正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化氣相色譜分離

1、實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案交試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化氣相色譜分離0引言采用正交設(shè)計(jì)安排試驗(yàn)，試驗(yàn)次數(shù)最少，同時(shí)又能充分反映各因素的水平對試驗(yàn)結(jié)果的 影響，又便于對數(shù)據(jù)的分析。目前，正交設(shè)計(jì)在制藥、生物、原子吸收分光光度等方面都有 了廣泛的應(yīng)用。本研究嘗試將正交設(shè)計(jì)應(yīng)用于氣相色譜分離，以求更優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。1 儀器及試劑氣相色譜儀（FID檢測器）：島津 GC-7A，配自動(dòng)進(jìn)樣器；色譜柱： DM-WAX 30m X 0.53mm x 1.0 毛細(xì)管柱；PQ-1氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)配制裝置；甲醇、乙醇、丙酮、異 丙醇均為分析純；試劑水：蒸餾水。檢測器溫度（WFID ） : 250 C ,進(jìn)樣口溫度（WBI） : 250 C ,停留時(shí)

2、間（Port Dwell Times ）: 2sec。將純水1000卩l(xiāng)，甲醇、乙醇、丙酮、異丙醇各1卩相混合，制成混合液。再從中抽取10卩 混合液和990 純水混合，將其稀釋 100倍。得到濃度為7.9mg/l的混合液。進(jìn)樣1卩2實(shí)驗(yàn)部分Y）為討論對象。因?yàn)楫惐己鸵掖嫉姆蛛x較難，故選擇它們之間的分離度（2.1安排試驗(yàn)方案，制定因素水平表選定在氣相色譜分離中，對分離度影響最大的尾吹、爐溫、初始載氣流量、程序升流四個(gè)因素進(jìn)行試驗(yàn)，選擇正交表L8（27），繪制因素水平表，見表精彩文檔因素水平Table 1The level of factor水平因素尾吹爐溫初始載氣流量載氣升流考察指標(biāo)：乙醇和異

3、丙醇的分離度，指標(biāo)大為好。分別考慮無交互作用和有交互作用的AX B ,A X C, A X D, B X C, B X D, C X D。2.2無交互作用實(shí)驗(yàn)選用L8(27)作表頭設(shè)計(jì)，表頭設(shè)計(jì)見表2。表2表頭設(shè)計(jì)(A)Table 2 The desig ning of table( A )表頭設(shè)計(jì)基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20337010 );國家基礎(chǔ)研究重大項(xiàng)目(2004CB418503);上海市基礎(chǔ)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(04JC14051 )試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)、極差分析、方差分析計(jì)算表見表表3無交互作用試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)、極差分析、方差分析計(jì)算表Table 3The result of non-i

4、 nteract ion orthogo nal exp erime nt desig n列號試驗(yàn)號由表3上可知，8次試驗(yàn)中最好的是第 5號試驗(yàn)，相應(yīng)的水平組合是A2B1C1D2，加上尾吹，爐溫為45 C,初始載氣流量為 6ml/min,程序升流為4ml/min 。第j列的偏差平方和的計(jì)算公式是:2.2.1極差分析從極差看出，因素對指標(biāo)影響的主次順序是:即尾吹、爐溫、程序升流、載氣流量2.2.2方差分析表4 方差分析表Table 4 The ANOVA(a nalysis of varia nee) result of non-i nteracti on orthogo nal exp eri

5、me nt desig n方差來源查 F 檢驗(yàn)的臨界值表，查得F0.995(1,4)=31.3 , F0.99(1,4)=21.2, F0.975(1,4)=12.2 檢驗(yàn)得A是高度顯著的，有99.5%的把握說A是高度顯著因素(*),有99%的把握說B是顯 著因素(*),有97.5%的把握說D是顯著因素(*)，C不顯著。故優(yōu)化水平組合寫作:A2B1C1D2，或 A2B1CD2。2.3有交互作用實(shí)驗(yàn)各因素之間的交互作用會(huì)對實(shí)驗(yàn)有何影響呢？用L16(215)作有交互作用的正交設(shè)計(jì)，表頭設(shè)計(jì)見表5 : 表5表頭設(shè)計(jì)BTable 5 The desig ning of table( B )表頭設(shè)計(jì)試驗(yàn)

6、結(jié)果數(shù)據(jù)、極差分析、方差分析計(jì)算表見表2.3.1極差分析從極差看出，因素和交互作用對指標(biāo)影響的主次順序是:A B D CXD C AXB BXC AXC BXD AXD2.3.2 二兀表為尋找C與D、A與B的水平的最好搭配，需要比較C,D和A,B各不同水平組合下的指標(biāo)的大小。為此要計(jì)算如下的交互作用搭配表二兀表。見表B 7、表8。表6有交互作用試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)、極差分析、方差分析計(jì)算表Table6 The result of in teraeti onorthogo nal exp erime nt desig n從二元表上看到平均指標(biāo)最大的C與D的水平的搭配是 C1D2 , A與B的水平搭配是A

7、2B1，得到最佳水平組合 A2B1C1D2。2.3.3方差分析表見表9。表9方差分析表Table 9The ANOVA(a nalysis of varia nee) result of in teract ion orthogo nal exp erime nt desig n查 F 檢驗(yàn)的臨界值表，查得F0.995(1,12)=11.8, F0.99(1,12)=9.33,F0.90(1,12)=3.18。檢驗(yàn)得A、B和D是高度顯著的，有 99.5%的把握說A、B和D是顯 著因素(*),有90%的把握說CXD是顯著因素(*)，且CXD的交互作用大于 C的影響。故優(yōu) 化水平組合寫作： A2B

8、1C1D2 。2.4優(yōu)化前后色譜圖比較圖1丙酮、甲醇、異丙醇和乙醇的分離(優(yōu)化前)圖2丙酮、甲醇丙醇和乙醇的分離(優(yōu)化后)FigureFigure 1.Sep arat ing of metha nol, etha nol, acet one, 2. Sep arati ng ofmetha nol, etha nol, acet one.isopropyl alcohol(before op timiz ing)isopropyl alcohol(after op timiz ing3.結(jié)果討論本文運(yùn)用正交設(shè)計(jì),對氣相色譜法分離甲醇、乙醇、丙酮、異丙醇過程中所采用的溫度、流量、程序升流和尾吹

9、四個(gè)主要因素進(jìn)行了研究和優(yōu)化,從有交互作用和無交互作用兩個(gè)方面進(jìn)行了分析，得到了最優(yōu)水平組合A2B1C1D2 ,即爐溫45 C、初始載氣流量6ml、程序升流4ml/min 、加尾吹，且尾吹的影響最顯著，爐溫對分離度的顯著性影響次于尾吹。在對分離度要求不高的情況下，如果要求分析時(shí)間短，速度快，可以提高爐溫。在色譜分離當(dāng)中（包括氣相色譜和液相色譜），特別是多組分的化合物或者是較難分離的同分異構(gòu)體，經(jīng)常會(huì)遇到難以分離的兩個(gè)峰或數(shù)個(gè)峰,以往都是憑操作者的經(jīng)驗(yàn)，采用優(yōu)選法，在實(shí)驗(yàn)?zāi)骋粭l件時(shí)令其他條件不變，改變其中一個(gè)條件，逐一進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在反復(fù)多次實(shí)驗(yàn)后選取一個(gè)被認(rèn)為是較好的色譜條件，而不是通過數(shù)學(xué)方法選

10、定一個(gè)優(yōu)化的色譜分離條件。此法雖較經(jīng)典方法簡單，但獲得信息較少，不能判斷出主次影響因素及因素間的相互作用。將正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)引入到色譜分離，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明， 采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行色譜分離條件的優(yōu)化工作是可行的，減少了實(shí)驗(yàn)次數(shù),節(jié)省了人力、物力和時(shí)間，選出了較為理想的實(shí)驗(yàn)條件。有交互作用的正交設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)分析與沒有交互作用的正交設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)分析的區(qū)別:(1) 考慮交互作用的正交試驗(yàn)，表頭設(shè)計(jì)時(shí)因素不能任意上列，而應(yīng)按所用正交表的兩列間交互作用表或線點(diǎn)圖確定交互作用列，為了避免混雜，因素不能安排在兩個(gè)因素的交互作 用列上。無交互作用時(shí)，只要每列填一個(gè)因素，肯定不會(huì)混雜;(2) 把兩個(gè)因素的交互作用，看作

11、是一個(gè)“因素”，它的偏差平方和等于所在列的偏差平 方和，自由度等于兩個(gè)因素自由度之積。不考慮交互作用時(shí)，表中的空白列用于估計(jì)誤差, 若誤差特別大，則要考慮是否忽略了不該忽略的某些交互作用;(3)如果交互作用顯著，優(yōu)選最佳水平組合時(shí)要作二元分析表，因素和交互作用都顯著時(shí),優(yōu)選最佳水平組合時(shí)首先考慮交互作用。無交互作用時(shí)，只需比較各顯著因素的各水平的平均指標(biāo)值，即可優(yōu)選出最佳水平組合;(4) 如果交互作用顯著時(shí)，優(yōu)化水平下的過程平均中應(yīng)包含交互作用的效應(yīng)，二交互作用的效應(yīng)等于最優(yōu)二元搭配的平均指標(biāo)，減去總平均及2個(gè)因素該水平的效應(yīng)。無交互作用,最優(yōu)條件下過程平均僅等于總平均加顯著因素效應(yīng)。參考文獻(xiàn):1何悌質(zhì)量管理國際標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)計(jì)技術(shù)M.中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1995.10.2胡 星,金至清，張國瑩，等溶膠-凝膠法制備固相微萃取纖維的優(yōu)化設(shè)計(jì).上海市環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)第10屆年環(huán)境監(jiān)測專業(yè)委員會(huì)論文集