我国是原子荧光(AFS)的技术大国、生产大国和应用大国,氢化物发生-原子荧光(HG-AFS)仪器是一种具有我国自主知识产权的分析仪器,但未能受到如EPA等国际相关标准的广泛认可。其主要原因为现有仪器均采用非色散检测方法,无法有效地解决检测过程中可能存在的光谱干扰问题,并影响检测结果的准确性。为解决上述问题,本文首先提出一种由高紫外透射率数字微镜(DMD)作为空间光调制器、平场凹面光栅作为分光器、日盲型光电倍增管(PMT)作为检测器的紫外DMD光谱仪,以实现对180-320nm范围内的原子荧光信号进行高灵敏度、快速采集。其次,应用紫外DMD光谱仪、激发光源、进样系统、原子化器等部件,开发DMD-AFS实验系统,以实现对砷(As)、锑(Sb)、铋(Bi)、汞(Hg)四种常规元素的原子荧光色散检测分析。最后,基于DMD的原子荧光色散检测技术,提出一种硒(Se)、铅(Pb)元素同时测定的光源光谱干扰扣除方法,优化K3Fe(CN)6-KBH4-HCl化学发生体系,以实现对Se和Pb元素的同时、准确测定。我国是原子荧光(AFS)的技术大国、生产大国和应用大国,尤其是基于氢化物发生和原子荧光光谱法的联用技术(HG-AFS)的仪器产品已经在食品、农产品等重金属检测分析领域有广泛的应用和发展。但国际相关行业标准对AFS限制较多,仪器和相关分析方法尚未得到国际的广泛认可。如美国环保署标准(EPA Method 1631,Revision E)仅认可附加金汞齐的冷原子荧光测汞方法,其主要原因为荧光激发过程中可能存在由于光源不纯或气溶胶、水蒸气等造成的光谱干扰问题,影响检测结果的准确性。与此同时,现有AFS仪器的非色散检测方法无法直接对光谱干扰问题进行分析和扣除,传统的滤光片、转动光栅和CCD光谱直读等色散检测方法又无法满足AFS的高灵敏度和快速检测等需求。近些年出现的基于数字微镜(DMD)的空间光调制技术为原子荧光的色散检测带来了新的可能。由于DMD的微反射镜可以实现电控微秒级翻转,通过控制一列或多列微反射镜的翻转角度,对不同波长的荧光信号进行选择,最终通过反射镜汇聚到光电倍增管(PMT),实现不同波长原子荧光微弱信号的快速扫描和检测分析。本文提出一种基于DMD的原子荧光色散检测技术,并开展适用于AFS的DMD控制及色散信号采集技术研究,紫外DMD光谱仪的设计与实现,DMD-AFS实验系统开发、光源光谱干扰问题研究等工作。(1)适用于AFS的DMD控制技术研究DMD的翻转和时序控制作为紫外DMD光谱仪的关键技术,与原子荧光的波长关系、荧光强度和信号采集时间等重要参数指标都有直接关系。本文根据原子荧光的主要特点和色散检测技术的具体需求,提出了一种适用于AFS的DMD控制方法。通过对一次完整检测过程中DMD的翻转起始列、同时翻转列数、翻转间隔列数、积分时间等参数进行设置,实现对原子荧光的全谱、单峰、多峰等扫描模式。由于已有商业化的DMD控制平台成本高,扩展性和兼容性差。本文研制了一种适用于AFS的DMD控制器,以AppsFPGA、DDC4100、DAD2000为控制核心,采用Global Reset模式刷新方式,实现对DMD扫描模式的翻转状态和时序控制,翻转速率可达10000帧/秒。此外,控制器还增设了基于低压差分总线(Low voltage differential signaling,LVDS)的高速采集接口、TCP/IP和CAN总线等数据传输功能,在有效提高原子荧光信号传输的高效性和稳定性同时,为紫外DMD光谱仪的研制奠定了技术基础。(2)紫外DMD光谱仪的设计与实现为进一步提高DMD对原子荧光信号的检测灵敏度,采用了一种高紫外透射率DMD作为空间光调制器。根据光学系统及部件的设计参数,研制了狭缝、平场凹面光栅、DMD、反射镜和日盲型光电倍增管(PMT)的装调机构。为进一步提高原子荧光信号的色散采集和抗干扰能力,研制适用于AFS的色散信号采集器,并最终实现紫外DMD光谱仪的原子荧光色散信号采集功能。根据测试结果可知,该光谱仪可以实现对180-280nm范围内的原子荧光信号进行高灵敏度、快速采集,可以实现基于DMD的多种扫描模式,光谱分辨力优于2nm,波长误差小于±0.5nm,满足系统设计指标要求。紫外DMD光谱仪作为基于DMD的原子荧光色散检测技术的核心部件,为待测元素特征谱线的检测分析奠定了基础。(3)DMD-AFS实验系统的开发与检测分析通过对紫外DMD光谱仪、进样系统、气路系统、原子化器等部件进行控制系统开发和软件功能集成,开发DMD-AFS实验系统。对砷(As)、锑(Sb)、铋(Bi)、汞(Hg)四种原子荧光常规分析元素发射光谱,特征谱线和散射干扰问题进行了研究和讨论,对检测能力进行了实验和分析:在2~50μg/L范围内获得As元素在234.9nm的检出限(LOD)为0.23μg/L,相关系数r=0.9988;Sb元素在231.2nm的LOD为0.34μg/L,相关系数r=0.9989;Bi元素在223.1nm的LOD为0.21μg/L,相关系数r=0.9987;Hg元素在253.7nm的LOD为0.12μg/L,相关系数r=0.9982。方法精密度为1.95%(20μg/L,As,234.9nm,n=9)和2.86%(20μg/L,Sb,231.2nm,n=9),2.77%(20μg/L,Bi,223.1nm,n=9)和2.15%(20μg/L,Hg,253.7nm,n=9)。根据上述实验结果可知,基于DMD的原子荧光色散检测技术可以有效实现对目标元素特征谱线的检测分析。(4)Se、Pb同时检测的光源光谱干扰问题研究在应用紫外DMD光谱仪对As、Sb、Bi等空心阴极灯(HCL)发射谱线进行分析测试过程中,观察到硒(Se)元素HCL中存在明显铅(Pb)元素光谱干扰。由光源光谱干扰问题无法直接通过AFS非色散检测方法进行有效扣除,同时会导致Se元素的检测结果失真,进而限制了Se、Pb的同时测定方法及相关应用。本文采用基于DMD的原子荧光色散检测技术对Se和Pb同时测定的光源干扰问题进行分析,对K3Fe(CN)6-KBH4-HCl化学发生体系进行优化,在2~200μg/L范围内获得Se元素在203.9nm的LOD为0.89μg/L,标准曲线r=0.9975;Pb元素在283.3nm的LOD为0.42μg/L,标准曲线r=0.9987。方法精密度为2.18%(20μg/L,Se,203.9nm,n=9)和1.66%(20μg/L,Pb,283.3nm,n=9)。应用DMD-AFS实验系统和非色散AFS仪器对国家标准水质样品(GSBZ50031-94)、(GSB07-1183-2000)和多元素标准样品(GBW(E)080669)中的Se、Pb进行同时测定比对实验。检测结果表明,应用非色散方法对Se元素的检测结果中存在Pb元素的光谱干扰问题,样品分析标准曲线和检测过程均受到影响,检测结果存在误差;而基于DMD的原子荧光色散检测技术可以有效解决Se元素HCL光谱干扰问题对检测结果的影响。