正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案優(yōu)化氣相色譜分離

1、正交試驗(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 17A ，配自動進(jìn)樣器；色譜柱：DM-WAX30m× 0.53mm× 1.0 m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 , 進(jìn)樣口溫度 (WBI) ：250 , 停留

2、時(shí)間 （Port Dwell Times）：2sec 。將純水 1000l，甲醇、乙醇、丙酮、異丙醇各1l相混合，制成混合液。再從中抽取10l混合液和990l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1l。2 實(shí)驗(yàn)部分因?yàn)楫惐己鸵掖嫉姆蛛x較難，故選擇它們之間的分離度（Y）為討論對象。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1。表 1因素水平Table 1The level of factor水平因素A 尾吹B 爐溫C 初始載氣流量D

3、 載氣升流考察指標(biāo)：乙醇和異丙醇的分離度，指標(biāo)大為好。分別考慮無交互作用和有交互作用的A×B ,A ×C, A ×D, B ×C, B ×D, C ×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 designing 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3 ：表

4、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-interaction orthogonal experiment design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 ，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：極差分析從極差看出，因素對指標(biāo)影響的主次順序是：主 -次ABDC即尾吹、爐溫、程序升流、載氣流量方差分析表 4方差分析表Table 4 The ANOVA(analysis of variance) resul

5、t of non-interaction orthogonalexperiment design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)

6、計(jì)見表5 ：表5 表頭設(shè)計(jì) BTable 5 The designing of table( B )表頭設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)、極差分析、方差分析計(jì)算表見表6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：主 -次ABDC×DCA×BB×CA×CB×DA×D二元表為尋找 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 C×D， A×B 二元表。見表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

7、The result ofinteractionorthogonal experiment design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A2B1 ，得到最佳水平組合A2B1C1D2 。方差分析表見表 9 。表 9方差分析表Table 9The ANOVA(analysis of variance) result of interaction orthogonal experimentdesign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

8、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 C×D 是顯著因素 (*) ，且 C×D 的交互作用大于C 的影響。故優(yōu)化水平組合寫作：A2B1C1D2。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丙酮甲醇異丙醇和乙醇的分離（優(yōu)化后）Figure 1.Separating of methanol, ethanol, acetone,Figure 2.Separating ofmethanol, ethanol, acetone,isopropyl alcohol（ bef

9、ore optimizing）isopropyl alcohol（ after optimizing）3.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 、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

10、同分異構(gòu)體， 經(jīng)常會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

11、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，肯定不會混雜；(2) 把兩個(gè)因素的交互作用，看作是一個(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)，減去總平均及最優(yōu)條件下過程平均僅等于總平均加顯著因素效應(yīng)。2 個(gè)因素該水平的效應(yīng)。無交互作用，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)會第10 屆年環(huán)境監(jiān)測專業(yè)委員會論文集，2002.12.3 張文利