleich empfindlich auf vorhandenes gebundenes
Chlor reagieren. Wenn der Test nicht empfindlich auf vorhandenes
gebundenes Chlor reagiert, kann ein falsches Auslesen als sicher
vorkommen.
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Das
Dilemma im Hinblick auf die Industrie medizinischer Vorrichtungen
besteht darin, dass Chlor üblicherweise
als Desinfektionsmittel verwendet wird. Nach der Desinfizierung,
und vor der Verwendung der medizinischen Geräte am Patienten, müssen die
Leitungen und alle inneren Bauteile der medizinischen Geräte im Wesentlichen
von vorhandenem ungebundenem Chlor und von vorhandenem gebundenem
Chlor befreit sein. Darüber
hinaus dürfen
Tests zur genauen Erfassung nicht nur auf insgesamt vorhandenes
Chlor ansprechen; die Tests müssen
auch dazu in der Lage sein, zwischen extrem geringen Restgehalten
zu unter scheiden. Obwohl einige derartiger Tests in der Vergangenheit
zur Verfügung
standen, sind diese langsam, ungenau oder erfordern derart peinlich
genaue Vorgehensweisen, dass den Vorgehensweisen selbst häufig nur
unzutreffend gefolgt wird, was zu fehlerhaften Rückschlüssen im Hinblick auf die Gesamtmenge
von Restchlor führt. Der
Begriff "Gesamtmenge
von Restchlor",
wie er hierin verwendet wird, meint ungebundenes Chlor und gebundenes
Chlor (Monochloramine oder andere Chlorverbindungen). Weitere Hintergrunddetails
mit Bezug auf Schwierigkeiten in Verbindung mit Chlorrückständen können in
dem
US-Patent Nr. 5 888 758 gefunden
werden.
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Die
RU-C-2042127 offenbart
Mittel zur Bestimmung einer Chlorgesamtmenge, welche einen Träger umfassen,
der mit Michlers Keton und EDTA imprägniert ist.
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Das
US-Patent 5 811 254 lehrt
eine Verbindung zur Erfassung von insgesamt vorhandenem Chlor, welche
Tetramethylbenzinidin und ein nicht ionisches oberflächenaktives
Mittel enthält.
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Anhand
der obigen Erläuterung
kann erkannt werden, dass es ein tatsächliches und fortbestehendes Bedürfnis nach
einem Teststreifensystem zur genauen Erfassung der Gesamtmenge von
Chlor gibt, welches schnell, mühelos
und einfach zu verwenden ist. Es besteht außerdem ein Bedürfnis nach
einem einfachen Indikatorsystem zur Verwendung mit einer kolorimetrischen
Vergleichstabelle mit empfindlichen Farbänderungen, welche genau zwischen
sehr geringen Chlorgehalten unterscheiden.
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Diese
Erfindung hat als ihre Hauptaufgabe die Erfüllung dieser Bedürfnisse
unter Verwendung eines Farbindikatorsystems, welches geringe Gehalte
erfassen und ge ringe Gehaltunterschiede unterscheiden kann, wie
Unterschiede zwischen 0,1, 0,5, 1 und 3 ppm.
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Da
die meisten Teststreifen lediglich dazu fähig sind, bestenfalls 0,5 ppm
Restchlor zu erfassen, und das vorliegende System 0,1 ppm erfassen
wird, ist dieses äußerst vorteilhaft,
erfüllt
das bestehende Bedürfnis und
löst die
Aufgaben der vorliegenden Erfindung.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es
wurde nunmehr erkannt, dass ein hoch effektiver und effizienter
Teststreifen, ein Teststreifenreagenz sowie ein Verfahren zur Bestimmung
der Gesamtmenge von Restchlor bei sehr niedrigen Gehalten durch die
Verwendung der Indikatorsubstanz Michlers Thioketon in Verbindung
mit einem chlorunempfindlichen nicht ionischen fluorierten oberflächenakiven
Mittel erzielt werden kann.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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Michlers
Thioketon ist der übliche
Name für
4,4'-bis(dimethylamino)thiobenzophenol.
Geringe Gehalte von Gesamtchlor beziehen sich auf Gehalte von Gesamtchlor
unterhalb von 0,5 ppm.
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Fachleute
werden richtig einschätzen,
dass effektive Farbindikatoren für
Teststreifen die Verwendung von Benetzungsmitteln erfordern, um
den Farbindikator wirksam in oder an dem Teststreifen zu halten.
In diesem Fall besteht ein wichtiger Teil des Indikatorsystems oder
Testreagenz in der Verwendung eines Farbindikators, d. h. Michlers
Thioketon in Verbindung mit einem oberflächenaktiven Benetzungsmittel, welches
inert gegenüber
beliebigem Restchlor ist. Das oberflächenaktive Mittel unterstützt die
Benetzung der Papiermatrix des Teststreifens, das oberflächenaktive
Mittel darf jedoch nichts von dem Chlor durch eine Reaktion verbrauchen.
Zufriedenstellende oberflächenaktive
Mittel, die in Verbindung mit Michlers Thioketon verwendet werden können, umfassen
nicht ionische fluorierte oberflächenaktive
Mittel. Geeignete nicht ionische fluorierte oberflächenaktive
Mittel umfassen oberflächenaktive
Mittel, welche unter dem Markennamen Zonyl(R),
wie Zonyl(R) FSN, vertrieben werden. Zonyl(R) ist eine eingetragene Marke von DuPont,
Wilmington, Delaware, USA. Diese sind im Allgemeinen Fluoropolyethylenglykole,
welche als Mischung aus C3- bis C8-, vorzugsweise C5-
und C7-, Polyfluoroalkoholen vorliegen.
Diese sind von DuPont erhältlich
und im Detail in Bulletins beschrieben, welche vor dem Anmeldetag
dieser Anmeldung veröffentlicht
worden sind. Die Struktur von Zonyl(R) FSN
ist RfCH2CH2O(CH2CH2O)xH,
wobei Rf Perfluoralkylgruppen repräsentiert, welche durch F(CF2CF2)y veranschaulicht
sind, mit x = 0 bis etwa 25 und y = 1 bis etwa 9. Zonyl(R) FSN,
wie es hierin verwendet wird, bezieht sich auf diese allgemeine
Formel.
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Um
das Halten im oder an dem Teststreifen zu erleichtern, sollte Michlers
Thioketon in gelöster
Form, typischerweise gelöst
in einem wirksamen Lösungsmittel
wie einem Alkohol, vorliegen. Die Menge von Michlers Thioketon im
Verhältnis
zu der Menge des inerten fluorierten oberflächenaktiven Mittels, wie Zonyl(R) FSN, sollte bei einer pro-Liter-Basis der Mischung
im Allgemeinen innerhalb dieser Bereiche liegen: Michlers Thioketon
zwischen 50 und 100 mg/L und fluoriertes oberflächenaktives Mittel zwischen
4,15 g/L bis 16,5 g/L.
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Das
Testsystem deckt einen breiten pH-Bereich zwischen etwa 3 bis etwa
8 ab; für
Michlers Thioketon ist jedoch ein pH von etwa 5 bevorzugt. Der pH
kann mit typischen pH einstellenden Säure/Base Reagenzien wie Natriumhydroxid
und dergleichen oder Salzsäure
und dergleichen eingestellt werden.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung umfasst die Verwendung einer Papierträgermatrix
(saugfähig
oder nicht saugfähig)
für das
Testreagenz, wobei der Träger
an einem inerten, hydrophoben Kunststoffhalter haftet. Es wurde
herausgefunden, dass durch die Verwendung einer Trägermatrix, wie
einem saugfähigen
Papier, um die Testreaktion zu enthalten und durchzuführen, die
Farbstabilität
des Testreagenz beträchtlich
verbessert wird.
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Bei
einem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird ein Stück
eines saugfähigen Filterpapiers
mit geeigneter Porosität
und Kapillarwirkung, um das vermessene Fluid zu einer Wanderung
in das Papier hinein zu bringen, mit dem Testreagenz beschichtet
oder auf andere Weise mit diesem verbunden oder von diesem durchtränkt. Wenn
der Streifen in ein zu testendes Fluid eingetaucht wird, wie durch
Eintunken und/oder mittels Wischen, kontaktiert das Testfluid das
Testreagenz. Das Gesamtergebnis der Verwendung eines solchen Teststreifens
besteht darin, dass ein bestimmtes Volumen der erfassten Substanz
zur Verfügung
gestellt wird, um mit dem Testreagenz in einem einfachen Tauch-
und Auswerttest in Kontakt zu treten. Das Papier, welches an einem
inerten Halter befestigt sein kann, kann jede geeignete absorbierende
Matrix sein, ein bevorzugtes Papier ist jedoch Schleicher & Schuell 740E.
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Die
genaue Papiermatrix scheint jedoch nicht kritisch zu sein.
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Das
Testreagenz kann zusätzlich
zu den zwei wichtigen Bestandteilen (Michlers Thioketon und ein nicht
ionisches fluoriertes oberflächenaktives
Mittel), wie Fachleute auf dem Gebiet des Herstellens von Teststreifen
wissen, in geringem Umfang andere Bestandteile enthalten, um das
Abfüllen,
die Leistung, die Stabilität,
etc. zu verbessern. Beispielsweise kann ein pH-Puffersystem wie
Kaliumphosphat oder eine polymere einbasische/Phosphorsäure verwendet
werden. Polymere zur Verbesserung der Stabilität, wie Polyvinylpyrrolidin,
etc. können
ebenfalls verwendet werden. Selbstverständlich wird ein Träger für den Indikator
oder das Testreagenz verwendet, welcher eine Wasserlösung des
wasserlöslichen
Reagenz umfasst, in diesem Fall 95%iges Ethanol, um den Michlers
Thioketon-Indikator zu lösen.
Andere übliche
Trägerlösungsmittel
können ebenfalls
verwendet werden.
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Ein
wichtiger Vorteil des vorliegenden Testsystems besteht darin, dass
der Test eine große
Stabilität aufweist;
der Test ist nicht temperatur- oder feuchtigkeitsempfindlich und
das Testreagenzsystem weist eine lange Haltbarkeit auf. Tatsächlich ist
dies, soweit es den Erfindern derzeit bekannt ist, der empfindlichste
bislang entwickelte Gesamtchlor-Teststreifen, da dieser die Fähigkeit
hat, Gesamtchlormengen von weniger als 0,5 ppm genau zu unterscheiden.
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Erfindungsgemäß bietet
Michlers Thioketon in Verbindung mit dem nicht ionischen fluorierten
oberflächenaktiven
Mittel das nachstehende visuelle Farbschema, wenn auf die Gesamtmenge
von Restchlor getestet wird:
| Anteil
Restchlor | | Farbanzeige |
| | | |
| 0 ppm | = | Hintergrund-Gelb
von |
| | | Michlers
Thioketon |
| | | |
| 0,1
ppm | = | Gelb/Grün |
| | | |
| 0,5
ppm | = | Dunkelgrün |
| | | |
| 1 ppm | = | Hellblau |
| | | |
| 3 ppm | = | Blau |
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Indem
eine entsprechende Farb-Vergleichstabelle auf der Verpackung des
Teststreifens angebracht wird, kann man einfach den Teststreifen
in ein Testfluid hineintauchen und die Farbanzeige auf dem Teststreifen
mit der Farbvergleichstabelle auf der Verpackung vergleichen, um
die Menge an Restchlor zu ermitteln. Da die Farbveränderungen
visuell derart drastisch unterschiedlich sind, ist der Test leicht
auszulesen und weniger anfällig
für Fehler
in der Vorgehensweise oder der Auslegung.
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Der
trockene Teststreifen kann ausgehend vom Testreagenz in folgender
Weise hergestellt werden. Ein alkoholisches Lösungsmittel und Michlers Thioketon
werden miteinander vermischt; im Anschluss daran werden die wasserlöslichen
Bestandteile miteinander vermischt und schließlich das fluorierte oberflächenaktive
Mittel mit einem beliebigen pH-Puffer zugegeben, wobei das Gesamte
dann homogen beigemischt wird. Die Papiermatrix wird dann in die
Lösung
eingetaucht. Das Papier wird dann getrocknet, wahlweise in einem
Ofen, auf Größe zurechtgeschnitten
und die Papierblätter
an den inerten Kunststoffhalter angeklebt.
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Die
nachfolgenden Beispiele dienen der weiteren Illustration, schränken die
Erfindung jedoch nicht ein.
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Beispiele
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Dieses
Testreagenz wird in einem Schritt auf den Teststreifen aufgebracht.
An einem ersten Tag wurde eine erste Grundmischung aus 95%igem Ethanol
und 4,4'-bis(dimethylamino)thiobenzophenon
(Michlers Keton) hergestellt. Die erste Grundmischung umfasste 0,527
kg 95%iges Ethanol und 0,071 g Michlers Thioketon. Eine zweite Grundmischung
aus als Reagenz geeignetem destilliertem Wasser und 2,25 g Polyvinylpyrrolidin
(PVP-K60) mit 66,7 Gramm Wasser wurde hergestellt. Polyvinylpyrrolidin
wirkt als polymerer Stabilisator, welcher die Farbstabilität und die
Haltbarkeit ein wenig fördert.
Ein Phosphat/Phosphorsäurepuffer
(200 g Wasser, 1,98 g Kaliumhydrogenphosphat und 0,092 ml 85%ige
Phosphorsäure)
zusammen mit 8,33 ml Zonyl(R) FSN, und der
pH wurde mit 1,0 N Natriumhydroxid und 1,0 N Salzsäure auf
5,0 eingestellt. Die wässrigen Grundmischungen
wurden mit der organischen Grundmischung kombiniert und auf Schleicher & Schuell 740E-Papier
aufgebracht.
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Das
durchtränkte
Papier konnte an der Luft trocknen und wurde dann zur Ausbildung
von Blättchen auf
Größe geschnitten.
Die Menge Chemikalien pro Blättchen
(für Reagenzpapier)
wurde berechnet, indem die Menge Chemikalien pro Liter des Gemisches
durch die Anzahl der Blättchen
geteilt wurde, welche mit einem Liter des Gemisches hergestellt
wurden. Die Menge 4,4'-bis(dimethylamino)thiobenzophenon
pro Blättchen betrug
1,34 μg
und die Menge Zonyl(R) FSN pro Blättchen betrug
158 μg.
Außerdem
waren auf das Blättchen 42,4 μg PVP, 37,4 μg Kaliumhydro genphosphat
und 1,46 μg
Phosphorsäure
aufgetragen. Die mit dem Testreagenz durchtränkten Blättchen wurden dann auf einen
Kunststoffstreifen unter Verwendung eines Klebstoffs aufgebracht.
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Es
ist erwähnenswert,
dass eines der innovativen Merkmale dieses Streifens darin besteht,
dass er kein Kaliumjodid verwendet, um eine gleichwertige Farbantwort
bei ungebundenem, gebundenem und organischem Chlor zu erzeugen,
sondern stattdessen Michlers Thioketon und Zonyl(R) FSN
verwendet, um die einheitliche Farbunterscheidung bei Detektionspegeln
zu erzielen, welche vorstehend beschrieben sind. Der Mechanismus,
nach welchem Zonyl(R) FSN die Erfassung
von verfügbarem
gebundenem Chlor unterstützt,
ist nicht vollständig
verstanden, abgesehen davon, dass man sagen kann, dass Zonyl(R) gewiss eine Bevorzugung in der Reaktion
unterstützt
und inert im Hinblick auf irgendeinen Chlorbedarf ist, d. h. dass
es nicht mit Chlor reagiert oder dieses verbraucht. Dadurch unterstützt es die
Testgenauigkeit, wie bei dem folgenden Feldstudienbeispiel veranschaulicht
ist.
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Wasserproben
wurden von der Nephrology Inc., einem örtlichen Dialysezentrum in
Elkhart, Indiana, beschafft. Drei Versorgungswasserproben wurden
besorgt, Proben I1, I2, und I3. Probe I1 wurde direkt aus dem Hahn
entnommen. Probe I2 wurde von einem Auslass an der Vorderseite des
Dialysegeräts
entnommen; eine Vor-Kohlenstofffilter-Probe, I3, wurde aus dem Endauslass
an dem Dialysegerät
erhalten, nachdem dieses durch das gesamte Gerät geströmt war. Tabelle
1
| Probe | Streifen
bei | Titration | Streifen |
| | Neprology
Inc. | | im
Labor |
| | | | |
| I1 | (0,00
ppm) | 0,00
ppm | (0,0
ppm) |
| | gelb | | |
| | | | |
| I2 | (0,0
ppm) | 0,00
ppm | (0,0
ppm) |
| | gelb | | |
| | | | |
| I3 | (0,5
ppm) | 0,48
ppm | (0,5
ppm) |
| | dunkelgrün | | |
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Zusammengefasst
zeigten die Streifen und das ampherometrische Titrationsverfahren
gleichwertige Antworten gegenüber
den "echten" Proben der Nephrology
Inc., was die Genauigkeit wiederspiegelt. Jede der Testproben wurde
in einen 1 L-Kolben gegeben und mit ungebundenem Chlor versetzt.
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I1
wurde bis annähernd
0,1 ppm unter Verwendung eines Standards mit 1 000 ppm ungebundenem Chlor
versetzt und dann bis annähernd
0,5 ppm unter Verwendung eines Standards mit 1 000 ppm ungebundenem
Chlor versetzt.
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I2
wurde zu denselben Werten wie I1 versetzt.
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I3
wurde bis annähernd
2,0 ppm versetzt.
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Jeder
dieser Proben wurde mittels der Teststreifen und mittels Titration
untersucht. Tabelle
2
| Probe | Streifen
für geringe | Titration |
| | Chlorgesamtmengen | |
| | | |
| I1
+ ~0,1 ppm Cl2 | (0,10
ppm) | 0,11ppm |
| | gelbgrün | |
| | | |
| I1
+ ~0,5 ppm Cl2 | (0,5
ppm) | 0,51ppm |
| | dunkelgrün | |
| | | |
| I1
+ ~0,1 ppm Cl2 | (0,1
ppm) | 0,13ppm |
| | gelbgrün | |
| | | |
| I2
+ ~0,5 ppm Cl2 | (0,71
ppm) | 0,65ppm |
| | zwischen
gelbgrün | |
| | und
dunkelgrün | |
| | | |
| I3
+ ~2 ppm Cl2 | (1,7
ppm) | 2,2ppm |
| | hellblau | |
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Bei
den versetzten Feldproben zeigten die Streifen für geringe Chlorgesamtmengen,
dass diese einwandfrei den bekannten Auslesungen und Farbvergleichstabellen
entsprechen.