Bandes de papier fluorescent pour la détection de l’adultération de Diesel avec lecture de Smartphone
Summary
Nous présentons ici un protocole afin de détecter la falsification du diesel de kérosène à l’aide de bandelettes enduits avec une sonde fluorescente viscosité ainsi qu’un système d’analyse axée sur les smartphone.
Abstract
Trois rotors moléculaires fluorescents de 4-diméthylamino-4-nitrostilbene (4-DNS) ont été étudiés pour leur utilisation potentielle comme sondes de viscosité pour indiquer le contenu de kérosène dans les mélanges de diesel/kérosène, une activité répandue à carburant adulterate. Dans les solvants à faible viscosité, les colorants désactiver rapidement via un état de transfert de charge intramoléculaire tordu ce que l’on appelle, étancher efficacement la fluorescence. Mesures de mélanges de diesel/kérosène ont révélé une bonne corrélation linéaire entre la diminution de fluorescence et l’augmentation de la fraction de la kérosène moins visqueux dans les mélanges de diesel/kérosène. Immobilisation de la dérivés hydroxy 4-DNS-OH en papier cellulosique a donné des bandelettes de test qui préservent le comportement de l’indicateur fluorescent. Combinaison des bandes avec un lecteur basé sur un smartphone et une application de contrôle autorisé à créer un test simple. La méthode peut détecter de façon fiable la présence de kérosène dans le carburant diesel de 7 à 100 %, surpassant les présentes méthodes standards pour falsification de diesel.
Introduction
Falsification de carburant est un grave problème dans nombreuses régions du monde, simplement en raison de l’importance énorme de carburant comme source d’énergie. Moteurs en cours d’exécution sur le carburant frelaté réduit leur performance, conduit à l’échec précédent de moteur et entraîne la pollution de l’environnement1. Augmenté de sorte que les émissionsx se produisent si le diesel est frelaté avec kérosène qui contient généralement une plus grande quantité de soufre2,3. Bien que le problème existe depuis des décennies, la gestion du combustible durable qui dévoile ces activités criminelles menées à son point d’origine est encore rare, parce que des tests simples et fiables pour falsification de carburant ne manquent en grande partie4. Malgré des progrès considérables dans l’analyse en laboratoire des huiles minérales dans les dernières décennies5,6,7, méthodes de mesures sur site sont encore rares. Différentes méthodes pour l’utilisation à l’extérieur du laboratoire ont récemment été imaginés, à l’aide de fibre optique8, transistors à effet de champ9 ou matériaux mécano-chromique10. Bien qu’ils surmontent certains des inconvénients des méthodes conventionnelles, robustes, facile à utiliser et portables méthodes manquent encore largement. Des sondes fluorescentes viscosité issus des rotors moléculaires sont un intéressant de rechange11,12, parce que les huiles minérales sont constituées d’une grande variété d’hydrocarbures qui diffèrent par la longueur de la chaîne et cyclicité, étant souvent traduit par différentes viscosités. Parce que les combustibles sont des mélanges complexes sans composés de pistes précises pour agir en tant que traceurs, la mesure de la modification d’une propriété macroscopique comme viscosité ou polarité semble très prometteuse. Ce dernier peut être adressé par des rotors moléculaires fluorescents pour lequel le rendement quantique de fluorescence dépendre de viscosité environnementale. Après photoexcitation, désactivation implique généralement un état de transfert (TICT) charge intramoléculaire torsadée, dont la population est déterminée par la viscosité du microenvironnement environnants13. Solvants visqueux entravent moléculaires rotors pour adopter un État TICT, entraînant des émissions lumineuses. Dans les solvants peu visqueux, le rotor peut beaucoup mieux accéder à l’État TICT, accélérant la décomposition non radiatif et fluorescence ainsi trempé. L’ajout du kérosène, avec une viscosité de 1,64 mm2∙s–1 à 27 ° C, au diesel, avec des viscosités respectives de 1,3 à 2,4, 4.1-1.9, 2.0-4.5 ou 5.5-24. 0 mm2∙s –1 à 40 ° C pour les grades 1D, 2D, EN 950 4D14,15,16, réduit la viscosité cinématique du mélange et potentiellement conduit à une extinction proportionnelle de la fluorescence d’une sonde moléculaire rotor. La famille de 4-diméthylamino-4-Nitrostilbènes (4-DNS) semblait plus prometteuse pour nous à cause de leur variation forte fluorescence sur une plage de viscosité cinématique de 0,74-70.6 mm2∙s –1. Cette gamme correspond bien avec les valeurs connues de kérosène et du diesel.
Nous avons donc exploré la possibilité de 4Serveur DNS, 2-[Éthyl [4-[2-(4-nitrophényl) ethenyl] phényl] amino] éthanol (4DNSOH) et (E) d’acide-4-(2-(ethyl(4-(4-nitrostyryl)phenyl)amino)ethoxy)-4-oxobutanoic (4DNSCOOH) pour indiquer la viscosité du mélanges de diesel-kérosène à travers leur fluorescence, fonction rotation intramoléculaire et enfin ce qui donne un test rapide pour falsification de diesel avec kérosène. Le test jetable est facile à utiliser, précis, fiable, rentable et petites dimensions. L’adsorption des sondes sur le papier filtre comme un support solide a été l’objet d’une enquête et l’analyse a été réalisée avec un lecteur embarqué fluorescence axée sur le smartphone. Aujourd’hui, les smartphones disponibles partout sont équipées de caméras de haute qualité, rendant la détection des modifications optiques tels que couleurs et fluorescence directe et ouvrant la voie à puissantes analyses sur place. Nous montrons ici que la mesure de l’émission de sondes fluorescentes adsorbé sur des bandes de papier avec un smartphone peut être utilisée pour la détection de la fraude sur les carburants de combustion dans une manière fiable17.
Protocol
Representative Results
Discussion
Une sonde fluorescente, basée sur un colorant rotor moléculaire qui est sensible aux viscosités de l’ordre de celles mesurées pour le diesel et ses différents mélanges avec kérosène, a été utilisée pour obtenir les bandelettes de test simple et efficace pour la détection de l’adultération du carburant diesel. L’intensité des émissions de 4-DNS à 550 nm dans divers corrélats de mélanges de diesel/kérosène avec une réduction lorsque la proportion de pétrole lampant augmente la viscosité. À une…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs aimerait remercier la BAM à financer au moyen de la zone de mise au point des Sciences analytiques : 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).
