基于Box-Behnken Design优化当归中铅元素的测定方法研究

王昭国

(张掖市质量检验检测研究院 食品检验检测中心，甘肃 张掖 734000)

铅是一种对人体有毒害作用的重金属元素,在人体内具有富集作用，很难从人体中排出.然而,随着工业的发展，铅无时无刻不在人类生存的环境中.我们吃的食品也受到了不同程度的污染.考察食品中铅[1-2]的含量是食品受污染风险检测的必要手段，也是保证食品质量安全的重要途径.目前，不论是国外、还是国内国家层面对重金属[3-4]元素的监控包括铅元素都有非常严格的把控，测定重金属元素的方法也非常多，但在实际试验的过程中以原子吸收分光光度法[4]测定来说，在测定重金属元素时仪器的最佳条件的优化是比较费时、费力的，制约着检验检测的工作效率.因此，本试验结合Design-Expert 8.0.6 对试验进行优化设计[5-6]，通过建立数学模型能够更好地指导检验检测工作.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

Pb单元素标准溶液(1 000 μg·mL-1)：中国计量科学研究院；硝酸(分析纯)： 德国Meker公司；水(一级水)：屈臣氏去离子水；MARS6微波消解仪：美国CEM公司；AA900原子吸收分光光度计(配石墨炉原子化器及WinLab32 for AA-7.0版工作站)：美国Pearkin-Elmer公司.

1.2 实验过程

1.2.1 样品处理

微波消解法[7-8]准确称取样品0.3 g(精确至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骤消解试样，消解条件见表1.冷却后取出消解罐，在电热板上于160 ℃赶酸至0.5～1.0 mL.消解罐放冷后，将消化液转移至容量瓶中，用少量水洗涤消解罐3次，合并洗涤液，用水定容至适宜浓度.同时做空白试剂.

表1 MARS6微波消解程序升温条件功率

1.2.2 标准溶液的制备

用2%硝酸稀释制成浓度为0、4、8、16、24、40 ng·mL-1的标准系列溶液.

1.2.3 线性关系考察

铅表现出良好的线性关系，回归方程、相关系数见表2.

表2 各元素标准曲线相关参数

1.2.4 加标回收试验

以样品溶液为基质，分别以1倍的检出限浓度、2倍的检出限浓度、5倍的检出限浓度进行3水平加标回收试验，回收率见表3.

表3 当归中铅元素加标回收率

1.2.5 稳定性试验

样品溶液重复6次的测定结果的RSD%见表4.

表4 样品溶液重复6次测定结果的RSD%

1.2.6 单因素试验

在用原子吸收分光光度计测定元素时仪器的灰化温度、灰化时间、原子化温度、原子化时间对测定结果起着显著性的影响.因此，以吸光度为指标，采用控制变量法，分别考察灰化温(400、500、600、700 ℃)、灰化时间(10、15、20、25 s)、原子化温度(1 400、1 500、1 600、1 700 ℃)、原子化时间(2、4、6、8 s)4因素4水平对吸光度的影响.每组试验重复测定3次.具体结果见图1～4.

1.2.7 响应面试验设计

依据单因素试验[9-14]结果，采用Design-Expert 8.0.6软件对试验进行设计，见表5.

表5 Box-Behnken设计试验因素及编码值

2 结果与讨论

2.1 方法学验证

表2～4分别从方法验证的线性关系、加标试验、稳定性这几个方面对测定方法做了验证，从表中可以发现这3个指标均表现较好，故本检测方法能够满足实验检测要求.

2.2 单因素试验结果分析

2.2.1 灰化温度的确定

以灰化时间20 s，原子化温度1 600 ℃，原子化时间6 s为条件研究灰化温度对吸光度的影响，见图1.

灰化温度/℃图1 灰化温度对吸光度的影响

从图1可以看出当灰化温度为500 ℃时，吸光度值最大.

2.2.2 灰化时间的确定

以灰化温度500 ℃，原子化温度1 600 ℃，原子化时间6 s为条件研究灰化时间对吸光度的影响，见图2.

灰化时间/s图2 灰化时间对吸光度的影响

从图2可以看出当灰化时间为20 s时，吸光度值最大.

2.2.3 原子化温度的确定

以灰化温度500 ℃，灰化时间20 s，原子化时间6s为条件研究原子化温度对吸光度的影响，见图3.

原子化温度/℃图3 原子化温度对吸光度的影响

从图3可以看出原子化温度为1 600 ℃时，吸光度值最大.

2.2.4 原子化时间的确定

以灰化温度500 ℃，灰化时间20 s，原子化温度1 600 ℃为条件研究原子化时间对吸光度的影响，见图4.

原子化时间/s图4 原子化时间对吸光度的影响

从图4可以看出原子化时间为6 s时，吸光度值最大.

2.3 响应面试验

2.3.1 响应面试验结果

依据单因素试验结果，以灰化温度、灰化时间、原子化温度、原子化时间为试验因素，采用Box-Behnken设计进行4因素3水平试验，结果见表6.

表6 Box-Behnken设计试验及测定结果

2.3.2 响应面模型建立及方差分析

根据回归模型可得出吸光度的二次多元回归方程为：

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 回归模型方差分析

2.3.3 响应面分析

通过回归方程建立响应曲面图和等高线图，并对其进行分.结果见图5、6.

A:灰化温度

图5 灰化温度和原子化温度交互作用影响吸光度的曲面图和等高线图

C：原子化温度

图6 原子化温度和原子化时间交互作用影响吸光度的曲面图和等高线图

由图5、6可以看出等高线图是曲面图在底面的投影，曲面的陡峭程度反映了交互作用对吸光度的影响程度，曲面越陡说明对吸光度的影响越大；等高线椭圆图形则表示交互作用的显著程度，椭圆越扁作用越显著，等高线中心点则表示吸光度值的最大值.曲面图和等高线图则更能直观地反映出4种因素对吸光度带来的影响.

2.3.4 Numericai优化(愿望函数优化)

Numericai优化给出的RAMPS图见图7.

图7 Numericai值为1.000的优化结果

从图可知，Numericai优化给出的一组最佳优化条件为：灰化温度525 ℃，灰化时间20 s，原子化温度1 550 ℃，原子化时间2 s.在最佳条件下给出的预测值为0.24.此时，愿望函数值为1.000，表明预测值具有较好的可靠性.

3 结 论

(1)采用上述最佳优化条件取整数即：灰化温度525 ℃，灰化时间20 s，原子化温度1 550 ℃，原子化时间5 s，进行3次重复试验，得到吸光度值为0.23，实验值与预测值基本相符.由此可证明该模型能够准确预测最佳仪器分析条件.

(2)通过微波消解法，用原子吸收分光光度计对当归中的铅进行吸光度测定，并利用Box-Behnken设计试验对仪器操作条件进行优化.仪器的最佳测定条件为灰化温度525 ℃，灰化时间20 s，原子化温度1 550 ℃，原子化时间5 s，此测定条件下测得的吸光度为0.23,与预测值接近.因此，本设计能够很好地指导原子吸收测定重金属元素时最佳仪器条件的选择，能够为实验人员省去绝大部分的试验时间，具有很好的应用、推广价值.但是未考虑加入基体改进剂对本次研究试验方法有何效果，只是从仪器方面结合Box-Behnken设计试验做了研究.因此，日后还应加强这方面的考虑.