西安化学试剂专题：基于试剂比色成像的面粉中重金属铅含量检测方法研究

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基于试剂比色成像的面粉中重金属铅含量检测方法研究

    韩雪1，夏锦闻1，孙明2*
    （1．中国农业大学信息与电气工程学院，北京市，邮政编码 10083； 2．中国农业大学现代精细农业系统集成研究教育部重点实验室，北京市，100083）
    摘 要： 民以食为天，食以安为先。随着经济的发展，食品的质量及安全日益受到重视。现有管理制度不健全、缺乏高效、快速的检测手段等问题日益突出。重金属污染更是亟待解决。因此，快速有效的重金属检测方法研究具有重要意义。本文以市售面粉为主要研究对象，采用试剂比色法，进行面粉中铅含量检测方法研究。具体是利用二硫腙与铅离子在碱性环境下发生络合反应，产生红色络合物。然后，通过彩色图像处理法，利用 Matlab 软件提取所采集图像的红色均值，从而确定溶液中含铅量。与国家标准对比，检测含量是否超标。
    关键词：面粉、试剂比色、彩色图像处理、络合反应

    0 引 言
    小麦是我国的第二大粮食品种，其种植面积和总产量仅次于水稻。随着经济发展和人民生活水平的提高，对作为我国人民主食的小麦粉的品质安全要求也越来越高。小麦粉的品质安全与否，不仅关系到农业产业本身的可持续稳定发展，还直接影响着民众健康、社会和谐和国民经济全面科学发展。如过量的铅不仅会阻滞作物生长发育，降低产量和质量，还可通过生物链的富集而严重损害人的神经、消化、免疫和生殖系统，危害人体健康；镉主要在肝、肾部积累，并不会自然消失，经过数年甚至数十年慢性积累后，人体将会出现显著的镉中毒症状，包括损坏肾功能，导致人体骨骼生长代谢受阻，从而引发骨骼的各种病变；汞在人体及动物体内蓄积会引起慢性中毒，出现大脑皮质变性和萎缩以及感觉麻痹、异常等病症。特别值得关注的是，铅可严重影响婴幼儿和少年儿童的生长发育和智力［1］因此对小麦粉中重金属铅残留物必须予以足够的重视。
    1 研究内容
    鉴于食品安全问题日益突出，本文采用面粉作为研究对象，搭建试剂比色法和彩色图像处理法平台来研究面粉中的铅，并研究此种方法的可行性。为自动化检测仪器的开发奠定基础。首先，作为对比试验，要对只含铅离子的去离子水进行研究，利用二硫腙试剂与其在碱性环境下反应，产生红色络合物。进行重复性试验，观察检测结果。如结果符合要求，利用 MATLAB 进行彩色图像处理，绘制直观的彩色直方图。最后，绘制GUI界面，完成软件设计。
    1.1 双硫腙反应
    1.1.1 反应原理
    国标中[2]规定在 pH 为 8.5-9.5 的氨性柠檬酸盐一氰化物的还原性介质中。铅与双硫腺形成可被氯仿萃取的淡红色的双硫腙铅络合物。由于氰化钾有剧毒，无法在市面购买到，经过查阅资料及研究分析，决定采用酒石酸钾钠代替氰化钾作掩蔽剂。
    1.1.2 具体操作
    铅标准液：将0 .2g硝酸铅溶解在约200ml水中加人l0ml硝酸后用水稀释到l000ml标线。
    双硫腙贮备溶液：称取100mg纯净双硫棕，溶于1000ml四氯化碳中，贮于棕色瓶中放置在冰箱内备用，此溶液每毫升含100g双硫粽。
    在反应液中，加1％硝酸至20mL。加20％ 柠檬酸铵溶液2mL，20％ 盐酸羟胺溶液1mL，用氨水(1+1)调至pH为9.0，再加20％ 酒石酸钾钠溶液2mL，混匀。加5.OmL双硫腙使用液，剧烈振摇1min，静置分层后，观察颜色反应。
    1.2 RGB 理论
    CIE（国际照明委员会）规定了以700nm(红)、546.1nm (绿)、435.8nm (蓝)三个色光为三基色。又称为物理三基色。自然界的所有颜色都可以过选用这三基色按不同比例混合而成。同样，绝大多数颜色光也可以分解成红（R)、绿（G)、蓝（B）三种颜色光，这就是色度学中最基本的三基色原理。当然，三基色的选择不是唯一的，可以选择其他3种颜色为三基色。但是，三种颜色必须是相互独立的，即任何一种颜色都不能由其他两种颜色合成。由于人眼对红、绿、蓝3种颜色光最敏感，因此由这三种颜色相配所得的彩色范围也最广。
    2 图像采集
    实验共取四组铅含量不同的面粉，通过与国家标准对比，检测其是否超标，并研究此种方法的可行性。图像处理是针对每个像素进行处理，基于三基色理论，当RGB 分量均为 255 时组成白色。当背景为白色时，白色中R 分量值较大，对实验干扰较大，因此为得到对比度较高的图像，因此采用黑色为背景。
    第一组：取不加面粉的铅标准液，加入各种反应试剂，静置后采集图像作为对比图像，如图1 所示，溶液呈现出红色。
    
    第二组：取铅标准液，混合少量面粉后静置风干。待风干后，溶于水，取溶液，按流程加入试剂，等待颜色反应，采集图像，如图2 所示，溶液呈现出粉色。
    
    第三组：将标准铅溶液稀释100 倍（含量将低于国家安全要求标准，即为安全），与面粉混合后静置风干。待风干后，将面粉溶于水，配成溶液，按流程加入试剂，等待颜色反应，采集图像，如图 3 所示，溶液呈现出浅粉色。
     
    第四组：将面粉配成溶液，加入试剂（严格控制实验流程，使其不含任何铅离子干扰），等待颜色反应，采集图像。双硫腙溶于四氯化碳后，呈现出绿色溶液，如图 4 所示。
     
    3 彩色图像处理
    经过对比分析，资料收集后，拟采用提取红色均值作为目标，并与国家标准进行对比。
    我国食品卫生标准把铅列为十大类食品中的重要毒物指标，对其含量要求严格规定每千克或每升不得超过1.0mg。
    溶液A与B含有铅标准液，将0.2g硝酸铅溶解在约200ml水中，加入l0ml硝酸后用水稀释到l000ml标线，此溶液每毫升含铅量高于1mg但低于2mg。溶液C中所加入的铅液，是将标准液稀释10倍，因此每升含有0.1-0.2mg铅，低于国家标准。D溶液中不含有铅。
    首先将图像阈值化，去除背景及试管内杂色干扰。后提取图像的红色均值R可得：
    
    由所得图像的红色均值可知，图像中红色越深，即含铅量越高，则R 值越大。通过设R 的阈值，即当 R>1.2时，待测溶液中含有过量铅；当r<0.32 时，溶液中不含铅；当0.32<r<1.2 时，溶液中含有铅，但不超标。
    基于上述处理结果，编制了MATLAB 检测程序。
    3 结论
    本文基于试剂比色法与彩色图像处理技术，对面粉中含铅量进行了研究。当面粉中含有不同浓度的铅离子时，与二硫腙反应也呈现出的深浅不同的红色。利用彩色图像处理技术，可以区分其颜色值的差异，从而达到检测铅离子浓度的目的。通过实验并与国家标准的对比分析，结果表明本研究所采用的方法能够对面粉的品质做出准确的判断。
    [参 考 文 献]
    [1]何计国. 食品卫生学[M ]. 北京: 中国农业大学出版社，2006.

    [2] GB/T 5009.12-2003. 食品中铅的测定

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