利用智能手機(jī)快速測(cè)定水環(huán)境中的六價(jià)鉻含量

金 超 羅克菊 楊顯雙

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

前言

在水體中鉻主要有三價(jià)和六價(jià)兩種狀態(tài)，鉻的毒性與其價(jià)態(tài)有關(guān)，一般認(rèn)為六價(jià)鉻的毒性約是三價(jià)鉻100倍[1]。六價(jià)鉻具有毒性大、流動(dòng)性強(qiáng)、來(lái)源廣等特點(diǎn)，在水和土壤環(huán)境中不會(huì)自然分解，易在人體和動(dòng)植物體內(nèi)富集，是具有致癌作用的物質(zhì)。目前，測(cè)定六價(jià)鉻離子的方法主要包括硫酸亞鐵銨滴定法[2]、分光光度法[3-4]、催化動(dòng)力學(xué)光度法[5]、熒光光度法[6]、原子吸收光譜法[7]、離子色譜法[8]、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜(ICP-AES)[9-10]等。其中國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法GB/T 7467—1987中的二苯碳酰二肼分光光度法由于其適用范圍廣、操作簡(jiǎn)單而被廣泛使用。但是即使是二苯碳酰二肼分光光度法，也需要昂貴的儀器以及專(zhuān)業(yè)性操作，同時(shí)從采樣、運(yùn)輸、實(shí)驗(yàn)室分析得到最終的測(cè)定結(jié)果比較耗時(shí)，因此在現(xiàn)場(chǎng)以及缺乏專(zhuān)業(yè)設(shè)備的地區(qū)很難開(kāi)展快速檢測(cè)。

隨著智能手機(jī)及手機(jī)應(yīng)用的快速發(fā)展，其具有強(qiáng)大的圖像采集和分析處理功能，大大提高了圖像比色檢測(cè)系統(tǒng)的操作性和便攜性[11]。數(shù)字成像比色法(Digital Image Colorimetry，簡(jiǎn)稱(chēng)DIC)是一種簡(jiǎn)便的比色方法，它是使用數(shù)碼設(shè)備(手機(jī)、掃描儀、數(shù)碼相機(jī)等)對(duì)顯色溶液進(jìn)行圖像采集，然后通過(guò)合適的顏色模型將待測(cè)物圖像轉(zhuǎn)化為顏色值，從而對(duì)待測(cè)物質(zhì)進(jìn)行定量檢測(cè)[12-13]。本文采用數(shù)字成像比色法通過(guò)手機(jī)應(yīng)用軟件PhotoMetrix對(duì)六價(jià)鉻和二苯碳酰二肼反應(yīng)形成的紫紅色溶液同時(shí)進(jìn)行照明、圖像采集和數(shù)據(jù)處理來(lái)快速定量六價(jià)鉻。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器和試劑

iPhone7手機(jī)，測(cè)試小木箱(內(nèi)部尺寸：10 cm×10 cm×8 cm，內(nèi)鋪有A4白紙，手機(jī)攝像頭與比色皿的位置距離為5 cm，光源為手機(jī)背面閃光燈)，TU-1901紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(北京普析通用儀器有限責(zé)任公司)，PhotoMetrix軟件(可以在手機(jī)軟件商店中免費(fèi)下載)。

5.0 mg/L的六價(jià)鉻標(biāo)準(zhǔn)中間溶液：對(duì)500 mg/L六價(jià)鉻標(biāo)準(zhǔn)溶液(水利部水環(huán)境檢測(cè)評(píng)價(jià)研究中心)稀釋100倍所得。

磷酸溶液：將濃磷酸(分析純)與水按體積比1∶1 混合均勻。

硫酸溶液：將濃硫酸(分析純)與水按體積比1∶1 混合均勻。

2.0 g/L的顯色劑溶液：稱(chēng)取0.2 g二苯碳酰二肼(DPCI，分析純)溶于50 mL丙酮中，加水定容至100 mL容量瓶中，用棕色瓶冷藏保存。

實(shí)驗(yàn)用水為超純水。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

取50 mL六價(jià)鉻標(biāo)準(zhǔn)溶液或?qū)嶋H樣品于比色管中，再依次加入0.5 mL硫酸溶液和0.5 mL磷酸溶液，搖勻。接著加入2.0 mL顯色劑溶液，搖勻，5～10 min后，將顯色溶液倒入1 cm比色皿中，并將其置于數(shù)字成像比色采集裝置或分光光度計(jì)中進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 數(shù)字成像比色裝置

數(shù)字成像比色裝置如圖1所示，智能手機(jī)固定于測(cè)試木箱外部，PhotoMetrix軟件主要功能是利用手機(jī)攝像頭實(shí)時(shí)獲取顯色溶液顏色值(RGB值)，并進(jìn)行濃度計(jì)算和顯示。該軟件有單組分分析和多組分分析兩個(gè)模塊，本實(shí)驗(yàn)使用單組分分析模塊。進(jìn)入單組分分析模塊，點(diǎn)擊“Calibration”按鈕進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制，實(shí)際樣品測(cè)試點(diǎn)擊“Sample”按鈕，進(jìn)行實(shí)時(shí)讀取顏色值，軟件可以快速讀出樣品濃度大小。操作過(guò)程如圖2所示。

圖1 數(shù)字成像比色采集裝置示意圖Figure 1 Schematic diagram of acquisition device using digital image colorimetry.

圖2 PhotoMetrix軟件操作界面Figure 2 Operation interface of PhotoMetrix App.

2.2 光源和分析信號(hào)

圖像采集過(guò)程中需要使用光源進(jìn)行照明，這是由于顏色對(duì)光的依賴性，大多數(shù)用于比色測(cè)定的系統(tǒng)通常會(huì)在恒定照明條件下重現(xiàn)拍攝環(huán)境，以獲取穩(wěn)定顏色值信息并將其與分析物濃度相關(guān)聯(lián)。光源一般為外部光源，比如熒光燈和LED燈，其中LED燈應(yīng)用最為廣泛。這是由于LED燈是低成本的小型組件，可提供廣泛的可見(jiàn)光波長(zhǎng)，是一種穩(wěn)定且低功耗的光源。而智能手機(jī)的LED相機(jī)閃光燈作為圖像采集的內(nèi)部光源可以代替外部光源消除圖像采集過(guò)程中的許多可變性，并能提供可重現(xiàn)和均勻的照明，增加了圖像采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性和便攜性。

圖像的顏色模型可分為RGB、HSV、LAB、CMYK、灰度等。其中RGB顏色模型應(yīng)用最廣泛，R(紅)、G(綠)、B(藍(lán))值從白色(0，0，0)可最終變?yōu)楹谏?255，255，255)，每個(gè)RGB取值可以有256種，最終的顏色是由RGB得到的數(shù)據(jù)加和所組成的。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(shí)變化。如圖2(d)所示，PhotoMetrix軟件繪制的標(biāo)準(zhǔn)曲線中G通道(軟件選取255-G作為響應(yīng)信號(hào)值)的線性相關(guān)系數(shù)最高，其線性相關(guān)性最好，因此選取G通道信號(hào)值為分析信號(hào)值(255-G)。

2.3 影響因素的考察

選取華為M5、iPhone7和魅族NOTE6等不同品牌的智能手機(jī)進(jìn)行測(cè)試，由于其內(nèi)置鏡頭模塊和閃光燈不同，導(dǎo)致成像亮度、像素和色彩都存在差異，最終導(dǎo)致分析信號(hào)值(255-G)有明顯區(qū)別。因此，為了保證測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確，選取同一部手機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

比色皿到手機(jī)攝像頭的拍攝距離會(huì)影響成像，考察了拍攝距離在0～10 cm時(shí)對(duì)成像效果的影響。拍攝距離在0～3 cm時(shí)，成像比較模糊；拍攝距離大于5 cm時(shí)，成像清晰，但是當(dāng)拍攝距離逐漸增大時(shí)，手機(jī)軟件PhotoMetrix的比色方框不足以覆蓋比色皿中的顯色溶液，因此拍攝距離選為5 cm。

為了獲取穩(wěn)定的分析信號(hào)值，木盒內(nèi)部全部鋪有A4白紙，以免拍攝時(shí)光線反射的干擾。

2.4 標(biāo)準(zhǔn)曲線和檢出限

用移液管分別吸取0.50、1.00、2.00、4.00、6.00、8.00 mL六價(jià)鉻標(biāo)準(zhǔn)中間溶液置于6個(gè)50 mL比色管中，用水稀釋定容，混勻，此標(biāo)準(zhǔn)系列溶液的濃度分別為0.05、0.10、0.20、0.40、0.60、0.80 mg/L。使用PhotoMetrix軟件繪制了六價(jià)鉻標(biāo)準(zhǔn)工作曲線如圖3所示，其標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為y= 127.939x+73.181，相關(guān)系數(shù)為0.994。同時(shí)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 7467—1987方法繪制了分光光度法標(biāo)準(zhǔn)曲線，其標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為y= 0.388 3x+ 0.001 5，相關(guān)系數(shù)為0.999 7。圖4中顯示，將標(biāo)準(zhǔn)系列溶液的數(shù)字成像比色法分析信號(hào)值和分光光度法吸光度值做線性擬合，線性擬合系數(shù)達(dá)到0.995，這證明了數(shù)字成像比色法的可靠性及準(zhǔn)確性。

圖3 PhotoMetrix軟件繪制的六價(jià)鉻工作曲線Figure 3 Standard working curve of hexavalent chromium drawn by PhotoMetrix App.

圖4 數(shù)字成像比色法和分光光度法的擬合曲線Figure 4 Fitting curves of digital imaging colorimetry and spectrophotometry.

根據(jù)《環(huán)境監(jiān)測(cè) 分析方法標(biāo)準(zhǔn)制修訂技術(shù)導(dǎo)則》(HJ 168—2020)要求，取50 mL超純水按照實(shí)驗(yàn)步驟測(cè)定分析信號(hào)值(255-G)，重復(fù)測(cè)定7次，計(jì)算空白值的標(biāo)準(zhǔn)偏差(S)。按公式MDL=t(n-1，0.99)×S計(jì)算方法檢出限，t(n-1，0.99)值取3.143，得到方法檢出限為0.01 mg/L。

2.5 干擾實(shí)驗(yàn)

測(cè)定過(guò)程中干擾物質(zhì)為金屬陽(yáng)離子，主要為三價(jià)鐵，三價(jià)鐵含量達(dá)到0.3 mg/L對(duì)六價(jià)鉻的測(cè)定有明顯干擾，可加入焦磷酸鈉來(lái)消除三價(jià)鐵的干擾。另外，對(duì)于不含懸浮物、低色度的水樣可直接進(jìn)行測(cè)定；而對(duì)于渾濁、色度較深的水樣可采用鋅鹽沉淀分離法處理后再進(jìn)行測(cè)定；對(duì)于色度不深的水樣需要進(jìn)行色度校正(另取1份平行水樣，用2.0 mL丙酮代替顯色劑溶液按照實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行校正溶液測(cè)定)。校正后分析信號(hào)值(255-G)計(jì)算為：校正后分析信號(hào)值(255-G)=樣品溶液分析信號(hào)值(255-G)-校正溶液分析信號(hào)值(255-G)。

2.6 方法精密度和加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)

對(duì)濃度為0.20 mg/L和0.60 mg/L的六價(jià)鉻標(biāo)準(zhǔn)樣品平行測(cè)定10次，測(cè)定平均值為0.211 mg/L和0.609 mg/L，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為5.5%和1.5%，說(shuō)明本方法的精密度良好。取不同六價(jià)鉻濃度的未知樣品，用數(shù)字成像比色法對(duì)水樣進(jìn)行5次平行測(cè)定，結(jié)果為5次濃度值的平均值，同時(shí)用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表1和表2。從表中可以看出，本方法測(cè)出的六價(jià)鉻含量與分光光度法檢測(cè)結(jié)果沒(méi)有顯著的差異，數(shù)字成像比色法對(duì)水樣測(cè)定的加標(biāo)回收率為94.0%～108%，說(shuō)明數(shù)字成像比色法對(duì)水中六價(jià)鉻測(cè)定的準(zhǔn)確度高，方法具有可行性。

表1 數(shù)字成像比色法檢測(cè)結(jié)果

表2 分光光度法檢測(cè)結(jié)果

3 結(jié)論

搭建了數(shù)字成像比色法的簡(jiǎn)易采集裝置，使用智能手機(jī)進(jìn)行比色照明、數(shù)據(jù)采集和處理，省略了使用外部照明光源和運(yùn)用電腦進(jìn)行圖片處理的繁冗步驟，實(shí)現(xiàn)了快速檢測(cè)未知水樣六價(jià)鉻濃度。本方法精密度和準(zhǔn)確度良好，檢測(cè)結(jié)果與分光光度法大致相同，說(shuō)明本方法具有可行性與準(zhǔn)確性。數(shù)字成像比色法與傳統(tǒng)分光光度法相比，操作簡(jiǎn)單、便于攜帶、成本低廉，在環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、農(nóng)業(yè)、食品等領(lǐng)域中有很廣泛的應(yīng)用前景。