新型便攜式RGB色度傳感器定量檢測水中路易氏劑

于競翔 劉國宏 任麗君 劉萌 黃志平 李建 李丹萍 肖艷華

摘要基于路易氏劑及其水解產物在堿性條件下與亞銅離子反應，溶液呈紅色的原理，構建了定量檢測水中路易氏劑的新型便攜式RGB色度傳感器。對增溶劑、還原劑的種類、還原劑濃度、CuCl2濃度、NaOH濃度、乙酸用量、反應溫度、反應時間等因素進行優化，得到最優反應條件： 增溶劑為明膠， 還原劑為鹽酸羥胺， 鹽酸羥胺濃度為0.32 mol/L， CuCl2濃度為0.15 mol/L， NaOH濃度為30%（m/m）， 36%（m/m）乙酸用量為30 μL， 反應溫度為室溫， 反應時間為5 min。在檢測中采用源于歸一化RGB系統的RGB（紅綠藍）色度法，克服了基于RGB模型的由于光強變化會導致3個刺激值的變化的問題。在最優條件下，色度值與路易氏劑濃度的標準曲線的線性范圍為0.40～10.05 mg/L。本方法對R值和B值的理論檢出限為0.389 mg/L和0.391 mg/L，實際檢出限為0.40 mg/L。將本方法應用于人工水樣中路易氏劑的測定，回收率為96.9%～106.9%。本方法具有較高的選擇性、靈敏度和較好的重復性。

關鍵詞RGB色度傳感器; 路易氏劑; 水

1引 言

路易氏劑是一種含砷的毒劑，其化學名稱為2氯乙烯二氯砷（ClCH=CHAsCl2），屬于鹵代脂肪族胂化合物，曾被稱為“死亡之露”[1，2]。路易氏劑具有細胞毒性、毛細血管毒性和神經毒性作用。路易氏劑通過與含有巰基的蛋白質，尤其是與酶結合發揮其毒性作用，選擇性鈍化糖代謝中某些含巰基的酶，因此可抑制丙酮酸氧化作用（糖代謝）的關鍵步驟;同時，路易氏劑的脂溶性也有助于其滲透皮膚，發揮其全身毒性作用[3]。路易氏劑除直接引起接觸部位的細胞損傷，引發局部疼痛、起皰外，還可快速透過完整的皮膚和粘膜進入體內，對微血管有強烈的損傷作用，可引起廣泛滲出、精神癥狀、低血壓、水腫和明顯出血等癥狀，甚至休克和死亡[4，5]。

盡管路易氏劑在使用和生產上受到禁止化學武器組織（OPCW）的許多限制，但由于其具有穿透力強、作用持久、中毒途徑多、防護與消毒困難、生產容易、成本較低等特點，在化學戰劑中具有重要地位[6]。由于路易氏劑與其它毒劑相溶，在配制戰術混合劑時也具有一定的意義。路易氏劑自1918年發明以來，在各國受到了極大的關注和廣泛的研究，某些國家進行大量裝備，甚至用于戰爭中，而戰后遺棄的化學武器， 對生態環境和人民的生命安全造成嚴重威脅[7]。

人類的生命活動離不開水源，飲用水系統可能成為恐怖分子襲擊的對象。盡管路易氏劑微溶于水，在水中的溶解度為0.5 g/L，但已經達到飲用安全濃度的200倍以上[8]。路易氏劑遇水可發生水解，生成氯乙烯氧胂。氯乙烯氧胂在水中的溶解度小，路易氏劑液滴水解時，外層為氯乙烯氧胂包裹，阻礙了液滴內層的路易氏劑進一步水解，可造成水源的長期染毒。因此，當皮膚接觸路易氏劑染毒水源，甚至飲用被污染水源都可引起中毒或者死亡，對周圍民眾、動物和牲畜等構成極大威脅。因此，研發靈敏、選擇性檢測水中路易氏劑的方法具有重要意義。

目前，檢測水中路易氏劑常用的方法有紫外分光光度法[10]、氣相色譜法[11，12]、柱后衍生液相色譜法[13，14]、高分辨質譜法[12]、中子誘導γ射線法[15]、激光拉曼光譜法[16]、原子發射光譜法[17]、無源遠紅外遙感法[18]、亞太赫茲波譜法[19]及一些聯用方法[20]等。這些方法對于路易氏劑的痕量檢測具有良好的靈敏度，但由于攜帶不便、操作復雜、成本高等缺點，存在一定的局限性。基于納米材料[21]或熒光探針[22]的化學傳感器也被應用于檢測路易氏劑。這些傳感器具有高敏感性和高選擇性，可制成小型輕便的設備。但是，這些化學傳感器或無法直接用于水中的路易氏劑的檢測，或操作規程復雜。因此，需要建立一種便攜、靈敏、高選擇性和可靠的方法，對路易氏劑污染的水源進行現場檢測。

由紅色（R）、綠色（G）、藍色（B）組成的RGB空間是基于光學原理的設備所采用的色彩空間[23]。RGB空間包含顏色和強度信息，被認為是應用最廣泛且最容易被接受的顏色空間[24]。基于RGB原理的顏色設備，如掃描儀、數碼相機、手機、網絡攝像頭等設備，因其光學和結構的特性，具有無需單色光源或者濾光片、可便攜性、檢測所得信息量較大等優點，在RGB檢測中備受關注[25]。基于RGB原理的檢測技術應用廣泛，并且檢測效果較好，主要用于金屬離子（如Hg2+[26]、Ni2+[27]、Pb2+[27]、Ca2+[28]等）、無機物（如NH3[29]、CO2[29]、O2[30]、H2O2[31]等）、有機物（如胺[32]、多酚類物質[33]、血紅蛋白[34]、色素[35]、易燃易爆物[36，37]等）等物質的檢測。

本研究構建了一種便攜、高靈敏度和高選擇性檢測水中路易氏劑的RGB色度傳感器。路易氏劑及其水解產物在堿性條件下與Cu+反應，溶液呈紅色。在LED光源的照射下，RGB色度傳感器中顏色傳感器用于檢測特定顏色的光，并按紅、綠、藍三色光組成比例輸出3個刺激值。在檢測中采用源于歸一化RGB系統的RGB色度法，克服了基于RGB模型的由于光強變化會導致3個刺激值的變化的問題。各通道的R、G、B色度值均與芥子氣濃度呈線性關系。結果表明，此RGB色度傳感器具有較高的靈敏度、穩定性和選擇性。

2實驗部分

2.1儀器與試劑

采用自行研制的便攜式RGB色度傳感器，如圖1所示。此傳感器選用白色發光二極管作為光源，可產生穩定連續的可見光。在光源和RGB顏色傳感器之間，放置一根2 mL試管，試管中裝有待測溶液。LED光源直接照射在試管上，RGB顏色傳感器獲得RGB的 3個刺激值。傳感器中得到的數據可用于計算路易氏劑濃度。分別采用鄭州沃特測試技術有限公司的ZZW加熱器和上海精密儀器的pH計對溶液溫度和pH值進行調節和測定。

2.2實驗方法

向10 mL玻璃試管中，加入一定濃度的路易氏劑，依次滴加40 μL NaOH溶液和36%（w/w）乙酸，pH值控制在7～8之間，加入純凈水定容至1 mL。取還原劑3 mL和CuCl2溶液1 mL混合，配制4 mL亞銅溶液，加入1 mL明膠溶液。取配制好的亞銅溶液1 mL，加入路易氏劑水溶液中。顯色后，將反應后的2 mL溶液轉移到比色管中，插入檢測口，測得溶液的RGB值，平行測量3次，取平均值。

此顯色反應的機理如式（1）～（3）。路易氏劑及其水解產物氯乙烯氧胂遇堿分解產生乙炔。CuCl2提供Cu2+，在還原劑的作用下，Cu2+被還原為Cu+。生成的乙炔與Cu+作用，生成紅色乙炔亞銅沉淀。

3結果與討論

3.1 條件優化

3.1.1增溶劑對乙炔亞銅溶解度的影響乙炔與亞銅試劑反應后生成磚紅色的乙炔亞銅沉淀，乙炔亞銅為膠體物質，向溶液中添加增溶劑可增加乙炔亞銅的溶解度。為了比較增溶劑的作用，分別向亞銅溶液中加入5%（w/w）明膠（Gelatin）、糊精（Dextrin）和十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）各1 mL，并測量其R、B色度值，測量結果見圖2。由圖2可見，加入增溶劑的R、B色度值優于不加入增溶劑的R、B色度值。

3.1.2還原劑種類對色度值的影響還原劑是影響反應產物顏色的關鍵因素。為了比較還原劑的作用，分別用0.43 mol/L的還原劑（鹽酸羥胺、Na2SO3、Na2S2O3、KBH4、NaBH4）和1.47 mmol/L CuCl2溶液配制5組亞銅溶液， 各取1 mL，分別加入至8.04 mg/L路易氏劑溶液中。由圖3可見，還原劑不同，顯色溶液的顯色效果顯著不同。各顯色劑的G值普遍較低，R色度值為正值，B色度值為負值，比較R值和B值可知，使用鹽酸羥胺作為還原劑的效果最好。

3.1.3鹽酸羥胺濃度對色度值的影響選取鹽酸羥胺作為還原劑，在0.17～1.00 mol/L范圍內，考察鹽酸羥胺濃度對8.04 mg/L路易氏劑溶液檢測效果的影響。由圖4可見，隨著鹽酸羥胺的濃度的增大， 顯色體系的色度值先增加后減小。當鹽酸羥胺濃度為0.32 mol/L時，其相對應的色度值最高。當鹽酸羥胺濃度大于0.32 mol/L時，反應體系色度值隨之降低。后續實驗中選擇鹽酸羥胺的濃度為0.32 mol/L。

3.1.4CuCl2濃度對色度值的影響在0.00015～0.45 mol/L范圍內，考察CuCl2濃度對8.04 mg/L路易氏劑溶液檢測效果的影響。實驗結果表明，隨CuCl2的濃度增大， 顯色體系的色度值先增加后減小。當CuCl2濃度為0.15 mol/L時，其相對應的色度值為最高。當CuCl2濃度大于0.15 mol/L時，反應體系色度值隨之降低。后續實驗選擇CuCl2濃度為0.15 mol/L。

3.1.5NaOH濃度對色度值的影響考察5%～40%（w/w）NaOH溶液對8.04 mg/L路易氏劑水溶液檢測效果的影響。結果表明，隨著NaOH的濃度的增加， 顯色體系的色度值先增加后減小，當NaOH濃度為30%（w/w）時，其相對應的色度值為最高。后續實驗中，選擇NaOH的濃度為30%（w/w）。

3.1.636%乙酸用量對色度值的影響選取36%（w/w）乙酸調節路易氏劑與NaOH反應后溶液的pH值。考察36%乙酸用量（10～60 mL）對8.04 mg/L路易氏劑水溶液顯色效果的影響。實驗結果表明，隨36%（w/w）乙酸的用量增大， 顯色體系的色度值先增加后減小。當36%（w/w）乙酸用量為30 μL時，其相對應的色度值為最高。 因此，選擇36%（w/w）乙酸的用量為30 μL。

3.1.7反應溫度對色度值的影響溫度是影響顯色反應速率的關鍵因素。研究了不同溫度（10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃）對8.04 mg/L路易氏劑水溶液顯色效果的影響，測量結果見表1，顯色效果的相對標準偏差（RSD）小于1%，溫度對顯色效果影響不大。因此，本研究選擇在室溫下進行測定。

3.1.8反應時間對色度值的影響在上述優化條件下，考察了反應時間（0.5、2、3、5、8、10、15、20、30、60和90 min）對檢測結果的影響。結果表明，顯色體系的色度值隨著反應時間的延長而逐漸增大，并趨于平衡。當反應時間達到5 min時，色度值最大且穩定。因此，本研究選擇反應時間為5 min。

3.2標準曲線

配制一系列不同濃度的路易氏劑溶液，在最優條件下進行測定，得到濃度范圍為0.40～10.05 mg/L的路易氏劑標準溶液的標準曲線方程，如圖5所示。結果表明，R、G和B值作為響應值，可用于測定水中的路易氏劑濃度。從每個顏色的坐標方程中可知，R值和B值的標準曲線用于測定水中的路易氏劑濃度具有較好的效果，而G值的標準曲線的斜率較小，檢測效果相對不佳。

3.3重復性和檢出限配制不同濃度路易氏劑溶液，在最佳條件下對1.41和7.03 mg/L的路易氏劑溶液進行10次平行實驗。對于1.41 mg/L路易氏劑， R色度值的RSD=1.60%，B色度值的RSD=1.85%;對于7.03 mg/L路易氏劑，R色度值的RSD=0.93%，B色度值的RSD=1.36%，RSD均小于2%，因此，RGB色度法檢測路易氏劑的方法是可行的。

通過測量空白的色度值（n=20），計算空白的標準差，其中R為0.00454，B為0.00482。根據IUPAC規定的以3倍的標準偏差計算檢出限。通過計算得到本方法對R值和B值的理論檢出限分別為0.389和0.391 mg/L。由于G值隨路易氏劑濃度變化較小，本研究只計算了R和B值的檢出限。在實驗中，實際檢出限為0.40 mg/L。

3.4干擾研究

為了探究本方法對水中路易氏劑的快速定性與定量檢測能力，考察了本方法對水中常見離子的抗干擾能力，同時也需研究本方法對其它毒劑的敏感響應是否影響到對路易氏劑的檢測。 在最佳的實驗條件下，考察了不同因素對測量8.04 mg/L路易氏劑的影響。

4結 論

基于RGB色度法，建立了水中路易氏劑的快速定量檢測方法。實驗結果表明，本方法具有較高的選擇性、靈敏度和較好的重復性，并成功應用于人工水樣中路易氏劑的測定。本方法在分析環境中有毒有害物質方面具有潛在的應用前景。

[HT5”SS][HJ*4]表3飲用水中路易氏劑濃度回收實驗結果

Table 3Recovery experiment results of Lewisite in drinking water samples （n=4）

[HT6SS][BG（][BHDFG4，WK4，WK8。3W]No.加入值Added（mg/L）測定值Found（mg/L）回收率Recovery（%）1[]0.51

0.54±0.01106.92[]2.242.17±0.0296.93[]8.508.40±0.0298.8[BHDFG1*2，WKZQ0W][BG）W][HT5][HJ]

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