Strisce di carta fluorescente per la rilevazione dell'adulterazione di Diesel con lettura di Smartphone

Riepilogo

Qui, presentiamo un protocollo per rilevare l'adulterazione del diesel con cherosene utilizzando strisce reattive rivestiti con una sonda fluorescente viscosità insieme ad un sistema di analisi basata su smartphone.

Abstract

Tre rotori molecolari fluorescenti di 4-dimetilamino-4-nitrostilbene (4-DNS) sono stati studiati per il loro uso potenziale come viscosità sonde per indicare il contenuto di cherosene in miscele di gasolio/kerosene, un'attività diffusa di adulterare carburante. In solventi a bassa viscosità, le tinture si disattiva rapidamente via uno stato di trasferimento cosiddetto carica intramolecolare contorto, tempra in modo efficiente la fluorescenza. Misure delle miscele di gasolio/kerosene hanno rivelato una buona correlazione lineare tra la diminuzione in fluorescenza e l'aumento della frazione del cherosene meno viscoso nelle miscele di gasolio/kerosene. Immobilizzazione di idrossi derivati 4-DNS-OH in carta di cellulosa ha reso strisce reattive che conservano il comportamento dell'indicatore fluorescente. Combinazione delle strisce con un lettore basato su uno smartphone e un app di controllo ha permesso di creare un semplice campo di prova. Il metodo è in grado di rilevare in modo affidabile la presenza di cherosene in diesel da 7 a 100%, superando presenti metodi standard per adulterazione di diesel.

Introduzione

Adulterazione di carburante è un problema serio in diverse parti del mondo, semplicemente dovuto l'enorme rilevanza di combustibile come fonte di energia. Con motori adulterato carburante riduce le loro prestazioni, conduce alla rottura del motore precedente e comporta inquinamento ambientale¹. Aumentata in modo_x emissioni si verificano se diesel è adulterato con cherosene che contiene in genere una maggiore quantità di zolfo^2,3. Anche se il problema esiste per le decadi, gestione carburante sostenibile che scopre tale attività criminosa nel suo punto di origine è ancora rara, perché semplice e affidabile test per adulterazione di carburante sono carenti in gran parte⁴. Malgrado progresso sostanziale in analisi di laboratorio-base olio minerale nelle decadi passate^5,6,7, si avvicina a misurazioni sul posto sono ancora scarsi. Vari metodi per l'utilizzo di fuori del laboratorio recentemente sono stati ideati, utilizzando fibra ottica⁸, transistor ad effetto di campo⁹ o Meccano-cromico materiali¹⁰. Sebbene essi superare alcuni dei limiti dei metodi convenzionali, robusti, portatili e facile da usare metodi mancano ancora in gran parte. Sonde fluorescenti viscosità basati su rotori molecolari sono un'interessante alternativa^11,12, perché gli oli minerali sono costituiti da una grande varietà di idrocarburi che differiscono nella lunghezza della catena e ciclicità, essendo spesso riflessa in diverse viscosità. Perché i combustibili sono miscele complesse senza piombo specifici composti ad agire come traccianti, la misura del cambiamento di una proprietà macroscopica come viscosità o polarità sembra molto promettente. Quest'ultimo può essere affrontato da rotori molecolari fluorescenti per il quale la rese quantiche di fluorescenza dipendono dalla viscosità ambientale. Dopo fotoeccitazione, disattivazione comunemente implica uno stato di trasferimento (TICT) carica intramolecolare contorto, la cui popolazione è determinata dalla viscosità del suo microambiente circostante¹³. Solventi ad alta viscosità ostacolano rotori molecolari per adottare uno stato TICT, che comportano emissioni luminose. In solventi basso-viscoso, il rotore può molto meglio accedere allo stato TICT, accelerando il processo di decadimento non radiativo e fluorescenza così bonificato. L'aggiunta di kerosene, con una viscosità di 1,64 mm²∙^–1 a 27 ° C, a diesel, con rispettivi viscosità di 1.3-2.4, 1,9-4.1, 2.0-4.5 o 5.5-24.0 mm²∙ ^–1 a 40 ° C per i gradi 1D, 2D, EN 950 e 4D^14,15,16, riduce la viscosità cinematica della miscela e potenzialmente conduce a una tempra proporzionale della fluorescenza di una sonda molecolare rotore. La famiglia di 4-dimetilamino-4-Nitrostilbeni (4-DNS) sembrava più promettente a noi a causa della loro variazione di fluorescenza forte sopra una gamma di viscosità cinematica di 0,74-70,6 mm²∙ ^–1. Questo intervallo corrisponde bene con i valori noti di cherosene e gasolio.

Abbiamo quindi esplorato la possibilità di 4DNS, 2-[etil [4-[2-(4-nitrofenil) ethenyl] fenil] ammino] etanolo (4DNSOH) e (E) acido-4-(2-(ethyl(4-(4-nitrostyryl)phenyl)amino)ethoxy)-4-oxobutanoic (4DNSCOOH) per indicare la viscosità del miscele di gasolio-kerosene attraverso loro fluorescenza, a seconda della rotazione intramolecolari e finalmente ottenendo un test rapido per adulterazione di diesel con kerosene. Il test USA e getta è facile da usare, preciso, affidabile, conveniente e dimensionalmente piccole. È stato studiato l'adsorbimento delle sonde sulla carta da filtro come un supporto solido e l'analisi è stata compiuta con un lettore di fluorescenza embedded basati su smartphone. Oggi, ubiquitariamente disponibili smartphone sono dotati di telecamere di alta qualità, rendendo semplice la rilevazione dei cambiamenti ottici quali il colore e la fluorescenza e aprendo la strada per la potente analisi in loco. Qui dimostriamo che la misurazione dell'emissione di sonde fluorescenti adsorbite su strisce di carta con uno smartphone può essere utilizzata per il rilevamento di frodi sui combustibili di combustione in un certo modo¹⁷.

Protocollo

1. fluorofori (Figura 1A)

1. Acquisto per DNS commercialmente disponibile a 4 e 4-DNS-OH.
   Nota: 4-DNS-COOH non è commercialmente disponibile e viene preparato da 4-DNS-OH come descritto qui di seguito.
2. Posto 50 mg (0,16 mmol) di 2-[etil [4-[2-(4-nitrofenil) ethenyl] fenil] ammino] etanolo, 2 mg (0,016 mmol) di 4-dimetilaminopiridina e 19,2 mg (0,192 mmol) di anidride succinico in 10 mL di un pallone.
3. Sciogliere i reagenti in 2 mL di diclorometano asciutto sotto atmosfera di argon.
4. Aggiungere µ l 11,6 (0.08 mmol) di trietilammina e lasciare che la miscela di reagire per 20 h.
5. Monitorare la reazione mediante cromatografia su strato sottile fino alla conversione quantitativi di materie (Rf = 0,61) nel prodotto (Rf = 0.27) è indicato (esano/EtOAc, 4/6, v/v)
6. Aggiungere 2 mL di acqua alla miscela prima dell'acidificazione a pH 2 con acido acetico (circa 10 µ l).
7. Estrarre la miscela eseguendo due successive estrazioni liquido-liquido, con 10 mL di diclorometano ogni volta.
8. Lavare una volta le fasi organiche riunificate con 10 mL di NaCl saturo (> 359 g L^-1).
9. Asciugare le fasi organiche aggiungendo Na₂modo₄ polvere fino a quando alcuni asciugatura agente polvere fine rimane visibile.
10. Purificare il prodotto grezzo da cromatografia a colonna silice flash con petrolio etere: acetato di etile 1:9 come eluente.
    Nota: Il rendimento raggiunto erano 49 mg (74%) del prodotto desiderato.
11. Eseguire ¹H NMR analisi del prodotto purificato in DMSO-d₆ per convalidare la struttura (δ 8,17 (s, J = 8,8 Hz, 2 H), 7.75 (s, J = 8,8 Hz, 2 H), 7.49 (s, J = 8,8 Hz, 2 H), 7,41 (s, J = 16,3 Hz, 1 H), 7.10 (s, J = 16,3 Hz 1 H), 6.75 (s, 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. Eseguire ¹³analisi C NMR del prodotto purificato in DMSO-d6 per convalidare la struttura (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. Eseguire la spettrometria di massa ad alta risoluzione con ionizzazione spray electro positivo del prodotto purificato, corrispondente al valore calcolato (C₂₂H₂₅N₂O₆ [M + H]⁺: 413.1707) rapporto m/z di 413.1713.

2. Sintesi della tintura di riferimento

Nota: La procedura sintetica 8-(phenyl)-1,3,5,7-tetramethyl-2,6-diethyl-4,4-difluoro-4 bora-3a, 4a-diaza-s-indacene è stato adottato da Coskun et al. ¹⁸.

1. Purificare il prodotto grezzo da cromatografia a colonna su silice con toluene come eluente.
   Nota: Il rendimento raggiunto erano 441 mg (29%) di cristalli luminosi rossastri.
2. Eseguire ¹analisi 1H NMR del prodotto puro a 600 MHz in DMSO-d₆ per convalidare la struttura (δ 0,98 (t, 6 H, J = 7,6 Hz), 1.27 (s, 6 H), 2.29 (q, 4 H, J = 7,6 Hz), 2,53 (s, 6 H), 7,27-7.29 (m, H 2), 7,46-7,48 (m, 3 H) ppm).
3. Eseguire la spettrometria di massa ad alta risoluzione con ionizzazione spray electro positivo del prodotto purificato, corrispondente al valore calcolato (C₂₃H₂₈BF₂N₂ [M + H]⁺: 381.2314) rapporto m/z di 381.2267.

3. TEST STRIP FABRICATION, METODO 1.

1. Preparare soluzioni di 1 mM della tintura di riferimento e coloranti 4-DNS, 4-DNS-OH e 4-DNS-COOH in toluene.
2. Tagliare le strisce di cellulosa di 30 × 5 mm dalla carta da filtro.
3. Luogo circa 50 di quelle strisce (611 mg) in un flaconcino da 5ml sigillabile insieme con 4,5 mL di soluzione colorante desiderato dal punto 3.1.
4. Agitare le strisce all'interno del flacone con un rotore verticale per 20 min a 30 giri/min.
5. Versare la soluzione di toluene dal flaconcino e immediatamente riempire con 4 mL di cicloesano e ruotare per 1 min a 30 giri per lavare via l'eccesso coloranti.
6. Ripetere l'operazione di lavaggio da 3.5 passo tre volte.
7. Asciugare le strisce ottenute su una carta da filtro per 10 min in aria a temperatura ambiente.

4. prova Strip Fabrication, metodo 2.

1. Amminazione delle strisce di carta.
   1. Tagliare le strisce di cellulosa di 30 × 5 mm dalla carta da filtro.
   2. Sotto una cappa aspirante, posto circa 20 di quelle strisce (308 mg) in una bottiglia contenente 40 mL di toluene.
   3. µ L 960 di 3-amminopropiltrietossisilano (APTES) in un matraccio e agitare la miscela per 24 h a 80 ° C.
   4. Rimuovere le strisce dalla beuta e lavare accuratamente con 50 mL di etanolo.
   5. Asciugare le strisce per 2 ore a 50 ° C.
2. L'innesto della tintura.
   1. Sotto cappa aspirante, sciogliere 5 mg di 4-DNS-COOH (13 µmol) in 10 mL di diclorometano asciutto sotto atmosfera di argon in un matraccio da 25 mL.
   2. Aggiungi N,N'- dicyclohexylcarbodiimide (DCC, 3,3 mg, 16 µmol) e consentire l'acido carbossilico deve essere attivato per 15 min.
   3. Aggiungere trietilammina (2,2 µ l, 16 µmol) e 18 strisce di carta amminate (278 mg).
   4. Mescolare il composto per ulteriori 2 h.
   5. Rimuovere le strisce dalla soluzione e lavare con 25 mL di diclorometano e 25 mL di etanolo.

5. il campione pre-trattamento.

1. Trattamento di laboratorio
   1. Posto 10 mL di un fresco gasolio/kerosene si fondono in un flaconcino da 25 mL.
   2. Sospendere 10 wt % di carbone attivo nella miscela.
   3. Agitare il flaconcino per 1h, centrifuga (400 x g, 10 min) e filtro per rimuovere il carbone di legna.
2. Trattamento in loco
   1. Carbonio attivato circolare di acquisto caricato filtri di 47 mm di diametro.
   2. Posto quattro dei filtri in un portafiltro a 47 mm in acciaio inox e in linea.
   3. A filo 5 mL di una miscela di gasolio/kerosene fresco attraverso i filtri con una siringa da 10 mL standard; è stata ottenuta circa 2 mL di soluzione di privo di idrocarburi aromatici policiclici.

6. implementazione del lettore Smartphone

Nota: Un androide smartphone con un frontale centrato basato su fotocamera è stata usata come il nucleo del sistema di misura di smartphone. Tutti i necessari elementi ottici e accessorio 3D-stampato erano fatti su misura per questo dispositivo. Tuttavia, può essere utilizzato qualsiasi altro smartphone con una fotocamera CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). ^{19 , 20}

1. Acquistare un resina epossidica standard 5 mm LED a 460 nm, una resistenza di 100 Ω e un USB on-the-go (OTG) cavo con un interruttore ON/OFF e una porta micro USB.
2. Tagliare il cavo USB sul lato opposto del lato OTG per isolare il filo rosso di alimentazione + 5 V (fino a 300 mA) e il filo nero corrispondente al suolo.
3. Tagliare il filo nero del cavo USB e saldare la resistenza di 100 Ω sul retro dell'interruttore. Saldare l'anodo del LED per il + 5V rosso filo e il catodo di LED a terra filo nero.
4. Acquistare un diffusore e due filtri per il LED e la fotocamera, in genere un breve passaggio filtro per il canale di eccitazione (LED) e una banda passante di filtro per la raccolta di emissione (macchina fotografica).
5. 3D-stampa un caso di smartphone che si inserisce sullo smartphone e integra le diverse parti ottiche composto da una camera nera (20 x 30 x 40 mm)²¹ come descritto nella Figura 2.
6. 3D-stampa una striscia come descritto in Figura 2 per contenere un riferimento e una striscia reattiva.
7. Implementare il canale di eccitazione inserendo il LED, il diffusore e il filtro per illuminare le strisce di carta con un angolo di 60°.
8. Implementare il canale di lettura posizionando il filtro davanti alla telecamera CMOS di smartphone.
9. Inserire il supporto di striscia del test contenente le strisce per avviare una misurazione.

7. campione analisi utilizzando il rivelatore di basati su Smartphone

Nota: Sono state eseguite analisi eseguendo un app(lication) Java per Android che finalmente sullo schermo il livello di sofisticazione. Senza l'app, immagini possono essere prese, esportati in un computer e analizzati con un software di analisi di immagine standard.

1. Selezionare il file di calibrazione adeguata, qui diesel/cherosene, dalla memoria del software cliccando sul pulsante Menu nell'angolo superiore destro della finestra del software.
2. Immergere la striscia nel campione di diesel per un paio di secondi tenendo la striscia reattiva con una pinzetta.
3. Rimuovere il combustibile in eccesso tamponando semplice con una carta di essiccazione.
4. Inserire la striscia del test all'interno del supporto di striscia oltre la striscia di riferimento e introdurre il titolare nel caso di smartphone.
   Nota: Un'immagine di fluorescenza dei nastri viene visualizzata immediatamente sullo schermo dello smartphone.
5. Premere il pulsante di sparare per registrare l'intensità di fluorescenza del test e strisce di riferimento.
   Nota: Il grado di sofisticazione è immediatamente calcolato dall'algoritmo interno e visualizzato sullo schermo.

Risultati

Le tre strutture di due coloranti commerciale 4-DNS e 4-DNS-OH e il colorante sintetizzato 4-DNS-COOH contengono un elemento di nucleo dello stilbene sostituito con un donatore (-NR₂) e un accettore (-₂) gruppo a entrambe le estremità, il centrale doppio legame che costituiscono la cerniera del cosiddetto 'rotore molecolare' (Figura 1A). Le strutture differiscono in modello di sostituzione del gruppo amminico con gruppi alchilici breve ...

Discussione

Una sonda fluorescente, basata su una tintura di rotore molecolare che è sensibile alla viscosità nella gamma di quelli misurati per diesel e sue miscele differenti con cherosene, utilizzata per ottenere strisce reattive semplice ed efficiente per la rilevazione dell'adulterazione di carburante diesel. L'intensità di emissione di 4-DNS a 550 nm in vari diesel/cherosene miscele correla con una riduzione di viscosità quando aumenta la percentuale di kerosene. Ad una temperatura di 24 ° C, una tempra di fluorescenza no...

Materiali

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