一种智能手机图形比色法测定环境水体中钙和镁的方法与流程

本发明属于环境监测，具体为一种智能手机图形比色法测定环境水体中钙和镁的方法。

背景技术：

1、水中钙、镁离子的含量是水硬度的重要组成之一，其含量直接影响水质的好坏，所以钙、镁离子含量的检测不仅是水质检测的重要项目，也是判断水质好坏和水体的重要指标。研究者们根据水中钙镁离子的含量由少到多将水分为软水、中等硬水、硬水和极硬水，对水质的细致分类是因为长期饮用硬度过高的水不利于人体健康，轻则损害肌肤，使人衰老，重则引起血管、神经等系统的病变。所以检测水中钙镁离子一直是许多研究人员讨论的热点话题，由于二者性质相近，测试时相互干扰又往往共存因此给分析带来一定困难。

2、目前对于钙镁离子的检测方法较多，主要有以下几种：滴定法、分光光度法、离子色谱法（ic）、原子吸收光谱法（aas）以及电感耦合等离子体发射光谱法（icp-oes）等。传统的滴定法主要是指edta滴定法，其原理是在碱性溶液中，ca2+ 、mg2+与铬黑t形成红色络合物，用edta标准滴定溶液进行滴定，当铬黑t指示剂被edta置换出来，溶液呈铬黑t指示剂的蓝色即为终点。此法受人为因素影响较大，滴定终点的判断会因个人经验和色度敏感性有所差异，而且易受水中其他离子的干扰，操作过程复杂，对指示剂的变色范围要求较高。

3、分光光度法是利用显色剂对钙镁离子显色，并在特定波长下测定其吸光度。分光光度法具有良好的重现性和精密度，但是对仪器的依赖不利于现场快速测定。离子色谱法是利用被分离物质在离子交换树脂上交换能力的不同，从而连续对共存多种离子进行分离、定性和定量的方法。离子色谱法能连续测定水样，且一次进样，同时测钙镁离子的浓度，但是同样仪器更为笨重且测量过程较为复杂。

4、原子吸收光谱法是基于由待测元素空心阴极灯发射出一定强度和波长的特征普线的光，当它通过含有待测元素的基态原子蒸汽时，原子蒸汽对这一波长的光产生吸收，未被吸收的特征普线的光经单色器分光后，照射到光电检测器上被检测，根据该特征普线强度被吸收的程度，即可测得试样中待测元素的含量。

5、icp-oes的原理是将样品处理制成溶液后，以气溶胶形式导入等离子体炬焰中，样品被蒸发和激发，发射出所含元素的特征波长的光。测定每种元素特有的谱线和强度，和标准溶液相比，就可以知道样品中所含元素的种类和含量。

6、滴定法既费力又有较大的检测增量，除滴定法外，其他方法仪器昂贵，过程较为复杂，光学化学传感器和离子选择电极具有良好的检测极限，但往往存在响应时间长、寿命短的问题。因此，寻找一种快速、经济、准确地测量方法对于保障饮用水安全、评估水质状况具有重要意义。

7、最近，由于智能手机强大的功能和在现代社会的普及，智能手机作为一种检测工具被广泛应用于化学和医学领域。智能手机具有高分辨率摄像头、无线连接和快速网络通信能力，是现场测量和点测试的便携式配件，如气体鉴别、比色分析和细胞计数系统。

8、国内众多研究者运用智能手机图形比色法在环境监测领域得到了广泛研究和应用。陈红等人基于泥沙颗粒图像rgb分布特征，以直方图峰值灰度作为阈值进行图像分割，用于测定泥沙颗粒粒径；蔡璐等人成功建立了一种基于智能手机与自制比色装置的方法，用于快速测定水中氨氮。该研究通过优化反应条件，实现了氨氮的有效检测，显示了智能手机在水质监测中的应用潜力。张云丽等采用图像灰度化对玉米籽粒尖端的深度图像进行处理，对玉米品种进行了比较。研究考察了显色条件、拍摄距离等因素的影响，并验证了不同型号智能手机的普适性。结果表明，该方法适用于甾体激素含量的快速测定。金超等人利用智能手机和小木盒构建的数字图像比色法完成了水中六价铬浓度的快速检测。该方法具有良好的线性范围和重现性，证明了其可靠性及准确性。王嘉辉等人将图片比色法应用于溶解有机溶剂的石油类物质质量浓度的测定，采用rgb数值衍生的欧氏距离数学模型来计算石油类物质的质量浓度。章安良开发了一种适用于安卓操作系统的智能手机重离子检测应用系统。该系统通过自制光路系统和补偿算法，提高了测试精度，实现了铜离子浓度的数字化测量。

9、现有的智能手机图形比色法易受光照条件和相机参数的影响，这限制了其在多种场景下的适用性，特别是在复杂的水样成分检测中，不同干扰离子对水体环境中钙镁浓度测定的影响较大，而传统的钙镁离子检测方法操作复杂、耗时长，不便于现场快速测定。并且在不同的光照条件下，智能手机拍摄的标准色块图像与标准值之间的色差较大，影响了比色法的准确性。

技术实现思路

1、针对以上问题，本发明提供一种智能手机图形比色法测定环境水体中钙和镁的方法，基于智能手机比色法，集水采样、混合反应、拍照测量，一个样品的测试时间可以控制在10min。该方法快捷、准确、灵敏度高，可即时现场原位测定，满足环境水样快速原位定量分析测定要求。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种智能手机图形比色法测定环境水体中钙和镁的方法，包括以下步骤：

4、步骤1、钙镁总量标准曲线的测定：将钙离子标准溶液与镁离子标准溶液等体积混合，然后稀释成不同浓度的钙镁离子总量标准溶液，分别量取于比色管中，再分别加入酸性铬蓝k溶液、nh3-nh4cl缓冲溶液混合得到显色溶液，稀释至刻度，进行显色反应，在室温下显色5-10min后，在打开光源的3d打印避光容器中用手机拍存图像，使用手机应用软件读取显色溶液照片的r值3次，取平均值，并进行数据处理，建立r通道数字信号值与不同浓度的关系曲线，拟合成标准曲线；

5、步骤2、镁含量标准曲线的测定：将镁离子标准溶液稀释，然后量取不同体积的镁离子标准溶液，分别于比色管中，再分别加入草酸铵、三乙醇胺、抗坏血酸、酸性铬蓝k乙醇溶液、nh3-nh4cl缓冲溶液，稀释至刻度，进行显色反应，在室温下显色5-10min后，在打开光源的3d打印避光容器中使用手机拍存图像，使用手机应用软件读取显色溶液照片的r值3次，取平均值，并进行数据处理，建立r通道数字信号值与不同浓度的关系曲线，拟合成标准曲线；

6、步骤3、实际水样钙镁总量的测定：收集待测水样，量取于比色管中，再加入酸性铬蓝k溶液、nh3-nh4cl缓冲溶液混合得到显色溶液，稀释至刻度，进行显色反应，在室温下显色5-10min后，在打开光源的3d打印避光容器中用手机拍存图像，使用手机应用软件读取显色溶液照片的r值3次，取平均值，并进行数据处理，然后将该数据带入步骤中的标准曲线，即可得水样中钙镁离子总量；

7、步骤4、实际水样镁含量的测定：收集待测水样，量取于比色管中，再加入草酸铵、三乙醇胺、抗坏血酸、酸性铬蓝k乙醇溶液、nh3-nh4cl缓冲溶液，稀释至刻度，进行显色反应，在室温下显色5-10min后，在打开光源的3d打印避光容器中使用手机拍存图像，使用手机应用软件读取显色溶液照片的r值3次，取平均值，并进行数据处理，然后将该数据带入步骤中的标准曲线，即可得水样中镁离子含量。

8、较佳实施情况下，所述步骤中钙镁离子总量标准溶液浓度依次为0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0mg/l。

9、较佳实施情况下，所述步骤1中钙镁离子总量标准溶液或步骤3中待测水样与酸性铬蓝k溶液、nh3-nh4cl缓冲溶液的加入体积比为1:1:1.5。

10、较佳实施情况下，所述步骤2中镁离子标准溶液的量取体积依次是0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 ml。

11、较佳实施情况下，所述步骤2和步骤4中草酸铵、三乙醇胺、抗坏血酸、酸性铬蓝k乙醇溶液、nh3-nh4cl缓冲溶液的加入体积依次为0.8、0.4、0.8、1.6、2ml。

12、较佳实施情况下，所述手机应用软件为ios市场中三款软件f取色器、colorcoll、colormax或安卓市场中一款软件取色器中的一种，优选为f取色器。

13、较佳实施情况下，所述待测水样的no3-、so42-和cl-浓度均低于100μg/l。

14、与现有技术相比，本发明的有益效果为：（1）本发明在使用智能手机内置app提取分析各通道rgb通道信号值信息时，选择了固定的取色点，保证了取色的准确性，也提高了app图像分析的准确性，而且在测定过程中，r通道都表现出与标准曲线的良好拟合趋势，随着标准溶液浓度增大而呈上升趋势，而g通道和b通道与标准溶液浓度不成线性关系，因此选取r通道数值作为本方法的检测数字通道；无论使用不同软件，还是不同品牌型号手机，r通道数字信号值与钙镁总量和镁含量依然保持了良好的线性相关，说明本方法普遍适用性好；而且本方法在水样成分复杂的情况下，不同干扰离子对钙镁浓度测定影响较小；

15、（2）本发明采用的显色剂，酸性铬蓝k在nh3-nh4cl缓冲溶液营造的碱性条件下，酸性铬蓝k呈蓝色，与钙镁离子结合后，形成红色络合物，因此溶液显示紫红色，而且加入的草酸铵是为了去除钙离子干扰，以免影响测定结果；

16、（3）本发明方法可以一定程度上克服传统检测方法的缺点，利用有色物体对光的吸收原理建立了可即时现场原位测定水中钙镁离子含量的快速定量多参数指标分析方法。该方法简单、便携，准确，精密，且成本低，抗干扰力强，可即时现场原位测定，满足环境水样快速原位定量分析测定要求，为检测水环境中钙镁含量检测提供了一个新的思路。