一、技術(shù)途徑

智能化微型原子熒光儀項(xiàng)目是把龔治湘教授的研究成果化學(xué)原子化器與AAS聯(lián)用技術(shù)運(yùn)用于原子熒光儀整機(jī)中。重點(diǎn)提高儀器的操作系統(tǒng)智能化水平，研究化學(xué)原子化器植入原子熒光儀的檢測(cè)技術(shù)，重新設(shè)計(jì)電路和氣路控制系統(tǒng)，改變進(jìn)樣裝置，去掉非環(huán)保材質(zhì)，優(yōu)化機(jī)身結(jié)構(gòu)及外觀，以達(dá)到既能解決測(cè)定汞的記憶效應(yīng)問(wèn)題，同時(shí)能在高酸度下測(cè)定實(shí)際樣品痕量鉛和鎘的目的。同時(shí)以水替代了鹽酸和硼氫化鈉作為載流，棄去外圍設(shè)備，集測(cè)定、顯示、打印和存儲(chǔ)于一體，體型減少近50%，并可在15～30毫安燈電流和200～240伏特負(fù)高壓條件下進(jìn)行測(cè)試，靈敏度高，形成簡(jiǎn)便易學(xué)易懂的操作界面。

二、具體研究?jī)?nèi)容

化學(xué)原子化器聯(lián)用AAS這一技術(shù)已經(jīng)推廣了10多年，實(shí)踐充分證明了其先進(jìn)性和實(shí)用性。但如何將化學(xué)原子化器的技術(shù)成果植入原子熒光儀整機(jī)中，而非一臺(tái)配件，龔治湘教授帶領(lǐng)技術(shù)團(tuán)隊(duì)又開(kāi)啟了新的研究課題，提出了“重造原子熒光儀”的研發(fā)思路。龔治湘教授認(rèn)真分析了我國(guó)有害重金屬元素檢測(cè)儀器的研究現(xiàn)狀，提出現(xiàn)有原子熒光儀在智能化、檢測(cè)精度、檢測(cè)效率、微型化等方面還存在亟待解決的諸多技術(shù)難題，并確定該項(xiàng)目的主要研究?jī)?nèi)容如下：

1.檢測(cè)系統(tǒng)智能化技術(shù)研發(fā)。通過(guò)工業(yè)級(jí)微控制器取代計(jì)算機(jī)控制，無(wú)須單獨(dú)配置微型計(jì)算機(jī)，采用觸摸屏來(lái)控制整個(gè)操作，實(shí)現(xiàn)測(cè)量流程控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、數(shù)據(jù)輸出打印及顯示等復(fù)雜功能的自主完成。并具有測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好、人為介入操作少、測(cè)量速度快、數(shù)據(jù)分析功能完善、人機(jī)交互界面友好等特點(diǎn)，同時(shí)數(shù)據(jù)可通過(guò)打印機(jī)輸出存檔，并且用SD卡儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)可通過(guò)計(jì)算機(jī)處理分析，完成更加復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析功能。

2.化學(xué)原子化器植入原子熒光儀的檢測(cè)技術(shù)研發(fā)?；瘜W(xué)原子化器聯(lián)用AAS是龔治湘教授取得的重大研究成果，但把這項(xiàng)技術(shù)植入到原子熒光儀整機(jī)中，也是該項(xiàng)目中很關(guān)鍵的部分。尋求新的技術(shù)手段，把用于原子吸收上的化學(xué)原子化器植放到原子熒光儀上，徹底消除汞的記憶效應(yīng)，以及高酸度下測(cè)定實(shí)際樣品痕量鉛和鎘。

3.電路和氣路控制系統(tǒng)的研發(fā)與設(shè)計(jì)。通過(guò)原子熒光儀的分析原理，儀器結(jié)構(gòu)原理，按重新研發(fā)原子熒光儀的要求，拆除所有電路，重新設(shè)計(jì)新的前置電路，燈的電源電路和主板電路，實(shí)現(xiàn)單雙道測(cè)試；進(jìn)行軟件編程，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。

（1）高性能空芯陰極燈電源驅(qū)動(dòng)技術(shù)研發(fā)。根據(jù)高性能陰極燈的原子熒光激發(fā)原理，深入研究?jī)x器系統(tǒng)中空芯陰極燈、透鏡、負(fù)高壓變壓器等重要部件的參數(shù)和特性。一方面，在提高空芯陰極燈輻照強(qiáng)度，增強(qiáng)目標(biāo)元素的原子熒光強(qiáng)度的同時(shí)，降低其余干擾元素的原子熒光強(qiáng)度，提高信噪比，增強(qiáng)儀器的檢測(cè)精度及可靠性；另一方面，降低高性能空芯陰極燈的使用強(qiáng)度及平均功耗，大幅延長(zhǎng)燈的使用壽命，提高儀器的使用年限。

（2）原子熒光信號(hào)采集技術(shù)研發(fā)。深入研究原子熒光信號(hào)的采集方法，選取適當(dāng)?shù)奶綔y(cè)器，采集目標(biāo)元素的原子熒光信號(hào)，并設(shè)計(jì)信號(hào)拾取放大電路，將測(cè)量元素的含量多少轉(zhuǎn)換為呈線性相關(guān)的電信號(hào)大小，盡可能去除信號(hào)中的噪聲，提高信噪比，提高儀器的測(cè)量精度。

（3）兩種元素的雙通道分時(shí)檢測(cè)技術(shù)研發(fā)。深入研究目標(biāo)元素發(fā)生最強(qiáng)原子熒光的激發(fā)條件，分時(shí)交替對(duì)兩種不同的空芯陰極燈進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，在干擾元素及另一種目標(biāo)元素的原子熒光同時(shí)存在的情況下，使用單個(gè)探測(cè)器完成對(duì)應(yīng)目標(biāo)元素的原子熒光信號(hào)采集，拾取當(dāng)前目標(biāo)元素的有效原子熒光信號(hào)。

（4）檢測(cè)進(jìn)程優(yōu)化設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。在保證儀器檢測(cè)精度的基礎(chǔ)上，查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)儀器的設(shè)計(jì)資料，對(duì)檢測(cè)進(jìn)程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。一方面，在保證信號(hào)可靠前提下，盡可能多的縮短檢測(cè)進(jìn)程中單項(xiàng)操作的進(jìn)行時(shí)間；另一方面，在保證進(jìn)程中每個(gè)單項(xiàng)操作可靠完成的前提下，盡可能縮短單項(xiàng)操作之間的銜接時(shí)間。這樣不僅能大幅提高樣品的檢測(cè)效率，而且能大幅減少檢測(cè)對(duì)化學(xué)試劑及樣品的消耗量。

（5）為了消除商品儀器氣路易泄露或故障多的毛病，重新開(kāi)發(fā)新的開(kāi)環(huán)和閉環(huán)氣控單元。

4.以水為載流的檢測(cè)技術(shù)研發(fā)。常規(guī)原子熒光儀需要大量的高純度鹽酸和硼氫化鈉作為載流，成本高，環(huán)境污染嚴(yán)重，如果以水替代鹽酸和硼氫化鈉，將極大降低檢測(cè)單位使用化學(xué)試劑的成本，同時(shí)可減少污染物排放量，更好地保護(hù)環(huán)境。

5.機(jī)身微型一體化及操作界面研發(fā)與設(shè)計(jì)。在保證檢測(cè)精度、檢測(cè)效率的前提下，采用工業(yè)級(jí)微型控制器完成儀器的檢測(cè)進(jìn)程控制及數(shù)據(jù)處理等功能，取代現(xiàn)有同等類(lèi)型儀器笨重的計(jì)算機(jī)控制，減小儀器重量至少50%；結(jié)合機(jī)械加工及化學(xué)測(cè)試領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)知識(shí)，對(duì)儀器各個(gè)部件進(jìn)行微型化設(shè)計(jì)，并對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行合理布局，有效控制儀器體積，集測(cè)定、顯示、打印和存儲(chǔ)于一體。將傳統(tǒng)原子熒光儀復(fù)雜的操作界面進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，讓操作者一目了然，易學(xué)易懂。

根據(jù)上述技術(shù)途徑及研究?jī)?nèi)容，該項(xiàng)目研制的智能化微型原子熒光儀是由自動(dòng)進(jìn)樣器、氣路控制單元、氫化物發(fā)生器（硼氫化鈉-酸體系）、激發(fā)光源（通道A及B）、石英管原子化器、熒光信號(hào)探測(cè)器（光電倍增管）、信號(hào)拾取放大電路（I-V轉(zhuǎn)換、隔直放大、信號(hào)采集、A/D轉(zhuǎn)換）、數(shù)據(jù)處理及控制單元（數(shù)據(jù)分析集成算法）、外圍輸出及儲(chǔ)存單元（TFT觸摸屏、打印機(jī)、SD卡）等幾個(gè)部分構(gòu)成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

其工作流程為：待測(cè)元素樣品及還原劑由自動(dòng)進(jìn)樣器以斷續(xù)流動(dòng)法同步送入氫化物發(fā)生器，反應(yīng)得到的待測(cè)元素氫化物在氣路控制單元的載帶下進(jìn)入屏蔽式石英管原子化器；在原子化器將元素原子解離為自由原子后，由激發(fā)光源A或B激發(fā)，產(chǎn)生特征原子熒光光譜；熒光由熒光信號(hào)探測(cè)器接收，并轉(zhuǎn)換為連續(xù)電信號(hào)，送信號(hào)拾取放大電路進(jìn)行I-V轉(zhuǎn)換、放大、信號(hào)采集、A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換得到熒光信號(hào)的數(shù)字量；數(shù)字量由集成數(shù)據(jù)處理算法的數(shù)據(jù)處理及控制單元進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)、運(yùn)算、分析得出待測(cè)元素的熒光曲線、含量、重現(xiàn)性、檢出限等指標(biāo)，并交由外圍輸出及儲(chǔ)存單元顯示或儲(chǔ)存。

◎圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)框圖

三、項(xiàng)目技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

1.數(shù)據(jù)精準(zhǔn)化。徹底消除了汞的記憶效應(yīng)，解決了復(fù)雜樣品痕量鉛鎘測(cè)定的困難和地質(zhì)樣品中砷汞同時(shí)測(cè)定的問(wèn)題，提高了檢測(cè)靈敏度和精密度。

目前原子熒光儀測(cè)定汞時(shí)記憶效應(yīng)嚴(yán)重，易造成測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，甚至污染化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)而無(wú)法再次使用。而智能化微型原子熒光儀能徹底消除測(cè)定汞時(shí)的記憶效應(yīng)，空白溶液只需要測(cè)定幾次就能滿(mǎn)足要求，而且將開(kāi)辟在高酸度下測(cè)定痕量鉛（10%鹽酸）和鎘（4%鹽酸）的新格局。原子熒光儀測(cè)定樣品中砷、鉛、鎘、汞等含量很低，往往每克中只有幾個(gè)納克，即10的負(fù)9次方，如每克玉米、雞肉中僅有5納克。而該項(xiàng)目研發(fā)的原子熒光儀的檢測(cè)精度可達(dá)到10的負(fù)10～12次方，其中汞、鎘達(dá)12次方（皮克級(jí)），砷達(dá)11次方。我們常用標(biāo)準(zhǔn)系列汞、鎘為0.1～0.5納克/毫升；砷1～5納克/毫升，鉛、硒、銻、鉍一般為2～10納克/毫升。在目前，這個(gè)檢測(cè)水平是非常精確的，是目前別的原子熒光儀無(wú)法達(dá)到的。智能化微型原子熒光儀靈敏度高，重現(xiàn)性好。能在更低燈電流（15～30毫安）和負(fù)高壓（200～230伏特）下達(dá)到或超過(guò)現(xiàn)有原子熒光儀需要60～80 毫安及300伏特條件下才能達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)，測(cè)定汞的檢測(cè)限為0.005納克/毫升，砷的檢測(cè)限優(yōu)于0.05納克/毫升。

2.載流環(huán)?；１緝x器以具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的氫化物發(fā)生器為化學(xué)反應(yīng)核心，改變以酸為載流的行業(yè)現(xiàn)狀，摒棄了落后的反應(yīng)系統(tǒng)，終結(jié)了已沿用幾十年以鹽酸和硼氫化鈉（鉀）為載流的歷史，代以水為載流，不僅能大幅減少化學(xué)試劑的消耗量，同時(shí)能避除過(guò)量酸產(chǎn)物對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題。

3.外觀微型化。機(jī)身微型一體化，可用于野外、車(chē)載到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行應(yīng)急監(jiān)測(cè)。結(jié)合多個(gè)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)知識(shí)，優(yōu)化儀器結(jié)構(gòu)，合理布局儀器的各個(gè)部件，讓整個(gè)安裝維修十分方便。在提高儀器檢測(cè)性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)儀器微型化，機(jī)身體積控制在50厘米×50厘米×50厘米以?xún)?nèi)，重量控制在40千克以?xún)?nèi)，而現(xiàn)有原子熒光儀的長(zhǎng)度達(dá)到74厘米，重量為85千克以上。儀器的微型化可以使便攜性得以大幅提升，可用于野外、車(chē)載，讓儀器走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入更多的應(yīng)用場(chǎng)所，使隨車(chē)檢測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急監(jiān)測(cè)成為可能，可謂“小身材，大能量”。此舉將會(huì)為推廣該類(lèi)檢測(cè)方法應(yīng)用于更加廣泛的行業(yè)及場(chǎng)所做出極大貢獻(xiàn)。

4.測(cè)量智能化。最初的儀器一般采用簡(jiǎn)單的電子電路來(lái)轉(zhuǎn)換測(cè)量數(shù)據(jù)，用直觀直讀的模式顯示或讀出測(cè)試數(shù)據(jù)，沒(méi)有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理功能，要通過(guò)人工來(lái)進(jìn)行計(jì)算、比對(duì)，得到測(cè)量結(jié)果，通常只能用于測(cè)量精度不太高的數(shù)據(jù)測(cè)量。由于它的成本比較低，目前還擁有一定市場(chǎng)。隨著技術(shù)的發(fā)展，智能化測(cè)量?jī)x器已逐漸取替了原有儀器的測(cè)量模式，把微處理器或微型計(jì)算機(jī)與傳統(tǒng)的檢測(cè)方法結(jié)合起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、存儲(chǔ)與記錄，并進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)的處理。智能儀器現(xiàn)在已廣泛用于電子、化工、機(jī)械、輕工，航空等行業(yè)的精密測(cè)量，對(duì)我國(guó)制造業(yè)提升產(chǎn)品質(zhì)量的檢測(cè)手段，起到了重要的作用。而該項(xiàng)目的智能化微型原子熒光儀，是用工業(yè)級(jí)微控制器取代計(jì)算機(jī)控制，無(wú)須單獨(dú)配置微型計(jì)算機(jī)，通過(guò)觸摸屏便可自主完成測(cè)量流程控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、數(shù)據(jù)輸出打印及顯示等復(fù)雜功能，具有測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好、人為介入操作少、測(cè)量速度快、數(shù)據(jù)分析功能完善、人機(jī)交互界面友好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)數(shù)據(jù)可通過(guò)打印機(jī)輸出存檔，并且用SD卡儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)可通過(guò)計(jì)算機(jī)處理分析，完成更加復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析功能。

5.數(shù)據(jù)輸出便捷化。智能化微型原子熒光儀結(jié)合完善的軟件設(shè)計(jì)，樣品檢測(cè)結(jié)果能在檢測(cè)完成后立即通過(guò)屏幕直觀查看，并能在用戶(hù)輸入取樣量、稀釋倍數(shù)等參數(shù)后立即換算出重金屬元素在樣品中的含量，保證了檢測(cè)結(jié)果的實(shí)時(shí)可靠性，極大地方便了野外檢測(cè)工作者。同時(shí)，檢測(cè)結(jié)果還能通過(guò)打印機(jī)輸出為紙質(zhì)文件存檔，通過(guò)SD卡生成電子文檔存檔，讓大量樣品的分析處理變得更加輕松。

6.材質(zhì)安全化。目前市面上常見(jiàn)的原子熒光儀多采用金屬爐體，絕緣性和散熱效果差，使用了容易致癌的化學(xué)材質(zhì)，對(duì)檢驗(yàn)人員的健康傷害很大。而智能化微型原子熒光儀采用非金屬爐體，絕緣性好，散熱效果遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有爐體；廢除了長(zhǎng)期使用的致癌物質(zhì)，改用對(duì)人體無(wú)任何傷害的環(huán)保材料。

7.測(cè)定快速化。常用原子熒光儀取樣時(shí)間至少在10秒以上，需要幾分鐘到十幾分鐘才能完成一次測(cè)定。而智能化微型原子熒光儀操作簡(jiǎn)單快捷，運(yùn)行速度快，單或雙道單次測(cè)定時(shí)間少于25秒，并呈現(xiàn)似正態(tài)分布的信號(hào)譜圖，可大大提高檢測(cè)效率。檢測(cè)鎘的水平達(dá)到質(zhì)譜水平，可在數(shù)秒內(nèi)檢測(cè)水體、飼料、大米中的鎘含量，無(wú)須前處理就可測(cè)定大米等食品中的鎘含量。

8.操作簡(jiǎn)易化。常用原子熒光儀操作比較復(fù)雜，不易上手，需要通過(guò)專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)方能操作。而智能化微型原子熒光儀操作軟件簡(jiǎn)單明了，人機(jī)交互界面友好，一看就懂，一用就會(huì)，克服了儀器軟件復(fù)雜、用戶(hù)難以掌握的缺陷。