新型便攜式RGB色度傳感器定量檢測水中路易氏劑

于競翔 劉國宏 任麗君 劉萌 黃志平 李建 李丹萍 肖艷華

摘要基于路易氏劑及其水解產(chǎn)物在堿性條件下與亞銅離子反應(yīng)，溶液呈紅色的原理，構(gòu)建了定量檢測水中路易氏劑的新型便攜式RGB色度傳感器。對(duì)增溶劑、還原劑的種類、還原劑濃度、CuCl2濃度、NaOH濃度、乙酸用量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間等因素進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)反應(yīng)條件： 增溶劑為明膠， 還原劑為鹽酸羥胺， 鹽酸羥胺濃度為0.32 mol/L， CuCl2濃度為0.15 mol/L， NaOH濃度為30%（m/m）， 36%（m/m）乙酸用量為30 μL， 反應(yīng)溫度為室溫， 反應(yīng)時(shí)間為5 min。在檢測中采用源于歸一化RGB系統(tǒng)的RGB（紅綠藍(lán)）色度法，克服了基于RGB模型的由于光強(qiáng)變化會(huì)導(dǎo)致3個(gè)刺激值的變化的問題。在最優(yōu)條件下，色度值與路易氏劑濃度的標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性范圍為0.40～10.05 mg/L。本方法對(duì)R值和B值的理論檢出限為0.389 mg/L和0.391 mg/L，實(shí)際檢出限為0.40 mg/L。將本方法應(yīng)用于人工水樣中路易氏劑的測定，回收率為96.9%～106.9%。本方法具有較高的選擇性、靈敏度和較好的重復(fù)性。

關(guān)鍵詞RGB色度傳感器; 路易氏劑; 水

1引 言

路易氏劑是一種含砷的毒劑，其化學(xué)名稱為2氯乙烯二氯砷（ClCH=CHAsCl2），屬于鹵代脂肪族胂化合物，曾被稱為“死亡之露”[1，2]。路易氏劑具有細(xì)胞毒性、毛細(xì)血管毒性和神經(jīng)毒性作用。路易氏劑通過與含有巰基的蛋白質(zhì)，尤其是與酶結(jié)合發(fā)揮其毒性作用，選擇性鈍化糖代謝中某些含巰基的酶，因此可抑制丙酮酸氧化作用（糖代謝）的關(guān)鍵步驟;同時(shí)，路易氏劑的脂溶性也有助于其滲透皮膚，發(fā)揮其全身毒性作用[3]。路易氏劑除直接引起接觸部位的細(xì)胞損傷，引發(fā)局部疼痛、起皰外，還可快速透過完整的皮膚和粘膜進(jìn)入體內(nèi)，對(duì)微血管有強(qiáng)烈的損傷作用，可引起廣泛滲出、精神癥狀、低血壓、水腫和明顯出血等癥狀，甚至休克和死亡[4，5]。

盡管路易氏劑在使用和生產(chǎn)上受到禁止化學(xué)武器組織（OPCW）的許多限制，但由于其具有穿透力強(qiáng)、作用持久、中毒途徑多、防護(hù)與消毒困難、生產(chǎn)容易、成本較低等特點(diǎn)，在化學(xué)戰(zhàn)劑中具有重要地位[6]。由于路易氏劑與其它毒劑相溶，在配制戰(zhàn)術(shù)混合劑時(shí)也具有一定的意義。路易氏劑自1918年發(fā)明以來，在各國受到了極大的關(guān)注和廣泛的研究，某些國家進(jìn)行大量裝備，甚至用于戰(zhàn)爭中，而戰(zhàn)后遺棄的化學(xué)武器， 對(duì)生態(tài)環(huán)境和人民的生命安全造成嚴(yán)重威脅[7]。

人類的生命活動(dòng)離不開水源，飲用水系統(tǒng)可能成為恐怖分子襲擊的對(duì)象。盡管路易氏劑微溶于水，在水中的溶解度為0.5 g/L，但已經(jīng)達(dá)到飲用安全濃度的200倍以上[8]。路易氏劑遇水可發(fā)生水解，生成氯乙烯氧胂。氯乙烯氧胂在水中的溶解度小，路易氏劑液滴水解時(shí)，外層為氯乙烯氧胂包裹，阻礙了液滴內(nèi)層的路易氏劑進(jìn)一步水解，可造成水源的長期染毒。因此，當(dāng)皮膚接觸路易氏劑染毒水源，甚至飲用被污染水源都可引起中毒或者死亡，對(duì)周圍民眾、動(dòng)物和牲畜等構(gòu)成極大威脅。因此，研發(fā)靈敏、選擇性檢測水中路易氏劑的方法具有重要意義。

目前，檢測水中路易氏劑常用的方法有紫外分光光度法[10]、氣相色譜法[11，12]、柱后衍生液相色譜法[13，14]、高分辨質(zhì)譜法[12]、中子誘導(dǎo)γ射線法[15]、激光拉曼光譜法[16]、原子發(fā)射光譜法[17]、無源遠(yuǎn)紅外遙感法[18]、亞太赫茲波譜法[19]及一些聯(lián)用方法[20]等。這些方法對(duì)于路易氏劑的痕量檢測具有良好的靈敏度，但由于攜帶不便、操作復(fù)雜、成本高等缺點(diǎn)，存在一定的局限性?；诩{米材料[21]或熒光探針[22]的化學(xué)傳感器也被應(yīng)用于檢測路易氏劑。這些傳感器具有高敏感性和高選擇性，可制成小型輕便的設(shè)備。但是，這些化學(xué)傳感器或無法直接用于水中的路易氏劑的檢測，或操作規(guī)程復(fù)雜。因此，需要建立一種便攜、靈敏、高選擇性和可靠的方法，對(duì)路易氏劑污染的水源進(jìn)行現(xiàn)場檢測。

由紅色（R）、綠色（G）、藍(lán)色（B）組成的RGB空間是基于光學(xué)原理的設(shè)備所采用的色彩空間[23]。RGB空間包含顏色和強(qiáng)度信息，被認(rèn)為是應(yīng)用最廣泛且最容易被接受的顏色空間[24]。基于RGB原理的顏色設(shè)備，如掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)、網(wǎng)絡(luò)攝像頭等設(shè)備，因其光學(xué)和結(jié)構(gòu)的特性，具有無需單色光源或者濾光片、可便攜性、檢測所得信息量較大等優(yōu)點(diǎn)，在RGB檢測中備受關(guān)注[25]?；赗GB原理的檢測技術(shù)應(yīng)用廣泛，并且檢測效果較好，主要用于金屬離子（如Hg2+[26]、Ni2+[27]、Pb2+[27]、Ca2+[28]等）、無機(jī)物（如NH3[29]、CO2[29]、O2[30]、H2O2[31]等）、有機(jī)物（如胺[32]、多酚類物質(zhì)[33]、血紅蛋白[34]、色素[35]、易燃易爆物[36，37]等）等物質(zhì)的檢測。

本研究構(gòu)建了一種便攜、高靈敏度和高選擇性檢測水中路易氏劑的RGB色度傳感器。路易氏劑及其水解產(chǎn)物在堿性條件下與Cu+反應(yīng)，溶液呈紅色。在LED光源的照射下，RGB色度傳感器中顏色傳感器用于檢測特定顏色的光，并按紅、綠、藍(lán)三色光組成比例輸出3個(gè)刺激值。在檢測中采用源于歸一化RGB系統(tǒng)的RGB色度法，克服了基于RGB模型的由于光強(qiáng)變化會(huì)導(dǎo)致3個(gè)刺激值的變化的問題。各通道的R、G、B色度值均與芥子氣濃度呈線性關(guān)系。結(jié)果表明，此RGB色度傳感器具有較高的靈敏度、穩(wěn)定性和選擇性。

2實(shí)驗(yàn)部分

2.1儀器與試劑

采用自行研制的便攜式RGB色度傳感器，如圖1所示。此傳感器選用白色發(fā)光二極管作為光源，可產(chǎn)生穩(wěn)定連續(xù)的可見光。在光源和RGB顏色傳感器之間，放置一根2 mL試管，試管中裝有待測溶液。LED光源直接照射在試管上，RGB顏色傳感器獲得RGB的 3個(gè)刺激值。傳感器中得到的數(shù)據(jù)可用于計(jì)算路易氏劑濃度。分別采用鄭州沃特測試技術(shù)有限公司的ZZW加熱器和上海精密儀器的pH計(jì)對(duì)溶液溫度和pH值進(jìn)行調(diào)節(jié)和測定。

2.2實(shí)驗(yàn)方法

向10 mL玻璃試管中，加入一定濃度的路易氏劑，依次滴加40 μL NaOH溶液和36%（w/w）乙酸，pH值控制在7～8之間，加入純凈水定容至1 mL。取還原劑3 mL和CuCl2溶液1 mL混合，配制4 mL亞銅溶液，加入1 mL明膠溶液。取配制好的亞銅溶液1 mL，加入路易氏劑水溶液中。顯色后，將反應(yīng)后的2 mL溶液轉(zhuǎn)移到比色管中，插入檢測口，測得溶液的RGB值，平行測量3次，取平均值。

此顯色反應(yīng)的機(jī)理如式（1）～（3）。路易氏劑及其水解產(chǎn)物氯乙烯氧胂遇堿分解產(chǎn)生乙炔。CuCl2提供Cu2+，在還原劑的作用下，Cu2+被還原為Cu+。生成的乙炔與Cu+作用，生成紅色乙炔亞銅沉淀。

3結(jié)果與討論

3.1 條件優(yōu)化

3.1.1增溶劑對(duì)乙炔亞銅溶解度的影響乙炔與亞銅試劑反應(yīng)后生成磚紅色的乙炔亞銅沉淀，乙炔亞銅為膠體物質(zhì)，向溶液中添加增溶劑可增加乙炔亞銅的溶解度。為了比較增溶劑的作用，分別向亞銅溶液中加入5%（w/w）明膠（Gelatin）、糊精（Dextrin）和十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）各1 mL，并測量其R、B色度值，測量結(jié)果見圖2。由圖2可見，加入增溶劑的R、B色度值優(yōu)于不加入增溶劑的R、B色度值。

3.1.2還原劑種類對(duì)色度值的影響還原劑是影響反應(yīng)產(chǎn)物顏色的關(guān)鍵因素。為了比較還原劑的作用，分別用0.43 mol/L的還原劑（鹽酸羥胺、Na2SO3、Na2S2O3、KBH4、NaBH4）和1.47 mmol/L CuCl2溶液配制5組亞銅溶液， 各取1 mL，分別加入至8.04 mg/L路易氏劑溶液中。由圖3可見，還原劑不同，顯色溶液的顯色效果顯著不同。各顯色劑的G值普遍較低，R色度值為正值，B色度值為負(fù)值，比較R值和B值可知，使用鹽酸羥胺作為還原劑的效果最好。

3.1.3鹽酸羥胺濃度對(duì)色度值的影響選取鹽酸羥胺作為還原劑，在0.17～1.00 mol/L范圍內(nèi)，考察鹽酸羥胺濃度對(duì)8.04 mg/L路易氏劑溶液檢測效果的影響。由圖4可見，隨著鹽酸羥胺的濃度的增大， 顯色體系的色度值先增加后減小。當(dāng)鹽酸羥胺濃度為0.32 mol/L時(shí)，其相對(duì)應(yīng)的色度值最高。當(dāng)鹽酸羥胺濃度大于0.32 mol/L時(shí)，反應(yīng)體系色度值隨之降低。后續(xù)實(shí)驗(yàn)中選擇鹽酸羥胺的濃度為0.32 mol/L。

3.1.4CuCl2濃度對(duì)色度值的影響在0.00015～0.45 mol/L范圍內(nèi)，考察CuCl2濃度對(duì)8.04 mg/L路易氏劑溶液檢測效果的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨CuCl2的濃度增大， 顯色體系的色度值先增加后減小。當(dāng)CuCl2濃度為0.15 mol/L時(shí)，其相對(duì)應(yīng)的色度值為最高。當(dāng)CuCl2濃度大于0.15 mol/L時(shí)，反應(yīng)體系色度值隨之降低。后續(xù)實(shí)驗(yàn)選擇CuCl2濃度為0.15 mol/L。

3.1.5NaOH濃度對(duì)色度值的影響考察5%～40%（w/w）NaOH溶液對(duì)8.04 mg/L路易氏劑水溶液檢測效果的影響。結(jié)果表明，隨著NaOH的濃度的增加， 顯色體系的色度值先增加后減小，當(dāng)NaOH濃度為30%（w/w）時(shí)，其相對(duì)應(yīng)的色度值為最高。后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，選擇NaOH的濃度為30%（w/w）。

3.1.636%乙酸用量對(duì)色度值的影響選取36%（w/w）乙酸調(diào)節(jié)路易氏劑與NaOH反應(yīng)后溶液的pH值?？疾?6%乙酸用量（10～60 mL）對(duì)8.04 mg/L路易氏劑水溶液顯色效果的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨36%（w/w）乙酸的用量增大， 顯色體系的色度值先增加后減小。當(dāng)36%（w/w）乙酸用量為30 μL時(shí)，其相對(duì)應(yīng)的色度值為最高。 因此，選擇36%（w/w）乙酸的用量為30 μL。

3.1.7反應(yīng)溫度對(duì)色度值的影響溫度是影響顯色反應(yīng)速率的關(guān)鍵因素。研究了不同溫度（10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃）對(duì)8.04 mg/L路易氏劑水溶液顯色效果的影響，測量結(jié)果見表1，顯色效果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）小于1%，溫度對(duì)顯色效果影響不大。因此，本研究選擇在室溫下進(jìn)行測定。

3.1.8反應(yīng)時(shí)間對(duì)色度值的影響在上述優(yōu)化條件下，考察了反應(yīng)時(shí)間（0.5、2、3、5、8、10、15、20、30、60和90 min）對(duì)檢測結(jié)果的影響。結(jié)果表明，顯色體系的色度值隨著反應(yīng)時(shí)間的延長而逐漸增大，并趨于平衡。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間達(dá)到5 min時(shí)，色度值最大且穩(wěn)定。因此，本研究選擇反應(yīng)時(shí)間為5 min。

3.2標(biāo)準(zhǔn)曲線

配制一系列不同濃度的路易氏劑溶液，在最優(yōu)條件下進(jìn)行測定，得到濃度范圍為0.40～10.05 mg/L的路易氏劑標(biāo)準(zhǔn)溶液的標(biāo)準(zhǔn)曲線方程，如圖5所示。結(jié)果表明，R、G和B值作為響應(yīng)值，可用于測定水中的路易氏劑濃度。從每個(gè)顏色的坐標(biāo)方程中可知，R值和B值的標(biāo)準(zhǔn)曲線用于測定水中的路易氏劑濃度具有較好的效果，而G值的標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率較小，檢測效果相對(duì)不佳。

3.3重復(fù)性和檢出限配制不同濃度路易氏劑溶液，在最佳條件下對(duì)1.41和7.03 mg/L的路易氏劑溶液進(jìn)行10次平行實(shí)驗(yàn)。對(duì)于1.41 mg/L路易氏劑， R色度值的RSD=1.60%，B色度值的RSD=1.85%;對(duì)于7.03 mg/L路易氏劑，R色度值的RSD=0.93%，B色度值的RSD=1.36%，RSD均小于2%，因此，RGB色度法檢測路易氏劑的方法是可行的。

通過測量空白的色度值（n=20），計(jì)算空白的標(biāo)準(zhǔn)差，其中R為0.00454，B為0.00482。根據(jù)IUPAC規(guī)定的以3倍的標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算檢出限。通過計(jì)算得到本方法對(duì)R值和B值的理論檢出限分別為0.389和0.391 mg/L。由于G值隨路易氏劑濃度變化較小，本研究只計(jì)算了R和B值的檢出限。在實(shí)驗(yàn)中，實(shí)際檢出限為0.40 mg/L。

3.4干擾研究

為了探究本方法對(duì)水中路易氏劑的快速定性與定量檢測能力，考察了本方法對(duì)水中常見離子的抗干擾能力，同時(shí)也需研究本方法對(duì)其它毒劑的敏感響應(yīng)是否影響到對(duì)路易氏劑的檢測。 在最佳的實(shí)驗(yàn)條件下，考察了不同因素對(duì)測量8.04 mg/L路易氏劑的影響。

4結(jié) 論

基于RGB色度法，建立了水中路易氏劑的快速定量檢測方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本方法具有較高的選擇性、靈敏度和較好的重復(fù)性，并成功應(yīng)用于人工水樣中路易氏劑的測定。本方法在分析環(huán)境中有毒有害物質(zhì)方面具有潛在的應(yīng)用前景。

[HT5”SS][HJ*4]表3飲用水中路易氏劑濃度回收實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Table 3Recovery experiment results of Lewisite in drinking water samples （n=4）

[HT6SS][BG（][BHDFG4，WK4，WK8。3W]No.加入值A(chǔ)dded（mg/L）測定值Found（mg/L）回收率Recovery（%）1[]0.51

0.54±0.01106.92[]2.242.17±0.0296.93[]8.508.40±0.0298.8[BHDFG1*2，WKZQ0W][BG）W][HT5][HJ]

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