Tiras de papel fluorescente para a detecção da adulteração de Diesel com leitura de Smartphone

Resumo

Aqui, apresentamos um protocolo para detectar a adulteração de óleo diesel com querosene, usando tiras de teste, revestidas com uma sonda fluorescente viscosidade juntamente com um sistema de análise baseada em smartphone.

Resumo

Três rotores moleculares fluorescentes de 4-dimetilamino-4-nitrostilbene (4-DNS) foram investigados por seu potencial uso como sondas de viscosidade para indicar o conteúdo de querosene em misturas diesel/querosene, uma atividade difundida que adulteram combustível. Em solventes com baixa viscosidade, os corantes rapidamente desativa através de um estado de transferência chamada carga intramolecular torcido, extinguendo eficientemente a fluorescência. Medições de misturas diesel/querosene revelaram uma boa correlação linear entre a diminuição na fluorescência e o aumento da fração da querosene menos viscoso em misturas diesel/querosene. Imobilização do derivados hidroxi 4-DNS-OH em papel celulose rendeu as tiras de teste que preserva o comportamento do indicador fluorescente. Combinação das tiras com um leitor com base em um smartphone e um controlador app permitiu criar um teste de campo simples. O método confiável pode detectar a presença de querosene no diesel de 7 a 100%, superando os presentes métodos padrão para a adulteração de diesel.

Introdução

Adulteração de combustível é um problema sério em muitas partes diferentes do mundo, simplesmente devido a enorme relevância de combustível como fonte de energia. Executar os motores com combustível adulterado reduz seu desempenho, leva à falha de motor anterior e implica a poluição ambiental¹. Aumentou para que emissões de_x ocorrerem se diesel é adulterado com querosene que geralmente contém uma quantidade maior de enxofre^2,3. Embora o problema existe há décadas, gestão de combustível sustentável que tal atividade criminosa em seu ponto de origem, revela ainda é rara, porque testes simples e confiáveis para adulteração de combustível em grande parte estão faltando⁴. Apesar dos avanços substanciais na análise de óleo mineral de base laboratorial nas últimas décadas,^5,6,7, aproxima-se de medições no local ainda são escassas. Vários métodos para o uso fora do laboratório recentemente foram planejados, usando fibra ótica⁸, transistores de efeito de campo –⁹ ou materiais mechano-crômico¹⁰. Embora eles superam algumas das desvantagens dos métodos convencionais, robustas, portátil e user-friendly métodos ainda estão faltando em grande parte. Sondas de viscosidade fluorescente com base em rotores moleculares são uma interessante alternativa de^11,12, porque os óleos minerais são compostos de uma grande variedade de hidrocarbonetos que diferem no comprimento chain e simbolo, sendo muitas vezes refletida em diferentes viscosidades. Porque os combustíveis são misturas complexas sem compostos de chumbo específico para atuar como marcadores, a medição da mudança de uma propriedade macroscópica como viscosidade ou polaridade parece muito promissor. Este último pode ser resolvido por rotores moleculares fluorescentes, para que o rendimento quântico de fluorescência depende de viscosidade ambiental. Após photoexcitation, desativação comumente envolve um estado de transferência (TICT) torcida intramolecular de carga, a população de que é determinada pela viscosidade do seu envolvente microambiente¹³. Solventes altamente viscosos dificultam rotores moleculares para adotar um estado TICT, implicando de emissão brilhante. Em solventes de baixa viscosidade, o rotor muito melhor pode acessar o estado TICT, acelerando a decadência non-radiative e fluorescência assim extinta. A adição de querosene, com uma viscosidade de 1,64 mm²∙s^–1 a 27 ° C, a diesel, com respectivas viscosidades de 1,3 a 2,4, 1.9-4.1, 2.0-4.5 ou 5.5-24,0 mm²∙s ^–1 a 40 ° C, para os graus 1D, 2D, EN 950 e 4D^14,15,16, reduz a viscosidade cinemática da mistura e potencialmente leva a um resfriamento proporcional da fluorescência de uma sonda molecular do rotor. A família de 4-dimetilamino-4-Nitrostilbenos (4-DNS) parecia mais promissor para nós por causa de sua variação forte fluorescência em uma faixa de viscosidade cinemática de 0,74-70,6 mm²∙s ^–1. Esta gama combina bem com os valores conhecidos de querosene e diesel.

Por conseguinte, exploramos a capacidade de 4DNS, 2-[etil [4-[2-(4-nitrofenil) etenil] fenil] amino] etanol (4DNSOH) e (E) ácido-4-(2-(ethyl(4-(4-nitrostyryl)phenyl)amino)ethoxy)-4-oxobutanoic (4DNSCOOH) para indicar a viscosidade do misturas de diesel-querosene através da sua fluorescência, dependendo da rotação intramolecular e produzindo finalmente um teste rápido para adulteração de gasóleo com querosene. O teste descartável é fácil de usar, preciso, confiável, econômica e dimensionalmente pequenas. Foi investigada a adsorção dos testes para o papel de filtro como uma sustentação contínua e a análise foi realizada com um leitor de fluorescência incorporados baseados no smartphone. Hoje, smartphones ubiquitously disponíveis estão equipados com câmeras de alta qualidade, tornando a detecção de alterações ópticas, como cor e fluorescência direta e abrindo o caminho para análises no local poderosos. Vamos demonstrar aqui que a medição das emissões de sondas fluorescentes adsorvido em tiras de papel com um smartphone pode ser usada para detecção de fraudes em combustíveis de combustão em uma maneira confiável de¹⁷.

Protocolo

1. fluorescentes tinturas (figura 1A)

1. Compra 4 disponível comercialmente-DNS e 4-DNS-OH.
   Nota: 4-DNS-COOH não está comercialmente disponível e é preparada a partir de 4-DNS-OH conforme descrito adiante.
2. Coloque 50 mg (0,16 mmol) de 2-[etil [4-[2-(4-nitrofenil) etenil] fenil] amino] etanol, 2 mg (0,016 mmol) de 4-dimetilaminopiridina e 19,2 mg (0.192 mmol) de anidrido succínico em 10 mL de uma rodada de balão de fundo.
3. Dissolva os reagentes em 2 mL de diclorometano seco sob atmosfera de argônio.
4. Adicione 11,6 µ l (0,08 mmol) de Trietilamina e deixe a mistura reage para 20 h.
5. Monitorar a reação por cromatografia em camada fina até conversão quantitativa das matérias-primas (Rf = 0.61) em produto (Rf = 0.27) é indicada (hexano/AcOEt, 4/6, v/v)
6. Adicione 2 mL de água para a mistura antes de acidificação a pH 2 com ácido acético (aprox. 10 µ l).
7. Extraia a mistura, realizando duas sucessivas extrações líquido-líquido, com 10 mL de diclorometano cada vez.
8. Lave uma vez as fases orgânicas reunificadas com 10 mL de NaCl saturado (> 359 g L^{– 1}).
9. Seca as fases orgânicas adicionando Na₂então₄ pó até um bom agente secagem pó permanece visível.
10. Purifica o produto bruto por cromatografia em coluna de sílica flash com ethylacetate: éter de petróleo 1:9 como eluente.
    Nota: O rendimento alcançado foram 49 mg (74%) do produto desejado.
11. Realizar ¹análise de H NMR do produto purificado em DMSO-d₆ para validar a estrutura (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 = a 7,0 Hz, 2 H), 2.50 – 2,45 (m, 4h), 1.10 (t, J = 3 H 7,0 Hz) ppm).
12. Executar ¹³análise C NMR do produto purificado em DMSO-d6 para validar a estrutura (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 a espectrometria de massa de alta resolução com ionização de pulverizador electro positiva do produto purificada, correspondente ao valor calculado (C₂₂H₂₅N₂O₆ [M + H]⁺: 413.1707) relação m/z de 413.1713.

2. síntese da tintura referência

Nota: O procedimento sintético de bora 8-(phenyl)-1,3,5,7-tetramethyl-2,6-diethyl-4,4-difluoro-4-3a, 4a-diaza-s-indacene foi adotada de Coskun et al. ¹⁸.

1. Purifica o produto bruto por cromatografia em coluna de sílica com tolueno como eluente.
   Nota: O rendimento alcançado foram 441 mg (29%) de brilhantes cristais avermelhados.
2. Realizar ¹análise de H NMR do produto puro em 600 MHz em DMSO-d₆ para validar a estrutura (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), (m, 2 H), 7,27-7.29 7,46-7,48 (m, 3 H) ppm).
3. Realizar a espectrometria de massa de alta resolução com ionização de pulverizador electro positiva do produto purificada, correspondente ao valor calculado (C₂₃H₂₈BF₂N₂ [M + H]⁺: 381.2314) relação m/z de 381.2267.

3. TESTE STRIP FABRICAÇÃO, MÉTODO 1.

1. Prepare soluções de 1mm da tintura de referência e corantes DNS-4, 4-DNS-OH e 4-DNS-COOH em tolueno.
2. Corte tiras de celulose de 30 × 5 mm do papel de filtro.
3. Aproximadamente 50 de lugar das tiras (611 mg) em um frasco de 5ml selável juntamente com 4,5 mL da solução de corante desejado da etapa 3.1.
4. Aperte as tiras dentro do frasco com um rotor vertical por 20 min a 30 rpm.
5. Despeje a solução de tolueno fora do frasco e imediatamente preencher com 4 mL de ciclo-hexano e rodar por 1 min a 30 rpm de lavar corantes em excesso.
6. Repita a operação de lavagem de 3.5 passo três vezes.
7. Seque as tiras de teste obtidas em um papel de filtro para 10 min no ar à temperatura ambiente.

4. teste de fabricação de strip-tease, método 2.

1. Aminação das tiras de papel.
   1. Corte tiras de celulose de 30 × 5 mm do papel de filtro.
   2. Sob uma coifa, coloque aproximadamente 20 das tiras (308 mg) em um frasco contendo 40 mL de tolueno.
   3. Adicionar 960 µ l de 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES) no frasco e agitar a mistura por 24 h a 80 ° C.
   4. Retire as tiras do frasco e lave completamente com 50 mL de etanol.
   5. Seque as tiras de 2 h a 50 ° C.
2. Enxertia do corante.
   1. Sob uma coifa, dissolva 5 mg de 4-DNS-COOH (13 µmol) em 10 mL de diclorometano seco sob atmosfera de argônio em um balão de 25 mL.
   2. Adicionar N,N «- dicyclohexylcarbodiimide (DCC, 3,3 mg, 16 µmol) e permitir que o ácido carboxílico ser ativado por 15 min.
   3. Adicione trietilamina (2,2 µ l, 16 µmol) e 18 aminados de tiras de papel (278 mg).
   4. Agite a mistura por 2h adicional.
   5. Retire as tiras da solução e lave com 25 mL de diclorometano e 25 mL de etanol.

5. amostra pré-tratamento.

1. Tratamento de laboratório
   1. Lugar de 10 mL de um diesel/querosene fresco mistura em um frasco de 25 mL.
   2. Suspenda 10% em peso de carvão ativo na mistura.
   3. Agite o frasco para 1 h, centrifugador (400 x g, 10 min) e filtro para remover o carvão.
2. Tratamento no local
   1. Carbono de compra circular ativado carregado filtros de 47 mm de diâmetro.
   2. Coloque quatro dos filtros em um suporte de filtro na linha de aço inoxidável de 47 mm.
   3. Lave 5 mL de uma mistura de diesel/querosene fresco através dos filtros com uma seringa de 10ml padrão; obteve-se a aproximadamente 2 mL de solução de isento de hidrocarbonetos aromática policíclico.

6. Smartphone leitor implementação

Nota: Um Android smartphone com uma frente centralizada baseado câmera foi usada como o núcleo do sistema de medição de smartphone. Todos os necessários elementos de óptica e acessório de impressão 3D foram feitos sob medidas para este dispositivo. No entanto, pode ser usado qualquer outro smartphone com uma câmera CMOS (semicondutor de óxido de Metal complementar). ^{19 , 20}

1. Compra um epóxi padrão 5mm LED em 460 nm, um resistor de 100 Ω e um USB on-the-go (OTG) cabo com um interruptor ON/OFF e uma porta USB micro.
2. Corte o cabo USB o oposto do lado do OTG para isolar o fio vermelho de alimentação de + 5 V (até 300 mA) e o fio preto, correspondente ao chão.
3. Cortar o fio preto do cabo USB e soldar o resistor de 100 Ω na parte de trás do interruptor. Solde o anodo de LED para o + 5V vermelho fio e o catodo do LED no chão preto fio.
4. Comprar um difusor e dois filtros para o LED e a câmera, geralmente um curto passar o filtro para o canal de excitação (LED) e uma banda passar filtro para a coleção de emissão (câmera).
5. 3D-impressão de um caso de smartphone que se encaixa no smartphone e integra as diferentes partes ópticas que consiste de uma câmara negra (20 x 30 x 40 mm)²¹ conforme descrito na Figura 2.
6. 3D-um suporte de tira, conforme descrito na Figura 2 , para manter uma referência e uma tira de teste de impressão.
7. Implemente o canal de excitação, colocando o LED, o difusor e o filtro para iluminar as tiras de papel em um ângulo de 60°.
8. Implemente o canal de leitura, colocando o filtro na frente da câmera do CMOS de smartphone.
9. Inserir o titular de tira teste contendo as tiras para iniciar a medição.

7. amostra análise usando o Detector baseado em Smartphone

Nota: As análises foram realizadas, executando um Java app(lication) para o Android que finalmente exibido o nível de adulteração na tela. Sem o app, fotos podem ser tiradas, exportadas para um computador e analisadas com um software de análise de imagem padrão.

1. Selecione o arquivo de calibração adequada, diesel/querosene aqui, o software de memória clicando no botão de Menu no canto superior direito da janela do software.
2. Mergulhe a tira de teste a amostra de diesel por alguns segundos, segurando a tira de teste com uma pinça.
3. Remova o excesso de combustível, afagando simples com um papel de secagem.
4. Coloque a tira de teste dentro o titular faixa além da faixa de referência e introduzir o titular caso o smartphone.
   Nota: Uma imagem de fluorescência das tiras é imediatamente exibida na tela do smartphone.
5. Pressione o botão de atirar para gravar as intensidades de fluorescência de teste e referência de tiras.
   Nota: O grau de adulteração é imediatamente calculado pelo algoritmo interno e exibido na tela.

Resultados

As três estruturas de dois corantes comercial 4-DNS e 4-DNS-OH e o corante sintetizado 4-DNS-COOH contêm um elemento de núcleo de estilbenos substituído com um doador (-NR₂) e um aceitador (-₂) grupo em ambas as extremidades, a central Duplo vínculo que constituem a dobradiça do assim chamado 'rotor molecular' (figura 1A). As estruturas diferem no padrão de substituição do grupo amino com grupos alquil curto para 4-DNS, dois gru...

Discussão

Uma sonda fluorescente, com base em uma tintura de rotor molecular que é sensível a viscosidade na faixa de aqueles medidos para diesel e suas diversas misturas com querosene, foi usada para obter as tiras de teste simples e eficiente para a detecção de adulteração de combustível diesel. A intensidade de emissão de 4-DNS em 550 nm em misturas diesel/querosene vários correlaciona-se com uma redução na viscosidade quando aumenta a proporção de querosene. A uma temperatura de 24 ° C, uma têmpera de fluorescê...

Materiais

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