Fluorescerande pappersremsor för detektion av Diesel uppblandning med Smartphone avläsningssystem
Summary
Här presenterar vi ett protokoll för att upptäcka förvanskningar av diesel med fotogen med hjälp av teststickor belagd med en fluorescerande viskositet sond tillsammans med en smartphone-baserat analyssystem.
Abstract
Tre fluorescerande molekylära rotorerna på 4-dimethylamino-4-nitrostilbene (4-DNS) undersöktes för deras potentiella användning som viskositet sonder för att ange innehållet i fotogen i diesel/fotogen blandningar, en utbredd verksamhet till adulterate bränsle. I lösningsmedel med låg viskositet inaktivera färgämnena snabbt via en s.k. tvinnade intramolekylära kostnad överföring stat, effektivt släcka fluorescensen. Mätningar av diesel/fotogen blandningar avslöjade en bra linjär korrelation mellan minskningen av fluorescens och ökningen av andelen mindre trögflytande fotogen i diesel/fotogen blandningar. Immobilisering av hydroxi härledda 4-DNS-OH i cellulosa papper gav teststickor som bevarar fluorescerande indikatorns beteende. Kombination av remsor med en läsare som baserat på en smartphone och en kontrollerande app behörighet att skapa en enkel fälttest. Metoden kan på ett tillförlitligt sätt upptäcka förekomsten av fotogen i diesel från 7 till 100%, överträffar nuvarande standardmetoder för diesel uppblandning.
Introduction
Bränsle uppblandning är ett allvarligt problem i många olika delar av världen, helt enkelt på grund av den enorma betydelsen av bränsle som energikälla. Kör motorn på uppblandat bränsle minskar deras prestanda, leder till tidigare motorbortfall och medför miljöbelastning1. Ökat såx utsläppen uppstå om diesel är uppblandat med fotogen innehåller som vanligtvis en högre mängd svavel2,3. Även om problemet finns i årtionden, är hållbart bränsle ledning som avslöjar sådan brottslig verksamhet på dess peka av beskärning fortfarande sällsynta, eftersom enkla och tillförlitliga tester för bränsle uppblandning saknas till stor del4. Trots betydande framsteg i laboratoriebaserade mineralolja analys i de förgångna årtiondena5,6,7, närmar sig till hotellets mätningar är fortfarande knappa. Olika metoder för användning utanför laboratoriet har nyligen utarbetats, använder fiberoptik8, field – effecttransistorer9 eller mechano-kromsyra material10. Användarvänligt och bärbart metoder saknas fortfarande till stor del även om de övervinna några av nackdelarna med konventionella metoder, robust. Fluorescerande viskositet sonder baserat på molekylära rotorerna är ett intressant alternativ11,12, eftersom mineraloljor består av en stor mängd kolväten som skiljer sig i Kedjanslängd och cyclicity, som ofta återspeglas i olika viskositeter. Eftersom bränslen är komplexa blandningar utan specifika blyföreningar som spårämnen, verkar mätning av förändringen av en makroskopisk egenskap som viskositet eller polaritet mycket lovande. Den senare kan tas upp av fluorescerande molekylära rotorer som fluorescens quantum avkastning beror på miljön viskositet. Efter photoexcitation innebär avaktivering vanligen en vriden intramolekylära kostnad överföring (TICT) stat, befolkningen som bestäms av dess omgivande närmiljön13viskositet. Mycket trögflytande lösningsmedel hindra molekylär rotorer för att anta ett TICT tillstånd, som medför ljusa utsläpp. I låg viskös lösningsmedel, kan rotorn mycket bättre tillgång TICT staten, accelererande icke-strålnings förfall och således kylda fluorescens. Tillägg av fotogen, med en viskositet av 1,64 mm2∙s–1 vid 27 ° C, till diesel, med respektive viskositeter av 1,3-2.4, 1,9-4.1, 2.0-4.5 eller 5.5-24,0 mm2∙s –1 vid 40 ° C för årskurs 1 D, 2D, sv 950 och 4D14,15,16, minskar den kinematiska viskositeten av blandningen och potentiellt leder till en proportionell snabbkylning av fluorescensen av en molekylär rotor sond. Familjen av 4-dimethylamino-4-Nitrostilbener (4-DNS) verkade mest lovande till oss på grund av deras stark fluorescens variationen över en Kinematisk viskositet rad 0,74-70,6 mm2∙s –1. Detta intervall matchar bra med de kända värdena av fotogen och diesel.
Vi undersökte därför möjligheten för 4DNS, 2-[etyl [4-[2-(4-nitrofenyl) ethenyl] fenyl] amino] etanol (4DNSOH) och (E)-4-(2-(ethyl(4-(4-nitrostyryl)phenyl)amino)ethoxy)-4-oxobutanoic syra (4DNSCOOH) att indikera viskositet diesel-fotogen blandningar genom deras fluorescens, beroende på intramolekylära rotation och slutligen ger en snabbtest för diesel uppblandning med fotogen. Disponibla testet är lätt att använda, exakt, pålitlig, kostnadseffektiv och dimensionellt små. Adsorption av sonderna på filter papper som ett fast stöd undersöktes och analysen var fulländad med en inbäddad smartphone-baserade fluorescens-läsare. Idag är ubiquitously tillgängliga smartphones utrustade med högkvalitativa kameror, rendering detektion av optiska förändringar såsom färg och fluorescens okomplicerad, och banar väg för kraftfulla Hotellets analyser. Här visar vi att mätning av utsläpp av fluorescerande sonder adsorberat på pappersremsor med en smartphone kan användas för bedrägeri upptäckt på förbränning bränslen i ett tillförlitligt sätt17.
Protocol
Representative Results
Discussion
En fluorescerande probe, baserat på en molekylär rotor färgämne som är känslig för viskositet i spänna av de som mättes för diesel och dess olika blandningar med fotogen, användes för att få enkel och effektiv teststickor för detektion av diesel bränsle uppblandning. Utsläpp intensiteten 4-DNS vid 550 nm i olika diesel/fotogen blandningar korrelerar med en minskning av viskositet när andelen fotogen ökar. Vid en temperatur på 24 ° C, en icke-linjär fluorescens snabbkylning av upp till 55% observerade…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna vill erkänna BAM finansiering genom fokusområdet analytiska vetenskaper: https://www.bam.de/Navigation/EN/Topics/Analytical-Sciences/Rapid-Oil-Test/rapid-oil-test.html.
Materials
| 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 | – | 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 |
References
- 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).
- Gawande, A. P., Kaware, J. P. Fuel Adulteration Consequences in India : A Review. Scientific Reviews and Chemical Communications. 3 (3), 161-171 (2013).
- 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).
- Chandrappa, R., Chandra Kulshrestha, U. . Sustainable Air Pollution Management: Theory and Practice. , 305-323 (2016).
- Felix, V. J., Udaykiran, P. A., Ganesan, K. Fuel Adulteration Detection System. Indian Journal of Science and Technology. 8, 90-95 (2015).
- 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).
- 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).
- Gupta, A., Sharma, R. K., Villanyi, V. . Air Pollution. , (2010).
- 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).
- 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).
- Haidekker, M. A., Theodorakis, E. A. Ratiometric mechanosensitive fluorescent dyes: Design and applications. Journal of Materials Chemistry C. 4 (14), 2707-2718 (2016).
- 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).
- 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).
- . . ASTM D975 – 16a, Standard Specification for Diesel Fuel Oils. , (2016).
- Colucci, J. . Future Automotive Fuels • Prospects • Performance • Perspective. , (1977).
- Lackner, M., Winter, F., Agarwal, A. K. . Gaseous and Liquid Fuels. 3, (2010).
- 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).
- 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).
- Chang, B. Y. Smartphone-based Chemistry Instrumentation: Digitization of Colorimetric Measurements. Bulletin of the Korean Chemical Society. 33 (2), 549-552 (2012).
- Roda, A., et al. Smartphone-based biosensors: A critical review and perspectives. TrAC Trends in Analytical Chemistry. 79, 317-325 (2016).
- 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).
