智能化微型原子荧光仪项目技术与研发

一、技术途径

智能化微型原子荧光仪项目是把龚治湘教授的研究成果化学原子化器与AAS联用技术运用于原子荧光仪整机中。重点提高仪器的操作系统智能化水平，研究化学原子化器植入原子荧光仪的检测技术，重新设计电路和气路控制系统，改变进样装置，去掉非环保材质，优化机身结构及外观，以达到既能解决测定汞的记忆效应问题，同时能在高酸度下测定实际样品痕量铅和镉的目的。同时以水替代了盐酸和硼氢化钠作为载流，弃去外围设备，集测定、显示、打印和存储于一体，体型减少近50%，并可在15～30毫安灯电流和200～240伏特负高压条件下进行测试，灵敏度高，形成简便易学易懂的操作界面。

二、具体研究内容

化学原子化器联用AAS这一技术已经推广了10多年，实践充分证明了其先进性和实用性。但如何将化学原子化器的技术成果植入原子荧光仪整机中，而非一台配件，龚治湘教授带领技术团队又开启了新的研究课题，提出了“重造原子荧光仪”的研发思路。龚治湘教授认真分析了我国有害重金属元素检测仪器的研究现状，提出现有原子荧光仪在智能化、检测精度、检测效率、微型化等方面还存在亟待解决的诸多技术难题，并确定该项目的主要研究内容如下：

1.检测系统智能化技术研发。通过工业级微控制器取代计算机控制，无须单独配置微型计算机，采用触摸屏来控制整个操作，实现测量流程控制、数据采集、数据分析、数据储存、数据输出打印及显示等复杂功能的自主完成。并具有测量精度高、稳定性好、人为介入操作少、测量速度快、数据分析功能完善、人机交互界面友好等特点，同时数据可通过打印机输出存档，并且用SD卡储存的数据可通过计算机处理分析，完成更加复杂的数据分析功能。

2.化学原子化器植入原子荧光仪的检测技术研发。化学原子化器联用AAS是龚治湘教授取得的重大研究成果，但把这项技术植入到原子荧光仪整机中，也是该项目中很关键的部分。寻求新的技术手段，把用于原子吸收上的化学原子化器植放到原子荧光仪上，彻底消除汞的记忆效应，以及高酸度下测定实际样品痕量铅和镉。

3.电路和气路控制系统的研发与设计。通过原子荧光仪的分析原理，仪器结构原理，按重新研发原子荧光仪的要求，拆除所有电路，重新设计新的前置电路，灯的电源电路和主板电路，实现单双道测试；进行软件编程，并对整个系统进行测试验证。

（1）高性能空芯阴极灯电源驱动技术研发。根据高性能阴极灯的原子荧光激发原理，深入研究仪器系统中空芯阴极灯、透镜、负高压变压器等重要部件的参数和特性。一方面，在提高空芯阴极灯辐照强度，增强目标元素的原子荧光强度的同时，降低其余干扰元素的原子荧光强度，提高信噪比，增强仪器的检测精度及可靠性；另一方面，降低高性能空芯阴极灯的使用强度及平均功耗，大幅延长灯的使用寿命，提高仪器的使用年限。

（2）原子荧光信号采集技术研发。深入研究原子荧光信号的采集方法，选取适当的探测器，采集目标元素的原子荧光信号，并设计信号拾取放大电路，将测量元素的含量多少转换为呈线性相关的电信号大小，尽可能去除信号中的噪声，提高信噪比，提高仪器的测量精度。

（3）两种元素的双通道分时检测技术研发。深入研究目标元素发生最强原子荧光的激发条件，分时交替对两种不同的空芯阴极灯进行驱动，在干扰元素及另一种目标元素的原子荧光同时存在的情况下，使用单个探测器完成对应目标元素的原子荧光信号采集，拾取当前目标元素的有效原子荧光信号。

（4）检测进程优化设计开发。在保证仪器检测精度的基础上，查阅国内外相关仪器的设计资料，对检测进程进行优化设计。一方面，在保证信号可靠前提下，尽可能多的缩短检测进程中单项操作的进行时间；另一方面，在保证进程中每个单项操作可靠完成的前提下，尽可能缩短单项操作之间的衔接时间。这样不仅能大幅提高样品的检测效率，而且能大幅减少检测对化学试剂及样品的消耗量。

（5）为了消除商品仪器气路易泄露或故障多的毛病，重新开发新的开环和闭环气控单元。

4.以水为载流的检测技术研发。常规原子荧光仪需要大量的高纯度盐酸和硼氢化钠作为载流，成本高，环境污染严重，如果以水替代盐酸和硼氢化钠，将极大降低检测单位使用化学试剂的成本，同时可减少污染物排放量，更好地保护环境。

5.机身微型一体化及操作界面研发与设计。在保证检测精度、检测效率的前提下，采用工业级微型控制器完成仪器的检测进程控制及数据处理等功能，取代现有同等类型仪器笨重的计算机控制，减小仪器重量至少50%；结合机械加工及化学测试领域的专业设计知识，对仪器各个部件进行微型化设计，并对各个部件进行合理布局，有效控制仪器体积，集测定、显示、打印和存储于一体。将传统原子荧光仪复杂的操作界面进行简化处理，让操作者一目了然，易学易懂。

根据上述技术途径及研究内容，该项目研制的智能化微型原子荧光仪是由自动进样器、气路控制单元、氢化物发生器（硼氢化钠-酸体系）、激发光源（通道A及B）、石英管原子化器、荧光信号探测器（光电倍增管）、信号拾取放大电路（I-V转换、隔直放大、信号采集、A/D转换）、数据处理及控制单元（数据分析集成算法）、外围输出及储存单元（TFT触摸屏、打印机、SD卡）等几个部分构成。其系统结构总体设计框图如图1所示。

其工作流程为：待测元素样品及还原剂由自动进样器以断续流动法同步送入氢化物发生器，反应得到的待测元素氢化物在气路控制单元的载带下进入屏蔽式石英管原子化器；在原子化器将元素原子解离为自由原子后，由激发光源A或B激发，产生特征原子荧光光谱；荧光由荧光信号探测器接收，并转换为连续电信号，送信号拾取放大电路进行I-V转换、放大、信号采集、A/D转换，转换得到荧光信号的数字量；数字量由集成数据处理算法的数据处理及控制单元进行分类统计、运算、分析得出待测元素的荧光曲线、含量、重现性、检出限等指标，并交由外围输出及储存单元显示或储存。

◎图1 系统结构总体设计框图

三、项目技术创新点

1.数据精准化。彻底消除了汞的记忆效应，解决了复杂样品痕量铅镉测定的困难和地质样品中砷汞同时测定的问题，提高了检测灵敏度和精密度。

目前原子荧光仪测定汞时记忆效应严重，易造成测量数据不准确，甚至污染化学反应系统而无法再次使用。而智能化微型原子荧光仪能彻底消除测定汞时的记忆效应，空白溶液只需要测定几次就能满足要求，而且将开辟在高酸度下测定痕量铅（10%盐酸）和镉（4%盐酸）的新格局。原子荧光仪测定样品中砷、铅、镉、汞等含量很低，往往每克中只有几个纳克，即10的负9次方，如每克玉米、鸡肉中仅有5纳克。而该项目研发的原子荧光仪的检测精度可达到10的负10～12次方，其中汞、镉达12次方（皮克级），砷达11次方。我们常用标准系列汞、镉为0.1～0.5纳克/毫升；砷1～5纳克/毫升，铅、硒、锑、铋一般为2～10纳克/毫升。在目前，这个检测水平是非常精确的，是目前别的原子荧光仪无法达到的。智能化微型原子荧光仪灵敏度高，重现性好。能在更低灯电流（15～30毫安）和负高压（200～230伏特）下达到或超过现有原子荧光仪需要60～80 毫安及300伏特条件下才能达到的技术指标，测定汞的检测限为0.005纳克/毫升，砷的检测限优于0.05纳克/毫升。

2.载流环保化。本仪器以具有知识产权的氢化物发生器为化学反应核心，改变以酸为载流的行业现状，摒弃了落后的反应系统，终结了已沿用几十年以盐酸和硼氢化钠（钾）为载流的历史，代以水为载流，不仅能大幅减少化学试剂的消耗量，同时能避除过量酸产物对环境的污染问题。

3.外观微型化。机身微型一体化，可用于野外、车载到现场进行应急监测。结合多个领域的设计知识，优化仪器结构，合理布局仪器的各个部件，让整个安装维修十分方便。在提高仪器检测性能的同时，实现仪器微型化，机身体积控制在50厘米×50厘米×50厘米以内，重量控制在40千克以内，而现有原子荧光仪的长度达到74厘米，重量为85千克以上。仪器的微型化可以使便携性得以大幅提升，可用于野外、车载，让仪器走出实验室进入更多的应用场所，使随车检测、现场应急监测成为可能，可谓“小身材，大能量”。此举将会为推广该类检测方法应用于更加广泛的行业及场所做出极大贡献。

4.测量智能化。最初的仪器一般采用简单的电子电路来转换测量数据，用直观直读的模式显示或读出测试数据，没有数据存储和处理功能，要通过人工来进行计算、比对，得到测量结果，通常只能用于测量精度不太高的数据测量。由于它的成本比较低，目前还拥有一定市场。随着技术的发展，智能化测量仪器已逐渐取替了原有仪器的测量模式，把微处理器或微型计算机与传统的检测方法结合起来，以实现数据的自动采集、存储与记录，并进行测量数据的处理。智能仪器现在已广泛用于电子、化工、机械、轻工，航空等行业的精密测量，对我国制造业提升产品质量的检测手段，起到了重要的作用。而该项目的智能化微型原子荧光仪，是用工业级微控制器取代计算机控制，无须单独配置微型计算机，通过触摸屏便可自主完成测量流程控制、数据采集、数据分析、数据储存、数据输出打印及显示等复杂功能，具有测量精度高、稳定性好、人为介入操作少、测量速度快、数据分析功能完善、人机交互界面友好等优点，同时数据可通过打印机输出存档，并且用SD卡储存的数据可通过计算机处理分析，完成更加复杂的数据分析功能。

5.数据输出便捷化。智能化微型原子荧光仪结合完善的软件设计，样品检测结果能在检测完成后立即通过屏幕直观查看，并能在用户输入取样量、稀释倍数等参数后立即换算出重金属元素在样品中的含量，保证了检测结果的实时可靠性，极大地方便了野外检测工作者。同时，检测结果还能通过打印机输出为纸质文件存档，通过SD卡生成电子文档存档，让大量样品的分析处理变得更加轻松。

6.材质安全化。目前市面上常见的原子荧光仪多采用金属炉体，绝缘性和散热效果差，使用了容易致癌的化学材质，对检验人员的健康伤害很大。而智能化微型原子荧光仪采用非金属炉体，绝缘性好，散热效果远优于现有炉体；废除了长期使用的致癌物质，改用对人体无任何伤害的环保材料。

7.测定快速化。常用原子荧光仪取样时间至少在10秒以上，需要几分钟到十几分钟才能完成一次测定。而智能化微型原子荧光仪操作简单快捷，运行速度快，单或双道单次测定时间少于25秒，并呈现似正态分布的信号谱图，可大大提高检测效率。检测镉的水平达到质谱水平，可在数秒内检测水体、饲料、大米中的镉含量，无须前处理就可测定大米等食品中的镉含量。

8.操作简易化。常用原子荧光仪操作比较复杂，不易上手，需要通过专业培训方能操作。而智能化微型原子荧光仪操作软件简单明了，人机交互界面友好，一看就懂，一用就会，克服了仪器软件复杂、用户难以掌握的缺陷。