均相液液萃取-數(shù)字成像比色法測(cè)定水中痕量六價(jià)鉻

金 超,羅克菊,楊顯雙,向 越

(重慶市北碚區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)站,重慶 400700)

鉻是一種用于化學(xué)工業(yè)的重要元素,主要以Cr3＋和Cr6＋兩種氧化態(tài)形式存在,它們?cè)诃h(huán)境中具有不同生理效應(yīng)[1]。低濃度水平Cr3＋對(duì)于植物和動(dòng)物非常必要,而Cr6＋氧化電位較高、毒性大,具有致癌作用。鉻在工業(yè)過(guò)程中被廣泛使用,從而導(dǎo)致大量鉻排放到環(huán)境中,對(duì)人類健康造成嚴(yán)重危害[2]。目前,飲用水標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定Cr6＋限量為0.05 mg·L－1[3],因此對(duì)水環(huán)境中低濃度水平Cr6＋的測(cè)定具有重要意義。

目前測(cè)定Cr6＋含量的方法主要有分光光度法[4-5]、原子吸收光譜法(AAS)[6-7]、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)[8]、電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)[9]、液相色譜-質(zhì)譜法(LCMS)[10]等。然而,這些方法需要昂貴的儀器以及專業(yè)操作,無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)即時(shí)測(cè)量的要求。因此,開發(fā)一種簡(jiǎn)單、快速、廉價(jià)、便攜和靈敏的方法來(lái)測(cè)定水中Cr6＋含量顯得十分重要。數(shù)字成像比色法(DIC)是一種新穎且成本低的技術(shù),通過(guò)手持掃描儀[11]、數(shù)碼相機(jī)[12-13]、網(wǎng)絡(luò)攝像頭[14-16]或智能手機(jī)[17-18]等數(shù)碼設(shè)備對(duì)待測(cè)物質(zhì)生成的顯色溶液進(jìn)行圖像采集,然后將圖像轉(zhuǎn)化為顏色值來(lái)定量分析無(wú)機(jī)污染物[19]和有機(jī)污染物。

本工作采用均相液液萃取技術(shù)對(duì)Cr6＋進(jìn)行萃取和富集,再結(jié)合基于智能手機(jī)的DIC 測(cè)定水環(huán)境中痕量Cr6＋。

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

華為M5 型手機(jī);X180 型LED 補(bǔ)光燈;WJ-15X 型微距鏡頭;WH-2 型渦旋混合器;TDL-50B型低速臺(tái)式離心機(jī);Color Grab軟件。

Cr6＋標(biāo)準(zhǔn)溶液:500 mg·L－1,編號(hào)GBW(E)080377,使用時(shí)用水稀釋至所需質(zhì)量濃度。

二苯碳酰二肼、十二烷基硫酸鈉(SDS)、鄰苯二甲酸二甲酯、異丙醇、丙酮均為分析純;試驗(yàn)用水為超純水。

1.2 均相液液萃取原理

Cr6＋與顯色劑二苯碳酰二肼形成的紫紅色絡(luò)合物屬于離子型絡(luò)合物,很難被萃取到有機(jī)溶劑中,因此需要加入SDS作為離子對(duì),消除該離子型絡(luò)合物的電荷,以提高萃取效率。當(dāng)含有少量鄰苯二甲酸二甲酯的異丙醇加入到Cr6＋-二苯碳酰二肼-SDS三元絡(luò)合物溶液中時(shí),相分離開始產(chǎn)生,幾分鐘后離心管底部生成紫紅色沉淀。這是由于異丙醇溶于水,在體系中起到分散劑的作用,有助于鄰苯二甲酸二甲酯萃取三元絡(luò)合物,最終不溶于水的鄰苯二甲酸二甲酯沉淀下來(lái),完成均相液液萃取。接著通過(guò)渦旋和離心,縮短了萃取和相分離時(shí)間。

1.3 智能手機(jī)比色裝置

智能手機(jī)比色裝置的基體為一個(gè)木盒(內(nèi)部尺寸24 cm×19 cm×12 cm),光源為X180LED 補(bǔ)光燈,固定于木盒頂部,智能手機(jī)固定在木盒外部,Color Grab軟件通過(guò)手機(jī)攝像頭對(duì)離心管底部的萃取層進(jìn)行拍照獲取紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)值。為了在拍攝過(guò)程中獲得穩(wěn)定的R、G、B 值,須對(duì)光源種類[19]、拍攝背景及樣品位置進(jìn)行設(shè)置。

試驗(yàn)所用的光源為L(zhǎng)ED 面光源,光源色溫為5 600 K,該色溫接近自然光,保證了拍攝的圖片自然不失真。為獲得清晰圖像,手機(jī)攝像頭距離離心管至少8 cm,而離心管底部的萃取層體積較小,此時(shí)Color Grab軟件中的比色圓圈大于萃取層,無(wú)法捕捉到萃取層,因此在手機(jī)攝像頭前(木盒內(nèi)側(cè))安裝微距鏡頭,減小手機(jī)拍攝焦距。當(dāng)離心管到攝像頭的距離約為3 cm 時(shí),Color Grab軟件可以完全捕捉到萃取層,此時(shí)也可以獲取清晰的拍攝圖像。另外,為了消除背景光線的干擾,木盒內(nèi)部全部鋪蓋白色A4紙。當(dāng)離心管放入比色裝置中,Color Grab軟件能夠自動(dòng)聚焦取色,穩(wěn)定后,手機(jī)上方顯示R、G、B值,采集示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 智能手機(jī)比色采集示意圖Fig.1 Schematic diagram of the smart phone colorimetric collection

1.4 試驗(yàn)方法

取2.5 mL Cr6＋標(biāo)準(zhǔn)溶液或?qū)嶋H水樣于5 mL比色管中,依次加入0.125 mLSDS 溶液(20 g·L－1)、0.3 mL硫酸溶液(0.5 mol·L－1)和0.125 mL含0.04 mol·L－1二苯碳酰二肼的丙酮溶液(顯色劑),搖勻,反應(yīng)5 min;再加入60μL 鄰苯二甲酸二甲酯和400μL異丙醇的混合液,渦旋30 s形成乳濁液,以3 000 r·min－1轉(zhuǎn)速離心10 min;最后將離心管放入自制智能手機(jī)比色裝置中,通過(guò)Color Grab軟件讀取萃取層的G 值,平行讀取5次,取平均值。試驗(yàn)過(guò)程如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)過(guò)程示意圖Fig.2 Schematic diagram of the experimental process

2 結(jié)果與討論

2.1 定量參數(shù)的選擇

Color Grab軟件可直接獲取萃取層的圖像,對(duì)顯色圖像進(jìn)行顏色模型轉(zhuǎn)換即可得到定量的參數(shù)。圖像的顏色模型有RGB、CMYK、Lab、HSV、灰度等,其中應(yīng)用最廣泛的模型為RGB。顯色溶液的顏色深淺發(fā)生變化,能引起R、G、B 中某一通道顏色值變化或三通道顏色值同時(shí)變化。分別將萃取層的R、G、B值對(duì)Cr6＋質(zhì)量濃度進(jìn)行擬合。由于萃取層顏色為紫紅色,其互補(bǔ)色為綠色,因此G 值變化最大,靈敏度最高,并且Cr6＋質(zhì)量濃度越大,G 值越小,如圖3所示。因此,選取G 值作為方法的定量參數(shù)。

圖3 R、G、B值與Cr6＋質(zhì)量濃度的關(guān)系Fig.3 Relationships between R,G,B values and mass concentration of Cr6＋

2.2 鄰苯二甲酸二甲酯用量的選擇

試驗(yàn)考察了鄰苯二甲酸二甲酯用量分別為20,40,60,80,100,120,140,160,180μL 時(shí) 對(duì)G 值 的影響。

結(jié)果表明:當(dāng)鄰苯二甲酸二甲酯用量小于60μL時(shí),由于萃取層體積過(guò)小,無(wú)法進(jìn)行比色;當(dāng)鄰苯二甲酸二甲酯用量為60～180μL時(shí),G 值隨鄰苯二甲酸二甲酯用量的增大而增大,這是由于隨著鄰苯二甲酸二甲酯用量的增大,導(dǎo)致紫紅色絡(luò)合物在萃取劑中被稀釋。因此,為了獲得較小的G 值并且保證萃取層有足夠的體積進(jìn)行比色,試驗(yàn)選取的鄰苯二甲酸二甲酯用量為60μL,根據(jù)富集倍數(shù)＝樣品體積/鄰苯二甲酸二甲酯體積(萃取層體積),計(jì)算得樣品的富集倍數(shù)為41.7。

2.3 異丙醇用量的選擇

試驗(yàn)考察了異丙醇用量分別為100,200,300,400,500,600,700,800,900,1 000μL時(shí)對(duì)G值的影響。

結(jié)果表明:當(dāng)異丙醇用量為100～400μL 時(shí),G值隨異丙醇用量的增大而逐漸降低,這是由于異丙醇用量較小時(shí),分散性不夠,導(dǎo)致萃取效率較低,當(dāng)異丙醇用量逐漸增加,萃取效率不斷提高;當(dāng)異丙醇用量為400～1 000μL時(shí),隨著異丙醇用量的增大,沉淀萃取層的體積開始變小直到幾微升,并且顏色逐漸變深,這是由于異丙醇對(duì)鄰苯二甲酸二甲酯的溶解作用不斷增強(qiáng),致使鄰苯二甲酸二甲酯的萃取層體積逐漸減小。因此,為了獲得穩(wěn)定并且較小的G 值,同時(shí)保證萃取層有足夠比色體積,試驗(yàn)選擇的異丙醇用量為400μL。

2.4 干擾試驗(yàn)

試驗(yàn)考察了常見(jiàn)離子對(duì)50μg·L－1Cr6＋標(biāo)準(zhǔn)溶液測(cè)定的影響。結(jié)果表明,允許誤差絕對(duì)值不大于5%情況下,1 000 倍Mg2＋、Ca2＋、Cl－、NO3－,500倍Ni2＋、Co2＋,250倍Cu2＋、Zn2＋,100倍Fe3＋不干擾Cr6＋的測(cè)定。

2.5 標(biāo)準(zhǔn)曲線和檢出限

移取適量的Cr6＋標(biāo)準(zhǔn)溶液,用水逐級(jí)稀釋,配制成Cr6＋質(zhì)量濃度依次為4,10,20,30,40,50,60μg·L－1的標(biāo)準(zhǔn)溶液系列,在優(yōu)化條件下進(jìn)行測(cè)定,以Cr6＋質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo),其對(duì)應(yīng)的G 值為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。結(jié)果顯示,Cr6＋標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性范圍為4～60μg·L－1,線性回歸方程為y＝－2.896x＋243.8,相關(guān)系數(shù)為0.996 7。

按照試驗(yàn)方法對(duì)空白溶液平行測(cè)定11 次,以3倍G 值的標(biāo)準(zhǔn)偏差(s)和線性回歸方程斜率(k)的比值計(jì)算檢出限(3s/k),得到Cr6＋檢出限為1μg·L－1。

2.6 精密度和回收試驗(yàn)

按照試驗(yàn)方法對(duì)河水和工業(yè)廢水樣品進(jìn)行測(cè)定,并與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 7467－1987《水質(zhì) 六價(jià)鉻的測(cè)定二苯碳酰二肼分光光度法》的測(cè)定值進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見(jiàn)表1。

接著對(duì)上述樣品進(jìn)行加標(biāo)回收試驗(yàn),每個(gè)濃度水平平行測(cè)定6次,計(jì)算回收率和測(cè)定值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD),結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知:本法與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法的測(cè)定值基本一致;河水和工業(yè)廢水樣品中Cr6＋的加標(biāo)回收率為87.8%～109%,測(cè)定值的RSD 為2.4%～3.7%。說(shuō)明該方法能夠用于實(shí)際樣品的測(cè)定。

表1 精密度和回收試驗(yàn)結(jié)果(n＝6)Tab.1 Results of tests of precision and recovery(n＝6)

本工作通過(guò)鄰苯二甲酸二甲酯對(duì)Cr6＋-二苯碳酰二肼-SDS三元絡(luò)合物均相液液萃取,采用智能手機(jī)對(duì)萃取層進(jìn)行圖像采集,從而構(gòu)建了DIC 測(cè)定水環(huán)境中痕量Cr6＋的方法。該方法具有較好的選擇性,能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)對(duì)水環(huán)境中低濃度水平Cr6＋的分析。