均相液液萃取-数字成像比色法测定水中痕量六价铬

金 超,罗克菊,杨显双,向 越

(重庆市北碚区生态环境监测站,重庆 400700)

铬是一种用于化学工业的重要元素,主要以Cr3＋和Cr6＋两种氧化态形式存在,它们在环境中具有不同生理效应[1]。低浓度水平Cr3＋对于植物和动物非常必要,而Cr6＋氧化电位较高、毒性大,具有致癌作用。铬在工业过程中被广泛使用,从而导致大量铬排放到环境中,对人类健康造成严重危害[2]。目前,饮用水标准中规定Cr6＋限量为0.05 mg·L－1[3],因此对水环境中低浓度水平Cr6＋的测定具有重要意义。

目前测定Cr6＋含量的方法主要有分光光度法[4-5]、原子吸收光谱法(AAS)[6-7]、电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)[8]、电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)[9]、液相色谱-质谱法(LCMS)[10]等。然而,这些方法需要昂贵的仪器以及专业操作,无法满足现场即时测量的要求。因此,开发一种简单、快速、廉价、便携和灵敏的方法来测定水中Cr6＋含量显得十分重要。数字成像比色法(DIC)是一种新颖且成本低的技术,通过手持扫描仪[11]、数码相机[12-13]、网络摄像头[14-16]或智能手机[17-18]等数码设备对待测物质生成的显色溶液进行图像采集,然后将图像转化为颜色值来定量分析无机污染物[19]和有机污染物。

本工作采用均相液液萃取技术对Cr6＋进行萃取和富集,再结合基于智能手机的DIC 测定水环境中痕量Cr6＋。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

华为M5 型手机;X180 型LED 补光灯;WJ-15X 型微距镜头;WH-2 型涡旋混合器;TDL-50B型低速台式离心机;Color Grab软件。

Cr6＋标准溶液:500 mg·L－1,编号GBW(E)080377,使用时用水稀释至所需质量浓度。

二苯碳酰二肼、十二烷基硫酸钠(SDS)、邻苯二甲酸二甲酯、异丙醇、丙酮均为分析纯;试验用水为超纯水。

1.2 均相液液萃取原理

Cr6＋与显色剂二苯碳酰二肼形成的紫红色络合物属于离子型络合物,很难被萃取到有机溶剂中,因此需要加入SDS作为离子对,消除该离子型络合物的电荷,以提高萃取效率。当含有少量邻苯二甲酸二甲酯的异丙醇加入到Cr6＋-二苯碳酰二肼-SDS三元络合物溶液中时,相分离开始产生,几分钟后离心管底部生成紫红色沉淀。这是由于异丙醇溶于水,在体系中起到分散剂的作用,有助于邻苯二甲酸二甲酯萃取三元络合物,最终不溶于水的邻苯二甲酸二甲酯沉淀下来,完成均相液液萃取。接着通过涡旋和离心,缩短了萃取和相分离时间。

1.3 智能手机比色装置

智能手机比色装置的基体为一个木盒(内部尺寸24 cm×19 cm×12 cm),光源为X180LED 补光灯,固定于木盒顶部,智能手机固定在木盒外部,Color Grab软件通过手机摄像头对离心管底部的萃取层进行拍照获取红(R)、绿(G)、蓝(B)值。为了在拍摄过程中获得稳定的R、G、B 值,须对光源种类[19]、拍摄背景及样品位置进行设置。

试验所用的光源为LED 面光源,光源色温为5 600 K,该色温接近自然光,保证了拍摄的图片自然不失真。为获得清晰图像,手机摄像头距离离心管至少8 cm,而离心管底部的萃取层体积较小,此时Color Grab软件中的比色圆圈大于萃取层,无法捕捉到萃取层,因此在手机摄像头前(木盒内侧)安装微距镜头,减小手机拍摄焦距。当离心管到摄像头的距离约为3 cm 时,Color Grab软件可以完全捕捉到萃取层,此时也可以获取清晰的拍摄图像。另外,为了消除背景光线的干扰,木盒内部全部铺盖白色A4纸。当离心管放入比色装置中,Color Grab软件能够自动聚焦取色,稳定后,手机上方显示R、G、B值,采集示意图见图1。

图1 智能手机比色采集示意图Fig.1 Schematic diagram of the smart phone colorimetric collection

1.4 试验方法

取2.5 mL Cr6＋标准溶液或实际水样于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(显色剂),摇匀,反应5 min;再加入60μL 邻苯二甲酸二甲酯和400μL异丙醇的混合液,涡旋30 s形成乳浊液,以3 000 r·min－1转速离心10 min;最后将离心管放入自制智能手机比色装置中,通过Color Grab软件读取萃取层的G 值,平行读取5次,取平均值。试验过程如图2所示。

图2 试验过程示意图Fig.2 Schematic diagram of the experimental process

2 结果与讨论

2.1 定量参数的选择

Color Grab软件可直接获取萃取层的图像,对显色图像进行颜色模型转换即可得到定量的参数。图像的颜色模型有RGB、CMYK、Lab、HSV、灰度等,其中应用最广泛的模型为RGB。显色溶液的颜色深浅发生变化,能引起R、G、B 中某一通道颜色值变化或三通道颜色值同时变化。分别将萃取层的R、G、B值对Cr6＋质量浓度进行拟合。由于萃取层颜色为紫红色,其互补色为绿色,因此G 值变化最大,灵敏度最高,并且Cr6＋质量浓度越大,G 值越小,如图3所示。因此,选取G 值作为方法的定量参数。

图3 R、G、B值与Cr6＋质量浓度的关系Fig.3 Relationships between R,G,B values and mass concentration of Cr6＋

2.2 邻苯二甲酸二甲酯用量的选择

试验考察了邻苯二甲酸二甲酯用量分别为20,40,60,80,100,120,140,160,180μL 时 对G 值 的影响。

结果表明:当邻苯二甲酸二甲酯用量小于60μL时,由于萃取层体积过小,无法进行比色;当邻苯二甲酸二甲酯用量为60～180μL时,G 值随邻苯二甲酸二甲酯用量的增大而增大,这是由于随着邻苯二甲酸二甲酯用量的增大,导致紫红色络合物在萃取剂中被稀释。因此,为了获得较小的G 值并且保证萃取层有足够的体积进行比色,试验选取的邻苯二甲酸二甲酯用量为60μL,根据富集倍数＝样品体积/邻苯二甲酸二甲酯体积(萃取层体积),计算得样品的富集倍数为41.7。

2.3 异丙醇用量的选择

试验考察了异丙醇用量分别为100,200,300,400,500,600,700,800,900,1 000μL时对G值的影响。

结果表明:当异丙醇用量为100～400μL 时,G值随异丙醇用量的增大而逐渐降低,这是由于异丙醇用量较小时,分散性不够,导致萃取效率较低,当异丙醇用量逐渐增加,萃取效率不断提高;当异丙醇用量为400～1 000μL时,随着异丙醇用量的增大,沉淀萃取层的体积开始变小直到几微升,并且颜色逐渐变深,这是由于异丙醇对邻苯二甲酸二甲酯的溶解作用不断增强,致使邻苯二甲酸二甲酯的萃取层体积逐渐减小。因此,为了获得稳定并且较小的G 值,同时保证萃取层有足够比色体积,试验选择的异丙醇用量为400μL。

2.4 干扰试验

试验考察了常见离子对50μg·L－1Cr6＋标准溶液测定的影响。结果表明,允许误差绝对值不大于5%情况下,1 000 倍Mg2＋、Ca2＋、Cl－、NO3－,500倍Ni2＋、Co2＋,250倍Cu2＋、Zn2＋,100倍Fe3＋不干扰Cr6＋的测定。

2.5 标准曲线和检出限

移取适量的Cr6＋标准溶液,用水逐级稀释,配制成Cr6＋质量浓度依次为4,10,20,30,40,50,60μg·L－1的标准溶液系列,在优化条件下进行测定,以Cr6＋质量浓度为横坐标,其对应的G 值为纵坐标绘制标准曲线。结果显示,Cr6＋标准曲线的线性范围为4～60μg·L－1,线性回归方程为y＝－2.896x＋243.8,相关系数为0.996 7。

按照试验方法对空白溶液平行测定11 次,以3倍G 值的标准偏差(s)和线性回归方程斜率(k)的比值计算检出限(3s/k),得到Cr6＋检出限为1μg·L－1。

2.6 精密度和回收试验

按照试验方法对河水和工业废水样品进行测定,并与国家标准GB 7467－1987《水质 六价铬的测定二苯碳酰二肼分光光度法》的测定值进行对比,结果见表1。

接着对上述样品进行加标回收试验,每个浓度水平平行测定6次,计算回收率和测定值的相对标准偏差(RSD),结果见表1。

由表1可知:本法与国家标准方法的测定值基本一致;河水和工业废水样品中Cr6＋的加标回收率为87.8%～109%,测定值的RSD 为2.4%～3.7%。说明该方法能够用于实际样品的测定。

表1 精密度和回收试验结果(n＝6)Tab.1 Results of tests of precision and recovery(n＝6)

本工作通过邻苯二甲酸二甲酯对Cr6＋-二苯碳酰二肼-SDS三元络合物均相液液萃取,采用智能手机对萃取层进行图像采集,从而构建了DIC 测定水环境中痕量Cr6＋的方法。该方法具有较好的选择性,能够满足现场对水环境中低浓度水平Cr6＋的分析。