شرائط ورق الفلورسنت للكشف عن غش الديزل مع القراءة الذكي

Summary

نقدم هنا، بروتوكولا للكشف عن غش زيت الديزل بالكيروسين باستخدام شرائط الاختبار مغلفة بتحقيق لزوجة فلورسنت جنبا إلى جنب مع نظام تحليل القائم على الهاتف الذكي.

Abstract

وتم التحقيق الدوارات الجزيئية الفلورسنت ثلاث من 4-ديميثيلامينو-4-نيتروستيلبيني (4-DNS) لاحتمال استخدامها اللزوجة يسبر للإشارة إلى محتوى الكيروسين في مزيج الديزل/الكيروسين، ونشاطاً على نطاق واسع للوقود أدولتيراتي. في المذيبات مع اللزوجة منخفضة، تنشيط الأصباغ سرعة عن طريق دولة نقل ما يسمى تهمة إينتراموليكولار ملتوية، وكفاءة تبريد الأسفار. وكشفت قياسات ديزل/كيروسين يمزج ارتباط خطي جيدة بين الانخفاض في الأسفار والزيادة في جزء صغير الكيروسين أقل لزوجة في مزيج الديزل/الكيروسين. التثبيت هيدروكسي مشتقة 4-DNS--أوه في ورقة السيلولوز أسفرت عن شرائط الاختبار التي تحافظ على السلوك المؤشر الفلورسنت. مجموعة من الشرائط مع قارئ استناداً إلى الهاتف ذكي وعلى تطبيق التحكم يسمح لإنشاء اختبار ميدانية بسيطة. الأسلوب الذي يمكن الكشف عن وجود الكيروسين موثوق في الديزل من 7 إلى 100%، متجاوزا الأساليب القياسية الحالية لغش الديزل.

Introduction

غش الوقود مشكلة خطيرة في العديد من أجزاء مختلفة من العالم، ببساطة بسبب أهمية هائلة من الوقود كمصدر للطاقة. تشغيل محركات الوقود المغشوشة يقلل من أدائها، ويؤدي إلى تعطل المحرك السابق وينطوي التلوث البيئي¹. زاد حتى تحدث انبعاثات_x إذا هي المغشوشة الديزل بالكيروسين عادة ما تحتوي على كمية أعلى من الكبريت^2،3. على الرغم من أن المشكلة موجودة منذ عقود، إدارة الوقود المستدام أن يكشف هذا النشاط الإجرامي في نقطة المنشأ لا تزال نادرة، لأنه لا توجد اختبارات بسيطة وموثوق بها لغش الوقود إلى حد كبير⁴. وعلى الرغم من إحراز تقدم كبير في التحليل المختبري الزيوت المعدنية في العقود الماضية^5،،من⁶⁷، نهج القياسات في الموقع لا تزال نادرة. ووضعت مؤخرا أساليب مختلفة للاستخدام خارج المختبر، باستخدام الألياف البصرية⁸، أو الميدان – تأثير الترانزستورات⁹ مواد mechano-الكروميك¹⁰. على الرغم من أن التغلب عليها بعض المآخذ على الأساليب التقليدية، قوية، أساليب سهلة الاستعمال ومحمول يزال يفتقر إلى إلى حد كبير. المسابر اللزوجة الفلورسنت استناداً إلى الدوارات الجزيئية هي بديل^11،مثيرة لاهتمام¹²، لأن الزيوت المعدنية وتتألف من مجموعة كبيرة ومتنوعة من الهيدروكربونات التي تختلف من حيث طول السلسلة وسيكليسيتي، وكثيراً ما يجري وترد في اللزوجة المختلفة. لأن الوقود الخلائط المعقدة دون مركبات الرصاص محددة بمثابة تتبع، قياس تغير الخاصية عيانية مثل اللزوجة أو قطبية يبدو واعدة جداً. هذا الأخير يمكن أن تعالجها الفلورسنت الدوارات الجزيئية التي تعتمد غلة الكم الأسفار على اللزوجة البيئية. وبعد فوتوكسسيتيشن، ينطوي التعطيل عادة دولة نقل (شركة) تهمة إينتراموليكولار ملتوية، السكان التي تتحدد باللزوجة المكروية المحيطة بها¹³. المذيبات عالية اللزوجة تعوق الدوارات الجزيئية اعتماد دولة شركة، والتي تستتبع الانبعاثات مشرق. في المذيبات منخفضة اللزوجة، أفضل بكثير الوصول إلى الدوار الدولة شركة، والتعجيل تسوس غير الإشعاعي والأسفار وهكذا مروي. إضافة الكيروسين، مع لزوجة 1.64 مم²∙s^–1 في 27 درجة مئوية، لوقود الديزل، مع اللزوجة كل منهما 1.3-2.4، 1.9 4.1 2.0-4.5 أو 5.5-24.0 mm²∙s ^–1 عند 40 درجة مئوية للصفوف 1-د، 2D، EN 950 ويقلل اللزوجة خليط 4 د^14،،من¹⁵¹⁶، ويحتمل أن يؤدي إلى تبريد النسبي للأسفار المسبار الدوار الجزيئية. أسرة 4-ديميثيلامينو-4-نيتروستيلبينيس (4-DNS) يبدو الواعدة بالنسبة لنا بسبب تباين fluorescence قوية على أكثر من مجموعة لزوجة من 0.74-70.6 مم²∙s ^–1. هذا النطاق يطابق تماما مع القيم المعروفة من الكيروسين والديزل.

ولذلك فإننا استكشاف قدرة 4DNS، 2-[إيثيل [4-[2-(4-نيتروفينيل) اثينيل] فينيل] الأمينية] الإيثانول (4DNSOH) وحمض-4-(2-(ethyl(4-(4-nitrostyryl)phenyl)amino)ethoxy)-4-oxobutanoic (4DNSCOOH) (ه) للإشارة إلى اللزوجة خليط وقود الديزل-الكيروسين من خلال هذه الأسفار، اعتماداً على دوران إينتراموليكولار وأخيراً تحقق اختبار سريع لغش الديزل بالكيروسين. اختبار المتاح سهل الاستخدام، ودقيقة موثوقة وفعالة من حيث التكلفة الأبعاد الصغيرة. وكان التحقيق امتزاز المسابر على الورق مرشح كدعم قوي التحليل الذي أنجز مع قارئ الأسفار مضمنة المستندة إلى الهاتف الذكي. اليوم، أوبيكويتوسلي تتوفر الهواتف الذكية مجهزة بكاميرات عالية الجودة، مما يجعل الكشف عن التغييرات البصرية مثل اللون والأسفار مباشرة، ويمهد الطريق لتحليلات قوية في الموقع. علينا أن نظهر هنا أن قياس انبعاثات المسابير الفلورسنت تمتز على شرائط الورق مع الهاتف ذكي يمكن أن تستخدم للكشف عن الاحتيال على احتراق الوقود في طريقة موثوقة¹⁷.

Protocol

1-الفلورية الأصباغ (الشكل 1A)

1. شراء 4-DNS متوفرة تجارياً و 4-DNS--أوه.
   ملاحظة: لا يتوفر تجارياً 4-DNS-COOH ومستعدة من 4-DNS--أوه كما هو موضح فيما يلي.
2. مكان 50 ملغ (0.16 ملمول) 2-[إيثيل [4-[2-(4-نيتروفينيل) اثينيل] فينيل] الأمينية] الإيثانول، 2 مغ (0.016 ملمول) من 4-ديميثيلامينوبيريديني و 19.2 ملغ (0.192 ملمول) succinic الخل في 10 مل جولة قارورة السفلي.
3. حل الكواشف في 2 مل الميثان الجافة تحت أجواء الأرجون.
4. إضافة 11.6 ميليلتر (0.08 مليمول) من إثيل واسمحوا المخلوط الرد على ح 20.
5. مراقبة رد فعل بطبقة رقيقة اللوني حتى التحويل الكمي للمواد انطلاق (Rf = 0.61) في المنتج (Rf = 0.27) يرد (الهكسين/أتاك، 4/6، v/v)
6. إضافة 2 مل الماء إلى الخليط قبل التحميض إلى pH 2 مع حمض الخليك (ما يقارب 10 ميليلتر).
7. استخراج المخلوط بأداء اثنين من الاستخراج سائل المتعاقبة، مع 10 مل الميثان في كل مرة.
8. أغسل مرة واحدة في مراحل العضوية بعد إعادة توحيدها مع 10 مل من كلوريد الصوديوم المشبعة (359 ز > L^{– 1}).
9. الجاف لمراحل العضوية عن طريق إضافة Na₂حتى₄ مسحوق حتى بعض غرامة مسحوق عامل التجفيف تبقى مرئية.
10. تنقية النفط الخام المنتج من السليكا فلاش عمود اللوني مع النفط الاثير: ethylacetate 1:9 كما الوينت.
    ملاحظة: كانت الغلة حققت 49 ملغ (74%) للمنتج المطلوب.
11. تنفيذ ¹تحليل "ح الرنين المغناطيسي النووي" المنتج المنقي في [دمس]-د₆ للتحقق من صحة البنية (δ 8.17 (د، ي = 8.8 هرتز، 2 ح)، 7.75 (د، ي = 8.8 هرتز، 2 ح)، 7.49 (د، ي = 8.8 هرتز، 2 ح)، 7.41 (د، ي = 16.3 هرتز، 1 ح)، 7.10 (د، ي = 16.3 هرتز ، ح 1)، 6.75 (د، ي = 8.9 هرتز، 2 ح)، 4.18 (t, J = 6.0 هرتز، 2 ح)، 3.58 (t, J = 6.0 هرتز، 2 ح), 3.43 (س، ي = 7.0 هرتز، 2 ح)، 2.50 – 2.45 (م، ح 4)، 1.10 (t, J = 7.0 هرتز، 3 ح) جزء في المليون).
12. تنفيذ ¹³تحليل "الرنين ج" المنتج المنقي في [دمس]-d6 للتحقق من صحة البنية (δ 173.36، 172.20، 147.99، 145.23، 145.13، 133.89، 128.76، 126.30، 124.03، 123.67، 120.95، 111.58، 61.52، 48.05، 44.57، 28.73، 28.63، 12.00 جزء في المليون).
13. أداء عالية الدقة الكتلي مع تاين الرش الكهربائية الإيجابية المنتج المنقي، المقابلة للقيمة المحسوبة (ج₂₂ح₂₅ن₂س₆ [M + H]⁺: 413.1707) نسبة 413.1713 m/z.

2-تجميع لصبغ مرجع

ملاحظة: هذا الإجراء الاصطناعية 8-(phenyl)-1,3,5,7-tetramethyl-2,6-diethyl-4,4-difluoro-4 بورا-3a, 4a-ديزا-s-إينداسيني اعتمد من كوسكون وآخرون. ¹⁸.

1. تنقية النفط الخام المنتج من كروماتوغرافيا العمود على السليكا مع التولوين الوينت.
   ملاحظة: كانت الغلة حققت مغ 441 (29 في المائة) من بلورات المحمر مشرق.
2. تنفيذ ¹تحليل "ح الرنين المغناطيسي النووي" المنتج النقي في 600 ميغاهرتز في [دمس]-د₆ للتحقق من صحة البنية (δ 0.98 (تي، ح 6، ي = 7.6 هرتز)، 1.27 (ق، ح 6)، 2.29 (س، ح 4، ي = 7.6 هرتز)، 2.53 (ق، ح 6)، 7.27-7.29 (م، ح 2)، 7.46-7.48 (م، ح 3) جزء في المليون).
3. أداء عالية الدقة الكتلي مع تاين الرش الكهربائية الإيجابية المنتج المنقي، المقابلة للقيمة المحسوبة (ج₂₃ح₂₈فرنك بلجيكي₂ن₂ [M + H]⁺: 381.2314) نسبة 381.2267 m/z.

3-اختبار قطاع التصنيع، الأسلوب 1.

1. إعداد حلول 1 مم صبغة مرجعية والأصباغ 4-DNS، 4-DNS--يا و COOH-4-DNS في التولوين.
2. قطع شرائح السليلوز 30 × 5 مم من ورق الترشيح.
3. مكان ما يقرب من 50 تلك الشرائط (611 ملغ) في قنينة يمكن إغلاقها بشرط 5 مل جنبا إلى جنب مع 4.5 مل الحل المطلوب صبغة من الخطوة 3.1.
4. اهتز الشرائط داخل القنينة مع المدورة عمودية لمدة 20 دقيقة في 30 دورة في الدقيقة.
5. من أجل الحل التولوين من القنينة، وملء فورا مع 4 مل الحلقي وتدوير لمدة 1 دقيقة 30 لفة في الدقيقة يغسل الأصباغ الزائدة.
6. كرر عملية الغسيل من 3.5 الخطوة ثلاث مرات.
7. الجاف لشرائط الاختبار التي تم الحصول عليها في ورقة تصفية لمدة 10 دقائق في الهواء في درجة حرارة الغرفة.

4-اختبار قطاع التصنيع، الأسلوب 2.

1. شرائط أمينيشن الورقة.
   1. قطع شرائح السليلوز 30 × 5 مم من ورق الترشيح.
   2. تحت غطاء دخان، وضع ما يقرب من 20 من تلك الشرائط (308 ملغ) في قارورة تحتوي على 40 مل تولوين.
   3. إضافة ميليلتر 960 من 3-أمينوبروبيلتريثوكسيسيلاني (أبتيس) في قارورة ويقلب المخلوط عن 24 ساعة عند 80 درجة مئوية.
   4. إزالة الشرائط من قارورة وتغسل جيدا مع 50 مل إيثانول.
   5. الجاف للشرائط ح 2 في 50 درجة مئوية.
2. تطعيم للصبغة.
   1. تحت غطاء دخان، حل 5 ملغ 4-DNS-COOH (13 µmol) في 10 مل الميثان الجافة تحت أجواء الأرجون في قارورة 25 مل.
   2. إضافة ن،ن '-ديسيكلوهيكسيلكاربودييميدي (DCC، 3.3 ملغ، 16 µmol) والسماح بحمض الكربوكسيلية لتفعيلها لمدة 15 دقيقة.
   3. إضافة إثيل (2.2 ميليلتر، 16 µmol) و 18 شرائط الورق أميناتيد (278 ملغم).
   4. يقلب الخليط ح 2 إضافية.
   5. إزالة الشرائط من الحل وتغسل مع 25 مل من الميثان ومل 25 من الإيثانول.

5-العينة قبل العلاج.

1. معاملة المختبر
   1. في قنينة 25 مل مزيج مكان 10 مل من ديزل/كيروسين الطازجة.
   2. تعليق و 10% من الفحم النشط في المزج.
   3. يقلب القنينة ح 1 وأجهزة الطرد المركزي (400 x ز، 10 دقيقة) وتصفية لإزالة الفحم.
2. المعالجة في الموقع
   1. شراء دائرية تنشيط الكربون تحميل عوامل تصفية قطر 47 ملم.
   2. وضع أربعة من عوامل التصفية في 47 مم فولاذ المقاوم للصدأ في خط الفلتر.
   3. تدفق 5 مل مزيج ديزل/كيروسين جديدة من خلال المرشحات مع حقنه 10 مل قياسية؛ وحصل حوالي 2 مل حل خالية من الهيدروكربونات العطرية المتعددة.

6. تنفيذ القارئ الذكي

ملاحظة: أساس الروبوت الهاتف الذكي مع جبهة تركزت الكاميرا استخدمت كنواة لنظام القياس الذكي. وكانت جميع العناصر البصرية الضرورية وطباعة 3D التبعي مصنوعة خصيصا لهذا الجهاز. ومع ذلك، يمكن استخدام أي الأخرى من الهاتف الذكي مع كاميرا CMOS (شبه موصل أكسيد المعدن التكميلية). ^{19 , 20}

1. شراء من الإيبوكسي قياسية 5 ملم LED في 460 نانومتر ومقاوم 100 Ω والناقل التسلسلي العام على الذهاب (OTG) الكابل مع رمز تبديل ON/OFF ومنفذ USB الصغرى.
2. قطع كبل USB على عكس الجانب OTG لعزل السلك الأحمر المحرك + 5 الخامس (تصل إلى 300 mA) والسلك الأسود المقابلة على أرض الواقع.
3. قص السلك الأسود من كابل USB ولحام المقاوم 100 Ω في الجزء الخلفي من رمز التبديل. اللحيم اﻷنود الصمام + سلك 5V الحمراء والكاثود LED على الأرض السوداء الأسلاك.
4. شراء الناشر، واثنين من المرشحات للصمام والكاميرا، عادة قصيرة تمرير عامل التصفية لقناة الإثارة (الصمام) وشريط تمرير عامل التصفية لجمع الانبعاثات (الكاميرا).
5. 3D-طباعة حالة الهاتف ذكي الذي يناسب على الهاتف الذكي ويدمج مختلف أجزاء بصرية تتألف من دائرة سوداء (20 × 30 × 40 مم)²¹ كما هو موضح في الشكل 2.
6. حامل قطاع كما هو موضح في الشكل 2 إجراء مرجع وهو شريط اختبار الطباعة 3D.
7. تنفيذ قناة الإثارة عن طريق وضع الصمام والناشر وعامل التصفية لإلقاء الضوء على شرائط الورق بزاوية 60 درجة.
8. تنفيذ القناة القراءة بوضع عامل التصفية أمام الكاميرا CMOS الذكي.
9. إدراج صاحب قطاع الاختبار التي تحتوي على الشرائط لبدء قياس.

7-عينة التحليل باستخدام كاشف المستندة إلى الهاتف الذكي

ملاحظة: أجريت تحليلات عن طريق تشغيل app(lication) جافا الروبوت الذي عرض أخيرا على مستوى الغش على الشاشة. دون التطبيق، يمكن أخذ الصور، وتصديرها إلى جهاز كمبيوتر وتحليلها مع برمجيات تحليل صورة قياسية.

1. حدد ملف المعايرة كافية، هنا ديزل/كيروسين، من ذاكرة البرنامج بالنقر على زر القائمة في الركن العلوي الأيسر من إطار البرنامج.
2. تراجع قطاع الاختبار في العينة الديزل لبضع ثوان قبل عقد قطاع الاختبار مع ملاقط.
3. إزالة الوقود الزائدة عن طريق الربت بسيطة مع ورقة تجفيف.
4. وضع شريط الاختبار داخل حامل قطاع إلى جانب قطاع المرجعية ويدخل صاحب القضية الذكي.
   ملاحظة: ثم يتم عرض صورة للأسفار الشرائط فورا على الشاشة للهاتف الذكي.
5. اضغط على زر إطلاق النار لتسجيل كثافات الأسفار من الاختبار والإشارة إلى شرائط.
   ملاحظة: درجة غش فورا حسابها بواسطة خوارزمية الداخلية وعرضها على الشاشة.

النتائج

ثلاثة هياكل الأصباغ التجارية هما 4-DNS و 4-DNS--يا وصبغ المركبة 4-DNS-COOH تحتوي على عنصر أساسي stilbene استبداله مع إحدى الجهات مانحة (-NR₂) ويقبلون (-₂) المجموعة في كلا طرفي، مزدوج وسط السندات التي تشكل المفصلة لما يسمى 'الدوار الجزيئية' (الشكل 1A). وتختلف الهيا?...

Discussion

وكان استخدام مجس فلورسنت، استناداً إلى صبغة دوار جزيئية يراعي اللزوجة في نطاق تلك التي تقاس به مختلف يمزج بالكيروسين، والديزل للحصول على شرائط الاختبار بسيطة وفعالة للكشف عن غش وقود الديزل. كثافة الانبعاثات 4-DNS في 550 نانومتر في مختلف ديزل/كيروسين يمزج يرتبط بانخفاض اللزوجة عندما تزداد نس?...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
4-dimethylamino-4-nitrostilbene (CAS Number: 2844-15-7)	Sigma-Aldrich	39255	4-DNS Dye
2-[ethyl[4-[2-(4-nitrophenyl)ethenyl]phenyl]amino]ethanol (CAS Number: 122258-56-4)	Sigma-Aldrich	518565	4-DNS-OH Dye
Whatman qualitative filter paper, Grade 1	Sigma-Aldrich	Z274852	Test strips support
Whatman application specific filter, activated carbon loaded paper, Grade 72	Sigma-Aldrich	WHA1872047	Fuel pre-treatment filters
Pall reusable in-line filter holders stainless steel, diam. 47 mm	Sigma-Aldrich	Z268453	Holder pre-treatment filters
(3-Aminopropyl)triethoxysilane	Sigma-Aldrich	919-30-2	APTES
4-(Dimethylamino)pyridine	Sigma-Aldrich	1122-58-3	DMAP
Succinic anhydride	Sigma-Aldrich	108-30-5
Triethylamine	Sigma-Aldrich	121-44-8	Et3N
N,N'-dicyclohexylcarbodiimide	Sigma-Aldrich	538-75-0	DCC
Stuart Tube Rotators	Cole-Parmer	SB3	Rotator
FreeCAD	freecadweb.org	-	Freeware - 3D design
Ultimaker Cura	Ultimaker	-	Freeware - 3D printing
Android Studio	Google	-	Freeware - App programming
Renkforce SuperSoft OTG-Mirror Micro-USB Cable 0,15 m	Conrad.de	1359890 - 62	Smartphone setup electronic part
Black Cord Switch 1 x Off / On	Conrad.de	1371835 - 62	Smartphone setup electronic part
Carbon Film Resistor 100 Ω	Conrad.de	1417639 - 62	Smartphone setup electronic part
492 nm blocking edge BrightLine short-pass filter	Semrock	FF01-492/SP-25	Filter excitation
550/49 nm BrightLine single-band bandpass filter	Semrock	FF01-550/49-25	Filter emission
Ø1/2" Unmounted N-BK7 Ground Glass Diffuser, 220 Grit	Thorlabs	DG05-220	Diffuser excitation
LED 465 nm, 9 cd, 20 mA, ±15°, 5 mm clear epoxy	Roithner	RLS-B465	LED excitation