移動點數碼圖像快速比色法測定水環境中的六價鉻

曾顯聰，李大偉

（1.珠海市西部生態環境監測中心，廣東珠海 519000； 2.珠海市生態環境技術中心，廣東珠海 519000）

鉻(Cr)是工業領域使用最廣泛的重金屬之一，具有較強的耐腐蝕性和抗氧化穩定性，在生產生活中常被用來制備不銹鋼器具，此外，不同化合價的鉻鹽具有不同的顏色，在制革行業和印染行業中常被用作漂染劑，其用量隨工業生產規模不斷擴大而逐步增加[1-2]。由于過往生產管理不當，導致大量的鉻進入土壤和地下水，對環境安全和人類健康造成了嚴重威脅[3-5]。鉻含有多種價態，但在自然界中主要存在于+3 和+6 價態。六價鉻對人體具有高度致癌作用，長期接觸可引起皮炎，損害肝腎循環，甚至嚴重損害神經組織。根據美國環境保護署的資料，六價鉻為對人體危害最大的17種化學物質之一[6-7]。

突發環境事件應急監測技術規范要求利用現場快速監測手段，在污染態勢初步判別階段要第一時間確定污染物種類、大致污染范圍，在跟蹤監測階段快速獲取污染物濃度及其變化信息，可采用的現場快速監測方法包括檢測試紙、快速檢測管、便攜式監測設備、移動監測設備及遙感等[8-11]。而在水質現場快速監測方法中，快速檢測管具有成本低廉、簡便靈活、選擇性好、檢測周期短等優點。常見的水質快速檢測管主要有真空吸入式和擠壓負壓吸入式兩種，前者采用真空玻璃管封裝化學試劑，使用時在水中折斷毛細管，利用管內真空吸入水樣反應，采用配套的三基色(RGB)電子比色計定量檢測，而后者采用半透明塑料管封裝化學試劑，使用時拔出毛細管堵頭，通過擠壓管體以負壓吸入水樣反應，對照標準色卡目視比色。從檢測操作上比較，采用塑料管封裝的擠壓吸入式檢測管更為安全和簡便，但由于采用目視比色，其結果準確度和精密度受環境光照條件和人員視力影響較大，甚至無法在夜間使用，制約了其在現場快速監測中的使用。

隨著安卓智能手機的普及，基于智能手機的數碼成像比色法受到有關領域專家的關注與研究，取得一定的實驗成果。手機數碼成像比色法本質上屬于三基色(RGB)檢測方法，基本思路是利用手機獲取樣品圖像的RGB數據，進行數學模型處理后關聯待測成分濃度進行數值化表示[12]。例如，章安良采用帶有鏤空口和吸光布的簡易拍攝臺，驗證了將銅離子檢測試紙圖像RGB 值轉換到CⅠE1931 顏色空間中，再利用與標準點的空間投影位置計算樣品濃度的可行性[13]；金超等采用木箱和LED面光源搭建的簡易裝置，對顯色的六價鉻標準液進行圖像采集分析，獲得了在RGB顏色空間中用于六價鉻檢測的最佳數學模型[14-15]等。

筆者以RGB比色法原理為理論基礎，開發了基于安卓智能手機的手持漫透射水質檢測管比色系統，實現了對前述塑封擠壓吸入式水質檢測管結果的儀器直讀，使安卓智能手機變身通用的手持式現場快速水質檢測儀，實現了水質的現場快速篩查及檢測。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

水質簡易分析試劑盒(六價鉻檢測管)：WAKCr6+，日本共立理化研究所。

安卓手機樣品檢測APP：自主開發。

漫透射比色附件：自主研發。

打印機：彩虹i3 3D 型，蕪湖森朗電子科技有限公司。

六價鉻標準溶液：100 mg/L，生態環境部標準物質研究所。

六價鉻系列標準工作溶液：分別吸取0.05、0.10、0.20、0.50、1.00、2.00 mL標準溶液于100 mL容量瓶中，用蒸餾水定容，六價鉻質量濃度分別為0.05、0.10、0.20、0.50、1.00、2.00 mg/L。

實驗用水為蒸餾水。

1.2 檢測系統的構成

檢測系統由安卓智能手機、自主研發的漫透射比色附件及安卓手機應用軟件(APP)組成(如圖1所示)。其中，漫透射比色附件是一個可固定在手機上與攝像頭吻合，具有活動翻蓋的暗盒，內置電池、光源、控制電路、特殊光路結構的樣品檢測管插位，為樣品檢測提供持續穩定的內部光照環境；手機攝像頭提供實時的樣品圖像RGB數據；手機APP為用戶提供操作界面和數據處理功能。

1.3 安卓手機樣品檢測APP的功能設計

考慮現場快速檢測的需要，樣品檢測手機應用在用戶界面、功能設置、檢測流程上盡量簡單化。應用界面見圖2。主要包括樣品實時圖像與實時RGB數據顯示區、方法信息與結果顯示區、用戶交互按鈕區、樣品數據列表區、下拉式功能菜單等。主要功能包括：檢測方法的建立、保存與調用，檢測結果的保存、調閱與輸出等。其中樣品數據列表保存所有原始數據，可隨時更換數學模型對樣品數據進行再處理。由于采用穩定可靠的光源和光路設計，用戶可預先建立并存儲檢測方法和工作曲線供隨時調用。

圖2 安卓手機應用界面Fig.2 Android phone application interface

1.4 實驗步驟

把比色附件正確安裝到安卓智能手機上，保證附件的觀測口與手機攝像頭吻合不漏光，開啟比色附件電源開關，啟動樣品檢測手機應用，設置合適的攝像參數并預熱。為保證測定條件的一致性和可重復性，要求手機的攝像頭必須具備手動白平衡和手動曝光補償調整功能，預熱時間應在3 min以上。

取1.5 mL樣品溶液置于表面皿中，拔出六價鉻檢測管頂端密封線，擠出空氣，把標準溶液全部吸入管中，搖晃均勻，顯色2 min后置于比色附件的樣品管插位中，通過樣品檢測手機應用進行攝像分析，測定前先用充裝蒸餾水的空白檢測管對系統調滿度。

2 結果與分析

2.1 光源的選擇

LED體積小、功耗低、亮度高，是手持光學檢測儀器的理想光源，手機攝像頭內置拜爾濾鏡中心波長分別約為650、540、450 nm (見圖3)。通過測試，采用6 000 K 色溫的LED (見圖4)可獲得與手機攝像頭較為匹配的RGB混合光。

圖3 拜爾濾鏡光譜特性曲線Fig.3 Spectral characteristic curve of Bayer filter

圖4 6 000 K色溫LED光譜Fig.4 Spectrum of 6 000 K color temperature LED

2.2 比色附件光路設計

由于檢測管材質是半透明塑料，光線穿過管壁后以漫透射形式傳播。為確定最佳光照方案，采用同組顯色后的標準系列檢測管分別進行徑向和軸向光照實驗。結果表明，徑向照射因管體受擠壓發生變形，不同檢測管難以在相同觀測位置獲取亮度均勻的圖像，而軸向照射則避免了徑向變形的影響，可在固定觀測位置獲取不同檢測管的理想光照圖像。

2.3 樣品圖像數據的獲取與處理

為獲取實時的樣品RGB數據，樣品檢測手機應用直接讀取手機攝像頭的實時預覽圖像數據，從中截取預設的矩形視口中的像素數據，分別統計所有像素的RGB均值，再進行時間積分統計和響應值數學模型計算。為確定六價鉻檢測數據處理的最佳數學模型，按實驗方法，首先采用檢測管對六價鉻系列標準溶液進行吸液顯色，然后上機檢測獲取樣品的漫透射圖像(見圖5)，對顏色均勻區域采樣，統計出樣品的RGB測定數據見表1。

表1 六價鉻系列標準樣品漫透射RGB數據Tab.1 Diffuse transmitted RGB data of standard samples of hexavalent chromium series

圖5 顯色后的六價鉻系列標準溶液漫透射圖像Fig.5 Diffuse transmission image of hexavalent chromium series standard solution after color development

采用不同數學模型計算的六價鉻標準系列溶液RGB響應值與溶液濃度建立工作曲線，所得工作曲線與線性相關系數見表2，最終選用線性相關系數最大且曲線截距最小的工作曲線所對應的數學模型進行樣品響應值計算。計算結果顯示，六價鉻樣品數碼圖像的G 和B 通道的加和亮度值符合朗伯-比爾定律，其吸光度與濃度成線性關系，線性相關系數大于0.999。表明所采用的漫透射比色法和相關數學模型，能較好地利用塑封擠壓吸入式水質檢測管對水質六價鉻進行定量檢測。

表2 采用數學模型所得標準曲線線性方程及相關系數Tab.2 Shows the working curve and linear correlation coefficient obtained by mathematical model

2.4 精密度、準確度和檢出限

采用WAK 系列的六價鉻檢測管，調用前期實驗確定的圖像采集條件和工作曲線進行精密度和準確度實驗，分別對濃度為0.50和1.00 mg/L的標準樣品進行7 次重復測定，兩個批次重復測定的相對標準偏差分別為0.76%和0.71%（見表3），滿足相關環境標準室內相對標準偏差的要求，表明該方法具有良好精密度和重復性。按照HJ 168—2020 《環境監測分析方法標準制定技術導則》的要求，采用空白加標樣品，按照樣品分析步驟，重復測定7 次，計算測定結果的標準偏差，置信度為99%時的t值為3.143，計算檢出限。方法檢出限為0.02 mg/L，可以滿足現場應急監測樣本初步篩查的需求。

表3 標準樣品測定精密度試驗結果Tab.3 Precision experiment results of standard sample determination

分別量取2 個電鍍企業外排污水樣品50.00 mL，加入1.00 mL的5 mg/L六價鉻標準溶液制得加標濃度為0.1 mg/L 的加標樣品，采用國標分光光度法和移動點數碼圖像快速比色法檢測原樣和加標樣的六價鉻，結果見表4。

表4 實際樣品實驗結果Tab.4 Actual sample experimental results

與國標法相比，移動點數碼圖像快速比色法表現出較高的準確度，加標回收率90%～100%，滿足相關環境標準基體加標回收率80%～120%的要求，表明移動點數碼圖像快速比色法在污水快速檢測中具有可靠的準確性。

3 結語

根據RGB比色法原理，研發了基于安卓智能手機的手持漫透射水質檢測管比色系統，建立了移動點數碼圖像快速比色法，使安卓智能手機成為通用的手持式水質檢測儀，配合塑封擠壓吸入式水質檢測管，實現了現場水質快速準確檢測。以六價鉻為例建立了檢測方法和工作曲線，對標準樣品和實際水樣的實驗結果表明，所研發的手持檢測系統和檢測方法在精密度和準確度方面均滿足相關環境監測標準的要求，在突發環境應急事件處置、環境執法巡查、污染源篩查等應用場景具有較高的實用價值。