一、技術(shù)途徑

智能化微型原子熒光儀項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技術(shù)，重新設(shè)計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)到既能解決測定汞的記憶效應(yīng)問題，同時能在高酸度下測定實際樣品痕量鉛和鎘的目的。同時以水替代了鹽酸和硼氫化鈉作為載流，棄去外圍設(shè)備，集測定、顯示、打印和存儲于一體，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)行測試，靈敏度高，形成簡便易學(xué)易懂的操作界面。

二、具體研究內(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，實踐充分證明了其先進(jìn)性和實用性。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，而非一臺配件，龔治湘教授帶領(lǐng)技術(shù)團(tuán)隊又開啟了新的研究課題，提出了“重造原子熒光儀”的研發(fā)思路。龔治湘教授認(rèn)真分析了我國有害重金屬元素檢測儀器的研究現(xiàn)狀，提出現(xiàn)有原子熒光儀在智能化、檢測精度、檢測效率、微型化等方面還存在亟待解決的諸多技術(shù)難題，并確定該項目的主要研究內(nèi)容如下：

1.檢測系統(tǒng)智能化技術(shù)研發(fā)。通過工業(yè)級微控制器取代計算機(jī)控制，無須單獨配置微型計算機(jī)，采用觸摸屏來控制整個操作，實現(xiàn)測量流程控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)儲存、數(shù)據(jù)輸出打印及顯示等復(fù)雜功能的自主完成。并具有測量精度高、穩(wěn)定性好、人為介入操作少、測量速度快、數(shù)據(jù)分析功能完善、人機(jī)交互界面友好等特點，同時數(shù)據(jù)可通過打印機(jī)輸出存檔，并且用SD卡儲存的數(shù)據(jù)可通過計算機(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，但把這項技術(shù)植入到原子熒光儀整機(jī)中，也是該項目中很關(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)，以及高酸度下測定實際樣品痕量鉛和鎘。

3.電路和氣路控制系統(tǒng)的研發(fā)與設(shè)計。通過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)計新的前置電路，燈的電源電路和主板電路，實現(xiàn)單雙道測試；進(jìn)行軟件編程，并對整個系統(tǒng)進(jìn)行測試驗證。

（1）高性能空芯陰極燈電源驅(qū)動技術(shù)研發(fā)。根據(jù)高性能陰極燈的原子熒光激發(fā)原理，深入研究儀器系統(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，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，大幅延長燈的使用壽命，提高儀器的使用年限。

（2）原子熒光信號采集技術(shù)研發(fā)。深入研究原子熒光信號的采集方法，選取適當(dāng)?shù)奶綔y器，采集目標(biāo)元素的原子熒光信號，并設(shè)計信號拾取放大電路，將測量元素的含量多少轉(zhuǎn)換為呈線性相關(guān)的電信號大小，盡可能去除信號中的噪聲，提高信噪比，提高儀器的測量精度。

（3）兩種元素的雙通道分時檢測技術(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，分時交替對兩種不同的空芯陰極燈進(jìn)行驅(qū)動，在干擾元素及另一種目標(biāo)元素的原子熒光同時存在的情況下，使用單個探測器完成對應(yīng)目標(biāo)元素的原子熒光信號采集，拾取當(dāng)前目標(biāo)元素的有效原子熒光信號。

（4）檢測進(jìn)程優(yōu)化設(shè)計開發(fā)。在保證儀器檢測精度的基礎(chǔ)上，查閱國內(nèi)外相關(guān)儀器的設(shè)計資料，對檢測進(jìn)程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。一方面，在保證信號可靠前提下，盡可能多的縮短檢測進(jìn)程中單項操作的進(jìn)行時間；另一方面，在保證進(jìn)程中每個單項操作可靠完成的前提下，盡可能縮短單項操作之間的銜接時間。這樣不僅能大幅提高樣品的檢測效率，而且能大幅減少檢測對化學(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，重新開發(fā)新的開環(huán)和閉環(huán)氣控單元。

4.以水為載流的檢測技術(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，將極大降低檢測單位使用化學(xué)試劑的成本，同時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。在保證檢測精度、檢測效率的前提下，采用工業(yè)級微型控制器完成儀器的檢測進(jìn)程控制及數(shù)據(jù)處理等功能，取代現(xiàn)有同等類型儀器笨重的計算機(jī)控制，減小儀器重量至少50%；結(jié)合機(jī)械加工及化學(xué)測試領(lǐng)域的專業(yè)設(shè)計知識，對儀器各個部件進(jìn)行微型化設(shè)計，并對各個部件進(jìn)行合理布局，有效控制儀器體積，集測定、顯示、打印和存儲于一體。將傳統(tǒng)原子熒光儀復(fù)雜的操作界面進(jìn)行簡化處理，讓操作者一目了然，易學(xué)易懂。

根據(jù)上述技術(shù)途徑及研究內(nèi)容，該項目研制的智能化微型原子熒光儀是由自動進(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、熒光信號探測器（光電倍增管）、信號拾取放大電路（I-V轉(zhuǎn)換、隔直放大、信號采集、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）、外圍輸出及儲存單元（TFT觸摸屏、打印機(jī)、SD卡）等幾個部分構(gòu)成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計框圖如圖1所示。

其工作流程為：待測元素樣品及還原劑由自動進(jìn)樣器以斷續(xù)流動法同步送入氫化物發(fā)生器，反應(yīng)得到的待測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；熒光由熒光信號探測器接收，并轉(zhuǎn)換為連續(xù)電信號，送信號拾取放大電路進(jìn)行I-V轉(zhuǎn)換、放大、信號采集、A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換得到熒光信號的數(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)行分類統(tǒng)計、運(yùn)算、分析得出待測元素的熒光曲線、含量、重現(xiàn)性、檢出限等指標(biāo)，并交由外圍輸出及儲存單元顯示或儲存。

◎圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計框圖

三、項目技術(shù)創(chuàng)新點

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)雜樣品痕量鉛鎘測定的困難和地質(zhì)樣品中砷汞同時測定的問題，提高了檢測靈敏度和精密度。

目前原子熒光儀測定汞時記憶效應(yīng)嚴(yán)重，易造成測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，甚至污染化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)而無法再次使用。而智能化微型原子熒光儀能徹底消除測定汞時的記憶效應(yīng)，空白溶液只需要測定幾次就能滿足要求，而且將開辟在高酸度下測定痕量鉛（10%鹽酸）和鎘（4%鹽酸）的新格局。原子熒光儀測定樣品中砷、鉛、鎘、汞等含量很低，往往每克中只有幾個納克，即10的負(fù)9次方，如每克玉米、雞肉中僅有5納克。而該項目研發(fā)的原子熒光儀的檢測精度可達(dá)到10的負(fù)10～12次方，其中汞、鎘達(dá)12次方（皮克級），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，這個檢測水平是非常精確的，是目前別的原子熒光儀無法達(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)，測定汞的檢測限為0.005納克/毫升，砷的檢測限優(yōu)于0.05納克/毫升。

2.載流環(huán)?；?。本儀器以具有知識產(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，同時能避除過量酸產(chǎn)物對環(huán)境的污染問題。

3.外觀微型化。機(jī)身微型一體化，可用于野外、車載到現(xiàn)場進(jìn)行應(yīng)急監(jiān)測。結(jié)合多個領(lǐng)域的設(shè)計知識，優(yōu)化儀器結(jié)構(gòu)，合理布局儀器的各個部件，讓整個安裝維修十分方便。在提高儀器檢測性能的同時，實現(xiàn)儀器微型化，機(jī)身體積控制在50厘米×50厘米×50厘米以內(nèi)，重量控制在40千克以內(nèi)，而現(xiàn)有原子熒光儀的長度達(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、車載，讓儀器走出實驗室進(jìn)入更多的應(yīng)用場所，使隨車檢測、現(xiàn)場應(yīng)急監(jiān)測成為可能，可謂“小身材，大能量”。此舉將會為推廣該類檢測方法應(yīng)用于更加廣泛的行業(yè)及場所做出極大貢獻(xiàn)。

4.測量智能化。最初的儀器一般采用簡單的電子電路來轉(zhuǎn)換測量數(shù)據(jù)，用直觀直讀的模式顯示或讀出測試數(shù)據(jù)，沒有數(shù)據(jù)存儲和處理功能，要通過人工來進(jìn)行計算、比對，得到測量結(jié)果，通常只能用于測量精度不太高的數(shù)據(jù)測量。由于它的成本比較低，目前還擁有一定市場。隨著技術(shù)的發(fā)展，智能化測量儀器已逐漸取替了原有儀器的測量模式，把微處理器或微型計算機(jī)與傳統(tǒng)的檢測方法結(jié)合起來，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集、存儲與記錄，并進(jìn)行測量數(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)的精密測量，對我國制造業(yè)提升產(chǎn)品質(zhì)量的檢測手段，起到了重要的作用。而該項目的智能化微型原子熒光儀，是用工業(yè)級微控制器取代計算機(jī)控制，無須單獨配置微型計算機(jī)，通過觸摸屏便可自主完成測量流程控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)儲存、數(shù)據(jù)輸出打印及顯示等復(fù)雜功能，具有測量精度高、穩(wěn)定性好、人為介入操作少、測量速度快、數(shù)據(jù)分析功能完善、人機(jī)交互界面友好等優(yōu)點，同時數(shù)據(jù)可通過打印機(jī)輸出存檔，并且用SD卡儲存的數(shù)據(jù)可通過計算機(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，樣品檢測結(jié)果能在檢測完成后立即通過屏幕直觀查看，并能在用戶輸入取樣量、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，保證了檢測結(jié)果的實時可靠性，極大地方便了野外檢測工作者。同時，檢測結(jié)果還能通過打印機(jī)輸出為紙質(zhì)文件存檔，通過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)，對檢驗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；廢除了長期使用的致癌物質(zhì)，改用對人體無任何傷害的環(huán)保材料。

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

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