检测水中氢氰酸的新型便携式RGB色度传感器

2020-03-19刘国宏于竞翔任丽君黄志平李丹萍肖艳华

分析测试学报 2020年2期

刘国宏，于竞翔，任丽君，梁婷，刘萌，黄志平，李建，李丹萍，肖艳华

(陆军防化学院化学防护系，北京 102205)

氢氰酸是一种全身中毒性毒剂[1]，其化学名称为氰化氢(HCN)。氰氢酸的全身中毒作用主要是对呼吸酶产生抑制作用，尤其以细胞色素氧化酶对氰离子最敏感。氰离子只能和含有三价铁的氧化型细胞色素氧化酶结合，形成氰化细胞色素氧化酶，导致生物氧化中断，细胞呼吸停止，引起组织缺氧，最终因呼吸抑制而造成死亡[2]。尽管氢氰酸在使用和生产上受到禁止化学武器组织(OPCW)的许多限制，但由于其在工业生产中应用极为广泛[1]，且穿透力强、中毒途径多、防护困难、价廉易得等极为重要的特点，使其在化学战剂中仍占有重要地位[3]。氢氰酸自发明以来在各国受到了极大的关注和广泛的研究，在第一次世界大战中曾被大量使用。在现代工业和农业生产中，也曾多次出现氢氰酸泄漏、中毒的事件[4-6]。近年来由于全球气候不断变暖，氢氰酸的测量也被用来反映厄尔尼诺现象[7]。

人类的一切生命活动都离不开水源，饮用水系统可能成为恐怖分子袭击的对象。氢氰酸作为一种具有良好的脂溶性和水溶性的小分子化合物[8]，其在常温下可与水以任意比混合，且水溶液的离解常数很小(K=7.2×10-10，25 ℃)，可透过皮肤和胃肠道粘膜迅速渗入细胞膜吸收到体内。因此，当通过消化道饮用被污染水源，甚至皮肤接触氢氰酸染毒水源时，均可以引起中毒或者死亡，对周围民众、动物和牲畜等构成了极大威胁[2,9]。目前，检测水中氢氰酸最常用的方法有紫外分光光度法[10]、冷原子荧光法[11]、双梳状光谱法[12]、选择性离子流管质谱法[13]、远红外遥感法[14]、生物发光微板法[15]、气相色谱-质谱法[16]。这些方法对于氢氰酸的痕量检测具有良好的灵敏度，但由于携带不便、操作复杂、成本高等不足，存在一定的局限性。近年来，基于纳米材料[17-18]或者荧光探针[19-22]的化学传感器也被广泛应用于氢氰酸检测。这些传感器具有高敏感性和高选择性，可以制成小型轻便的设备，但不足之处在于这些化学传感器或无法对水中的氢氰酸进行检测，或操作规程复杂。因此，急需发展一种便携、灵敏、高选择性和可靠的方法对氢氰酸污染的水源进行现场检测。

由红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)组成的RGB空间是基于光学原理的设备所采用的色彩空间[23]。RGB空间所包含的颜色和强度信息被认为是应用最广泛且最容易被接受的颜色空间[24]。基于RGB原理的颜色设备，比如扫描仪、数码相机、手机、网络摄像头等设备，因其光学和结构特性，具有无需单色光源或者滤光片、可便携性、检测所得信息量较大等优点，引起了人们的浓厚兴趣[25]。基于RGB原理的检测已有着广泛的应用并获得了较好的检测效果，主要应用于金属离子(如汞(Ⅱ)[26]、铅(Ⅱ)[27]、钙(Ⅱ)[28]等)，无机物(如二氧化碳[29]、氧气[30]、过氧化氢[31]等)，有机物(如胺[32]、多酚类物质[33]、血红蛋白[34]、色素[35]、易燃易爆物[36-37]等)等的检测。

本文基于氢氰酸在碱性条件下与水合茚三酮反应，溶液呈紫红色，在LED光源的照射下，RGB色度传感器中颜色传感器用于检测特定颜色的光，并按红、绿、蓝三色光组成比例输出三刺激值，从而开发了一种检测水中氢氰酸的便携RGB色度传感器。文中采用源于归一化RGB系统的RGB色度法，克服了基于RGB模型的由于光强变化导致三刺激值变化的不足。各通道的R、G、B色度值均与氢氰酸浓度呈线性关系。该方法具有高灵敏性、稳定性和选择性。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

沙林(GB)、梭曼(GD)、维埃克斯(VX)、芥子气(HD)、路易氏剂(L)、氢氰酸(AC)，纯度均为98%，由陆军防化学院提供。水合茚三酮、对硝基苯甲醛、氢氧化钠、稀盐酸、氯化钠、氯化钾、氯化铵、硫酸镁、高氯酸钠、硼酸(分析纯，国药集团化学试剂有限公司)。

便携式RGB色度传感器如图1所示。该传感器选用一个白色发光二极管作为光源，可产生稳定连续的可见光。在光源和RGB颜色传感器之间，放置一根装有待测溶液的2 mL试管。LED光源直接照射在试管上，RGB颜色传感器获得产生的RGB三刺激值。根据传感器得到的数据计算氢氰酸浓度。分别采用郑州沃特测试技术有限公司的ZZW加热器和上海精密仪器公司的pH计对溶液温度和pH值进行调节和测定。

图1 基于RGB原理的便携式色度传感器示意图

1.2 实验方法

向10 mL玻璃试管中加入一定浓度的氢氰酸1 mL、水合茚三酮溶液0.5 mL，调节pH值至碱性，加入纯净水定容至2 mL。显色后，将反应后的2 mL溶液转移至比色管，插入检测口，测定溶液的RGB值，平行测量3次，取平均值。

该显色反应的机理如图2所示。氢氰酸和水合茚三酮在碱性条件下反应生成紫红色的离子型2-羟基茚满二酮(1 ,3)。

图2 基于水合茚三酮检测水中氢氰酸的反应原理

为避免或减少光源不稳定性的影响，测量前需对该仪器进行白平衡，使颜色传感器测得的白光中RGB三刺激值呈均匀分布。对纯水的三个RGB刺激值进行测定以得到背景的色度值，并进行归一化处理。归一化后的RGB值计算如下:

Rn=r/(r+g+b)

(1)

Gn=g/(r+g+b)

(2)

Bn=b/(r+g+b)

(3)

式中，红、绿、蓝三个刺激值分别表示为r、g、b。红、绿、蓝的归一化值表示为Rn、Gn和Bn。R、G、B色度值则由归一化后的RGB值进行计算，公式如下:

R=Rn(s)/Rn(0)

(4)

G=Gn(s)/Gn(0)

(5)

B=Bn(s)/Bn(0)

(6)

式中，Rn(s)、Gn(s)、Bn(s)和Rn(0)、Gn(0)、Bn(0)分别为样品和纯水的红、绿、蓝归一化值。R、G、B分别为样品的色度值，表示样品的红、绿、蓝色度值相对于纯水色度值的变化。通过绘制R、G和B色度值与分析物浓度之间的关系即得到标准曲线。

2 结果与讨论

2.1 实验条件的优化

2.1.1 显色剂的影响显色剂是影响反应产物颜色的关键因素。为了比较显色试剂的作用，实验对目前较常用的两种检测氢氰酸浓度的比色法:对硝基苯甲醛法、水合茚三酮法进行了考察。配制了12组不同质量浓度(0.25、0.28、0.32、0.40、0.52、0.80、1.20、2.00、2.80、4.00、4.80、5.60 mg/L)的氢氰酸水溶液，并分别选用上述两种方法进行显色反应，测量结果见图3。从图中可以看出，两种方法的R、G和B色度值的绝对值均随着质量浓度的增加而增大。但在相同条件下，水合茚三酮法较对硝基苯甲醛法检出的质量浓度更低，且在低质量浓度时线性关系较好。因此，在后续实验中，选择水合茚三酮法作为检测水中氢氰酸的分析方法。

图3 水合茚三酮法(A)及对硝基苯甲醛法(B)对氢氰酸的检测

图4 水合茚三酮浓度对体系色度值的影响

2.1.2 水合茚三酮浓度对色度值的影响本实验考察了不同水合茚三酮浓度(1.12×10-3～225×10-3mol/L)对2.2 mg/L氢氰酸水溶液显色效果的影响(见图4)。从图中可以看出，显色体系色度值的绝对值随着水合茚三酮浓度的增大先增加后减小，当水合茚三酮浓度为6.74×10-3mol/L时，其色度值的绝对值最高。当水合茚三酮浓度大于6.74×10-3mol/L时，反应体系色度值的绝对值随之降低。后续研究中选择水合茚三酮的最佳浓度为6.74×10-3mol/L。

图5 pH值对体系色度值的影响

2.1.3 pH值对色度值的影响pH值是影响显色结果的重要因素。固定水合茚三酮的浓度，考察了pH值对RGB色度值的影响，并采用氢氧化钠和稀盐酸调节溶液的pH值。结果显示，pH值为6.97～9.08时,R、G和B色度值的绝对值均随着pH值的增加不断增大。当pH 9.08时，色度值的绝对值达到最大值(见图5)。继续增大pH值，则色度值的绝对值逐渐减小。因此，后续研究使用硼酸盐缓冲液调节体系pH值为9.08。

2.1.4 反应温度对色度值的影响温度是影响显色反应速率的关键因素，因此，本实验研究了不同温度(5、10、20、30、40、50、60 ℃)对2.2 mg/L氢氰酸水溶液显色效果的影响。结果显示，温度对体系显色效果的影响不大。因此，后续研究选择在室温下进行。

2.1.5 反应时间对色度值的影响研究了不同显示时间(0.5、2、5、8、10、15、20、30、60、90 min)对检测结果的影响。研究结果显示，显色体系色度值的绝对值随着反应时间的增加逐渐增大并趋于平衡。当反应时间达到10 min时，色度值的绝对值最大且稳定。因此，后续研究选择反应时间为10 min。

图6 色度值和氢氰酸质量浓度间的标准曲线

2.2 标准曲线

在最优实验条件下，配制了16组不同质量浓度(0.04、0.09、0.13、0.18、0.22、0.31、0.35、0.44、0.66、1.10、1.54、2.20、2.64、3.08、3.52、3.96 mg/L)的氢氰酸溶液，考察其相应的R、G和B值，并制作标准曲线。结果显示，在0.04～3.96 mg/L质量浓度范围内，氢氰酸标准溶液的R、G和B值与其质量浓度呈良好线性(如图6)。表明R、G和B值均可用于测定水中的氢氰酸质量浓度，但以R值的效果较好，而G值和B值的标准曲线的斜率较小，且拟合程度较差，其检测效果欠佳。因此，后续实验采用R值的标准曲线进行氢氰酸质量浓度的检测。

2.3 重复性与检出限

为了考察本方法的重复性，配制质量浓度分别为0.65、3.03 mg/L的氢氰酸溶液，在最佳条件下对每个质量浓度的氢氰酸溶液进行10次平行实验，测得相对标准偏差(RSD)分别为1.0%和0.51%，均小于2.0%。因此，RGB色度法检测氢氰酸的方法是可行的。

每一个RGB因子作为一个因素均存在一个检出限。通过测量空白的色度值(n=20)计算空白的标准偏差，其中R为0.002 81。因此，根据IUPAC的定义，该方法对R值的理论检出限为0.038 mg/L，而在实验中的实际检出限为0.04 mg/L。

2.4 干扰研究

2.5 样品分析

为了进一步评估该方法的有效性，对掺入氢氰酸的自来水样品进行分析。向100 mL自来水样品中分别加入不同量的氢氰酸，配成质量浓度分别为0.09、1.15、3.41 mg/L的氢氰酸水溶液。使用R色度值的标准曲线计算得到水中氢氰酸的回收率为98.3%～111%。结果表明该方法可用于水样中氢氰酸的测定，且具有较好的准确度。