RGB色彩模式识别多组分苏丹红含量

周 佳,毕秀成，郭英

(汉江师范学院 化学与环境工程学院，湖北 十堰， 442000)

苏丹红是一类萘酚偶氮染料，包括苏丹红Ⅰ、苏丹红Ⅱ、苏丹红Ⅲ和苏丹红Ⅳ，具有颜色鲜艳、着色性强、价格便宜等特点[1]。由于苏丹红属于工业染色剂，人体摄入后会引起某些病变，因此该类物质严禁用于食品生产加工，食品检测机构在检测食品时，往往不会对其进行测定，因而添加了苏丹红的食物就不易被发现[2-3]。不法商家为了保证颜色稳定和延长保质期，往往添加多种染色剂，给检测带来较大困扰。

多组分苏丹红检测方法主要包括高效毛细管电泳法[4]、高效液相色谱法[5-6]、同步荧光检测法[7-8]等。上述方法普遍存在仪器成本高、操作步骤复杂、常规检测适用性不强等不足。

运用分光光度法测定多组分样品的含量，如果各种吸光物质的吸收曲线相互重叠，根据吸光度加和性特征，在某一波长下总吸光度等于各组分吸光度的和，一定条件下样品可不经过分离即可对混合物进行多组分含量分析[9]。图片比色法测定单一溶液的浓度时发现，吸光度与颜色量值存在一定的线性关系，可构建吸光度、颜色量值和浓度之间的函数关系。本文以苏丹红Ⅱ和苏丹红Ⅲ混合溶液为测试对象，建立了吸光度与颜色量值的数学模型。不同波长的情况下，测得混合溶液的吸光度，经模拟运算，获得混合溶液三原色值，根据各组分浓度与颜色量值的关系推算出各组分的浓度。该方法在多组分混合物浓度测定中具有一定的适用性。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

苏丹红Ⅱ号和苏丹红Ⅲ号(分析纯，天津致远化学试剂有限公司)；正己烷(分析纯，国药集团化学试剂有限公司)；实验用水为超纯水。722SP型分光光度计(上海棱光技术有限公司)；EX124A型电子分析天平(厦门莱斯德科学仪器有限公司)；自制拍摄箱体(长38 cm、宽25 cm、高15 cm)，上部开圆孔放置光源，侧壁开矩形孔放置拍摄手机；iPhone 5S(苹果公司)、VIVO Y71(维沃移动通信有限公司)。

1.2 实验原理

同一溶液，不同浓度，最大吸收波长一样，吸收曲线的形状相似，吸光度A与浓度C成正比。对于多组分有色溶液，如果各组分之间无相互作用，组分与组分的吸光度可以进行加和计算，以式(1)表示：

(1)

图片比色法是近年来兴起的一种新型分析测试方法。在运用手机比色法测定苏丹红Ⅱ浓度时，发现不同浓度的溶液，吸光度与颜色量值存在线性关系。对于多组分苏丹红溶液，根据吸光度加和性特点，构建混合溶液吸光度与颜色量值之间的数学关系式，用式(2)表示：

(2)

(3)

(4)

1.3 溶液的配制

称取3 mg苏丹红Ⅱ和3 mg苏丹红Ⅲ，用正己烷分别定容至100 mL，在4 ℃环境下保存。取4支25 mL比色管，分别加入1 mL、2 mL、3 mL、4 mL苏丹红Ⅱ标准液，再取4支25 mL比色管，分别加入1 mL、2 mL、3 mL、4 mL苏丹红Ⅲ标准液，用正己烷稀释至刻度。

2 结果与讨论

2.1 最大吸收波长的确定

向两只1 cm比色皿中分别添加苏丹红Ⅱ和苏丹红Ⅲ标准液，以正己烷为参比液，在400～600 nm范围内，每隔5 nm测定一次吸光度，最大吸收峰附近间隔2 nm测定一次。两组溶液的吸收曲线见图1，由图可知苏丹红Ⅱ的最大吸收波长为474 nm，苏丹红Ⅲ的最大吸收波长为504 nm。

图1 苏丹红Ⅱ和苏丹红Ⅲ吸收曲线

2.2 吸光度与颜色间接值关系的构建

由于拍摄过程中样品的图像采集容易受外界环境的影响，用获得的RGB值直接进行计算，会引起较大误差[10]，因此引入误差传递原理[11]，将直接测定的R、G、B值转化间接测定值XR、XG、XB，可以降低误差带来的影响，XR可用关系式(5)表示，XG、XB同理可得，其中Gr为颜色灰度值。

(5)

取配制好的苏丹红Ⅱ和苏丹红Ⅲ标准溶液各4组，依次加入8支比色皿，将比色皿放置在拍摄箱中距离拍摄手机正前方12 cm处，以VIVO手机的手电筒光为环境光源，iPhone 5S为取样手机。拍摄完毕后，将比色皿转入分光光度计，分别在474 nm和504 nm处测定对应组分的吸光度，吸光度A与XR、XG、XB趋势关系可用图2表示。

图2 吸光度与颜色测量值关系曲线

由图2可知，不同波长处，除苏丹红Ⅱ(c图)浓度与间接测量值XG线性拟合度较低，另外5组吸光度A与间接测量值XR、XG、XB的线性关系较好。以苏丹红Ⅱ和苏丹红Ⅲ浓度与XB的关系曲线作为测试组，将图2e和图2f中的线性方程带入到式(3)和式(4)得到组合方程式(6)和式(7)，式(6)和式(7)分别是苏丹红Ⅱ和苏丹红Ⅲ混合溶液在波长474 nm和504 nm时吸光度与XB的组合方程。为了验证该方法的可靠性和稳定性，用苏丹红Ⅱ和苏丹红Ⅲ浓度与XR的关系曲线作为对照组，得到式(8)和式(9)，比较两者测得的结果。

(6)

(7)

(8)

(9)

以苏丹红Ⅱ和苏丹红Ⅲ系列标准溶液为对象，用手机比色法获得间接测量值，建立苏丹红Ⅱ浓度C与XB、XR的线性方程，分别为C=-0.0617XB+0.9671(R2=0△.9991)和C=-0.0204XR+1.0308(R2=0.9955)；苏丹红Ⅲ浓度C与XB、XR的线性方程，分别为C=-0.0382XB+0.9688(R2=1)和C=-0.0487XR+1.0255(R2=0.9978)。

取2 mL苏丹红Ⅱ标准溶液，加入到25 mL比色管中，添加2 mL苏丹红Ⅲ标准溶液，定容后摇匀，由测得的混合溶液吸光度A(474 nm)和A(504 nm)计算出苏丹红Ⅱ和苏丹红Ⅲ的XB、XR，分别带入两者的标准溶液浓度C与间接值XB、XR的关系式，将计算值与标准值进行比较，结果如图3所示。

图3可以看出，苏丹红混合溶液中，测定组的各组分浓度与对照组的各组分浓度基本一致，证实了构建的混合溶液与颜色间接测量值XB、XR的关系在测定各组分浓度的合理性。计算浓度与标准浓度对比，发现测定的苏丹红Ⅱ浓度准确度较高，苏丹红Ⅲ浓度偏高，说明该方法识别苏丹红混合溶液苏丹红Ⅱ的含量是有效的。

图3 测定浓度和标准浓度比较

2.3 样品的测定及回收率实验

取1 mL苏丹红Ⅱ标准溶液至10 mL比色管，添加1 mL苏丹红Ⅲ标准溶液，定容至刻度，按照2.2中测定方法，分别在λ=474 nm和λ=504 nm处采集混合溶液吸光度A。平行配制3组样液进行测定，得到不同颜色间接值时，苏丹红Ⅱ标准样品的测定结果，见表1和表2。

表1 XR时苏丹红Ⅱ的测定结果

表2 XB时苏丹红Ⅱ的测定结果

向1 mL苏丹红Ⅱ标准样品中依次添加2 mL苏丹红Ⅱ和2 mL苏丹红Ⅲ混合加标样，每份样品配制3次，摇匀后进行测定。间接测量值XR为测试变量时，苏丹红Ⅱ的加标回收率为101.9 %～105.6 %，苏丹红Ⅲ加标回收率为121.5 %～123.4 %；间接测量值XB为测试变量时，苏丹红Ⅱ的加标回收率为101.4 %～104.9 %，苏丹红Ⅲ加标回收率为121.4 %～123.2 %。两者均证实该方法在测定苏丹红二组分混合溶液中，苏丹红Ⅱ浓度的准确度较高，能初步预测苏丹红Ⅲ的浓度。

3 结论

基于吸光度具有加和性的特点，建立了分光光度法和图片比色法联用检测混合溶液的方法。引入误差传递规律降低了三原色值RGB的测定误差，构建了吸光度与颜色间接测定值的函数方程，测定了苏丹红Ⅱ和苏丹红Ⅲ混合溶液的各组分含量，具有较好的重复性，其中苏丹红Ⅱ测定的选择性和准确度高，为多组分溶液的测定提供了一种参考。