RGB色彩模式識別多組分蘇丹紅含量

周 佳,畢秀成，郭英

(漢江師范學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 十堰， 442000)

蘇丹紅是一類萘酚偶氮染料，包括蘇丹紅Ⅰ、蘇丹紅Ⅱ、蘇丹紅Ⅲ和蘇丹紅Ⅳ，具有顏色鮮艷、著色性強(qiáng)、價(jià)格便宜等特點(diǎn)[1]。由于蘇丹紅屬于工業(yè)染色劑，人體攝入后會引起某些病變，因此該類物質(zhì)嚴(yán)禁用于食品生產(chǎn)加工，食品檢測機(jī)構(gòu)在檢測食品時(shí)，往往不會對其進(jìn)行測定，因而添加了蘇丹紅的食物就不易被發(fā)現(xiàn)[2-3]。不法商家為了保證顏色穩(wěn)定和延長保質(zhì)期，往往添加多種染色劑，給檢測帶來較大困擾。

多組分蘇丹紅檢測方法主要包括高效毛細(xì)管電泳法[4]、高效液相色譜法[5-6]、同步熒光檢測法[7-8]等。上述方法普遍存在儀器成本高、操作步驟復(fù)雜、常規(guī)檢測適用性不強(qiáng)等不足。

運(yùn)用分光光度法測定多組分樣品的含量，如果各種吸光物質(zhì)的吸收曲線相互重疊，根據(jù)吸光度加和性特征，在某一波長下總吸光度等于各組分吸光度的和，一定條件下樣品可不經(jīng)過分離即可對混合物進(jìn)行多組分含量分析[9]。圖片比色法測定單一溶液的濃度時(shí)發(fā)現(xiàn)，吸光度與顏色量值存在一定的線性關(guān)系，可構(gòu)建吸光度、顏色量值和濃度之間的函數(shù)關(guān)系。本文以蘇丹紅Ⅱ和蘇丹紅Ⅲ混合溶液為測試對象，建立了吸光度與顏色量值的數(shù)學(xué)模型。不同波長的情況下，測得混合溶液的吸光度，經(jīng)模擬運(yùn)算，獲得混合溶液三原色值，根據(jù)各組分濃度與顏色量值的關(guān)系推算出各組分的濃度。該方法在多組分混合物濃度測定中具有一定的適用性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

蘇丹紅Ⅱ號和蘇丹紅Ⅲ號(分析純，天津致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司)；正己烷(分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)；實(shí)驗(yàn)用水為超純水。722SP型分光光度計(jì)(上海棱光技術(shù)有限公司)；EX124A型電子分析天平(廈門萊斯德科學(xué)儀器有限公司)；自制拍攝箱體(長38 cm、寬25 cm、高15 cm)，上部開圓孔放置光源，側(cè)壁開矩形孔放置拍攝手機(jī)；iPhone 5S(蘋果公司)、VIVO Y71(維沃移動通信有限公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

同一溶液，不同濃度，最大吸收波長一樣，吸收曲線的形狀相似，吸光度A與濃度C成正比。對于多組分有色溶液，如果各組分之間無相互作用，組分與組分的吸光度可以進(jìn)行加和計(jì)算，以式(1)表示：

(1)

圖片比色法是近年來興起的一種新型分析測試方法。在運(yùn)用手機(jī)比色法測定蘇丹紅Ⅱ濃度時(shí)，發(fā)現(xiàn)不同濃度的溶液，吸光度與顏色量值存在線性關(guān)系。對于多組分蘇丹紅溶液，根據(jù)吸光度加和性特點(diǎn)，構(gòu)建混合溶液吸光度與顏色量值之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式，用式(2)表示：

(2)

(3)

(4)

1.3 溶液的配制

稱取3 mg蘇丹紅Ⅱ和3 mg蘇丹紅Ⅲ，用正己烷分別定容至100 mL，在4 ℃環(huán)境下保存。取4支25 mL比色管，分別加入1 mL、2 mL、3 mL、4 mL蘇丹紅Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)液，再取4支25 mL比色管，分別加入1 mL、2 mL、3 mL、4 mL蘇丹紅Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)液，用正己烷稀釋至刻度。

2 結(jié)果與討論

2.1 最大吸收波長的確定

向兩只1 cm比色皿中分別添加蘇丹紅Ⅱ和蘇丹紅Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)液，以正己烷為參比液，在400～600 nm范圍內(nèi)，每隔5 nm測定一次吸光度，最大吸收峰附近間隔2 nm測定一次。兩組溶液的吸收曲線見圖1，由圖可知蘇丹紅Ⅱ的最大吸收波長為474 nm，蘇丹紅Ⅲ的最大吸收波長為504 nm。

圖1 蘇丹紅Ⅱ和蘇丹紅Ⅲ吸收曲線

2.2 吸光度與顏色間接值關(guān)系的構(gòu)建

由于拍攝過程中樣品的圖像采集容易受外界環(huán)境的影響，用獲得的RGB值直接進(jìn)行計(jì)算，會引起較大誤差[10]，因此引入誤差傳遞原理[11]，將直接測定的R、G、B值轉(zhuǎn)化間接測定值XR、XG、XB，可以降低誤差帶來的影響，XR可用關(guān)系式(5)表示，XG、XB同理可得，其中Gr為顏色灰度值。

(5)

取配制好的蘇丹紅Ⅱ和蘇丹紅Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)溶液各4組，依次加入8支比色皿，將比色皿放置在拍攝箱中距離拍攝手機(jī)正前方12 cm處，以VIVO手機(jī)的手電筒光為環(huán)境光源，iPhone 5S為取樣手機(jī)。拍攝完畢后，將比色皿轉(zhuǎn)入分光光度計(jì)，分別在474 nm和504 nm處測定對應(yīng)組分的吸光度，吸光度A與XR、XG、XB趨勢關(guān)系可用圖2表示。

圖2 吸光度與顏色測量值關(guān)系曲線

由圖2可知，不同波長處，除蘇丹紅Ⅱ(c圖)濃度與間接測量值XG線性擬合度較低，另外5組吸光度A與間接測量值XR、XG、XB的線性關(guān)系較好。以蘇丹紅Ⅱ和蘇丹紅Ⅲ濃度與XB的關(guān)系曲線作為測試組，將圖2e和圖2f中的線性方程帶入到式(3)和式(4)得到組合方程式(6)和式(7)，式(6)和式(7)分別是蘇丹紅Ⅱ和蘇丹紅Ⅲ混合溶液在波長474 nm和504 nm時(shí)吸光度與XB的組合方程。為了驗(yàn)證該方法的可靠性和穩(wěn)定性，用蘇丹紅Ⅱ和蘇丹紅Ⅲ濃度與XR的關(guān)系曲線作為對照組，得到式(8)和式(9)，比較兩者測得的結(jié)果。

(6)

(7)

(8)

(9)

以蘇丹紅Ⅱ和蘇丹紅Ⅲ系列標(biāo)準(zhǔn)溶液為對象，用手機(jī)比色法獲得間接測量值，建立蘇丹紅Ⅱ濃度C與XB、XR的線性方程，分別為C=-0.0617XB+0.9671(R2=0△.9991)和C=-0.0204XR+1.0308(R2=0.9955)；蘇丹紅Ⅲ濃度C與XB、XR的線性方程，分別為C=-0.0382XB+0.9688(R2=1)和C=-0.0487XR+1.0255(R2=0.9978)。

取2 mL蘇丹紅Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)溶液，加入到25 mL比色管中，添加2 mL蘇丹紅Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)溶液，定容后搖勻，由測得的混合溶液吸光度A(474 nm)和A(504 nm)計(jì)算出蘇丹紅Ⅱ和蘇丹紅Ⅲ的XB、XR，分別帶入兩者的標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度C與間接值XB、XR的關(guān)系式，將計(jì)算值與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，結(jié)果如圖3所示。

圖3可以看出，蘇丹紅混合溶液中，測定組的各組分濃度與對照組的各組分濃度基本一致，證實(shí)了構(gòu)建的混合溶液與顏色間接測量值XB、XR的關(guān)系在測定各組分濃度的合理性。計(jì)算濃度與標(biāo)準(zhǔn)濃度對比，發(fā)現(xiàn)測定的蘇丹紅Ⅱ濃度準(zhǔn)確度較高，蘇丹紅Ⅲ濃度偏高，說明該方法識別蘇丹紅混合溶液蘇丹紅Ⅱ的含量是有效的。

圖3 測定濃度和標(biāo)準(zhǔn)濃度比較

2.3 樣品的測定及回收率實(shí)驗(yàn)

取1 mL蘇丹紅Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)溶液至10 mL比色管，添加1 mL蘇丹紅Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)溶液，定容至刻度，按照2.2中測定方法，分別在λ=474 nm和λ=504 nm處采集混合溶液吸光度A。平行配制3組樣液進(jìn)行測定，得到不同顏色間接值時(shí)，蘇丹紅Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)樣品的測定結(jié)果，見表1和表2。

表1 XR時(shí)蘇丹紅Ⅱ的測定結(jié)果

表2 XB時(shí)蘇丹紅Ⅱ的測定結(jié)果

向1 mL蘇丹紅Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)樣品中依次添加2 mL蘇丹紅Ⅱ和2 mL蘇丹紅Ⅲ混合加標(biāo)樣，每份樣品配制3次，搖勻后進(jìn)行測定。間接測量值XR為測試變量時(shí)，蘇丹紅Ⅱ的加標(biāo)回收率為101.9 %～105.6 %，蘇丹紅Ⅲ加標(biāo)回收率為121.5 %～123.4 %；間接測量值XB為測試變量時(shí)，蘇丹紅Ⅱ的加標(biāo)回收率為101.4 %～104.9 %，蘇丹紅Ⅲ加標(biāo)回收率為121.4 %～123.2 %。兩者均證實(shí)該方法在測定蘇丹紅二組分混合溶液中，蘇丹紅Ⅱ濃度的準(zhǔn)確度較高，能初步預(yù)測蘇丹紅Ⅲ的濃度。

3 結(jié)論

基于吸光度具有加和性的特點(diǎn)，建立了分光光度法和圖片比色法聯(lián)用檢測混合溶液的方法。引入誤差傳遞規(guī)律降低了三原色值RGB的測定誤差，構(gòu)建了吸光度與顏色間接測定值的函數(shù)方程，測定了蘇丹紅Ⅱ和蘇丹紅Ⅲ混合溶液的各組分含量，具有較好的重復(fù)性，其中蘇丹紅Ⅱ測定的選擇性和準(zhǔn)確度高，為多組分溶液的測定提供了一種參考。