Tiras de papel fluorescente para la detección de adulteración de Diesel con lectura de Smartphone

Resumen

Aquí, presentamos un protocolo para detectar la adulteración de diesel con kerosene utilizando tiras de prueba con una sonda fluorescente viscosidad junto con un sistema de análisis basado en el smartphone.

Resumen

Tres rotores moleculares fluorescentes de 4-dimetilamino-4-nitrostilbene (4-DNS) fueron investigados para su posible uso como sondas de viscosidad para indicar el contenido de queroseno en mezclas diesel/keroseno, una extensa actividad a adulterar combustible. En solventes de baja viscosidad, los tintes desactivarán rápidamente a través de un estado de transferencia de carga intramolecular torcido supuesto, eficientemente apagan la fluorescencia. Medidas de mezclas diesel/keroseno revelaron una buena correlación lineal entre la disminución de la fluorescencia y el aumento de la fracción del keroseno menos viscoso en mezclas diesel/keroseno. Inmovilización de lo derivado hidroxi 4-DNS-OH en papel de celulosa produjo tiras reactivas que conservan el comportamiento del indicador fluorescente. Combinación de las tiras con un lector basado en un smartphone y una aplicación de control permite realizar una prueba de campo sencilla. El método fiable puede detectar la presencia de petróleo en diesel de 7 a 100%, superando los actuales métodos estándar para la adulteración de diesel.

Introducción

Adulteración de combustible es un problema grave en muchas partes del mundo, simplemente debido a la enorme relevancia de combustible como fuente de energía. Motores con combustible adulterado reduce su rendimiento, conduce a la falla del motor anterior y conlleva contaminación del medio ambiente¹. Aumentado por lo que las emisiones_x si diesel es adulterado con queroseno que contiene generalmente una cantidad mayor de azufre^2,3. Aunque el problema existe desde hace décadas, gestión de combustible sostenible que descubre tal actividad delictiva en su punto de origen es todavía raro, porque pruebas simples y confiables para la adulteración de combustible están careciendo en gran parte⁴. A pesar de progreso substancial en el análisis de aceite mineral en laboratorio en las últimas décadas los enfoques^5,6,7, mediciones in situ son todavía escasas. Recientemente se han ideado diversos métodos para el uso fuera del laboratorio mediante fibra óptica⁸, transistores efecto de campo⁹ o materiales mechano-crómico¹⁰. Aunque superan algunos de los inconvenientes de los métodos convencionales, robustos, portátiles y fácil de utilizar métodos siguen faltando en gran parte. Sondas fluorescentes de viscosidad basadas en rotores moleculares son una interesante alternativa^11,12, porque los aceites minerales están compuestos por una gran variedad de hidrocarburos que difieren en la longitud de la cadena y ciclicidad, siendo a menudo reflejado en diferentes viscosidades. Porque los combustibles son mezclas complejas sin compuestos específicos que actúan como marcadores, la medición del cambio de una propiedad macroscópica como viscosidad o polaridad parece muy prometedor. Este último puede ser abordado por rotores moleculares fluorescentes para que los rendimientos cuánticos de fluorescencia dependen de la viscosidad ambiental. Después fotoexcitan, desactivación implica comúnmente un estado de transferencia (TICT) trenzado de carga intramolecular, cuya población está determinada por la viscosidad de su entorno microambiente¹³. Solventes altamente viscosos obstaculizan rotores moleculares para adoptar un estado TICT, que implique emisión brillante. En solventes de baja viscosidad, el rotor puede acceder mucho mejor al estado TICT, aceleración de decaimiento no radiativo y fluorescencia así apagada. La adición del keroseno, con una viscosidad de 1,64 mm²∙s^–1 a 27 ° C, a diesel, con respectivas viscosidades de 1.3-2.4, 1.9-4.1 2.0-4.5 o 5.5 24.0 mm²∙s ^–1 a 40 ° C para los grados 1D, 2D, EN 950 y D 4^14,15,16, reduce la viscosidad cinemática de la mezcla y conduce potencialmente a un amortiguamiento proporcional de la fluorescencia de una punta de prueba de rotor molecular. La familia de 4-dimetilamino-4-nitrostilbenes (4-DNS) parecía más prometedor para nosotros debido a su variación fuerte fluorescencia en un rango de viscosidad cinemática de 0.74-70.6 mm²∙s ^–1. Esta gama coincide bien con los valores conocidos de queroseno y diesel.

Por lo tanto, se analizó la capacidad de 4DNS, 2-[etil [4-[2-(4-nitrophenyl) ethenyl] fenil] amino] etanol (4DNSOH) y (E) ácido-4-(2-(ethyl(4-(4-nitrostyryl)phenyl)amino)ethoxy)-4-oxobutanoic (4DNSCOOH) para indicar la viscosidad del mezclas de queroseno diesel a través de su fluorescencia, dependiendo de la rotación intramolecular y finalmente rindiendo una prueba rápida para la adulteración de diesel con kerosene. La prueba disponible es fácil de usar, preciso, confiable, rentable y dimensiones pequeñas. La adsorción de las sondas en el papel de filtro como soporte sólido se investigó y el análisis se realizó con un lector de fluorescencia basada en smartphone integrado. Hoy, smartphones ubicuo disponibles están equipados con cámaras de alta calidad, haciendo la detección de cambios ópticos como el color y la fluorescencia directa y allanando el camino para el análisis in situ de gran alcance. Aquí demostramos que la medición de la emisión de sondas fluorescentes adsorbidos sobre tiras de papel con un teléfono inteligente puede utilizarse para detección de fraudes de combustibles de combustión en una manera confiable de¹⁷.

Protocolo

1. fluorescentes tintes (Figura 1A)

1. Compra disponible en el mercado 4-DNS y DNS-4-OH.
   Nota: 4-DNS-COOH no está comercialmente disponible y es preparado a partir de 4-DNS-OH como se describe más adelante.
2. Lugar 50 mg (0.16 mmol) de 2-[etil [4-[2-(4-nitrophenyl) ethenyl] fenil] amino] etanol, 2 mg (0.016 mmol) de 4-dimethylaminopyridine y 19,2 mg (0,192 mmol) de anhídrido succínico en 10 mL matraz de fondo redondo.
3. Disolver los reactivos en 2 mL de diclorometano seco bajo atmósfera de argón.
4. Añadir 11.6 μl (0.08 mmol) de trietilamina y dejar la mezcla reaccionar por 20 h.
5. Vigilar la reacción por cromatografía en capa fina hasta conversión cuantitativa de las materias primas (Rf = 0,61) en el producto (Rf = 0.27) se indica (hexano/EtOAc, 4/6, v/v)
6. Añadir 2 mL de agua a la mezcla antes de acidificación a pH 2 con ácido acético (aproximadamente 10 μl).
7. Extracto de la mezcla mediante la realización de dos extracciones sucesivas de líquido-líquido, con 10 mL de diclorometano cada vez.
8. Lavar una vez las fases orgánicas reunidas con 10 mL de NaCl saturada (> 359 g L^{– 1}).
9. Seco las fases orgánicas mediante la adición de Na₂hasta₄ polvo hasta algunos bien secado en polvo agente permanece visible.
10. Purifique el producto crudo por cromatografía de columna de sílice flash con petróleo éter: Etanoato de etilo 1:9 como eluyente.
    Nota: El rendimiento logrado fueron 49 mg (74%) del producto deseado.
11. Realizar ¹análisis NMR de H del producto purificado en DMSO-d₆ para validar la estructura (δ 8.17 (d, J = 8,8 Hz, 2 H), 7,75 (d, J = 8,8 Hz, 2 H), 7.49 (d, J = 8,8 Hz, 2 H), 7.41 (d, J = 16,3 Hz, 1 H), 7.10 (d, J = 16,3 Hz 1 H), 6.75 (d, J = 8,9 Hz, 2 H), 4.18 (t, J = 6,0 Hz, 2 H), 3.58 (t, J = 6,0 Hz, 2 H), 3,43 (q, J = 7,0 Hz, 2 H), 2.50-2.45 (m, 4 H), 1.10 (t, J = 7,0 Hz, 3 H) ppm).
12. Realizar ¹³análisis de RMN de C del producto purificado en DMSO-d6 para validar la estructura (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 ppm).
13. Realizar la espectrometría de masas de alta resolución con ionización de spray electro positivo del producto purificado, correspondiente al valor calculado (C₂₂H₂₅N₂O₆ [M + H]⁺: 413.1707) relación m/z de 413.1713.

2. síntesis de los tintes de referencia

Nota: El procedimiento sintético de 8-(phenyl)-1,3,5,7-tetramethyl-2,6-diethyl-4,4-difluoro-4 bora-3a, 4a-diaza-s-indacene fue adoptado de Coskun et al. ¹⁸.

1. Purifique el producto crudo por cromatografía en columna en sílica con tolueno como eluyente.
   Nota: El rendimiento logrado fueron 441 mg (29%) de cristales brillantes de color rojizo.
2. Realizar ¹análisis NMR de H del producto puro a 600 MHz en DMSO-d₆ para validar la estructura (δ 0.98 (t, H 6, J = 7,6 Hz), 1.27 (s, 6 H), 2.29 (q, 4 H, J = 7,6 Hz), 2.53 (s, 6 H), (m, 2 H), de 7,27-7.29 7,46 7,48 (m, 3 H) ppm).
3. Realizar la espectrometría de masas de alta resolución con ionización de spray electro positivo del producto purificado, correspondiente al valor calculado (C₂₃H₂₈BF₂N₂ [M + H]⁺: 381.2314) relación m/z de 381.2267.

3. PRUEBA TIRA FABRICACIÓN, MÉTODO 1.

1. Preparar soluciones de 1 mM del tinte de referencia y tintes 4-DNS, 4-DNS-OH y 4-DNS-COOH en tolueno.
2. Cortar tiras de celulosa de 30 × 5 mm de papel de filtro.
3. Lugar aproximadamente 50 de estas tiras (611 mg) en un vial de 5 mL sellables junto con 4,5 mL de la solución de tinte deseado del paso 3.1.
4. Sacuda las tiras dentro del frasco con un agitador vertical por 20 min a 30 rpm.
5. Vierta la solución de tolueno en el frasco e inmediatamente llenar con 4 mL de ciclohexano y gire durante 1 min a 30 rpm para lavar exceso tintes.
6. Repetir la operación de lavado de 3.5 paso tres veces.
7. Secar las tiras de prueba obtenida en un papel de filtro durante 10 min en aire a temperatura ambiente.

4. prueba de fabricación de tira, método 2.

1. Aminación de las tiras de papel.
   1. Cortar tiras de celulosa de 30 × 5 mm de papel de filtro.
   2. Bajo una campana de humos, colocar aproximadamente 20 de esas tiras (308 mg) en un matraz que contiene 40 mL de tolueno.
   3. Añadir 960 μl de 3 aminopropyltriethoxysilane (APTES) en el matraz y agitar la mezcla durante 24 horas a 80 ° C.
   4. Retire las tiras del frasco y lave con 50 mL de etanol.
   5. Secar las tiras por 2 h a 50 ° C.
2. Injerto del tinte.
   1. Bajo una campana de humos, disolver 5 mg de 4-DNS-COOH (13 μmol) en 10 mL de diclorometano seco bajo atmósfera de argón en un matraz de 25 mL.
   2. Añadir N,N'- diciclohexilcarbodiimida (DCC, 3,3 mg, 16 μmol) y el ácido carboxílico que se activará durante 15 min.
   3. Añadir trietilamina (2,2 μl, 16 μmol) y tiras de papel de 18 aminated (278 mg).
   4. Removemos la mezcla durante 2 h más.
   5. Retire las tiras de la solución y lave con 25 mL de diclorometano y 25 mL de etanol.

5. la muestra tratamiento previo.

1. Tratamiento de laboratorio
   1. Lugar 10 mL de una nueva diesel/keroseno mezcla en un frasco de 25 mL.
   2. Suspender 10% en peso de carbón activo en la mezcla.
   3. Agitar el frasco para 1 h, centrifugar (400 x g, 10 min) y filtro para eliminar el carbón de leña.
2. Tratamiento in-situ
   1. Carbono de compra circular activado carga filtros de 47 mm de diámetro.
   2. Coloque cuatro de los filtros en un soporte de filtro en línea de 47 mm de acero inoxidable.
   3. Ras 5 mL de una mezcla de diesel/keroseno fresco a través de los filtros con una jeringa de 10 mL estándar; se obtuvo aproximadamente 2 mL de solución de libre de hidrocarburos aromático policíclico.

6. aplicación lector Smartphone

Nota: Un androide basado smartphone con un centrado frente cámara fue utilizada como la base del sistema de medición de smartphone. Todos los elementos ópticos y accesorios 3D impreso eran por encargo para este dispositivo. Sin embargo, puede utilizarse cualquier otro smartphone con una cámara CMOS (Semiconductor complementario de óxido de Metal). ^{19 , 20}

1. Compra un epoxi estándar 5 m m LED en 460 nm, un resistor de 100 Ω y un USB on-the-go (OTG) cable con un interruptor ON/OFF y un puerto micro USB.
2. Cortar el cable USB al contrario del lado OTG para aislar el cable rojo de alimentación + 5 V (hasta 300 mA) y el cable negro corresponde al suelo.
3. Cortar el cable negro del cable USB y suelda el resistor de 100 Ω en la parte posterior del interruptor. Suelda el ánodo del LED para la + 5V rojo alambre y el cátodo del LED a tierra cable negro.
4. Compra un difusor y dos filtros para el LED y la cámara, por lo general un corto pase filtro para el canal de excitación (LED) y una banda pase filtro para la colección de emisión (cámara).
5. 3D-impresión de un caso de smartphone que cabe en el teléfono inteligente e integra las diferentes partes ópticas consistente en una cámara negro (20 x 30 x 40 mm)²¹ como se describe en la figura 2.
6. 3D-impresión de un sostenedor de la tira como se describe en la figura 2 para una referencia y una tira de prueba.
7. Implementar el canal de excitación mediante la colocación de lo LED, el difusor y el filtro para iluminar las tiras de papel en un ángulo de 60°.
8. Implementar el canal de lectura colocando el filtro delante de la cámara CMOS del smartphone.
9. Inserte el soporte de la tira de prueba que contiene las tiras para comenzar una medición.

7. muestra el análisis usando el Detector basado en el Smartphone

Nota: Los análisis se llevaron a cabo mediante la ejecución de un app(lication) Java para Android que finalmente muestra el nivel de adulteración en la pantalla. Sin la aplicación fotos pueden ser tomadas, exportadas a un equipo y analizaron con un software de análisis de imagen estándar.

1. Seleccione el archivo de calibración adecuado, aquí diesel/keroseno, en la memoria de software haciendo clic en el botón de menú en la esquina superior derecha de la ventana del software.
2. Sumerja la tira reactiva en la muestra de diesel durante un par de segundos manteniendo la tira de prueba con pinzas.
3. Retire el exceso de combustible simple acariciando con un papel de secado.
4. Coloque la tira de prueba dentro de la titular de la tira además de la franja de referencia e introducir al soporte en el caso del smartphone.
   Nota: Una imagen de fluorescencia de las tiras inmediatamente aparece en la pantalla del smartphone.
5. Presione el botón de disparar para registrar las intensidades de fluorescencia de prueba y las tiras de referencia.
   Nota: El grado de adulteración inmediatamente es calculado por el algoritmo interno y en la pantalla.

Resultados

Las tres estructuras de los dos tintes comerciales 4-DNS y 4-DNS-OH y el tinte sintetizado 4-DNS-COOH contienen un elemento de la base de estilbenos sustituido con un donante (-NR₂) y un aceptor (-₂) grupo en ambos extremos, la central doble de bonos que constituyen la bisagra del llamado rotor molecular (figura 1A). Las estructuras difieren en el patrón de sustitución del grupo amino con grupos alquilo corto 4-DNS, dos grupos un poco ...

Discusión

Se utilizó una sonda fluorescente, basada en un tinte de rotor molecular que es sensible a la viscosidad en el rango de los medidos para el diesel y sus mezclas diferentes con queroseno, para obtener tiras de prueba simples y eficientes para la detección de adulteración de combustible diesel. La intensidad de emisión de 4-DNS a 550 nm en varios correlatos de mezclas diesel/keroseno con una reducción de la viscosidad cuando aumenta la proporción de keroseno. A una temperatura de 24 ° C, se observó un amortiguamien...

Materiales

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