基于標準差傳遞規律的手機比色法測定亞甲基藍溶液

周 佳，唐傳球

(漢江師范學院 生物化學與環境工程系，湖北 十堰 442000)

基于標準差傳遞規律的手機比色法測定亞甲基藍溶液

周 佳*，唐傳球

(漢江師范學院 生物化學與環境工程系，湖北 十堰 442000)

采用基于誤差傳遞規律的手機比色法測定亞甲基藍溶液，根據顏色三原色值RGB與灰度值Gr之間的關系，通過標準差傳遞公式的運算，從理論上證實了間接測量法的可行性。分析了不同光照環境對采集照片質量的影響，將3款不同型號的手機作為采樣工具進行對比。結果表明，間接測量法的精密度顯著提高，3款手機圖片顏色的間接測量值XR、XG、XB與亞甲基藍質量濃度C之間的變化趨勢一致，其中XB與質量濃度C成正比，據此建立了亞甲基藍質量濃度測定的新方法。該方法對樣品測定的相對標準偏差為2.7%～4.8%，加標回收率為91.3%～101%，其穩定性、精密度和準確度均符合測定需求。

標準差；手機比色法；亞甲基藍

亞甲基藍(Methylene blue,MB)是一種常見的化學試劑，作為紡織工業的染料和各類化學實驗指示劑廣泛應用。亞甲基藍不能生物降解，水溶液呈現低毒性[1-2]，隨意排放含有亞甲基藍的廢水，會造成水體污染。

亞甲基藍的測定主要有分光光度法(SP)[3]、高效液相色譜法(HPLC)[4]等。分光光度法的應用最為廣泛，其儀器簡單，測定方便，但難以滿足現場快速測定需求；高效液相色譜法的準確性和靈敏性高，但所需設備價格高、操作繁瑣。因此，開發一種高效簡捷的亞甲基藍測定方法十分必要。

楊傳孝等[5-6]在測定水樣中總磷的過程中，根據生成藍色絡合物的顏色與數碼相機成像的RGB值之間的關系，建立了數碼比色法(DIC)。基于數碼相機成像，研究者又進行了打印機成像比色法[7]、手機成像比色法[8]研究，與傳統的測定方法相比，數碼比色法分析更加直觀，研究者通過選定圖片區域的RGB值實現對被測物濃度的檢測。手機作為一種日常生活工具，自帶拍照功能，基于手機拍照功能的比色分析法被研究者所關注。由于外界光照條件的影響，手機在不同環境下拍攝的圖片效果不同，直接利用圖片顏色的RGB值或灰度值Gr分析樣品濃度時，相對標準偏差較大。

在分析測試實驗中，物理量的測定包括直接測定和間接測定，直接測定用于易測定、精密度高的實驗，間接測定用于不易測定、受多種因素影響的實驗。一個函變量與多個變量存在關聯性，該函變量的誤差與多個變量有關，借助誤差傳遞規律，運用誤差傳遞公式分析誤差，可以降低直接測量的誤差，提升測定的穩定性。手機比色測定過程中，直接測定的顏色量值容易受拍攝環境的影響，導致測定結果存在較大的誤差。本實驗提出了基于標準差傳遞規律的手機比色法，有效降低了光照條件對樣品濃度測定的誤差，并用于亞甲基藍樣品的測定。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

iPhone 5和iPhone 5S 智能手機(美國蘋果公司)、Coolpad 5263S(酷派公司)、MI NOTE LTE(小米公司)，均采用自動模式拍照；顏色軟件Color Picker，在蘋果商店下載；LED 燈(3W，佛山市享域燈飾有限公司)；分光光度計(山東高密儀器廠)；自制拍攝泡沫箱，長、寬、高分別為38、25、15 cm，上端開孔，放置拍攝光源，側壁開口，供拍照使用，箱體內壁以A4紙作為內襯，在箱體底部作位置標記，放置2 cm比色皿。

亞甲基藍標準溶液：配制成質量濃度為1 000 mg/L的亞甲基藍儲備溶液，4 ℃保存，實驗試劑均為分析純，實驗用水為娃哈哈純凈水。

1.2 樣品的制備

取0.5、1、2、3、4 mL亞甲基藍標準溶液于100 mL容量瓶中，稀釋至刻度后搖勻，得到亞甲基藍的質量濃度分別為5、10、20、30、40 mg/L，移至2 cm比色皿中供手機拍照。運用手機中的Color Picker軟件導出RGB值，在誤差傳遞規律基礎上，擬合出亞甲基藍濃度的標準曲線。

2 結果與討論

2.1 標準差傳遞原理

在數碼比色法中，研究者通過顏色軟件分析樣品圖片的三原色值RGB或灰度值Gr，利用其中單一數值，建立與待測樣品濃度間的線性關系。然而在實際測定過程中，這些值易受拍攝距離、光照條件的影響，導致測量結果不穩定。

為了降低誤差對測定的影響，需找到與單一函數量相關的多個測試變量，使結果值的誤差與多次測試變量誤差相聯系，找出合成誤差最小的測量方法[9-10]。穩定狀態下樣品的顏色保持不變，具有客觀性，三原色值RGB與Gr存在關聯性，可用數學公式(1)[11-12]表示。隨著拍攝環境的變化，顏色變量同步發生改變，若以單一變量作為測定濃度的標準，直接誤差較大。以XR、XG、XB分別表示RGB值與灰度值Gr之間的函數關系，建立顏色變量的間接測量關系，其中XR用數學公式(2)表示，XG、XB同理可得。

Gr=0.299R+0.587G+0.114B

(1)

(2)

XR、XG、XB為樣品顏色間接測量值，XR與RGB之間的關系可用函數式(3)表示，對式(3)取微分，按照泰勒級數展開導出誤差傳遞公式(4)，將式(2)代入式(4)，得到式(5)：

XR=f(R，G，B)

(3)

(4)

(5)

式(5)除以XR的平方，可得到式(6)：

(6)

圖1 LED燈(A)和iPhone 5手機燈(B)采集圖片，以及兩組光照環境下三原色值(C)、(E)與標準差(D)、(F)Fig.1 The images obtained under LED(A) and iPhone 5(B),the values of three-primary colours(C)，(E) and standard deviation(D)，(F) in two groups of illumination

由于亞甲基藍的顏色呈藍色，RGB值均為正值，由式(6)計算可知，誤差傳遞規律處理的相對標準偏差小于未處理的標準偏差，理論上證明了誤差傳遞法的優勢。

2.2 誤差傳遞法的應用

2.2.1拍攝環境的選擇為了考察誤差傳遞規律在手機比色法中的可靠性，在二組拍攝環境下，改變樣品位置，使用iPhone 5S手機對MB樣品(5 mg/L)進行拍照，對得到的R、G、B值及對應的XR、XG、XB數值進行分析，比較結果，見圖1。

第一組將LED燈置于箱體上方開口內，手機位置固定不變，改變比色皿位置，與手機垂直距離10～15 cm，左右距離1 cm范圍內進行圖片采集(n=30)；第二組以iPhone 5手機燈作為光源，置于箱體上端開口處進行拍照，整個箱體保證密閉性，拍攝過程同第一組。

由圖1A和B可知，第一組在箱體內拍照，LED燈所接電源是220 V交流電，拍攝過程中手機屏幕上出現了頻閃，產生明顯的干擾，測定的相對標準誤差增大；第二組采用手機鋰離子電池產生的電源，屬于直流電，樣品位于手機光源正下方，圖片質量明顯提高。實驗結果表明，直流電面光源更適合圖片的采集。進一步對30組取樣圖片進行分析，兩組光照環境下得到的三原色值和標準差見圖1C～F。由圖1C和E可以看出，LED光源下測得的RGB值比手機光源下測定值波動大，誤差明顯。相比之下，經過誤差傳遞之后，兩組得到的XR、XG、XB數值波動小，手機光源產生的誤差更小，如圖1D和F所示。這充分說明在手機光源下采集的圖片顏色均勻，誤差傳遞處理后提升了測試靈敏度。

在兩組拍攝環境下得到的數據基礎上，按照相對標準偏差計算公式，計算標準差傳遞前后的R、G和B值對應的RSD，如圖2所示。結果表明，拍攝環境對溶液顏色的RGB值產生了較大影響，經過標準差傳遞處理后的誤差顯著降低，二組實驗的精密度明顯提升。

2.2.2不同手機對測定結果的影響研究為了驗證不同手機在標準差傳遞規律中對樣品測定的適用性，在小米MI NOTE LTE手機光源下分別用iPhone 5S、iPhone 5、Coolpad 5263S等手機，以MB樣品(5 mg/L)為實驗樣品進行拍照，并進行數據分析，結果見表1。結果表明，3款手機拍攝的圖片存在細微差異。標準差傳遞前后的R、G和B值對應的RSD顯示，3款手機測定結果的精密度均大幅提升，XR、XG、XB變化趨勢相同。同時對比手機參數可以看到，不同品牌手機拍攝圖片處理后的XR、XG、XB值略有差別，iPhone 5S改變最為明顯，其次是iPhone 5和酷派。iPhone 5S 和iPhone 5所拍攝圖像的像素相同，光圈值越小，進光亮越多，圖像更明亮；iPhone 5S 和酷派5263S的光圈值相同，前者像素值大于后者，圖像更清晰，因此手機的光圈值越小，像素越大，標準差傳遞后的靈敏度越高。

表1 3款手機標準差傳遞前后的R、G和B值對應的RSD對比分析Table 1 Comparative analysis RSD for R,G and B corresponding to the standard deviation of 3 mobile phones

2.3 標準曲線的繪制

以上述3款手機為樣品圖片采集工具，在小米手機光源下對5組亞甲基藍溶液(編號1～5)進行測定，將計算得到的XR、XG、XB對MB質量濃度進行線性擬合，得到趨勢曲線如圖3所示。

圖3 XR、XG、XB與亞甲基藍質量濃度之間的線性關系Fig.3 Linear relationship between XR，XG，XB and methylene blue concentration

由圖3可見，隨著亞甲基藍濃度的增加，3款手機拍攝后處理的XR、XG、XB變化趨勢基本一致，其中XB與質量濃度(C,mg/L)存在明顯的線性關系，對比圖3C中3條標準曲線發現，iPhone 5手機拍攝處理后的線性關系最優，選作測試條件。亞甲基藍的質量濃度為5 mg/L時，XR、XG、XB大小基本一致；質量濃度為40 mg/L時，XR、XG、XB差別開始增大，說明樣品質量濃度過高，拍攝圖片的顏色加深，受手機自身拍攝因素影響，會增加顏色區分的難度，MB含量測定存在較大誤差。因此該方法選擇測試范圍為5～40 mg/L。

以0.5、1、1.5、2、4 mg/L 5個質量濃度的亞甲基藍溶液為標準液，水作參比，在波長665 nm處測定吸光度，測得分光光度法的標準曲線，將兩種方法進行對比，結果見表2。從表中可知分光光度法在低濃度范圍內測定時，靈敏度較高；手機比色法測定樣品的濃度較高時，靈敏度較好，標準樣液可以一次性拍照，操作更加簡捷。為了證實該方法的靈敏度，進行了20次空白測定，得到檢出限(DL,k=3)為0.51 mg/L。

表2 手機比色法和分光光度法參數分析Table 2 Analytical parameters of phone colorimetric method and spectrophotometry

2.4 標準樣品的檢測及回收率實驗

取4 mL 亞甲基藍(1 g/L)溶液至250 mL 容量瓶中定容，按照本方法在兩組不同的手機光照下，應用iPhone 5進行圖片采集，對3組樣品進行平行測定，結果見表3。在iPhone 5S和小米NOTE手機光照下，所測結果的相對誤差分別為3.94%和1.56%，相對標準偏差(RSD)分別為4.8%和2.7%，驗證了本方法的可靠性。

表3 二組手機光照下標準樣品的測定結果Table 3 Determination results of the standard samples by the light of two mobile phones

取配制好的樣品，測得其質量濃度為20.65 mg/L，取7 mL樣品各兩份，加入2 cm比色皿中，向比色皿中分別滴加1 mL 30 mg/L和40 mg/L的加標樣，在小米NOTE手機光照下，每份樣品配制3次，進行拍照取樣，得到6組實驗的加標回收率為91.3%～101%，說明了該方法的準確性較高。

3 結 論

本文在手機比色法測定亞甲基藍溶液濃度的基礎上，提出了基于標準差傳遞規律的測定方法。以顏色間接測量值XR、XG、XB為測量基準，從理論上和實驗上證實了該方法能夠用于亞甲基藍濃度的測定。該方法對不同手機測定亞甲基藍溶液進行驗證，發現三者的XR、XG、XB與濃度變化趨勢一致，受拍攝光照影響均大幅降低，說明該方法操作方便，實用性強，為開發固定式顏色測定設備奠定了基礎。

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Determination of Methylene Blue Solution by Mobile Phone Colorimetric Method Based on Standard Deviation Transfer Law

ZHOU Jia*,TANG Chuan-qiu

(Department of Ecology,Chemistry and Environmental Engineering,Hanjiang Normal University,Shiyan 442000,China)

The methylene blue(MB)solution was determined by mobile phone colorimetric method based on standard deviation transfer law.Through the relationship between the color primary color value RGB and the gray value Gr,calculated by the standard deviation transfer formula,the feasibility of the indirect measurement method was proved theoratically.The influences of three kinds of lighting environment on the quality of photos were analyzed,and three types of mobile phones were used as sampling tools.Results showed that the precision of indirect measurement method was significantly improved.The indirect measurement valuesXR,XG,XBof phone picture color showed a similar changing trend with methylene blue concentration.XBwas proportional to the concentrationC.A new method for the determination of methylene blue concentration was established.The recoveries for the method were between 91.3% and 101% with the relative standard deviations of 2.7%-4.8%.The stability,precision and accuracy meet the requirements for determination.

standard deviation;phone colorimetric method;methylene blue

2017-07-06；

2017-08-06

*

周 佳，碩士，講師，研究方向：分析化學，E-mail:zj09725974@163.com

10.3969/j.issn.1004-4957.2017.12.013

O433;TG115.3

A

1004-4957(2017)12-1494-06