響應面法優選硼砂測定的ICP儀器條件研究

黃子偉　鄒斌享（北京市密云區食品藥品監督管理局，北京　0500）（北京市大興區產品質量監督檢驗所，北京　0600）

·工藝技術·

響應面法優選硼砂測定的ICP儀器條件研究

黃子偉1*鄒斌享2**
1（北京市密云區食品藥品監督管理局，北京101500）
2（北京市大興區產品質量監督檢驗所，北京102600）

為優選食品中硼砂測定的最佳ICP儀器條件，采用單因素試驗考察射頻功率、樣品提升量、載氣流量、等離子氣流量、輔助氣流量共5個因素對ICP儀器信噪比的影響，之后選擇對ICP儀器信噪比影響顯著的3個因素作為考察因素，采用Box-Behnken響應面設計進一步分析3個因素的顯著性及交互作用。以ICP儀器信噪比為響應值，通過試驗設計軟件Design-Expert對試驗數據進行多元回歸擬合，通過計算模型回歸方程得到ICP儀器最佳條件參數。由試驗結果得到硼砂測定的ICP儀器最佳條件為：射頻功率1 100 W，樣品提升量1.10 mL，載氣流量0.80 L/min，等離子氣流量10 L/min，輔助氣流量0.80 L/min。對優化后的測定條件進行驗證，跟理論預測值相比，誤差僅為0.94%，說明建立的理論模型很好地反映試驗結果，具有合理性和實用性。

響應面法；優選；硼砂測定；ICP儀器條件

硼砂（硼酸）已經被衛計委列入《食品中可能違法添加的非食用物質名單》，但是食品中非法添加硼砂的現象仍時有發生，目前硼砂已經成為食品藥品監督管理部門監督抽檢的重點監測項目之一。食品中硼砂測定的分析方法有紫外-可見分光光度法（UV-Vis）、原子吸收光譜法（AAS）、分子熒光法（MFS）、電感耦合等離子發射光譜法（ICP）等，其中ICP法具有線性范圍寬、干擾因素小、分析速度快等諸多優點，已經成為食品中硼砂（硼酸）測定的國標方法。采用ICP法進行硼砂（硼酸）測定的報道不少，對ICP測定方法進行優化的研究也較多，但是采用響應面法對ICP儀器條件進行優化的研究尚未見報道。響應面法是通過建模來尋求最佳組合條件的試驗設計方法，廣泛應用于食品有效成分提取、生產工藝、配方選擇等多因素條件的優化。ICP的儀器條件是食品中硼砂準確檢測的關鍵，本研究采用響應面試驗設計對ICP儀器條件的優化進行初步探討，以儀器信噪比作為評價指標，通過試驗數據擬合出模型方程，從而找出最優ICP儀器條件。

1　材料和方法

1.1儀器與設備

ICPE-9000電感耦合等離子體發射光譜儀，日本島津公司；Multiwave3000壓力微波消解儀，奧地利安東帕有限公司；AY-220分析天平，日本島津公司；101-2AB電熱鼓風干燥箱，天津泰斯特儀器有限公司；FW100高速粉碎機，天津泰斯特儀器有限公司；Classic純水機，美國PALL公司。

1.2材料與試劑

硼標準溶液，國家標準物質研究中心；硝酸（65%），優級純，北京化學試劑研究所；高氯酸，優級純，北京化學試劑研究所；鹽酸（35%），優級純，北京化學試劑研究所；過氧化氫（30%），優級純，北京化學試劑公司。

1.3試驗方法

1.3.1試樣的處理

用分析天平稱取粉碎均勻的試樣約0.50 g于聚四氟乙烯消解罐中，加入一定量的硝酸和過氧化氫，蓋上蓋，放入工程塑料外套擰緊，置于壓力微波消解儀中，按設定消解程序進行消解。消解完畢后將消解罐取出，將聚四氟乙烯罐放到電子加熱套進行敞口趕酸，趕酸至消解液剩約1 mL時停止，冷卻后轉移定容至25 mL塑料容量瓶中，同時作試劑空白。

1.3.2ICP的儀器條件

采用ICP儀器默認條件。射頻輸入功率：1 000 W；矩管類型：微矩管；觀測方式：軸向；分析譜線：249.77 nm；采用背景校正，等離子氣（Ar）：10 L/min，輔助氣（Ar）：0.80 L/min，載氣（Ar）：0.80 L/min，同心霧化器，樣品提升量1.00 mL。

1.3.3結果計算

樣品經過微波消解后轉移定容，在249.77 nm下測定試樣響應值，與標準系列比較定量。

2　結果與分析

2.1測定波長的選擇

用5%硝酸溶液配制濃度為1.0 mg/L的硼單元素標準溶液，上ICP光譜儀進行測試，測試結果表明，硼的分析譜線有182.64 nm、208.96 nm、249.68 nm、249.77 nm，通過譜圖可以發現249.77 nm處譜線靈敏度高，干擾少，因此采用249.77 nm處譜線作為分析譜線。

2.2單因素試驗初步選擇ICP儀器條件

考察射頻功率、樣品提升量、載氣流量、等離子氣流量、輔助氣流量共5個因素對ICP儀器信噪比的影響。根據生產廠家所允許的儀器條件變化范圍，上述5個影響因素的考察范圍分別為：射頻功率從800 W～1200 W，以100 W做為一個變化梯度；樣品提升量從0.60 mL/min～1.40 mL/min，以0.2 mL/min做為一個變化梯度；載氣流量從0.60 L/min～1.00 L/min，以0.10 L/min做為一個變化梯度；等離子氣流量從7 L/min～11 L/min，以1 L/min做為一個變化梯度；輔助氣流量從0.60 L/min～1.00 L/min，以0.10 L/min做為一個變化梯度。

2.2.1射頻功率對儀器信噪比的影響

在樣品提升量1.00 mL，載氣流量0.80 L/min，等離子氣流量10 L/min，輔助氣流量0.80 L/min的條件下考察射頻功率對儀器信噪比的影響，結果如下頁圖1所示。

由圖1可知，射頻功率從800W增大到1200W時，隨著射頻功率的提高，儀器信噪比也隨之增大，但是隨著射頻功率的增大，儀器信噪比增大的速度變化越來越小，同時，考慮到該儀器的射頻功率增大，矩管溫度也增高，溫度過高容易減少矩管壽命，甚至把矩管燒壞，考慮到矩管的安全選擇射頻功率為1 100 W。

圖1　射頻功率對信噪比的影響

2.2.2樣品提升量對儀器信噪比的影響

在射頻功率1 100 W，載氣流量0.80 L/min，等離子氣流量10 L/min，輔助氣流量0.80 L/min的條件下考察樣品提升量對儀器信噪比的影響，結果如圖2所示。

圖2　樣品提升量對儀器信噪比的影響

由圖2可知，當樣品提升量從0.60mL～1.00mL時，儀器信噪比從180.31上升到273.37，但是提升量從1.00 mL繼續增大到1.40 mL時，信噪比變化不但沒有繼續增大，反而開始下降。因為載氣流量一定的條件下，提升量越大，單位時間進入霧化器的樣液增多，大顆粒的液滴隨之增多，霧化效果降低，從這一試驗可以看出，適合的提升量為1.00 mL。

2.2.3載氣流量對儀器信噪比的影響

載氣流量的大小直接影響霧化器提升量、霧化效率、霧滴粒徑、氣溶膠在通道中的停留時間等。在射頻功率1 100 W，樣品提升量1.00 mL，等離子氣流量10 L/min，輔助氣流量0.80 L/min的條件下考察載氣流量對儀器信噪比的影響，結果如圖3所示。

圖3　載氣流量對儀器信噪比的影響

由圖3可知，儀器信噪比隨著載氣流量的增加而增大，當載氣流量為0.80 L/min時，信噪比最大，但是載氣流量過大，就使得氣溶膠在通道中的停留時間過短，電離效果不充分，同時進入霧化器氣流量的增大，儀器噪聲也會增大最終導致信噪比降低，因此選擇載氣流量0.80 L/min為宜。

2.2.4等離子氣流量對儀器信噪比的影響

在射頻功率1 100 W，樣品提升量1.00 mL，載氣流量0.80 L/min，輔助氣流量0.80 L/min的條件下考察等離子氣流量對儀器信噪比的影響，結果如圖4所示。

圖4　等離子氣流量對儀器信噪比的影響

由圖4可知，信噪比隨著等離子氣流量的增加而增大，等離子氣流量在10 L/min時，信噪比相對較高，等離子氣流量繼續增大，信噪比不再增大，這是因為等離子氣流量達到一定程度后，其影響效果從單向的變為雙向的，增大等離子氣流量可以增加樣液的霧化效果，同時也會使儀器的噪聲增大，因此等離子氣流量選擇10 L/min時最佳。

2.2.5輔助氣氣流量對儀器信噪比的影響

在射頻功率1 100 W，樣品提升量1.00 mL，載氣流量0.80 L/min，等離子氣流量10 L/min條件下考察輔助氣氣流量對儀器信噪比的影響，結果如圖5所示。

圖5　輔助氣流量對儀器信噪比的影響

由圖5可知，隨著輔助氣氣流量的增大，儀器信噪比也隨之增大，輔助氣氣流量在0.60 L/min～0.80 L/min時，儀器信噪比明顯增加，并在0.80 L/min時達到最高點，繼續增大輔助氣氣流量，信噪比增加趨向于平緩，因為隨著輔助氣氣流量增大，儀器信號值在增大，但是儀器噪音增加更快，導致信噪比趨于平穩，甚至降低，因此確定輔助氣氣流量0.80 L/min。

綜上所述，由單因素試驗得到ICP最優儀器條件如下：射頻功率1 100 W，樣品提升量1.00 mL，載氣流量0.80 L/min，等離子氣流量10 L/min，輔助氣流量0.80 L/min。經單因素試驗發現，射頻功率、樣品提升量、載氣流量是影響ICP儀器信噪比比較顯著的3個因素，需要進一步采用響應面試驗來最終確定ICP最優分析條件。

2.3Box-Behnken設計優化ICP儀器條件

2.3.1響應面法試驗設計測定結果及方差分析

根據單因素分析結果，選取單因素試驗中對信噪比影響比較顯著的3個因素（射頻功率、載氣流量和樣品提升量）進行響應面試驗。設定射頻功率，載氣流量和樣品提升量的編碼值分別為A、B、C，以1、2、3分別表示各變量的不同水平，每個變量按照公式x=（xi-x0）/△x進行編碼，其中x為編碼值，xi為第i個變量值，x0為中間變量的變量值，△x為變量變化的步長。響應面試驗變量及編碼水平見表1，測定結果見表2。

表1　響應面試驗變量及編碼水平表

表2　響應面試驗設計和測定結果（n=3）

采用Box-Behnken設計，利用軟件Design-Expert8.0對表2試驗數據進行多元回歸擬合，回歸模型方程式為，其中Y為響應值，A0為常數，Ai、Aii、Aij為模型相關系數，Xi、Xj為變量編碼值。通過對軟件方差程序試驗測定結果的數據進行擬合得到二次回歸模型方程為：Y=493.82+24.69×A+26.81×B-7.16× C-2.32×A×B+0.72×A×C+7.45×B×C-67.52× A2-17.85×B2-25.33×C2，其中A、B、C分別是射頻功率、樣品提升量和載氣流量的編碼值。響應面試驗結果的回歸分析見下頁表3。

由方差分析結果可知，統計檢驗F值為124.70，也就是說顯著性系數P＜0.000 1，表明該模型極其顯著。同時，決定系數R2為0.995 6，說明儀器信噪比的試驗值與模型回歸值線性良好，擬合的曲線能夠較為真實的反映各因素和響應值之間的關系。失擬項用來檢測回歸模型與實際值的擬合程度的好壞。如果失擬項顯著，說明對響應值有影響的還有其他的因素，本試驗中F值為10.77，也就是說顯著性系數P=0.086 1＞0.05，失擬項不顯著，表明該模型很理想，能夠對ICP儀器條件優化的結果進行預測。從射頻功率（A）、樣品提升量（B）、載氣流量（C）這3個因素來看，射頻功率、樣品提升量對響應值影響極為顯著，載氣流量對響應值影響顯著，影響順序依次為樣品提升量＞射頻功率＞載氣流量。

2.3.2響應面結果的立體圖和等高線圖分析

將一個獨立變量因素固定為零水平，得到另外兩個因素交互作用對響應值的影響。以下幾個圖是響應面立體圖和對應的等高線圖，通過分析等高線形狀可以判斷交互作用對響應值的影響。

射頻功率和載氣流量對響應值的影響如圖6所示。從圖6可以看出，射頻功率和載氣流量交互作用對響應值影響并不顯著。當樣品提升量1.00 mL時，射頻功率對響應值的影響較大，響應面立體圖中曲線陡，變化較大，等高線趨向于橢圓形；載氣流量交互作用要小一些，響應面立體圖中曲線較為平滑。

表3　響應面試驗結果的回歸分析表

圖6　射頻功率和載氣流量對響應值影響

樣品提升量和載氣流量對響應值的影響如下頁圖7所示。從圖7可以看出，獨立變量樣品提升量（B）和載氣流量（C）交互作用對響應值的影響顯著，等高線呈橢圓形狀。當射頻功率1 100 W時，載氣流量（C）對響應值的影響顯著些，響應面立體圖中曲線變化幅度較大，等高線呈橢圓形；樣品提升量（B）影響要小一些，響應面立體圖中曲線較為平滑。

射頻功率和樣品提升量對響應值的影響如下頁圖8所示。從圖8可以看出，當載氣流量0.80 L/min時，射頻功率對信噪比影響較顯著，立體圖曲線變化幅度較大。從等高線圖形狀可以看出提升量和射頻功率的交互作用并不顯著。

圖7　樣品提升量和載氣流量對響應值影響

圖8　射頻功率和樣品提升量對響應值影響

2.3.3響應面模型的驗證

根據擬合得到回歸模型方程Y=493.82+24.69× A+26.81×B-7.16×C-2.32×A×B+0.72×A× C+7.45×B×C-67.52×A2-17.85×B2-25.33×C2，對A、B、C求偏導數并令一階偏導數為零，整理得到下面3個式子：

由式（1）、（2）、（3） 聯立方程組，解得A=0.170，B=0.733，C=－0.031，分別帶入編碼公式x=（xi-x0）/△x得到ICP儀器最優分析條件：射頻功率1 109 W，載氣流量0.80 L/min，樣品提升量1.07 mL，此條件下信噪比預測值為505.86。考慮到儀器實際情況和化學工作站數據設置要求，將最優儀器分析條件修正為射頻功率1 100 W，載氣流量0.80 L/min，樣品提升量1.10 mL。通過試驗對修正后最優儀器條件進行驗證，在這個條件下對樣品進行重復試驗3次，測定信噪比分別為501.29、508.17、494.41，平均值為501.29，跟方程預測值進行比較結果如表4所示。

表4　結果的驗證

實際測定值僅比理論預測值相差0.94%，說明該模型方程可以很好的反映實際試驗結果。

3　結論

本文以硼砂測定的ICP儀器條件為研究對象，通過單因素試驗初步篩選了ICP儀器測定條件，然后采用Box-Behnken試驗設計來進一步驗證各個儀器條件的交互作用，并優化和確定了硼砂測定的ICP儀器條件。

由單因素試驗初步考察可知，射頻功率、樣品提升量、載氣流量、等離子氣流量、輔助氣流量5個因素中，ICP儀器信噪比影響較為明顯的是射頻功率、樣品提升量和載氣流量。通過Box-Behnken設計，從射頻功率、樣品提升量、載氣流量這3個因素來看，射頻功率、樣品提升量對響應值影響極為顯著，載氣流量影響顯著，影響順序依次為：樣品提升量＞射頻功率＞載氣流量。

采用試驗設計軟件 Design-Expert8.0對 ICP儀器條件進行優化研究，考察了因素之間的交互作用，根據實際情況最終確定了硼砂測定的ICP儀器最優條件：射頻功率1 100 W，樣品提升量1.10 mL，載氣流量 0.80 L/min，等離子氣流量10 L/min，輔助氣流量0.80 L/min。經驗證，響應面設計建立的模型是合理可靠的。

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Optimization ICP instrument conditions for the determination of borax by response surface methodology

HUANG Ziwei1*ZOU Binxiang2**
1（Food and drugadministration ofBeijingmiyun district，Bejing 101500，China）
2（Daxingdistrict institute ofproduct qualitysupervision and inspection，Bejing 102600，China）

To optimize ICP instrument conditions for the determination of borax,the RF power,sample promoting amount,carrier gas flow,plasma gas flowand assist gas flowwere chosen as influencingfactors ofthe signal tonoise ratio ofICP instrument.Based on the results ofsingle factor experiments,the RF power,sample promotingamount,carrier gas flow,which influence the signal to noise ratio significantly,were designed by Response surface methodology of Box-Behnken,and the interaction between 2 factors was analyzed further.Takingthe signaltonoise ratioas a response,a mathematics model was established byDesign-Expert software.Bycalculatingmodel equation,the optimumICP instrument conditions for the determination ofboraxwere obtained:the RF power 1 100 W,sample promotingamount 1.10 mL, carrier gas flow0.80 mL,plasma gas flow10 L/min,assist gas flow0.80 L/min.Above conditions,the signaltonoise ratio we obtained by actual experiment was 501.29.By comparing withthepredictive value,the error is just 0.94%.It shows that usingthe test model in practise is feasible.

response surface methodology；optimized selection；boraxdetermination；ICP instrument conditions

2016-05-14

TS207.5

A

1673-6044（2016）02-0022-07

10.3969/j.issn.1673-6044.2016.02.008

*黃子偉，男，1980年出生，畢業于中國農業大學食品科學與營養工程學院，碩士，高級工程師。
**鄒斌享，通訊作者，E-mail：785518841@qq.com.