正交試驗設計法在ICP-AES測定元素含量中的應用

梁婉婷，田孟哲，田 鵬*

(1.沈陽師范大學 化學化工學院 能源與環境催化研究所，遼寧 沈陽 110034； 2.沈陽師范大學 科信軟件學院，遼寧 沈陽 110034)

正交試驗設計法在ICP-AES測定元素含量中的應用

梁婉婷1，田孟哲2，田 鵬1*

(1.沈陽師范大學 化學化工學院 能源與環境催化研究所，遼寧 沈陽 110034； 2.沈陽師范大學 科信軟件學院，遼寧 沈陽 110034)

正交試驗設計采用正交表安排實驗，在正交試驗中，各因素水平的安排因其正交表的搭配均衡性而具有均衡分散性和整齊可比性的特征，因而正交試驗屬于最優試驗設計，通過正交實驗確定的最佳條件，即使不是全面實驗中的最佳條件，也往往是相當好的條件。按著正交試驗得到的最佳方案的試驗條件在溫度定為600℃加熱3 h，加入5 mL硝酸，3 mL高氯酸，140℃恒溫箱放置4 h。

正交試驗；ICP-AES；P元素；含量

正交試驗設計(正交實驗設計)是一種多因素、多層次的設計方法，它是基于選取一些有代表性的點試驗的正交性，這些有代表性的觀點有"均勻分散，比正交試驗設計是分式析因設計巧妙的功能[1]。主要方法是一種高效、快速、經濟的實驗設計方法。正交試驗設計采用正交表安排實驗，在正交試驗中，各因素水平的安排因其正交表的搭配均衡性而具有均衡分散性和整齊可比性的特征，因而正交試驗屬于最優試驗設計，通過正交實驗確定的最佳條件，即使不是全面實驗中的最佳條件，也往往是相當好的條件[2]。

分析正交試驗方法，對試驗臺，比較，統計總體設計正交表中的行，通過幾個找出較好的生產條件的數量，達到最高產量的影響，實驗設計是從大量的適當的代表點的選擇測試點[3]。使用表格正交表安排測試和數據分析方法。正交表可以在采樣因子的范圍是平衡的，所以每個測試為代表，由于正交表與生產平衡的特點分散，確保綜合實驗有一定的要求，這些測試往往能夠更好的和更好的實驗目的。正交實驗設計包括兩部分：一是如何安排實驗；二是實驗結果分析[4]。

1 實驗儀器與試劑

1.1 實驗儀器與工作條件

DRE電感耦合等離子發射光譜儀(美國利曼Leeman公司)、高壓硝化罐(聚四氟乙烯高壓熔樣器)(上海冶金研究院)、WG-220電熱鼓風干燥箱(天津市泰斯特儀器有限公司)、分樣篩(80目，0.2 mm孔徑)、馬弗爐(沈陽市工業電爐廠)。功率1.0kW，氬氣純度99.99%，氬氣壓力0.6 MPa，冷卻氣流量15 L/min，輔助氣流量0.2 L/min，霧化氣壓力374.06 Pa，提升量1.5 mL/min，觀察位置自動優化。

1.2 試劑與標準溶液

硝酸為優級純(丹東市勝利化工廠)，硫酸為優級純(沈陽市新化試劑廠)，高氯酸為優級純(天津市東方化工廠)，實驗用水為去離子水。

標準儲備液：P的標準液均為1000 μg/mL(國家鋼鐵材料測試中心冶金部鋼鐵研究總院)。將儲備液用3%硝酸逐級稀釋至P的濃度分別為0.00、1.00、5.00、10.00、20.00 μg/mL。

1.3 樣品處理

用去離子水清洗野生榛蘑放入電熱鼓風干燥箱中，在105℃下烘4 h，之后用研缽研碎，將研碎后的蘑菇樣品用0.2 mm孔徑的分樣篩篩出，得到粉沫狀樣品，待試驗用。

2 實驗過程與方法

2.1 正交試驗

2.1.1 正交試驗涉及的一般步驟

用正交表安排試驗并對實驗結果進行數據分析從而獲得最優條件的方法稱為正交試驗設計方法[5]。用正交實驗設計法安排實驗同樣可以從較少的實驗次數中獲得最優條件的有關信息。以A，B和C三因素三水平的實驗為例作說明，如果按過去習慣的做法，即采用單因素輪換法安排實驗，每次只改變欲研究因素的水平，而后將其他因素水平固定，逐個的研究各因素的影響，例如，在研究因素A的效應時，先將因素B和C固定在某個水平(如先固定在水平B1和C1)，考察因素A的效應，實驗安排為A1B1C1，A2B1C1和A3B1C1，如果實驗結果發現A因素水平A3較好，則在以后實驗中將因素A固定在水平A3，接著在A3C1條件下考察因素B的影響，以確定B的較好水平(假如實驗結果為B2)則考察C的效應可在A3B2的條件下進行，設實驗所得的因素C的較好的水平為C3，那么便可確定最佳實驗條件為A3B2C3。顯然以單因素轉換法安排實驗，實際考察的因素水平僅限于欲考察水平范圍的局部區域，不能全面反映因素的整體情況。這種方法不僅難以考察因素水平之間的

交互效應，而且當固定因素在不同初始水平時，得到的最優條件可能是不一致的，因此用單因素轉換法得到的最佳條件即使在沒有交互作用時也未必就是全面實驗中的最佳條件。另一方面，若按全面實驗去安排實驗，對各因素進行全面考察，雖然可以找到最佳的實驗條件，但其工作量一般較大，且隨因素及水平數的增加而迅速增加，對于三因素三水平的全面實驗要進行33=27次實驗才能完成。而用正交實驗設計法安排實驗，可以選用L9(34)正交表，僅安排9次實驗即可[6]。

2.1.2 設計實驗

利用正交實驗法[7]優化本次實驗的實驗條件，在1～16號坩堝中分別稱取0.50g研磨完的野生榛蘑實驗條件如表1。

表1 正交實驗設計

實驗的灰化時間長短，溫度高低，硝酸(優級純)和高氯酸(優級純)用量均是參考其他文獻進行設計的。

在馬弗爐中按上面條件進行實驗，灰化后的樣品移入高壓消化罐消化4 h，冷卻，移至50 mL容量瓶中用去離子水定容，用ICP-AES測得數據顯示13號處理的樣品測得的結果好，因此選擇13號瓶的條件做以下實驗。

精確稱取野生榛蘑0.5000 g七份于50 mL小坩堝中。先將盛有樣品的小坩堝放在電爐子上緩慢加熱直無煙溢出，然后

將坩堝放在馬弗爐中，按著正交試驗得到的最佳方案的試驗條件在溫度定為600℃加熱3 h。將小坩堝從馬弗爐中取出后，稍冷放入高壓硝化罐，加入5 mL硝酸，3 mL高氯酸，之后擰緊上蓋，140℃恒溫箱放置4 h。冷卻后將高壓硝化罐中樣品取出，移入50 mL容量瓶，并用去離子水定容[8]。

3 實驗結果與討論

在電感耦合等離子發射光譜儀最佳工作條件下，制作P元素的標準曲線[9]，根據標準曲線對樣品進行測定，結果見表2。

表2 野生榛蘑干法的測量結果(μg/g)

電感耦合等離子體發射光譜法對每個元素的測定都可以同時選擇多條特征譜線，而且光譜儀具有同步背景校正功能，因此在實驗中對每個測定元素可以選取2～3條特征譜線，綜合分析每條特征譜線，比較待測元素各譜線的靈敏度及干擾情況，選擇譜線干擾少、背景低、信噪比高的靈敏譜線作為被測元素的分析譜線。結果表明，選擇波長為213.618 nm作為P元素的分析譜線，結果見表3。

表3 野生榛蘑干法的測量結果分析(μg/g)

正交試驗設計采用正交表安排實驗，在正交試驗中，各因素水平的安排因其正交表的搭配均衡性而具有均衡分散性和整齊可比性的特征，因而正交試驗屬于最優試驗設計，通過正交實驗確定的最佳條件，即使不是全面實驗中的最佳條件，也往往是相當好的條件。按著正交試驗得到的最佳方案的試驗條件在溫度定為600℃加熱3 h，加入5 mL硝酸，3 mL高氯酸，140℃恒溫箱放置4 h。

致謝：遼寧省高校重大科技平臺"能源與環境催化工程技術研究中心"

[1] Date A R,Gray A L.Applications of ICP-MS[J]. Spectrochimica Acta Part B Atomic Spectroscopy,1990,14(5):219.

[2] Jarvis K E,Gray A L,Houk R S.Handbook of ICP-MS[J].Chromatographia,1992,34(9-10):546.

[3] 周 瑩,孫梨宗,劉志紅,等. 氨氮對斑馬魚3種酶活性和基因表達的影響[J]. 沈陽師范大學學報(自然科學版),2016,34(1):88-91.

[4] Thompson M,Walsh J N.Handbook of inductively coupled plasma spectroscopy[M].Blackie:Glasgow,1983.

[5] 張 慧,劉 秀,朱巖琪,等.介孔硅修飾碳糊電極制備及其對DA、UA、AA混合樣品的電化學響應[J]. 沈陽師范大學學報(自然科學版),2016,34(3):276-281.

[6] 黃志偉,胡錦松,叢佳佳.城市表層土壤重金屬污染分析[J],南通職業大學學報,2012,26(2):59-63.

[7] 林光西,徐 霞,張靜梅. ICP-MS測定土壤樣品中的有效錳、銅和鋅[J].光譜實驗室,2006(23):1267-1270.

[8] 呂國良.火焰原子吸收光譜法連續測定黃酒中的金屬離子[J]釀酒科技，2006(7)：89-90.

[9] 袁 慧,張麗華,金立云. X射線熒光光譜法測定土壤中26種主次元素和微量元素[J].核化學與放射化學,2001(23):172-177.

(本文文獻格式：梁婉婷，田孟哲，田 鵬.正交試驗設計法在ICP-AES測定元素含量中的應用[J].山東化工,2017,46(7):115-116,119.)

Application of Orthogonal Design Method in the Determination of Element Content in ICP-AES

LiangWanting1，TianMengzhe2，TianPeng1*

(1.College of Chemistry and Chemical Engineering,Institute of Catalysis for Energy and Environment, Shenyang Normal University,Shenyang 110034,China;2. Software College,Shenyang Normal University,Shenyang 110034,China)

By orthogonal experimental design of orthogonal experiment in the orthogonal test,the level of each factor arrangement because of its orthogonal collocation with equilibrium equilibrium of dispersion and neat comparable features,which belongs to the optimal design of orthogonal test,the optimal conditions were determined by orthogonal experiment,if not the best in comprehensive experiment the condition,also tend to be fairly good condition. According to the test conditions the best solution obtained from orthogonal experiment in the temperature is 600 ℃heating for 3 hours,add 5mL of nitric acid,perchloric acid 3mL,140 ℃ thermostat placed for 4 hours.

orthogonal test; ICP-AES; pelement; content

2017-03-02

遼寧省自然科學基金(項目批準號：2015020241)；沈陽師范大學大學生創新創業訓練計劃項目

梁婉婷(1991—)，女，遼寧錦州人，沈陽師范大學碩士研究生；通訊作者：田 鵬(1967—)，男，遼寧沈陽人，教授，博士，碩士研究生導師。

O657.3

A

1008-021X(2017)07-0115-02