空气辅助分散液液微萃取–数字成像比色法检测水体中阴离子表面活性剂

金超，罗克菊，杨显双

（重庆市北碚区生态环境监测站，重庆 400700）

阴离子表面活性剂（LAS）主要为烷基磺酸盐、烷基硫酸盐、长链烷基苯磺酸盐，其使用量占表面活性剂消耗总产量的40%以上［1］。LAS 在日常生活和工业生产中的应用越来越广泛，其排入水体后，容易聚集在水体和微粒表面形成泡沫或发生乳化，阻断水体与空气中氧气的交换，导致水体中的溶解

氧含量逐渐降低进而最终导致水质恶化，因此对水体中LAS 快速检测方法的研究具有非常重要的现实意义。目前，检测LAS 的方法主要包括分光光度 法［2–3］、荧光光度法［4–5］、共振光散射法［6–7］、高效液相色谱法［8］等。其中应用比较普遍的为国标GB／T 7494–1987 中的亚甲蓝萃取分光光度法，该方法线性范围宽、灵敏度高，但操作繁琐，需要多级萃取，并且消耗大量三氯甲烷，易对环境造成二次污染。

分散液液微萃取（DLLME）［9］是一种微型化的液液萃取技术，与传统液液萃取相比，加入了分散剂，能够使目标物快速从样品溶液转移到萃取相中。分散液液微萃取具有富集倍数高、分析成本低、操作简便等优点，最大的亮点就是使用微量萃取剂，是一种先进的样品前处理方法。但是在分散液液萃取中，使用的甲醇、丙酮、乙腈等有机分散剂（mL 级）通常占整个萃取混合物的97%～99%，因此增加了目标分析物在样品溶液中的溶解度，导致萃取效率降低［10］。而空气辅助分散液液微萃取（Air-assisted liquid-liquid microextraction，AALLME）［11］能够避免分散剂的使用，维持较高的萃取效率。AALLME操作简便、萃取时间短，对实验人员技术要求低，重复性好［12］，在农药残留［13–14］和环境监测［15–16］等领域已得到应用。数字成像比色法（Digital Image Colorimetry，DIC）作为新的比色方法，具有成本低、操作简单、耗时少的优点，它运用智能手机强大的图像采集和处理功能［17］，能够快速实时地对样品进行定量检测，广泛应用于环境监测［18–19］、食品安全监测［20］和生物医疗［21–24］等领域。基于手机的数字成像比色法可以替代分光光度计，有效减小了检测设备的体积，能够用于现场检测从而缩短了检测时间，降低了实验成本，在快速检测领域具有巨大的潜能。基于此，笔者提出了空气辅助分散液液微萃取–数字成像比色法对地表水和生活污水中LAS 的检测。该方法灵敏度高，操作简便，具有很好的应用前景。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

LED 面光源：X180LED 摄影灯（14.5 cm×7.5 cm），12 W，色温为5 600 K，深圳市迪比科电子科技有限公司；

智能手机：M5 型，华为技术有限公司；

自制测试木盒：内部尺寸为24 cm×19 cm×12 cm；

微距镜头：WJ-15X 型，15 倍镜头，深圳市凯达美科技有限公司；

低速台式离心机：TDL–50B 型，上海安亭科学仪器厂；

旋涡混合器：WH–2 型，金坛市晓阳仪器厂；

紫外可见分光光度计：TU–1901 型，北京普析通用仪器有限责任公司；

拾色软件：Color Grab，安卓软件商店；

十二烷基苯磺酸钠标准溶液：编号为GBW(E) 081639，1 000 μg／mL，中国计量科学研究院；

亚甲蓝：指示剂级，上海三爱思试剂有限公司；

二水磷酸二氢钠、浓硫酸、三氯甲烷：分析纯，重庆川东化工（集团）有限公司；

实验用水均为超纯水。

1.2 实验原理

在酸性条件下，LAS 与显色剂亚甲蓝溶液反应生成蓝色化合物，再经过空气辅助分散液液微萃取，把蓝色化合物富集萃取到三氯甲烷层中，最后使用手机拾色软件Color Grab 采集三氯甲烷层颜色值（R、G、B），该颜色值与LAS 浓度呈线性关系，据此对LAS 进行定量测量。

图1 空气辅助分散液液微萃取–数字成像比色法检测LAS 的实验原理图

1.3 溶液配制

亚甲蓝溶液：称取0.05 g 亚甲蓝和2.83 g 二水磷酸二氢钠溶于50 mL 水中，再缓慢加入0.68 mL浓硫酸，搅拌均匀，最后加水定容至100 mL 容量瓶中。将此溶液贮存于棕色瓶中，4℃下保存。

LAS 标准工作溶液：对十二烷基苯磺酸钠标准溶液进行逐级稀释，最终配成质量浓度分别为0.1，0.2，0.4，0.6，0.8 mg／L 的LAS 系列标准工作溶液。

1.4 实验方法

向1.5 mL 透明离心管中加入1.0 mL 样品溶液和50 μL 的亚甲蓝溶液，涡旋混匀。再使用移液枪将100 μL 三氯甲烷快速注入离心管中。然后用2.0 mL 玻璃注射器将样品和萃取剂混合液快速吸入针筒中，又快速注入离心管中，如此重复10 次，形成均匀的乳浊液。乳浊液再以3 000 r／min离心5 min后，将离心管放入比色装置中通过Color Grab 手机软件对下层的萃取相读取R，G，B 颜色值。

2 结果与讨论

2.1 比色装置

数字图像比色装置为一个木盒，光源至于暗箱顶部，智能手机固定于木盒外部，摄像头通过木盒小孔对暗箱中的溶液进行拍照。在实验拍摄中为了获得稳定的R，G，B 值，需要对光源、样品所在位置以及拍摄背景进行统一设置。比色装置使用的是LED 面光源，LED 面光源能够保证整个比色装置中都可以获得稳定的光照亮度。为了获得样品溶液的真实比色图像，需要保证LED 光源为冷光源（色温大于5 000 K），本实验选择LED 的色温为5 600 K。选择冷色温LED 光源同时也保证了光源设备产生热量小，有助于保持恒定的环境温度，进而提高检测稳定性。LED 面光源位于离心管后方，这是因为当面光源位于离心管正上方，拍摄图像会有少量的黑色阴影。手机摄像头的焦距为8 cm 左右，低于8 cm的拍摄距离，成像不清晰，并且手机软件中比色圆圈不足以覆盖三氯甲烷层显色区域。为了能够减小手机摄像头的焦距，在手机摄像头前安装了微距镜头，使手机摄像头到离心管的距离为3 cm，可以获得清晰的颜色图像。另外，木盒内部全部由白色A4 纸铺盖，这样能够获得清晰明亮的照片。

2.2 定量参数的确定

数字成像比色法是先利用手机获取显色溶液的图像，再对图像的颜色信息进行处理，最终得到用于浓度定量的参数。图像的颜色模型可分为RGB（红、绿、蓝）、HSV、LAB、CMYK、灰度等，其中R，G，B 颜色模型应用最广泛。显色溶液的深浅变化，能够引起R，G，B 某一通道或者三通道的颜色值同时变化，为了保持显色溶液的颜色值和分析物浓度有良好的线性关系，需要对R，G，B 三通道的颜色值进行数学处理来获取分析信号值。建立不同数学处理模型分析信号值（y）和LAS 浓度（x）的标准曲线，线性回归方程和线性相关系数见表1。

表1 不同分析信号模型的线性回归方程和相关系数

从表1 中可以看出，在对R，G，B 值进行不同的数学处理模型中，（IRblank–IR）／255 模型的线性相关系数最高，这说明显色溶液的颜色深浅主要由R值的大小决定，因此选（IRblank–IR）／255 作为最佳分析定量参数。

2.3 萃取剂种类和体积

在空气辅助分散液液微萃取–数字成像比色法中，萃取剂需要具有密度比水大、水溶性低等特点，因此本实验考察了二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳、四氯乙烯等4 种常用有机溶剂作为萃取剂的可行性。其中四氯化碳和四氯乙烯都未能从样品溶液中萃取出亚甲蓝和LAS 反应形成的蓝色缔合物；二氯甲烷能够萃取该离子缔合物，但是由于二氯甲烷本身沸点较低，空气辅助分散液液微萃取和离心过程完成后，离心管底部的二氯甲烷萃取相会有损失；三氯甲烷在萃取过程中损失较少。因此选用三氯甲烷作为最终的萃取剂。

按照1.4 步骤对浓度为0.6 mg／L 的LAS 溶液进行了萃取分析，考察了体积为50，100，150，200，250 μL 三氯甲烷萃取剂对分析信号值的影响，结果如图2 所示。

图2 空气辅助分散液液微萃取中萃取剂对分析信号值得影响

由图2 可知，分析信号的响应值随着萃取剂体积的增大而减小，这是由于随着萃取剂体积的增加导致离子缔合物在萃取剂中稀释造成的。当萃取剂体积低于50 μL 时，IR为0，此时（IRblank–IR）／255为最大值，萃取相颜色已达到饱和。因此为了获得较大的分析信号值并且保证萃取相有足够的体积进行比色，选取萃取体积为100 μL，此时样品富集倍数为10。

2.4 萃取闪数

萃取次数是使用玻璃注射器将萃取剂和样品混合物吸入针筒后再快速注入离心管的次数。实验按照1.4 步骤选用浓度为0.6 mg／L 的LAS 溶液进行了萃取分析，考察了萃取次数为5，10，15，20，25次时对分析信号值的影响，结果如图3 所示。由图3 可知，萃取次数对分析信号值影响不大，萃取次数为5 次时，分析信号值已经基本稳定，表明此时已经达到萃取平衡。为了保证混合液能够充分接触，同时为了避免萃取次数过多导致萃取剂挥发，选择萃取次数为10 次，萃取时间仅为30 s。而亚甲蓝分光光度法采用的分级萃取时间消耗约为10 min。

图3 空气辅助分散液液微萃取中萃取次数对分析信号值的影响

2.5 线性范围和检出限

按1.4 实验方法测定质量浓度分别为0.1，0.2，0.4，0.6，0.8 mg／L 的LAS 系列标准工作溶液，以颜色模型分析信号值y=（IRblank–IR）／255 为纵坐标，LAS 的质量浓度x 为横坐标进行线性回归，计算得线性回归方程为y=0.882 2 x– 0.055 5，线性相关系数为0.998 4，分析信号值和LAS质量浓度在0.10～0.80 mg／L 范围内有良好的线性关系。对空白溶液进行11 次重复比色测试，计算得到空白溶液信号值的标准差（δ），按照公式LOD=3δ／b（b 为标准曲线斜率）计算得方法检出限为0.01 mg／L，低于国标分光光度法0.05 mg／L 的检出限。原因可能是本方法的空气辅助分散液液微萃取富集倍数要高于分光光度法中液液萃取（富集倍数为4）。

2.6 精密度试验

采用优化后的测定条件，对浓度为0.2 mg／L和0.6 mg／L LAS 标准溶液平行测定10 次，考察该方法的重现性，结果见表2。

表2 精密度试验结果

由表2 可知，10 次测定结果的相对标准偏差（RSD）分别为3.3%和1.0%，说明该方法具有良好的精密度。

2.7 加标回收试验

分别取嘉陵江水和生活污水进行样品检测。样品经过过滤后，按照1.4 进行检测并进行加标回收试验，结果见表3。由表3 可知，实际样品加标回收率为95.7%～99.5%，表明该方法有较高的准确度。

表3 加标回收试验结果

3 结语

建立了一种空气辅助分散液液微萃取–数字成像比色法快速检测水环境中LAS 的方法。该方法仅需要100 μL 三氯甲烷萃取剂，比国标方法 GB／T 7494–1987 用量减少许多，大大降低了对环境和人体的危害；同时采用空气辅助分散液液微萃取进行萃取，富集倍数高，提高了方法灵敏度。另外，萃取分层后的三氯甲烷是在简单的比色装置中进行比色定量检测，检测成本低、速度快，测定结果和分光光度法基本一致。该方法能够满足日常水环境中低浓度LAS 的检测。