RGB模式快速图像比色法测定高锰酸钾

毛月英

（北京农业职业学院，北京 102442）

高锰酸钾是一种强氧化剂，易发生爆炸，属于管控危险化学品。在化学品生产中高锰酸钾广泛用作氧化剂[1]；
在医药中用作消毒剂；
在水质净化中用作水处理剂等[2-3]。除此之外，高锰酸钾的氧化性，也广泛应用于分析化学领域。

由于高锰酸钾的氧化性，在与还原性物质发生反应时，高锰酸钾溶液会出现不同程度的褪色现象，可利用其吸光度值的减少量，测定还原性物质的含量。如温欣荣等[4]基于茶多酚能使高锰酸钾褪色这一特性，建立了光度法测定茶多酚含量的方法。左国强等[5]利用高锰酸钾的氧化性，建立了光度法测定维生素C含量的方法。王晓玲等[6]建立了光度法测定盐酸氯丙嗪含量的方法。牟城健等[7]建立了碱性条件下高锰酸钾光度法测定盐酸肼屈嗪含量的方法。曾少甫等[8]建立了食品接触橡胶中高锰酸钾消耗量的测定方法。上述文献方法，最终都需要通过分光光度法测定高锰酸钾的含量，从而达到分析目的。

已有研究报道利用图像比色法测定还原糖、铁、石油类物质的含量[9-11]。王嘉辉等[12-13]研究了RGB值在图像比色法中的应用。笔者建立了RGB 模式下快速图像比色法定量测定高锰酸钾溶液浓度的方法，对拍照条件、读取RGB 值时像素的位置及模型方程进行优化，并对方法进行验证，为高锰酸钾在分析检测领域的广泛便捷应用提供参考。

1.1 主要仪器与试剂

紫外分光光度计：T6 型，北京普析通用仪器有限责任公司。

高锰酸钾：分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

实验用水为蒸馏水。

1.2 实验方法

1.2.1 系列高锰酸钾标准溶液的配制

称取0.287 3 g 高锰酸钾固体，置于烧杯中溶解后，全部转移入1 000 mL 容量瓶，定容，摇匀，此高锰酸钾储备溶液浓度为100 mg/mL（以高锰酸钾中具有氧化性的Mn+7计）。

分别移取0.00、1.00、2.00、3.00、4.00、5.00 mL高锰酸钾储备溶液于50 mL 容量瓶中，定容，摇匀，得到系列高锰酸钾标准溶液，其质量浓度分别为0.00、2.00、4.00、6.00、8.00、10.00 mg/mL。

1.2.2 样品测定

在室内光源条件下，将系列高锰酸钾标准溶液依次装入1 cm比色皿中，固定比色皿位置。用支架固定手机进行拍照，调节手机与比色皿光面的距离为15 cm。标准溶液与样品溶液均采用以上方法拍照，以减少误差。读取溶液RGB 值，这一步操作可通过截图工具方便实现。绘制图像比色法的标准曲线，并用于测定样品溶液浓度。

2.1 高锰酸钾光吸收特性

如果两种单色光按照一定的强度比例混合，可以得到白光，那这两种单色光就称为互补色光，这种现象就称为光的互补[14]。人眼能看到的溶液的颜色，就是其吸收光的互补色。当一束白光通过高锰酸钾溶液时，该溶液会选择性地吸收绿光，人眼看到溶液的颜色就是绿光的互补光，即紫光的颜色。图1 为高锰酸钾的光吸收曲线，由图1 可知，高锰酸钾最大吸收波长为525 nm（绿色光）。

图1 高锰酸钾溶液的光吸收曲线Fig.1 Light absorption curve of KMnO4

2.2 基于分光光度法的标准曲线

按照1.2.1 配制系列高锰酸钾标准溶液，在525 nm处测定其吸光度值，以高锰酸钾质量浓度为横坐标，以吸光度值为纵坐标，绘制标准曲线，标准曲线的线性方程见表1(分光光度法）。图像比色法系列标准溶液的照片如图2所示。

表1 不同测试方法得到的标准曲线拟合方程Tab.1 Standard curves obtained by different methods

图2 系列高锰酸钾标准溶液图片Fig.2 Standard series solution of KMnO4

2.3 图像比色法的模型构建

经过观察，选择像素范围为宽度30 高度140 为截图区域，可避开比色皿边框和液面处，保证取值范围为均匀的溶液，如图3所示。

图3 图像比色法1获取RGB值示意图Fig.3 Schematic diagram of obtaining RGB values using image colorimetry method 1

按照上述方法，将6 个标准溶液逐一截图读取RGB 值，每个溶液读3 次值，结果见图4。由图4 可见，R值和B值随溶液浓度变化不大，而G值随溶液浓度升高而线性下降。这是由于高锰酸钾分子选择性吸收绿光（最大吸收波长525 nm附近），其吸收程度与溶液浓度成正比。

图4 标准溶液按照图像比色法1得到的RGB值分布Fig.4 RGB value distribution obtained by image colorimetric method 1

基于以上分析，图像比色法模型构建思路如下：

假设匹配的目标色为C，R（红色）、G（绿色）、B（蓝色）为三原色，假设C、R、G、B分别标记为目标色及三原色的量值。当三原色按照一定比例混合，实现与目标色（C）的匹配时，则有以下关系式成立：

式（1）为RGB三原色颜色匹配方程[15]。根据该颜色匹配方程，颜色可以用匹配该颜色的三原色的量来表示。该方程将主观视觉上的颜色用客观可量化的数值来表示，因此可以通过测定有色溶液的RGB值来确定待测组分的含量。

高锰酸钾溶液会吸收白光中的绿色光，由朗伯比尔定律可知，其对绿色光（波长为525 nm）的吸收程度与溶液浓度成正比。对于高锰酸钾溶液颜色深浅的表达，可以通过其互补色（绿色G）与饱和值255的差值（255-G）来表示。

基于上述原理，可以对高锰酸钾溶液颜色的RGB值与溶液浓度之间建立如下数学模型：

式中：G——三原色中绿色的量值，可以在线读取；

255-G——绿色与饱和值255的差值；

kG——标准曲线的斜率；

c——高锰酸钾溶液的浓度；

a——标准曲线的截距。

利用式（2）对图4的数据进行拟合，拟合结果见表1（图像比色法1）。得到的拟合方程相关系数r=0.995，显示图4的RGB值与溶液浓度之间的相关性较好，p值=9.0×10-5，p＜0.05。显示模型具有显著性。

2.4 图像比色法的模型优化

上述图像比色法得到的标准曲线相关系数r值大于0.99，与分光光度法相比（相关系数r=0.999 9）还有差距。经过观察分光光度计的仪器构造，发现光路仅从比色皿的中上部通过，且通过溶液的光路横截面积较小。图像比色法的取值区域较大（30×140），横跨比色皿的上中下部分。在室内光源条件下，比色皿上中下不同部位的光照条件差异较大（图3）。

为了提高测定的准确性，将读取RGB值的像素位置及像素大小固定下来。同时，减少读取区域的上下跨度，将取值区域从30×140 缩减为30×15。截图区域开始像素点坐标为（665，376），截图结束像素点坐标为（694，390），读取RGB 值的区域为30×15大小的矩形。

按照优化后的图像比色法读取标准溶液的RGB 值，结果见表2。按照式（2）对得到的RGB 值进行计算，得到255-G值，参考分光光度法，将255-G 值扣除质量浓度值为0.00 mg/mL 的背景，得到(255-G)s。以(255-G)s对高锰酸钾溶液的浓度进行线性回归，拟合结果见表1（图像比色法2），拟合得到的线性 方程相关系数r为0.999 7，p=1.3×10-7，p＜0.05。优化后的模型拟合效果较好，p值结果小于0.05，显示模型具有显著性，可以用于定量分析。

表2 图像比色法2所得标准溶液的RGB值Tab.2 RGB value obtained by image colorimetric method 2

2.5 方法的验证

分别采用分光光度计和快速图像比色法对高锰酸钾实际样品进行定量检测，以验证优化模型的可靠性与准确性，结果见表3。

表3 实际样品测定结果Tab.3 Determination results of the sample

由表3 可见，用快速图像比色法得到的检测结果与分光光度计得到的检测结果绝对误差为0.093 mg/mL，相对误差为2.2%。而分光光度法的相对误差为2%～5%，说明快速图像比色法的准确度和分光光度法相比基本一致。在不具备分光光度计仪器条件情况下，不需要配备专业的拍摄装置，就可以实现对高锰酸钾这类有色溶液的准确快速测定，因此，在智能手机普及的情况下，快速图像比色法的应用范围更加广泛。

利用快速图像比色法实现了高锰酸钾溶液浓度的准确定量测定。在室内光源条件下，将装有样品的比色皿和手机拍摄位置固定，保证在同一条件下拍摄标准溶液和待测样品。在读取图像RGB值时，优化读取RGB 值的像素位置[像素点坐标从（665,376）至（694，390）矩形区域]及像素大小（30×15），降低外在因素对测定结果的影响。该方法成功应用于高锰酸钾实际样品的测定，结果与分光光度法保持一致。与分光光度法相比，该方法具有操作简单、脱离仪器限制的优势，在环境保护、食品药品、水质监测等领域将大有作为。该研究结果，可为高锰酸钾在分析测试领域的广泛便捷应用提供参考。

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