移动点数码图像快速比色法测定水环境中的六价铬

曾显聪，李大伟

（1.珠海市西部生态环境监测中心，广东珠海 519000； 2.珠海市生态环境技术中心，广东珠海 519000）

铬(Cr)是工业领域使用最广泛的重金属之一，具有较强的耐腐蚀性和抗氧化稳定性，在生产生活中常被用来制备不锈钢器具，此外，不同化合价的铬盐具有不同的颜色，在制革行业和印染行业中常被用作漂染剂，其用量随工业生产规模不断扩大而逐步增加[1-2]。由于过往生产管理不当，导致大量的铬进入土壤和地下水，对环境安全和人类健康造成了严重威胁[3-5]。铬含有多种价态，但在自然界中主要存在于+3 和+6 价态。六价铬对人体具有高度致癌作用，长期接触可引起皮炎，损害肝肾循环，甚至严重损害神经组织。根据美国环境保护署的资料，六价铬为对人体危害最大的17种化学物质之一[6-7]。

突发环境事件应急监测技术规范要求利用现场快速监测手段，在污染态势初步判别阶段要第一时间确定污染物种类、大致污染范围，在跟踪监测阶段快速获取污染物浓度及其变化信息，可采用的现场快速监测方法包括检测试纸、快速检测管、便携式监测设备、移动监测设备及遥感等[8-11]。而在水质现场快速监测方法中，快速检测管具有成本低廉、简便灵活、选择性好、检测周期短等优点。常见的水质快速检测管主要有真空吸入式和挤压负压吸入式两种，前者采用真空玻璃管封装化学试剂，使用时在水中折断毛细管，利用管内真空吸入水样反应，采用配套的三基色(RGB)电子比色计定量检测，而后者采用半透明塑料管封装化学试剂，使用时拔出毛细管堵头，通过挤压管体以负压吸入水样反应，对照标准色卡目视比色。从检测操作上比较，采用塑料管封装的挤压吸入式检测管更为安全和简便，但由于采用目视比色，其结果准确度和精密度受环境光照条件和人员视力影响较大，甚至无法在夜间使用，制约了其在现场快速监测中的使用。

随着安卓智能手机的普及，基于智能手机的数码成像比色法受到有关领域专家的关注与研究，取得一定的实验成果。手机数码成像比色法本质上属于三基色(RGB)检测方法，基本思路是利用手机获取样品图像的RGB数据，进行数学模型处理后关联待测成分浓度进行数值化表示[12]。例如，章安良采用带有镂空口和吸光布的简易拍摄台，验证了将铜离子检测试纸图像RGB 值转换到CⅠE1931 颜色空间中，再利用与标准点的空间投影位置计算样品浓度的可行性[13]；金超等采用木箱和LED面光源搭建的简易装置，对显色的六价铬标准液进行图像采集分析，获得了在RGB颜色空间中用于六价铬检测的最佳数学模型[14-15]等。

笔者以RGB比色法原理为理论基础，开发了基于安卓智能手机的手持漫透射水质检测管比色系统，实现了对前述塑封挤压吸入式水质检测管结果的仪器直读，使安卓智能手机变身通用的手持式现场快速水质检测仪，实现了水质的现场快速筛查及检测。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

水质简易分析试剂盒(六价铬检测管)：WAKCr6+，日本共立理化研究所。

安卓手机样品检测APP：自主开发。

漫透射比色附件：自主研发。

打印机：彩虹i3 3D 型，芜湖森朗电子科技有限公司。

六价铬标准溶液：100 mg/L，生态环境部标准物质研究所。

六价铬系列标准工作溶液：分别吸取0.05、0.10、0.20、0.50、1.00、2.00 mL标准溶液于100 mL容量瓶中，用蒸馏水定容，六价铬质量浓度分别为0.05、0.10、0.20、0.50、1.00、2.00 mg/L。

实验用水为蒸馏水。

1.2 检测系统的构成

检测系统由安卓智能手机、自主研发的漫透射比色附件及安卓手机应用软件(APP)组成(如图1所示)。其中，漫透射比色附件是一个可固定在手机上与摄像头吻合，具有活动翻盖的暗盒，内置电池、光源、控制电路、特殊光路结构的样品检测管插位，为样品检测提供持续稳定的内部光照环境；手机摄像头提供实时的样品图像RGB数据；手机APP为用户提供操作界面和数据处理功能。

1.3 安卓手机样品检测APP的功能设计

考虑现场快速检测的需要，样品检测手机应用在用户界面、功能设置、检测流程上尽量简单化。应用界面见图2。主要包括样品实时图像与实时RGB数据显示区、方法信息与结果显示区、用户交互按钮区、样品数据列表区、下拉式功能菜单等。主要功能包括：检测方法的建立、保存与调用，检测结果的保存、调阅与输出等。其中样品数据列表保存所有原始数据，可随时更换数学模型对样品数据进行再处理。由于采用稳定可靠的光源和光路设计，用户可预先建立并存储检测方法和工作曲线供随时调用。

图2 安卓手机应用界面Fig.2 Android phone application interface

1.4 实验步骤

把比色附件正确安装到安卓智能手机上，保证附件的观测口与手机摄像头吻合不漏光，开启比色附件电源开关，启动样品检测手机应用，设置合适的摄像参数并预热。为保证测定条件的一致性和可重复性，要求手机的摄像头必须具备手动白平衡和手动曝光补偿调整功能，预热时间应在3 min以上。

取1.5 mL样品溶液置于表面皿中，拔出六价铬检测管顶端密封线，挤出空气，把标准溶液全部吸入管中，摇晃均匀，显色2 min后置于比色附件的样品管插位中，通过样品检测手机应用进行摄像分析，测定前先用充装蒸馏水的空白检测管对系统调满度。

2 结果与分析

2.1 光源的选择

LED体积小、功耗低、亮度高，是手持光学检测仪器的理想光源，手机摄像头内置拜尔滤镜中心波长分别约为650、540、450 nm (见图3)。通过测试，采用6 000 K 色温的LED (见图4)可获得与手机摄像头较为匹配的RGB混合光。

图3 拜尔滤镜光谱特性曲线Fig.3 Spectral characteristic curve of Bayer filter

图4 6 000 K色温LED光谱Fig.4 Spectrum of 6 000 K color temperature LED

2.2 比色附件光路设计

由于检测管材质是半透明塑料，光线穿过管壁后以漫透射形式传播。为确定最佳光照方案，采用同组显色后的标准系列检测管分别进行径向和轴向光照实验。结果表明，径向照射因管体受挤压发生变形，不同检测管难以在相同观测位置获取亮度均匀的图像，而轴向照射则避免了径向变形的影响，可在固定观测位置获取不同检测管的理想光照图像。

2.3 样品图像数据的获取与处理

为获取实时的样品RGB数据，样品检测手机应用直接读取手机摄像头的实时预览图像数据，从中截取预设的矩形视口中的像素数据，分别统计所有像素的RGB均值，再进行时间积分统计和响应值数学模型计算。为确定六价铬检测数据处理的最佳数学模型，按实验方法，首先采用检测管对六价铬系列标准溶液进行吸液显色，然后上机检测获取样品的漫透射图像(见图5)，对颜色均匀区域采样，统计出样品的RGB测定数据见表1。

表1 六价铬系列标准样品漫透射RGB数据Tab.1 Diffuse transmitted RGB data of standard samples of hexavalent chromium series

图5 显色后的六价铬系列标准溶液漫透射图像Fig.5 Diffuse transmission image of hexavalent chromium series standard solution after color development

采用不同数学模型计算的六价铬标准系列溶液RGB响应值与溶液浓度建立工作曲线，所得工作曲线与线性相关系数见表2，最终选用线性相关系数最大且曲线截距最小的工作曲线所对应的数学模型进行样品响应值计算。计算结果显示，六价铬样品数码图像的G 和B 通道的加和亮度值符合朗伯-比尔定律，其吸光度与浓度成线性关系，线性相关系数大于0.999。表明所采用的漫透射比色法和相关数学模型，能较好地利用塑封挤压吸入式水质检测管对水质六价铬进行定量检测。

表2 采用数学模型所得标准曲线线性方程及相关系数Tab.2 Shows the working curve and linear correlation coefficient obtained by mathematical model

2.4 精密度、准确度和检出限

采用WAK 系列的六价铬检测管，调用前期实验确定的图像采集条件和工作曲线进行精密度和准确度实验，分别对浓度为0.50和1.00 mg/L的标准样品进行7 次重复测定，两个批次重复测定的相对标准偏差分别为0.76%和0.71%（见表3），满足相关环境标准室内相对标准偏差的要求，表明该方法具有良好精密度和重复性。按照HJ 168—2020 《环境监测分析方法标准制定技术导则》的要求，采用空白加标样品，按照样品分析步骤，重复测定7 次，计算测定结果的标准偏差，置信度为99%时的t值为3.143，计算检出限。方法检出限为0.02 mg/L，可以满足现场应急监测样本初步筛查的需求。

表3 标准样品测定精密度试验结果Tab.3 Precision experiment results of standard sample determination

分别量取2 个电镀企业外排污水样品50.00 mL，加入1.00 mL的5 mg/L六价铬标准溶液制得加标浓度为0.1 mg/L 的加标样品，采用国标分光光度法和移动点数码图像快速比色法检测原样和加标样的六价铬，结果见表4。

表4 实际样品实验结果Tab.4 Actual sample experimental results

与国标法相比，移动点数码图像快速比色法表现出较高的准确度，加标回收率90%～100%，满足相关环境标准基体加标回收率80%～120%的要求，表明移动点数码图像快速比色法在污水快速检测中具有可靠的准确性。

3 结语

根据RGB比色法原理，研发了基于安卓智能手机的手持漫透射水质检测管比色系统，建立了移动点数码图像快速比色法，使安卓智能手机成为通用的手持式水质检测仪，配合塑封挤压吸入式水质检测管，实现了现场水质快速准确检测。以六价铬为例建立了检测方法和工作曲线，对标准样品和实际水样的实验结果表明，所研发的手持检测系统和检测方法在精密度和准确度方面均满足相关环境监测标准的要求，在突发环境应急事件处置、环境执法巡查、污染源筛查等应用场景具有较高的实用价值。