基于Box-Behnken Design優化當歸中鉛元素的測定方法研究

王昭國

(張掖市質量檢驗檢測研究院 食品檢驗檢測中心，甘肅 張掖 734000)

鉛是一種對人體有毒害作用的重金屬元素,在人體內具有富集作用，很難從人體中排出.然而,隨著工業的發展，鉛無時無刻不在人類生存的環境中.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險檢測的必要手段，也是保證食品質量安全的重要途徑.目前，不論是國外、還是國內國家層面對重金屬[3-4]元素的監控包括鉛元素都有非常嚴格的把控，測定重金屬元素的方法也非常多，但在實際試驗的過程中以原子吸收分光光度法[4]測定來說，在測定重金屬元素時儀器的最佳條件的優化是比較費時、費力的，制約著檢驗檢測的工作效率.因此，本試驗結合Design-Expert 8.0.6 對試驗進行優化設計[5-6]，通過建立數學模型能夠更好地指導檢驗檢測工作.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

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

1.2 實驗過程

1.2.1 樣品處理

微波消解法[7-8]準確稱取樣品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.同時做空白試劑.

表1 MARS6微波消解程序升溫條件功率

1.2.2 標準溶液的制備

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

1.2.3 線性關系考察

鉛表現出良好的線性關系，回歸方程、相關系數見表2.

表2 各元素標準曲線相關參數

1.2.4 加標回收試驗

以樣品溶液為基質，分別以1倍的檢出限濃度、2倍的檢出限濃度、5倍的檢出限濃度進行3水平加標回收試驗，回收率見表3.

表3 當歸中鉛元素加標回收率

1.2.5 穩定性試驗

樣品溶液重復6次的測定結果的RSD%見表4.

表4 樣品溶液重復6次測定結果的RSD%

1.2.6 單因素試驗

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

1.2.7 響應面試驗設計

依據單因素試驗[9-14]結果，采用Design-Expert 8.0.6軟件對試驗進行設計，見表5.

表5 Box-Behnken設計試驗因素及編碼值

2 結果與討論

2.1 方法學驗證

表2～4分別從方法驗證的線性關系、加標試驗、穩定性這幾個方面對測定方法做了驗證，從表中可以發現這3個指標均表現較好，故本檢測方法能夠滿足實驗檢測要求.

2.2 單因素試驗結果分析

2.2.1 灰化溫度的確定

以灰化時間20 s，原子化溫度1 600 ℃，原子化時間6 s為條件研究灰化溫度對吸光度的影響，見圖1.

灰化溫度/℃圖1 灰化溫度對吸光度的影響

從圖1可以看出當灰化溫度為500 ℃時，吸光度值最大.

2.2.2 灰化時間的確定

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

灰化時間/s圖2 灰化時間對吸光度的影響

從圖2可以看出當灰化時間為20 s時，吸光度值最大.

2.2.3 原子化溫度的確定

以灰化溫度500 ℃，灰化時間20 s，原子化時間6s為條件研究原子化溫度對吸光度的影響，見圖3.

原子化溫度/℃圖3 原子化溫度對吸光度的影響

從圖3可以看出原子化溫度為1 600 ℃時，吸光度值最大.

2.2.4 原子化時間的確定

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

原子化時間/s圖4 原子化時間對吸光度的影響

從圖4可以看出原子化時間為6 s時，吸光度值最大.

2.3 響應面試驗

2.3.1 響應面試驗結果

依據單因素試驗結果，以灰化溫度、灰化時間、原子化溫度、原子化時間為試驗因素，采用Box-Behnken設計進行4因素3水平試驗，結果見表6.

表6 Box-Behnken設計試驗及測定結果

2.3.2 響應面模型建立及方差分析

根據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 響應面分析

通過回歸方程建立響應曲面圖和等高線圖，并對其進行分.結果見圖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吸光度的影響程度，曲面越陡說明對吸光度的影響越大；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種因素對吸光度帶來的影響.

2.3.4 Numericai優化(愿望函數優化)

Numericai優化給出的RAMPS圖見圖7.

圖7 Numericai值為1.000的優化結果

從圖可知，Numericai優化給出的一組最佳優化條件為：灰化溫度525 ℃，灰化時間20 s，原子化溫度1 550 ℃，原子化時間2 s.在最佳條件下給出的預測值為0.24.此時，愿望函數值為1.000，表明預測值具有較好的可靠性.

3 結 論

(1)采用上述最佳優化條件取整數即：灰化溫度525 ℃，灰化時間20 s，原子化溫度1 550 ℃，原子化時間5 s，進行3次重復試驗，得到吸光度值為0.23，實驗值與預測值基本相符.由此可證明該模型能夠準確預測最佳儀器分析條件.

(2)通過微波消解法，用原子吸收分光光度計對當歸中的鉛進行吸光度測定，并利用Box-Behnken設計試驗對儀器操作條件進行優化.儀器的最佳測定條件為灰化溫度525 ℃，灰化時間20 s，原子化溫度1 550 ℃，原子化時間5 s，此測定條件下測得的吸光度為0.23,與預測值接近.因此，本設計能夠很好地指導原子吸收測定重金屬元素時最佳儀器條件的選擇，能夠為實驗人員省去絕大部分的試驗時間，具有很好的應用、推廣價值.但是未考慮加入基體改進劑對本次研究試驗方法有何效果，只是從儀器方面結合Box-Behnken設計試驗做了研究.因此，日后還應加強這方面的考慮.