KDN-103A  HYP-308消化炉 上海纤检仪器有限公司
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优化凯氏定氮法的消解条件

[导读]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。

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 SurfaceMethod,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) ,KDN-103F定氮蒸馏装置(上海纤检仪器有限公司) 。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,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。

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 - ExpertV8 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. 50x2 + 29. 50x3+ 19. 00x1 x2 - 28. 50x2 x3 - 54. 04x22 ( 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 R2 = 0. 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,x2 x3的交互影响显著,而 x1 x2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。

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) 。

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。

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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 SurfaceMethod,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) ,KDN-103F定氮蒸馏装置(上海纤检仪器有限公司) 。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,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。

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 - ExpertV8 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. 50x2 + 29. 50x3+ 19. 00x1 x2 - 28. 50x2 x3 - 54. 04x22 ( 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 R2 = 0. 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,x2 x3的交互影响显著,而 x1 x2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。

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) 。

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。

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