正交試驗法在總氮測定中的應用

中圖分類號：X832 文獻標志碼：A文章編號：1004-0935（2025）06-1070-04

正交試驗設計簡稱正交法，適用于多因素、多指標、具有隨機性誤差的試驗，利用預設的正交表安排試驗，再對試驗結果進行簡單的統計分析，從而找到較優（或最優）的試驗方案。因此在農業生產、工程建造、材料設計、食品加工、醫藥研發、環境監測等領域得到了廣泛應用[1-6]。

總氮包括亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、無機銨鹽、溶解態氨等無機氮和蛋白質、氨基酸、有機胺等有機氮[7]。總氮通常采用過硫酸鉀氧化，使有機氮和無機氮化合物轉變為硝酸鹽后，再以紫外法、偶氮比色法以及離子色譜法或氣相分子吸收法進行測定其中屬紫外法最為常用[8]。

通過正交法優化總氮實驗參數，特別是對消解液存放天數、消解溫度、消解時間和消解后冷卻時間等因素做了重點考察，以期更加準確地測定水體中的總氮質量濃度。

1 實驗部分

1.1 基本原理

堿性過硫酸鉀溶液高溫分解，生成的原子態氧將樣品中的含氮化合物氧化為硝酸鹽，采用紫外分光光度法分別于波長 220nm 和 275nm 處測定吸光度 A₂₂₀ 和 A₂₇₅ ，按公式 A=A₂₂₀-2A₂₇₅ 計算硝酸鹽氮的校正吸光度，總氮（以N計）含量與校正吸光度 A 成正比。

1.2 儀器設備

TU1901雙光束紫外可見分光光度計（含 10mm 石英比色Ⅲ），北京普析通用儀器有限責任公司；LDZX-30KBS立式壓力蒸汽滅菌器，上海申安醫療

器械廠；FA2204N電子天平，上海菁華科技儀器有限公司；HHS21-8恒溫水浴鍋，上海博迅實業有限公司。

1.3 實驗試劑

氫氧化鈉，分析純，國藥集團化學試劑有限公司；過硫酸鉀，優級純，德國默克公司；鹽酸，優級純， 36%～38% ，國藥集團化學試劑有限公司；硝酸鉀標準貯備液[ ρ（N）=500mg?L^-1] ，壇墨質檢科技股份有限公司；堿性過硫酸鉀溶液：稱取 4.00g 過硫酸鉀溶于 熱水中，另稱取 1.50g 氫氧化鈉溶于 30.0mL 水，待氫氧化鈉溶液冷卻至室溫后，混合2種溶液定容至 100mL ；硝酸鉀標準使用液[ ρ（N）=10.0mg?L^-1] ，硝酸鉀標準貯備液稀釋配制； 1+9 鹽酸溶液，優級純，鹽酸稀釋配制；低中高質量濃度水樣：分別量取 500mL 總氮質量濃度約為 1、4、6mg^-L^-1 的水樣，經 0.45μm 微孔濾膜過濾后裝入聚乙烯塑料瓶中，冷藏待用；實驗用水為屈臣氏蒸餾水；所用器血均用 ¹⁺⁹ 鹽酸溶液浸泡24h 以上，并依次用自來水、蒸餾水沖洗干凈。

1.4 正交試驗設計

選取4個典型因素[9-12]，每個因素取3個水平，建立4因素3水平 L₉（3⁴） 正交模型，如表1所示。

如果以 A_b 表示空白校正吸光度、 A_s 表示樣品校正吸光度，則 A_r=A_s-A_b 表示樣品校正吸光度與空白校正吸光度的差值。 A_b 反映過硫酸鉀分解率， A_r 反映含氮化合物轉化率，在不考慮副反應的情況下，A_b 越小越好， A_r 越大越好。為選出最優條件，同時測定空白及3個低中高質量濃度水樣的吸光度，并采用 A_b??A_r 作為評價依據對實驗結果進行極差分析。

1.5 吸光度的測定

量取 10.00mL 樣品于 25mL 具塞磨口玻璃比色管中，加入 5.00mL 堿性過硫酸鉀溶液（因素A），塞緊管塞，用紗布和線繩扎緊。將比色管置于高壓蒸汽滅菌器中，加熱至95 C 頂壓閥吹氣，關閥。繼續加熱至指定溫度（因素B）開始計時，保持指定時間（因素C）。冷卻至 90°C 以下，開閥放氣，取出比色管開始計時，靜置指定時間（因素 D ）。將比色管中的液體顛倒混勻2～3次，加入 1.0mL1+9 鹽酸溶液，用水稀釋至 25mL 標線，蓋塞混勻。使用 10mm 石英比色皿，在紫外分光光度計上，以水作參比，分別于波長 220nm 和 275nm 處測定吸光度，結果如表2所示。

2 結果與討論

2.1 指標解釋

極差分析表格中的 K_i 表示某因素某水平時吸光度求和； k_i 表示對應的 K_i 值平均值；R 表示某因素 k_i 的極差值，即某因素 k_i 的最大值減去最小值。 R 值反映了各因素對于吸光度的影響程度，因總氮空白值需控制在0.030以下，考慮到隨機誤差，當 R 值小于0.003可認定該因素對吸光度幾乎無影響。

2.2消解液存放天數對吸光度的影響

由表3可知，在現有水平下，消解液存放天數對水樣的吸光度幾乎無影響；對空白的吸光度略有影響，存放3d吸光度無變化，存放7d吸光度明顯增大，但都小于0.020，符合使用要求。

2.3消解溫度對吸光度的影響

考察消解溫度對吸光度的影響，結果如表4所示。由表4可以看出，在現有水平下，消解溫度對空白、水樣的吸光度影響都不大。空白126 C 消解吸光度最低，水樣122℃消解吸光度最高。

2.4消解時間對吸光度的影響

考察消解時間對吸光度的影響，結果如表5所示。由表5可以看出，在現有水平下，消解時間對空白的吸光度影響不大，對水樣的吸光度影響顯著，消解 20min 吸光度普遍偏低，延長至 30min 以上吸光度趨于穩定。

2.5 消解后冷卻時間對吸光度的影響

考察消解后冷卻時間對吸光度的影響，結果如表6所示。由表6可以看出，在現有水平下，消解后冷卻時間對空白、水樣的吸光度影響都不大。

2.6 最佳因素水平組合

結合各因素的最佳水平，得出最佳因素水平組合：消解液存放天數0d，消解溫度122 C ，消解時間 40min ，消解后冷卻時間1h。

2.7總氮校準曲線的繪制

為了驗證優化后方案的可行性，以最佳因素水平組合為實驗參數，得到總氮質量與吸光度差值 A_r 的校準曲線方程，如表7所示。

2.8 方法的準確度

配制國家有證總氮標準物質溶液（環保部標樣研究所編號203271），3次平行測定均值0.971mg·L-（RSD=1.62%），處于（0.940±0.086）mg·L-1范圍內;取 2mL10mg?L^-1 總氮標準使用液加至8mL低中高質量濃度水樣中，加標量20μg。3份水樣加標回收率分別為97.0%、96.5%和92.5%，平均加標回收率95.3%，處在 90%～110% ，符合質控要求。

2.9方法的精密度和檢出限

配制質量濃度 0.20mg^.L^-1 的總氮溶液，7次平行測定值分別為0.201、0.190、0.212、0.222、0.2230.205、0.211mg·L，標準偏差S為0.0117mg·L相對標準偏差RSD為 5.59% 。由公式MDL=3.143S，求得檢出限為 0.037mg^-L^-1 ，低于國標中的 0.05mg?L^-1 說明優化方案有效。

3結論

采用正交法對總氮實驗參數進行優化，得到了最佳因素水平組合：消解液存放天數0d，消解溫度122℃，消解時間40min，消解后冷卻時間1h。該方案測定總氮的檢出限為0.037mg：L，精密度為5.59%，平均加標回收率為95.3%，可滿足不同質量濃度水樣中總氮的測定。

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Application of Orthogonal Test in Determination of Total Nitrogen

TANGWei

（Xuancheng Jixi Ecological Environment Monitoring Station，Jixi Anhui 2453oo， China）

Abstract：Inodertodeterminthemassoncentrationoftotalitrogeninwateroreacuatelytheexperimentalparametersof totalnitrogenwereoptiizedbyrthogonalmethod，withafcusonfctorssuchastesoragetieofdigestionsoltiongstio temperature，digestiontimeandcolingtimeafter digestion，andthe bestcombinationoffactorsand levelswasobtained.The detection limit of total nitrogen determined by this method was 0.037mg?L^-1 ， the precision was 5.59% ， the average recovery rate was 95.3% ， meeting the determination of total nitrogen in water samples with different mass concentrations. Key words： Orthogonal test; UV spectrophotometry; Total nitrogen; Potassium persulfate; Digestion