王 鵬, 門倩妮, 甘黎明, 楊 可
中國地質(zhì)調(diào)查局西安礦產(chǎn)資源調(diào)查中心, 陜西 西安 710100
金元素在國際儲(chǔ)備、 珠寶裝飾和工業(yè)科技等領(lǐng)域都占據(jù)著獨(dú)特地位, 具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性, 不易被遷移富集。 通常在巖石礦物和地球化學(xué)樣品中含量較低, 分布不均勻, 需要較大的樣品量及富集分離才能獲得準(zhǔn)確地?cái)?shù)據(jù)。 目前國內(nèi)外測試痕量金的方法主要由石墨爐原子吸收光譜法(GFAAS)[1]、 電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-OES)[2]、 電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)[3-4]。 其中石墨爐原子吸收法對于痕量金的測定具有進(jìn)樣量小、 檢出限低、 靈敏度高、 抗干擾強(qiáng)的特點(diǎn), 然而其儀器條件在實(shí)際應(yīng)用中配置合適有效的參數(shù)需要耗費(fèi)大量的時(shí)間精力, 因而快速準(zhǔn)確的確定儀器條件參數(shù)具有重要意義。
響應(yīng)曲面法通過數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)的方法尋找各參數(shù)水平最佳組合的回歸設(shè)計(jì)方法, 目的是獲得響應(yīng)值的最優(yōu)化條件參數(shù)[5-6]。 其中單因素試驗(yàn)作為最優(yōu)化條件的方法試驗(yàn), 并不參與優(yōu)化程序, 因而響應(yīng)曲面法(response surface methodology, RSM)模型適用于解決非線性數(shù)據(jù)處理問題。 通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸擬合和響應(yīng)曲面、 等高線的繪制, 可快速分析找出預(yù)測模型的最佳值和條件參數(shù), 具有降低開發(fā)成本、 連續(xù)分析和計(jì)算簡單的特點(diǎn)[7], 因而RSM模型集中應(yīng)用在可靠性分析計(jì)算、 優(yōu)化設(shè)計(jì)、 動(dòng)力學(xué)計(jì)算和工程控制等方面[8]。 近些年來在生態(tài)、 食品、 醫(yī)療和工程領(lǐng)域中尋找最優(yōu)化條件分析建模也廣泛展開, 文獻(xiàn)[9]基于溶劑參數(shù)(質(zhì)量、 酸化周期和自沉積時(shí)間), 結(jié)合RSM模型建模并優(yōu)化茶葉樣品中210Po活性; 文獻(xiàn)[10]利用RSM模型建立刀具表面粗糙度的數(shù)據(jù)模型, 使用方差分析研究回歸模型的有效性, 對擬合模型下的dry型、 FM型和MQL型參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化操作; 文獻(xiàn)[11]根據(jù)Box-Behnken方法進(jìn)行藏茶多糖提取率試驗(yàn), 研究液料比、 提取溫度、 提取時(shí)間對提取率的關(guān)系, 采用RSM模型和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測并優(yōu)化提取工藝參數(shù), 均在各自的研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。
RSM模型在石墨爐原子吸收法測定痕量金的方法中鮮有研究。 因此, 擬在RSM模型應(yīng)用于其他領(lǐng)域的研究基礎(chǔ)上, 以金元素的吸光度為響應(yīng)值, 優(yōu)化燈電流、 灰化溫度和原子化溫度等測定條件因素, 依托響應(yīng)曲面法設(shè)計(jì)Box-Behnken試驗(yàn), 建立二次多項(xiàng)式回歸方程的預(yù)測模型并進(jìn)行方差分析, 進(jìn)而得到測定痕量金的最佳條件參數(shù), 為痕量金的準(zhǔn)確測定提供科學(xué)依據(jù)。
原子吸收分光光度計(jì)(Z-2000, 日本日立公司), 配有石墨爐系統(tǒng)和火焰系統(tǒng)。
鹽酸(1.19 g·mL-1, 優(yōu)級純GR, 成都市科隆化學(xué)品有限公司); 硝酸(1.42 g·mL-1, 優(yōu)級純GR, 成都市科隆化學(xué)品有限公司); 三氯化鐵(分析純AR, 天津市大茂化學(xué)試劑廠); 硫脲(分析純AR, 天津市大茂化學(xué)試劑廠); 聚氨酯塑料泡沫(市售); 實(shí)驗(yàn)室用水為超純水(電阻率≥18.25 MΩ·cm)。
金標(biāo)準(zhǔn)溶液(GSB 04-1715—2004, 1 000 μg·mL-1, 國家有色金屬及電子材料分析測試中心); 國家一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW07243b, GBW07806a, GBW07244b, GBW07245b, GBW07246a, GBW07247a, 中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所)。
石墨爐原子吸收分光光度計(jì)采用自動(dòng)進(jìn)樣方式, 其工作條件和升溫程序參數(shù)見表1。
表1 Z-2000原子吸收分光光度計(jì)工作條件及升溫條件參數(shù)
稱取10.00 g金標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)于30 mL瓷坩堝中, 置于馬弗爐中升溫至680 ℃并保溫1 h, 冷卻后取出, 將樣品轉(zhuǎn)移至250 mL錐形瓶中, 加入50 mL王水(1∶1, 現(xiàn)用現(xiàn)配), 置于220 ℃電熱板上, 蓋上器皿保持微沸狀態(tài)40 min左右, 取下器皿, 繼續(xù)溶解至體積約10 mL, 取下錐形瓶并加入70 mL水和3 mL三氯化鐵溶液, 冷卻, 放入1 cm×1 cm×1 cm的聚氨酯泡沫塑料[12]。 放置振蕩器上振蕩30 min左右, 取出泡塑后用水洗凈殘?jiān)?將泡塑置于盛有10 mL硫脲解脫液(現(xiàn)用現(xiàn)配)的25 mL比色管中, 置于沸水狀態(tài)的水浴鍋中解脫28 min, 迅速擠干并取出泡塑, 自然冷卻靜置, 待測。
將濃度為100 ng·mL-1的金標(biāo)準(zhǔn)溶液稀釋至0.0, 1.0, 2.0, 5.0, 10.0, 20.0和50.0 ng·mL-1的標(biāo)準(zhǔn)工作液, 按照1.3節(jié)樣品的制備步驟處理, 待測。
在石墨爐原子吸收法測定痕量金的工作條件中, 燈電流是控制空心陰極燈發(fā)射光強(qiáng)度的重要參數(shù)。 燈電流過小會(huì)導(dǎo)致光源強(qiáng)度不夠, 燈電流過大會(huì)減少空心陰極燈的使用壽命, 因而在保證樣品準(zhǔn)確測試的前提下, 應(yīng)該選擇較小的燈電流。 試驗(yàn)中固定其他參數(shù)不變, 改變燈電流(4~10 mA), 測定金標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07246a的吸光度。 由試驗(yàn)結(jié)果可知, 隨著燈電流的提高, 測量元素的吸光度不斷增大; 當(dāng)燈電流達(dá)到7 mA以后, 吸光度趨于穩(wěn)定, 變化不再明顯。 考慮到空心陰極燈的使用壽命問題, 將燈電流的參數(shù)確定在6~8 mA之間。
在石墨爐原子吸收法測定痕量金的升溫程序參數(shù)中, 灰化是為了除去樣品溶液中的基體成分, 且使待測金元素不被揮發(fā)損失。 因而盡可能提高灰化溫度來降低背景值, 提高信噪比。 試驗(yàn)中固定其他參數(shù)不變, 改變灰化溫度(200~800 ℃), 測定金標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07246a的吸光度。 由試驗(yàn)結(jié)果可知, 當(dāng)灰化溫度低于400 ℃時(shí), 灰化不完全導(dǎo)致吸光度較低, 隨著灰化溫度的提高吸光度有明顯的提高; 當(dāng)灰化溫度高于400 ℃后, 金元素會(huì)被部分原子化而損失揮發(fā), 導(dǎo)致其吸光度隨著灰化溫度的提高反而明顯降低, 將灰化溫度的參數(shù)確定在300~500 ℃之間。
在石墨爐原子吸收法測定痕量金的升溫程序參數(shù)中, 原子化是為了使待測金元素由分子狀態(tài)轉(zhuǎn)化為原子狀態(tài), 測定其吸光度。 原子化溫度過低會(huì)使待測金元素不能被完全原子化, 影響吸光度的分析結(jié)果; 原子化溫度過高會(huì)影響原子化器和石墨管的壽命。 通常通過原子化圖來判斷原子化的溫度和時(shí)間設(shè)置, 試驗(yàn)中固定其他參數(shù)不變, 改變原子化溫度(2 100~2 500 ℃), 測定金標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07246a的吸光度。 由試驗(yàn)結(jié)果可知, 當(dāng)原子化溫度低于2 300 ℃時(shí), 原子化不徹底導(dǎo)致吸光度較低, 隨著原子化溫度的提高吸光度有明顯的提高; 當(dāng)溫度高于2 300 ℃后, 金元素的吸光度會(huì)趨于平穩(wěn), 變化不再明顯, 將原子化溫度的參數(shù)確定在2 200~2 400 ℃之間。
2.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果
為了優(yōu)化石墨爐原子吸收法分析痕量金測定條件, 根據(jù)Box-Behnken原理設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案[13], 對影響測定條件的三個(gè)主要因素進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)。 分別選擇燈電流、 灰化溫度和原子化溫度作為獨(dú)立變量, 吸光度作為響應(yīng)值, 采用三因素三水平響應(yīng)曲面法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì), 制作顯著水平表見表2。
其中共包含16個(gè)試驗(yàn)點(diǎn), 其中4個(gè)中心試驗(yàn)點(diǎn), 12個(gè)分析因子試驗(yàn), 試驗(yàn)結(jié)果見表3。
表2 Box-Behnken響應(yīng)曲面試驗(yàn)因素水平表
表3 Box-Behnken響應(yīng)曲面試驗(yàn)結(jié)果
2.2.2 預(yù)測模型及顯著性分析
針對表3中的數(shù)據(jù), 利用Design Expert12.0.3.0軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)展開多元回歸分析, 建立吸光度Abs與燈電流(A)、 灰化溫度(B)和原子化溫度(C)的多項(xiàng)式響應(yīng)面回歸方程的預(yù)測模型。
對上述所得預(yù)測模型進(jìn)行方差分析, 結(jié)果見表4。
表4 響應(yīng)曲面二次回歸方程模型方差分析結(jié)果
通過表4的分析結(jié)果可知, 二次回歸響應(yīng)面的F值是43.95,p<0.000 1, 表明該模型具有高度的顯著性; 失擬項(xiàng)p=0.497 1>0.05, 表明失擬不顯著; 模型的相關(guān)系數(shù)R2=0.985 1, 校正決定系數(shù)=0.962 6, 信噪比S/N=18.076 5>5, 表明該模型可以解釋超過95%的響應(yīng)值變化, 只有不足5%的變異不能用該模型解釋[14-15]。 因而該回歸方程預(yù)測模型的擬合度和可信度都較高, 試驗(yàn)誤差較小, 可以對原子吸收石墨爐法測定痕量金最佳測定條件參數(shù)進(jìn)行分析和預(yù)測。 從表4的響應(yīng)曲面二次回歸方程模型方差分析結(jié)果看到, A, B, C的p值均小0.05, 表明對吸光度具有顯著的影響, 而其二次項(xiàng)AB, AC和BC的p值均大于0.05, 表明各單因素之間對吸光度沒有顯著的影響。
圖1是吸光度的試驗(yàn)值和預(yù)測值的對比, 相關(guān)系數(shù)R2為0.984 8, 斜率為0.984 0, 接近于1, 說明該模型預(yù)測較準(zhǔn)確, 也說明基本上可以利用該模型代替試驗(yàn)的真實(shí)點(diǎn)對試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行全面分析。
圖1 吸光度的試驗(yàn)值和預(yù)測值對比圖
2.2.3 響應(yīng)曲面分析及參數(shù)優(yōu)化
為確定燈電流、 灰化溫度和原子化溫度3個(gè)單因素及其相互作用對吸光度的響應(yīng), 根據(jù)二次回歸方程繪制響應(yīng)曲面圖和等高線圖。 等高線的形狀能夠表明單因素之間交互作用的強(qiáng)弱, 橢圓形表示兩因素交互作用明顯, 而圓形則與之相反。 響應(yīng)曲面坡度的陡峭程度反映單元素之間作用的強(qiáng)弱關(guān)系, 越陡峭的坡度表明響應(yīng)值對單因素的參數(shù)變化非常敏感, 反之越平緩的坡度影響較小。 圖2是建模條件相互作用的響應(yīng)曲面圖和等高線圖。
圖2 建模條件相互作用的響應(yīng)曲面圖和等高線圖
圖2(a)是灰化溫度為400 ℃(0水平)時(shí), 燈電流和原子化溫度的變化對吸光度的影響。 可看出燈電流和原子化溫度之間的交互作用對吸光度的影響不太顯著, 隨著原子化溫度在一定范圍內(nèi)提高, 吸光度不斷增加, 而隨后隨著原子化溫度的提高吸光度反而降低。
圖2(b)是原子化溫度為2 300 ℃(0水平)時(shí), 燈電流和灰化溫度的變化對吸光度的影響。 可看出燈電流和灰化溫度之間的交互作用對吸光度的影響不顯著, 當(dāng)燈電流在一定范圍內(nèi)變化時(shí), 吸光度隨著燈電流的增大而增大, 繼續(xù)增大燈電流的值, 吸光度趨于穩(wěn)定; 當(dāng)灰化溫度在一定范圍內(nèi)變化時(shí), 吸光度隨著灰化溫度的增大而增大, 繼續(xù)增加灰化溫度, 吸光度會(huì)逐漸減少, 表明過高的灰化溫度會(huì)導(dǎo)致樣品的損失致使吸光度下降。
圖2(c)是燈電流為7 mA(0水平)時(shí), 灰化溫度和原子化溫度的變化對吸光度的影響。 可看出灰化溫度和原子化溫度之間的交互作用對吸光度的影響不太顯著, 在一定范圍內(nèi), 吸光度隨著灰化溫度和原子化溫度的提高而增加, 而隨后卻急速下降。
從圖2所繪制的響應(yīng)曲面圖和等高線圖分析可知, 與方差分析的結(jié)果基本一致, 即各單因素對吸光度具有顯著的影響, 而元素之間的作用對吸光度的影響較小。 通過表4和圖2的綜合分析及軟件Design Expert的計(jì)算結(jié)果, 確定回歸方程模型預(yù)測的最佳測定條件參數(shù)是燈電流7.12 mA、 灰化溫度412.32 ℃、 原子化溫度2 311.61 ℃, 理論預(yù)測吸光度0.108 0。 為驗(yàn)證最佳測定條件參數(shù)的可靠性, 進(jìn)行必要的驗(yàn)證試驗(yàn), 考慮到試驗(yàn)的具體操作和儀器設(shè)備的壽命因素, 將最佳測定條件參數(shù)設(shè)置為燈電流7.0 mA、 灰化溫度400 ℃、 原子化溫度2 300 ℃。
標(biāo)準(zhǔn)工作曲線繪制: 在最佳測定條件參數(shù)的設(shè)置下, 分別測定標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光度, 以金的質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)、 吸光度為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)的工作曲線。 金的質(zhì)量濃度在0~50 ng·mL-1范圍內(nèi)與吸光度呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系, 經(jīng)過線性回歸得到回歸方程為Abs=0.047 9K+0.028 1, 線性相關(guān)系數(shù)r=0.999 9。
按照1.3節(jié)方法步驟對國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07246a進(jìn)行樣品的制備, 分別標(biāo)記為BZ01—BZ06。 利用石墨爐原子吸收光譜法, 在最佳測定條件的工作參數(shù)下測定待測樣品。 國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07246a的吸光度測定結(jié)果分別為0.099 9, 0.103 2, 0.984, 0.111 1, 0.099 2和0.095 3, 其平均吸光度為0.101 2, 與模型預(yù)測的0.108 0非常接近, 相對誤差6.30%。 表明基于Box-Behnken試驗(yàn)所得到的最佳測定條件參數(shù)準(zhǔn)確可靠, 具有一定的實(shí)際意義和價(jià)值。
按照1.3節(jié)方法步驟對國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07243b等進(jìn)行12次的平行試驗(yàn), 測定其質(zhì)量濃度, 結(jié)果如表5所示。
表5 國家一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)金的含量測定結(jié)果
從表5測得的國家一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)金的含量的結(jié)果可知, 測定結(jié)果的平均值與標(biāo)準(zhǔn)值的準(zhǔn)確度和精密度分別小于0.05和10%, 符合《合格評定化學(xué)分析方法確認(rèn)和驗(yàn)證指南》[16]。 表明在石墨爐原子吸收法分析痕量金的最佳測定條件下, 測定結(jié)果具有較好的穩(wěn)定性和可靠性, 能夠投入到實(shí)際的樣品分析中。
以單因素試驗(yàn)確定燈電流、 灰化溫度和原子化溫度等參數(shù)的水平范圍, 利用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)建立二次回歸方程預(yù)測模型并進(jìn)行顯著性分析, 然后進(jìn)行響應(yīng)曲面分析及參數(shù)優(yōu)化, 分析結(jié)果為燈電流7.12 mA、 灰化溫度412.32 ℃、 原子化溫度2 311.61 ℃時(shí)為最佳測定條件。 以最佳測定條件為基礎(chǔ)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn), 結(jié)果表明該測定條件具有較好的穩(wěn)定性和正確性。 此外, 該模型具有一定的通用性, 可以在石墨爐原子吸收光譜儀上對其他元素的測試條件進(jìn)行優(yōu)化, 也可以跨儀器平臺(tái)進(jìn)行方法的擴(kuò)展研究分析, 例如利用X-射線熒光光譜儀研究地質(zhì)樣品中主、 微量元素和ICP-MS測定地質(zhì)樣品中痕量、 超痕量元素測定條件的優(yōu)化。