数字图像比色技术快速测定室内空气中甲醛的含量

按照GB/T 18883-2002附录A的要求采样。保持门窗关闭，取吸收液于采样气泡管中，将采样气泡管口置于房间对角线交点、距地面相对高度为1.5m的位置上。开启采样器以200mL·min-1流量采集室内空气45min。采样结束后，将样品溶液转入比色管中，用少量吸收液冲洗采样管，合并使溶液总体积为5mL，加入0.4mL硫酸铁铵溶液，摇匀显色，所得显色溶液备用。随同进行空白试验。

将显色溶液倒入8只比色皿，放至木箱中。打开智能手机，使用普通模式拍照，保存图片。

采用Adobe Photoshop CS6图像处理软件打开拍摄得到的图片。利用直方图，分别选择“R”“G”“B”通道，利用矩形选框工具(选框尺寸50像素×50像素)选取显色溶液中间部分，提取3个通道对应的R，G，B值。利用公式(1)以G值和空白值G0计算对数转换值AG，利用AG与甲醛质量浓度的线性定量关系检测甲醛。

2 结果与讨论

2.1 分析信号的选择

甲醛与酚试剂的显色溶液呈蓝绿色，该溶液的R，G 值随着甲醛含量的变化而显著变化。试验尝试对R，G值与甲醛质量浓度进行线性拟合，但是二者与甲醛质量浓度的线性关系不明显。以甲醛标准溶液系列为待测对象，采用公式(1)~(7)(式中R0、B0和TGr0均为相应空白试验所得的空白值)对R、G、B 值进行转换，利用转换后的参数[R，G，B对应的对数转换值AR、AG、AB、R、G、B总量TR,G,B，G相对差值RG，灰度Gr(由图像处理软件读取)总量TGr、灰度对数转换值AGr]与甲醛质量浓度进行拟合，所得线性参数见表1。

表1 不同数学模型下的线性参数

由表1可知，AG与甲醛质量浓度具有较好的线性关系。因此，试验选择采集G值，利用其对数转换值AG建立定量关系。

2.2 比色皿排列方式的选择

按照试验方法分别拍摄单独和并排放置的8个装有同一显色溶液的比色皿(单独拍摄时平行测试8次)，计算G值的相对标准偏差(RSD)，以验证光照环境对图像信号采集的影响。结果显示，两种排列方式下G值的RSD分别为3.5%和1.1%，说明并排放置、同时拍摄更能够抵消环境对拍照的影响，精密度更好，且并排放置、同时拍摄较单独拍摄效率更高。因此，试验采用比色皿并排放置的方式进行拍摄。

2.3 光照度的选择

试验考察了光照度在1000~8000lx内变化时对含不同质量浓度(0，0.30，0.60mg·L-1)甲醛的显色溶液的分析信号G值的影响，结果见图2。

由图2可知：当光照度小于3000lx时，显色溶液的G值随着光照度的增大而减小；当光照度不小于3000lx时，显色溶液的G值趋于稳定。考虑到低光照度耗能少，且所产生的热量较小，有助于维持整个测试系统环境温度的稳定，因此试验选择的光照度为3000lx。

2.4 光源色温的选择

试验考察了光源色温在2500~5500K内变化时对含不同质量浓度(0，0.30，0.60mg·L-1)甲醛的显色溶液的分析信号G值的影响，结果见图3。

由图3可知：光源色温在2500~5500K内变化时，显色溶液G值先下降后上升并逐渐趋于平稳，其中光源色温在4500~5500K内变化时，显色溶液G值较稳定。考虑到冷色温相对热量较小、功耗低，有助于维持整个测试系统环境温度的稳定，因此试验选择的光源色温为5500K。

2.5 拍摄设备的影响

不同品牌型号的智能手机因摄像头、感光元件及色彩调教偏好不同，拍摄所得图片的分析信号也存在差异。为研究不同品牌型号智能手机用于图像比色分析的普适性，分别采用 MI8、iPhone6及iPhone6S型智能手机分析甲醛标准溶液系列，所得结果见表2。

表2 不同智能手机所得线性参数

由表2可知，不同智能手机所得标准曲线的线性关系均较好，相关系数均大于0.9970。为保证测试结果的准确一致，同一试验应使用同一部智能手机拍摄。

2.6 方法学考察

2.6.1 标准曲线和检出限

MI8型智能手机拍摄所得的甲醛的线性参数见表2。以3倍信噪比(S/N)计算检出限(3S/N)，所得结果为0.04mg·L-1。

2.6.2 精密度和回收试验

按照试验方法测定8组含甲醛0.34mg·L-1的显色溶液，计算测定值的RSD，所得结果为2.0%，说明本方法的精密度较好。

按照试验方法测定两组已知甲醛质量浓度的样品溶液并进行加标回收试验，结果同GB/T 18883-2002中酚试剂分光光度法的进行对比，所得结果见表3。

表3 准确度试验结果

由表3可知，甲醛的回收率为101%~103%，测定值与GB/T 18883-2002中酚试剂分光光度法的相对误差不大于2.0%，说明本方法的准确度较高。

2.7 方法比对

按照试验方法分析两个测试场景的空气，并与GB/T 18883-2002中的酚试剂分光光度法以及一款市售甲醛自测盒进行同场景测试比对，结果见表4。其中，甲醛自测盒采样方式为被动吸附采样45min。

表4 方法比对结果

由表4可知：甲醛自测盒由于采用被动吸附方式采样，其吸收情况无法精准控制且存在局部吸附浓度水平不一致等因素，导致其测定值明显较低，相对误差绝对值大于40%；本方法所得测定值与GB/T 18883-2002中的酚试剂分光光度法的基本一致，相对误差绝对值小于5.0%，说明本方法的准确度较高。

3 试验结论

本工作利用智能手机，在光源色温5500K、光照度3000lx条件下通过数字图像比色技术快速测定了室内空气中甲醛的含量，本方法操作简单、准确度高、经济便携，能满足室内空气中甲醛现场快速检测的需求。

作者：陈伟力，丘文广，梁森涛，郑煜，吴志健，叶元坚

单位：广州质量监督检测研究院

来源：《理化检验-化学分册》2024年第2期返回搜狐，查看更多