基于標(biāo)準(zhǔn)差傳遞規(guī)律的手機(jī)比色法測(cè)定亞甲基藍(lán)溶液

周 佳，唐傳球

(漢江師范學(xué)院 生物化學(xué)與環(huán)境工程系，湖北 十堰 442000)

基于標(biāo)準(zhǔn)差傳遞規(guī)律的手機(jī)比色法測(cè)定亞甲基藍(lán)溶液

周 佳*，唐傳球

(漢江師范學(xué)院 生物化學(xué)與環(huán)境工程系，湖北 十堰 442000)

采用基于誤差傳遞規(guī)律的手機(jī)比色法測(cè)定亞甲基藍(lán)溶液，根據(jù)顏色三原色值RGB與灰度值Gr之間的關(guān)系，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)差傳遞公式的運(yùn)算，從理論上證實(shí)了間接測(cè)量法的可行性。分析了不同光照環(huán)境對(duì)采集照片質(zhì)量的影響，將3款不同型號(hào)的手機(jī)作為采樣工具進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，間接測(cè)量法的精密度顯著提高，3款手機(jī)圖片顏色的間接測(cè)量值XR、XG、XB與亞甲基藍(lán)質(zhì)量濃度C之間的變化趨勢(shì)一致，其中XB與質(zhì)量濃度C成正比，據(jù)此建立了亞甲基藍(lán)質(zhì)量濃度測(cè)定的新方法。該方法對(duì)樣品測(cè)定的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.7%～4.8%，加標(biāo)回收率為91.3%～101%，其穩(wěn)定性、精密度和準(zhǔn)確度均符合測(cè)定需求。

標(biāo)準(zhǔn)差；手機(jī)比色法；亞甲基藍(lán)

亞甲基藍(lán)(Methylene blue,MB)是一種常見(jiàn)的化學(xué)試劑，作為紡織工業(yè)的染料和各類(lèi)化學(xué)實(shí)驗(yàn)指示劑廣泛應(yīng)用。亞甲基藍(lán)不能生物降解，水溶液呈現(xiàn)低毒性[1-2]，隨意排放含有亞甲基藍(lán)的廢水，會(huì)造成水體污染。

亞甲基藍(lán)的測(cè)定主要有分光光度法(SP)[3]、高效液相色譜法(HPLC)[4]等。分光光度法的應(yīng)用最為廣泛，其儀器簡(jiǎn)單，測(cè)定方便，但難以滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)定需求；高效液相色譜法的準(zhǔn)確性和靈敏性高，但所需設(shè)備價(jià)格高、操作繁瑣。因此，開(kāi)發(fā)一種高效簡(jiǎn)捷的亞甲基藍(lán)測(cè)定方法十分必要。

楊傳孝等[5-6]在測(cè)定水樣中總磷的過(guò)程中，根據(jù)生成藍(lán)色絡(luò)合物的顏色與數(shù)碼相機(jī)成像的RGB值之間的關(guān)系，建立了數(shù)碼比色法(DIC)?；跀?shù)碼相機(jī)成像，研究者又進(jìn)行了打印機(jī)成像比色法[7]、手機(jī)成像比色法[8]研究，與傳統(tǒng)的測(cè)定方法相比，數(shù)碼比色法分析更加直觀，研究者通過(guò)選定圖片區(qū)域的RGB值實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物濃度的檢測(cè)。手機(jī)作為一種日常生活工具，自帶拍照功能，基于手機(jī)拍照功能的比色分析法被研究者所關(guān)注。由于外界光照條件的影響，手機(jī)在不同環(huán)境下拍攝的圖片效果不同，直接利用圖片顏色的RGB值或灰度值Gr分析樣品濃度時(shí)，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差較大。

在分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，物理量的測(cè)定包括直接測(cè)定和間接測(cè)定，直接測(cè)定用于易測(cè)定、精密度高的實(shí)驗(yàn)，間接測(cè)定用于不易測(cè)定、受多種因素影響的實(shí)驗(yàn)。一個(gè)函變量與多個(gè)變量存在關(guān)聯(lián)性，該函變量的誤差與多個(gè)變量有關(guān)，借助誤差傳遞規(guī)律，運(yùn)用誤差傳遞公式分析誤差，可以降低直接測(cè)量的誤差，提升測(cè)定的穩(wěn)定性。手機(jī)比色測(cè)定過(guò)程中，直接測(cè)定的顏色量值容易受拍攝環(huán)境的影響，導(dǎo)致測(cè)定結(jié)果存在較大的誤差。本實(shí)驗(yàn)提出了基于標(biāo)準(zhǔn)差傳遞規(guī)律的手機(jī)比色法，有效降低了光照條件對(duì)樣品濃度測(cè)定的誤差，并用于亞甲基藍(lán)樣品的測(cè)定。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

iPhone 5和iPhone 5S 智能手機(jī)(美國(guó)蘋(píng)果公司)、Coolpad 5263S(酷派公司)、MI NOTE LTE(小米公司)，均采用自動(dòng)模式拍照；顏色軟件Color Picker，在蘋(píng)果商店下載；LED 燈(3W，佛山市享域燈飾有限公司)；分光光度計(jì)(山東高密儀器廠)；自制拍攝泡沫箱，長(zhǎng)、寬、高分別為38、25、15 cm，上端開(kāi)孔，放置拍攝光源，側(cè)壁開(kāi)口，供拍照使用，箱體內(nèi)壁以A4紙作為內(nèi)襯，在箱體底部作位置標(biāo)記，放置2 cm比色皿。

亞甲基藍(lán)標(biāo)準(zhǔn)溶液：配制成質(zhì)量濃度為1 000 mg/L的亞甲基藍(lán)儲(chǔ)備溶液，4 ℃保存，實(shí)驗(yàn)試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為娃哈哈純凈水。

1.2 樣品的制備

取0.5、1、2、3、4 mL亞甲基藍(lán)標(biāo)準(zhǔn)溶液于100 mL容量瓶中，稀釋至刻度后搖勻，得到亞甲基藍(lán)的質(zhì)量濃度分別為5、10、20、30、40 mg/L，移至2 cm比色皿中供手機(jī)拍照。運(yùn)用手機(jī)中的Color Picker軟件導(dǎo)出RGB值，在誤差傳遞規(guī)律基礎(chǔ)上，擬合出亞甲基藍(lán)濃度的標(biāo)準(zhǔn)曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 標(biāo)準(zhǔn)差傳遞原理

在數(shù)碼比色法中，研究者通過(guò)顏色軟件分析樣品圖片的三原色值RGB或灰度值Gr，利用其中單一數(shù)值，建立與待測(cè)樣品濃度間的線性關(guān)系。然而在實(shí)際測(cè)定過(guò)程中，這些值易受拍攝距離、光照條件的影響，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不穩(wěn)定。

為了降低誤差對(duì)測(cè)定的影響，需找到與單一函數(shù)量相關(guān)的多個(gè)測(cè)試變量，使結(jié)果值的誤差與多次測(cè)試變量誤差相聯(lián)系，找出合成誤差最小的測(cè)量方法[9-10]。穩(wěn)定狀態(tài)下樣品的顏色保持不變，具有客觀性，三原色值RGB與Gr存在關(guān)聯(lián)性，可用數(shù)學(xué)公式(1)[11-12]表示。隨著拍攝環(huán)境的變化，顏色變量同步發(fā)生改變，若以單一變量作為測(cè)定濃度的標(biāo)準(zhǔn)，直接誤差較大。以XR、XG、XB分別表示RGB值與灰度值Gr之間的函數(shù)關(guān)系，建立顏色變量的間接測(cè)量關(guān)系，其中XR用數(shù)學(xué)公式(2)表示，XG、XB同理可得。

Gr=0.299R+0.587G+0.114B

(1)

(2)

XR、XG、XB為樣品顏色間接測(cè)量值，XR與RGB之間的關(guān)系可用函數(shù)式(3)表示，對(duì)式(3)取微分，按照泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)導(dǎo)出誤差傳遞公式(4)，將式(2)代入式(4)，得到式(5)：

XR=f(R，G，B)

(3)

(4)

(5)

式(5)除以XR的平方，可得到式(6)：

(6)

圖1 LED燈(A)和iPhone 5手機(jī)燈(B)采集圖片，以及兩組光照環(huán)境下三原色值(C)、(E)與標(biāo)準(zhǔn)差(D)、(F)Fig.1 The images obtained under LED(A) and iPhone 5(B),the values of three-primary colours(C)，(E) and standard deviation(D)，(F) in two groups of illumination

由于亞甲基藍(lán)的顏色呈藍(lán)色，RGB值均為正值，由式(6)計(jì)算可知，誤差傳遞規(guī)律處理的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于未處理的標(biāo)準(zhǔn)偏差，理論上證明了誤差傳遞法的優(yōu)勢(shì)。

2.2 誤差傳遞法的應(yīng)用

2.2.1拍攝環(huán)境的選擇為了考察誤差傳遞規(guī)律在手機(jī)比色法中的可靠性，在二組拍攝環(huán)境下，改變樣品位置，使用iPhone 5S手機(jī)對(duì)MB樣品(5 mg/L)進(jìn)行拍照，對(duì)得到的R、G、B值及對(duì)應(yīng)的XR、XG、XB數(shù)值進(jìn)行分析，比較結(jié)果，見(jiàn)圖1。

第一組將LED燈置于箱體上方開(kāi)口內(nèi)，手機(jī)位置固定不變，改變比色皿位置，與手機(jī)垂直距離10～15 cm，左右距離1 cm范圍內(nèi)進(jìn)行圖片采集(n=30)；第二組以iPhone 5手機(jī)燈作為光源，置于箱體上端開(kāi)口處進(jìn)行拍照，整個(gè)箱體保證密閉性，拍攝過(guò)程同第一組。

由圖1A和B可知，第一組在箱體內(nèi)拍照，LED燈所接電源是220 V交流電，拍攝過(guò)程中手機(jī)屏幕上出現(xiàn)了頻閃，產(chǎn)生明顯的干擾，測(cè)定的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差增大；第二組采用手機(jī)鋰離子電池產(chǎn)生的電源，屬于直流電，樣品位于手機(jī)光源正下方，圖片質(zhì)量明顯提高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，直流電面光源更適合圖片的采集。進(jìn)一步對(duì)30組取樣圖片進(jìn)行分析，兩組光照環(huán)境下得到的三原色值和標(biāo)準(zhǔn)差見(jiàn)圖1C～F。由圖1C和E可以看出，LED光源下測(cè)得的RGB值比手機(jī)光源下測(cè)定值波動(dòng)大，誤差明顯。相比之下，經(jīng)過(guò)誤差傳遞之后，兩組得到的XR、XG、XB數(shù)值波動(dòng)小，手機(jī)光源產(chǎn)生的誤差更小，如圖1D和F所示。這充分說(shuō)明在手機(jī)光源下采集的圖片顏色均勻，誤差傳遞處理后提升了測(cè)試靈敏度。

在兩組拍攝環(huán)境下得到的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，按照相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算公式，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差傳遞前后的R、G和B值對(duì)應(yīng)的RSD，如圖2所示。結(jié)果表明，拍攝環(huán)境對(duì)溶液顏色的RGB值產(chǎn)生了較大影響，經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)差傳遞處理后的誤差顯著降低，二組實(shí)驗(yàn)的精密度明顯提升。

2.2.2不同手機(jī)對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響研究為了驗(yàn)證不同手機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)差傳遞規(guī)律中對(duì)樣品測(cè)定的適用性，在小米MI NOTE LTE手機(jī)光源下分別用iPhone 5S、iPhone 5、Coolpad 5263S等手機(jī)，以MB樣品(5 mg/L)為實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行拍照，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，結(jié)果見(jiàn)表1。結(jié)果表明，3款手機(jī)拍攝的圖片存在細(xì)微差異。標(biāo)準(zhǔn)差傳遞前后的R、G和B值對(duì)應(yīng)的RSD顯示，3款手機(jī)測(cè)定結(jié)果的精密度均大幅提升，XR、XG、XB變化趨勢(shì)相同。同時(shí)對(duì)比手機(jī)參數(shù)可以看到，不同品牌手機(jī)拍攝圖片處理后的XR、XG、XB值略有差別，iPhone 5S改變最為明顯，其次是iPhone 5和酷派。iPhone 5S 和iPhone 5所拍攝圖像的像素相同，光圈值越小，進(jìn)光亮越多，圖像更明亮；iPhone 5S 和酷派5263S的光圈值相同，前者像素值大于后者，圖像更清晰，因此手機(jī)的光圈值越小，像素越大，標(biāo)準(zhǔn)差傳遞后的靈敏度越高。

表1 3款手機(jī)標(biāo)準(zhǔn)差傳遞前后的R、G和B值對(duì)應(yīng)的RSD對(duì)比分析Table 1 Comparative analysis RSD for R,G and B corresponding to the standard deviation of 3 mobile phones

2.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

以上述3款手機(jī)為樣品圖片采集工具，在小米手機(jī)光源下對(duì)5組亞甲基藍(lán)溶液(編號(hào)1～5)進(jìn)行測(cè)定，將計(jì)算得到的XR、XG、XB對(duì)MB質(zhì)量濃度進(jìn)行線性擬合，得到趨勢(shì)曲線如圖3所示。

圖3 XR、XG、XB與亞甲基藍(lán)質(zhì)量濃度之間的線性關(guān)系Fig.3 Linear relationship between XR，XG，XB and methylene blue concentration

由圖3可見(jiàn)，隨著亞甲基藍(lán)濃度的增加，3款手機(jī)拍攝后處理的XR、XG、XB變化趨勢(shì)基本一致，其中XB與質(zhì)量濃度(C,mg/L)存在明顯的線性關(guān)系，對(duì)比圖3C中3條標(biāo)準(zhǔn)曲線發(fā)現(xiàn)，iPhone 5手機(jī)拍攝處理后的線性關(guān)系最優(yōu)，選作測(cè)試條件。亞甲基藍(lán)的質(zhì)量濃度為5 mg/L時(shí)，XR、XG、XB大小基本一致；質(zhì)量濃度為40 mg/L時(shí)，XR、XG、XB差別開(kāi)始增大，說(shuō)明樣品質(zhì)量濃度過(guò)高，拍攝圖片的顏色加深，受手機(jī)自身拍攝因素影響，會(huì)增加顏色區(qū)分的難度，MB含量測(cè)定存在較大誤差。因此該方法選擇測(cè)試范圍為5～40 mg/L。

以0.5、1、1.5、2、4 mg/L 5個(gè)質(zhì)量濃度的亞甲基藍(lán)溶液為標(biāo)準(zhǔn)液，水作參比，在波長(zhǎng)665 nm處測(cè)定吸光度，測(cè)得分光光度法的標(biāo)準(zhǔn)曲線，將兩種方法進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表2。從表中可知分光光度法在低濃度范圍內(nèi)測(cè)定時(shí)，靈敏度較高；手機(jī)比色法測(cè)定樣品的濃度較高時(shí)，靈敏度較好，標(biāo)準(zhǔn)樣液可以一次性拍照，操作更加簡(jiǎn)捷。為了證實(shí)該方法的靈敏度，進(jìn)行了20次空白測(cè)定，得到檢出限(DL,k=3)為0.51 mg/L。

表2 手機(jī)比色法和分光光度法參數(shù)分析Table 2 Analytical parameters of phone colorimetric method and spectrophotometry

2.4 標(biāo)準(zhǔn)樣品的檢測(cè)及回收率實(shí)驗(yàn)

取4 mL 亞甲基藍(lán)(1 g/L)溶液至250 mL 容量瓶中定容，按照本方法在兩組不同的手機(jī)光照下，應(yīng)用iPhone 5進(jìn)行圖片采集，對(duì)3組樣品進(jìn)行平行測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表3。在iPhone 5S和小米NOTE手機(jī)光照下，所測(cè)結(jié)果的相對(duì)誤差分別為3.94%和1.56%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)分別為4.8%和2.7%，驗(yàn)證了本方法的可靠性。

表3 二組手機(jī)光照下標(biāo)準(zhǔn)樣品的測(cè)定結(jié)果Table 3 Determination results of the standard samples by the light of two mobile phones

取配制好的樣品，測(cè)得其質(zhì)量濃度為20.65 mg/L，取7 mL樣品各兩份，加入2 cm比色皿中，向比色皿中分別滴加1 mL 30 mg/L和40 mg/L的加標(biāo)樣，在小米NOTE手機(jī)光照下，每份樣品配制3次，進(jìn)行拍照取樣，得到6組實(shí)驗(yàn)的加標(biāo)回收率為91.3%～101%，說(shuō)明了該方法的準(zhǔn)確性較高。

3 結(jié) 論

本文在手機(jī)比色法測(cè)定亞甲基藍(lán)溶液濃度的基礎(chǔ)上，提出了基于標(biāo)準(zhǔn)差傳遞規(guī)律的測(cè)定方法。以顏色間接測(cè)量值XR、XG、XB為測(cè)量基準(zhǔn)，從理論上和實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了該方法能夠用于亞甲基藍(lán)濃度的測(cè)定。該方法對(duì)不同手機(jī)測(cè)定亞甲基藍(lán)溶液進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)三者的XR、XG、XB與濃度變化趨勢(shì)一致，受拍攝光照影響均大幅降低，說(shuō)明該方法操作方便，實(shí)用性強(qiáng)，為開(kāi)發(fā)固定式顏色測(cè)定設(shè)備奠定了基礎(chǔ)。

[1] Li G P,Wu X P,Huang Y,Chen J H.J.HuaqiaoUniv.：Nat.Sci.(李國(guó)平,吳曉萍,黃泱,陳建華.華僑大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版),2015,36(6):687-692.

[2] Vargas A M M,Cazetta A L,Kunita M H,Silva T L,Almeida V C.Chem.Eng.J.,2011,168(2):722-730.

[3] David N B,Decosterd L A,Appenzeller M,Ruetsch Y A,Chiolero R,Buclin T,Biollaz J.Eur.J.Pharm.Sci.,1997,5(6):335-345.

[4] Long J,Li Z M,Yu L,Li P P,Yan Z Y,Zhang X J.J.AnhuiAgric.Sci.(龍舉,李子孟,喻亮,李佩佩,嚴(yán)忠雍,張小軍.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)),2015,43(24):5-6.

[5] Yang C X,Sun X Y,Liu B.Spectrosc.SpectralAnal.(楊傳孝,孫向英,劉斌.光譜學(xué)與光譜分析)，2009,29(6):1643-1646.

[6] Yang C X,Sun X Y,Liu B,Lian H T.Chin.J.Anal.Chem.(楊傳孝,孫向英,劉斌,連惠婷.分析化學(xué))，2007,35(6):850-853.

[7] Botelho B G,de Assis L P,Sena M M.FoodChem.,2014,159:175-180.

[8] Yang D D,Zhang X L,Cui C E,Tan K,Li X C.J.Instrum.Anal.(楊冬冬,張校亮,崔彩娥,譚慷,李曉春.分析測(cè)試學(xué)報(bào))，2015,34(10):1179-1184.

[9] Zhu Z H,Huang J G,Wu F Y.J.HunanUniv.：Nat.Sci.Ed.(朱正華,黃建剛,吳鳳英.湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版)，2001,28(3):1-3.

[10] Luan Q L,Chen Z W,Wen Y.JournalofVibrationandShock(欒強(qiáng)利,陳章位,文樣.振動(dòng)與沖擊)，2013,32(23):20-25.

[11] Nirve S N,Sable G S.Int.J.Sci.Eng.Res.,2013,4(10):236-241.

[12] Mehta D D,Deliyski D D,Quatieri T F,Hillman R E.JournalofSpeechLanguage&HearingResearch,2011,54(1):47-54.

Determination of Methylene Blue Solution by Mobile Phone Colorimetric Method Based on Standard Deviation Transfer Law

ZHOU Jia*,TANG Chuan-qiu

(Department of Ecology,Chemistry and Environmental Engineering,Hanjiang Normal University,Shiyan 442000,China)

The methylene blue(MB)solution was determined by mobile phone colorimetric method based on standard deviation transfer law.Through the relationship between the color primary color value RGB and the gray value Gr,calculated by the standard deviation transfer formula,the feasibility of the indirect measurement method was proved theoratically.The influences of three kinds of lighting environment on the quality of photos were analyzed,and three types of mobile phones were used as sampling tools.Results showed that the precision of indirect measurement method was significantly improved.The indirect measurement valuesXR,XG,XBof phone picture color showed a similar changing trend with methylene blue concentration.XBwas proportional to the concentrationC.A new method for the determination of methylene blue concentration was established.The recoveries for the method were between 91.3% and 101% with the relative standard deviations of 2.7%-4.8%.The stability,precision and accuracy meet the requirements for determination.

standard deviation;phone colorimetric method;methylene blue

2017-07-06；

2017-08-06

*

周 佳，碩士，講師，研究方向：分析化學(xué)，E-mail:zj09725974@163.com

10.3969/j.issn.1004-4957.2017.12.013

O433;TG115.3

A

1004-4957(2017)12-1494-06