响应面法优选硼砂测定的ICP仪器条件研究

黄子伟　邹斌享（北京市密云区食品药品监督管理局，北京　0500）（北京市大兴区产品质量监督检验所，北京　0600）

·工艺技术·

响应面法优选硼砂测定的ICP仪器条件研究

黄子伟1*邹斌享2**
1（北京市密云区食品药品监督管理局，北京101500）
2（北京市大兴区产品质量监督检验所，北京102600）

为优选食品中硼砂测定的最佳ICP仪器条件，采用单因素试验考察射频功率、样品提升量、载气流量、等离子气流量、辅助气流量共5个因素对ICP仪器信噪比的影响，之后选择对ICP仪器信噪比影响显著的3个因素作为考察因素，采用Box-Behnken响应面设计进一步分析3个因素的显著性及交互作用。以ICP仪器信噪比为响应值，通过试验设计软件Design-Expert对试验数据进行多元回归拟合，通过计算模型回归方程得到ICP仪器最佳条件参数。由试验结果得到硼砂测定的ICP仪器最佳条件为：射频功率1 100 W，样品提升量1.10 mL，载气流量0.80 L/min，等离子气流量10 L/min，辅助气流量0.80 L/min。对优化后的测定条件进行验证，跟理论预测值相比，误差仅为0.94%，说明建立的理论模型很好地反映试验结果，具有合理性和实用性。

响应面法；优选；硼砂测定；ICP仪器条件

硼砂（硼酸）已经被卫计委列入《食品中可能违法添加的非食用物质名单》，但是食品中非法添加硼砂的现象仍时有发生，目前硼砂已经成为食品药品监督管理部门监督抽检的重点监测项目之一。食品中硼砂测定的分析方法有紫外-可见分光光度法（UV-Vis）、原子吸收光谱法（AAS）、分子荧光法（MFS）、电感耦合等离子发射光谱法（ICP）等，其中ICP法具有线性范围宽、干扰因素小、分析速度快等诸多优点，已经成为食品中硼砂（硼酸）测定的国标方法。采用ICP法进行硼砂（硼酸）测定的报道不少，对ICP测定方法进行优化的研究也较多，但是采用响应面法对ICP仪器条件进行优化的研究尚未见报道。响应面法是通过建模来寻求最佳组合条件的试验设计方法，广泛应用于食品有效成分提取、生产工艺、配方选择等多因素条件的优化。ICP的仪器条件是食品中硼砂准确检测的关键，本研究采用响应面试验设计对ICP仪器条件的优化进行初步探讨，以仪器信噪比作为评价指标，通过试验数据拟合出模型方程，从而找出最优ICP仪器条件。

1　材料和方法

1.1仪器与设备

ICPE-9000电感耦合等离子体发射光谱仪，日本岛津公司；Multiwave3000压力微波消解仪，奥地利安东帕有限公司；AY-220分析天平，日本岛津公司；101-2AB电热鼓风干燥箱，天津泰斯特仪器有限公司；FW100高速粉碎机，天津泰斯特仪器有限公司；Classic纯水机，美国PALL公司。

1.2材料与试剂

硼标准溶液，国家标准物质研究中心；硝酸（65%），优级纯，北京化学试剂研究所；高氯酸，优级纯，北京化学试剂研究所；盐酸（35%），优级纯，北京化学试剂研究所；过氧化氢（30%），优级纯，北京化学试剂公司。

1.3试验方法

1.3.1试样的处理

用分析天平称取粉碎均匀的试样约0.50 g于聚四氟乙烯消解罐中，加入一定量的硝酸和过氧化氢，盖上盖，放入工程塑料外套拧紧，置于压力微波消解仪中，按设定消解程序进行消解。消解完毕后将消解罐取出，将聚四氟乙烯罐放到电子加热套进行敞口赶酸，赶酸至消解液剩约1 mL时停止，冷却后转移定容至25 mL塑料容量瓶中，同时作试剂空白。

1.3.2ICP的仪器条件

采用ICP仪器默认条件。射频输入功率：1 000 W；矩管类型：微矩管；观测方式：轴向；分析谱线：249.77 nm；采用背景校正，等离子气（Ar）：10 L/min，辅助气（Ar）：0.80 L/min，载气（Ar）：0.80 L/min，同心雾化器，样品提升量1.00 mL。

1.3.3结果计算

样品经过微波消解后转移定容，在249.77 nm下测定试样响应值，与标准系列比较定量。

2　结果与分析

2.1测定波长的选择

用5%硝酸溶液配制浓度为1.0 mg/L的硼单元素标准溶液，上ICP光谱仪进行测试，测试结果表明，硼的分析谱线有182.64 nm、208.96 nm、249.68 nm、249.77 nm，通过谱图可以发现249.77 nm处谱线灵敏度高，干扰少，因此采用249.77 nm处谱线作为分析谱线。

2.2单因素试验初步选择ICP仪器条件

考察射频功率、样品提升量、载气流量、等离子气流量、辅助气流量共5个因素对ICP仪器信噪比的影响。根据生产厂家所允许的仪器条件变化范围，上述5个影响因素的考察范围分别为：射频功率从800 W～1200 W，以100 W做为一个变化梯度；样品提升量从0.60 mL/min～1.40 mL/min，以0.2 mL/min做为一个变化梯度；载气流量从0.60 L/min～1.00 L/min，以0.10 L/min做为一个变化梯度；等离子气流量从7 L/min～11 L/min，以1 L/min做为一个变化梯度；辅助气流量从0.60 L/min～1.00 L/min，以0.10 L/min做为一个变化梯度。

2.2.1射频功率对仪器信噪比的影响

在样品提升量1.00 mL，载气流量0.80 L/min，等离子气流量10 L/min，辅助气流量0.80 L/min的条件下考察射频功率对仪器信噪比的影响，结果如下页图1所示。

由图1可知，射频功率从800W增大到1200W时，随着射频功率的提高，仪器信噪比也随之增大，但是随着射频功率的增大，仪器信噪比增大的速度变化越来越小，同时，考虑到该仪器的射频功率增大，矩管温度也增高，温度过高容易减少矩管寿命，甚至把矩管烧坏，考虑到矩管的安全选择射频功率为1 100 W。

图1　射频功率对信噪比的影响

2.2.2样品提升量对仪器信噪比的影响

在射频功率1 100 W，载气流量0.80 L/min，等离子气流量10 L/min，辅助气流量0.80 L/min的条件下考察样品提升量对仪器信噪比的影响，结果如图2所示。

图2　样品提升量对仪器信噪比的影响

由图2可知，当样品提升量从0.60mL～1.00mL时，仪器信噪比从180.31上升到273.37，但是提升量从1.00 mL继续增大到1.40 mL时，信噪比变化不但没有继续增大，反而开始下降。因为载气流量一定的条件下，提升量越大，单位时间进入雾化器的样液增多，大颗粒的液滴随之增多，雾化效果降低，从这一试验可以看出，适合的提升量为1.00 mL。

2.2.3载气流量对仪器信噪比的影响

载气流量的大小直接影响雾化器提升量、雾化效率、雾滴粒径、气溶胶在通道中的停留时间等。在射频功率1 100 W，样品提升量1.00 mL，等离子气流量10 L/min，辅助气流量0.80 L/min的条件下考察载气流量对仪器信噪比的影响，结果如图3所示。

图3　载气流量对仪器信噪比的影响

由图3可知，仪器信噪比随着载气流量的增加而增大，当载气流量为0.80 L/min时，信噪比最大，但是载气流量过大，就使得气溶胶在通道中的停留时间过短，电离效果不充分，同时进入雾化器气流量的增大，仪器噪声也会增大最终导致信噪比降低，因此选择载气流量0.80 L/min为宜。

2.2.4等离子气流量对仪器信噪比的影响

在射频功率1 100 W，样品提升量1.00 mL，载气流量0.80 L/min，辅助气流量0.80 L/min的条件下考察等离子气流量对仪器信噪比的影响，结果如图4所示。

图4　等离子气流量对仪器信噪比的影响

由图4可知，信噪比随着等离子气流量的增加而增大，等离子气流量在10 L/min时，信噪比相对较高，等离子气流量继续增大，信噪比不再增大，这是因为等离子气流量达到一定程度后，其影响效果从单向的变为双向的，增大等离子气流量可以增加样液的雾化效果，同时也会使仪器的噪声增大，因此等离子气流量选择10 L/min时最佳。

2.2.5辅助气气流量对仪器信噪比的影响

在射频功率1 100 W，样品提升量1.00 mL，载气流量0.80 L/min，等离子气流量10 L/min条件下考察辅助气气流量对仪器信噪比的影响，结果如图5所示。

图5　辅助气流量对仪器信噪比的影响

由图5可知，随着辅助气气流量的增大，仪器信噪比也随之增大，辅助气气流量在0.60 L/min～0.80 L/min时，仪器信噪比明显增加，并在0.80 L/min时达到最高点，继续增大辅助气气流量，信噪比增加趋向于平缓，因为随着辅助气气流量增大，仪器信号值在增大，但是仪器噪音增加更快，导致信噪比趋于平稳，甚至降低，因此确定辅助气气流量0.80 L/min。

综上所述，由单因素试验得到ICP最优仪器条件如下：射频功率1 100 W，样品提升量1.00 mL，载气流量0.80 L/min，等离子气流量10 L/min，辅助气流量0.80 L/min。经单因素试验发现，射频功率、样品提升量、载气流量是影响ICP仪器信噪比比较显著的3个因素，需要进一步采用响应面试验来最终确定ICP最优分析条件。

2.3Box-Behnken设计优化ICP仪器条件

2.3.1响应面法试验设计测定结果及方差分析

根据单因素分析结果，选取单因素试验中对信噪比影响比较显著的3个因素（射频功率、载气流量和样品提升量）进行响应面试验。设定射频功率，载气流量和样品提升量的编码值分别为A、B、C，以1、2、3分别表示各变量的不同水平，每个变量按照公式x=（xi-x0）/△x进行编码，其中x为编码值，xi为第i个变量值，x0为中间变量的变量值，△x为变量变化的步长。响应面试验变量及编码水平见表1，测定结果见表2。

表1　响应面试验变量及编码水平表

表2　响应面试验设计和测定结果（n=3）

采用Box-Behnken设计，利用软件Design-Expert8.0对表2试验数据进行多元回归拟合，回归模型方程式为，其中Y为响应值，A0为常数，Ai、Aii、Aij为模型相关系数，Xi、Xj为变量编码值。通过对软件方差程序试验测定结果的数据进行拟合得到二次回归模型方程为：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分别是射频功率、样品提升量和载气流量的编码值。响应面试验结果的回归分析见下页表3。

由方差分析结果可知，统计检验F值为124.70，也就是说显著性系数P＜0.000 1，表明该模型极其显著。同时，决定系数R2为0.995 6，说明仪器信噪比的试验值与模型回归值线性良好，拟合的曲线能够较为真实的反映各因素和响应值之间的关系。失拟项用来检测回归模型与实际值的拟合程度的好坏。如果失拟项显著，说明对响应值有影响的还有其他的因素，本试验中F值为10.77，也就是说显著性系数P=0.086 1＞0.05，失拟项不显著，表明该模型很理想，能够对ICP仪器条件优化的结果进行预测。从射频功率（A）、样品提升量（B）、载气流量（C）这3个因素来看，射频功率、样品提升量对响应值影响极为显著，载气流量对响应值影响显著，影响顺序依次为样品提升量＞射频功率＞载气流量。

2.3.2响应面结果的立体图和等高线图分析

将一个独立变量因素固定为零水平，得到另外两个因素交互作用对响应值的影响。以下几个图是响应面立体图和对应的等高线图，通过分析等高线形状可以判断交互作用对响应值的影响。

射频功率和载气流量对响应值的影响如图6所示。从图6可以看出，射频功率和载气流量交互作用对响应值影响并不显著。当样品提升量1.00 mL时，射频功率对响应值的影响较大，响应面立体图中曲线陡，变化较大，等高线趋向于椭圆形；载气流量交互作用要小一些，响应面立体图中曲线较为平滑。

表3　响应面试验结果的回归分析表

图6　射频功率和载气流量对响应值影响

样品提升量和载气流量对响应值的影响如下页图7所示。从图7可以看出，独立变量样品提升量（B）和载气流量（C）交互作用对响应值的影响显著，等高线呈椭圆形状。当射频功率1 100 W时，载气流量（C）对响应值的影响显著些，响应面立体图中曲线变化幅度较大，等高线呈椭圆形；样品提升量（B）影响要小一些，响应面立体图中曲线较为平滑。

射频功率和样品提升量对响应值的影响如下页图8所示。从图8可以看出，当载气流量0.80 L/min时，射频功率对信噪比影响较显著，立体图曲线变化幅度较大。从等高线图形状可以看出提升量和射频功率的交互作用并不显著。

图7　样品提升量和载气流量对响应值影响

图8　射频功率和样品提升量对响应值影响

2.3.3响应面模型的验证

根据拟合得到回归模型方程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，对A、B、C求偏导数并令一阶偏导数为零，整理得到下面3个式子：

由式（1）、（2）、（3） 联立方程组，解得A=0.170，B=0.733，C=－0.031，分别带入编码公式x=（xi-x0）/△x得到ICP仪器最优分析条件：射频功率1 109 W，载气流量0.80 L/min，样品提升量1.07 mL，此条件下信噪比预测值为505.86。考虑到仪器实际情况和化学工作站数据设置要求，将最优仪器分析条件修正为射频功率1 100 W，载气流量0.80 L/min，样品提升量1.10 mL。通过试验对修正后最优仪器条件进行验证，在这个条件下对样品进行重复试验3次，测定信噪比分别为501.29、508.17、494.41，平均值为501.29，跟方程预测值进行比较结果如表4所示。

表4　结果的验证

实际测定值仅比理论预测值相差0.94%，说明该模型方程可以很好的反映实际试验结果。

3　结论

本文以硼砂测定的ICP仪器条件为研究对象，通过单因素试验初步筛选了ICP仪器测定条件，然后采用Box-Behnken试验设计来进一步验证各个仪器条件的交互作用，并优化和确定了硼砂测定的ICP仪器条件。

由单因素试验初步考察可知，射频功率、样品提升量、载气流量、等离子气流量、辅助气流量5个因素中，ICP仪器信噪比影响较为明显的是射频功率、样品提升量和载气流量。通过Box-Behnken设计，从射频功率、样品提升量、载气流量这3个因素来看，射频功率、样品提升量对响应值影响极为显著，载气流量影响显著，影响顺序依次为：样品提升量＞射频功率＞载气流量。

采用试验设计软件 Design-Expert8.0对 ICP仪器条件进行优化研究，考察了因素之间的交互作用，根据实际情况最终确定了硼砂测定的ICP仪器最优条件：射频功率1 100 W，样品提升量1.10 mL，载气流量 0.80 L/min，等离子气流量10 L/min，辅助气流量0.80 L/min。经验证，响应面设计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

*黄子伟，男，1980年出生，毕业于中国农业大学食品科学与营养工程学院，硕士，高级工程师。
**邹斌享，通讯作者，E-mail：785518841@qq.com.