Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Флуоресцентный бумажные полоски для выявления фальсификации дизель с Smartphone считывания

8.6K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/58019

⸱

9 ноября 2018 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

Здесь мы представляем протокол для выявления фальсификации дизель с керосином, с помощью тест-полосок, покрыты флуоресцентных вязкость зонд вместе с системой анализа на основе смартфона.

Аннотация

Три флуоресцентные молекулярные роторы 4-диметиламино-4-nitrostilbene (4-DNS) были исследованы для их потенциального использования как вязкость зонды сообщить содержание керосина в смеси дизель/керосин, широкое распространение деятельности фальсифицированный топлива. В растворителях с низкой вязкостью красители быстро отключить через так называемые витой внутримолекулярной передачи заряд, эффективно тушения флуоресценции. Измерения дизель/керосин смесей показали хорошие линейной корреляции между снижением флуоресценции и увеличение доли менее вязкой керосина в дизель/керосин смесей. Иммобилизация гидроксильные производные 4-DNS-OH в целлюлозная принесли тест-полоски, которые сохраняют флуоресцентный индикатор поведение. Комбинация полос с читателем, основанный на смартфон и контроль app, позволил создать простое поле теста. Метод может надежно обнаружить присутствие керосина в дизель от 7 до 100%, опережая настоящее стандартные методы для дизельных фальсификата.

Введение

Фальсификация топлива представляет собой серьезную проблему во многих различных частях мира, просто из-за огромной значимости топлива как источника энергии. Запуск двигателей на фальсифицированных топлива снижает их производительность, приводит к более ранних отказа двигателя и влечет за собой загрязнение окружающей среды1. Увеличение такx выбросы происходят если дизельное топливо фальсифицированной с керосином, обычно содержит большее количество серы2,3. Хотя проблема существует на протяжении десятилетий, устойчивого топливом, которое раскрывает такой преступной деятельности в своей точке происхождения по-прежнему редки, потому что простой и надежный тесты для фальсификация топлива практически отсутствуют4. Несмотря на существенный прогресс минерального масла на основе лабораторных анализа в последние десятилетия5,6,7, подходы к территории измерений по-прежнему ограничены. Недавно были разработаны различные методы для использования вне лаборатории, с использованием волоконной оптики8, транзисторы field - effect9 или механо хромовый материалы10. Хотя они преодолеть некоторые из недостатков традиционных методов, надежный, удобный и портативный методы во многом по-прежнему отсутствуют. Флуоресцентный вязкость датчики, основанные на молекулярные роторы являются интересным альтернативным11,12, потому, что минеральные масла состоят из большое разнообразие углеводородов, которые различаются по длине цепи и цикличность, часто отражение в различных вязкостей. Потому что топлива являются сложные смеси без соединений конкретных свинца в качестве индикаторов, измерение изменения макроскопические свойства как вязкость или полярность весьма многообещающими. Последний может решаться флуоресцентные молекулярные роторы, для которых флуоресценции квантовой урожайность зависит от окружающей среды вязкости. После фотовозбуждения деактивация обычно включает в себя состояние передачи (TICT) витой внутримолекулярной заряда, население которого определяется вязкость ее окружающие микроокружения13. Вязкие растворителей препятствуют молекулярные роторы принять TICT государства, влекущие за собой яркие выбросов. В-низковязкое растворители ротор может намного лучше доступ к TICT государства, ускорение не радиационное воздействие распада и таким образом закаленном флуоресценции. Добавлением керосина, с вязкостью 1,64 мм2∙s–1 при 27 ° C, для дизельного топлива, с соответствующей вязкостью 1.3-2.4, 1.9-4.1, 2.0-4.5 или 5.5-24,0 мм2∙s –1 при 40 ° C для классов 1 D, 2D, EN 950 и 4D14,,1516, уменьшает Кинематическая вязкость смеси и потенциально приводит к пропорциональной тушения флуоресценции зонда молекулярного ротора. Семья 4-диметиламино-4-nitrostilbenes (4-DNS) казалось наиболее перспективных для нас из-за их сильной флуоресценции вариации в диапазоне Кинематическая вязкость 0,74-70,6 мм2∙s –1. Этот диапазон совпадает с известным значениям керосина и дизельного топлива.

Поэтому, мы исследовали способность 4DNS, 2-[этиловый [4-[2-(4-нитрофенил) плёнка] фенил] амино] этанола (4DNSOH) и (E)-4-(2-(ethyl(4-(4-nitrostyryl)phenyl)amino)ethoxy)-4-oxobutanoic кислота (4DNSCOOH) для обозначения вязкость дизель керосин смеси через их флуоресцирование, в зависимости от внутримолекулярной вращения и наконец уступая быстрый тест для фальсификации дизель с керосином. Одноразовый тест прост в использовании, точной, надежной, экономически и размерно малых. Исследована адсорбция зонды на фильтровальной бумаге как твердой поддержки и анализа была достигнута с внедренного на основе смартфона флуоресценции чтения. Сегодня повсеместно доступные Смартфоны оборудованы камерами высокого качества, рендеринга обнаружения оптических изменений, таких как цвет и флуоресценции простой и проложить путь для мощных анализа на месте. Здесь мы показываем, что измерения выбросов флуоресцентных зондов, адсорбированные на полоски бумаги с смартфон может использоваться для обнаружения мошенничества на сгорание топлива в надежно17.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1. флуоресцентных красителей (рис. 1A)

  1. Покупка коммерчески доступных DNS-4 и 4-DNS-OH.
    Примечание: 4-DNS-COOH не является коммерчески доступных и готовится из 4-DNS-OH, как описано далее.
  2. Место 50 мг (0,16 ммоль) 2-[этиловый [4-[2-(4-нитрофенил) плёнка] фенил] амино] этанола, 2 мг (0.016 ммоль) 4-dimethylaminopyridine и 19,2 мг (0,192 ммоль) янтарной ангидрида в 10 мл раунд нижней колбе.
  3. Растворите реагентов в 2 мл сухого дихлорметан в атмосфере аргона.
  4. Мкл 11.6 (0.08 ммоль) триэтиламин и пусть смесь реагировать на 20 h.
  5. Контролировать реакцию хромотографией тонким слоем до количественные преобразования исходных материалов (Rf = 0,61) в продукт (Rf = 0,27) указывается (гексан/EtOAc, 4/6, v/v)
  6. Добавьте 2 мл воды в смеси до подкисления до pH 2 с уксусной кислотой (около 10 мкл).
  7. Экстракт смеси, выполнив два последовательных извлечений жидкость жидкость, с 10 мл дихлорметан каждый раз.
  8. Мыть после воссоединенной органические фазы с 10 мл насыщенного NaCl (– 1g > 359 Л).
  9. Сухие органические фазы, добавив Na2так4 порошка до тех пор, пока некоторые прекрасные сушильный агент порошок остается видимым.
  10. Очищайте сырой продукт, флэш-кремнезема колоночной хроматографии с нефтяной эфира: Этилацетат 1:9 как элюента.
    Примечание: Доходности достигнутые были 49 мг (74%) желаемого продукта.
  11. Выполнить 1H ЯМР анализ очищенного продукта в ДМСО d6 , для проверки структуры (δ 8.17 (d, J = 8.8 Гц, 2 H), 7,75 (d, J = 8.8 Гц, 2 H), 7.49 (d, J = 8.8 Гц, 2 H), 7.41 (d, J = 16,3 Гц, 1 H), 7.10 (d, J = 16,3 Гц 1 H), 6,75 (d, J = 8.9 Гц, 2 H), 4.18 (t, J = 6.0 Гц, 2 H), 3.58 (t, J = 6.0 Гц, 2 H), 3.43 (q, J = 7.0 Гц, 2 H), 2,50 – 2,45 (m, 4 Ч), 1.10 (t, J = 7.0 Гц, 3 H) ppm).
  12. Выполнить 13C ЯМР анализ очищенного продукта в ДМСО d6 для проверки структуры (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. Выполнять масс-спектрометрии высокого разрешения с позитивным электро спрей ионизации очищенный продукт, соответствующий значению (C22H25N2O6 [M + H]+: 413.1707) m/z отношение 413.1713.

2. синтез ссылка краска

Примечание: Синтетические процедура 8-(phenyl)-1,3,5,7-tetramethyl-2,6-diethyl-4,4-difluoro-4 бора-3А, 4а диазафенантрена s-indacene был принят от Coskun и др. 18.

  1. Очищайте сырой продукт, колоночной хроматографии на кремний с толуола как элюента.
    Примечание: Доходности достигнутые были 441 мг (29%) яркий красновато кристаллов.
  2. Выполнить 1H ЯМР анализ чистого продукта на 600 МГц в ДМСО d6 , для проверки структуры (δ 0,98 (t, 6 H, J = 7.6 Гц), 1.27 (s, 6 H), 2.29 (q, 4 H, J = 7.6 Гц), 2.53 (s, 6 Ч), 7.27-7,29 (м, Ч. 2), 7.46-7,48 (m, 3 H) ppm).
  3. Выполнять масс-спектрометрии высокого разрешения с позитивным электро спрей ионизации очищенный продукт, соответствующий значению (C23H28BF2N2 [M + H]+: 381.2314) m/z отношение 381.2267.

3. ТЕСТ ПОЛОСЫ ИЗГОТОВЛЕНИЕ, МЕТОД 1.

  1. Подготовка решений 1 мм ссылка краски и красители DNS-4, 4-DNS-OH и 4-DNS-COOH в толуоле.
  2. Вырежьте полосы целлюлозы 30 × 5 мм из фильтр-бумаги.
  3. Место примерно 50 этих полос (611 мг) в закрывающемся 5 мл флакон вместе с 4,5 мл раствора желаемого краска от шаг 3.1.
  4. Встряхните полоски внутри флакона с вертикальной ротатор для 20 минут 30 об/мин.
  5. Залейте раствор из флакона и сразу же заполнить с 4 мл циклогексан и повернуть за 1 мин на 30 об/мин смыть излишки краски.
  6. Повторите операцию стирки от шаг 3.5 три раза.
  7. Сухие полученные тест-полоски на фильтровальной бумаге для 10 минут в воздухе при комнатной температуре.

4. тест полосы изготовления, способ 2.

  1. Аминирование полоски бумаги.
    1. Вырежьте полосы целлюлозы 30 × 5 мм из фильтр-бумаги.
    2. Под вытяжного шкафа место около 20 из этих полос (308 мг) в колбе, содержащий 40 мл толуола.
    3. 960 мкл 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES) в колбу и размешать смесь для 24 ч при температуре 80 ° C.
    4. Удаление полоски из колбы и тщательно промойте 50 мл этанола.
    5. Сухие полосами втечение 2 ч при температуре 50 ° C.
  2. Прививка красителя.
    1. Под вытяжного шкафа растворяют в 10 мл сухого дихлорметан в атмосфере аргона в колбу 25 мл 5 мг 4-DNS-COOH (13 мкмоль).
    2. Добавить N,N'- методы (DCC, 3,3 мг, 16 мкмоль) и позволяют карбоновые кислоты, чтобы быть активированы для 15 мин.
    3. Добавьте триэтиламин (2,2 мкл, 16 мкмоль) и 18 Аминированных бумажные полоски (278 мг).
    4. Перемешайте смесь для дополнительных 2 ч.
    5. Удалить полоски из раствора и промыть 25 мл дихлорметана и 25 мл этанола.

5. пример предварительной обработки.

  1. Лаборатория лечение
    1. Место 10 мл свежего дизель/керосин смесь в 25 мл флаконе.
    2. Приостановите 10 wt % активного угля в смеси.
    3. Перемешайте флакон для 1 h, центрифуги (400 x g, 10 мин) и фильтр для удаления уголь.
  2. На месте лечения
    1. Покупка круговой активированного углерода загрузки фильтров диаметром 47 мм.
    2. Место четыре из фильтров в держатель фильтра в линии 47 мм из нержавеющей стали.
    3. Промойте 5 мл смеси свежих дизель/керосин через фильтры с помощью стандартной 10 мл шприца; было получено примерно 2 мл раствора полициклических ароматических углеводородов бесплатно.

6. смартфон читателя осуществление

Примечание: Android основе смартфон с выравниванием по центру передней камеры был использован в качестве основной системы измерения смартфон. Все необходимые оптических элементов и 3D-печать аксессуар были специально для этого устройства. Однако может использоваться любой другой смартфон с камеры CMOS (дополнительные металл окись полупроводник). 19 , 20

  1. Приобрести Стандартный 5 мм эпоксидной LED на 460 Нм, резистор 100 Ω и USB on--go (OTG), кабель с переключатель ON/OFF и микро USB-порт.
  2. Вырезать USB-кабель на противоположной стороне OTG изолировать красный провод питания + 5 V (до 300 мА) и черный провод, соответствующий на землю.
  3. Вырезать черный провод кабеля USB и припаять резистор 100 Ω на задней части переключателя. Припой анод для + 5V красный провод и катод на землю черный провод.
  4. Приобрести диффузор и два фильтра для LED и камеры, обычно короткий передать фильтр для возбуждения канала (LED) и группа фильтр для коллекции выбросов (камеры).
  5. 3D-печать смартфон случай, который подходит на смартфоне и интегрирует различные оптические детали, состоящий из черного камеры (20 x 30 x 40 мм)21 , как описано на рисунке 2.
  6. 3D-печать стрипов, как описано в рисунке 2 провести ссылку и тест-полоски.
  7. Реализация канала возбуждения, поместив светодиод, диффузор и фильтр для освещения бумажные полоски под углом 60°.
  8. Реализация канала чтения, поместив фильтр перед камерой смартфона CMOS.
  9. Вставьте держатель тест полосы содержащие полоски, чтобы начать измерение.

7. образец анализ с использованием детектор на основе смартфона

Примечание: Анализы были проведены путем запуска Java app(lication) для андроида, наконец отображаемый уровень фальсификата на экране. Без app фотографии можно принять, экспортировать на компьютер и анализируются с помощью стандартного образа программного обеспечения анализа.

  1. Выберите файл надлежащей калибровки, здесь дизель/керосин, из памяти программное обеспечение, нажав на кнопку меню в правом верхнем углу окна программного обеспечения.
  2. Окуните тест-полоску в образце Дизель за пару секунд путем проведения тест-полоски с помощью пинцета.
  3. Удалите избыток топлива, простой похлопывая сушка бумаги.
  4. Тест-полоски внутри стрипов Помимо ссылок полосы и держателя в случае смартфон.
    Примечание: Изображение полосы флуоресценции затем сразу же отображается на экране смартфона.
  5. Нажмите кнопку стрелять для записи интенсивностью флюоресценции теста и ссылаться на полоски.
    Примечание: Степень фальсификации сразу определяется внутренним алгоритмом и отображается на экране.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Три структуры двух коммерческих красители DNS-4 и 4-DNS-OH и синтезированных краситель 4-DNS-COOH содержат Стильбен ключевой элемент заменен с донором (-NR2) и акцептора (-2) группы на обоих концах, Центральный двойной Бонд составляющих Петля так называемые «молекулярного ротора» (рис. 1A). Структуры отличаются в шаблоне замены аминогруппы с коротких алкильных групп для DNS-4, две чуть больше групп, включая группу в составе спирт для 4-D...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Флуоресцентный зонд, на основе молекулярного ротора краситель, который чувствителен к вязкости в диапазоне измеряемых для дизельного топлива и его различных смесей с керосином, был использован для получения простой и эффективный тест-полоски для выявления фальсификации дизельного топлива. Интенсивность выбросов DNS-4 550 Нм в различных дизель/керосин смеси коррелирует с уменьшением вязкости, когда увеличивается доля керосина. При температуре 24 ° C, нелинейной флуоресценции закалки до 55% было отмечено до 100% фальсифика...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторы не имеют ничего сообщать.

Благодарности

Авторы хотели бы признать BAM для финансирования через области фокуса аналитических наук: https://www.bam.de/Navigation/EN/Topics/Analytical-Sciences/Rapid-Oil-Test/rapid-oil-test.html.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
4-диметиламино-4-нитростильбен (номер CAS: 2844-15-7)Sigma-Aldrich392554-DNS краситель
2-[этил[4-[2-(4-нитрофенил)этенил]фенил]амино]этанол (номер CAS: 122258-56-4)Sigma-Aldrich5185654-DNS-OH краситель
ватман  качественная фильтровальная бумага, Сорт 1Sigma-AldrichZ274852Тест-полоски с поддержкой
Whatman  фильтр специального назначения, бумага с активированным углем, марка 72Sigma-AldrichWHA1872047Фильтры предварительной обработки топлива
Pall многоразовые встроенные держатели фильтров нержавеющая сталь, диаметр 47  ммСигма-ОлдричZ268453 Держатель фильтров предварительной очистки
(3-аминопропил)триэтоксисиланСигма-Олдрич919-30-2АПТЕС
4-(диметиламино)пиридинСигма-Олдрич1122-58-3ДМАП
Янтарный ангидридСигма-Олдрич108-30-5
ТриэтиламинСигма-Олдрич121-44-8Эт<суб>3N
N,N'-дициклогексилкарбодиимид Sigma-Aldrich538-75-0DCC
Stuart Tube RotatorsCole-ParmerSB3Rotator
FreeCADfreecadweb.org-Freeware- 3D дизайн
Ultimaker CuraUltimaker-Freeware- 3D печать
Android StudioGoogle-Freeware- Программирование приложений
Renkforce SuperSoft OTG-Mirror Micro-USB Cable 0,15 мConrad.de1359890 - 62Настройка смартфона электронная часть
Черный шнур Выключатель 1 x Выкл/ВклConrad.de1371835 - 62Настройка смартфона электронная часть
Углеродная пленка Резистор 100 & Omega;Conrad.de1417639 - 62Настройка смартфона электронная часть
492 нм блокирующая кромка BrightLine  короткочастотный фильтрSemrockFF01-492/SP-25Фильтр возбуждения
550/49  nm BrightLine однополосный полосовой фильтрSemrockFF01-550/49-25Filter emission
Ø 1/2" Немонтированный диффузор N-BK7 из матового стекла, 220 GritThorlabsDG05-220Диффузор возбуждения
светодиод 465 нм, 9 кд, 20 мА, ± 15°, 5 мм прозрачная эпоксидная смолаRoithnerRLS-B465светодиодное возбуждение

Ссылки

  1. Mattheou, L., Zannikos, F., Schinas, P., Karavalakis, G., Karonis, D., Stournas, S. Impact of Using Adulterated Automotive Diesel on the Exhaust Emissions of a Stationary Diesel Engine. Global NEST Journal. 8 (3), 291-296 (2006).
  2. Gawande, A. P., Kaware, J. P. Fuel Adulteration Consequences in India : A Review. Scientific Reviews and Chemical Communications. 3 (3), 161-171 (2013).
  3. Lam, N. L., Smith, K. R., Gauthier, A., Bates, M. N. Kerosene: A Review of Household Uses and their Hazards in Low- and Middle-Income Countries. Journal of Toxicology and Environmental Health, Part B. 15 (6), 396-432 (2012).
  4. Chandrappa, R., Chandra Kulshrestha, U. Sustainable Air Pollution Management: Theory and Practice. , Springer International Publishing. 305-323 (2016).
  5. Felix, V. J., Udaykiran, P. A., Ganesan, K. Fuel Adulteration Detection System. Indian Journal of Science and Technology. 8, 90-95 (2015).
  6. Meira, M., et al. Determination of Adulterants in Diesel by Integration of LED Fluorescence Spectra. Journal of the Brazilian Chemical Society. 26 (7), 1351-1356 (2015).
  7. Klingbeil, A. E., Jeffries, J. B., Hanson, R. K. Temperature- and composition-dependent mid-infrared absorption spectrum of gas-phase gasoline: Model and measurements. Fuel. 87 (17-18), 3600-3609 (2008).
  8. Gupta, A., Sharma, R. K. Air Pollution. Villanyi, V. , InTech. (2010).
  9. Gruber, J., Lippi, R., Li, R. W. C., Benvenho, A. R. V. Analytical Methods for Determining Automotive Fuel Composition. New Trends and Developments in Automotive System Engineering. 13, 13-28 (2011).
  10. Park, D. H., Hong, J., Park, I. S., Lee, C. W., Kim, J. M. A Colorimetric Hydrocarbon Sensor Employing a Swelling-Induced Mechanochromic Polydiacetylene. Advanced Functional Materials. 24 (33), 5186-5193 (2014).
  11. Haidekker, M. A., Theodorakis, E. A. Ratiometric mechanosensitive fluorescent dyes: Design and applications. Journal of Materials Chemistry C. 4 (14), 2707-2718 (2016).
  12. Uzhinov, B. M., Ivanov, V. L., Melnikov, M. Y. Molecular rotors as luminescence sensors of local viscosity and viscous flow in solutions and organized systems. Russian Chemical Reviews. 80 (12), 1179-1190 (2011).
  13. Grabowski, Z. R., Rotkiewicz, K., Rettig, W. Structural Changes Accompanying Intramolecular Electron Transfer: Focus on Twisted Intramolecular Charge-Transfer States and Structures. Chemical Reviews. 103 (10), 3899-4032 (2003).
  14. ASTM D975 - 16a, Standard Specification for Diesel Fuel Oils. , ASTM International. (2016).
  15. Colucci, J. Future Automotive Fuels • Prospects • Performance • Perspective. , Springer US. (1977).
  16. Lackner, M., Winter, F., Agarwal, A. K. Gaseous and Liquid Fuels. 3, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. (2010).
  17. Gotor, R., Tiebe, C., Schlischka, J., Bell, J., Rurack, K. Detection of Adulterated Diesel Using Fluorescent Test Strips and Smartphone Readout. Energy & Fuels. 31 (11), 11594-11600 (2017).
  18. Coskun, A., Akkaya, E. U. Ion Sensing Coupled to Resonance Energy Transfer: A Highly Selective and Sensitive Ratiometric Fluorescent Chemosensor for Ag(I) by a Modular Approach. Journal of the American Chemical Society. 127 (30), 10464-10465 (2005).
  19. Chang, B. Y. Smartphone-based Chemistry Instrumentation: Digitization of Colorimetric Measurements. Bulletin of the Korean Chemical Society. 33 (2), 549-552 (2012).
  20. Roda, A., et al. Smartphone-based biosensors: A critical review and perspectives. TrAC Trends in Analytical Chemistry. 79, 317-325 (2016).
  21. McCracken, K. E., Yoon, J. -Y. Recent approaches for optical smartphone sensing in resource-limited settings: a brief review. Analytical Methods. 8 (36), 6591-6601 (2016).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

4 DNS OH3D
Флуоресцентный бумажные полоски для выявления фальсификации дизель с Smartphone считывания
Свяжитесь с нами
Рекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

Авторские права © 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.