檢測水中氫氰酸的新型便攜式RGB色度傳感器

劉國宏，于競翔，任麗君，梁 婷，劉 萌，黃志平，李 建，李丹萍，肖艷華

(陸軍防化學院 化學防護系，北京 102205)

氫氰酸是一種全身中毒性毒劑[1]，其化學名稱為氰化氫(HCN)。氰氫酸的全身中毒作用主要是對呼吸酶產生抑制作用，尤其以細胞色素氧化酶對氰離子最敏感。氰離子只能和含有三價鐵的氧化型細胞色素氧化酶結合，形成氰化細胞色素氧化酶，導致生物氧化中斷，細胞呼吸停止，引起組織缺氧，最終因呼吸抑制而造成死亡[2]。盡管氫氰酸在使用和生產上受到禁止化學武器組織(OPCW)的許多限制，但由于其在工業生產中應用極為廣泛[1]，且穿透力強、中毒途徑多、防護困難、價廉易得等極為重要的特點，使其在化學戰劑中仍占有重要地位[3]。氫氰酸自發明以來在各國受到了極大的關注和廣泛的研究，在第一次世界大戰中曾被大量使用。在現代工業和農業生產中，也曾多次出現氫氰酸泄漏、中毒的事件[4-6]。近年來由于全球氣候不斷變暖，氫氰酸的測量也被用來反映厄爾尼諾現象[7]。

人類的一切生命活動都離不開水源，飲用水系統可能成為恐怖分子襲擊的對象。氫氰酸作為一種具有良好的脂溶性和水溶性的小分子化合物[8]，其在常溫下可與水以任意比混合，且水溶液的離解常數很小(K=7.2×10-10，25 ℃)，可透過皮膚和胃腸道粘膜迅速滲入細胞膜吸收到體內。因此，當通過消化道飲用被污染水源，甚至皮膚接觸氫氰酸染毒水源時，均可以引起中毒或者死亡，對周圍民眾、動物和牲畜等構成了極大威脅[2,9]。目前，檢測水中氫氰酸最常用的方法有紫外分光光度法[10]、冷原子熒光法[11]、雙梳狀光譜法[12]、選擇性離子流管質譜法[13]、遠紅外遙感法[14]、生物發光微板法[15]、氣相色譜-質譜法[16]。這些方法對于氫氰酸的痕量檢測具有良好的靈敏度，但由于攜帶不便、操作復雜、成本高等不足，存在一定的局限性。近年來，基于納米材料[17-18]或者熒光探針[19-22]的化學傳感器也被廣泛應用于氫氰酸檢測。這些傳感器具有高敏感性和高選擇性，可以制成小型輕便的設備，但不足之處在于這些化學傳感器或無法對水中的氫氰酸進行檢測，或操作規程復雜。因此，急需發展一種便攜、靈敏、高選擇性和可靠的方法對氫氰酸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空間所包含的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，比如掃描儀、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，引起了人們的濃厚興趣[25]。基于RGB原理的檢測已有著廣泛的應用并獲得了較好的檢測效果，主要應用于金屬離子(如汞(Ⅱ)[26]、鉛(Ⅱ)[27]、鈣(Ⅱ)[28]等)，無機物(如二氧化碳[29]、氧氣[30]、過氧化氫[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)等的檢測。

本文基于氫氰酸在堿性條件下與水合茚三酮反應，溶液呈紫紅色，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三刺激值，從而開發了一種檢測水中氫氰酸的便攜RGB色度傳感器。文中采用源于歸一化RGB系統的RGB色度法，克服了基于RGB模型的由于光強變化導致三刺激值變化的不足。各通道的R、G、B色度值均與氫氰酸濃度呈線性關系。該方法具有高靈敏性、穩定性和選擇性。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

沙林(GB)、梭曼(GD)、維埃克斯(VX)、芥子氣(HD)、路易氏劑(L)、氫氰酸(AC)，純度均為98%，由陸軍防化學院提供。水合茚三酮、對硝基苯甲醛、氫氧化鈉、稀鹽酸、氯化鈉、氯化鉀、氯化銨、硫酸鎂、高氯酸鈉、硼酸(分析純，國藥集團化學試劑有限公司)。

便攜式RGB色度傳感器如圖1所示。該傳感器選用一個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，放置一根裝有待測溶液的2 mL試管。LED光源直接照射在試管上，RGB顏色傳感器獲得產生的RGB三刺激值。根據傳感器得到的數據計算氫氰酸濃度。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公司的pH計對溶液溫度和pH值進行調節和測定。

圖1 基于RGB原理的便攜式色度傳感器示意圖

1.2 實驗方法

向10 mL玻璃試管中加入一定濃度的氫氰酸1 mL、水合茚三酮溶液0.5 mL，調節pH值至堿性，加入純凈水定容至2 mL。顯色后，將反應后的2 mL溶液轉移至比色管，插入檢測口，測定溶液的RGB值，平行測量3次，取平均值。

該顯色反應的機理如圖2所示。氫氰酸和水合茚三酮在堿性條件下反應生成紫紅色的離子型2-羥基茚滿二酮(1 ,3)。

圖2 基于水合茚三酮檢測水中氫氰酸的反應原理

為避免或減少光源不穩定性的影響，測量前需對該儀器進行白平衡，使顏色傳感器測得的白光中RGB三刺激值呈均勻分布。對純水的三個RGB刺激值進行測定以得到背景的色度值，并進行歸一化處理。歸一化后的RGB值計算如下:

Rn=r/(r+g+b)

(1)

Gn=g/(r+g+b)

(2)

Bn=b/(r+g+b)

(3)

式中，紅、綠、藍三個刺激值分別表示為r、g、b。紅、綠、藍的歸一化值表示為Rn、Gn和Bn。R、G、B色度值則由歸一化后的RGB值進行計算，公式如下:

R=Rn(s)/Rn(0)

(4)

G=Gn(s)/Gn(0)

(5)

B=Bn(s)/Bn(0)

(6)

式中，Rn(s)、Gn(s)、Bn(s)和Rn(0)、Gn(0)、Bn(0)分別為樣品和純水的紅、綠、藍歸一化值。R、G、B分別為樣品的色度值，表示樣品的紅、綠、藍色度值相對于純水色度值的變化。通過繪制R、G和B色度值與分析物濃度之間的關系即得到標準曲線。

2 結果與討論

2.1 實驗條件的優化

2.1.1 顯色劑的影響顯色劑是影響反應產物顏色的關鍵因素。為了比較顯色試劑的作用，實驗對目前較常用的兩種檢測氫氰酸濃度的比色法:對硝基苯甲醛法、水合茚三酮法進行了考察。配制了12組不同質量濃度(0.25、0.28、0.32、0.40、0.52、0.80、1.20、2.00、2.80、4.00、4.80、5.60 mg/L)的氫氰酸水溶液，并分別選用上述兩種方法進行顯色反應，測量結果見圖3。從圖中可以看出，兩種方法的R、G和B色度值的絕對值均隨著質量濃度的增加而增大。但在相同條件下，水合茚三酮法較對硝基苯甲醛法檢出的質量濃度更低，且在低質量濃度時線性關系較好。因此，在后續實驗中，選擇水合茚三酮法作為檢測水中氫氰酸的分析方法。

圖3 水合茚三酮法(A)及對硝基苯甲醛法(B)對氫氰酸的檢測

圖4 水合茚三酮濃度對體系色度值的影響

2.1.2 水合茚三酮濃度對色度值的影響本實驗考察了不同水合茚三酮濃度(1.12×10-3～225×10-3mol/L)對2.2 mg/L氫氰酸水溶液顯色效果的影響(見圖4)。從圖中可以看出，顯色體系色度值的絕對值隨著水合茚三酮濃度的增大先增加后減小，當水合茚三酮濃度為6.74×10-3mol/L時，其色度值的絕對值最高。當水合茚三酮濃度大于6.74×10-3mol/L時，反應體系色度值的絕對值隨之降低。后續研究中選擇水合茚三酮的最佳濃度為6.74×10-3mol/L。

圖5 pH值對體系色度值的影響

2.1.3 pH值對色度值的影響pH值是影響顯色結果的重要因素。固定水合茚三酮的濃度，考察了pH值對RGB色度值的影響，并采用氫氧化鈉和稀鹽酸調節溶液的pH值。結果顯示，pH值為6.97～9.08時,R、G和B色度值的絕對值均隨著pH值的增加不斷增大。當pH 9.08時，色度值的絕對值達到最大值(見圖5)。繼續增大pH值，則色度值的絕對值逐漸減小。因此，后續研究使用硼酸鹽緩沖液調節體系pH值為9.08。

2.1.4 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，因此，本實驗研究了不同溫度(5、10、20、30、40、50、60 ℃)對2.2 mg/L氫氰酸水溶液顯色效果的影響。結果顯示，溫度對體系顯色效果的影響不大。因此，后續研究選擇在室溫下進行。

2.1.5 反應時間對色度值的影響研究了不同顯示時間(0.5、2、5、8、10、15、20、30、60、90 min)對檢測結果的影響。研究結果顯示，顯色體系色度值的絕對值隨著反應時間的增加逐漸增大并趨于平衡。當反應時間達到10 min時，色度值的絕對值最大且穩定。因此，后續研究選擇反應時間為10 min。

圖6 色度值和氫氰酸質量濃度間的標準曲線

2.2 標準曲線

在最優實驗條件下，配制了16組不同質量濃度(0.04、0.09、0.13、0.18、0.22、0.31、0.35、0.44、0.66、1.10、1.54、2.20、2.64、3.08、3.52、3.96 mg/L)的氫氰酸溶液，考察其相應的R、G和B值，并制作標準曲線。結果顯示，在0.04～3.96 mg/L質量濃度范圍內，氫氰酸標準溶液的R、G和B值與其質量濃度呈良好線性(如圖6)。表明R、G和B值均可用于測定水中的氫氰酸質量濃度，但以R值的效果較好，而G值和B值的標準曲線的斜率較小，且擬合程度較差，其檢測效果欠佳。因此，后續實驗采用R值的標準曲線進行氫氰酸質量濃度的檢測。

2.3 重復性與檢出限

為了考察本方法的重復性，配制質量濃度分別為0.65、3.03 mg/L的氫氰酸溶液，在最佳條件下對每個質量濃度的氫氰酸溶液進行10次平行實驗，測得相對標準偏差(RSD)分別為1.0%和0.51%，均小于2.0%。因此，RGB色度法檢測氫氰酸的方法是可行的。

每一個RGB因子作為一個因素均存在一個檢出限。通過測量空白的色度值(n=20)計算空白的標準偏差，其中R為0.002 81。因此，根據IUPAC的定義，該方法對R值的理論檢出限為0.038 mg/L，而在實驗中的實際檢出限為0.04 mg/L。

2.4 干擾研究

2.5 樣品分析

為了進一步評估該方法的有效性，對摻入氫氰酸的自來水樣品進行分析。向100 mL自來水樣品中分別加入不同量的氫氰酸，配成質量濃度分別為0.09、1.15、3.41 mg/L的氫氰酸水溶液。使用R色度值的標準曲線計算得到水中氫氰酸的回收率為98.3%～111%。結果表明該方法可用于水樣中氫氰酸的測定，且具有較好的準確度。

3 結 論

本文建立了基于RGB色度法對水中氫氰酸進行快速檢測的方法。研究了顯色劑種類、水合茚三酮濃度、pH值、反應時間及反應溫度等因素對色度值的影響。結果表明，該方法具有較高的選擇性、靈敏度和較好的重復性。該方法已成功應用于人工水樣中氫氰酸的測定，并可潛在用于分析環境中其他的有毒有害物質(如其他毒劑等)。