智能化微型原子熒光儀項目技術與研發(fā)

一、技術途徑

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原子化器與AAS聯用技術運用于原子熒光儀整機中。重點提高儀器的操作系統(tǒng)智能化水平，研究化學原子化器植入原子熒光儀的檢測技術，重新設計電路和氣路控制系統(tǒng)，改變進樣裝置，去掉非環(huán)保材質，優(yōu)化機身結構及外觀，以達到既能解決測定汞的記憶效應問題，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伏特負高壓條件下進行測試，靈敏度高，形成簡便易學易懂的操作界面。

二、具體研究內容

化學原子化器聯用AAS這一技術已經推廣了10多年，實踐充分證明了其先進性和實用性。但如何將化學原子化器的技術成果植入原子熒光儀整機中，而非一臺配件，龔治湘教授帶領技術團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。龔治湘教授認真分析了我國有害重金屬元素檢測儀器的研究現狀，提出現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難題，并確定該項目的主要研究內容如下：

1.檢測系統(tǒng)智能化技術研發(fā)。通過工業(yè)級微控制器取代計算機控制，無須單獨配置微型計算機，采用觸摸屏來控制整個操作，實現測量流程控制、數據采集、數據分析、數據儲存、數據輸出打印及顯示等復雜功能的自主完成。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、數據分析功能完善、人機交互界面友好等特點，同時數據可通過打印機輸出存檔，并且用SD卡儲存的數據可通過計算機處理分析，完成更加復雜的數據分析功能。

2.化學原子化器植入原子熒光儀的檢測技術研發(fā)。化學原子化器聯用AAS是龔治湘教授取得的重大研究成果，但把這項技術植入到原子熒光儀整機中，也是該項目中很關鍵的部分。尋求新的技術手段，把用于原子吸收上的化學原子化器植放到原子熒光儀上，徹底消除汞的記憶效應，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)與設計。通過原子熒光儀的分析原理，儀器結構原理，按重新研發(fā)原子熒光儀的要求，拆除所有電路，重新設計新的前置電路，燈的電源電路和主板電路，實現單雙道測試；進行軟件編程，并對整個系統(tǒng)進行測試驗證。

（1）高性能空芯陰極燈電源驅動技術研發(fā)。根據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、負高壓變壓器等重要部件的參數和特性。一方面，在提高空芯陰極燈輻照強度，增強目標元素的原子熒光強度的同時，降低其余干擾元素的原子熒光強度，提高信噪比，增強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研發(fā)。深入研究原子熒光信號的采集方法，選取適當的探測器，采集目標元素的原子熒光信號，并設計信號拾取放大電路，將測量元素的含量多少轉換為呈線性相關的電信號大小，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研發(fā)。深入研究目標元素發(fā)生最強原子熒光的激發(fā)條件，分時交替對兩種不同的空芯陰極燈進行驅動，在干擾元素及另一種目標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目標元素的原子熒光信號采集，拾取當前目標元素的有效原子熒光信號。

（4）檢測進程優(yōu)化設計開發(fā)。在保證儀器檢測精度的基礎上，查閱國內外相關儀器的設計資料，對檢測進程進行優(yōu)化設計。一方面，在保證信號可靠前提下，盡可能多的縮短檢測進程中單項操作的進行時間；另一方面，在保證進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試劑的成本，同時可減少污染物排放量，更好地保護環(huán)境。

5.機身微型一體化及操作界面研發(fā)與設計。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程控制及數據處理等功能，取代現有同等類型儀器笨重的計算機控制，減小儀器重量至少50%；結合機械加工及化學測試領域的專業(yè)設計知識，對儀器各個部件進行微型化設計，并對各個部件進行合理布局，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)原子熒光儀復雜的操作界面進行簡化處理，讓操作者一目了然，易學易懂。

根據上述技術途徑及研究內容，該項目研制的智能化微型原子熒光儀是由自動進樣器、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轉換、隔直放大、信號采集、A/D轉換）、數據處理及控制單元（數據分析集成算法）、外圍輸出及儲存單元（TFT觸摸屏、打印機、SD卡）等幾個部分構成。其系統(tǒng)結構總體設計框圖如圖1所示。

其工作流程為：待測元素樣品及還原劑由自動進樣器以斷續(xù)流動法同步送入氫化物發(fā)生器，反應得到的待測元素氫化物在氣路控制單元的載帶下進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)，產生特征原子熒光光譜；熒光由熒光信號探測器接收，并轉換為連續(xù)電信號，送信號拾取放大電路進行I-V轉換、放大、信號采集、A/D轉換，轉換得到熒光信號的數字量；數字量由集成數據處理算法的數據處理及控制單元進行分類統(tǒng)計、運算、分析得出待測元素的熒光曲線、含量、重現性、檢出限等指標，并交由外圍輸出及儲存單元顯示或儲存。

◎圖1 系統(tǒng)結構總體設計框圖

三、項目技術創(chuàng)新點

1.數據精準化。徹底消除了汞的記憶效應，解決了復雜樣品痕量鉛鎘測定的困難和地質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嚴重，易造成測量數據不準確，甚至污染化學反應系統(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，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到10的負10～12次方，其中汞、鎘達12次方（皮克級），砷達11次方。我們常用標準系列汞、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到的。智能化微型原子熒光儀靈敏度高，重現性好。能在更低燈電流（15～30毫安）和負高壓（200～230伏特）下達到或超過現有原子熒光儀需要60～80 毫安及300伏特條件下才能達到的技術指標，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權的氫化物發(fā)生器為化學反應核心，改變以酸為載流的行業(yè)現狀，摒棄了落后的反應系統(tǒng)，終結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試劑的消耗量，同時能避除過量酸產物對環(huán)境的污染問題。

3.外觀微型化。機身微型一體化，可用于野外、車載到現場進行應急監(jiān)測。結合多個領域的設計知識，優(yōu)化儀器結構，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，實現儀器微型化，機身體積控制在50厘米×50厘米×50厘米以內，重量控制在40千克以內，而現有原子熒光儀的長度達到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入更多的應用場所，使隨車檢測、現場應急監(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用于更加廣泛的行業(yè)及場所做出極大貢獻。

4.測量智能化。最初的儀器一般采用簡單的電子電路來轉換測量數據，用直觀直讀的模式顯示或讀出測試數據，沒有數據存儲和處理功能，要通過人工來進行計算、比對，得到測量結果，通常只能用于測量精度不太高的數據測量。由于它的成本比較低，目前還擁有一定市場。隨著技術的發(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與傳統(tǒng)的檢測方法結合起來，以實現數據的自動采集、存儲與記錄，并進行測量數據的處理。智能儀器現在已廣泛用于電子、化工、機械、輕工，航空等行業(yè)的精密測量，對我國制造業(yè)提升產品質量的檢測手段，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控制，無須單獨配置微型計算機，通過觸摸屏便可自主完成測量流程控制、數據采集、數據分析、數據儲存、數據輸出打印及顯示等復雜功能，具有測量精度高、穩(wěn)定性好、人為介入操作少、測量速度快、數據分析功能完善、人機交互界面友好等優(yōu)點，同時數據可通過打印機輸出存檔，并且用SD卡儲存的數據可通過計算機處理分析，完成更加復雜的數據分析功能。

5.數據輸出便捷化。智能化微型原子熒光儀結合完善的軟件設計，樣品檢測結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、稀釋倍數等參數后立即換算出重金屬元素在樣品中的含量，保證了檢測結果的實時可靠性，極大地方便了野外檢測工作者。同時，檢測結果還能通過打印機輸出為紙質文件存檔，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材質，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，散熱效果遠優(yōu)于現有爐體；廢除了長期使用的致癌物質，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，運行速度快，單或雙道單次測定時間少于25秒，并呈現似正態(tài)分布的信號譜圖，可大大提高檢測效率。檢測鎘的水平達到質譜水平，可在數秒內檢測水體、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雜，不易上手，需要通過專業(yè)培訓方能操作。而智能化微型原子熒光儀操作軟件簡單明了，人機交互界面友好，一看就懂，一用就會，克服了儀器軟件復雜、用戶難以掌握的缺陷。