檢測(cè)水中氫氰酸的新型便攜式RGB色度傳感器

劉國(guó)宏，于競(jìng)翔，任麗君，梁 婷，劉 萌，黃志平，李 建，李丹萍，肖艷華

(陸軍防化學(xué)院 化學(xué)防護(hù)系，北京 102205)

氫氰酸是一種全身中毒性毒劑[1]，其化學(xué)名稱為氰化氫(HCN)。氰氫酸的全身中毒作用主要是對(duì)呼吸酶產(chǎn)生抑制作用，尤其以細(xì)胞色素氧化酶對(duì)氰離子最敏感。氰離子只能和含有三價(jià)鐵的氧化型細(xì)胞色素氧化酶結(jié)合，形成氰化細(xì)胞色素氧化酶，導(dǎo)致生物氧化中斷，細(xì)胞呼吸停止，引起組織缺氧，最終因呼吸抑制而造成死亡[2]。盡管氫氰酸在使用和生產(chǎn)上受到禁止化學(xué)武器組織(OPCW)的許多限制，但由于其在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用極為廣泛[1]，且穿透力強(qiáng)、中毒途徑多、防護(hù)困難、價(jià)廉易得等極為重要的特點(diǎn)，使其在化學(xué)戰(zhàn)劑中仍占有重要地位[3]。氫氰酸自發(fā)明以來(lái)在各國(guó)受到了極大的關(guān)注和廣泛的研究，在第一次世界大戰(zhàn)中曾被大量使用。在現(xiàn)代工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，也曾多次出現(xiàn)氫氰酸泄漏、中毒的事件[4-6]。近年來(lái)由于全球氣候不斷變暖，氫氰酸的測(cè)量也被用來(lái)反映厄爾尼諾現(xiàn)象[7]。

人類的一切生命活動(dòng)都離不開(kāi)水源，飲用水系統(tǒng)可能成為恐怖分子襲擊的對(duì)象。氫氰酸作為一種具有良好的脂溶性和水溶性的小分子化合物[8]，其在常溫下可與水以任意比混合，且水溶液的離解常數(shù)很小(K=7.2×10-10，25 ℃)，可透過(guò)皮膚和胃腸道粘膜迅速滲入細(xì)胞膜吸收到體內(nèi)。因此，當(dāng)通過(guò)消化道飲用被污染水源，甚至皮膚接觸氫氰酸染毒水源時(shí)，均可以引起中毒或者死亡，對(duì)周?chē)癖姟?dòng)物和牲畜等構(gòu)成了極大威脅[2,9]。目前，檢測(cè)水中氫氰酸最常用的方法有紫外分光光度法[10]、冷原子熒光法[11]、雙梳狀光譜法[12]、選擇性離子流管質(zhì)譜法[13]、遠(yuǎn)紅外遙感法[14]、生物發(fā)光微板法[15]、氣相色譜-質(zhì)譜法[16]。這些方法對(duì)于氫氰酸的痕量檢測(cè)具有良好的靈敏度，但由于攜帶不便、操作復(fù)雜、成本高等不足，存在一定的局限性。近年來(lái)，基于納米材料[17-18]或者熒光探針[19-22]的化學(xué)傳感器也被廣泛應(yīng)用于氫氰酸檢測(cè)。這些傳感器具有高敏感性和高選擇性，可以制成小型輕便的設(shè)備，但不足之處在于這些化學(xué)傳感器或無(wú)法對(duì)水中的氫氰酸進(jìn)行檢測(cè)，或操作規(guī)程復(fù)雜。因此，急需發(fā)展一種便攜、靈敏、高選擇性和可靠的方法對(duì)氫氰酸污染的水源進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。

由紅色(R)、綠色(G)、藍(lán)色(B)組成的RGB空間是基于光學(xué)原理的設(shè)備所采用的色彩空間[23]。RGB空間所包含的顏色和強(qiáng)度信息被認(rèn)為是應(yīng)用最廣泛且最容易被接受的顏色空間[24]。基于RGB原理的顏色設(shè)備，比如掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)、網(wǎng)絡(luò)攝像頭等設(shè)備，因其光學(xué)和結(jié)構(gòu)特性，具有無(wú)需單色光源或者濾光片、可便攜性、檢測(cè)所得信息量較大等優(yōu)點(diǎn)，引起了人們的濃厚興趣[25]?；赗GB原理的檢測(cè)已有著廣泛的應(yīng)用并獲得了較好的檢測(cè)效果，主要應(yīng)用于金屬離子(如汞(Ⅱ)[26]、鉛(Ⅱ)[27]、鈣(Ⅱ)[28]等)，無(wú)機(jī)物(如二氧化碳[29]、氧氣[30]、過(guò)氧化氫[31]等)，有機(jī)物(如胺[32]、多酚類物質(zhì)[33]、血紅蛋白[34]、色素[35]、易燃易爆物[36-37]等)等的檢測(cè)。

本文基于氫氰酸在堿性條件下與水合茚三酮反應(yīng)，溶液呈紫紅色，在LED光源的照射下，RGB色度傳感器中顏色傳感器用于檢測(cè)特定顏色的光，并按紅、綠、藍(lán)三色光組成比例輸出三刺激值，從而開(kāi)發(fā)了一種檢測(cè)水中氫氰酸的便攜RGB色度傳感器。文中采用源于歸一化RGB系統(tǒng)的RGB色度法，克服了基于RGB模型的由于光強(qiáng)變化導(dǎo)致三刺激值變化的不足。各通道的R、G、B色度值均與氫氰酸濃度呈線性關(guān)系。該方法具有高靈敏性、穩(wěn)定性和選擇性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

沙林(GB)、梭曼(GD)、維埃克斯(VX)、芥子氣(HD)、路易氏劑(L)、氫氰酸(AC)，純度均為98%，由陸軍防化學(xué)院提供。水合茚三酮、對(duì)硝基苯甲醛、氫氧化鈉、稀鹽酸、氯化鈉、氯化鉀、氯化銨、硫酸鎂、高氯酸鈉、硼酸(分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)。

便攜式RGB色度傳感器如圖1所示。該傳感器選用一個(gè)白色發(fā)光二極管作為光源，可產(chǎn)生穩(wěn)定連續(xù)的可見(jiàn)光。在光源和RGB顏色傳感器之間，放置一根裝有待測(cè)溶液的2 mL試管。LED光源直接照射在試管上，RGB顏色傳感器獲得產(chǎn)生的RGB三刺激值。根據(jù)傳感器得到的數(shù)據(jù)計(jì)算氫氰酸濃度。分別采用鄭州沃特測(cè)試技術(shù)有限公司的ZZW加熱器和上海精密儀器公司的pH計(jì)對(duì)溶液溫度和pH值進(jìn)行調(diào)節(jié)和測(cè)定。

圖1 基于RGB原理的便攜式色度傳感器示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

向10 mL玻璃試管中加入一定濃度的氫氰酸1 mL、水合茚三酮溶液0.5 mL，調(diào)節(jié)pH值至堿性，加入純凈水定容至2 mL。顯色后，將反應(yīng)后的2 mL溶液轉(zhuǎn)移至比色管，插入檢測(cè)口，測(cè)定溶液的RGB值，平行測(cè)量3次，取平均值。

該顯色反應(yīng)的機(jī)理如圖2所示。氫氰酸和水合茚三酮在堿性條件下反應(yīng)生成紫紅色的離子型2-羥基茚滿二酮(1 ,3)。

圖2 基于水合茚三酮檢測(cè)水中氫氰酸的反應(yīng)原理

為避免或減少光源不穩(wěn)定性的影響，測(cè)量前需對(duì)該儀器進(jìn)行白平衡，使顏色傳感器測(cè)得的白光中RGB三刺激值呈均勻分布。對(duì)純水的三個(gè)RGB刺激值進(jìn)行測(cè)定以得到背景的色度值，并進(jìn)行歸一化處理。歸一化后的RGB值計(jì)算如下:

Rn=r/(r+g+b)

(1)

Gn=g/(r+g+b)

(2)

Bn=b/(r+g+b)

(3)

式中，紅、綠、藍(lán)三個(gè)刺激值分別表示為r、g、b。紅、綠、藍(lán)的歸一化值表示為Rn、Gn和Bn。R、G、B色度值則由歸一化后的RGB值進(jìn)行計(jì)算，公式如下:

R=Rn(s)/Rn(0)

(4)

G=Gn(s)/Gn(0)

(5)

B=Bn(s)/Bn(0)

(6)

式中，Rn(s)、Gn(s)、Bn(s)和Rn(0)、Gn(0)、Bn(0)分別為樣品和純水的紅、綠、藍(lán)歸一化值。R、G、B分別為樣品的色度值，表示樣品的紅、綠、藍(lán)色度值相對(duì)于純水色度值的變化。通過(guò)繪制R、G和B色度值與分析物濃度之間的關(guān)系即得到標(biāo)準(zhǔn)曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化

2.1.1 顯色劑的影響顯色劑是影響反應(yīng)產(chǎn)物顏色的關(guān)鍵因素。為了比較顯色試劑的作用，實(shí)驗(yàn)對(duì)目前較常用的兩種檢測(cè)氫氰酸濃度的比色法:對(duì)硝基苯甲醛法、水合茚三酮法進(jìn)行了考察。配制了12組不同質(zhì)量濃度(0.25、0.28、0.32、0.40、0.52、0.80、1.20、2.00、2.80、4.00、4.80、5.60 mg/L)的氫氰酸水溶液，并分別選用上述兩種方法進(jìn)行顯色反應(yīng)，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖3。從圖中可以看出，兩種方法的R、G和B色度值的絕對(duì)值均隨著質(zhì)量濃度的增加而增大。但在相同條件下，水合茚三酮法較對(duì)硝基苯甲醛法檢出的質(zhì)量濃度更低，且在低質(zhì)量濃度時(shí)線性關(guān)系較好。因此，在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，選擇水合茚三酮法作為檢測(cè)水中氫氰酸的分析方法。

圖3 水合茚三酮法(A)及對(duì)硝基苯甲醛法(B)對(duì)氫氰酸的檢測(cè)

圖4 水合茚三酮濃度對(duì)體系色度值的影響

2.1.2 水合茚三酮濃度對(duì)色度值的影響本實(shí)驗(yàn)考察了不同水合茚三酮濃度(1.12×10-3～225×10-3mol/L)對(duì)2.2 mg/L氫氰酸水溶液顯色效果的影響(見(jiàn)圖4)。從圖中可以看出，顯色體系色度值的絕對(duì)值隨著水合茚三酮濃度的增大先增加后減小，當(dāng)水合茚三酮濃度為6.74×10-3mol/L時(shí)，其色度值的絕對(duì)值最高。當(dāng)水合茚三酮濃度大于6.74×10-3mol/L時(shí)，反應(yīng)體系色度值的絕對(duì)值隨之降低。后續(xù)研究中選擇水合茚三酮的最佳濃度為6.74×10-3mol/L。

圖5 pH值對(duì)體系色度值的影響

2.1.3 pH值對(duì)色度值的影響pH值是影響顯色結(jié)果的重要因素。固定水合茚三酮的濃度，考察了pH值對(duì)RGB色度值的影響，并采用氫氧化鈉和稀鹽酸調(diào)節(jié)溶液的pH值。結(jié)果顯示，pH值為6.97～9.08時(shí),R、G和B色度值的絕對(duì)值均隨著pH值的增加不斷增大。當(dāng)pH 9.08時(shí)，色度值的絕對(duì)值達(dá)到最大值(見(jiàn)圖5)。繼續(xù)增大pH值，則色度值的絕對(duì)值逐漸減小。因此，后續(xù)研究使用硼酸鹽緩沖液調(diào)節(jié)體系pH值為9.08。

2.1.4 反應(yīng)溫度對(duì)色度值的影響溫度是影響顯色反應(yīng)速率的關(guān)鍵因素，因此，本實(shí)驗(yàn)研究了不同溫度(5、10、20、30、40、50、60 ℃)對(duì)2.2 mg/L氫氰酸水溶液顯色效果的影響。結(jié)果顯示，溫度對(duì)體系顯色效果的影響不大。因此，后續(xù)研究選擇在室溫下進(jìn)行。

2.1.5 反應(yīng)時(shí)間對(duì)色度值的影響研究了不同顯示時(shí)間(0.5、2、5、8、10、15、20、30、60、90 min)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。研究結(jié)果顯示，顯色體系色度值的絕對(duì)值隨著反應(yīng)時(shí)間的增加逐漸增大并趨于平衡。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間達(dá)到10 min時(shí)，色度值的絕對(duì)值最大且穩(wěn)定。因此，后續(xù)研究選擇反應(yīng)時(shí)間為10 min。

圖6 色度值和氫氰酸質(zhì)量濃度間的標(biāo)準(zhǔn)曲線

2.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線

在最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件下，配制了16組不同質(zhì)量濃度(0.04、0.09、0.13、0.18、0.22、0.31、0.35、0.44、0.66、1.10、1.54、2.20、2.64、3.08、3.52、3.96 mg/L)的氫氰酸溶液，考察其相應(yīng)的R、G和B值，并制作標(biāo)準(zhǔn)曲線。結(jié)果顯示，在0.04～3.96 mg/L質(zhì)量濃度范圍內(nèi)，氫氰酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的R、G和B值與其質(zhì)量濃度呈良好線性(如圖6)。表明R、G和B值均可用于測(cè)定水中的氫氰酸質(zhì)量濃度，但以R值的效果較好，而G值和B值的標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率較小，且擬合程度較差，其檢測(cè)效果欠佳。因此，后續(xù)實(shí)驗(yàn)采用R值的標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行氫氰酸質(zhì)量濃度的檢測(cè)。

2.3 重復(fù)性與檢出限

為了考察本方法的重復(fù)性，配制質(zhì)量濃度分別為0.65、3.03 mg/L的氫氰酸溶液，在最佳條件下對(duì)每個(gè)質(zhì)量濃度的氫氰酸溶液進(jìn)行10次平行實(shí)驗(yàn)，測(cè)得相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)分別為1.0%和0.51%，均小于2.0%。因此，RGB色度法檢測(cè)氫氰酸的方法是可行的。

每一個(gè)RGB因子作為一個(gè)因素均存在一個(gè)檢出限。通過(guò)測(cè)量空白的色度值(n=20)計(jì)算空白的標(biāo)準(zhǔn)偏差，其中R為0.002 81。因此，根據(jù)IUPAC的定義，該方法對(duì)R值的理論檢出限為0.038 mg/L，而在實(shí)驗(yàn)中的實(shí)際檢出限為0.04 mg/L。

2.4 干擾研究

2.5 樣品分析

為了進(jìn)一步評(píng)估該方法的有效性，對(duì)摻入氫氰酸的自來(lái)水樣品進(jìn)行分析。向100 mL自來(lái)水樣品中分別加入不同量的氫氰酸，配成質(zhì)量濃度分別為0.09、1.15、3.41 mg/L的氫氰酸水溶液。使用R色度值的標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算得到水中氫氰酸的回收率為98.3%～111%。結(jié)果表明該方法可用于水樣中氫氰酸的測(cè)定，且具有較好的準(zhǔn)確度。

3 結(jié) 論

本文建立了基于RGB色度法對(duì)水中氫氰酸進(jìn)行快速檢測(cè)的方法。研究了顯色劑種類、水合茚三酮濃度、pH值、反應(yīng)時(shí)間及反應(yīng)溫度等因素對(duì)色度值的影響。結(jié)果表明，該方法具有較高的選擇性、靈敏度和較好的重復(fù)性。該方法已成功應(yīng)用于人工水樣中氫氰酸的測(cè)定，并可潛在用于分析環(huán)境中其他的有毒有害物質(zhì)(如其他毒劑等)。