实验设计在原子吸收中的应用

主讲人：wangxiaowei

 

wangxiaowei从事多年光谱分析工作，具有较深厚的理论和应用基础。精通UV-Vis、AAS(火焰+石墨炉)、AFS和ICP等仪器。

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前言

火焰原子吸收光谱法作为目前最常用的测定微量元素的仪器，在各个行业得到非常广泛的应用。但在使用过程中也存在着一些小问题，仪器经过维修或搬运等，仪器的默认条件已经完全满足测定要求，使测定结果发生偏离。为此，笔者对火焰原子吸收法中仪器的条件进行一系列优化，从分析线的选择，到空心阴极灯的灯电流，助燃比的设定等方面做了一一的探讨，使测定结果能满足实验要求。

目录

1.实验设计的原理

1.1一般原则

2.单因素轮换设计

2.1分析线

2.2光谱通带

2.3灯电流

2.4燃气流量

2.5燃烧器高度

3.正交设计

3.1正交设计的特点

3.2正交设计的优点

3.3用正交设计表安排试验的原则

3.4正交设计试验数据的分析方法

4.结论

 

    原子吸收法是一种在高温条件下的动态测量过程，因此，在实际分析工作中，由于实验条件的变动引起测定结果的波动是不可避免的，这是影响原子吸收光谱分析的准确度和精密度的主要因素。为了获得满意的的分析结果，必须对分析条件进行优化，并在整个校正过程中始终保持实验条件的稳定性和一致性。
在FAAS测定中，不同燃烧状态，其温度、氧化(还原)气氛是不同的，待测元素受干扰的情况也不一定相同。乙炔流量太低时，火焰热能不足，致使待测元素难以从难解离的化合物中解离出来，产生较大干扰；增大乙炔流量，火焰提供热能增加，容易使待测元素与干扰离子之间的化学键断裂，因而增大待测元素的吸光原子密度，选择合适的燃烧状态有助于降低干扰。而在不同燃烧器高度下，待测元素受干扰的情况也不同，随着燃烧器高度的提高，待测原子的密度由于扩散、电离、化合等作用而降低，故灵敏度下降；但由于随燃烧器高度的增加，各种粒子、基团、化合物被热能作用的路程、时间增长，生成难解离化合物的比率比低燃烧器高度时减少，因此干扰降低。到了某一高度(如12mm处)，这种化学干扰下降到可忽略程度。所以，选择合适测量条件有助于抑制干扰。
下图为原子吸收的仪器结构示意图

                                                    图1 结构图

本实验考察燃烧器高度、燃烧器位置、灯电流、光谱通带和燃气流量对实验的影响情况，寻找最佳测定条件，最大限度的消除干扰。在五因素四水平实验中，如果对每个因素的每个水平都互相搭配进行实验，需要做45=256次实验，做这么多次实验，既花费大量的人力、物力，还要用相当长的时间，显然是非常困难的。有时，由于时间太长，条件改变，还会使实验失效。
下图为
在不影响实验效果的前提下，尽可能的减少实验次数，正交设计就是解决这个问题的有效方法。本实验采用正交表安排实验，是一种较好的实验设计方法，有利于寻找最佳条件和消除干扰。

1.实验设计的原理
试验设计是进行试验获取试验资料的第一步。试验安排不合理，常常是事倍功半，甚至还会引出错误的结论。
1.1设计实验一般的原则
1.1.1 根据不同的试验目的选择对试验因素效应最敏感的参数作为试验指标（灯电流，燃助比等）
1.1.2 不能遗漏有显著影响的因素，特别是主要因素，有交互效应的因素要包含在试验内，无显著性影响的因素不要放在试验中。笔者建议见进行单因素轮换设计，然后再和实验数据看是否进行正交设计实验。
1.1.3 避免因素效应混杂，除要考察的因素外，其他因素固定在某一合适的水平，一般定在仪器公司给定的默认状态为中值，以一定数值为步长进行设计。
1.1.4 在可能条件下要安排重复试验，以便估计试验误差和因素之间的交互效应。笔者经验，火焰一般重复两次取平均值，石墨炉一般重复三次取平均值。
1.1.5 选择合适的数据处理方法，在此推荐一个正交设计软件，简单好用，尤其在计算方差的时候。

2.单因素轮换设计
首先采用单因素轮换试验法对实验条件进行一系列的优化。看各个试验因素的敏感程度，再结合实验数据，看两两因素之间是否有交互性，如果有，考虑是否需要进行正交设计。

2.1 分析线
在火焰原子吸收分析中，为了获得较高的灵敏度，稳定性，较宽的线性范围，综合考虑是否存在干扰及其干扰的大小，须选择合适的分析线。选择方法是参考波长表及相关文献报道，以及仪器公司给定的参考条件。扫描元素灯的发射光谱，确定可供选择的谱线。以图1中锰三线为例，有三个可供选择的谱线分别为279.5nm，279.8 nm，280.1 nm。也可通过吸喷适当浓度的标准溶液，观测吸收值的大小，稳定性及工作曲线的线性范围，综合进行考虑。吸喷标准溶液只适合于火焰法，尤其在进行Na和K的时，使用发设法尤其管用。
以笔者的经验，在灵敏度能满足要求时，应从稳定性来考虑选择吸收线。一般采用默认的最灵敏线做为分析线，特殊情况下选用次灵敏线。

一般下列集中情况下选择次灵敏线，除此之外都选择最灵敏线。
2.1.1灵敏度 高含量的元素，样品需要稀释多次时，会因为稀释等原因带来误差，这样，如果选用次灵敏线，可省去中间环节，减少误差。
2.1.2稳定性
当最灵敏线在测定过程中稳定性差时，可考虑采用次灵敏线。
2.1.3干扰
2.1.3.1光谱干扰 当最灵敏线附近存在光谱干扰，而次灵敏线无干扰或干扰较小时，采用次灵敏线。
2.1.3.2背景干扰
当用最灵敏线测定时，背景特大，而用扣背景方式扣除的不是很好的情况下，而次灵敏线的背景相对较小时，可考虑采用次灵敏线。
例如，Pb在217.0nm处火焰背景吸收较大，测定精密度较差。目前一般选择次灵敏线283.3nm作为吸收线，其测定效果要优于217.0nm。
2.1.4线性范围

当最灵敏线线性范围很窄时，此时在测定过程中需要不断的去稀释样品使测定结果在线性范围之内，而且多次稀释会带来误差。此时如果次灵敏线的线性范围宽，满足测定要求，可选择次灵敏线。

当然，有时也受光电倍增管响应灵敏区的限制，如Hg184.9nm在远紫外区，K766.5nm在近红外区，在选用过程中也要注意。

2.2光谱通带
光谱通带△λ是倒数线色散率D于狭缝宽S的乘积。选择光谱通带既要考虑谱线的纯度，又要照顾到光强度。
2.2.1光谱通带大
光谱通带大的优点：光谱通带大时，光强度大，信噪比高。
光谱通带大的缺点：容易产生光谱干扰。若有邻近的谱线也通过狭缝，将导致光谱干扰，灵敏度降低，标准曲线弯曲。
2.2.2光谱通带小
光谱通带小的缺点：光谱通带小时，光强度变弱，需要增加负高压，此时噪声增大，信噪比降低；读数不稳定，此时稳定性也变差。
光谱通带小的优点：有较好的谱线纯度，灵敏度高，标准曲线的线性也相对较好。
岛津AA-7000提供四种光谱带宽可调，0.2，0.7，1.3，2.0L四档，用户可根据自己的实际需求进行调节。
笔者以自己亲自做的谱图为例进行说明，以Zn空心阴极灯
         

              图4 0.2nm             


                            图5        0.7nm
               

                        图6 1.3nm
         

2.2.3光谱通带选择的原则
在保证只有分析线通过出射狭缝到达检测器的前提下，尽可能选用较宽的光谱通带，以获得较好的信噪比和稳定的读数。光谱带宽的大小，直接影响测定的灵敏度和标准曲线的线性范围。
对于谱线简单的元素，如Zn，宜用较宽的光谱通带，以得到较好的信噪比和分析准确度;对于多谱线且谱线靠得比较近的元素，如Mn，须用较窄的光谱带宽。只有这样，才能不仅提高分析灵敏度，标准曲线的线性也会有明显的改善。也就是说，元素灯的灵敏线和次灵敏线的间距小时，光谱通带可以小一些；反之，元素灯的灵敏线与次灵敏线之间的间距大时，光谱通带也可以相应大一些。
以2ppm的Zn标准溶液进行实验，结果见下表
   

表1    光谱带宽对测定结果的影响

光谱带宽 nm	测定值 1	测定值 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

结果表明：光谱带宽0.2nm时吸光度最高，所以选择0.2。

2.3灯电流
空心阴极灯的灯电流大小，直接影响分析的灵敏度和稳定性。
2.3.1 灯电流小
灯电流小的优点：灯电流小，空心阴极灯发射的谱线的多普勒变宽和自吸收效应减小，灯发射线半宽变窄，吸收灵敏度增高。
灯电流小的缺点：灯电流太小，空心阴极灯放电不稳定。当使用较低的灯电流时，为了保证必要的信号输出，则须增加负高压，这势必将引起噪声的增大，从而使信噪比降低；同时读数也不稳定，测定的精密度和稳定性变差。
2.3.2灯电流大

灯电流大的优点：灯电流大，阴极发射稳定，谱线强度高，达到必要的信号输出所需要的负高压较低，因此信噪比高，读数稳定性也高，相应的精密度和稳定性也好。
灯电流大的缺点：灯电流大，灯的使用寿命将降低，尤其是低熔点的元素灯。
2.3.3选择原则
对于微量元素分析，应在保证读数稳定的前提下尽量选用小一些的灯电流以获得足够高的灵敏度。对于高含量元素的分析，应在保证有足够灵敏度的前提下，尽量选用大一点的灯电流，以获得足够高的精密度。
从实验设计的角度来讲，采用单因素轮换试验法，通过测定吸光度随工作电流的变化曲线来选择适宜的灯电流。但要注意别超过空心阴极灯的最大灯电流，在使用范围内进行实验设计。
以Zn空心阴极灯为例进行说明：

    表2    灯电流对测定结果的影响

灯电流 mA	测定值 1	测定值 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

从实验结果看，选择6mA灯电流，这也印证了上面的关于灯电流增大，噪音和自吸收增大的情况。

2.4 燃气流量
火焰的温度和气氛直接影响原子化效率。为了获得较高的原子化效率，需要选择适宜的火焰条件，可以通过选择助燃比来实现。对火焰一般有如下要求：温度要高，能很好的蒸发样品，分解样品，并易使待测元素原子化；稳定性要好，要有小的背景，低的噪声，又能保证测定的重复性和灵敏度；安全可靠，当然这也是最重要而且最值得强调的问题。
根据火焰的温度和气氛，可分为贫燃火焰，化学计量火焰，发亮性火焰和富燃火焰四种。
2.4.1贫燃火焰
（照相）
火焰燃烧充分，火焰温度高，但燃烧不稳定，测定重现性差，高温区和原子化区很窄，不具有还原性。乙炔：空气≥1：6（燃助比），火焰处于贫燃状态。

一般测定高熔点的惰性元素，如Ag等宜用贫燃火焰。
2.4.2化学计量火焰
此种火焰层次清晰，噪声小，背景低，火焰稳定，稍有还原性，适宜热解离，其助燃比为1：4左右。在这种火焰状态下测定，具有较高的灵敏度和精密度。多数元素宜用化学计量火焰。
2.4.3发亮性火焰

靠近燃烧头处，有5～10mm黄色亮光的火焰，层次稍模糊，火焰温度较化学计量火焰低而还原性较强，燃助比小于1：4。用此火焰测定钙，铁等，可获得较好的灵敏度，而且干扰较少。
2.4.4富燃火焰
靠近燃烧头处，有大于10mm黄色亮光的火焰，层次模糊，火焰温度低，还原性强，电子密度较高，其燃助比小于1：3。火焰法测定Sn等元素须用此种火焰。
2.4.5选择原则

选择方法一般在固定一定助燃气流量和燃烧器高度的条件下，改变燃气流量，测定吸光度，绘制吸光度随燃助比的变化曲线，根据此曲线以获得最大而稳定的吸光度读数对应的燃助比为最佳。
固定助燃气流量15L/min，调节燃气流量

    表3    燃气流量对测定结果的影响

燃气流量L/min	测定值 1	测定值 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 燃烧器高度
2.5.1不同的被测元素需要不同的火焰类型。当火焰类型确定后，由于火焰不同区域具有不同的温度和不同的氧化性和还原性，因此，火焰不同区域的被测元素自由原子密度及干扰成分浓度也不同。

为了获得较高的灵敏度和避免干扰，应选择最佳燃烧器高度，即让光束从火焰中原子密度最大的区域通过。
2.5.2选择原则
通过单因素轮换设计实验，在固定燃助比的条件下，改变燃烧器的高度，测定吸光度随燃烧器高度的变化曲线，根据此曲线来确定最佳燃烧器高度。

                    表4  燃烧器高度对测定结果的影响

燃烧器高度	测定值 1	测定值 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

以上为火焰法单因素轮换设计优化的参数，将其他因素固定在某一水平，逐一研究某一因素的水平变化对试验指标的影响，当各因素之间不存在交互效应时，这种试验设计方法是可行的，最大优点是简单。缺点是不能考察因素之间的交互效应，得到的优化条件随其他因素的固定水平而改变，且得到的优化条件不一定是全局最优条件。此时采用单因素轮换设计就出现新的问题，因此此时获得的燃助比是在固定了一定助燃气流量和燃烧器高度的条件下得到的最佳燃助比。当助燃气流量和燃烧器高度改变时，由于燃气，助燃气，燃烧器高度之间存在交互影响，最佳的燃助比将会发生变化。此时正交设计凸显了它的优势。

3.正交设计
3.1正交设计的特性
3.1.1均衡分散性
对于任何两因素，各水平之间都相互搭配到了，而且相互之间只搭配一次，具有等重复次数的全面试验，试验点分布均衡，得到的信息基本上能反映全面情况。得到的优化条件即使不是最佳条件，也接近最佳条件。实验点分布均衡,称为均衡分散性。
3.1.2整齐可比性
各因素水平按照一定顺序有规律的变化，各因素水平出现次数相同，各因素对试验指标的影响基本上相同或相近，最大限度排除了其他因素对主因素的影响，突出了主因素效应。只要简单地直接
比较各因素水平的试验指标的平均值就可以对试验结果做出评价，无需复杂的计算。

均衡分散性和整齐可比性，在数学上称为正交性。基于正交性的试验设计方法，称为正交试验法。

3.2正交设计的优点

3.2.1实验工作量小
3因素3水平试验，全面试验要做27次实验，而正交试验只要做9次实验。单因素轮换法虽也是进行9次实验，但获得的信息不能反映全面情况。

3.2.2 能够考察各因素之间的交互效应。单因素轮换法不能考察因素之间的交互效应。

3.2.3 即使没有进行重复测定，可以利用正交表中没有安排因素的空列估计试验误差。

3.2.4 由于实验点均衡分散，得到的信息能基本上反映全面情况。
常用的正交设计表示例

3.3用正交设计表安排试验的原则
3.3.1所用正交表要能容纳所研究的因素数和因素水平数，
在此前提下，尽量选用实验工作量小的正交表安排试验。

3.3.2
不得将主要因素安排在正交表的因素交互效应列中，以避免因素交互效应对主要因素效应的检验和判断。在安排试验时，通常可不考虑三因素之间的交互效应。

3.3.3 要安排适当数量的重复实验来计算试验误差。在未安排重复试验时，可用正交表中没有安排因素的空列来估计误差，但要注意，所研究因素之间存在交互效应，而正交表中又没有安排交互效应列，用正交表空列估计出的误差实际上是交互效应和试验误差之和，数值偏大，因此会妨碍和干扰对主因素效应的检出。

3.3.4 有时可将某些因素组合为复合因素，以减少因素数，从而可以选用试验次数较少的正交表安排试验以减少试验工作量。如可将燃气和助燃气比作为一个复合因素。

3.3.5 各因素水平组合要随机化，避免各因素最有利或最不利的水平集中在某一次实验中。

3.4正交设计试验数据的分析方法
3.4.1直观分析法，又称极差分析法。极差大小反映了因素影响的大小。计算因素各水平试验指标的总和与平均值，用平均值对因素水平画图。由图确定试验指标随因素水平的变化趋势。
3.4.2方差分析法。正交表将总变差平方和分解为各因素效应变差平方和与误差效应变差平方和，并固定在正交表的每一列上，安排因素的列的变差平方和，表征因素效应或其交互效应的大小，未安排因素的空列的
变差平方和用来估计试验误差。

正交设计试验结果分析

3 钙的最佳工作条件的选择

首先对钙的测量过程进行考察，采用五因素四水平正交表安排实验。五因素分别为：燃烧器高度、燃烧器位置、灯电流、光谱通带和燃气流量。用100mg/L的钙标准溶液进行测定，并用极差法分析。数据及分析结果见表3-1。

                  表5  钙的正交设计表

由上表可以得出：第11次实验为最佳条件。其燃气流量为1900mL/min,燃烧器高度为4.5mm，燃烧器位置为3.5mm，灯电流为2.5mA，光谱通带为1.0nm，测得其吸光度为0.355，用此条件为最佳条件。

3.1 用极差分析法对钙测量数值进行分析

由表3-1计算极差得出结论：灯电流的极差最小，为0.034，所以灯电流对测定的影响最小。燃烧器位置的极差最大，为0.262，所以燃气位置对测定的影响最大。

4.结论
综合以上，在火焰分析测定样品的过程中，仪器条件是非常重要的，只有完全优化好了仪器条件后，才能保证测定数据的准确。在测定过程中，最好带一个有值的标准物质，只要有值的标准物质测定值在数据范围之内，才能保证测定样品的准确性。