數字圖像比色法測定水樣中的六價鉻

(重慶市北碚區生態環境監測站，重慶 400700)

六價鉻是一種易被人體吸收且具有強毒性的致癌物質，其毒性是三價鉻的100倍[1]。六價鉻主要來源于含鉻礦石的加工、皮革鞣制、金屬表面處理、印染等行業[2]。工業生產廢水中的六價鉻處理不徹底將會引起嚴重的水體污染，因此對水體中的六價鉻含量的檢測具有重要的意義。

目前，六價鉻的測定方法主要有硫酸亞鐵銨滴定法[3]、分光光度法[4-5]、原子吸收光譜法[6-7]、離子色譜法[8]、液相色譜法[9]、電感耦合等離子體原子發射光譜法[10]、電感耦合等離子體質譜法[11]。其中，以二苯基碳酰二肼(DPCI)作為顯色劑的分光光度法具操作簡單、適用范圍廣等優點，已經用于國家標準方法中，如GB 7467－1987，但此方法只能在實驗室進行，不能滿足現場快速檢測的要求。

數字圖像比色法是一種新型的比色方法，具有操作簡單、成本低、耗時少等優點，此方法先通過數碼設備(數碼相機、智能手機、掃描儀)對檢測區進行圖像采集，然后通過RGB(紅、綠、藍)、CMYK(青、洋紅、黃、黑)、HSB(色調、飽和度、亮度)等顏色模型將待測物的圖像轉化為顏色值，從而實現待測物的定量檢測[12-13]，已被廣泛用于環境監測[14-15]、食品安全監測[16]和生物醫療[17-19]等領域，在現場快速檢測領域具有巨大的潛能。

由于地下水和地表水中六價鉻含量比較低，需要先對水樣中的六價鉻或及其衍生物進行富集后再進行測定[20-22]。本工作利用DPCI和六價鉻在酸性條件下反應生成紫紅色的絡合物，在十二烷基硫酸鈉、正丁醇、三氯甲烷形成的微乳液中，這種絡合物可以被萃取到三氯甲烷中[23]，靜置分層后，采用數字圖像比色法對三氯甲烷層中的六價鉻進行比色測定。

1 試驗部分

1.1 儀器與試劑

X180LED 型攝影燈(尺寸為14.5 cm×7.5 cm，功率為12 W，色溫為5 600 K)；華為M5手機；自制測試木盒(內部尺寸為24 cm×19 cm×12 cm)；微距鏡頭；Color Grab軟件。

六價鉻標準中間溶液:1.0 mg·L－1，由500 mg·L－1六價鉻標準溶液逐級稀釋制得。

六價鉻標準溶液系列:移取0.50，1.00，2.00，4.00，6.00，8.00 mL六價鉻標準中間溶液，加水稀釋至50.0 mL，配制成0.010，0.020，0.040，0.080，0.120，0.160 mg·L－1標準溶液系列。

顯色劑溶液:2.0 g·L－1，稱取0.2 g DPCI(分析純)，用50 mL丙酮溶解，轉移至100 mL 棕色瓶中，用水稀釋至刻度，冷藏保存。

十二烷基硫酸鈉(SDS)溶液:5.0 g·L－1，稱取0.5 g 十二烷基硫酸鈉，用水溶解并定容至100.0 mL。

正丁醇、三氯甲烷、磷酸、硫酸、十二烷基硫酸鈉均為分析純；試驗用水為超純水。

1.2 儀器工作條件

數字圖像比色裝置基體為木盒，木盒內部全部由白色A4紙鋪蓋，以避免光線反射的干擾；樣品比色皿為1 cm 玻璃比色皿；比色光源為X180LED 型攝影燈提供的面光源，位于暗箱頂部；智能手機被固定在木盒外部，通過小孔對暗箱中的顯色溶液進行拍照，手機攝像頭前安裝了微距鏡頭，手機攝像頭到比色皿的距離為4 cm；采用Color Grab軟件獲取R、G、B值中G值；在試驗拍攝過程中，要對樣品比色皿所在位置和拍攝背景進行設置以獲取穩定的顏色值。

1.3 試驗方法

取水樣50 mL 于125 mL 分液漏斗中，加入50%(體積分數，下同)硫酸溶液0.5 mL、50%(體積分數，下同)磷酸溶液0.5 mL、顯色劑溶液2.0 mL，搖勻，靜置5 min 后，加入十二烷基硫酸鈉溶液2 mL和正丁醇2 mL，搖勻后加入三氯甲烷5 mL，劇烈振搖2 min，靜置分層。將底層的三氯甲烷相轉移到樣品比色皿中，按照儀器工作條件進行測定。

2 結果與討論

2.1 三氯甲烷加入量的選擇

六價鉻與DPCI生成的紫紅色絡合物幾乎不溶于常用的有機溶劑，但是在十二烷基硫酸鈉、正丁醇、三氯甲烷形成微乳液中，這種紫色的絡合物可以通過微乳液界面從水相進入到微乳液相(三氯甲烷相，油相)中，從而完成萃取過程[24]。在萃取過程中，三氯甲烷的加入量越小，富集倍數越高，能夠檢測到的水樣中的六價鉻的含量就越低。當三氯甲烷的加入量為5 mL 時，底層的三氯甲烷相剛好能夠用于裝滿比色皿且其顏色已接近飽和，因此試驗選擇三氯甲烷的加入量為5 mL。

2.2 分析信號的選擇

本工作采用RGB三原色模型來對六價鉻的含量進行定量測定。由于六價鉻的顯色絡合物為紫紅色，其互補色為綠色，六價鉻的質量濃度變化時，Color Grab軟件獲取的R、G、B值中G值變化最大，因此試驗選用G值作為分析信號。

2.3 標準曲線和檢出限

按照試驗方法對六價鉻標準溶液系列進行測定，以六價鉻的質量濃度為橫坐標，對應的Color Grab軟件獲取的G值為縱坐標繪制標準曲線，線性范圍為0.010～0.160 mg·L－1，線性回歸方程為y＝－1207x＋241.1，相關系數為0.996 9。

按照試驗方法測定空白溶液11次，以3倍標準偏差(s)和標準曲線斜率(k)的比值計算檢出限(3s/k)，得到的檢出限為0.008 mg·L－1。

2.4 干擾試驗

水樣中六價鉻測定過程中的主要干擾物質為三價鐵，當三價鐵含量達到0.3 mg·L－1時，會對六價鉻的測定造成干擾，此時需按照國家標準方法GB 7467－1987對水樣進行預處理。

水樣的色度和渾濁度也會干擾六價鉻的比色測定。低色度、不含懸浮物的地表水不需要處理可直接進行測試；渾濁、色度較深的水樣需采用鋅鹽沉淀分離法處理后才可以進行測試；色度不太深的水樣的G值需進行校正，具體方法為:用2.0 mL丙酮代替顯色劑溶液，按照試驗方法對水樣進行測試，得到校正溶液的G值，同時測試樣品溶液和空白溶液的G值，校正后G值＝空白溶液G值－(校正溶液G值－樣品溶液G值)。

2.5 方法比對

按照試驗方法對采集的地下水和地表水樣品進行測定，未檢出六價鉻。配制低、高等2個濃度水平的水樣，分別采用本方法和國家標準方法GB 7467－1987進行測定，國家標準方法的測定值分別為0.022，0.099 mg·L－1；本方法的測定值分別為0.019，0.094 mg·L－1，所得結果相吻合。

2.6 精密度和回收率試驗

對上述配制的2個水樣進行加標回收試驗，平行測定10次，計算回收率和測定值的相對標準偏差(RSD)，結果見表1。

本工作采用自制的數字圖像比色裝置測定了水樣中的六價鉻，該裝置制作成本低、結構簡單、攜帶方便，該方法簡單、檢出限低、能夠快速實現現場水體中低含量六價鉻的測定。

表1 精密度和回收率試驗結果(n＝10)Tab.1 Results of tests for precision and recovery(n＝10)