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方法文章

用于检测柴油掺假的荧光试纸条及智能手机读取方法

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DOI：

10.3791/58019

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2018年11月9日

 ,  , 
1Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM)

本文内容

摘要

本文介绍一种利用涂有荧光粘度探针的试纸条结合基于智能手机的分析系统来检测柴油中掺入煤油的方法。

摘要

研究了三种荧光分子转子——4-二甲氨基-4-硝基茋（4-DNS），探讨其作为粘度探针用于检测柴油/煤油混合物中煤油含量的潜力，这种掺假行为在燃料中十分普遍。在低粘度溶剂中，染料通过所谓的扭曲分子内电荷转移态迅速失活，从而有效淬灭荧光。对柴油/煤油混合物的测量结果显示，荧光强度的降低与混合物中低粘度煤油比例的增加之间具有良好的线性相关性。将羟基衍生物4-DNS-OH固定在纤维素纸上，制得的试纸条能够保持荧光指示剂的响应特性。将该试纸条与基于智能手机的读取装置及控制应用程序结合，可实现一种简便的现场检测方法。该方法能够可靠地检测柴油中7%至100%范围内的煤油掺入，性能优于当前用于检测柴油掺假的标准方法。

引言

燃油掺假是世界许多地区面临的严重问题，其根本原因在于燃油作为能源的巨大重要性。使用掺假燃油运行发动机会降低其性能，导致发动机提前损坏，并引发环境污染1。若柴油中掺入通常含硫量更高的煤油，则会导致SOx排放增加2,3。尽管该问题已存在数十年，但能够从源头揭露此类违法行为的可持续燃油管理措施仍十分罕见，原因是目前普遍缺乏简单可靠的燃油掺假检测方法4。尽管近几十年来基于实验室的矿物油分析已取得显著进展5,6,7，但适用于现场检测的技术仍十分有限。近年来已提出若干适用于实验室外使用的方法，如基于光纤8、场效应晶体管9或力致变色材料10的技术。尽管这些方法克服了传统方法的一些缺陷，但目前仍普遍缺乏坚固、易用且便携的检测手段。基于分子转子的荧光粘度探针是一种颇具前景的替代方案11,12，因为矿物油由多种碳氢化合物组成，其链长和环化程度各异，常表现为不同的粘度。由于燃油是复杂的混合物，缺乏可作为示踪剂的特定特征化合物，因此测量粘度或极性等宏观性质的变化显得尤为有前景。其中，荧光分子转子可用于检测环境粘度，其荧光量子产率依赖于周围环境的粘度。在光激发后，其去活化过程通常涉及一个分子内扭转电荷转移（TICT）态，该态的布居程度由其微环境的粘度决定13。高粘度溶剂会阻碍分子转子形成TICT态，从而产生强烈的荧光发射；而在低粘度溶剂中，转子更容易进入TICT态，加速非辐射衰减，导致荧光被淬灭。在粘度为1.64 mm2∙s-1（27 °C）的煤油中加入柴油（在40 °C时，1D、2D、EN 950和4D等级柴油的运动粘度分别为1.3–2.4、1.9–4.1、2.0–4.5或5.5–24.0 mm2∙s-1）14,15,16，会降低混合物的运动粘度，可能引起分子转子探针荧光强度的相应淬灭。4-二甲氨基-4-硝基二苯乙烯（4-DNS）类化合物在0.74–70.6 mm2∙s-1的运动粘度范围内表现出显著的荧光变化，因此在我们看来最具应用前景。该范围与已知的煤油和柴油粘度值高度匹配。

因此，我们研究了4DNS、2-[乙基[4-[2-(4-硝基苯基)乙烯基]苯基]氨基]乙醇（4DNSOH）以及(E)-4-(2-(乙基(4-(4-硝基苯乙烯基)苯基)氨基)乙氧基)-4-氧代丁酸（4DNSCOOH）通过其荧光特性检测柴油-煤油混合物黏度的能力，该方法基于分子内旋转效应，最终实现对柴油中掺入煤油的快速检测。该一次性检测方法操作简便、精确可靠、成本低廉且体积小巧。我们研究了探针在滤纸等固相载体上的吸附性能，并利用嵌入式基于智能手机的荧光读取装置完成分析。如今，智能手机广泛普及，配备高质量摄像头，使得颜色和荧光等光学变化的检测变得简单直接，为强大的现场分析提供了可能。本文证明，利用智能手机检测吸附在纸条上的荧光探针的发射光信号，可可靠地用于燃烧燃料掺假的检测17。

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方案

1. 荧光染料（图1A）

  1. 购买市售的 4-DNS 和 4-DNS-OH。
    注意：4-DNS-COOH 不可商业获得，需由 4-DNS-OH 按照下述方法制备。
  2. 在 10 mL 圆底烧瓶中加入 50 mg（0.16 mmol）2-[乙基[4-[2-(4-硝基苯基)乙烯基]苯基]氨基]乙醇、2 mg（0.016 mmol）4-二甲氨基吡啶和 19.2 mg（0.192 mmol）丁二酸酐。
  3. 在氩气氛围下，用 2 mL 无水二氯甲烷溶解上述试剂。
  4. 加入 11.6 µL（0.08 mmol）三乙胺，使反应混合物反应 20 小时。
  5. 通过薄层色谱监测反应，直至原料（Rf = 0.61）完全转化为产物（Rf = 0.27）（展开剂：正己烷/乙酸乙酯，4/6，v/v）。
  6. 向反应混合物中加入 2 mL 水，再用乙酸酸化至 pH 2（约 10 µL）。
  7. 用二氯甲烷进行两次液-液萃取，每次 10 mL，以萃取产物。
  8. 合并有机相后，用 10 mL 饱和 NaCl 溶液（> 359 g L–1）洗涤一次。
  9. 加入无水 Na2SO4 粉末干燥有机相，直至有少量干燥剂粉末保持可见。
  10. 以石油醚:乙酸乙酯（1:9）为洗脱剂，通过快速硅胶柱色谱法纯化粗产物。
    注意：目标产物的收率为 49 mg（74%）。
  11. 在 DMSO-d6 中对纯化产物进行 1H NMR 分析以确认结构（δ 8.17（d，J = 8.8 Hz，2H），7.75（d，J = 8.8 Hz，2H），7.49（d，J = 8.8 Hz，2H），7.41（d，J = 16.3 Hz，1H），7.10（d，J = 16.3 Hz，1H），6.75（d，J = 8.9 Hz，2H），4.18（t，J = 6.0 Hz，2H），3.58（t，J = 6.0 Hz，2H），3.43（q，J = 7.0 Hz，2H），2.50 – 2.45（m，4H），1.10（t，J = 7.0 Hz，3H）ppm）。
  12. 在 DMSO-d6 中对纯化产物进行 13C NMR 分析以确认结构（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. 对纯化产物进行正电喷雾电离高分辨质谱分析，其质荷比 m/z 为 413.1713，与理论值（C22H25N2O6 [M+H]+：413.1707）相符。

2. 参比染料的合成

注意：8-(苯基)-1,3,5,7-四甲基-2,6-二乙基-4,4-二氟-4-硼-3a,4a-二氮杂-s-引达省的合成步骤参考自 Coskun et al.18。

  1. 使用硅胶柱层析，以甲苯为洗脱剂，纯化粗产物。
    注意：得到 441 mg（产率 29%）亮红色晶体。
  2. 在 DMSO-d6 中以 600 MHz 进行纯产物的1H NMR 分析以确证结构（δ 0.98 (t, 6H, J = 7.6 Hz), 1.27 (s, 6H), 2.29 (q, 4H, J = 7.6 Hz), 2.53 (s, 6H), 7.27–7.29 (m, 2H), 7.46–7.48 (m, 3H) ppm）。
  3. 对纯化产物进行正电喷雾电离高分辨质谱分析，其质荷比为 381.2267，与计算值（C23H28BF2N2 [M+H]+：381.2314）相符。

3. 试纸条制备，方法1。

  1. 在甲苯中配制参考染料以及染料 4-DNS、4-DNS-OH 和 4-DNS-COOH 的 1 mM 溶液。
  2. 从滤纸上裁剪出 30 × 5 mm 的纤维素条。
  3. 将约 50 条纤维素条（611 mg）放入可密封的 5 mL 小瓶中，并加入 4.5 mL 步骤 3.1 中所需的染料溶液。
  4. 将小瓶置于垂直旋转仪上，以 30 rpm 振荡 20 分钟。
  5. 倒出小瓶中的甲苯溶液，立即加入 4 mL 环己烷，以 30 rpm 旋转 1 分钟，以洗去多余的染料。
  6. 重复步骤 3.5 的洗涤操作三次。
  7. 将所得试纸条置于滤纸上，在室温空气中干燥 10 分钟。

4. 试纸条制备，方法2。

  1. 纸条的氨基化处理。
    1. 从滤纸上裁剪出 30 × 5 mm 的纤维素条。
    2. 在通风橱中，将约 20 条此类纸条（308 mg）放入含有 40 mL 甲苯的烧瓶中。
    3. 向烧瓶中加入 960 µL 3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES），并在 80 °C 下搅拌混合物 24 小时。
    4. 将纸条从烧瓶中取出，并用 50 mL 乙醇彻底清洗。
    5. 在 50 °C 下干燥纸条 2 小时。
  2. 染料的接枝。
    1. 在通风橱中，将 5 mg 4-DNS-COOH（13 µmol）溶于 25 mL 烧瓶中的 10 mL 干燥二氯甲烷中，并在氩气氛围下进行。
    2. 加入 N,N'-二环己基碳二亚胺（DCC，3.3 mg，16 µmol），使羧酸活化 15 分钟。
    3. 加入三乙胺（2.2 µL，16 µmol）和 18 条氨基化的纸条（278 mg）。
    4. 继续搅拌混合物 2 小时。
    5. 将纸条从溶液中取出，并用 25 mL 二氯甲烷和 25 mL 乙醇洗涤。

5. 样品预处理。

  1. 实验室处理
    1. 将10 mL新鲜的柴油/煤油混合物放入25 mL小瓶中。
    2. 在混合物中悬浮10 wt%的活性炭。
    3. 搅拌小瓶1小时，离心（400 × g，10分钟），然后过滤以去除活性炭。
  2. 现场处理
    1. 购买直径为47 mm的圆形载活性炭滤膜。
    2. 将四张滤膜置于一个47 mm不锈钢在线滤膜 holder 中。
    3. 使用标准的10 mL注射器将5 mL新鲜的柴油/煤油混合物通过滤膜冲洗；可获得约2 mL多环芳烃-free的溶液。

6. 智能手机读取器的实现

注意：本研究使用的智能手机测量系统以配备居中前置摄像头的安卓智能手机为核心。所有必要的光学元件和3D打印附件均为该设备定制。然而，任何其他配备CMOS（互补金属氧化物半导体）摄像头的智能手机也可使用。19,20

  1. 购买一个标准的5 mm环氧树脂LED（波长460 nm）、一个100 Ω电阻以及一根带开关和micro USB接口的USB OTG（On-The-Go）线缆。
  2. 在OTG端的相反端剪断USB线缆，分离出提供+5 V电压（最高可达300 mA）的红色电源线和对应接地的黑色线。
  3. 将USB线缆的黑色线剪断，并将100 Ω电阻焊接到开关背面。将LED的阳极焊接到+5 V红色线上，阴极焊接到接地的黑色线上。
  4. 为LED和摄像头分别购买一个漫射器和两个滤光片，通常激发通道（LED）使用短通滤光片，发射收集通道（摄像头）使用带通滤光片。
  5. 3D打印一个适用于智能手机的外壳，该外壳可固定在手机上，并集成包含一个黑色暗室（20 × 30 × 40 mm）21在内的各种光学部件，如图2所示。
  6. 根据图2所示，3D打印一个试纸架，用于固定参比试纸和检测试纸。
  7. 通过将LED、漫射器和滤光片以60°角照射纸条的方式构建激发光路。
  8. 通过将滤光片置于智能手机CMOS摄像头前方来构建检测光路。
  9. 插入装有试纸的试纸架，开始测量。

7. 使用基于智能手机的检测器进行样品分析

注意：通过运行适用于 Android 系统的 Java 应用程序来执行分析，最终在屏幕上显示掺假程度。若无该应用程序，可拍摄图像，导出至计算机，并使用标准图像分析软件进行分析。

  1. 在软件窗口的右上角，点击菜单按钮，从软件内存中选择合适的校准文件（此处为柴油/煤油）。
  2. 用镊子夹住试纸条，将其浸入柴油样品中数秒钟。
  3. 用干燥纸轻轻拍拭，去除多余的燃料。
  4. 将试纸条放入试纸架中，紧邻参考试纸条，并将试纸架插入智能手机外壳中。
    注意：试纸条的荧光图像将立即显示在智能手机屏幕上。
  5. 按下拍摄按钮，记录测试试纸条和参考试纸条的荧光强度。
    注意：内部算法将立即计算掺假程度，并在屏幕上显示结果。

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结果

两种商用染料 4-DNS 和 4-DNS-OH 以及合成染料 4-DNS-COOH 的三种结构均包含一个二苯乙烯核心单元，其两端分别取代有给电子基团（-NR2）和吸电子基团（-NO2），中心双键构成所谓“分子转子”的枢纽（图 1A）。这些结构在氨基取代模式上有所不同：4-DNS 为短烷基取代基，4-DNS-OH 含有两个稍长的取代基并包含一个羟基部分，而 4-DNS-COOH 则具有以羧酸官能团终止的酯键连接基团（图 1A）。

尽管这三种染料在溶液中表现出相似的荧光特性，但在纤维素（纸）上的吸附却诱导出不同的行为。当氨基取代基末端基团的极性增加（-Me ＜ -OH ＜ -COOH）时，观察到荧光发生红移以及发射强度的猝灭（图1B）。...

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讨论

基于一种分子转子染料的荧光探针被用于制备简单且高效的试纸条，以检测柴油燃料的掺假。该染料对柴油及其与煤油不同混合比例下测得的黏度范围具有敏感性。在不同柴油/煤油混合物中，4-DNS在550 nm处的发射强度随着煤油比例增加导致的黏度降低而呈现相关变化。在24 °C温度下，当煤油掺假比例高达100%时，观察到最高达55%的非线性荧光猝灭，从而可实现对掺假程度的可靠定量，标准偏差低至1.70%。

然而，由于疏水性染料与疏水性溶剂之间存在疏水作用和π-π相互作用，将4-DNS简单吸附在滤纸条上会导致染料在浸入液体样品时发生溶出。幸运的是，在4-DNS中引入羟基（如4-DNS-OH）或羧基（如4-DNS-COOH）可避免这种不利行为，使这些极性衍生物通过氢键在纤维素纤维中实现空间锚定。作为另一种方法，也可考虑将4-DNS-COOH接枝到带有连接臂功能化的基底上以防止溶出，此处选择经3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）预先氨基化的滤纸作为基底。遗憾的是，即使在存在粘稠物质（如滤纸基质中的4-DNS-COOH）时，该材料的荧光发射也极弱。在测试的三种带有不同末端官能团的转子染料衍生物中，仅有...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

作者感谢联邦材料研究与测试研究所（BAM）通过分析科学重点领域的资助：https://www.bam.de/Navigation/EN/Topics/Analytical-Sciences/Rapid-Oil-Test/rapid-oil-test.html。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
4-二甲氨基-4-硝基茋（CAS编号：2844-15-7）Sigma-Aldrich392554-DNS染料
2-[乙基[4-[2-(4-硝基苯基)乙烯基]苯基]氨基]乙醇（CAS编号：122258-56-4）Sigma-Aldrich5185654-DNS-OH 染料
沃特曼 定性滤纸，1号规格Sigma-AldrichZ274852试纸条支持
Whatman 应用特定滤光片，负载活性炭的纸张，Grade 72Sigma-AldrichWHA1872047燃料预处理滤芯
Pall 可重复使用不锈钢在线滤器 holder，直径 47 mmSigma-AldrichZ268453 样品架预处理滤光片
(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷Sigma-Aldrich919-30-2APTES
4-(二甲氨基)吡啶Sigma-Aldrich1122-58-3DMAP
琥珀酸酐Sigma-Aldrich108-30-5
三乙胺Sigma-Aldrich121-44-8等3N
N,N'二环己基碳二亚胺 Sigma-Aldrich538-75-0DCC
斯图尔特管旋转仪Cole-ParmerSB3分子转子
FreeCADfreecadweb.org-免费软件 - 三维设计
Ultimaker CuraUltimaker-免费软件 - 3D打印
Android StudioGoogle-免费软件 - 应用编程
Renkforce SuperSoft OTG-Mirror Micro-USB 数据线 0.15 mConrad.de1359890 - 62智能手机装置的电子部件
黑色拉绳开关 1个 关/开Conrad.de1371835 - 62智能手机装置电子部件
碳膜电阻 100 ΩConrad.de1417639 - 62智能手机装置电子部件
492 nm 阻断边缘 BrightLine 短通滤光片SemrockFF01-492/SP-25激发滤光片
550/49 nm BrightLine 单通带滤光片SemrockFF01-550/49-25滤光发射
Ø1/2" 未安装的N-BK7磨砂玻璃扩散片，220目ThorlabsDG05-220激发光扩散器
LED 465 nm，9 cd，20 mA ±15°，5 mm透明环氧树脂RoithnerRLS-B465LED激发

参考文献

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