应用响应曲面法优化凯氏定氮法的消解条件_杨娜.pdf

2014 年 1 月 January 2014 岩矿测试 ROCK AND MINERAL ANALYSIS Vol． 33，No． 1 40 ～43 收稿日期 2013 －06 －19; 接受日期 2013 －09 －10 作者简介 杨娜， 硕士， 无机化学专业。E- mail ceceliayang hotmail． com。 文章编号 0254 －5357 2014 01 －0040 －04 应用响应曲面法优化凯氏定氮法的消解条件 杨娜，董迈青，谢海东，邢谦 青海省地质矿产测试应用中心，青海 西宁 810008 摘要 经典凯氏定氮法是通过观察消解反应现象来控制温度和时间， 对于数量较多的样品同时消解会耗费 大量的人力及时间， 因此需要采用合理的试验设计方法确定最佳消解温度和时间， 以实现批量消解样品， 提 高分析效率。本文利用响应曲面法对凯氏定氮法中的消解条件进行了优化分析， 选择料液比、 消解温度和消 解时间作为优化因素， 研究三因素的不同水平对氮含量测定的影响。通过响应曲面分析得到最优的消解条 件为 料液比 g/mL 0． 3 ∶ 5， 消解温度260℃， 消解时间60 min。重复实验结果表明， 样品在优化的条件下 能够很好地消解， 重现性较好; 标准物质的氮含量的实验测定值 1310 10 －6 与标准值 1300 10－6 基本 一致， 两者的对数误差绝对值为 0． 003， 方法的准确性高。应用响应曲面试验设计方法， 对于评价凯氏定氮 法中三个消解条件对氮含量的非线性影响起到了很好的优选作用， 能更好地预测实验因素对分析结果的影 响趋势， 可以准确控制消解温度和消解时间， 对于提高分析效率具有实用意义。 关键词 响应曲面法; 凯氏定氮法; 消解条件优化 中图分类号 O655． 23文献标识码 A 氮是土壤多目标地球化学调查中规定定量分析 的54 种指标中的必测元素。多目标地球化学调查样 品分析的显著特点是样品数量多， 而传统的测定地质 样品中全氮的含量是采用经典的凯氏定氮法 ［ 1 －2 ］ ， 凯 氏定氮法是测定化合物或混合物中总氮量的一种方 法。目前， 普遍采用凯氏定氮法对土壤、 食品、 农产 品、 饲料以及一些物质进行蛋白质含量的测定。 运用经典的凯氏定氮法测定样品中氮含量时， 需要通过观察来确定消解是否完全， 没有确定的消 解温度和时间， 需要分析人员观察反应现象来判断， 耗费人力、 时间， 对于大批量样品的测定存在一定的 困难。因此有必要对凯氏定氮法的消解条件进行优 化， 包括确定最佳消解温度和时间， 便于批量消解， 提高分析效率。本文通过选择料液比、 温度和时间 作为优化因素， 采用响应曲面法 Response Surface ， RSM 研究各因素的不同水平对氮的含量的 影响。响应曲面法不同于正交设计的线性模型， 是 一种多元分析方法， 采用该方法可以建立连续变量 曲面模型， 是一种实验设计的最优化方法 ［3 ］。所谓 响应曲面法即是将系统的响应作为一个或多个因子 的函数， 运用图形技术将这种函数关系显示出来， 根据直觉的观察来选择实验设计中的最优条件， 在 工艺优化、 产品性质研究等方面已有广泛的应 用 ［4 －9 ］， 可为试验设计提供科学的理论基础。本文 将响应曲面分析的方法应用于优化凯氏定氮法消解 条件研究， 以利于通过控制各因素， 实现氮含量的快 速准确测定。 1实验部分 1． 1仪器与主要试剂 多孔温控电热板 湖北地质试验研究所 ， 六联 定氮蒸馏装置 中国科学院南京土壤研究所 。 浓硫酸、 氢氧化钠溶液 400 g/L 、 硼酸溶液 200 g/L 、 混合加速剂 硫酸钾 硫酸铜 硒， 质 量比100 ∶ 10 ∶ 1 、 盐酸标准溶液 0． 005 mol/L 、 甲 基红 － 溴甲酚绿指示剂等。所用试剂均为分析纯， 实验用水为无氨水。 1． 2实验样品 本实验所用样品为土壤标准物质 GBW 07423， 氮标准值 w N /10 －6的不确定度为 1300 100。 1． 3实验方法 称取 0． 1 ～0． 5 g 土壤样品于 50 mL 比色管中， 04 ChaoXing 在2 g 混合加速剂的共存下， 用 5 mL 浓硫酸煮解氧 化， 试样中的氮转化为硫酸铵， 再加入 30 mL 氢氧化 钠溶液碱化后， 加热蒸馏逸出的氨， 经硼酸溶液吸收， 用盐酸标准溶液滴定并计算出试样中氨的含量 ［ 10 ］。 1． 4响应曲面优化试验设计 根据响应曲面法的设计原理， 设计了三因素三 水平的响应曲面分析试验， 共有 15 个试验点， 变量 为称样量与加入硫酸体积之比 料液比， g/mL 、 消 解温度和消解时间， 符号分别表示为 x1、 x2和 x3 ， 响 应值为氮的含量 w N /10 －6， 符号表示为 y， 期望获 得土壤标准物质 GBW 07423 的 w N /10 －6标准值 时各因素的值。 采用 Box － Behnken Design BBD 建立 RSM 设 计， BBD 实验设计是用来评价指标和因素之间的非 线性关系的一种实验方法， 实验组合数较少， 常用于 需要对因素的非线性影响进行研究的试验中。试验 因素和水平的选值见表 1。 表 1 BBD 实验设计的因素水平 Table 1Factors and levels in BBD design 因素符号 水平 －101 平均值 珋 x 标准差 Δ 料液比/ gmL －1 x10． 1 ∶ 5 0．3 ∶ 5 0．5 ∶ 50．30．2 消解温度/℃x2230265 30026535 消解时间/minx33060 906030 2结果与讨论 2． 1响应曲面实验设计结果 以 w N /10 －6为响应值 y， 根据 Design － Expert V8 软件， 共设置 15 个试验点， 其中 12 个点为析因 点， 3 个点为零点， 零点试验进行 3 次， 以估计误差。 采用 BBD 建立 RSM 设计， 选择二次多项式逐步回 归方法 ［11 ］， BBD 设计及结果见表 2。 2． 2模型建立与显著性检验 通过对料液比、 消解温度、 消解时间三因素进行 试验优化设计， 对试验数据进行多项式回归， 得二次 多项式方程 y 1321． 29 － 61． 25x1 83． 50 x2 29． 50 x3 19． 00 x1x2－28． 50 x2x3－54． 04x2 2 1 响应曲面分析中对试验结果进行拟合的二次模 型方差分析见表 3。由表 3 的方差分析结果可见， 模型的确定系数 R20． 9758， 说明该模型极显著 P ＜0． 0001 ， 与实际情况拟合得很好， 因此该模型可 用来进行响应值的预测， 试验设计方案正确。各因 素的线性效应皆显著， x2x3的交互影响显著， 而 x1x2 的交互影响不显著。并且由式 1 计算获得的模型 计算值与实验测定值进行比较， 结果如图 1 所示， 计 算值与实测值之间的差异较小。 表 2BBD 设计及氮含量的实验值和计算值 Table 2BBD matrix，experimental values and calculated values of nitrogen content 试验 编号 x1x2x3 y 实验值计算值 1－11014151393 201－113411350 300013291321 400013171321 510112901290 6－1－1012861264 70－1－111171126 800013291321 90－1112351242 101－1010971104 1101113451352 1210－112531231 1311013021309 14－10114041412 15－10－113271353 表 3 BBD 设计的方差分析结果 Table 3Results of variance analysis from stepwise quadratic regression model using BBD design 方差来源平方和自由度均方F 值P 值 模型10834661805853． 87＜0．0001 x13001213001289． 54＜0．0001 x255778155778166．4＜0．0001 x369621696220．770．0019 x1x21444114444． 3080．0716 x2x33249132499． 6930．0144 x2 2 1090111090132． 520． 0005 残差26818335．2－－ 失拟项25856430．98． 9770．1036 纯误差96248－－ 总和11102714－－－ 2． 3最佳消解条件的计算 在料液比取0． 3 ∶ 5 g/mL 的情况下， 由多元回 归方程式所做的消解温度与消解时间交互影响氮的 含量的响应曲面图见图 2。对图 2 进行分析与评 价， 以确定最佳因素水平范围， 通过计算可得到最佳 因素水平 z。 根据式 1 ， 令 y 1300， 求解得 z1， z2， z3 0． 104， －0． 142， －0． 0502 。 14 第 1 期杨娜， 等 应用响应曲面法优化凯氏定氮法的消解条件第 33 卷 ChaoXing 换算为 实际值 x1， x2， x3 z1Δ1珋x1， z2Δ2珋x2， z3Δ3珋x3 0． 104 0． 2 0． 3， －0． 142 35 265， －0． 0502 30 60 0． 321， 260， 58． 5 平均值珋x 和标准差 Δ 值见表 1。 为了便于实际操作及计算简便， 将最优条件修 正为料液比为 0． 3 ∶ 5 g/mL ， 在 260℃ 下消解 60 min， 计算氮含量的理论值为 1308 10 －6， 而标准物 质 GBW 07423 氮含量的标准值为1300 10 －6， 理论 上可以很好地满足要求。 2． 4最佳消解条件的验证 将土壤标准物质 GBW 07423 在确定的优化条 件下进行 3 次验证实验， 测得氮含量的平均值为 1310 10 －6， 氮含量的标准值为1300 10－6， 测定值 图 1氮含量的实验值与计算值的比较 Fig． 1Calculated values vs． experimental values of nitrogen content 图 2消解温度与消解时间交互影响氮含量的响应曲面图 Fig． 2Response surface graph for reciprocal effect of digestion temperature and digestion time on nitrogen content 与标准值的对数误差绝对值为 0． 003， 结果说明该 模型能够较好地反映在该消解条件理论值与计算值 之间的关系， 实验获得的消解优化条件是可信的。 为了进一步检验响应曲面法所得结果的可靠 性， 对一些土壤标准物质在优化的消解条件下获得 的氮含量测定值与标准值进行比较， 对比结果见 表 4， 其对数误差绝对值均小于 0． 1， 更进一步证明 了在优化条件下进行消解得到的结果是可靠的， 方 法具有普遍的应用意义。 表 4验证试验的结果对比 Table 4Verification tests of the 土壤标准物质 编号 w N /10 －6 氮含量的标准值 与不确定度 氮含量的 实验值 对数误差 绝对值 GBW 07402630 596250． 004 GBW 07403640 506480． 006 GBW 074041000 629900． 004 GBW 07405610 316360． 018 GBW 07406740 597190． 013 GBW 07407660 626480． 008 GBW 07408370 543890． 022 GBW 074241260 11013080． 010 GBW 07425950 10010020． 016 GBW 07426550 605660． 023 GBW 07427720 907420． 012 GBW 07428810 1208720． 013 GBW 07429940 10010020． 032 GBW 074301020 11010490． 028 GBW 07446106970． 037 GBW 07447273 333180． 066 GBW 074481030 10910020． 012 3结语 本实验通过响应曲面试验设计方法， 考察了凯 氏定氮法中试样料液比、 消解温度和消解时间三因 素对氮含量测定的影响。二次方程的模型回归显 著， 且失拟性检验不显著， 说明通过本实验所建立的 二次回归方程可以反映所考察的三个因素与响应值 之间的非线性关系， 试验设计科学合理。由回归方 程所做的响应曲面图对凯氏定氮法进行分析与评 价， 从中确定了最佳因素水平范围， 通过计算得到的 最优条件是 物料比为 0． 3 ∶ 5 g/mL ， 在 260℃ 下 消解 60 min， 在此条件下得到氮的含量实验平均值 为 1310 10 －6， 实验值与标准值 1300 10－6 的对 数误差绝对值为 0． 003。将该条件应用于多目标地 球化学调查样品氮元素的分析， 可以准确控制消解 24 第 1 期 岩矿测试 http ∥www． ykcs． ac． cn 2014 年 ChaoXing 温度和消解时间， 提高分析效率， 并且测定结果稳定 可靠， 对于大批次的样品同时测定具有实用意义。 凯氏定氮法包括三个部分 消解反应、 蒸馏、 滴 定。本实验设计中的消解条件涉及料液比、 消解温 度和消解时间三个因素， 而仅仅对消解条件进行优 化， 实验结果并不能保证完全准确。在实际生产中， 消解条件中加入混合加速剂的用量 ［12 ］、 控制蒸馏过 程中蒸汽的流速和酸碱的污染、 滴定误差等实验条 件对于结果的准确性同样重要， 这些条件的优化选 择可在以后的工作中继续探索。 4参考文献 ［ 1］岩石矿物分析编委会． 岩石矿物分析 第四版 第四 分册 ［ M］ ． 北京 地质出版社， 2011 862 －864． ［ 2］LY/T 12281999， 森林土壤全氮的测定［ S］ ． ［ 3］许禄， 邵学广． 化学计量学方法 第二版 ［ M］ ． 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always been observed to control digestion conditions such as temperature and time in classical Kjeldahl for nitrogen analysis，but it is not suitable for a large number of samples which need a lot of manual labour and time． Therefore it is necessary to optimize digestion conditions for simultaneous digestion of a large number of samples in order to increase efficiency． In this experiment，response surface ology RSM was applied for the optimization of digestion conditions in the Kjeldahl for nitrogen analysis．In RSM analysis，solid/liquid ratio，digestion temperature and digestion time which affect the determination of nitrogen content were examined． Results show that the optimal parameters were determined as follows solid/liquid ratio of 0． 3 ∶ 5 g/mL ，digestion temperature of 260℃，and digestion time of 60 min． Under the optimized conditions，the calculated value 1310 10 －6 and certified value 1300 10－6 of nitrogen content are basically consistent with the absolute value of logarithmic error of 0． 003 giving it practical significance． The BBD experiment of digestion condition in Kjeldahl plays a very good role in optimizing the nonlinear effects of measuring nitrogen content，which can better predict the trend of the impact of experimental factors on the results． The research provided the scientific basis and theory guidance for optimization research of digestion conditions by correctly using RSM．It will speed up analysis and also save time by adjusting the digestion temperature and digestion time accurately． Key words response surface ology RSM ; Kjeldahl of nitrogen analysis; optimization of digestion condition 34 第 1 期杨娜， 等 应用响应曲面法优化凯氏定氮法的消解条件第 33 卷 ChaoXing