空氣輔助分散液液微萃取–數(shù)字成像比色法檢測水體中陰離子表面活性劑

金超，羅克菊，楊顯雙

（重慶市北碚區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，重慶 400700）

陰離子表面活性劑（LAS）主要為烷基磺酸鹽、烷基硫酸鹽、長鏈烷基苯磺酸鹽，其使用量占表面活性劑消耗總產(chǎn)量的40%以上［1］。LAS 在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛，其排入水體后，容易聚集在水體和微粒表面形成泡沫或發(fā)生乳化，阻斷水體與空氣中氧氣的交換，導致水體中的溶解

氧含量逐漸降低進而最終導致水質(zhì)惡化，因此對水體中LAS 快速檢測方法的研究具有非常重要的現(xiàn)實意義。目前，檢測LAS 的方法主要包括分光光度 法［2–3］、熒光光度法［4–5］、共振光散射法［6–7］、高效液相色譜法［8］等。其中應(yīng)用比較普遍的為國標GB／T 7494–1987 中的亞甲藍萃取分光光度法，該方法線性范圍寬、靈敏度高，但操作繁瑣，需要多級萃取，并且消耗大量三氯甲烷，易對環(huán)境造成二次污染。

分散液液微萃取（DLLME）［9］是一種微型化的液液萃取技術(shù)，與傳統(tǒng)液液萃取相比，加入了分散劑，能夠使目標物快速從樣品溶液轉(zhuǎn)移到萃取相中。分散液液微萃取具有富集倍數(shù)高、分析成本低、操作簡便等優(yōu)點，最大的亮點就是使用微量萃取劑，是一種先進的樣品前處理方法。但是在分散液液萃取中，使用的甲醇、丙酮、乙腈等有機分散劑（mL 級）通常占整個萃取混合物的97%～99%，因此增加了目標分析物在樣品溶液中的溶解度，導致萃取效率降低［10］。而空氣輔助分散液液微萃取（Air-assisted liquid-liquid microextraction，AALLME）［11］能夠避免分散劑的使用，維持較高的萃取效率。AALLME操作簡便、萃取時間短，對實驗人員技術(shù)要求低，重復性好［12］，在農(nóng)藥殘留［13–14］和環(huán)境監(jiān)測［15–16］等領(lǐng)域已得到應(yīng)用。數(shù)字成像比色法（Digital Image Colorimetry，DIC）作為新的比色方法，具有成本低、操作簡單、耗時少的優(yōu)點，它運用智能手機強大的圖像采集和處理功能［17］，能夠快速實時地對樣品進行定量檢測，廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測［18–19］、食品安全監(jiān)測［20］和生物醫(yī)療［21–24］等領(lǐng)域。基于手機的數(shù)字成像比色法可以替代分光光度計，有效減小了檢測設(shè)備的體積，能夠用于現(xiàn)場檢測從而縮短了檢測時間，降低了實驗成本，在快速檢測領(lǐng)域具有巨大的潛能?；诖耍P者提出了空氣輔助分散液液微萃取–數(shù)字成像比色法對地表水和生活污水中LAS 的檢測。該方法靈敏度高，操作簡便，具有很好的應(yīng)用前景。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

LED 面光源：X180LED 攝影燈（14.5 cm×7.5 cm），12 W，色溫為5 600 K，深圳市迪比科電子科技有限公司；

智能手機：M5 型，華為技術(shù)有限公司；

自制測試木盒：內(nèi)部尺寸為24 cm×19 cm×12 cm；

微距鏡頭：WJ-15X 型，15 倍鏡頭，深圳市凱達美科技有限公司；

低速臺式離心機：TDL–50B 型，上海安亭科學儀器廠；

旋渦混合器：WH–2 型，金壇市曉陽儀器廠；

紫外可見分光光度計：TU–1901 型，北京普析通用儀器有限責任公司；

拾色軟件：Color Grab，安卓軟件商店；

十二烷基苯磺酸鈉標準溶液：編號為GBW(E) 081639，1 000 μg／mL，中國計量科學研究院；

亞甲藍：指示劑級，上海三愛思試劑有限公司；

二水磷酸二氫鈉、濃硫酸、三氯甲烷：分析純，重慶川東化工（集團）有限公司；

實驗用水均為超純水。

1.2 實驗原理

在酸性條件下，LAS 與顯色劑亞甲藍溶液反應(yīng)生成藍色化合物，再經(jīng)過空氣輔助分散液液微萃取，把藍色化合物富集萃取到三氯甲烷層中，最后使用手機拾色軟件Color Grab 采集三氯甲烷層顏色值（R、G、B），該顏色值與LAS 濃度呈線性關(guān)系，據(jù)此對LAS 進行定量測量。

圖1 空氣輔助分散液液微萃取–數(shù)字成像比色法檢測LAS 的實驗原理圖

1.3 溶液配制

亞甲藍溶液：稱取0.05 g 亞甲藍和2.83 g 二水磷酸二氫鈉溶于50 mL 水中，再緩慢加入0.68 mL濃硫酸，攪拌均勻，最后加水定容至100 mL 容量瓶中。將此溶液貯存于棕色瓶中，4℃下保存。

LAS 標準工作溶液：對十二烷基苯磺酸鈉標準溶液進行逐級稀釋，最終配成質(zhì)量濃度分別為0.1，0.2，0.4，0.6，0.8 mg／L 的LAS 系列標準工作溶液。

1.4 實驗方法

向1.5 mL 透明離心管中加入1.0 mL 樣品溶液和50 μL 的亞甲藍溶液，渦旋混勻。再使用移液槍將100 μL 三氯甲烷快速注入離心管中。然后用2.0 mL 玻璃注射器將樣品和萃取劑混合液快速吸入針筒中，又快速注入離心管中，如此重復10 次，形成均勻的乳濁液。乳濁液再以3 000 r／min離心5 min后，將離心管放入比色裝置中通過Color Grab 手機軟件對下層的萃取相讀取R，G，B 顏色值。

2 結(jié)果與討論

2.1 比色裝置

數(shù)字圖像比色裝置為一個木盒，光源至于暗箱頂部，智能手機固定于木盒外部，攝像頭通過木盒小孔對暗箱中的溶液進行拍照。在實驗拍攝中為了獲得穩(wěn)定的R，G，B 值，需要對光源、樣品所在位置以及拍攝背景進行統(tǒng)一設(shè)置。比色裝置使用的是LED 面光源，LED 面光源能夠保證整個比色裝置中都可以獲得穩(wěn)定的光照亮度。為了獲得樣品溶液的真實比色圖像，需要保證LED 光源為冷光源（色溫大于5 000 K），本實驗選擇LED 的色溫為5 600 K。選擇冷色溫LED 光源同時也保證了光源設(shè)備產(chǎn)生熱量小，有助于保持恒定的環(huán)境溫度，進而提高檢測穩(wěn)定性。LED 面光源位于離心管后方，這是因為當面光源位于離心管正上方，拍攝圖像會有少量的黑色陰影。手機攝像頭的焦距為8 cm 左右，低于8 cm的拍攝距離，成像不清晰，并且手機軟件中比色圓圈不足以覆蓋三氯甲烷層顯色區(qū)域。為了能夠減小手機攝像頭的焦距，在手機攝像頭前安裝了微距鏡頭，使手機攝像頭到離心管的距離為3 cm，可以獲得清晰的顏色圖像。另外，木盒內(nèi)部全部由白色A4 紙鋪蓋，這樣能夠獲得清晰明亮的照片。

2.2 定量參數(shù)的確定

數(shù)字成像比色法是先利用手機獲取顯色溶液的圖像，再對圖像的顏色信息進行處理，最終得到用于濃度定量的參數(shù)。圖像的顏色模型可分為RGB（紅、綠、藍）、HSV、LAB、CMYK、灰度等，其中R，G，B 顏色模型應(yīng)用最廣泛。顯色溶液的深淺變化，能夠引起R，G，B 某一通道或者三通道的顏色值同時變化，為了保持顯色溶液的顏色值和分析物濃度有良好的線性關(guān)系，需要對R，G，B 三通道的顏色值進行數(shù)學處理來獲取分析信號值。建立不同數(shù)學處理模型分析信號值（y）和LAS 濃度（x）的標準曲線，線性回歸方程和線性相關(guān)系數(shù)見表1。

表1 不同分析信號模型的線性回歸方程和相關(guān)系數(shù)

從表1 中可以看出，在對R，G，B 值進行不同的數(shù)學處理模型中，（IRblank–IR）／255 模型的線性相關(guān)系數(shù)最高，這說明顯色溶液的顏色深淺主要由R值的大小決定，因此選（IRblank–IR）／255 作為最佳分析定量參數(shù)。

2.3 萃取劑種類和體積

在空氣輔助分散液液微萃取–數(shù)字成像比色法中，萃取劑需要具有密度比水大、水溶性低等特點，因此本實驗考察了二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳、四氯乙烯等4 種常用有機溶劑作為萃取劑的可行性。其中四氯化碳和四氯乙烯都未能從樣品溶液中萃取出亞甲藍和LAS 反應(yīng)形成的藍色締合物；二氯甲烷能夠萃取該離子締合物，但是由于二氯甲烷本身沸點較低，空氣輔助分散液液微萃取和離心過程完成后，離心管底部的二氯甲烷萃取相會有損失；三氯甲烷在萃取過程中損失較少。因此選用三氯甲烷作為最終的萃取劑。

按照1.4 步驟對濃度為0.6 mg／L 的LAS 溶液進行了萃取分析，考察了體積為50，100，150，200，250 μL 三氯甲烷萃取劑對分析信號值的影響，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 空氣輔助分散液液微萃取中萃取劑對分析信號值得影響

由圖2 可知，分析信號的響應(yīng)值隨著萃取劑體積的增大而減小，這是由于隨著萃取劑體積的增加導致離子締合物在萃取劑中稀釋造成的。當萃取劑體積低于50 μL 時，IR為0，此時（IRblank–IR）／255為最大值，萃取相顏色已達到飽和。因此為了獲得較大的分析信號值并且保證萃取相有足夠的體積進行比色，選取萃取體積為100 μL，此時樣品富集倍數(shù)為10。

2.4 萃取閃數(shù)

萃取次數(shù)是使用玻璃注射器將萃取劑和樣品混合物吸入針筒后再快速注入離心管的次數(shù)。實驗按照1.4 步驟選用濃度為0.6 mg／L 的LAS 溶液進行了萃取分析，考察了萃取次數(shù)為5，10，15，20，25次時對分析信號值的影響，結(jié)果如圖3 所示。由圖3 可知，萃取次數(shù)對分析信號值影響不大，萃取次數(shù)為5 次時，分析信號值已經(jīng)基本穩(wěn)定，表明此時已經(jīng)達到萃取平衡。為了保證混合液能夠充分接觸，同時為了避免萃取次數(shù)過多導致萃取劑揮發(fā)，選擇萃取次數(shù)為10 次，萃取時間僅為30 s。而亞甲藍分光光度法采用的分級萃取時間消耗約為10 min。

圖3 空氣輔助分散液液微萃取中萃取次數(shù)對分析信號值的影響

2.5 線性范圍和檢出限

按1.4 實驗方法測定質(zhì)量濃度分別為0.1，0.2，0.4，0.6，0.8 mg／L 的LAS 系列標準工作溶液，以顏色模型分析信號值y=（IRblank–IR）／255 為縱坐標，LAS 的質(zhì)量濃度x 為橫坐標進行線性回歸，計算得線性回歸方程為y=0.882 2 x– 0.055 5，線性相關(guān)系數(shù)為0.998 4，分析信號值和LAS質(zhì)量濃度在0.10～0.80 mg／L 范圍內(nèi)有良好的線性關(guān)系。對空白溶液進行11 次重復比色測試，計算得到空白溶液信號值的標準差（δ），按照公式LOD=3δ／b（b 為標準曲線斜率）計算得方法檢出限為0.01 mg／L，低于國標分光光度法0.05 mg／L 的檢出限。原因可能是本方法的空氣輔助分散液液微萃取富集倍數(shù)要高于分光光度法中液液萃?。ǜ患稊?shù)為4）。

2.6 精密度試驗

采用優(yōu)化后的測定條件，對濃度為0.2 mg／L和0.6 mg／L LAS 標準溶液平行測定10 次，考察該方法的重現(xiàn)性，結(jié)果見表2。

表2 精密度試驗結(jié)果

由表2 可知，10 次測定結(jié)果的相對標準偏差（RSD）分別為3.3%和1.0%，說明該方法具有良好的精密度。

2.7 加標回收試驗

分別取嘉陵江水和生活污水進行樣品檢測。樣品經(jīng)過過濾后，按照1.4 進行檢測并進行加標回收試驗，結(jié)果見表3。由表3 可知，實際樣品加標回收率為95.7%～99.5%，表明該方法有較高的準確度。

表3 加標回收試驗結(jié)果

3 結(jié)語

建立了一種空氣輔助分散液液微萃取–數(shù)字成像比色法快速檢測水環(huán)境中LAS 的方法。該方法僅需要100 μL 三氯甲烷萃取劑，比國標方法 GB／T 7494–1987 用量減少許多，大大降低了對環(huán)境和人體的危害；同時采用空氣輔助分散液液微萃取進行萃取，富集倍數(shù)高，提高了方法靈敏度。另外，萃取分層后的三氯甲烷是在簡單的比色裝置中進行比色定量檢測，檢測成本低、速度快，測定結(jié)果和分光光度法基本一致。該方法能夠滿足日常水環(huán)境中低濃度LAS 的檢測。