實驗設計在原子吸收中的應用

主講人：wangxiaowei

 

wangxiaowei從事多年光譜分析工作，具有較深厚的理論和應用基礎。精通UV-Vis、AAS(火焰+石墨爐)、AFS和ICP等儀器。

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前言

火焰原子吸收光譜法作為目前最常用的測定微量元素的儀器，在各個行業得到非常廣泛的應用。但在使用過程中也存在著一些小問題，儀器經過維修或搬運等，儀器的默認條件已經完全滿足測定要求，使測定結果發生偏離。為此，筆者對火焰原子吸收法中儀器的條件進行一系列優化，從分析線的選擇，到空心陰極燈的燈電流，助燃比的設定等方面做了一一的探討，使測定結果能滿足實驗要求。

目錄

1.實驗設計的原理

1.1一般原則

2.單因素輪換設計

2.1分析線

2.2光譜通帶

2.3燈電流

2.4燃氣流量

2.5燃燒器高度

3.正交設計

3.1正交設計的特點

3.2正交設計的優點

3.3用正交設計表安排試驗的原則

3.4正交設計試驗數據的分析方法

4.結論

 

    原子吸收法是一種在高溫條件下的動態測量過程，因此，在實際分析工作中，由于實驗條件的變動引起測定結果的波動是不可避免的，這是影響原子吸收光譜分析的準確度和精密度的主要因素。為了獲得滿意的的分析結果，必須對分析條件進行優化，并在整個校正過程中始終保持實驗條件的穩定性和一致性。
在FAAS測定中，不同燃燒狀態，其溫度、氧化(還原)氣氛是不同的，待測元素受干擾的情況也不一定相同。乙炔流量太低時，火焰熱能不足，致使待測元素難以從難解離的化合物中解離出來，產生較大干擾；增大乙炔流量，火焰提供熱能增加，容易使待測元素與干擾離子之間的化學鍵斷裂，因而增大待測元素的吸光原子密度，選擇合適的燃燒狀態有助于降低干擾。而在不同燃燒器高度下，待測元素受干擾的情況也不同，隨著燃燒器高度的提高，待測原子的密度由于擴散、電離、化合等作用而降低，故靈敏度下降；但由于隨燃燒器高度的增加，各種粒子、基團、化合物被熱能作用的路程、時間增長，生成難解離化合物的比率比低燃燒器高度時減少，因此干擾降低。到了某一高度(如12mm處)，這種化學干擾下降到可忽略程度。所以，選擇合適測量條件有助于抑制干擾。
下圖為原子吸收的儀器結構示意圖

                                                    圖1 結構圖

本實驗考察燃燒器高度、燃燒器位置、燈電流、光譜通帶和燃氣流量對實驗的影響情況，尋找最佳測定條件，最大限度的消除干擾。在五因素四水平實驗中，如果對每個因素的每個水平都互相搭配進行實驗，需要做45=256次實驗，做這么多次實驗，既花費大量的人力、物力，還要用相當長的時間，顯然是非常困難的。有時，由于時間太長，條件改變，還會使實驗失效。
下圖為
在不影響實驗效果的前提下，盡可能的減少實驗次數，正交設計就是解決這個問題的有效方法。本實驗采用正交表安排實驗，是一種較好的實驗設計方法，有利于尋找最佳條件和消除干擾。

1.實驗設計的原理
試驗設計是進行試驗獲取試驗資料的第一步。試驗安排不合理，常常是事倍功半，甚至還會引出錯誤的結論。
1.1設計實驗一般的原則
1.1.1 根據不同的試驗目的選擇對試驗因素效應最敏感的參數作為試驗指標（燈電流，燃助比等）
1.1.2 不能遺漏有顯著影響的因素，特別是主要因素，有交互效應的因素要包含在試驗內，無顯著性影響的因素不要放在試驗中。筆者建議見進行單因素輪換設計，然后再和實驗數據看是否進行正交設計實驗。
1.1.3 避免因素效應混雜，除要考察的因素外，其他因素固定在某一合適的水平，一般定在儀器公司給定的默認狀態為中值，以一定數值為步長進行設計。
1.1.4 在可能條件下要安排重復試驗，以便估計試驗誤差和因素之間的交互效應。筆者經驗，火焰一般重復兩次取平均值，石墨爐一般重復三次取平均值。
1.1.5 選擇合適的數據處理方法，在此推薦一個正交設計軟件，簡單好用，尤其在計算方差的時候。

2.單因素輪換設計
首先采用單因素輪換試驗法對實驗條件進行一系列的優化。看各個試驗因素的敏感程度，再結合實驗數據，看兩兩因素之間是否有交互性，如果有，考慮是否需要進行正交設計。

2.1 分析線
在火焰原子吸收分析中，為了獲得較高的靈敏度，穩定性，較寬的線性范圍，綜合考慮是否存在干擾及其干擾的大小，須選擇合適的分析線。選擇方法是參考波長表及相關文獻報道，以及儀器公司給定的參考條件。掃描元素燈的發射光譜，確定可供選擇的譜線。以圖1中錳三線為例，有三個可供選擇的譜線分別為279.5nm，279.8 nm，280.1 nm。也可通過吸噴適當濃度的標準溶液，觀測吸收值的大小，穩定性及工作曲線的線性范圍，綜合進行考慮。吸噴標準溶液只適合于火焰法，尤其在進行Na和K的時，使用發設法尤其管用。
以筆者的經驗，在靈敏度能滿足要求時，應從穩定性來考慮選擇吸收線。一般采用默認的最靈敏線做為分析線，特殊情況下選用次靈敏線。

一般下列集中情況下選擇次靈敏線，除此之外都選擇最靈敏線。
2.1.1靈敏度 高含量的元素，樣品需要稀釋多次時，會因為稀釋等原因帶來誤差，這樣，如果選用次靈敏線，可省去中間環節，減少誤差。
2.1.2穩定性
當最靈敏線在測定過程中穩定性差時，可考慮采用次靈敏線。
2.1.3干擾
2.1.3.1光譜干擾 當最靈敏線附近存在光譜干擾，而次靈敏線無干擾或干擾較小時，采用次靈敏線。
2.1.3.2背景干擾
當用最靈敏線測定時，背景特大，而用扣背景方式扣除的不是很好的情況下，而次靈敏線的背景相對較小時，可考慮采用次靈敏線。
例如，Pb在217.0nm處火焰背景吸收較大，測定精密度較差。目前一般選擇次靈敏線283.3nm作為吸收線，其測定效果要優于217.0nm。
2.1.4線性范圍

當最靈敏線線性范圍很窄時，此時在測定過程中需要不斷的去稀釋樣品使測定結果在線性范圍之內，而且多次稀釋會帶來誤差。此時如果次靈敏線的線性范圍寬，滿足測定要求，可選擇次靈敏線。

當然，有時也受光電倍增管響應靈敏區的限制，如Hg184.9nm在遠紫外區，K766.5nm在近紅外區，在選用過程中也要注意。

2.2光譜通帶
光譜通帶△λ是倒數線色散率D于狹縫寬S的乘積。選擇光譜通帶既要考慮譜線的純度，又要照顧到光強度。
2.2.1光譜通帶大
光譜通帶大的優點：光譜通帶大時，光強度大，信噪比高。
光譜通帶大的缺點：容易產生光譜干擾。若有鄰近的譜線也通過狹縫，將導致光譜干擾，靈敏度降低，標準曲線彎曲。
2.2.2光譜通帶小
光譜通帶小的缺點：光譜通帶小時，光強度變弱，需要增加負高壓，此時噪聲增大，信噪比降低；讀數不穩定，此時穩定性也變差。
光譜通帶小的優點：有較好的譜線純度，靈敏度高，標準曲線的線性也相對較好。
島津AA-7000提供四種光譜帶寬可調，0.2，0.7，1.3，2.0L四檔，用戶可根據自己的實際需求進行調節。
筆者以自己親自做的譜圖為例進行說明，以Zn空心陰極燈
         

              圖4 0.2nm             


                            圖5        0.7nm
               

                        圖6 1.3nm
         

2.2.3光譜通帶選擇的原則
在保證只有分析線通過出射狹縫到達檢測器的前提下，盡可能選用較寬的光譜通帶，以獲得較好的信噪比和穩定的讀數。光譜帶寬的大小，直接影響測定的靈敏度和標準曲線的線性范圍。
對于譜線簡單的元素，如Zn，宜用較寬的光譜通帶，以得到較好的信噪比和分析準確度;對于多譜線且譜線靠得比較近的元素，如Mn，須用較窄的光譜帶寬。只有這樣，才能不僅提高分析靈敏度，標準曲線的線性也會有明顯的改善。也就是說，元素燈的靈敏線和次靈敏線的間距小時，光譜通帶可以小一些；反之，元素燈的靈敏線與次靈敏線之間的間距大時，光譜通帶也可以相應大一些。
以2ppm的Zn標準溶液進行實驗，結果見下表
   

表1    光譜帶寬對測定結果的影響

光譜帶寬 nm	測定值 1	測定值 2	平均值
0.2	0.1086	0.1140	0.1113
0.7	0.0961	0.0973	0.0967
1.3	0.1016	0.1016	0.1016
2.0L	0.1041	0.1027	0.1034

結果表明：光譜帶寬0.2nm時吸光度最高，所以選擇0.2。

2.3燈電流
空心陰極燈的燈電流大小，直接影響分析的靈敏度和穩定性。
2.3.1 燈電流小
燈電流小的優點：燈電流小，空心陰極燈發射的譜線的多普勒變寬和自吸收效應減小，燈發射線半寬變窄，吸收靈敏度增高。
燈電流小的缺點：燈電流太小，空心陰極燈放電不穩定。當使用較低的燈電流時，為了保證必要的信號輸出，則須增加負高壓，這勢必將引起噪聲的增大，從而使信噪比降低；同時讀數也不穩定，測定的精密度和穩定性變差。
2.3.2燈電流大

燈電流大的優點：燈電流大，陰極發射穩定，譜線強度高，達到必要的信號輸出所需要的負高壓較低，因此信噪比高，讀數穩定性也高，相應的精密度和穩定性也好。
燈電流大的缺點：燈電流大，燈的使用壽命將降低，尤其是低熔點的元素燈。
2.3.3選擇原則
對于微量元素分析，應在保證讀數穩定的前提下盡量選用小一些的燈電流以獲得足夠高的靈敏度。對于高含量元素的分析，應在保證有足夠靈敏度的前提下，盡量選用大一點的燈電流，以獲得足夠高的精密度。
從實驗設計的角度來講，采用單因素輪換試驗法，通過測定吸光度隨工作電流的變化曲線來選擇適宜的燈電流。但要注意別超過空心陰極燈的最大燈電流，在使用范圍內進行實驗設計。
以Zn空心陰極燈為例進行說明：

    表2    燈電流對測定結果的影響

燈電流 mA	測定值 1	測定值 2	平均值
6	0.1189	0.1193	0.1191
7	0.1143	0.1179	0.1161
8	0.1079	0.1075	0.1077
9	0.1020	0.1029	0.1024
10	0.0983	0.0986	0.0984

從實驗結果看，選擇6mA燈電流，這也印證了上面的關于燈電流增大，噪音和自吸收增大的情況。

2.4 燃氣流量
火焰的溫度和氣氛直接影響原子化效率。為了獲得較高的原子化效率，需要選擇適宜的火焰條件，可以通過選擇助燃比來實現。對火焰一般有如下要求：溫度要高，能很好的蒸發樣品，分解樣品，并易使待測元素原子化；穩定性要好，要有小的背景，低的噪聲，又能保證測定的重復性和靈敏度；安全可靠，當然這也是最重要而且最值得強調的問題。
根據火焰的溫度和氣氛，可分為貧燃火焰，化學計量火焰，發亮性火焰和富燃火焰四種。
2.4.1貧燃火焰
（照相）
火焰燃燒充分，火焰溫度高，但燃燒不穩定，測定重現性差，高溫區和原子化區很窄，不具有還原性。乙炔：空氣≥1：6（燃助比），火焰處于貧燃狀態。

一般測定高熔點的惰性元素，如Ag等宜用貧燃火焰。
2.4.2化學計量火焰
此種火焰層次清晰，噪聲小，背景低，火焰穩定，稍有還原性，適宜熱解離，其助燃比為1：4左右。在這種火焰狀態下測定，具有較高的靈敏度和精密度。多數元素宜用化學計量火焰。
2.4.3發亮性火焰

靠近燃燒頭處，有5～10mm黃色亮光的火焰，層次稍模糊，火焰溫度較化學計量火焰低而還原性較強，燃助比小于1：4。用此火焰測定鈣，鐵等，可獲得較好的靈敏度，而且干擾較少。
2.4.4富燃火焰
靠近燃燒頭處，有大于10mm黃色亮光的火焰，層次模糊，火焰溫度低，還原性強，電子密度較高，其燃助比小于1：3。火焰法測定Sn等元素須用此種火焰。
2.4.5選擇原則

選擇方法一般在固定一定助燃氣流量和燃燒器高度的條件下，改變燃氣流量，測定吸光度，繪制吸光度隨燃助比的變化曲線，根據此曲線以獲得最大而穩定的吸光度讀數對應的燃助比為最佳。
固定助燃氣流量15L/min，調節燃氣流量

    表3    燃氣流量對測定結果的影響

燃氣流量L/min	測定值 1	測定值 2	平均值
1.8	0.0966	0.0962	0.0964
1.9	0.0951	0.0956	0.0954
2.0	0.0960	0.0952	0.0956
2.1	0.0983	0.0978	0.0980
2.2	0.0966	0.0953	0.0960

2.5 燃燒器高度
2.5.1不同的被測元素需要不同的火焰類型。當火焰類型確定后，由于火焰不同區域具有不同的溫度和不同的氧化性和還原性，因此，火焰不同區域的被測元素自由原子密度及干擾成分濃度也不同。

為了獲得較高的靈敏度和避免干擾，應選擇最佳燃燒器高度，即讓光束從火焰中原子密度最大的區域通過。
2.5.2選擇原則
通過單因素輪換設計實驗，在固定燃助比的條件下，改變燃燒器的高度，測定吸光度隨燃燒器高度的變化曲線，根據此曲線來確定最佳燃燒器高度。

                    表4  燃燒器高度對測定結果的影響

燃燒器高度	測定值 1	測定值 2	平均值
5	0.1023	0.1028	0.1026
6	0.1012	0.1019	0.1016
7	0.0985	0.0976	0.0980
8	0.0947	0.0955	0.0951
9	0.0931	0.0920	0.0938

以上為火焰法單因素輪換設計優化的參數，將其他因素固定在某一水平，逐一研究某一因素的水平變化對試驗指標的影響，當各因素之間不存在交互效應時，這種試驗設計方法是可行的，最大優點是簡單。缺點是不能考察因素之間的交互效應，得到的優化條件隨其他因素的固定水平而改變，且得到的優化條件不一定是全局最優條件。此時采用單因素輪換設計就出現新的問題，因此此時獲得的燃助比是在固定了一定助燃氣流量和燃燒器高度的條件下得到的最佳燃助比。當助燃氣流量和燃燒器高度改變時，由于燃氣，助燃氣，燃燒器高度之間存在交互影響，最佳的燃助比將會發生變化。此時正交設計凸顯了它的優勢。

3.正交設計
3.1正交設計的特性
3.1.1均衡分散性
對于任何兩因素，各水平之間都相互搭配到了，而且相互之間只搭配一次，具有等重復次數的全面試驗，試驗點分布均衡，得到的信息基本上能反映全面情況。得到的優化條件即使不是最佳條件，也接近最佳條件。實驗點分布均衡,稱為均衡分散性。
3.1.2整齊可比性
各因素水平按照一定順序有規律的變化，各因素水平出現次數相同，各因素對試驗指標的影響基本上相同或相近，最大限度排除了其他因素對主因素的影響，突出了主因素效應。只要簡單地直接
比較各因素水平的試驗指標的平均值就可以對試驗結果做出評價，無需復雜的計算。

均衡分散性和整齊可比性，在數學上稱為正交性。基于正交性的試驗設計方法，稱為正交試驗法。

3.2正交設計的優點

3.2.1實驗工作量小
3因素3水平試驗，全面試驗要做27次實驗，而正交試驗只要做9次實驗。單因素輪換法雖也是進行9次實驗，但獲得的信息不能反映全面情況。

3.2.2 能夠考察各因素之間的交互效應。單因素輪換法不能考察因素之間的交互效應。

3.2.3 即使沒有進行重復測定，可以利用正交表中沒有安排因素的空列估計試驗誤差。

3.2.4 由于實驗點均衡分散，得到的信息能基本上反映全面情況。
常用的正交設計表示例

3.3用正交設計表安排試驗的原則
3.3.1所用正交表要能容納所研究的因素數和因素水平數，
在此前提下，盡量選用實驗工作量小的正交表安排試驗。

3.3.2
不得將主要因素安排在正交表的因素交互效應列中，以避免因素交互效應對主要因素效應的檢驗和判斷。在安排試驗時，通常可不考慮三因素之間的交互效應。

3.3.3 要安排適當數量的重復實驗來計算試驗誤差。在未安排重復試驗時，可用正交表中沒有安排因素的空列來估計誤差，但要注意，所研究因素之間存在交互效應，而正交表中又沒有安排交互效應列，用正交表空列估計出的誤差實際上是交互效應和試驗誤差之和，數值偏大，因此會妨礙和干擾對主因素效應的檢出。

3.3.4 有時可將某些因素組合為復合因素，以減少因素數，從而可以選用試驗次數較少的正交表安排試驗以減少試驗工作量。如可將燃氣和助燃氣比作為一個復合因素。

3.3.5 各因素水平組合要隨機化，避免各因素最有利或最不利的水平集中在某一次實驗中。

3.4正交設計試驗數據的分析方法
3.4.1直觀分析法，又稱極差分析法。極差大小反映了因素影響的大小。計算因素各水平試驗指標的總和與平均值，用平均值對因素水平畫圖。由圖確定試驗指標隨因素水平的變化趨勢。
3.4.2方差分析法。正交表將總變差平方和分解為各因素效應變差平方和與誤差效應變差平方和，并固定在正交表的每一列上，安排因素的列的變差平方和，表征因素效應或其交互效應的大小，未安排因素的空列的
變差平方和用來估計試驗誤差。

正交設計試驗結果分析

3 鈣的最佳工作條件的選擇

首先對鈣的測量過程進行考察，采用五因素四水平正交表安排實驗。五因素分別為：燃燒器高度、燃燒器位置、燈電流、光譜通帶和燃氣流量。用100mg/L的鈣標準溶液進行測定，并用極差法分析。數據及分析結果見表3-1。

                  表5  鈣的正交設計表

由上表可以得出：第11次實驗為最佳條件。其燃氣流量為1900mL/min,燃燒器高度為4.5mm，燃燒器位置為3.5mm，燈電流為2.5mA，光譜通帶為1.0nm，測得其吸光度為0.355，用此條件為最佳條件。

3.1 用極差分析法對鈣測量數值進行分析

由表3-1計算極差得出結論：燈電流的極差最小，為0.034，所以燈電流對測定的影響最小。燃燒器位置的極差最大，為0.262，所以燃氣位置對測定的影響最大。

4.結論
綜合以上，在火焰分析測定樣品的過程中，儀器條件是非常重要的，只有完全優化好了儀器條件后，才能保證測定數據的準確。在測定過程中，最好帶一個有值的標準物質，只要有值的標準物質測定值在數據范圍之內，才能保證測定樣品的準確性。