正交设计试验法在分离分析中的应用概述

卢桂英+何建国

摘 要 本文概述了正交设计试验法的基本原理及基本步骤，结合近年来正交设计试验法在光谱分析、色谱分析以及其他分离分析中的应用，表明正交设计试验法是一种高效的试验设计方法，它能够在比较短的时间，花费很少的条件，得到最佳的试验结果，在分离分析中值得广泛推广。

关键词 正交设计试验法；正交表；极差分析法；方差分析法

中图分类号 X8 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）05-0029-02

正交试验设计是利用正交表科学地安排与分析多因素试验的方法，是最常用的试验设计方法之一，它能够较全面地反映试验因素的影响情况，在实践中获得广泛的应用。50年代开始国外化学分析家将该方法推广应用到化学及化学分析方面[ 1 ]，改善了测试手段。

7 0年代中期，我国分析工作者将该法首次应用到光谱分析中[2]，进行了试验条件的优化，提高了分析效率和质量。目前，该方法越来越受广大分析工作者的喜爱[3]。

1 正交设计试验法的原理及基本步骤[4]

1.1 原理

正交设计试验是科学地设计多因素影响试验的一种方法，它要用一套规格化的正交表安排试验，得到的试验结果再用数理统计方法进行处理，使之得出科学的结论。

1.2 基本步骤

正交试验设计包括2个部分：试验设计和数据处理。

正交表的选择是正交试验的关键。在选表之前，必须明确试验目的，分析影响试验的各种因素，考虑每个因素的水平变化范围，在选定的范围内确定每个因素的水平数，同时水平数的安排应做到随机化，尽可能考虑偶然因素引起的误差，然后将考虑后确定的各因素和各水平填入正交表中安排试验。试验完成后对试验结果进行统计分析（极差分析法或方差分析法），以便得到最优条件。

通过结果分析，可以明确对试验过程有显著影响的各因素，从而指导我们在试验中严格控制这些因素的条件，准确操作，以确保测定值的准确性。对影响不显著的因素，试验条件可以放宽松些。对于影响不大的因素，甚至可以舍弃。

2 正交设计试验法在光谱中的应用

Yingming Pan[5]等利用L9（34）正交试验设计表从萃取溶剂，温度，pH值和萃取时间四个因素各取三个水平利用正交实验设计L9（34）从木犀属植物中提取一种新的天然红色色素，在优化条件下萃取率达到34.6+/-2.2G/100G。

Yadollah Yamini等利用等电子发射光谱法测定，从压力、温度、氰化物的含量，動态和静态萃取时间五个因素，各取5个水平下优化出的从青岩石中超临界萃取出的铂和铼的含量，结果表明正交实验设计是一种实用的从固体岩石中优化超临界萃取条件的实验方法。

Daishe Wu等催化分光光度法测定通过热分解的煤中碘的含量，对影响碘提取的煤的用量，氧气流速，分解温度，热分解时间和氢氧化钠的浓度5个因素各取4个水平利用正交实验设计共实验了16个实验，从而优化出最佳的提取条件下，提取效率达到0.29mg/g，得到的方法能够广泛应用于常规煤中碘的检测。

Guanghua Zhu等[6]采用6因素5水平正交实验设计，利用SSRTP方法测定药物制剂中甲氧萘丙酸的含量，分别考虑了pH值、干燥温度、干燥时间、样品与固体酶作用时间和固体酶干燥后的暴光时间，结论表面pH值和样品与固体酶作用时间是最主要的影响因素，该优化条件大大提高了检测的灵敏度，可以很好地应用于药品制剂中甲氧萘丙酸的含量。

Fakhr Eldin O等测定酸性介质中，利用青霉胺与三铁离子作用，通过连续光谱法测定药品中青霉胺的含量。本论文利用五水平的正交实验优化青霉胺的提取效率，最终得到的优化条件能广泛地应用于药品制剂中青霉胺的含量测定。

3 正交设计试验在色谱中的应用

Jianlin Chen等[7]探讨从红树林中分离的一种菌株生物降解聚合多环芳烃的条件，采用五因素水水平正交实验设计L16（45），从而优化出最佳的降解条件。

Yang Bai-Juan等固相萃取结合气质联用测定水中烷基苯酚的含量，从硅烷化试剂、硅烷化时间、酸度、盐浓度和洗提液几个影响固相萃取效率的因素着手，优化出最好的固相萃取条件，从而用于水中烷基化试剂的监测。

Hamid Reza Sobhi等[8]利用高效液相作为检测手段，从影响固相微萃取的5个因素（温度，旋转速度，溶剂用量，离子强度和萃取时间）各取4个水平着手，凝固悬浮液滴法萃取油溶性维生素，该实验设计方法在低成本和低的有机溶剂耗费的条件下能够快速，准确找到最优的提取维生素的条件，并能用于从实物中快速提取维生素。

Chunhe Yu等用HPLC测定环境样品中溴化阻燃剂，结合搅拌子吸附萃取和超声提取。对样品中各种溴化物的提取因素：萃取时间、解吸时间、解吸溶剂、甲醇含量、氯化钠含量五因素各取四水平的正交实验，实验结果表明在优化的萃取条件下，各目标物质均达到较好的提取。

4 正交设计试验在其他方面的应用

Ensieh Ghasemi等[ 9 ]比较分析应用汽油和超临界流体萃取蒿属植物中有效成分的萃取，超临界流体萃取中，对萃取压力、温度、萃取时间、萃取添加剂用量四因素各取三水平进行了9次实验，优化条件下蒿属植物中各成分提取比较完全，实验同时证明利用超临界流体萃取远优于常规的萃取方法。

Wenqiang Guan等[10]比较了超临界流体萃取与3种传统的萃取方法从植物苞芽中提取香精油的萃取率比较，用三因素三水平的正交实验对影响萃取效率的温度，压力和颗粒大小进行考察，结果表明温度是影响萃取效率的最主要因素，颗粒大小的影响最小，并得到当压力为10MPa，温度为50℃植物苞芽中丁香油酚的萃取率最高。

Wang Z等合成8-偏苯三酚鍵合硅胶及其应用，并通过流动注射-电感耦合等离子质谱检测其在海水中追踪金属离子的能力。采用四因素三水平的正交实验设计表对8-偏苯三酚键合硅胶的合成表件进行优化，综合考虑了多聚甲醛的用量及与8-偏苯三酚的比例以及键合时间，键合温度。研制了一步扭曼反应合成8-偏苯三酚键合硅胶，合成的8-偏苯三酚键合硅胶能够更方便有效的检测海水中重金属离子含量。

Ching-Te Huang等[ 1 1 ]通过正交实验设计优化顶空固相微萃取法（HS-SPME）萃取乙醇和醚类物质。HSSPME结合气相色谱和火焰离子检测器可用于样品中乙醇和醚类物质的检测，萃取温度，萃取时间，盐浓度以及样品的体积通过正交实验设计进行优化，优化的方法可用于尿样和血液中乙醇和醚的检测，检出限非常低。试验表明正交试验设计一种高效的试验设计方法，它能够在比较短的时间内，花费很少的条件下得到最佳的试验结果。

参考文献

[1]Hogg R V，Craig A T.Introduction to Mathematical Statistics[M].Macmillan，New York，1959.

[2]邓勃.数理统计方法在分析测试中的应用[M].北京：北京工业出版社，1984.

[3]李云雁，胡传荣，等.试验设计与数据处理[M].北京：化学工业出版社，2005.

[4]方开泰，马长兴.正交与均匀试验设计[M].北京：科学出版社，2001.

[5]Yingming Pan，Zhiren Zhu.Characterisation and free radical scavenging activities of novel red pigment from Osmanthus fragrans seeds[J].Food Chemistry，2009，112（4）：909-913.

[6]Guanghua Zhu，Huangxian Ju Determination of naproxen with solid substrate room temperature phosphorimetry based on an orthogonal array design[J].Analytica Chimica Acta，2004，506（2）：177-181.

[7]Jianlin Chen，M.H. Wong. Multi-factors on biodegradation kinetics of polycyclic aromatic hydrocarbons （PAHs） by Sphingomonas sp. a bacterial strain isolated from mangrove sediment[J] Marine Pollution Bulletin，2008，57（6-12）：695-702.

[8]Hamid Reza Sobhi，Yadollah Yamini.Suitable conditions for liquid-phase microextraction using solidification of a floating drop for extraction of fat-soluble vitamins established using an orthogonal array experimental design[J].Journal of Chromatography A，2008（1196-1197）：28-32.

[9]Ensieh Ghasemi，Yadollah Yamini.Comparative analysis of the oil and supercritical CO2 extract of Artemisia sieberi[J].Journal of Food Engineering，2007，79（1）：306-311.

[10]Wenqiang Guan，Shufen Li.Comparison of essential oils of clove buds extracted with supercritical carbon dioxide and other three traditional extraction methods[J].Food Chemistry，2007，101（4）：1558-1564.

[11]Ching-Te Huang，Yang-Yao Su.O ptimization of the headspace solid-phase microextraction fordetermination of glycol ethers by orthogonal array designs[J].Chromatography A，2002（977）：9-16.