Fluorescerend papier stroken voor de detectie van Diesel vervalsing met Smartphone uitlezing
Summary
Hier presenteren we een protocol voor het detecteren van de vervalsing van diesel met kerosine gebruik test strips bedekt met een fluorescerende viscositeit sonde samen met een smartphone gebaseerde analysesysteem.
Abstract
Drie TL moleculaire rotors 4-dimethylamino-4-nitrostilbene (4-DNS) werden onderzocht voor hun potentiële gebruik zoals viscositeit sondes om aan te geven van de inhoud van kerosine in diesel/kerosine mengsels, een wide-spread activiteit te vervals brandstof. In oplosmiddelen met lage viscositeit deactiveren de kleurstoffen snel via een zogenaamde gedraaide intramoleculaire gratis overdracht staat, efficiënt blussen de fluorescentie. Metingen van diesel/kerosine mengsels bleek een goede lineaire correlatie tussen de afname van de fluorescentie en het verhogen van de Fractie van de minder viskeuze kerosine in diesel/kerosine mengsels. Immobilisatie van de hydroxy afgeleide 4-DNS-OH in cellulose papier leverde test strips die van de indicator van de fluorescerende functionaliteit behouden. Combinatie van de strips met een lezer op basis van een smartphone en een controlerende app mag maken van een eenvoudig veldtest. De methode kan op betrouwbare wijze de aanwezigheid van kerosine in diesel van 7 tot 100%, overtreft de huidige standaardmethoden voor diesel vervalsing.
Introduction
Brandstof vervalsing is een ernstig probleem in veel verschillende delen van de wereld, gewoon vanwege het enorme belang van brandstof als energiebron. Motoren waarop versneden brandstof vermindert hun prestaties, leidt tot eerdere motorstoring en milieuvervuiling1met zich meebrengt. Verhoogd dusx emissies optreden als diesel is versneden met kerosine bevat die meestal een grotere hoeveelheid zwavel2,3. Hoewel het probleem voor decennia bestaat, is duurzame brandstofbeheer die onthult van dergelijke criminele activiteiten op het punt van oorsprong nog zeldzaam, omdat het eenvoudige en betrouwbare tests voor brandstof vervalsing grotendeels4 ontbreken. Ondanks aanzienlijke vooruitgang in de minerale olie op basis van laboratorium analyse in de afgelopen decennia benaderingen van5,6,7, on-site metingen zijn nog schaars. Verschillende methoden voor het gebruik buiten het laboratorium hebben onlangs bedacht, met behulp van glasvezel8, veld – effect transistors9 of mechano-chromic materialen10. Hoewel zij enkele van de nadelen van conventionele methodes, robuust overwinnen, ontbreken gebruiksvriendelijk en draagbare methoden nog grotendeels. Fluorescerende viscositeit sondes op basis van moleculaire rotoren zijn een interessante alternatieve11,12, omdat minerale oliën bestaan uit een grote verscheidenheid aan koolwaterstoffen die in ketenlengte en cyclicity, die vaak verschillen tot uiting in verschillende viscositeiten. Omdat brandstoffen complexe mengsels zonder specifieke loodverbindingen om op te treden als tracers zijn, schijnt de meting van de verandering van een macroscopische eigenschap zoals viscositeit of polariteit zeer belovend. De laatste kan worden aangepakt door fluorescerende moleculaire rotoren waarvoor de fluorescentie quantum opbrengsten afhankelijk is van milieu viscositeit. Na photoexcitation impliceert deactivering vaak een gedraaide intramoleculaire gratis overdracht (TICT) staat, de bevolking van die wordt bepaald door de viscositeit van de omliggende communicatie13. Zeer viskeuze oplosmiddelen belemmeren moleculaire rotoren aan te nemen van een TICT staat, met als gevolg dat lichte emissie. In laag-visceuse oplosmiddelen, de rotor kan veel beter toegang krijgen tot de TICT staat, om niet-radiatieve verval en dus gehard fluorescentie te versnellen. De toevoeging van kerosine, met een viscositeit van 1.64 mm2∙s–1 bij 27 ° C, tot diesel, met respectieve viscositeiten van 1.3-2.4, 1.9-4.1, 2.0-4.5 of 5.5-24,0 mm2∙s –1 bij 40 ° C voor de rangen 1 D, 2D, nl 950 4D14,15,16, vermindert de kinematische viscositeit van het mengsel en mogelijk leidt tot een evenredige blussen van de fluorescentie van een moleculaire rotor-sonde. De familie van 4-dimethylamino-4-nitrostilbenes (4-DNS) leek meest veelbelovende ons vanwege hun sterke fluorescentie variatie over een kinematische viscositeitsbereik van 0,74-70,6 mm2∙s –1. Dit bereik past goed bij de bekende waarden van kerosine en dieselbrandstof.
Daarom verkenden we het vermogen van 4DNS, 2-[ethyl [4-[2-(4-nitrofenyl) ethyl] fenyl] amino] ethanol (4DNSOH) en (E)-4-(2-(ethyl(4-(4-nitrostyryl)phenyl)amino)ethoxy)-4-oxobutanoic zuur (4DNSCOOH) om aan te geven van de viscositeit van Diesel-kerosine mengsels via hun fluorescentie, afhankelijk van intramoleculaire rotatie en ten slotte levert een snelle test voor diesel vervalsing met kerosine. De beschikbare test is makkelijk te gebruiken, nauwkeurige, betrouwbare, rendabele en dimensioneel kleine. De adsorptie van de sondes op het filtreerpapier als een stevige steun werd onderzocht en de analyse werd uitgevoerd met een ingesloten smartphone gebaseerde fluorescentie-lezer. Vandaag de dag zijn overal beschikbaar smartphones uitgerust met kwalitatief hoogwaardige camera’s, waardoor de detectie van optische veranderingen zoals kleur- en fluorescentie eenvoudig, en de weg vrijmaakt voor krachtige on-site analyses. We laten hier zien dat de meting van de emissie van fluorescerende sondes geadsorbeerde op papier stroken met een smartphone kan worden gebruikt voor fraude-opsporing van verbranding brandstoffen in een betrouwbare wijze17.
Protocol
Representative Results
Discussion
Een fluorescente sonde, gebaseerd op een moleculaire rotor kleurstof die is gevoelig voor viscositeit in het bereik van die gemeten voor diesel en de verschillende mengsels met kerosine, werd gebruikt voor het verkrijgen van eenvoudige en efficiënte test strips voor de detectie van diesel brandstof vervalsing. De emissie-intensiteit van 4-DNS bij 550 nm in verschillende correlaten van diesel/kerosine mengsels met een afname van de viscositeit wanneer het aandeel van kerosine stijgt. Bij een temperatuur van 24 ° C, een …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs wil erkennen de BAM voor financiering door middel van het focusgebied Analytical Sciences: 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).
