רצועות נייר פלואורסצנטי איתור מהילה דיזל עם הטלפון החכם Read-out

Summary

כאן, אנו מציגים פרוטוקול לגילוי מהילה של דיזל עם נפט באמצעות לבדוק רצועות מצופה עם מכשיר בדיקה צמיגות פלורסנט יחד עם מערכת ניתוח מבוסס סמארטפון.

Abstract

שלושה הרוטורים מולקולרית פלורסנט של 4-דלמטלמינו-4-nitrostilbene (4-DNS) נחקרו לשימוש פוטנציאלי שלהם כפי צמיגות רגשים כדי לציין את התוכן של נפט במיזוגים סולר/נפט, פעילות רחב התפשט דלק adulterate. בממיסים עם צמיגות נמוכה, הצבעים לבטל במהירות באמצעות מצב העברה כביכול תשלום התפלגות מעוות, ביעילות להרוות את קרינה פלואורסצנטית. מדידות של תערובות סולר/נפט התגלה מתאם ליניארי טוב בין הירידה פלורסצנטיות העלייה של השבר של הנפט צמיגה פחות במיזוגים סולר/נפט. קיבעון של הידרוקסי נגזרות 4-DNS-הו בעיתון תאית הניב לבדוק רצועות זה לשמר את ההתנהגות של מחוון פלורסנט. שילוב של הרצועות עם קורא בהתבסס על smartphone והתירו יישום השליטה ליצירת בדיקה פשוטה. השיטה אמינה לזהות הנוכחות של נפט בדיזל 7 ל- 100%, outperforming נוכח בשיטות הרגילות עבור דיזל מהילה.

Introduction

מהילה דלק היא בעיה רצינית בחלקים רבים של העולם, פשוט בגלל הרלוונטיות העצום של דלק כמקור אנרגיה. ריצה מנועי דלק מהול מפחית את הביצועים שלהם, מוביל לכישלון מנוע קודמות, כרוך זיהום סביבתי¹. גדל אז_x פליטת להתרחש אם דיזל הוא מהול עם נפט בדרך כלל מכילה כמות גבוהה יותר של גופרית^2,3. למרות הבעיה קיימת כבר עשרות שנים, ניהול בר קיימא דלק חושפת פעילות פלילית שלה בנקודת המוצא הוא עדיין נדיר, כי בדיקות פשוטה ואמינה עבור דלק מהילה בעיקר חסרים⁴. למרות התקדמות משמעותית בניתוח מבוסס המעבדה שמן מינרלי בעשורים שחלפו^5,6,7, גישות מדידות באתר עדיין נדירים. שיטות שונות לשימוש מחוץ למעבדה יש לאחרונה ויוחאי, באמצעות סיבים אופטיים⁸, שדה – אפקט טרנזיסטורים⁹ או חומרים mechano-כרום¹⁰. למרות שהם להתגבר על חלק החסרונות של שיטות קונבנציונליות, חזקים, שיטות ידידותיות למשתמש ונייד עדיין חסרים במידה רבה. הגששים פלורסנט צמיגות בהתבסס על הרוטורים מולקולרי הן מעניין חלופי^11,12, כי שמנים מינרליים המורכב מעובדים מגוון גדול של פחמימנים שונים אורך שרשרת, לאחר תקופת היובש, להיות לעיתים קרובות לידי ביטוי הקיימים. בגלל דלקים תערובות מורכבים ללא הפניה ספציפית תרכובות לפעול כמו המשדרים, מידת השינוי של מאפיין מאקרוסקופית כמו צמיגות או קוטביות נראה מאוד מבטיח. האחרון ניתן לטפל על ידי פלורסנט הרוטורים מולקולרית עבורו התשואות הקוונטית של קרינה פלואורסצנטית תלויים צמיגות סביבתיים. לאחר photoexcitation, הביטול כרוך בדרך כלל מצב העברה (TICT) תשלום התפלגות מעוות, האוכלוסייה אשר נקבע על פי צמיגות microenvironment שמסביב שלה¹³. ממיסים בעלי צמיגות גבוהה לעכב הרוטורים מולקולרית לאמץ מדינה TICT, פרוגרמה פליטה בהיר. בממיסים נמוך נטול צמיגות, הרוטור יותר גישה המדינה TICT, האצת ללא קרינה רדיואקטיבית, ובכך מתרצה זריחה. התוספת של נפט, עם צמיגות של 1.64 מ מ²∙s^–1 -27 ° C, כדי דיזל, עם צמיגויות בהתאמה של 1.3-2.4, 1.9-4.1, 2.0-4.5 או 5.5-24.0 מ מ²∙s ^–1 ב 40 מעלות צלזיוס לכיתות ד' 1, 2D, EN 950 4D^14,15,16, מפחית את צמיגות קנטית של התערובת, שעשוי להיות מוביל שכבתה פרופורציונלי של זריחה של בדיקה מולקולרית הרוטור. משפחתו של 4-דלמטלמינו-4-nitrostilbenes (4-DNS) נראה המבטיחים ביותר אלינו בגלל שלהם וריאציה פלורסצנטיות חזקה על מגוון צמיגות קנטית 0.74-70.6 מ מ-²-∙s ^–-¹. טווח זה תואם הערכים הידועים של נפט, סולר.

לכן חרשנו את היכולת של 4DNS, 2-[אתיל [4-[2-(4-nitrophenyl) ethenyl] phenyl] אמינו] אתנול (4DNSOH) ו- (E) חומצה-4-(2-(ethyl(4-(4-nitrostyryl)phenyl)amino)ethoxy)-4-oxobutanoic (4DNSCOOH) כדי לציין את צמיגות תערובות דיזל-נפט באמצעות קרינה פלואורסצנטית שלהם, בהתאם התפלגות הסיבוב סוף סוף מניב בדיקה מהירה מהילה דיזל עם נפט. המבחן חד פעמיות הוא קל לשימוש, מדויק, אמין, חסכוני ממדית קטן. ספיחה של הגששים על גבי נייר הסינון כמו תמיכה מלאה נחקר, הניתוח הושלמה עם קורא פלורסצנטיות המוטבע מבוסס סמארטפון. היום, טלפונים חכמים ubiquitously הזמינים הינם מצוידים עם מצלמות באיכות גבוהה, עיבוד זיהוי אופטי שינויים כגון צבע, זריחה ישיר ולאחר לסלול את הדרך עבור ניתוחים באתר רב-עוצמה. נדגים כאן כי המדד של הפליטה של הספוחה על רצועות נייר עם טלפון חכם של פלורסנט רגשים יכול לשמש עבור זיהוי הונאות על בעירה דלקים באופן אמין¹⁷.

Protocol

1. צבעי פלורסנט (איור 1A)

1. לרכוש 4 זמינים מסחרית-DNS ו 4-DNS-הו.
   הערה: 4-DNS-COOH אינו זמין מסחרית ולא מוכן מ 4-DNS-או כפי שמתואר להלן.
2. מקום 50 מ"ג (0.16 mmol) 2-[אתיל [4-[2-(4-nitrophenyl) ethenyl] phenyl] אמינו] אתנול, 2 מ ג (0.016 mmol) 4-dimethylaminopyridine ו- 19.2 מ"ג (0.192 mmol) של סוקסינית אנהידריד ב 10 מ"ל עגולה בתחתית הבקבוק.
3. להמיס את ריאגנטים ב 2 מיליליטר דיכלורומתאן יבש תחת ארגון אווירה.
4. הוסף µL 11.6 (0.08 mmol) של triethylamine ' שהתערובת להגיב על 20 h.
5. לנטר את התגובה על ידי שכבה דקה כרומטוגרפיה עד ההמרה כמותית של חומרי המוצא (Rf = 0.61) לתוך המוצר (Rf = 0.27) מסומן (הקסאן/EtOAc, 4/6, וי/v)
6. להוסיף 2 מיליליטר מים לתערובת לפני acidification את ה-pH 2 עם חומצה אצטית (כ- 10 µL).
7. לחלץ את התערובת על-ידי ביצוע שתי עקירות נוזל-נוזל רצופים, עם 10 מ"ל של דיכלורומתאן בכל פעם.
8. לשטוף פעם את שלבי אורגני שהתנהגות עם 10 מ"ל של NaCl רוויים (> 359 g L^{– 1}).
9. יבש את שלבי אורגני על-ידי הוספת נה₂אז אבקת₄ עד כמה בסדר אבקת סוכן ייבוש נשאר גלוי.
10. לטהר המוצר גולמי על ידי סיליקה פלאש כרומטוגרפיה עמודה עם נפט אתר: ethylacetate 1:9 כמו eluent.
    הערה: התשואה מושגת היו 49 מ ג (74%) של המוצר הרצוי.
11. לבצע ¹H NMR ניתוח של המוצר מטוהרים דימתיל סולפוקסיד-d₆ כדי לאמת את המבנה (אלפא 8.17 (d, J = 8.8 הרץ, 2 H), 7.75 (d, J = 8.8 הרץ, 2 H), 7.49 (d, J = 8.8 הרץ, 2 H), 7.41 (d, J = 16.3 הרץ, 1 H), 7.10 (d, J = הרץ 16.3 1 H), 6.75 (d, J = הרץ 8.9, 2 H), 4.18 (t, J = הרץ 6.0, 2 H), 3.58 (t, J = הרץ 6.0, 2 H), 3.43 (q, J = 7.0 הרץ, 2 H), 2.50-2.45 (ז, ח 4), 1.10 (t, J = 7.0 הרץ, 3 H) ppm).
12. לבצע ¹³C NMR ניתוח של המוצר מטוהרים דימתיל סולפוקסיד-d6 כדי לאמת את המבנה (אלפא 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, דפים לדקה 12.00).
13. לבצע ספקטרומטר מסה ברזולוציה גבוהה עם אלקטרו חיובי יינון ספריי של המוצר מטוהרים, התואם הערך המחושב (C₂₂H₂₅N₂O₆ [M + H]⁺: 413.1707) מ/z יחס של 413.1713.

2. סינתזה של הפניה לצבוע

הערה: ההליך סינתטי של 8-(phenyl)-1,3,5,7-tetramethyl-2,6-diethyl-4,4-difluoro-4 בורה-3a, אומצה 4a-diaza-s-indacene מפני שבאנגליה ואח. ¹⁸.

1. לטהר את המוצר גולמי על ידי טור כרומטוגרפיה-סיליקה עם טולואן כמו eluent.
   הערה: התשואה מושגת היו מ"ג 441 (29%) של גבישים אדמדם בהיר.
2. לבצע ¹H NMR ניתוח של המוצר טהור במהירות 600 מגה-הרץ ב- d-דימתיל סולפוקסיד₆ כדי לאמת את המבנה (אלפא 0.98 (t, 6 H, J = הרץ 7.6), 1.27 (s, 6-אייץ '), 2.29 (q, 4h, J = הרץ 7.6), 2.53 (s, 6-אייץ '), 7.27-7.29 (ז, 2 H), עמודים לדקה 7.46-7.48 (ז, ח 3)).
3. לבצע ספקטרומטר מסה ברזולוציה גבוהה עם אלקטרו חיובי יינון ספריי של המוצר מטוהרים, התואם הערך המחושב (ג₂₃H₂₈BF₂N₂ [M + H]⁺: 381.2314) מ/z יחס של 381.2267.

3. מבחן רצועת פבריקציה נוספת, שיטה 1.

1. להכין 1 מ מ פתרונות של התייחסות צבע, צבעי 4-DNS, 4-DNS-OH 4-DNS-COOH, טולואן.
2. חותכים רצועות תאית של 30 × 5 מ מ נייר סינון.
3. במקום כ 50 של הרצועות אלה (611 מ ג) בקבוקון sealable מ ל יחד עם 4.5 מ של הפתרון הרצוי לצבוע מהשלב 3.1.
4. לנער את הרצועות בתוך המבחנה עם מסובב אנכי כעשרים דקות במהירות של 30 סל ד.
5. יוצקים את הפתרון טולואן מתוך המיכל, למלא מיד עם 4 מיליליטר ציקלוהקסאן וסובב עבור 1 דקות ב- rpm 30 לשטוף את עודף צבע.
6. חזור על פעולת הכביסה מ 3.5 שלב שלוש פעמים.
7. יבש את הרצועות במבחן שהושג על נייר סינון 10 דקות באוויר בטמפרטורת החדר.

4. מבחן רצועת פבריקציה נוספת, שיטה 2.

1. Amination של הנייר רצועות.
   1. חותכים רצועות תאית של 30 × 5 מ מ נייר סינון.
   2. ברדס fume, מקום כ 20 של הרצועות אלה (308 מ ג) בקבוקון המכיל 40 מ של טולואן.
   3. להוסיף µL 960 של 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES) הבקבוקון ומערבבים את התערובת במשך 24 שעות ביממה-80 מעלות צלזיוס.
   4. הסר את הרצועות של הבקבוק, לשטוף ביסודיות עם 50 מ של אתנול.
   5. יבש את הרצועות עבור 2 h ב- 50 מעלות צלזיוס.
2. הארכת לצבוע.
   1. ברדס fume, להמיס 5 מ"ג של 4-DNS-COOH (13 µmol) 10 מ"ל של דיכלורומתאן יבש תחת ארגון אווירה בבקבוקון 25 מ.
   2. להוסיף NN'- dicyclohexylcarbodiimide (DCC, 3.3 מ ג, 16 µmol) ולאפשר את חומצה קרבוקסילית תופעל למשך 15 דקות.
   3. להוסיף triethylamine (2.2 µL, 16 µmol) ו- 18 רצועות נייר aminated (278 מ ג).
   4. מערבבים את התערובת כבר שעתיים נוספות.
   5. הסר את הרצועות של הפתרון, לשטוף עם 25 מ של דיכלורומתאן, 25 מ של אתנול.

5. הדגימה טיפול קדם.

1. טיפול מעבדה
   1. מקום 10 מ"ל של דיזל/הנפט טריים להתמזג בקבוקון 25 מ.
   2. להשעות 10% wt של פחם פעיל בתערובת.
   3. מערבבים את המבחנה 1 h, צנטריפוגה (400 x גרם, 10 דקות), מסנן כדי להסיר את הפחם.
2. טיפול באתר
   1. רכישה מעגלית הופעל פחמן טעון המסננים של 47 מ מ קוטר.
   2. מקום 4 של מסנני בעל מסנן בשורה של פלדת אל-חלד 47 מ מ.
   3. ריקון 5 מ של תערובת טריים סולר/נפט באמצעות המסננים עם מזרק רגיל 10 מ; כ 2 מ"ל של פתרון ללא פחמימן ארומטי polycyclic הושג.

6. החכם קורא יישום

הערה: מבוסס אנדרואיד החכם עם חזית ממורכז המצלמה שימש הליבה של מערכת המדידה החכם. כל הצורך רכיבים אופטיים, אביזר מודפס 3D היו בהזמנה מיוחדת עבור התקן זה. עם זאת, ניתן להשתמש בכל smartphone אחרים עם מצלמת CMOS (משלימים מתכת מוליך למחצה). ^{19 , 20}

1. רכישה של אפוקסי סטנדרטי 5 מ מ LED-460 nm, 100 Ω הנגד של ה-USB ב- the-go (OTG) כבל עם מתג ON/OFF, יציאת USB מיקרו.
2. חותכים כבל ה-USB על ההפך של הצד OTG כדי לבודד את החוט האדום מפעיל +5 וולט (עד 300 מא), את החוט השחור המתאים לקרקע.
3. לחתוך את החוט השחור של כבל ה-USB ו הלחמה את resistor 100 Ω בגב המתג. הלחמה האנודה LED + 5V אדום חוט ו הקתודה LED לקרקע שחור תיל.
4. לרכוש מפזר, שני מסננים עבור ה-LED ואת המצלמה, בדרך כלל זמן קצר לעבור סינון עבור הערוץ עירור (LED), להקה לעבור סינון עבור אוסף פליטה (מצלמה).
5. 3D-הדפסה תיק החכם מתאים החכם ו משתלב חלקים אופטיים שונים המורכב שחור קאמרית (20 x 30 x 40 מ מ)²¹ כמתואר באיור2.
6. 3D-הדפסה בעל רצועת כמתואר באיור 2 כדי להכיל הפניה ואת רצועת הבדיקה.
7. ליישם את הערוץ עירור על-ידי הצבת ה-LED, מפזר את, המסנן כדי להאיר את רצועות נייר בזווית של 60°.
8. ליישם את הערוץ הקריאה על-ידי הצבת את המסנן מול המצלמה CMOS החכם.
9. הוסף מבחן רצועת המחזיק המכיל את הרצועות להתחיל מדידה.

7. דגימת באמצעות הגלאי מבוסס סמארטפון.

הערה: ניתוחים בוצעו על-ידי הפעלת app(lication) של ג ' אווה עבור אנדרואיד לבסוף מוצגות הרמה מהילה על המסך. בלי היישום, תמונות יכול להיות נלקח, מיוצא למחשב וניתח עם תוכנת ניתוח תמונה רגילה.

1. בחר את קובץ כיול נאותה, כאן סולר/נפט, מהזיכרון התוכנה על ידי לחיצה על לחצן התפריט בפינה הימנית העליונה של חלון התוכנה.
2. לטבול את רצועת הבדיקה בתוך המדגם דיזל במשך כמה שניות על-ידי החזקת רצועת הבדיקה עם פינצטה.
3. להסיר עודפי דלק על ידי מלטף פשוטה עם עיתון ייבוש.
4. במקום רצועת הבדיקה בתוך בעל רצועת מלבד רצועת הפניה ולהציג המחזיק לתוך התיק החכם.
   הערה: תמונה של זריחה של הרצועות ואז מיד מוצג על המסך של הטלפון החכם.
5. לחץ על לחצן לירות כדי להקליט את עוצמות קרינה פלואורסצנטית מבחן וההתייחסות רצועות.
   הערה: מידת מהילה מיד מחושב על ידי אלגוריתם פנימי, המוצג על המסך.

תוצאות

המבנים של שני צבעי מסחרי 4-DNS ו 4-DNS-הו. את צבען מסונתז 4-DNS-COOH להכיל רכיב הליבה stilbene שהוחלפו עם תורם (-NR₂), מקבל (-₂) קבוצה בשני קצותיו, האדם המשוכפל המרכזי בונד המהוות הציר שנקרא "שבמרכזו מולקולרי" (איור 1 א'). המבנים שונים בדפוס החלפת קבוצת אמינו עם קבוצ...

Discussion

בדיקה פלורסנט, המבוססת על צבע הרוטור מולקולרית הרגישה צמיגויות בטווח של אלה יימדדו דיזל ומיזוגים שונים שלה עם נפט, נעשה שימוש כדי להשיג פשוטה ויעילה לבדוק רצועות איתור מהילה דלק דיזל. עוצמת פליטת 4-DNS ב 550 nm, בקורלציה תערובות שונות של סולר/נפט עם הפחתה של צמיגות כאשר מגביר הפרופורציה של נפט. ?...

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