利用智能手機快速測定水環境中的六價鉻含量

金 超 羅克菊 楊顯雙

(重慶市北碚區生態環境監測站，重慶 400700)

前言

在水體中鉻主要有三價和六價兩種狀態，鉻的毒性與其價態有關，一般認為六價鉻的毒性約是三價鉻100倍[1]。六價鉻具有毒性大、流動性強、來源廣等特點，在水和土壤環境中不會自然分解，易在人體和動植物體內富集，是具有致癌作用的物質。目前，測定六價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]、催化動力學光度法[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射光譜(ICP-AES)[9-10]等。其中國家標準方法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業性操作，同時從采樣、運輸、實驗室分析得到最終的測定結果比較耗時，因此在現場以及缺乏專業設備的地區很難開展快速檢測。

隨著智能手機及手機應用的快速發展，其具有強大的圖像采集和分析處理功能，大大提高了圖像比色檢測系統的操作性和便攜性[11]。數字成像比色法(Digital Image Colorimetry，簡稱DIC)是一種簡便的比色方法，它是使用數碼設備(手機、掃描儀、數碼相機等)對顯色溶液進行圖像采集，然后通過合適的顏色模型將待測物圖像轉化為顏色值，從而對待測物質進行定量檢測[12-13]。本文采用數字成像比色法通過手機應用軟件PhotoMetrix對六價鉻和二苯碳酰二肼反應形成的紫紅色溶液同時進行照明、圖像采集和數據處理來快速定量六價鉻。

1 實驗部分

1.1 主要儀器和試劑

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

5.0 mg/L的六價鉻標準中間溶液：對500 mg/L六價鉻標準溶液(水利部水環境檢測評價研究中心)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。

實驗用水為超純水。

1.2 實驗步驟

取50 mL六價鉻標準溶液或實際樣品于比色管中，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，并將其置于數字成像比色采集裝置或分光光度計中進行測定。

2 結果與討論

2.1 數字成像比色裝置

數字成像比色裝置如圖1所示，智能手機固定于測試木箱外部，PhotoMetrix軟件主要功能是利用手機攝像頭實時獲取顯色溶液顏色值(RGB值)，并進行濃度計算和顯示。該軟件有單組分分析和多組分分析兩個模塊，本實驗使用單組分分析模塊。進入單組分分析模塊，點擊“Calibration”按鈕進行標準曲線的繪制，實際樣品測試點擊“Sample”按鈕，進行實時讀取顏色值，軟件可以快速讀出樣品濃度大小。操作過程如圖2所示。

圖1 數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

圖像采集過程中需要使用光源進行照明，這是由于顏色對光的依賴性，大多數用于比色測定的系統通常會在恒定照明條件下重現拍攝環境，以獲取穩定顏色值信息并將其與分析物濃度相關聯。光源一般為外部光源，比如熒光燈和LED燈，其中LED燈應用最為廣泛。這是由于LED燈是低成本的小型組件，可提供廣泛的可見光波長，是一種穩定且低功耗的光源。而智能手機的LED相機閃光燈作為圖像采集的內部光源可以代替外部光源消除圖像采集過程中的許多可變性，并能提供可重現和均勻的照明，增加了圖像采集系統的穩定性和便攜性。

圖像的顏色模型可分為RGB、HSV、LAB、CMYK、灰度等。其中RGB顏色模型應用最廣泛，R(紅)、G(綠)、B(藍)值從白色(0，0，0)可最終變為黑色(255，255，255)，每個RGB取值可以有256種，最終的顏色是由RGB得到的數據加和所組成的。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變化。如圖2(d)所示，PhotoMetrix軟件繪制的標準曲線中G通道(軟件選取255-G作為響應信號值)的線性相關系數最高，其線性相關性最好，因此選取G通道信號值為分析信號值(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進行測試，由于其內置鏡頭模塊和閃光燈不同，導致成像亮度、像素和色彩都存在差異，最終導致分析信號值(255-G)有明顯區別。因此，為了保證測定結果的準確，選取同一部手機進行實驗。

比色皿到手機攝像頭的拍攝距離會影響成像，考察了拍攝距離在0～10 cm時對成像效果的影響。拍攝距離在0～3 cm時，成像比較模糊；拍攝距離大于5 cm時，成像清晰，但是當拍攝距離逐漸增大時，手機軟件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。

為了獲取穩定的分析信號值，木盒內部全部鋪有A4白紙，以免拍攝時光線反射的干擾。

2.4 標準曲線和檢出限

用移液管分別吸取0.50、1.00、2.00、4.00、6.00、8.00 mL六價鉻標準中間溶液置于6個50 mL比色管中，用水稀釋定容，混勻，此標準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軟件繪制了六價鉻標準工作曲線如圖3所示，其標準曲線方程為y= 127.939x+73.181，相關系數為0.994。同時按照國家標準GB 7467—1987方法繪制了分光光度法標準曲線，其標準曲線方程為y= 0.388 3x+ 0.001 5，相關系數為0.999 7。圖4中顯示，將標準系列溶液的數字成像比色法分析信號值和分光光度法吸光度值做線性擬合，線性擬合系數達到0.995，這證明了數字成像比色法的可靠性及準確性。

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

圖4 數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《環境監測 分析方法標準制修訂技術導則》(HJ 168—2020)要求，取50 mL超純水按照實驗步驟測定分析信號值(255-G)，重復測定7次，計算空白值的標準偏差(S)。按公式MDL=t(n-1，0.99)×S計算方法檢出限，t(n-1，0.99)值取3.143，得到方法檢出限為0.01 mg/L。

2.5 干擾實驗

測定過程中干擾物質為金屬陽離子，主要為三價鐵，三價鐵含量達到0.3 mg/L對六價鉻的測定有明顯干擾，可加入焦磷酸鈉來消除三價鐵的干擾。另外，對于不含懸浮物、低色度的水樣可直接進行測定；而對于渾濁、色度較深的水樣可采用鋅鹽沉淀分離法處理后再進行測定；對于色度不深的水樣需要進行色度校正(另取1份平行水樣，用2.0 mL丙酮代替顯色劑溶液按照實驗步驟進行校正溶液測定)。校正后分析信號值(255-G)計算為：校正后分析信號值(255-G)=樣品溶液分析信號值(255-G)-校正溶液分析信號值(255-G)。

2.6 方法精密度和加標回收實驗

對濃度為0.20 mg/L和0.60 mg/L的六價鉻標準樣品平行測定10次，測定平均值為0.211 mg/L和0.609 mg/L，相對標準偏差(RSD)為5.5%和1.5%，說明本方法的精密度良好。取不同六價鉻濃度的未知樣品，用數字成像比色法對水樣進行5次平行測定，結果為5次濃度值的平均值，同時用國家標準方法進行測定，結果見表1和表2。從表中可以看出，本方法測出的六價鉻含量與分光光度法檢測結果沒有顯著的差異，數字成像比色法對水樣測定的加標回收率為94.0%～108%，說明數字成像比色法對水中六價鉻測定的準確度高，方法具有可行性。

表1 數字成像比色法檢測結果

表2 分光光度法檢測結果

3 結論

搭建了數字成像比色法的簡易采集裝置，使用智能手機進行比色照明、數據采集和處理，省略了使用外部照明光源和運用電腦進行圖片處理的繁冗步驟，實現了快速檢測未知水樣六價鉻濃度。本方法精密度和準確度良好，檢測結果與分光光度法大致相同，說明本方法具有可行性與準確性。數字成像比色法與傳統分光光度法相比，操作簡單、便于攜帶、成本低廉，在環境現場檢測、農業、食品等領域中有很廣泛的應用前景。