基本介紹
- 中文名：正交實驗法
- 外文名：Orthogonal experiment
- 套用領域：生物實驗
- 優點：少數實驗次數找到好的生產條件
驗證方法,實驗舉例,實驗原理,操作方法,實驗安排,
驗證方法
我們知道如果有很多的因素變化制約著一個事件的變化，那么為了弄清楚各因素對實驗結果的重要性，必須通過做實驗驗證(仿真也可以說是實驗，只不過試驗設備是計算機)，如果因素很多，而且每種因素又有多種變化(專業稱法是：水平)，那么實驗量會非常的大，顯然是不可能每一個實驗都做的。正交試驗法就是一種能夠大幅度減少試驗次數而且並不會降低試驗可行度的方法。首先需要選擇一張和你的實驗因素水平相對應的正交表，已經有數學家制好了很多相應的表，你只需找到對應你需要的就可以了。所謂正交表，也就是一套經過周密計算得出的現成的實驗方案，他告訴你每次實驗時，用那幾個水平互相匹配進行實驗，這套方案的總實驗次數是遠小於每種情況都考慮後的實驗次數的。比如3水平4因素表就只有9行，遠小於遍歷試驗的81次；我們同理可推算出如果因素水平越多，試驗的精簡程度會越高。
建立好實驗表後，根據表格做實驗，然後就是數據處理了。由於試驗次數大大減少，使得試驗數據處理非常重要。首先可以從所有的實驗數據中找到最優的一個數據，當然，這個數據肯定不是最佳匹配數據，但是肯定是最接近最佳的了。接下來將各個因素當中同水平的實驗值加和(注:正交表的一個特點就是每個水平在整個實驗中出現的次數是相同的)，就得到了各個水平的實驗結果表，從這個表當中又可以得到一組最優的因素，通過比較前一個因素，可以獲得因素變化的趨勢，指導更進一步的試驗。各個因素中不同水平試驗值之間也可以進行如極差、方差等計算，可以獲知這個因素的敏感度，等等等等，還有很多處理數據的方法。然後再根據統計數據，確定下一步的試驗，這次實驗的範圍就很小了，目的就是確定最終的最優值。當然，如果因素水平很多，這種尋優過程可能不止一次。
在生產和科研中，為了研製新產品，改革生產工藝，尋找優良的生產條件，需要做許多多因素的實驗。 在方差分析中對於一個或兩個因素的實驗，我們可以對不同因素的所有可能的水平組合做實驗，這叫做全面實驗。當因素較多時，雖然理論上仍可採用前面的方法進行全面實驗後再做相應的方差分析，但是在實際中有時會遇到實驗次數太多的問題。例如，生產化工產品，需要提高收率（產品的實際產量與理論上投入的最大產量之比），認為反應溫度的高低、加鹼量的多少、催化劑種類等多種因素，都是造成收率不穩的主要原因。根據以往經驗，選擇溫度的三個水平：80℃、85℃、90℃；加鹼量的三個水平：35、48、55（kg）；催化劑的三個水平：甲、乙、丙三種。如果做全面實驗，則需3×3×3=27次。如果有3個因素，每個因素選取4個實驗水平的問題，在每一種組合下只進行一次試驗，所有不同水平的組合有4×4×4=64種，如果6個因素，5個實驗水平，全面實驗的次數是5×5×5×5×5×5=15，625次。對於這樣一些問題，設計全面的實驗往往耗時、費力，往往很難做到。因此，如何設計多因素實驗方案，選擇合理的實驗設計方法，使之既能減少實驗次數，又能收到較好的效果。“正交實驗法”就是研究與處理多因素實驗的一種科學有效的方法。
正交實驗法在西方已開發國家已經得到廣泛的套用，對促進經濟的發展起到了很好的作用。在我國，正交實驗法的理論研究工作已有了很大的進展，在工農業生產中也正在被廣泛推廣和套用，使這種科學的方法能夠為經濟發展服務。
實驗舉例
正交實驗法舉例：’
用正交法測定幾種因素對蔗糖酶活力的影響
目的要求
1.初步掌握正交實驗設計方法的使用
2.求出蔗糖酶的最適溫度和最適pH值
實驗原理
酶的催化作用是在一定條件下進行的，它受多種因素的影響，如：底物濃度、酶濃度、溶液的pH值和離子濃度、溫度、抑制劑和激活劑等都能影響催化反應的速度。通常是在其他因素恆定的條件下，通過對某因素在一系列變化條件下的酶活性測定，求得該因素對酶活力的影響，這是單因素的簡單比較法。
本實驗用正交法測定溫度、pH值、底物濃度和酶濃度四種因素對蔗糖酶活性的影響，這是多因素（≥3）的實驗方法。
正交法是通過正交表安排多因素實驗，利用統計數學原理進行數據分析的一種科學方法，它符合“以儘量少的試驗，獲得足夠的、有效的信息”的實驗設計原則。正交試驗法的程式為下列八個步驟：
（2）選擇質量特性指標。應選擇能提高或改進的質量特性及因素效應。對於本實驗來說就是產物（葡萄糖）生成量的多少。
（3）選定相關因素。即選擇和確定可能對實驗結果或質量特性值有影響的那些因素，可人為控制與調節的因素，如溫度、pH等。這些因素之間有相互獨立性。
（4）確定水平。水平，又稱位級，是因素的一個給定值或一種特定的措施，或一種特定的狀態。水平也就是因素變化的各種狀態。在確定水平時，應考慮選擇範圍、水平數和水平位置。如本實驗的溫度水平可以選擇20℃、30 ℃、50 ℃三個水平。
（5）選用正交表。應從因素數、水平數以及有無重點因素需要強化考察等各方面綜合考慮選用正交表。一般情況下，首先根據水平數選用2或3系列表，然後，以容納試驗因素數，選用實驗次數最少的正交表。如有重點考察的因素，則根據其多考察的水平數，選混合型正交表。
（6）配列因素水平，制定實驗方案。按隨機原則，把因素配列於選用的正交表中，制定實驗的順序、時間等，即制定實驗具體方案。
（7）實施實驗方案。按實驗方案，認真、正確地試驗，如實記錄各種實驗數據。
（8）實驗結果分析。對實驗中取得的各種數據進行分析。如從數據中直接選出符合或接近質量特性期望值的實驗條件組。如不能採用直觀分析方法，則應採用其他分析方法，確定各因素主次地位可用極差分析方法，定量分析各個因素對實驗結果的影響程度，則用方差分析方法。
操作方法
1.實驗設計：
1）確定指標：即實驗的結果。本實驗的指標是酶活力。這裡，用A520值表示。
2）制定因素水平表：考察四個因素（溫度、pH值、底物濃度和酶濃度），每個因素取三個水平（如溫度選擇20℃、35 ℃ 和50 ℃ 三個水平）。水平是因素變化的範圍（通常是根據專業知識確定。如無資料可借鑑，應先加寬範圍再逐步縮小）內要進行實驗的具體條件，如表1。
表1 因素水平表
3）選擇正交表：可容納三因素三水平的正交表有L9（34）、L27（313）、L18（36×6）和L27（38×9）。本實驗不考察各因素間的互動作用，也沒設計混合水平，只有水平數均為3的的四個因素，故選用L9（34）表，見表2。
分析：
A. 判斷各因素的水平範圍是否選偏；
B. 判斷各因素顯著性大小的順序；
C. 判斷實驗結果的置信度。
實驗安排
具體操作步驟：
1、將已配製好的三種不同pH的0.2mol/L的緩衝液於試管中。
2、將酶粉用蒸餾水溶解（適當體積10-30ml不等），離心去
除不溶物，10,000rpm/min,10min,4℃。
3、酶活預示實驗，確定酶的稀釋倍數。（可根據產物稀釋的
倍數來確定酶的稀釋倍數）A520在0.4-2.0之間即可。
4、準備10支試管。其中一支為“0”號管，作為測量時的參比溶液。其他九支試管根據前面的圖表3加入相關的溶液，分別在不同的條件下進行酶反應。利用二硝基水楊酸的方法測定不同管在A520下的光密度值。
5、計算同一因素不同水平的級差，級差小代表離散度小，表示該水平為酶反應的最適條件。
1）數據記錄：將上述兩組平行實驗的結果取平均值後的9個數據，填入表4中的Yi項內。
2）數據整理及分析：對於一般的實驗，可用極差分析，該分析方法簡單、直觀。對要求精細的實驗，則要用方差分析，該方法可給出誤差的大小估計，但有一定的計算量。對於有混合水平的正交實驗，只能用方差分析。
本實驗，只使用極差分析：
A. 計算出各水平實驗結果總和，即第1、2、3、4列上的k1、k2、k3，並求出k1、k2、k3和k的R值（極差）。
B. 選出優水平組合：據R值的大小，排出因素顯著性的順序，並比較k值選出優水平組合（即好的實驗條件）。
由上述數據分析及驗證實驗，討論在本實驗條件下，溫度、pH值、底物濃度和酶濃度對蔗糖酶活性的影響；求出蔗糖酶的最適溫度和最適pH值。
