响应面法优化-β -环糊精诱导α -溴代萘的室温磷光测定

2017-10-18张海容

分析科学学报 2017年6期

张海容，赵婷

(忻州师范学院生化分析技术研究所,材料与计算化学山西省高等学校重点实验室，山西忻州 034000)

室温磷光(Room Temperature Phosphorimetry,RTP)法[1 - 8]因具有简单快速、取样量少、灵敏度高、检出限低和选择性好，受到分析工作者的广泛关注。在环糊精(CD)-RTP法中,人们发现一些不含重原子的第三组分[9 - 10]分子，也可与CD、磷光分子形成三元包合物产生磷光发射。由于磷光发射受外界因素如CD及第三组分用量、酸碱度、除氧剂等影响，传统的磷光测定一般是通过单因素实验来确定最佳实验条件，无法考虑不同影响因素之间的相互作用，更无法预测最优实验条件下磷光发射强度。响应面法(Response Surface Methodology,RSM)法是一种流行的优化过程参数的有效工具，它集合了传统的单因素法与正交试验法优点，具有实验周期短、求得的回归方程精度高、能研究几种因素间交互作用等优点[11 - 12]，可用于优化外界因素及其交互作用对响应值的影响。应用正交设计优化室温磷光分析测定条件已有报道[13 - 15]，但未见用RSM优化RTP实验条件报道。本文初次研究了RSM优化α-溴代萘的RTP实验条件，为改进RTP分析特性提供了一种新途径。

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

F-4500 荧光光谱仪(日本，日立公司)；AB204-N电子天平(梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司 )；KQ-100DB型数控超声清洗器(昆山市荣华仪器制造有限公司)。

α-溴代萘(α-BrN，上海试剂一厂)，β-环糊精(β-CD，上海化学试剂采购供应站)，NaOH(天津市福晨化学试剂厂)，无水Na2SO3(天津市北辰方正试剂厂)，环己烷(天津市福晨化学试剂厂)，KH2PO4(北京红星化工厂)，甲醇(天津市风船化学试剂科技有限公司)，以上试剂皆分析纯。β-CD溶液：用二次蒸馏水配制成0.01 mol/L。磷酸盐缓冲溶液(pH=6.28)：称取KH2PO40.68 g，加入0.1 mol/L NaOH溶液29.10 mL，用水稀释至100 mL。实验用水为二次蒸馏水。

1.2 实验方法

移取适量α-BrN标准溶液，3.5 mL 0.01 mol/Lβ-CD溶液，1.5 mL磷酸盐缓冲溶液，6 μL环己烷，以及1.2 mL 0.01 mol/L Na2SO3溶液，用水定容后测量磷光强度。仪器测量条件：激发/发射狭缝：10/20 nm,测定波长：λex/λem=337/525 nm。

2 结果与讨论

2.1 β -CD溶液用量对α -BrN磷光强度的影响

按照实验方法，考察0.01 mol/Lβ-CD溶液的用量对α-BrN磷光强度的影响，结果表明随着β-CD溶液用量的增加，α-BrN的磷光强度逐渐升高，当用量达到3.5 mL时，α-BrN的磷光强度达到最大。

2.2 环己烷用量对α -BrN磷光强度的影响

在上述优化条件下，在10 mL比色管中，分别加入0、2、4、6、8、10、15 μL的环己烷，定容后测其磷光强度。结果表明，随着环己烷浓度的增加，α-BrN的磷光强度逐渐升高，当达到1.2 mL时，其磷光强度出现了一次大的突跃。

2.3 Na2SO3浓度对α -BrN磷光强度的影响

考察了Na2SO3溶液浓度对磷光强度的影响。结果表明，随着Na2SO3浓度的增加，α-BrN的磷光强度逐渐升高，当Na2SO3浓度达到1.2 mL时，其磷光强度达到最大。

2.4 RSM法优化实验条件

2.4.1RSM分析因素水平的选取综合单因素实验的结果，选取β-CD浓度、环己烷浓度、Na2SO3浓度三个因素进行中心组合设计(Central Composite Design,CCD)，利用Design Expert 7.1.3软件进行数据拟合，以+1、0、-1分别代表自变量的高、中、低水平，因子编码及水平见表1。

表1 RSM分析因素水平实验设计Table 1 Factors level and experiment design by the response surface analysis

2.4.2RSM分析方案及结果以A=(a-3.5)/0.5，B=(b-8)/2，C=(c-1)/0.2为自变量，以α-BrN的磷光强度为响应值(Y)，进行RSM分析实验。中心组合设计的结果及其预测值见表2。

表2 RSM分析方案及实验结果Table 2 The response surface analysis and the experimental results

通过对实验数据进行多项拟合回归，建立回归方程:Y=+6044.40+75.38×A+73.38×B+62.25×C-162.25×A×B-28.00×A×C-30.00×B×C-242.08×A2-348.58×B2+151.82×C2。对模型进行方差分析，结果见表3。由表3可知，本实验所选实验模型差异极显著(模型的P值<0.05),说明实验方法可靠；变异系数较低，说明实验有良好的稳定性。模型相关系数R2=0.9424，说明有94.24% 的实验数据与预测模型一致，该模型可以用于α-BrN室温磷光分析和预测。调节相关系数(R2)与预测相关系数值差异较大，表明方程需要进行进一步的优化。

表3 回归模型方差分析Table 3 Regression model analysis of variance

从回归方程模型因变量的方差分析可知，模型的一次项A(P=0.0319)差异极显著，而一次项B(P=0.5535)、C(P=0.1622)差异不显著；交互项AB(P=0.0747)、 AC(P=0.0843) 差异显著，交互项BC(P=0.4161)差异不显著；二次项A2(P=0.0002)差异极显著，B2(P=0.008)、C2(P=0.0089)差异显著。表明β-CD浓度对α-BrN的磷光发光的主效应显著，且β-CD浓度、环己烷用量、Na2SO3浓度之间存在交互作用。由表3可知，各实验因素的主效应关系为：β-CD浓度>Na2SO3浓度>环己烷用量。

2.4.3RSM图分析利用Design Expert 7.1.3软件对表2数据进行二次多元回归拟合，所得到的二次回归方程的RSM。从图1结果可知，当环己烷浓度不变时，随着β-CD浓度的增加，α-BrN的磷光强度先快速増加，后缓慢下降；当β-CD浓度不变时，随着环己烷浓度的增大，α-BrN的磷光强度亦呈现先增大，后逐渐下降趋势。结果与单因素实验结果相吻合。从图2结果可知，当β-CD浓度不变时，随着Na2SO3浓度的增加，α-BrN的磷光强度呈现先增大后下降趋势。当Na2SO3浓度不变时，β-CD浓度的变化对磷光的影响与Na2SO3浓度影响类似，这与单因素实验分析时的结果相吻合。

图1 β -CD浓度和环己烷用量对α -BrN的磷光强度的RSM图Fig 1 The response surface plots of β -CD concentration and cyclohexane amount on α -BrN phosphorescence

图2 亚硫酸钠浓度和β -CD浓度对α -BrN的磷光强度的RSM图Fig.2 The response surface plots of Na2SO3 and β -CD concentration on α -BrN phosphorescence

从图3结果可知，环己烷浓度不变时，随着Na2SO3浓度的增加，α-BrN的磷光强度呈现先缓慢增大，后逐渐下降趋势。当Na2SO3浓度不变时，随着环己烷浓度的增加，α-BrN的磷光强度亦呈现先快速增加，随后很快下降趋势。与单因素实验分析时的结果相吻合。α-BrN的磷光强度的变化曲率显示环己烷浓度主效应大于Na2SO3浓度，与统计结果相符。

图3 Na2SO3浓度和环己烷用量对α -BrN的磷光强度的RSM图Fig.3 The response surface plots of Na2SO3 concentration and cyclohexane amount on α -BrN phosphorescence

2.4.4最优工艺条件为了进一步确证最佳条件值，对回归方程取一阶偏导等于零，可以得到曲面的最大点，求导方程整理后得：75.38-162.25×B-28.00×C-242.08×2×A=0；73.38-162.25×A+30.00×C-348.58×2×B=0；62.25-28.00×A+30.00×B+151.82×2×C=0。求解方程，最后求得β-CD 的浓度为3.4×10-3mol/L,环己烷浓度为0.78 μL/mL，Na2SO3浓度为9.6×10-2mol/L，此时磷光强度理论最大值为6 067.6。经过中心组合优化，修正后测定α-BrN条件为：β-环糊精的浓度为3.4×10-3mol/L,环己烷浓度为0.8 μL/mL，Na2SO3浓度为9.5×10-2mol/L。实验测得的磷光强度为6 153，与理论值相对误差为1.4%。说明优化室温磷光测量条件参数相对可靠。