基于試劑比色成像的面粉中重金屬鉛含量檢測(cè)方法研究
韓雪1，夏錦聞1，孫明2*
（1．中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，北京市，郵政編碼 10083； 2．中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代精細(xì)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)集成研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市，100083）
摘 要： 民以食為天，食以安為先。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，食品的質(zhì)量及安全日益受到重視?，F(xiàn)有管理制度不健全、缺乏高效、快速的檢測(cè)手段等問(wèn)題日益突出。重金屬污染更是亟待解決。因此，快速有效的重金屬檢測(cè)方法研究具有重要意義。本文以市售面粉為主要研究對(duì)象，采用試劑比色法，進(jìn)行面粉中鉛含量檢測(cè)方法研究。具體是利用二硫腙與鉛離子在堿性環(huán)境下發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，產(chǎn)生紅色絡(luò)合物。然后，通過(guò)彩色圖像處理法，利用 Matlab 軟件提取所采集圖像的紅色均值，從而確定溶液中含鉛量。與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，檢測(cè)含量是否超標(biāo)。
關(guān)鍵詞：面粉、試劑比色、彩色圖像處理、絡(luò)合反應(yīng)
0 引 言
小麥?zhǔn)俏覈?guó)的第二大糧食品種，其種植面積和總產(chǎn)量?jī)H次于水稻。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的提高，對(duì)作為我國(guó)人民主食的小麥粉的品質(zhì)安全要求也越來(lái)越高。小麥粉的品質(zhì)安全與否，不僅關(guān)系到農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)本身的可持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，還直接影響著民眾健康、社會(huì)和諧和國(guó)民經(jīng)濟(jì)全面科學(xué)發(fā)展。如過(guò)量的鉛不僅會(huì)阻滯作物生長(zhǎng)發(fā)育，降低產(chǎn)量和質(zhì)量，還可通過(guò)生物鏈的富集而嚴(yán)重?fù)p害人的神經(jīng)、消化、免疫和生殖系統(tǒng)，危害人體健康；鎘主要在肝、腎部積累，并不會(huì)自然消失，經(jīng)過(guò)數(shù)年甚至數(shù)十年慢性積累后，人體將會(huì)出現(xiàn)顯著的鎘中毒癥狀，包括損壞腎功能，導(dǎo)致人體骨骼生長(zhǎng)代謝受阻，從而引發(fā)骨骼的各種病變；汞在人體及動(dòng)物體內(nèi)蓄積會(huì)引起慢性中毒，出現(xiàn)大腦皮質(zhì)變性和萎縮以及感覺(jué)麻痹、異常等病癥。特別值得關(guān)注的是，鉛可嚴(yán)重影響嬰幼兒和少年兒童的生長(zhǎng)發(fā)育和智力［1］因此對(duì)小麥粉中重金屬鉛殘留物必須予以足夠的重視。
1 研究?jī)?nèi)容
鑒于食品安全問(wèn)題日益突出，本文采用面粉作為研究對(duì)象，搭建試劑比色法和彩色圖像處理法平臺(tái)來(lái)研究面粉中的鉛，并研究此種方法的可行性。為自動(dòng)化檢測(cè)儀器的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。首先，作為對(duì)比試驗(yàn)，要對(duì)只含鉛離子的去離子水進(jìn)行研究，利用二硫腙試劑與其在堿性環(huán)境下反應(yīng)，產(chǎn)生紅色絡(luò)合物。進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)，觀察檢測(cè)結(jié)果。如結(jié)果符合要求，利用 MATLAB 進(jìn)行彩色圖像處理，繪制直觀的彩色直方圖。最后，繪制GUI界面，完成軟件設(shè)計(jì)。
1.1 雙硫腙反應(yīng)
1.1.1 反應(yīng)原理
國(guó)標(biāo)中[2]規(guī)定在 pH 為 8.5-9.5 的氨性檸檬酸鹽一氰化物的還原性介質(zhì)中。鉛與雙硫腺形成可被氯仿萃取的淡紅色的雙硫腙鉛絡(luò)合物。由于氰化鉀有劇毒，無(wú)法在市面購(gòu)買到，經(jīng)過(guò)查閱資料及研究分析，決定采用酒石酸鉀鈉代替氰化鉀作掩蔽劑。
1.1.2 具體操作
鉛標(biāo)準(zhǔn)液：將0 .2g硝酸鉛溶解在約200ml水中加人l0ml硝酸后用水稀釋到l000ml標(biāo)線。
雙硫腙貯備溶液：稱取100mg純凈雙硫棕，溶于1000ml四氯化碳中，貯于棕色瓶中放置在冰箱內(nèi)備用，此溶液每毫升含100g雙硫粽。
在反應(yīng)液中，加1％硝酸至20mL。加20％ 檸檬酸銨溶液2mL，20％ 鹽酸羥胺溶液1mL，用氨水(1+1)調(diào)至pH為9.0，再加20％ 酒石酸鉀鈉溶液2mL，混勻。加5.OmL雙硫腙使用液，劇烈振搖1min，靜置分層后，觀察顏色反應(yīng)。
1.2 RGB 理論
CIE（國(guó)際照明委員會(huì)）規(guī)定了以700nm(紅)、546.1nm (綠)、435.8nm (藍(lán))三個(gè)色光為三基色。又稱為物理三基色。自然界的所有顏色都可以過(guò)選用這三基色按不同比例混合而成。同樣，絕大多數(shù)顏色光也可以分解成紅（R)、綠（G)、藍(lán)（B）三種顏色光，這就是色度學(xué)中最基本的三基色原理。當(dāng)然，三基色的選擇不是唯一的，可以選擇其他3種顏色為三基色。但是，三種顏色必須是相互獨(dú)立的，即任何一種顏色都不能由其他兩種顏色合成。由于人眼對(duì)紅、綠、藍(lán)3種顏色光最敏感，因此由這三種顏色相配所得的彩色范圍也最廣。
2 圖像采集
實(shí)驗(yàn)共取四組鉛含量不同的面粉，通過(guò)與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，檢測(cè)其是否超標(biāo)，并研究此種方法的可行性。圖像處理是針對(duì)每個(gè)像素進(jìn)行處理，基于三基色理論，當(dāng)RGB 分量均為 255 時(shí)組成白色。當(dāng)背景為白色時(shí)，白色中R 分量值較大，對(duì)實(shí)驗(yàn)干擾較大，因此為得到對(duì)比度較高的圖像，因此采用黑色為背景。
第一組：取不加面粉的鉛標(biāo)準(zhǔn)液，加入各種反應(yīng)試劑，靜置后采集圖像作為對(duì)比圖像，如圖1 所示，溶液呈現(xiàn)出紅色。
第二組：取鉛標(biāo)準(zhǔn)液，混合少量面粉后靜置風(fēng)干。待風(fēng)干后，溶于水，取溶液，按流程加入試劑，等待顏色反應(yīng)，采集圖像，如圖2 所示，溶液呈現(xiàn)出粉色。
第三組：將標(biāo)準(zhǔn)鉛溶液稀釋100 倍（含量將低于國(guó)家安全要求標(biāo)準(zhǔn)，即為安全），與面粉混合后靜置風(fēng)干。待風(fēng)干后，將面粉溶于水，配成溶液，按流程加入試劑，等待顏色反應(yīng)，采集圖像，如圖 3 所示，溶液呈現(xiàn)出淺粉色。
第四組：將面粉配成溶液，加入試劑（嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)流程，使其不含任何鉛離子干擾），等待顏色反應(yīng)，采集圖像。雙硫腙溶于四氯化碳后，呈現(xiàn)出綠色溶液，如圖 4 所示。
3 彩色圖像處理
經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，資料收集后，擬采用提取紅色均值作為目標(biāo)，并與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比。
我國(guó)食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)把鉛列為十大類食品中的重要毒物指標(biāo)，對(duì)其含量要求嚴(yán)格規(guī)定每千克或每升不得超過(guò)1.0mg。
溶液A與B含有鉛標(biāo)準(zhǔn)液，將0.2g硝酸鉛溶解在約200ml水中，加入l0ml硝酸后用水稀釋到l000ml標(biāo)線，此溶液每毫升含鉛量高于1mg但低于2mg。溶液C中所加入的鉛液，是將標(biāo)準(zhǔn)液稀釋10倍，因此每升含有0.1-0.2mg鉛，低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。D溶液中不含有鉛。
首先將圖像閾值化，去除背景及試管內(nèi)雜色干擾。后提取圖像的紅色均值R可得：
由所得圖像的紅色均值可知，圖像中紅色越深，即含鉛量越高，則R 值越大。通過(guò)設(shè)R 的閾值，即當(dāng) R>1.2時(shí)，待測(cè)溶液中含有過(guò)量鉛；當(dāng)r<0.32 時(shí)，溶液中不含鉛；當(dāng)0.32<r<1.2 時(shí)，溶液中含有鉛，但不超標(biāo)。
基于上述處理結(jié)果，編制了MATLAB 檢測(cè)程序。
3 結(jié)論
本文基于試劑比色法與彩色圖像處理技術(shù)，對(duì)面粉中含鉛量進(jìn)行了研究。當(dāng)面粉中含有不同濃度的鉛離子時(shí)，與二硫腙反應(yīng)也呈現(xiàn)出的深淺不同的紅色。利用彩色圖像處理技術(shù)，可以區(qū)分其顏色值的差異，從而達(dá)到檢測(cè)鉛離子濃度的目的。通過(guò)實(shí)驗(yàn)并與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比分析，結(jié)果表明本研究所采用的方法能夠?qū)γ娣鄣钠焚|(zhì)做出準(zhǔn)確的判斷。
[參 考 文 獻(xiàn)]
[1]何計(jì)國(guó). 食品衛(wèi)生學(xué)[M ]. 北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2006.
[2] GB/T 5009.12-2003. 食品中鉛的測(cè)定
來(lái)源：中國(guó)化學(xué)試劑網(wǎng)
