RGB模式快速圖像比色法測定高錳酸鉀

毛月英

（北京農業職業學院，北京 102442）

高錳酸鉀是一種強氧化劑，易發生爆炸，屬于管控危險化學品。在化學品生產中高錳酸鉀廣泛用作氧化劑[1]；在醫藥中用作消毒劑；在水質凈化中用作水處理劑等[2-3]。除此之外，高錳酸鉀的氧化性，也廣泛應用于分析化學領域。

由于高錳酸鉀的氧化性，在與還原性物質發生反應時，高錳酸鉀溶液會出現不同程度的褪色現象，可利用其吸光度值的減少量，測定還原性物質的含量。如溫欣榮等[4]基于茶多酚能使高錳酸鉀褪色這一特性，建立了光度法測定茶多酚含量的方法。左國強等[5]利用高錳酸鉀的氧化性，建立了光度法測定維生素C含量的方法。王曉玲等[6]建立了光度法測定鹽酸氯丙嗪含量的方法。牟城健等[7]建立了堿性條件下高錳酸鉀光度法測定鹽酸肼屈嗪含量的方法。曾少甫等[8]建立了食品接觸橡膠中高錳酸鉀消耗量的測定方法。上述文獻方法，最終都需要通過分光光度法測定高錳酸鉀的含量，從而達到分析目的。

已有研究報道利用圖像比色法測定還原糖、鐵、石油類物質的含量[9-11]。王嘉輝等[12-13]研究了RGB值在圖像比色法中的應用。筆者建立了RGB 模式下快速圖像比色法定量測定高錳酸鉀溶液濃度的方法，對拍照條件、讀取RGB 值時像素的位置及模型方程進行優化，并對方法進行驗證，為高錳酸鉀在分析檢測領域的廣泛便捷應用提供參考。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

紫外分光光度計：T6 型，北京普析通用儀器有限責任公司。

高錳酸鉀：分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

實驗用水為蒸餾水。

1.2 實驗方法

1.2.1 系列高錳酸鉀標準溶液的配制

稱取0.287 3 g 高錳酸鉀固體，置于燒杯中溶解后，全部轉移入1 000 mL 容量瓶，定容，搖勻，此高錳酸鉀儲備溶液濃度為100 mg/mL（以高錳酸鉀中具有氧化性的Mn+7計）。

分別移取0.00、1.00、2.00、3.00、4.00、5.00 mL高錳酸鉀儲備溶液于50 mL 容量瓶中，定容，搖勻，得到系列高錳酸鉀標準溶液，其質量濃度分別為0.00、2.00、4.00、6.00、8.00、10.00 mg/mL。

1.2.2 樣品測定

在室內光源條件下，將系列高錳酸鉀標準溶液依次裝入1 cm比色皿中，固定比色皿位置。用支架固定手機進行拍照，調節手機與比色皿光面的距離為15 cm。標準溶液與樣品溶液均采用以上方法拍照，以減少誤差。讀取溶液RGB 值，這一步操作可通過截圖工具方便實現。繪制圖像比色法的標準曲線，并用于測定樣品溶液濃度。

2 結果與討論

2.1 高錳酸鉀光吸收特性

如果兩種單色光按照一定的強度比例混合，可以得到白光，那這兩種單色光就稱為互補色光，這種現象就稱為光的互補[14]。人眼能看到的溶液的顏色，就是其吸收光的互補色。當一束白光通過高錳酸鉀溶液時，該溶液會選擇性地吸收綠光，人眼看到溶液的顏色就是綠光的互補光，即紫光的顏色。圖1 為高錳酸鉀的光吸收曲線，由圖1 可知，高錳酸鉀最大吸收波長為525 nm（綠色光）。

圖1 高錳酸鉀溶液的光吸收曲線Fig.1 Light absorption curve of KMnO4

2.2 基于分光光度法的標準曲線

按照1.2.1 配制系列高錳酸鉀標準溶液，在525 nm處測定其吸光度值，以高錳酸鉀質量濃度為橫坐標，以吸光度值為縱坐標，繪制標準曲線，標準曲線的線性方程見表1(分光光度法）。圖像比色法系列標準溶液的照片如圖2所示。

表1 不同測試方法得到的標準曲線擬合方程Tab.1 Standard curves obtained by different methods

圖2 系列高錳酸鉀標準溶液圖片Fig.2 Standard series solution of KMnO4

2.3 圖像比色法的模型構建

經過觀察，選擇像素范圍為寬度30 高度140 為截圖區域，可避開比色皿邊框和液面處，保證取值范圍為均勻的溶液，如圖3所示。

圖3 圖像比色法1獲取RGB值示意圖Fig.3 Schematic diagram of obtaining RGB values using image colorimetry method 1

按照上述方法，將6 個標準溶液逐一截圖讀取RGB 值，每個溶液讀3 次值，結果見圖4。由圖4 可見，R值和B值隨溶液濃度變化不大，而G值隨溶液濃度升高而線性下降。這是由于高錳酸鉀分子選擇性吸收綠光（最大吸收波長525 nm附近），其吸收程度與溶液濃度成正比。

圖4 標準溶液按照圖像比色法1得到的RGB值分布Fig.4 RGB value distribution obtained by image colorimetric method 1

基于以上分析，圖像比色法模型構建思路如下：

假設匹配的目標色為C，R（紅色）、G（綠色）、B（藍色）為三原色，假設C、R、G、B分別標記為目標色及三原色的量值。當三原色按照一定比例混合，實現與目標色（C）的匹配時，則有以下關系式成立：

式（1）為RGB三原色顏色匹配方程[15]。根據該顏色匹配方程，顏色可以用匹配該顏色的三原色的量來表示。該方程將主觀視覺上的顏色用客觀可量化的數值來表示，因此可以通過測定有色溶液的RGB值來確定待測組分的含量。

高錳酸鉀溶液會吸收白光中的綠色光，由朗伯比爾定律可知，其對綠色光（波長為525 nm）的吸收程度與溶液濃度成正比。對于高錳酸鉀溶液顏色深淺的表達，可以通過其互補色（綠色G）與飽和值255的差值（255-G）來表示。

基于上述原理，可以對高錳酸鉀溶液顏色的RGB值與溶液濃度之間建立如下數學模型：

式中：G——三原色中綠色的量值，可以在線讀??；

255-G——綠色與飽和值255的差值；

kG——標準曲線的斜率；

c——高錳酸鉀溶液的濃度；

a——標準曲線的截距。

利用式（2）對圖4的數據進行擬合，擬合結果見表1（圖像比色法1）。得到的擬合方程相關系數r=0.995，顯示圖4的RGB值與溶液濃度之間的相關性較好，p值=9.0×10-5，p＜0.05。顯示模型具有顯著性。

2.4 圖像比色法的模型優化

上述圖像比色法得到的標準曲線相關系數r值大于0.99，與分光光度法相比（相關系數r=0.999 9）還有差距。經過觀察分光光度計的儀器構造，發現光路僅從比色皿的中上部通過，且通過溶液的光路橫截面積較小。圖像比色法的取值區域較大（30×140），橫跨比色皿的上中下部分。在室內光源條件下，比色皿上中下不同部位的光照條件差異較大（圖3）。

為了提高測定的準確性，將讀取RGB值的像素位置及像素大小固定下來。同時，減少讀取區域的上下跨度，將取值區域從30×140 縮減為30×15。截圖區域開始像素點坐標為（665，376），截圖結束像素點坐標為（694，390），讀取RGB 值的區域為30×15大小的矩形。

按照優化后的圖像比色法讀取標準溶液的RGB 值，結果見表2。按照式（2）對得到的RGB 值進行計算，得到255-G值，參考分光光度法，將255-G 值扣除質量濃度值為0.00 mg/mL 的背景，得到(255-G)s。以(255-G)s對高錳酸鉀溶液的濃度進行線性回歸，擬合結果見表1（圖像比色法2），擬合得到的線性 方程相關系數r為0.999 7，p=1.3×10-7，p＜0.05。優化后的模型擬合效果較好，p值結果小于0.05，顯示模型具有顯著性，可以用于定量分析。

表2 圖像比色法2所得標準溶液的RGB值Tab.2 RGB value obtained by image colorimetric method 2

2.5 方法的驗證

分別采用分光光度計和快速圖像比色法對高錳酸鉀實際樣品進行定量檢測，以驗證優化模型的可靠性與準確性，結果見表3。

表3 實際樣品測定結果Tab.3 Determination results of the sample

由表3 可見，用快速圖像比色法得到的檢測結果與分光光度計得到的檢測結果絕對誤差為0.093 mg/mL，相對誤差為2.2%。而分光光度法的相對誤差為2%～5%，說明快速圖像比色法的準確度和分光光度法相比基本一致。在不具備分光光度計儀器條件情況下，不需要配備專業的拍攝裝置，就可以實現對高錳酸鉀這類有色溶液的準確快速測定，因此，在智能手機普及的情況下，快速圖像比色法的應用范圍更加廣泛。

3 結語

利用快速圖像比色法實現了高錳酸鉀溶液濃度的準確定量測定。在室內光源條件下，將裝有樣品的比色皿和手機拍攝位置固定，保證在同一條件下拍攝標準溶液和待測樣品。在讀取圖像RGB值時，優化讀取RGB 值的像素位置[像素點坐標從（665,376）至（694，390）矩形區域]及像素大?。?0×15），降低外在因素對測定結果的影響。該方法成功應用于高錳酸鉀實際樣品的測定，結果與分光光度法保持一致。與分光光度法相比，該方法具有操作簡單、脫離儀器限制的優勢，在環境保護、食品藥品、水質監測等領域將大有作為。該研究結果，可為高錳酸鉀在分析測試領域的廣泛便捷應用提供參考。