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Methodenartikel

Fluoreszierende Papierstreifen zur Detektion von Diesel Verfälschung mit Smartphone auslesen

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DOI:

10.3791/58019

⸱

9. November 2018

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

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Hier präsentieren wir ein Protokoll, um die Verfälschung von Diesel mit Kerosin mit Teststreifen beschichtet mit einer fluoreszierenden Viskosität Sonde zusammen mit einer Smartphone-basierte Analyse-System zu erkennen.

Zusammenfassung

Drei fluoreszierende molekulare Rotoren von 4-Dimethylamino-4-Nitrostilbene (4-DNS) wurden für ihre mögliche Verwendung untersucht, wie Viskosität Sonden, um den Inhalt des Kerosin in Diesel/Kerosin Mischungen, eine weit verbreitete Aktivität, äußerstenfalls Kraftstoff zeigen. In Lösungsmittel mit niedriger Viskosität deaktivieren die Farbstoffe schnell über eine so genannte verdrehten intramolekulare Transfer Ladezustand, effizient abschrecken der Fluoreszenz. Messungen der Diesel/Kerosin Mischungen zeigten eine gute lineare Korrelation zwischen dem Rückgang der Fluoreszenz und die Erhöhung des Anteils von dünnflüssiger Kerosin in Diesel/Kerosin Mischungen. Immobilisierung des hydroxy Derivative 4-DNS-OH in Zellstoffpapier ergab Teststreifen, die die Fluoreszenz-Anzeige Verhalten beizubehalten. Kombination der Streifen mit einem Lesegerät basiert auf einem Smartphone und eine controlling app erlaubt einen einfaches Feldtest erstellen. Die Methode erkennt zuverlässig das Vorhandensein von Kerosin Diesel von 7 bis 100 %, Outperformance gegenüber heutige Standardmethoden für Diesel Verfälschung.

Einleitung

Kraftstoff-Verfälschung ist ein ernstes Problem in vielen verschiedenen Teilen der Welt, einfach aufgrund der enormen Bedeutung des Kraftstoffs als Energiequelle. Laufendem Motor gepanschten Sprit reduziert ihre Leistung, führt zu früheren Motorschaden und Umweltverschmutzung1beinhaltet. Erhöht, so dassX Emissionen auftreten, wenn Diesel mit Kerosin verfälscht ist enthält, in der Regel einen höheren Anteil an Schwefel2,3. Obwohl das Problem seit Jahrzehnten existiert, ist nachhaltige Brennelemente, die solche Straftaten an seinen Ausgangspunkt deckt immer noch selten, weil einfache und zuverlässige Tests für Kraftstoff Verfälschung4weitgehend fehlen. Trotz der erheblichen Fortschritte in Mineralöl Labor-basierte Analyse in den vergangenen Jahrzehnten5,6,7, Ansätze zur vor-Ort-Messungen sind immer noch rar. Verschiedene Methoden für den Einsatz außerhalb des Labors sind vor kurzem entwickelt worden, mit Fiber-Optics8, Feldeffekttransistoren –9 oder Mechano-Chromsäure Materialien10. Obwohl sie einige der Nachteile der herkömmlichen Methoden, robust, überwinden sind benutzerfreundliche und tragbaren Methoden noch weitgehend fehlen. Fluoreszierende Viskosität Sonden basierend auf molekularen Rotoren sind eine interessante alternative11,12, weil Mineralöle aus einer Vielzahl von Kohlenwasserstoffen, die Kettenlänge und Zyklizität bestehen, oft unterscheiden spiegelt sich in verschiedenen Viskositäten. Da Kraftstoffe komplexe Gemische ohne bestimmte Bleiverbindungen als Tracer handeln sind, scheint die Messung der Änderung einer makroskopischen Eigenschaft wie Viskosität oder Polarität sehr vielversprechend. Letzteres kann durch fluoreszierende molekularen Rotoren angesprochen werden für die Fluoreszenz-Quanten-Erträge Umwelt Viskosität abhängig. Nach Photoanregung beinhaltet Deaktivierung häufig eine verdrehte intramolekulare Transfer (TICT) Ladezustand, die Bevölkerung durch die Viskosität der umliegenden Mikroumgebung13bestimmt wird. Hochviskosen Lösungsmittel behindern molekularen Rotoren um einen TICT Zustand, mit hellen Emission zu übernehmen. In niederviskosen Lösungsmittel kann der Rotor viel besser TICT Staat, Beschleunigung nichtstrahlenden Zerfall und somit abgeschreckt Fluoreszenz zugreifen. Die Zugabe von Kerosin, mit einer Viskosität von 1,64 mm2∙s–1 bei 27 ° C, Diesel, mit jeweiligen Viskositäten von 1,3-2,4, 1,9-4.1, 2,0-4,5 oder 5,5-24,0 mm2∙s –1 bei 40 ° C für die Klassen 1D, 2D, EN 950 und 4D14,15,16, reduziert die kinematische Viskosität der Mischung und potenziell führt zu einer proportional abschrecken der Fluoreszenz von molekularen Rotors Sonden. Die Familie von 4-Dimethylamino-4-Nitrostilbenes (4-DNS) schien vielversprechendsten uns durch ihre starke Fluoreszenz-Variante über einen kinematischen Viskosität 0,74 70,6 mm2∙s –1. Dieser Bereich entspricht gut mit den bekannten Werten von Kerosin und Diesel.

Wir untersuchten daher die Fähigkeit des 4DNS, 2-[Ethyl [4-[2-(4-Nitrophenyl) Ethenyl] Phenyl] amino] Ethanol (4DNSOH) und (E)-4-(2-(ethyl(4-(4-nitrostyryl)phenyl)amino)ethoxy)-4-oxobutanoic Säure (4DNSCOOH) an die Viskosität der Diesel-Kerosin Mischungen durch ihre Fluoreszenz, je nach intramolekulare Rotation und schließlich nachgeben eines Schnelltests für Diesel Verfälschung mit Kerosin. Der Einweg-Test ist einfach zu bedienen, präzise, zuverlässige, wirtschaftliche und dreidimensional klein. Die Adsorption der Sonden auf dem Filterpapier als eine solide Unterstützung wurde untersucht und die Analyse wurde mit einem eingebetteten Smartphone-basierte Fluoreszenz-Leser erreicht. Heute sind ubiquitär verfügbar Smartphones mit qualitativ hochwertige Kameras, die Erkennung von optischen Veränderungen wie Farbe und Fluoreszenz unkompliziert rendering und ebnet den Weg für leistungsstarke vor-Ort-Analysen... Wir zeigen hier, dass die Messung der Emission von fluoreszierenden Sonden adsorbiert auf Papierstreifen mit einem Smartphone für Betrugserkennung auf Verbrennung Kraftstoffe in eine zuverlässige Weise17verwendet werden kann.

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Protokoll

(1) Fluoreszenz-Farbstoffen (Abbildung 1A)

  1. Kauf im Handel erhältlichen 4-DNS und 4-DNS-OH.
    Hinweis: 4-DNS-COOH ist nicht im Handel erhältlich und ist bereit, aus 4-DNS-OH wie im folgenden beschrieben.
  2. Legen Sie 50 mg (0,16 Mmol) von 2-[Ethyl [4-[2-(4-Nitrophenyl) Ethenyl] Phenyl] amino] Ethanol, 2 mg (0,016 Mmol) 4-Dimethylaminopyridine und 19,2 mg (0.192 Mmol) Bernsteinsäure Anhydrid in ein 10 mL runden unteren Kolben.
  3. Auflösen der Reagenzien in 2 mL trockenem Dichlormethan unter Argon-Atmosphäre.
  4. Fügen Sie 11,6 µL (0,08 Mmol) Triethylamin und lassen Sie die Mischung für 20 h zu reagieren.
  5. Überwachen Sie die Reaktion durch Dünnschichtchromatographie bis quantitative Umwandlung der Ausgangsstoffe (Rf = 0,61) in das Produkt (Rf = 0,27) wird angezeigt (Hexan/EtOAc, 4/6, V/V)
  6. Die Mischung vor der Versauerung auf pH 2 mit Essigsäure (ca. 10 µL) 2 mL Wasser hinzufügen.
  7. Extrahieren Sie die Mischung von zwei aufeinanderfolgenden flüssig-flüssig-Extraktionen mit 10 mL Dichlormethan jedes Mal durchführen.
  8. Waschen Sie einmal die wiedervereinigten organischen Phasen mit 10 mL gesättigte NaCl (> 359 g L– 1).
  9. Trocknen Sie die organischen Phasen durch Zugabe von Na2SO4 Pulver bis einige trocknen Agent Pulver fein sichtbar bleibt.
  10. Reinigen Sie das Rohprodukt durch Flash-Kieselsäure Säulenchromatographie mit Petroleum Ether: Ethylacetate 1:9, als der Eluent.
    Hinweis: Die Ausbeute erzielt wurden 49 mg (74 %) des gewünschten Produktes.
  11. Führen Sie 1H NMR-Analyse des gereinigten Produktes in DMSO-d6 , die Struktur zu validieren (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. Führen Sie 13C-NMR-Analyse des gereinigten Produktes in DMSO-d6, die Struktur zu validieren (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. Führen Sie hochauflösende Massenspektrometrie mit positiven Electro Spray Ionisation des gereinigten Produktes, des berechneten Wertes (C22H25N2O6 [M + H]+: 413.1707) m/Z-Verhältnis der 413.1713.

2. Synthese des Farbstoffes Referenz

Hinweis: Das synthetische Verfahren der 8-(phenyl)-1,3,5,7-tetramethyl-2,6-diethyl-4,4-difluoro-4 Bora-3a, 4a-Diaza-s-Indacene wurde von Coskun Et al.angenommen. 18.

  1. Reinigen Sie das Rohprodukt durch Säulenchromatographie auf Kieselsäure mit Toluol als Laufmittel.
    Hinweis: Die Ausbeute erzielt wurden 441 mg (29 %) der helle rötliche Kristalle.
  2. Führen Sie 1H NMR-Analyse für das reine Produkt mit 600 MHz in DMSO-d6 , die Struktur zu validieren (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, 2 H), 7,46-7.48 (m, 3 H) ppm).
  3. Führen Sie hochauflösende Massenspektrometrie mit positiven Electro Spray Ionisation des gereinigten Produktes, des berechneten Wertes (C23H28BF2N2 [M + H]+: 381.2314) m/Z-Verhältnis der 381.2267.

3. TEST STRIP FERTIGUNG, METHODE 1.

  1. Bereiten Sie 1 mM Lösungen der Referenz Farbstoff und Farbstoffe 4-DNS, 4-DNS-OH und 4-DNS-COOH in Toluol.
  2. Schneiden Sie Zellulose-Streifen von 30 × 5 mm aus Filterpapier.
  3. Ort ca. 50 Streifen (611 mg) in einem verschließbaren 5 mL Fläschchen mit 4,5 mL die gewünschte Farbstofflösung aus Schritt 3.1.
  4. Schütteln Sie die Streifen in das Fläschchen mit einem vertikalen Rotator für 20 min bei 30 u/min.
  5. Gießen Sie die Toluol-Lösung aus der Durchstechflasche und füllen Sie sofort mit 4 mL Cyclohexan und drehen für 1 min bei 30 u/min überschüssige Farbstoffe abwaschen.
  6. Wiederholen Sie der Waschvorgang aus Schritt 3.5 dreimal.
  7. Trocknen Sie die erhaltenen Teststreifen auf ein Filterpapier für 10 min in der Luft bei Raumtemperatur.

4. test Strip Fertigung, Methode 2.

  1. Tersuchung der Papierstreifen.
    1. Schneiden Sie Zellulose-Streifen von 30 × 5 mm aus Filterpapier.
    2. Stellen Sie unter einer Abzugshaube ca. 20 von diesen Streifen (308 mg) in einem Kolben mit 40 mL Toluol.
    3. Fügen Sie 960 µL 3-Aminopropyltriethoxysilane (APTES hinzu) in der Küvette und rühren Sie die Mischung für 24 h bei 80 ° C.
    4. Entfernen Sie die Streifen aus der Flasche zu und waschen Sie gründlich mit 50 mL Ethanol.
    5. Trocknen Sie die Streifen für 2 h bei 50 ° C.
  2. Pfropfen des Farbstoffes.
    1. Lösen Sie unter einem Abzug 5 mg 4-DNS-COOH (13 µmol auf) in 10 mL trockenem Dichlormethan unter Argon-Atmosphäre in ein 25 mL Fläschchen.
    2. Hinzufügen von N,N'- Dicyclohexylcarbodiimide (DCC, 3,3 mg, 16 µmol) und erlauben die Carbonsäure für 15 Minuten aktiviert werden.
    3. Triethylamin (2.2 µL, 16 µmol) und 18 aminiertem Papierstreifen (278 mg) hinzufügen.
    4. Rühren Sie die Mischung für weitere 2 h.
    5. Die Streifen aus der Projektmappe entfernen und waschen mit 25 mL Dichlormethan und 25 mL Ethanol.

5. Probe vor der Behandlung.

  1. Labor-Behandlung
    1. Platz 10 mL frischen Diesel/Kerosin Mischung in ein 25 mL-Fläschchen.
    2. Aussetzen Sie, 10 Gew.-% der Aktivkohle in der Mischung.
    3. Rühren Sie das Fläschchen für 1 h, Zentrifuge (400 X g, 10 min) und Filter, um die Kohle zu entfernen.
  2. Vor-Ort-Behandlung
    1. Kreisförmige Kauf aktiviert Carbon geladen Filter mit 47 mm Durchmesser.
    2. Platz vier der Filter in einer 47 mm Edelstahl Inline-Filterhalter.
    3. Spülen Sie 5 mL einer frischen Diesel/Kerosin-Mischung durch die Filter mit einer standard 10 mL Spritze; etwa 2 mL der polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoff-freie Lösung wurde erhalten.

(6) Smartphone Leser Umsetzung

Hinweis: Eine Android-basierte Smartphone mit einem zentrierten Front Kamera diente als der Kern des Messsystems Smartphone. Alle notwendigen optischen Elementen und 3D-gedruckten Zubehör wurden speziell für dieses Gerät. Jedoch kann jedes andere Smartphone mit einer Kamera CMOS (ergänzende Metall-Oxid-Halbleiter) verwendet werden. 19 , 20

  1. Kaufen ein Epoxid standard 5 mm LED bei 460 nm, einem 100 Ω-Widerstand und eine USB on-the-Go (OTG) Kabel mit an/aus-Schalter und einen micro USB-Anschluss.
  2. Schneiden Sie das USB-Kabel auf das Gegenteil von der OTG-Seite zu isolieren, das rote Kabel Stromversorgung + 5 V (bis zu 300 mA) und das schwarze Kabel entsprechend auf den Boden.
  3. Schneiden Sie den schwarzen Draht des USB-Kabels und verlöten des 100 Ω-Widerstands auf der Rückseite des Schalters. Löten die LED Anode, der + 5V roten Draht und der LED-Kathode zu Boden schwarze Draht.
  4. Kaufen Sie einen Diffusor und zwei Filter für die LED und der Kamera, in der Regel eine kurze Tiefpassfilter für die Anregung-Kanal (LED) und eine Band pass Filter für die Emission-Sammlung (Kamera).
  5. 3D-Print eine Smartphone-Hülle, die auf dem Smartphone passt und integriert die verschiedenen optischen Teile, bestehend aus einer schwarzen Kammer (20 x 30 x 40 mm)21 , wie in Abbildung 2beschrieben.
  6. 3D-Print ein Filmstreifen-Halter wie in Abbildung 2 eine Referenz und einen Teststreifen halten beschrieben.
  7. Implementieren Sie die Erregung Kanal indem die LED, der Diffusor und der Filter um die Papierstreifen in einem Winkel von 60° zu beleuchten.
  8. Implementieren Sie die Lesung Kanal indem man den Filter vor der Smartphone-CMOS-Kamera.
  9. Legen Sie die Test Filmstreifen-Halter mit den Streifen um eine Messung zu starten.

7. mit der Smartphone-basierten Detektor Probenanalyse

Hinweis: Analysen erfolgten durch das Ausführen eines Java-app(lication) für Android, die schließlich die Verfälschung auf dem Bildschirm angezeigt. Ohne die app können mit einem standard-Image-Analyse-Software Bilder genommen, auf einen Computer exportiert und analysiert werden.

  1. Wählen Sie die entsprechende Kalibrierung Datei hier Diesel/Kerosin, aus dem Software-Speicher, indem Sie auf die Menü -Taste in der oberen rechten Ecke des Fensters Software.
  2. Tauchen Sie den Teststreifen in die Diesel-Probe für ein paar Sekunden halten den Teststreifen mit einer Pinzette.
  3. Entfernen Sie überschüssigen Kraftstoff durch einfaches Klopfen mit einem trocknen Papier.
  4. Legen Sie den Teststreifen innerhalb der Filmstreifen-Halter neben dem Referenzstreifen und führen Sie den Halter in die Smartphone-Hülle.
    Hinweis: Ein Bild von den Streifen Fluoreszenz wird dann sofort auf dem Smartphone Bildschirm angezeigt.
  5. Drücken Sie auf schießen die Fluoreszenz-Intensitäten der Test aufnehmen und verweisen Streifen.
    Hinweis: Der Grad der Verfälschungen ist sofort durch die internen Algorithmus berechnet und auf dem Bildschirm angezeigt.

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Ergebnisse

Die drei Strukturen der zwei kommerzielle Farbstoffe 4-DNS- und 4-DNS-OH und synthetisierte Dye 4-DNS-COOH enthalten ein Stilben Kernelement ersetzt mit einem Spender (-NR2) und ein Akzeptor (-2) Gruppe an beiden Enden, das zentrale doppelte Bindung darstellen das Scharnier des so genannten molekularen Rotors (Abbildung 1A). Die Strukturen unterscheiden sich in der Aminogruppe Substitution Muster mit kurzen Alkylgruppen für 4-DNS, zwei e...

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Diskussion

Eine fluoreszierende Sonde, basierend auf einem molekularen Rotors Farbstoff, die empfindlich auf Viskositäten im Bereich von den gemessenen für Diesel und seine verschiedenen Mischungen mit Kerosin, wurde zur einfachen und effizienten Teststreifen zum Nachweis von Diesel-Kraftstoff-Verfälschung zu erhalten. Die Emissionsintensität 4-DNS bei 550 nm in verschiedenen Diesel/Kerosin Mischungen korreliert mit einer Verringerung der Viskosität steigt der Anteil von Kerosin. Bei einer Temperatur von 24 ° C, für bis zu 100 % ve...

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Offenlegungen

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Danksagungen

Die Autoren möchten die BAM für eine Finanzierung durch den Fokusbereich Analytical Sciences bestätigen: https://www.bam.de/Navigation/EN/Topics/Analytical-Sciences/Rapid-Oil-Test/rapid-oil-test.html.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
4-Dimethylamino-4-nitrostilben (CAS-Nummer: 2844-15-7)Sigma-Aldrich392554-DNS-Farbstoff
2-[ethyl[4-[2-(4-nitrophenyl)ethenyl]phenyl]amino]ethanol (CAS-Nummer: 122258-56-4)Sigma-Aldrich5185654-DNS-OH-Farbstoff
Whatman  qualitatives Filterpapier, Grade 1Sigma-AldrichZ274852Teststreifen unterstützen
Whatman  anwendungsspezifischer Filter, mit Aktivkohle beladenes Papier,Sigma-AldrichWHA1872047Sorte 72 Filter für die Kraftstoffvorbehandlung
Wiederverwendbare Inline-Filterhalter von Pall, Edelstahl, Durchm. 47  mmSigma-AldrichZ268453 Halter für Vorbehandlungsfilter
(3-Aminopropyl)triethoxysilanSigma-Aldrich919-30-2APTES
4-(Dimethylamino)pyridinSigma-Aldrich1122-58-3DMAP
BernsteinsäureanhydridSigma-Aldrich108-30-5
TriethylaminSigma-Aldrich121-44-8Et3N
N,N'-dicyclohexylcarbodiimid Sigma-Aldrich538-75-0DCC
Stuart Tube RotatorenCole-ParmerSB3Rotator
FreeCADfreecadweb.org-Freeware- 3D Design
Ultimaker CuraUltimaker-Freeware- 3D Druck
Android StudioGoogle-Freeware- App Programmierung
Renkforce SuperSoft OTG-Spiegel Micro-USB Kabel 0,15 mConrad.de1359890 - 62Smartphone Setup Elektronikteil
Schwarz Kabel Schalter 1 x Aus / EinConrad.de1371835 - 62Smartphone Setup Elektronisches Teil
Carbon Film Resistor 100 ΩConrad.de1417639 - 62Smartphone Setup elektronisches Teil
492 nm Blockierkante BrightLine  KurzpassfilterSemrockFF01-492/SP-25Filteranregung
550/49  nm BrightLine Single-Band-BandpassfilterSemrockFF01-550/49-25Filter Emission
& Oslash; 1/2" ungefasster N-BK7 Diffusor aus Mattglas, Körnung 220ThorlabsDG05-220Diffusor
Anregung LED 465 nm, 9 cd, 20 mA, ± 15°, 5 mm klares EpoxidharzRoithnerRLS-B465 LED-Anregung

Referenzen

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