數(shù)字圖像比色法測(cè)定水樣中的六價(jià)鉻

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

六價(jià)鉻是一種易被人體吸收且具有強(qiáng)毒性的致癌物質(zhì)，其毒性是三價(jià)鉻的100倍[1]。六價(jià)鉻主要來(lái)源于含鉻礦石的加工、皮革鞣制、金屬表面處理、印染等行業(yè)[2]。工業(yè)生產(chǎn)廢水中的六價(jià)鉻處理不徹底將會(huì)引起嚴(yán)重的水體污染，因此對(duì)水體中的六價(jià)鉻含量的檢測(cè)具有重要的意義。

目前，六價(jià)鉻的測(cè)定方法主要有硫酸亞鐵銨滴定法[3]、分光光度法[4-5]、原子吸收光譜法[6-7]、離子色譜法[8]、液相色譜法[9]、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法[10]、電感耦合等離子體質(zhì)譜法[11]。其中，以二苯基碳酰二肼(DPCI)作為顯色劑的分光光度法具操作簡(jiǎn)單、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)用于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法中，如GB 7467－1987，但此方法只能在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，不能滿足現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)的要求。

數(shù)字圖像比色法是一種新型的比色方法，具有操作簡(jiǎn)單、成本低、耗時(shí)少等優(yōu)點(diǎn)，此方法先通過(guò)數(shù)碼設(shè)備(數(shù)碼相機(jī)、智能手機(jī)、掃描儀)對(duì)檢測(cè)區(qū)進(jìn)行圖像采集，然后通過(guò)RGB(紅、綠、藍(lán))、CMYK(青、洋紅、黃、黑)、HSB(色調(diào)、飽和度、亮度)等顏色模型將待測(cè)物的圖像轉(zhuǎn)化為顏色值，從而實(shí)現(xiàn)待測(cè)物的定量檢測(cè)[12-13]，已被廣泛用于環(huán)境監(jiān)測(cè)[14-15]、食品安全監(jiān)測(cè)[16]和生物醫(yī)療[17-19]等領(lǐng)域，在現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)領(lǐng)域具有巨大的潛能。

由于地下水和地表水中六價(jià)鉻含量比較低，需要先對(duì)水樣中的六價(jià)鉻或及其衍生物進(jìn)行富集后再進(jìn)行測(cè)定[20-22]。本工作利用DPCI和六價(jià)鉻在酸性條件下反應(yīng)生成紫紅色的絡(luò)合物，在十二烷基硫酸鈉、正丁醇、三氯甲烷形成的微乳液中，這種絡(luò)合物可以被萃取到三氯甲烷中[23]，靜置分層后，采用數(shù)字圖像比色法對(duì)三氯甲烷層中的六價(jià)鉻進(jìn)行比色測(cè)定。

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

X180LED 型攝影燈(尺寸為14.5 cm×7.5 cm，功率為12 W，色溫為5 600 K)；華為M5手機(jī)；自制測(cè)試木盒(內(nèi)部尺寸為24 cm×19 cm×12 cm)；微距鏡頭；Color Grab軟件。

六價(jià)鉻標(biāo)準(zhǔn)中間溶液:1.0 mg·L－1，由500 mg·L－1六價(jià)鉻標(biāo)準(zhǔn)溶液逐級(jí)稀釋制得。

六價(jià)鉻標(biāo)準(zhǔn)溶液系列:移取0.50，1.00，2.00，4.00，6.00，8.00 mL六價(jià)鉻標(biāo)準(zhǔn)中間溶液，加水稀釋至50.0 mL，配制成0.010，0.020，0.040，0.080，0.120，0.160 mg·L－1標(biāo)準(zhǔn)溶液系列。

顯色劑溶液:2.0 g·L－1，稱取0.2 g DPCI(分析純)，用50 mL丙酮溶解，轉(zhuǎn)移至100 mL 棕色瓶中，用水稀釋至刻度，冷藏保存。

十二烷基硫酸鈉(SDS)溶液:5.0 g·L－1，稱取0.5 g 十二烷基硫酸鈉，用水溶解并定容至100.0 mL。

正丁醇、三氯甲烷、磷酸、硫酸、十二烷基硫酸鈉均為分析純；試驗(yàn)用水為超純水。

1.2 儀器工作條件

數(shù)字圖像比色裝置基體為木盒，木盒內(nèi)部全部由白色A4紙鋪蓋，以避免光線反射的干擾；樣品比色皿為1 cm 玻璃比色皿；比色光源為X180LED 型攝影燈提供的面光源，位于暗箱頂部；智能手機(jī)被固定在木盒外部，通過(guò)小孔對(duì)暗箱中的顯色溶液進(jìn)行拍照，手機(jī)攝像頭前安裝了微距鏡頭，手機(jī)攝像頭到比色皿的距離為4 cm；采用Color Grab軟件獲取R、G、B值中G值；在試驗(yàn)拍攝過(guò)程中，要對(duì)樣品比色皿所在位置和拍攝背景進(jìn)行設(shè)置以獲取穩(wěn)定的顏色值。

1.3 試驗(yàn)方法

取水樣50 mL 于125 mL 分液漏斗中，加入50%(體積分?jǐn)?shù)，下同)硫酸溶液0.5 mL、50%(體積分?jǐn)?shù)，下同)磷酸溶液0.5 mL、顯色劑溶液2.0 mL，搖勻，靜置5 min 后，加入十二烷基硫酸鈉溶液2 mL和正丁醇2 mL，搖勻后加入三氯甲烷5 mL，劇烈振搖2 min，靜置分層。將底層的三氯甲烷相轉(zhuǎn)移到樣品比色皿中，按照儀器工作條件進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 三氯甲烷加入量的選擇

六價(jià)鉻與DPCI生成的紫紅色絡(luò)合物幾乎不溶于常用的有機(jī)溶劑，但是在十二烷基硫酸鈉、正丁醇、三氯甲烷形成微乳液中，這種紫色的絡(luò)合物可以通過(guò)微乳液界面從水相進(jìn)入到微乳液相(三氯甲烷相，油相)中，從而完成萃取過(guò)程[24]。在萃取過(guò)程中，三氯甲烷的加入量越小，富集倍數(shù)越高，能夠檢測(cè)到的水樣中的六價(jià)鉻的含量就越低。當(dāng)三氯甲烷的加入量為5 mL 時(shí)，底層的三氯甲烷相剛好能夠用于裝滿比色皿且其顏色已接近飽和，因此試驗(yàn)選擇三氯甲烷的加入量為5 mL。

2.2 分析信號(hào)的選擇

本工作采用RGB三原色模型來(lái)對(duì)六價(jià)鉻的含量進(jìn)行定量測(cè)定。由于六價(jià)鉻的顯色絡(luò)合物為紫紅色，其互補(bǔ)色為綠色，六價(jià)鉻的質(zhì)量濃度變化時(shí)，Color Grab軟件獲取的R、G、B值中G值變化最大，因此試驗(yàn)選用G值作為分析信號(hào)。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線和檢出限

按照試驗(yàn)方法對(duì)六價(jià)鉻標(biāo)準(zhǔn)溶液系列進(jìn)行測(cè)定，以六價(jià)鉻的質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，對(duì)應(yīng)的Color Grab軟件獲取的G值為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，線性范圍為0.010～0.160 mg·L－1，線性回歸方程為y＝－1207x＋241.1，相關(guān)系數(shù)為0.996 9。

按照試驗(yàn)方法測(cè)定空白溶液11次，以3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差(s)和標(biāo)準(zhǔn)曲線斜率(k)的比值計(jì)算檢出限(3s/k)，得到的檢出限為0.008 mg·L－1。

2.4 干擾試驗(yàn)

水樣中六價(jià)鉻測(cè)定過(guò)程中的主要干擾物質(zhì)為三價(jià)鐵，當(dāng)三價(jià)鐵含量達(dá)到0.3 mg·L－1時(shí)，會(huì)對(duì)六價(jià)鉻的測(cè)定造成干擾，此時(shí)需按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法GB 7467－1987對(duì)水樣進(jìn)行預(yù)處理。

水樣的色度和渾濁度也會(huì)干擾六價(jià)鉻的比色測(cè)定。低色度、不含懸浮物的地表水不需要處理可直接進(jìn)行測(cè)試；渾濁、色度較深的水樣需采用鋅鹽沉淀分離法處理后才可以進(jìn)行測(cè)試；色度不太深的水樣的G值需進(jìn)行校正，具體方法為:用2.0 mL丙酮代替顯色劑溶液，按照試驗(yàn)方法對(duì)水樣進(jìn)行測(cè)試，得到校正溶液的G值，同時(shí)測(cè)試樣品溶液和空白溶液的G值，校正后G值＝空白溶液G值－(校正溶液G值－樣品溶液G值)。

2.5 方法比對(duì)

按照試驗(yàn)方法對(duì)采集的地下水和地表水樣品進(jìn)行測(cè)定，未檢出六價(jià)鉻。配制低、高等2個(gè)濃度水平的水樣，分別采用本方法和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法GB 7467－1987進(jìn)行測(cè)定，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法的測(cè)定值分別為0.022，0.099 mg·L－1；本方法的測(cè)定值分別為0.019，0.094 mg·L－1，所得結(jié)果相吻合。

2.6 精密度和回收率試驗(yàn)

對(duì)上述配制的2個(gè)水樣進(jìn)行加標(biāo)回收試驗(yàn)，平行測(cè)定10次，計(jì)算回收率和測(cè)定值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)，結(jié)果見(jiàn)表1。

本工作采用自制的數(shù)字圖像比色裝置測(cè)定了水樣中的六價(jià)鉻，該裝置制作成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、攜帶方便，該方法簡(jiǎn)單、檢出限低、能夠快速實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)水體中低含量六價(jià)鉻的測(cè)定。

表1 精密度和回收率試驗(yàn)結(jié)果(n＝10)Tab.1 Results of tests for precision and recovery(n＝10)