基于Box-Behnken Design優(yōu)化當(dāng)歸中鉛元素的測(cè)定方法研究

王昭國(guó)

(張掖市質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)研究院 食品檢驗(yàn)檢測(cè)中心，甘肅 張掖 734000)

鉛是一種對(duì)人體有毒害作用的重金屬元素,在人體內(nèi)具有富集作用，很難從人體中排出.然而,隨著工業(yè)的發(fā)展，鉛無時(shí)無刻不在人類生存的環(huán)境中.我們吃的食品也受到了不同程度的污染.考察食品中鉛[1-2]的含量是食品受污染風(fēng)險(xiǎn)檢測(cè)的必要手段，也是保證食品質(zhì)量安全的重要途徑.目前，不論是國(guó)外、還是國(guó)內(nèi)國(guó)家層面對(duì)重金屬[3-4]元素的監(jiān)控包括鉛元素都有非常嚴(yán)格的把控，測(cè)定重金屬元素的方法也非常多，但在實(shí)際試驗(yàn)的過程中以原子吸收分光光度法[4]測(cè)定來說，在測(cè)定重金屬元素時(shí)儀器的最佳條件的優(yōu)化是比較費(fèi)時(shí)、費(fèi)力的，制約著檢驗(yàn)檢測(cè)的工作效率.因此，本試驗(yàn)結(jié)合Design-Expert 8.0.6 對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[5-6]，通過建立數(shù)學(xué)模型能夠更好地指導(dǎo)檢驗(yàn)檢測(cè)工作.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

Pb單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液(1 000 μg·mL-1)：中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院；硝酸(分析純)： 德國(guó)Meker公司；水(一級(jí)水)：屈臣氏去離子水；MARS6微波消解儀：美國(guó)CEM公司；AA900原子吸收分光光度計(jì)(配石墨爐原子化器及WinLab32 for AA-7.0版工作站)：美國(guó)Pearkin-Elmer公司.

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

1.2.1 樣品處理

微波消解法[7-8]準(zhǔn)確稱取樣品0.3 g(精確至0.001 g)，于微波消解罐中加入8 mL硝酸，按照微波消解的操作步驟消解試樣，消解條件見表1.冷卻后取出消解罐，在電熱板上于160 ℃趕酸至0.5～1.0 mL.消解罐放冷后，將消化液轉(zhuǎn)移至容量瓶中，用少量水洗滌消解罐3次，合并洗滌液，用水定容至適宜濃度.同時(shí)做空白試劑.

表1 MARS6微波消解程序升溫條件功率

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液的制備

用2%硝酸稀釋制成濃度為0、4、8、16、24、40 ng·mL-1的標(biāo)準(zhǔn)系列溶液.

1.2.3 線性關(guān)系考察

鉛表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，回歸方程、相關(guān)系數(shù)見表2.

表2 各元素標(biāo)準(zhǔn)曲線相關(guān)參數(shù)

1.2.4 加標(biāo)回收試驗(yàn)

以樣品溶液為基質(zhì)，分別以1倍的檢出限濃度、2倍的檢出限濃度、5倍的檢出限濃度進(jìn)行3水平加標(biāo)回收試驗(yàn)，回收率見表3.

表3 當(dāng)歸中鉛元素加標(biāo)回收率

1.2.5 穩(wěn)定性試驗(yàn)

樣品溶液重復(fù)6次的測(cè)定結(jié)果的RSD%見表4.

表4 樣品溶液重復(fù)6次測(cè)定結(jié)果的RSD%

1.2.6 單因素試驗(yàn)

在用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定元素時(shí)儀器的灰化溫度、灰化時(shí)間、原子化溫度、原子化時(shí)間對(duì)測(cè)定結(jié)果起著顯著性的影響.因此，以吸光度為指標(biāo)，采用控制變量法，分別考察灰化溫(400、500、600、700 ℃)、灰化時(shí)間(10、15、20、25 s)、原子化溫度(1 400、1 500、1 600、1 700 ℃)、原子化時(shí)間(2、4、6、8 s)4因素4水平對(duì)吸光度的影響.每組試驗(yàn)重復(fù)測(cè)定3次.具體結(jié)果見圖1～4.

1.2.7 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

依據(jù)單因素試驗(yàn)[9-14]結(jié)果，采用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，見表5.

表5 Box-Behnken設(shè)計(jì)試驗(yàn)因素及編碼值

2 結(jié)果與討論

2.1 方法學(xué)驗(yàn)證

表2～4分別從方法驗(yàn)證的線性關(guān)系、加標(biāo)試驗(yàn)、穩(wěn)定性這幾個(gè)方面對(duì)測(cè)定方法做了驗(yàn)證，從表中可以發(fā)現(xiàn)這3個(gè)指標(biāo)均表現(xiàn)較好，故本檢測(cè)方法能夠滿足實(shí)驗(yàn)檢測(cè)要求.

2.2 單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 灰化溫度的確定

以灰化時(shí)間20 s，原子化溫度1 600 ℃，原子化時(shí)間6 s為條件研究灰化溫度對(duì)吸光度的影響，見圖1.

灰化溫度/℃圖1 灰化溫度對(duì)吸光度的影響

從圖1可以看出當(dāng)灰化溫度為500 ℃時(shí)，吸光度值最大.

2.2.2 灰化時(shí)間的確定

以灰化溫度500 ℃，原子化溫度1 600 ℃，原子化時(shí)間6 s為條件研究灰化時(shí)間對(duì)吸光度的影響，見圖2.

灰化時(shí)間/s圖2 灰化時(shí)間對(duì)吸光度的影響

從圖2可以看出當(dāng)灰化時(shí)間為20 s時(shí)，吸光度值最大.

2.2.3 原子化溫度的確定

以灰化溫度500 ℃，灰化時(shí)間20 s，原子化時(shí)間6s為條件研究原子化溫度對(duì)吸光度的影響，見圖3.

原子化溫度/℃圖3 原子化溫度對(duì)吸光度的影響

從圖3可以看出原子化溫度為1 600 ℃時(shí)，吸光度值最大.

2.2.4 原子化時(shí)間的確定

以灰化溫度500 ℃，灰化時(shí)間20 s，原子化溫度1 600 ℃為條件研究原子化時(shí)間對(duì)吸光度的影響，見圖4.

原子化時(shí)間/s圖4 原子化時(shí)間對(duì)吸光度的影響

從圖4可以看出原子化時(shí)間為6 s時(shí)，吸光度值最大.

2.3 響應(yīng)面試驗(yàn)

2.3.1 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，以灰化溫度、灰化時(shí)間、原子化溫度、原子化時(shí)間為試驗(yàn)因素，采用Box-Behnken設(shè)計(jì)進(jìn)行4因素3水平試驗(yàn)，結(jié)果見表6.

表6 Box-Behnken設(shè)計(jì)試驗(yàn)及測(cè)定結(jié)果

2.3.2 響應(yīng)面模型建立及方差分析

根據(jù)回歸模型可得出吸光度的二次多元回歸方程為：

y=+0.24+0.023*A+5.000E-003*B+0.011*C+9.167E-003*D+0.000*A*B-0.012*A*C-7.500E-003*A*D+0.000*B*C+0.000*B*D-1.000E-002*C*D-0.038*A2-0.016*B2-0.025*C2-9.583E-003*D2

表7 回歸模型方差分析

2.3.3 響應(yīng)面分析

通過回歸方程建立響應(yīng)曲面圖和等高線圖，并對(duì)其進(jìn)行分.結(jié)果見圖5、6.

A:灰化溫度

圖5 灰化溫度和原子化溫度交互作用影響吸光度的曲面圖和等高線圖

C：原子化溫度

圖6 原子化溫度和原子化時(shí)間交互作用影響吸光度的曲面圖和等高線圖

由圖5、6可以看出等高線圖是曲面圖在底面的投影，曲面的陡峭程度反映了交互作用對(duì)吸光度的影響程度，曲面越陡說明對(duì)吸光度的影響越大；等高線橢圓圖形則表示交互作用的顯著程度，橢圓越扁作用越顯著，等高線中心點(diǎn)則表示吸光度值的最大值.曲面圖和等高線圖則更能直觀地反映出4種因素對(duì)吸光度帶來的影響.

2.3.4 Numericai優(yōu)化(愿望函數(shù)優(yōu)化)

Numericai優(yōu)化給出的RAMPS圖見圖7.

圖7 Numericai值為1.000的優(yōu)化結(jié)果

從圖可知，Numericai優(yōu)化給出的一組最佳優(yōu)化條件為：灰化溫度525 ℃，灰化時(shí)間20 s，原子化溫度1 550 ℃，原子化時(shí)間2 s.在最佳條件下給出的預(yù)測(cè)值為0.24.此時(shí)，愿望函數(shù)值為1.000，表明預(yù)測(cè)值具有較好的可靠性.

3 結(jié) 論

(1)采用上述最佳優(yōu)化條件取整數(shù)即：灰化溫度525 ℃，灰化時(shí)間20 s，原子化溫度1 550 ℃，原子化時(shí)間5 s，進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，得到吸光度值為0.23，實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值基本相符.由此可證明該模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)最佳儀器分析條件.

(2)通過微波消解法，用原子吸收分光光度計(jì)對(duì)當(dāng)歸中的鉛進(jìn)行吸光度測(cè)定，并利用Box-Behnken設(shè)計(jì)試驗(yàn)對(duì)儀器操作條件進(jìn)行優(yōu)化.儀器的最佳測(cè)定條件為灰化溫度525 ℃，灰化時(shí)間20 s，原子化溫度1 550 ℃，原子化時(shí)間5 s，此測(cè)定條件下測(cè)得的吸光度為0.23,與預(yù)測(cè)值接近.因此，本設(shè)計(jì)能夠很好地指導(dǎo)原子吸收測(cè)定重金屬元素時(shí)最佳儀器條件的選擇，能夠?yàn)閷?shí)驗(yàn)人員省去絕大部分的試驗(yàn)時(shí)間，具有很好的應(yīng)用、推廣價(jià)值.但是未考慮加入基體改進(jìn)劑對(duì)本次研究試驗(yàn)方法有何效果，只是從儀器方面結(jié)合Box-Behnken設(shè)計(jì)試驗(yàn)做了研究.因此，日后還應(yīng)加強(qiáng)這方面的考慮.