基于标准差传递规律的手机比色法测定亚甲基蓝溶液

周 佳，唐传球

(汉江师范学院 生物化学与环境工程系，湖北 十堰 442000)

基于标准差传递规律的手机比色法测定亚甲基蓝溶液

周 佳*，唐传球

(汉江师范学院 生物化学与环境工程系，湖北 十堰 442000)

采用基于误差传递规律的手机比色法测定亚甲基蓝溶液，根据颜色三原色值RGB与灰度值Gr之间的关系，通过标准差传递公式的运算，从理论上证实了间接测量法的可行性。分析了不同光照环境对采集照片质量的影响，将3款不同型号的手机作为采样工具进行对比。结果表明，间接测量法的精密度显著提高，3款手机图片颜色的间接测量值XR、XG、XB与亚甲基蓝质量浓度C之间的变化趋势一致，其中XB与质量浓度C成正比，据此建立了亚甲基蓝质量浓度测定的新方法。该方法对样品测定的相对标准偏差为2.7%～4.8%，加标回收率为91.3%～101%，其稳定性、精密度和准确度均符合测定需求。

标准差；手机比色法；亚甲基蓝

亚甲基蓝(Methylene blue,MB)是一种常见的化学试剂，作为纺织工业的染料和各类化学实验指示剂广泛应用。亚甲基蓝不能生物降解，水溶液呈现低毒性[1-2]，随意排放含有亚甲基蓝的废水，会造成水体污染。

亚甲基蓝的测定主要有分光光度法(SP)[3]、高效液相色谱法(HPLC)[4]等。分光光度法的应用最为广泛，其仪器简单，测定方便，但难以满足现场快速测定需求；高效液相色谱法的准确性和灵敏性高，但所需设备价格高、操作繁琐。因此，开发一种高效简捷的亚甲基蓝测定方法十分必要。

杨传孝等[5-6]在测定水样中总磷的过程中，根据生成蓝色络合物的颜色与数码相机成像的RGB值之间的关系，建立了数码比色法(DIC)。基于数码相机成像，研究者又进行了打印机成像比色法[7]、手机成像比色法[8]研究，与传统的测定方法相比，数码比色法分析更加直观，研究者通过选定图片区域的RGB值实现对被测物浓度的检测。手机作为一种日常生活工具，自带拍照功能，基于手机拍照功能的比色分析法被研究者所关注。由于外界光照条件的影响，手机在不同环境下拍摄的图片效果不同，直接利用图片颜色的RGB值或灰度值Gr分析样品浓度时，相对标准偏差较大。

在分析测试实验中，物理量的测定包括直接测定和间接测定，直接测定用于易测定、精密度高的实验，间接测定用于不易测定、受多种因素影响的实验。一个函变量与多个变量存在关联性，该函变量的误差与多个变量有关，借助误差传递规律，运用误差传递公式分析误差，可以降低直接测量的误差，提升测定的稳定性。手机比色测定过程中，直接测定的颜色量值容易受拍摄环境的影响，导致测定结果存在较大的误差。本实验提出了基于标准差传递规律的手机比色法，有效降低了光照条件对样品浓度测定的误差，并用于亚甲基蓝样品的测定。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

iPhone 5和iPhone 5S 智能手机(美国苹果公司)、Coolpad 5263S(酷派公司)、MI NOTE LTE(小米公司)，均采用自动模式拍照；颜色软件Color Picker，在苹果商店下载；LED 灯(3W，佛山市享域灯饰有限公司)；分光光度计(山东高密仪器厂)；自制拍摄泡沫箱，长、宽、高分别为38、25、15 cm，上端开孔，放置拍摄光源，侧壁开口，供拍照使用，箱体内壁以A4纸作为内衬，在箱体底部作位置标记，放置2 cm比色皿。

亚甲基蓝标准溶液：配制成质量浓度为1 000 mg/L的亚甲基蓝储备溶液，4 ℃保存，实验试剂均为分析纯，实验用水为娃哈哈纯净水。

1.2 样品的制备

取0.5、1、2、3、4 mL亚甲基蓝标准溶液于100 mL容量瓶中，稀释至刻度后摇匀，得到亚甲基蓝的质量浓度分别为5、10、20、30、40 mg/L，移至2 cm比色皿中供手机拍照。运用手机中的Color Picker软件导出RGB值，在误差传递规律基础上，拟合出亚甲基蓝浓度的标准曲线。

2 结果与讨论

2.1 标准差传递原理

在数码比色法中，研究者通过颜色软件分析样品图片的三原色值RGB或灰度值Gr，利用其中单一数值，建立与待测样品浓度间的线性关系。然而在实际测定过程中，这些值易受拍摄距离、光照条件的影响，导致测量结果不稳定。

为了降低误差对测定的影响，需找到与单一函数量相关的多个测试变量，使结果值的误差与多次测试变量误差相联系，找出合成误差最小的测量方法[9-10]。稳定状态下样品的颜色保持不变，具有客观性，三原色值RGB与Gr存在关联性，可用数学公式(1)[11-12]表示。随着拍摄环境的变化，颜色变量同步发生改变，若以单一变量作为测定浓度的标准，直接误差较大。以XR、XG、XB分别表示RGB值与灰度值Gr之间的函数关系，建立颜色变量的间接测量关系，其中XR用数学公式(2)表示，XG、XB同理可得。

Gr=0.299R+0.587G+0.114B

(1)

(2)

XR、XG、XB为样品颜色间接测量值，XR与RGB之间的关系可用函数式(3)表示，对式(3)取微分，按照泰勒级数展开导出误差传递公式(4)，将式(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)

图1 LED灯(A)和iPhone 5手机灯(B)采集图片，以及两组光照环境下三原色值(C)、(E)与标准差(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

由于亚甲基蓝的颜色呈蓝色，RGB值均为正值，由式(6)计算可知，误差传递规律处理的相对标准偏差小于未处理的标准偏差，理论上证明了误差传递法的优势。

2.2 误差传递法的应用

2.2.1拍摄环境的选择为了考察误差传递规律在手机比色法中的可靠性，在二组拍摄环境下，改变样品位置，使用iPhone 5S手机对MB样品(5 mg/L)进行拍照，对得到的R、G、B值及对应的XR、XG、XB数值进行分析，比较结果，见图1。

第一组将LED灯置于箱体上方开口内，手机位置固定不变，改变比色皿位置，与手机垂直距离10～15 cm，左右距离1 cm范围内进行图片采集(n=30)；第二组以iPhone 5手机灯作为光源，置于箱体上端开口处进行拍照，整个箱体保证密闭性，拍摄过程同第一组。

由图1A和B可知，第一组在箱体内拍照，LED灯所接电源是220 V交流电，拍摄过程中手机屏幕上出现了频闪，产生明显的干扰，测定的相对标准误差增大；第二组采用手机锂离子电池产生的电源，属于直流电，样品位于手机光源正下方，图片质量明显提高。实验结果表明，直流电面光源更适合图片的采集。进一步对30组取样图片进行分析，两组光照环境下得到的三原色值和标准差见图1C～F。由图1C和E可以看出，LED光源下测得的RGB值比手机光源下测定值波动大，误差明显。相比之下，经过误差传递之后，两组得到的XR、XG、XB数值波动小，手机光源产生的误差更小，如图1D和F所示。这充分说明在手机光源下采集的图片颜色均匀，误差传递处理后提升了测试灵敏度。

在两组拍摄环境下得到的数据基础上，按照相对标准偏差计算公式，计算标准差传递前后的R、G和B值对应的RSD，如图2所示。结果表明，拍摄环境对溶液颜色的RGB值产生了较大影响，经过标准差传递处理后的误差显著降低，二组实验的精密度明显提升。

2.2.2不同手机对测定结果的影响研究为了验证不同手机在标准差传递规律中对样品测定的适用性，在小米MI NOTE LTE手机光源下分别用iPhone 5S、iPhone 5、Coolpad 5263S等手机，以MB样品(5 mg/L)为实验样品进行拍照，并进行数据分析，结果见表1。结果表明，3款手机拍摄的图片存在细微差异。标准差传递前后的R、G和B值对应的RSD显示，3款手机测定结果的精密度均大幅提升，XR、XG、XB变化趋势相同。同时对比手机参数可以看到，不同品牌手机拍摄图片处理后的XR、XG、XB值略有差别，iPhone 5S改变最为明显，其次是iPhone 5和酷派。iPhone 5S 和iPhone 5所拍摄图像的像素相同，光圈值越小，进光亮越多，图像更明亮；iPhone 5S 和酷派5263S的光圈值相同，前者像素值大于后者，图像更清晰，因此手机的光圈值越小，像素越大，标准差传递后的灵敏度越高。

表1 3款手机标准差传递前后的R、G和B值对应的RSD对比分析Table 1 Comparative analysis RSD for R,G and B corresponding to the standard deviation of 3 mobile phones

2.3 标准曲线的绘制

以上述3款手机为样品图片采集工具，在小米手机光源下对5组亚甲基蓝溶液(编号1～5)进行测定，将计算得到的XR、XG、XB对MB质量浓度进行线性拟合，得到趋势曲线如图3所示。

图3 XR、XG、XB与亚甲基蓝质量浓度之间的线性关系Fig.3 Linear relationship between XR，XG，XB and methylene blue concentration

由图3可见，随着亚甲基蓝浓度的增加，3款手机拍摄后处理的XR、XG、XB变化趋势基本一致，其中XB与质量浓度(C,mg/L)存在明显的线性关系，对比图3C中3条标准曲线发现，iPhone 5手机拍摄处理后的线性关系最优，选作测试条件。亚甲基蓝的质量浓度为5 mg/L时，XR、XG、XB大小基本一致；质量浓度为40 mg/L时，XR、XG、XB差别开始增大，说明样品质量浓度过高，拍摄图片的颜色加深，受手机自身拍摄因素影响，会增加颜色区分的难度，MB含量测定存在较大误差。因此该方法选择测试范围为5～40 mg/L。

以0.5、1、1.5、2、4 mg/L 5个质量浓度的亚甲基蓝溶液为标准液，水作参比，在波长665 nm处测定吸光度，测得分光光度法的标准曲线，将两种方法进行对比，结果见表2。从表中可知分光光度法在低浓度范围内测定时，灵敏度较高；手机比色法测定样品的浓度较高时，灵敏度较好，标准样液可以一次性拍照，操作更加简捷。为了证实该方法的灵敏度，进行了20次空白测定，得到检出限(DL,k=3)为0.51 mg/L。

表2 手机比色法和分光光度法参数分析Table 2 Analytical parameters of phone colorimetric method and spectrophotometry

2.4 标准样品的检测及回收率实验

取4 mL 亚甲基蓝(1 g/L)溶液至250 mL 容量瓶中定容，按照本方法在两组不同的手机光照下，应用iPhone 5进行图片采集，对3组样品进行平行测定，结果见表3。在iPhone 5S和小米NOTE手机光照下，所测结果的相对误差分别为3.94%和1.56%，相对标准偏差(RSD)分别为4.8%和2.7%，验证了本方法的可靠性。

表3 二组手机光照下标准样品的测定结果Table 3 Determination results of the standard samples by the light of two mobile phones

取配制好的样品，测得其质量浓度为20.65 mg/L，取7 mL样品各两份，加入2 cm比色皿中，向比色皿中分别滴加1 mL 30 mg/L和40 mg/L的加标样，在小米NOTE手机光照下，每份样品配制3次，进行拍照取样，得到6组实验的加标回收率为91.3%～101%，说明了该方法的准确性较高。

3 结 论

本文在手机比色法测定亚甲基蓝溶液浓度的基础上，提出了基于标准差传递规律的测定方法。以颜色间接测量值XR、XG、XB为测量基准，从理论上和实验上证实了该方法能够用于亚甲基蓝浓度的测定。该方法对不同手机测定亚甲基蓝溶液进行验证，发现三者的XR、XG、XB与浓度变化趋势一致，受拍摄光照影响均大幅降低，说明该方法操作方便，实用性强，为开发固定式颜色测定设备奠定了基础。

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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，硕士，讲师，研究方向：分析化学，E-mail:zj09725974@163.com

10.3969/j.issn.1004-4957.2017.12.013

O433;TG115.3

A

1004-4957(2017)12-1494-06