Hi Christian,
ich kenne mich selber nicht so gut mit Mikrocontrollern aus, aber IMHO ist das gut machbar.

zu 1.)
100Hz ist wirklich wenig, das schaffst du locker.
zu 2.)
Das ist keine schnell schwankende Spannung 0.001V sind aber so nicht möglich. Bei einem 10Bit ADC hast du 5V/2^10 = 0.0048V, also 4.8mV pro Schritt. Bist du dir sicher, dass du das brauchst? Du kannst oversamplen, damit kannst du die genauigkeit erhöhen. Wenn du auch noch das letzte bit genau haben möchtest, musst du schon ein gutes Layout haben.

zu 3.)
Es gibt möglichkeiten, eine sd-card anzusteuern. Ist aber nicht sooo einfach. Eine Verbindung über die serielle Schnitstelle stelle ich mir dagegen sehr einfach vor.

zu 4.)
Das kannst du ja lösen.