Fluorescerende papirstrimler til påvisning af Diesel forfalskning med Smartphone læse-out
Summary
Vi præsenterer her, en protokol for at opdage forfalskning af diesel med Petroleum bruger test strips coatet med et fluorescerende viskositet sonden sammen med en smartphone-baseret analysesystem.
Abstract
Tre fluorescerende molekylære rotorer af 4-dimethylamino-4-nitrostilbene (4-DNS) blev undersøgt for deres potentiel anvendelse som viskositet sonder til at angive indholdet af Petroleum i diesel/Petroleum blandinger, en udbredt aktivitet til adulterate brændstof. I opløsningsmidler med lav viskositet deaktivere farvestoffer hurtigt via en såkaldt snoet intramolekylære afgift overførsel tilstand, effektivt dæmper fluorescens. Målinger af diesel/Petroleum blandinger afslørede en god lineær korrelation mellem faldet i fluorescens og forhøjelsen af fraktion af den mindre tyktflydende Petroleum i diesel/Petroleum blandinger. Immobilisering af hydroxy afledte 4-DNS-OH i cellulose papir givet teststrimler, der bevarer de fluorescerende indikator adfærd. Kombination af strimler med en læser baseret på en smartphone og en kontrollerende app tilladelse til at oprette en simpel field test. Metoden kan pålideligt registrere tilstedeværelsen af Petroleum i diesel fra 7 til 100%, udkonkurrerer de foreliggende standardmetoder til diesel forfalskning.
Introduction
Brændstof forfalskning er et alvorligt problem i mange forskellige dele af verden, simpelthen på grund af den enorme relevansen af brændstoffer som energikilde. Køre motorer på forfalsket brændstof reducerer deres ydeevne, fører til tidligere motorfejl og indebærer miljøforurening1. Steg såx emissioner opstår hvis diesel er forfalsket med Petroleum, der normalt indeholder en større mængde svovl2,3. Selv om problemet findes i årtier, er bæredygtige brændstof forvaltning, der afdækker sådanne kriminelle aktiviteter på dens udgangspunkt stadig sjældne, fordi enkel og pålidelig test for brændstof forfalskning i høj grad mangler4. Trods betydelige fremskridt i laboratoriebaserede mineralolie analyse i de seneste årtier5,6,7, tilgange til on-site målinger er stadig sparsomme. Forskellige metoder til brug uden for laboratoriet har for nylig været udtænkt, ved hjælp af fiber optik8, felt – effekten transistorer9 eller mekanisk-krom materialer10. Selvom de overvinde nogle af ulemperne af konventionelle metoder, robust, brugervenligt og bærbare metoder stadig mangler i vid udstrækning. Fluorescerende viskositet sonder baseret på molekylære rotorer er et interessant alternativ11,12, fordi mineralolier består af et stort udvalg af kulbrinter, der adskiller sig i kædelængde og tidsrækkemodeller, der ofte afspejles i forskellige viskositet. Fordi brændstoffer er komplekse blandinger uden specifikke blyforbindelser skal fungere som røbestoffer, virker måling af ændring af et makroskopisk ejendom ligesom viskositet eller polaritet meget lovende. Sidstnævnte kan adresseres ved fluorescerende molekylære rotorer, fluorescens quantum udbyttet afhænger miljømæssige viskositet. Efter photoexcitation indebærer deaktivering almindeligvis en snoet intramolekylære afgift overførsel (TICT) stat, befolkningen som bestemmes af viskositeten af dens omkringliggende mikromiljø13. Meget tyktflydende opløsningsmidler hindre molekylære rotorer for at vedtage en TICT stat, som medfører lyse emission. I lav-viskøs opløsningsmidler, rotoren meget bedre adgang til den TICT stat, fremskynde ikke-radiative forfald og dermed bratkølet fluorescens. Tilføjelse af Petroleum, med en viskositet på 1,64 mm2∙s–1 på 27 ° C, til diesel, med respektive viskositeter 1.3-2.4, 1.9-4.1, 2.0-4,5 eller 5,5-24,0 mm2∙s –1 ved 40 ° C i lønklasse 1 D, 2D, da 950 og 4D14,15,16, reducerer den kinematiske viskositet af blandingen og potentielt fører til en proportional quenching af fluorescens af en molekylær rotor sonde. Familien af 4-dimethylamino-4-nitrostilbenes (4-DNS) syntes mest lovende for os på grund af deres stærke fluorescens variation over en kinematisk viskositet række 0,74-70.6 mm2∙s –1. Dette udvalg passer godt med de kendte værdier af Petroleum og diesel.
Vi har derfor undersøgt muligheden for 4DNS, 2-[ethyl [4-[2-(4-nitrophenylfosfat) ethyl] phenyl] amino] ethanol (4DNSOH) og (E)-4-(2-(ethyl(4-(4-nitrostyryl)phenyl)amino)ethoxy)-4-oxobutanoic syre (4DNSCOOH) til at angive viskositet diesel-Petroleum blandinger gennem deres fluorescens, afhængigt af intramolekylære rotation og endelig giver en hurtig test for diesel forfalskning med petroleum. Engangs testen er nem at bruge, præcise, pålidelige, omkostningseffektive og dimensionsstabil små. Adsorptionen af sonder på filtrerpapir som en solid støtte blev undersøgt og analyse blev udført med en integreret smartphone-baserede fluorescens læser. I dag, er allestedsnærværende tilgængelige smartphones udstyret med høj kvalitet kameraer, rendering påvisning af optiske ændringer såsom farve og fluorescens ligetil, og bane vejen for magtfulde on-site analyser. Vi viser her, at måling af emission af fluorescerende sonder adsorberet på papirstrimler med en smartphone kan bruges til afsløring af svig på forbrænding brændstoffer i en pålidelig måde17.
Protocol
Representative Results
Discussion
En fluorescerende sonde, baseret på en molekylær rotor farvestof, der er følsomme over for viskositet i rækken af dem målt for diesel og dens forskellige blandinger med Petroleum, blev brugt til at opnå simple og effektive teststrimler til påvisning af diesel fuel forfalskning. Emission intensiteten af 4-DNS på 550 nm i forskellige diesel/Petroleum blandinger korrelerer med en reduktion i viskositet når andelen af Petroleum stiger. Ved en temperatur på 24 ° C, en ikke-lineær fluorescens dæmper på op til 55%…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne vil gerne anerkende BAM til finansiering gennem fokusområde analytiske videnskab: 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).
