正交試驗(yàn)法在總氮測定中的應(yīng)用

中圖分類號：X832 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1004-0935（2025）06-1070-04

正交試驗(yàn)設(shè)計簡稱正交法，適用于多因素、多指標(biāo)、具有隨機(jī)性誤差的試驗(yàn)，利用預(yù)設(shè)的正交表安排試驗(yàn)，再對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行簡單的統(tǒng)計分析，從而找到較優(yōu)（或最優(yōu)）的試驗(yàn)方案。因此在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工程建造、材料設(shè)計、食品加工、醫(yī)藥研發(fā)、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-6]。

總氮包括亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、無機(jī)銨鹽、溶解態(tài)氨等無機(jī)氮和蛋白質(zhì)、氨基酸、有機(jī)胺等有機(jī)氮[7]。總氮通常采用過硫酸鉀氧化，使有機(jī)氮和無機(jī)氮化合物轉(zhuǎn)變?yōu)橄跛猁}后，再以紫外法、偶氮比色法以及離子色譜法或氣相分子吸收法進(jìn)行測定其中屬紫外法最為常用[8]。

通過正交法優(yōu)化總氮實(shí)驗(yàn)參數(shù)，特別是對消解液存放天數(shù)、消解溫度、消解時間和消解后冷卻時間等因素做了重點(diǎn)考察，以期更加準(zhǔn)確地測定水體中的總氮質(zhì)量濃度。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 基本原理

堿性過硫酸鉀溶液高溫分解，生成的原子態(tài)氧將樣品中的含氮化合物氧化為硝酸鹽，采用紫外分光光度法分別于波長 220nm 和 275nm 處測定吸光度 A₂₂₀ 和 A₂₇₅ ，按公式 A=A₂₂₀-2A₂₇₅ 計算硝酸鹽氮的校正吸光度，總氮（以N計）含量與校正吸光度 A 成正比。

1.2 儀器設(shè)備

TU1901雙光束紫外可見分光光度計（含 10mm 石英比色Ⅲ），北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；LDZX-30KBS立式壓力蒸汽滅菌器，上海申安醫(yī)療

器械廠；FA2204N電子天平，上海菁華科技儀器有限公司；HHS21-8恒溫水浴鍋，上海博迅實(shí)業(yè)有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)試劑

氫氧化鈉，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；過硫酸鉀，優(yōu)級純，德國默克公司；鹽酸，優(yōu)級純， 36%～38% ，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；硝酸鉀標(biāo)準(zhǔn)貯備液[ ρ（N）=500mg?L^-1] ，壇墨質(zhì)檢科技股份有限公司；堿性過硫酸鉀溶液：稱取 4.00g 過硫酸鉀溶于 熱水中，另稱取 1.50g 氫氧化鈉溶于 30.0mL 水，待氫氧化鈉溶液冷卻至室溫后，混合2種溶液定容至 100mL ；硝酸鉀標(biāo)準(zhǔn)使用液[ ρ（N）=10.0mg?L^-1] ，硝酸鉀標(biāo)準(zhǔn)貯備液稀釋配制； 1+9 鹽酸溶液，優(yōu)級純，鹽酸稀釋配制；低中高質(zhì)量濃度水樣：分別量取 500mL 總氮質(zhì)量濃度約為 1、4、6mg^-L^-1 的水樣，經(jīng) 0.45μm 微孔濾膜過濾后裝入聚乙烯塑料瓶中，冷藏待用；實(shí)驗(yàn)用水為屈臣氏蒸餾水；所用器血均用 ¹⁺⁹ 鹽酸溶液浸泡24h 以上，并依次用自來水、蒸餾水沖洗干凈。

1.4 正交試驗(yàn)設(shè)計

選取4個典型因素[9-12]，每個因素取3個水平，建立4因素3水平 L₉（3⁴） 正交模型，如表1所示。

如果以 A_b 表示空白校正吸光度、 A_s 表示樣品校正吸光度，則 A_r=A_s-A_b 表示樣品校正吸光度與空白校正吸光度的差值。 A_b 反映過硫酸鉀分解率， A_r 反映含氮化合物轉(zhuǎn)化率，在不考慮副反應(yīng)的情況下，A_b 越小越好， A_r 越大越好。為選出最優(yōu)條件，同時測定空白及3個低中高質(zhì)量濃度水樣的吸光度，并采用 A_b??A_r 作為評價依據(jù)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析。

1.5 吸光度的測定

量取 10.00mL 樣品于 25mL 具塞磨口玻璃比色管中，加入 5.00mL 堿性過硫酸鉀溶液（因素A），塞緊管塞，用紗布和線繩扎緊。將比色管置于高壓蒸汽滅菌器中，加熱至95 C 頂壓閥吹氣，關(guān)閥。繼續(xù)加熱至指定溫度（因素B）開始計時，保持指定時間（因素C）。冷卻至 90°C 以下，開閥放氣，取出比色管開始計時，靜置指定時間（因素 D ）。將比色管中的液體顛倒混勻2～3次，加入 1.0mL1+9 鹽酸溶液，用水稀釋至 25mL 標(biāo)線，蓋塞混勻。使用 10mm 石英比色皿，在紫外分光光度計上，以水作參比，分別于波長 220nm 和 275nm 處測定吸光度，結(jié)果如表2所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 指標(biāo)解釋

極差分析表格中的 K_i 表示某因素某水平時吸光度求和； k_i 表示對應(yīng)的 K_i 值平均值；R 表示某因素 k_i 的極差值，即某因素 k_i 的最大值減去最小值。 R 值反映了各因素對于吸光度的影響程度，因總氮空白值需控制在0.030以下，考慮到隨機(jī)誤差，當(dāng) R 值小于0.003可認(rèn)定該因素對吸光度幾乎無影響。

2.2消解液存放天數(shù)對吸光度的影響

由表3可知，在現(xiàn)有水平下，消解液存放天數(shù)對水樣的吸光度幾乎無影響；對空白的吸光度略有影響，存放3d吸光度無變化，存放7d吸光度明顯增大，但都小于0.020，符合使用要求。

2.3消解溫度對吸光度的影響

考察消解溫度對吸光度的影響，結(jié)果如表4所示。由表4可以看出，在現(xiàn)有水平下，消解溫度對空白、水樣的吸光度影響都不大。空白126 C 消解吸光度最低，水樣122℃消解吸光度最高。

2.4消解時間對吸光度的影響

考察消解時間對吸光度的影響，結(jié)果如表5所示。由表5可以看出，在現(xiàn)有水平下，消解時間對空白的吸光度影響不大，對水樣的吸光度影響顯著，消解 20min 吸光度普遍偏低，延長至 30min 以上吸光度趨于穩(wěn)定。

2.5 消解后冷卻時間對吸光度的影響

考察消解后冷卻時間對吸光度的影響，結(jié)果如表6所示。由表6可以看出，在現(xiàn)有水平下，消解后冷卻時間對空白、水樣的吸光度影響都不大。

2.6 最佳因素水平組合

結(jié)合各因素的最佳水平，得出最佳因素水平組合：消解液存放天數(shù)0d，消解溫度122 C ，消解時間 40min ，消解后冷卻時間1h。

2.7總氮校準(zhǔn)曲線的繪制

為了驗(yàn)證優(yōu)化后方案的可行性，以最佳因素水平組合為實(shí)驗(yàn)參數(shù)，得到總氮質(zhì)量與吸光度差值 A_r 的校準(zhǔn)曲線方程，如表7所示。

2.8 方法的準(zhǔn)確度

配制國家有證總氮標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)溶液（環(huán)保部標(biāo)樣研究所編號203271），3次平行測定均值0.971mg·L-（RSD=1.62%），處于（0.940±0.086）mg·L-1范圍內(nèi);取 2mL10mg?L^-1 總氮標(biāo)準(zhǔn)使用液加至8mL低中高質(zhì)量濃度水樣中，加標(biāo)量20μg。3份水樣加標(biāo)回收率分別為97.0%、96.5%和92.5%，平均加標(biāo)回收率95.3%，處在 90%～110% ，符合質(zhì)控要求。

2.9方法的精密度和檢出限

配制質(zhì)量濃度 0.20mg^.L^-1 的總氮溶液，7次平行測定值分別為0.201、0.190、0.212、0.222、0.2230.205、0.211mg·L，標(biāo)準(zhǔn)偏差S為0.0117mg·L相對標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD為 5.59% 。由公式MDL=3.143S，求得檢出限為 0.037mg^-L^-1 ，低于國標(biāo)中的 0.05mg?L^-1 說明優(yōu)化方案有效。

3結(jié)論

采用正交法對總氮實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到了最佳因素水平組合：消解液存放天數(shù)0d，消解溫度122℃，消解時間40min，消解后冷卻時間1h。該方案測定總氮的檢出限為0.037mg：L，精密度為5.59%，平均加標(biāo)回收率為95.3%，可滿足不同質(zhì)量濃度水樣中總氮的測定。

參考文獻(xiàn)：

[1]殷琳毅.基于正交試驗(yàn)法的富硒油葵芽苗菜生產(chǎn)工藝優(yōu)化研究[J].蔬菜，2022（11）：15-18.

[2]楊奕，矯偉剛，陳建康.基于正交試驗(yàn)的建筑垃圾再生骨料應(yīng)用研究[J].工程勘察，2021，49（7）：25-29.

[3]方浩俊，翁睿之.正交試驗(yàn)法在可生物降解塑料性能優(yōu)化中的應(yīng)用[J].合成樹脂及塑料，2020，37（5）：95-98.

[4]郭婧潭，劉文艷.柏子仁中脂肪油的提取工藝研究[J].遼寧化工，2023，52（6）：801-804.

[5]高嘉雯，朱旭江，姚世霞，等.正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化甘草多糖膠囊中總多糖含量測定[J].中國民族民間醫(yī)藥，2023，32（16）：33-35.

[6]林劍偉.鉬酸銨分光光度法測定水中總磷的影響因素研究[J].中國資源綜合利用，2022，40（9）：20-22.

[7]HJ636—2012，水質(zhì)總氮的測定堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法[S].

[8]國家環(huán)境保護(hù)總局，水和廢水監(jiān)測分析方法編委會.水和廢水監(jiān)測分析方法[M].第4版增補(bǔ)版.北京：中國環(huán)境出版社，2002.

[9]李繼紅，方燕，龔金龍，等.水質(zhì)總氮測定時引起空白值偏高的主要影響因素分析[J].環(huán)境工程，2023，41（S2）：1200-1202.

[10]李祺煒.堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定總氮的影響因素分析[J].生物化工，2023，9（2）：144-147.

[11]劉宏，靳晧琛，付淑惠，等.紫外法測定水質(zhì)中總氮操作要點(diǎn)研究[J]環(huán)境科學(xué)與管理，2022，47（10）：144-148.

[12]楊宏娟，趙羽，穆旭東.基于紫外分光光度法的水質(zhì)總氮測定中的影響因素研究[J].環(huán)境與發(fā)展，2020，32（11）：91-92.

Application of Orthogonal Test in Determination of Total Nitrogen

TANGWei

（Xuancheng Jixi Ecological Environment Monitoring Station，Jixi Anhui 2453oo， China）

Abstract：Inodertodeterminthemassoncentrationoftotalitrogeninwateroreacuatelytheexperimentalparametersof totalnitrogenwereoptiizedbyrthogonalmethod，withafcusonfctorssuchastesoragetieofdigestionsoltiongstio temperature，digestiontimeandcolingtimeafter digestion，andthe bestcombinationoffactorsand levelswasobtained.The detection limit of total nitrogen determined by this method was 0.037mg?L^-1 ， the precision was 5.59% ， the average recovery rate was 95.3% ， meeting the determination of total nitrogen in water samples with different mass concentrations. Key words： Orthogonal test; UV spectrophotometry; Total nitrogen; Potassium persulfate; Digestion