正交設計試驗法在分離分析中的應用概述

盧桂英+何建國

摘 要 本文概述了正交設計試驗法的基本原理及基本步驟，結合近年來正交設計試驗法在光譜分析、色譜分析以及其他分離分析中的應用，表明正交設計試驗法是一種高效的試驗設計方法，它能夠在比較短的時間，花費很少的條件，得到最佳的試驗結果，在分離分析中值得廣泛推廣。

關鍵詞 正交設計試驗法；正交表；極差分析法；方差分析法

中圖分類號 X8 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）05-0029-02

正交試驗設計是利用正交表科學地安排與分析多因素試驗的方法，是最常用的試驗設計方法之一，它能夠較全面地反映試驗因素的影響情況，在實踐中獲得廣泛的應用。50年代開始國外化學分析家將該方法推廣應用到化學及化學分析方面[ 1 ]，改善了測試手段。

7 0年代中期，我國分析工作者將該法首次應用到光譜分析中[2]，進行了試驗條件的優化，提高了分析效率和質量。目前，該方法越來越受廣大分析工作者的喜愛[3]。

1 正交設計試驗法的原理及基本步驟[4]

1.1 原理

正交設計試驗是科學地設計多因素影響試驗的一種方法，它要用一套規格化的正交表安排試驗，得到的試驗結果再用數理統計方法進行處理，使之得出科學的結論。

1.2 基本步驟

正交試驗設計包括2個部分：試驗設計和數據處理。

正交表的選擇是正交試驗的關鍵。在選表之前，必須明確試驗目的，分析影響試驗的各種因素，考慮每個因素的水平變化范圍，在選定的范圍內確定每個因素的水平數，同時水平數的安排應做到隨機化，盡可能考慮偶然因素引起的誤差，然后將考慮后確定的各因素和各水平填入正交表中安排試驗。試驗完成后對試驗結果進行統計分析（極差分析法或方差分析法），以便得到最優條件。

通過結果分析，可以明確對試驗過程有顯著影響的各因素，從而指導我們在試驗中嚴格控制這些因素的條件，準確操作，以確保測定值的準確性。對影響不顯著的因素，試驗條件可以放寬松些。對于影響不大的因素，甚至可以舍棄。

2 正交設計試驗法在光譜中的應用

Yingming Pan[5]等利用L9（34）正交試驗設計表從萃取溶劑，溫度，pH值和萃取時間四個因素各取三個水平利用正交實驗設計L9（34）從木犀屬植物中提取一種新的天然紅色色素，在優化條件下萃取率達到34.6+/-2.2G/100G。

Yadollah Yamini等利用等電子發射光譜法測定，從壓力、溫度、氰化物的含量，動態和靜態萃取時間五個因素，各取5個水平下優化出的從青巖石中超臨界萃取出的鉑和錸的含量，結果表明正交實驗設計是一種實用的從固體巖石中優化超臨界萃取條件的實驗方法。

Daishe Wu等催化分光光度法測定通過熱分解的煤中碘的含量，對影響碘提取的煤的用量，氧氣流速，分解溫度，熱分解時間和氫氧化鈉的濃度5個因素各取4個水平利用正交實驗設計共實驗了16個實驗，從而優化出最佳的提取條件下，提取效率達到0.29mg/g，得到的方法能夠廣泛應用于常規煤中碘的檢測。

Guanghua Zhu等[6]采用6因素5水平正交實驗設計，利用SSRTP方法測定藥物制劑中甲氧萘丙酸的含量，分別考慮了pH值、干燥溫度、干燥時間、樣品與固體酶作用時間和固體酶干燥后的暴光時間，結論表面pH值和樣品與固體酶作用時間是最主要的影響因素，該優化條件大大提高了檢測的靈敏度，可以很好地應用于藥品制劑中甲氧萘丙酸的含量。

Fakhr Eldin O等測定酸性介質中，利用青霉胺與三鐵離子作用，通過連續光譜法測定藥品中青霉胺的含量。本論文利用五水平的正交實驗優化青霉胺的提取效率，最終得到的優化條件能廣泛地應用于藥品制劑中青霉胺的含量測定。

3 正交設計試驗在色譜中的應用

Jianlin Chen等[7]探討從紅樹林中分離的一種菌株生物降解聚合多環芳烴的條件，采用五因素水水平正交實驗設計L16（45），從而優化出最佳的降解條件。

Yang Bai-Juan等固相萃取結合氣質聯用測定水中烷基苯酚的含量，從硅烷化試劑、硅烷化時間、酸度、鹽濃度和洗提液幾個影響固相萃取效率的因素著手，優化出最好的固相萃取條件，從而用于水中烷基化試劑的監測。

Hamid Reza Sobhi等[8]利用高效液相作為檢測手段，從影響固相微萃取的5個因素（溫度，旋轉速度，溶劑用量，離子強度和萃取時間）各取4個水平著手，凝固懸浮液滴法萃取油溶性維生素，該實驗設計方法在低成本和低的有機溶劑耗費的條件下能夠快速，準確找到最優的提取維生素的條件，并能用于從實物中快速提取維生素。

Chunhe Yu等用HPLC測定環境樣品中溴化阻燃劑，結合攪拌子吸附萃取和超聲提取。對樣品中各種溴化物的提取因素：萃取時間、解吸時間、解吸溶劑、甲醇含量、氯化鈉含量五因素各取四水平的正交實驗，實驗結果表明在優化的萃取條件下，各目標物質均達到較好的提取。

4 正交設計試驗在其他方面的應用

Ensieh Ghasemi等[ 9 ]比較分析應用汽油和超臨界流體萃取蒿屬植物中有效成分的萃取，超臨界流體萃取中，對萃取壓力、溫度、萃取時間、萃取添加劑用量四因素各取三水平進行了9次實驗，優化條件下蒿屬植物中各成分提取比較完全，實驗同時證明利用超臨界流體萃取遠優于常規的萃取方法。

Wenqiang Guan等[10]比較了超臨界流體萃取與3種傳統的萃取方法從植物苞芽中提取香精油的萃取率比較，用三因素三水平的正交實驗對影響萃取效率的溫度，壓力和顆粒大小進行考察，結果表明溫度是影響萃取效率的最主要因素，顆粒大小的影響最小，并得到當壓力為10MPa，溫度為50℃植物苞芽中丁香油酚的萃取率最高。

Wang Z等合成8-偏苯三酚鍵合硅膠及其應用，并通過流動注射-電感耦合等離子質譜檢測其在海水中追蹤金屬離子的能力。采用四因素三水平的正交實驗設計表對8-偏苯三酚鍵合硅膠的合成表件進行優化，綜合考慮了多聚甲醛的用量及與8-偏苯三酚的比例以及鍵合時間，鍵合溫度。研制了一步扭曼反應合成8-偏苯三酚鍵合硅膠，合成的8-偏苯三酚鍵合硅膠能夠更方便有效的檢測海水中重金屬離子含量。

Ching-Te Huang等[ 1 1 ]通過正交實驗設計優化頂空固相微萃取法（HS-SPME）萃取乙醇和醚類物質。HSSPME結合氣相色譜和火焰離子檢測器可用于樣品中乙醇和醚類物質的檢測，萃取溫度，萃取時間，鹽濃度以及樣品的體積通過正交實驗設計進行優化，優化的方法可用于尿樣和血液中乙醇和醚的檢測，檢出限非常低。試驗表明正交試驗設計一種高效的試驗設計方法，它能夠在比較短的時間內，花費很少的條件下得到最佳的試驗結果。

參考文獻

[1]Hogg R V，Craig A T.Introduction to Mathematical Statistics[M].Macmillan，New York，1959.

[2]鄧勃.數理統計方法在分析測試中的應用[M].北京：北京工業出版社，1984.

[3]李云雁，胡傳榮，等.試驗設計與數據處理[M].北京：化學工業出版社，2005.

[4]方開泰，馬長興.正交與均勻試驗設計[M].北京：科學出版社，2001.

[5]Yingming Pan，Zhiren Zhu.Characterisation and free radical scavenging activities of novel red pigment from Osmanthus fragrans seeds[J].Food Chemistry，2009，112（4）：909-913.

[6]Guanghua Zhu，Huangxian Ju Determination of naproxen with solid substrate room temperature phosphorimetry based on an orthogonal array design[J].Analytica Chimica Acta，2004，506（2）：177-181.

[7]Jianlin Chen，M.H. Wong. Multi-factors on biodegradation kinetics of polycyclic aromatic hydrocarbons （PAHs） by Sphingomonas sp. a bacterial strain isolated from mangrove sediment[J] Marine Pollution Bulletin，2008，57（6-12）：695-702.

[8]Hamid Reza Sobhi，Yadollah Yamini.Suitable conditions for liquid-phase microextraction using solidification of a floating drop for extraction of fat-soluble vitamins established using an orthogonal array experimental design[J].Journal of Chromatography A，2008（1196-1197）：28-32.

[9]Ensieh Ghasemi，Yadollah Yamini.Comparative analysis of the oil and supercritical CO2 extract of Artemisia sieberi[J].Journal of Food Engineering，2007，79（1）：306-311.

[10]Wenqiang Guan，Shufen Li.Comparison of essential oils of clove buds extracted with supercritical carbon dioxide and other three traditional extraction methods[J].Food Chemistry，2007，101（4）：1558-1564.

[11]Ching-Te Huang，Yang-Yao Su.O ptimization of the headspace solid-phase microextraction fordetermination of glycol ethers by orthogonal array designs[J].Chromatography A，2002（977）：9-16.