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1、用于水质检测的微流控芯片通用技术要求（讨论稿）编制说明2024年1月1 .项目背景1.1 任务来源本标准根据标准化法、团体标准管理规定、湖北省环境保护产业协会团体标准管理办法进行制定。主要起草单位：武汉新烽光电股份有限公司、中国环境监测总站、湖北微流控科技有限公司、生态环境土壤与农业农村生态环境监管技术中心、中环联新（北京）环境保护有限公司、三峡集团科技有限公司、杭州霆科生物科技有限公司。计划应完成时间：2024年。1.2 工作过程1.2.1 成立标准编制组为了保证标准的适用性、实用性和可操作性，2023年9月组建了以生产、科研与用户为一体的标准起草小组。主要参加单位：武汉新烽光电股份有限公司
2、、中国环境监测总站、湖北微流控科技有限公司、生态环境土壤与农业农村生态环境监管技术中心、中环联新（北京）环境保护有限公司、三峡集团科技有限公司和杭州霆科生物科技有限公司。1.2.2 准备阶段2023年初，在地表水比色法检测微流控芯片技术要求起草初期，查阅了国内外的相关标准（包括行业标准和企业标准），结合现有地表水各类水质指标测标准的原理与定方法的实际情况与微流控芯片相关标准要求，对所涉及的各项技术指标进行了分析，并在行业内广泛征求意见，包括市场调查、研发、生产、质量检验和用户等。a）对标准中涉及的关键技术要素，进行了专题理论研究与专项技术论证工作。b）在标准起草过程中，对关键技术进行针对性研究
3、，以保证标准起草编制的适用性、实用性和可操作性。c）在地表水比色法检测微流控芯片技术科技创新方面进行了专项实验研究与相关开发实践工作。d）2023年9月完成了地表水比色法检测微流控芯片技术要求初稿工作。2 .标准制定的必要性分析2.1 水质检测环境影响水质参数是评估水体污染程度的重要指标,其中包括高锌酸盐指数、COD、氨氮、总磷和总氮等。这些参数的测量结果可以在一定程度上反映水体中有机物、无机物和营养物质等的存在情况，从而反映水体的污染程度和适宜度。高镒酸盐指数是用来衡量有机物氧化能力的指标，其测量值反映水体中有机物的含量，较高的值意味着有机物污染程度较高。CoD是表示单位体积水中所有可被氧化
4、物质所需的氧气量，高COD值表明水体中有更多的有机物和污染物，指示水质较差。氨氮是水体中溶解态氮的一种形式，通常来自废水排放和生物降解过程，高氨氮浓度会导致水体富营养化，引发藻类大量繁殖,造成水体富营养化和缺氧等问题。总磷是指水体中所有形态磷的总和，通常包括溶解态磷（无机磷酸盐）和悬浮态磷（有机磷物质），总磷可能来源于废水排放、农业活动等，过高的总磷浓度会导致水体发生富营养化，即水体中的营养物质过剩，促使藻类大量繁殖。随着藻类的增多，水体中产生大量有机物，在分解过程中消耗氧气，引发水体缺氧问题，威胁水生生物的生存。总氮是指水体中所有形态氮的总和，通常包括溶解态氮（亚硝酸盐、硝酸盐、镂盐等）和悬
5、浮态氮（有机氮物质）。总氮的来源主要包括废水排放、农业活动等。高浓度的总氮可以促进水体中藻类的生长，引发水体的富营养化。此外，过高的总氮浓度也可能导致水体中亚硝酸盐和硝酸盐的积累，这些物质对水生生物有毒作用，影响生态系统的平衡。然而现有的水质参数检测方法和设备普遍存在着一些问题，如需要的样品和试剂量大，产生的废液多，容易造成二次污染；不同的水质参数需要使用不同的设备进行检测，导致检测步骤繁琐；进口设备昂贵，废液处理难度大、成本高，检测成本高企。微流控芯片又称为芯片实验室，是把生化实验室分析过程的将取样消解、定量、分步混合、反应、显色和检测等操作单元微缩、集成到一张几平方厘米的芯片上，通过对微通
6、道网络内流体的操纵和控制，自动完成全部的分析检测过程。近年来随着微加工技术的飞跃发展，微流控芯片实验室以其高通量、多目标检测等突出的优点被广泛应用到医学和生物化学等领域，与常规检测技术相比，微流控芯片极大降低了试剂的消耗量，同时分析产生的废液极少，在微小范围内的能量传递、物质分散更快更均匀，热能传导快，因此反应快、效率高、污染少、成本低。2.2 相关标准和环保工作的需要HJ/T100-2003高镒酸钾指数水质自动分析仪技术要求，HJ377-2019化学需氧量（CODCr）水质在线自动监测仪技术要求及检测方法，HJ101-2019氨氮水质在线自动监测仪技术要求及检测方法，HJ/T103-2003
7、总磷水质自动分析仪技术要求，HJ/T102-2003总氮水质自动分析仪技术要求等水质自动监测仪技术要求都可以用来评估和监测水体污染程度，需要采用特定的大型自动分析仪器或在线监测仪器进行测试，这些指标的技术要求和检测方法通过标准文件进行规范，确保测试结果的准确性和可比性。但是该技术体系仍然是基于常规水质检测方法标准要求来建立的,不具备更高效和更快速，小型化和高通量，低试剂和少废液的新型环境监测要求。标准GBl1892-89、HJ828-2017、HJ/T399-2007、HJ535-2009HJ536-2009GB/T11893/989、HJ6362012规定了高镒酸盐指数、COD、氨氮、总磷和
8、总氮等重要水质参数检测的基本原理和方法，无法实现高集成、自动化、高效和低污染检测，不能满足日益复杂的水环境挑战。因此，建立微流控芯片技术的水质检测技术方法对于当前中国水环境监测与考核评价体系至关重要。3 .国内外相关分析方法研究从国内外环保监测的发展趋势和国际先进经验看，水质在线自动监测已经成为环境保护部门及时获得连续性的水质监测数据的有效手段。水质自动监测系统的应用，有助于环境保护部门建立大范围的监测网络收集水体监测数据，以确定目标区域的污染状况和发展趋势。当前，地表水水质自动监测站点所配备的检测仪器，其检测原理主要以泵阀式比色法、光度法和电极法为主。紫外-可见光光谱分析水质检测技术是通过提
9、取物质对不同波长的紫外-可见光的吸收光谱信息，利用光谱数据建立与目标参数相应的算法模型，来测定物质成分和含量。由于直接光谱法具有操作简便、分析速度快、无二次污染的特点，许多学者和仪器仪表厂家投入到了基于该技术的水质在线监测设备研制中。奥地利s:Can公司、德国ww公司、德国Go-Systemelektronik公司、加拿大SatlantiC公司以及我国浙江微兰科技、山东东润、深圳与正仪器、北京金达清创等公司先后研发了多款吸收光谱型水质在线分析仪用于总氮、氨氮、COD的检测。然而，由于直接光谱检测设备依赖的光谱数据与污染物浓度之间的数学模型易受环境因素的影响，各地的水体成分差异较大，使得模型的通
10、用性降低，检测江水、河水、湖水等复杂水体时的准确度下降，阻碍了产品的大范围推广应用，目前仅能作为自动监测站点检测手段的一种补充方法使用。由于传统的水质在线检测设备存在体积庞大、价格昂贵、制造工艺复杂等缺点，为进一步改进符合国家规定的分析方法要求的水质检测设备，国内外众多水质分析仪器厂商在检测系统方面开展了大量的研制工作。得益于微机电系统技术的进步，微流控技术可以将化学和生物领域中涉及的取样、样品预处理、生化反应、检测分析以及检测结果输出等过程全部通过微通道网络集成在一个芯片上完成，具有分析速度快、样品用量少、集成化和自动化潜力高的特点。此外，光学手段的引入使得微流控制备的芯片实验室不仅可以实现
11、绝大部分生物实验中的样品操作步骤，更能够快速的诊断和检测出样本指标。迄今为止，许多常见的生物检测应用已经被集成在微流控芯片上,如血液血浆分离，核酸放大，免疫酶联反应，以及对水质、食品安全的分析检测等方面（表1）。一些国外公司已经利用光学技术并结合微流控技术开发了多款商业化的水环境监测传感器，如表2所示。表1微流控光学传感器检测目标分析方法传感介质基底LOD二价铅比色法功能化纳米颗粒PDMS10M硝酸盐比色法显色剂PDMS0.7mgL硝酸盐比色法显色剂PMMA0.0782ppm亚珅酸盐SERS功能化纳米颗粒PDMS0.67pb硝酸盐和亚硝酸盐比色法显色剂PMMA0.02M,0.025M耐药菌比色
12、法显色剂纸10CFUZmL表2商业化水质光学传感器检测目标分析方法检测范围公司氨氮，硝酸盐，磷酸盐比色法与微流控Chemkey技术氨氮：0.01-0.8mg/L；硝酸盐：0430mg/L；磷酸盐：0.02-3mg/LHach碑试剂盒-比色法0-500ppbFondriestEnvironmental神试剂盒-比色法2-100ppbPalintest神原子荧光光谱法10ppbPSAnalytical碑，镉，格酸盐，铅试纸条1PPbChemSee硝酸盐紫外光谱28ppbOTTHydroMet众多国内外企业和学者在利用微流控技术并结合光学方法开展水质检测方面的研究取得了不小的进步,美国Hach公司采
13、用微流控专利Chemkey技术生产的SLlOOO多参数便携式水质分析仪，可以检测磷酸盐，硝酸盐，氨氮。杭州绿洁环境科技股份有限公司研发的基于微流控技术的氨氮、总氮和总磷在线监测系统性能不仅满足了国家标准，而且减少了仪器的运维频率以及运维成本。杭州毫厘科技依托Loe平台颠覆了组多重要离子的快速测定。毫厘科技开发了包括离子载体敏感膜和离子交换聚合物在内的多种新型材料来对目标离子如氨氮、硝酸盐或有机物进分离和鉴定，有针对性的通过电化学技术或光谱技术在不使任何化学试剂的情况下来完成氨氮、硝酸盐，并以此来快速确定样品中总氮的含量。4 .标准制定的基本原则和技术路线4.1 标准制定的基本原则4.2 标准制
14、定的技术路线环境保护部科技怀准司卜达任务I成立标准制定编制组国内外相关标准、规范、文 献的研究进展技术方法的文献资料和 咨询调研国内外微流捽水质段测应用情况调研初步探索性试验，明确技术路线等需改进的地方,编写开题报告和标准草案,组织开题论证确定标准制定主要研究内容和方法参照 GB11892-89、HJ 828-2017 HJ/T 3992007 HJ 535-2009 HJ536-29. GB/T 11893-1989、HJ636-2012 及 HJT1OO23 HJ 377-2019. HJ 101-2019. HJ/T 103-2003、HJ/T 102-2003 等标注.初步确定试验条件
15、参数和范用取点针对微流体的楮准控住、高温密封洎解、吸光度尿定及检测等技术关键点,开展系列试验.筛选最佳条件参数确定流体择放顺用及择放时的设 确定吸光度标定方式 备参数，筛选最隹离心的参数阶段实舱研究一提升吸光度 校测精度建立微流体精准控 制完整的参数确封容4定消器集加式 孟方 确热济度间 一定部时 确解及阶段 阶段方法验证 征求噫见二发布阶段 审和图1标准制订技术路线图5 .方法研究报告5.1 标准编制原则本标准的编制需符合国家产业政策与发展原则，本着先进性、科学性、合理性和可操作性的编制原则进行本标准的起草制定工作。本标准在起草过程中，主要依据以下标准进行编制：GBZT191包装储运图示标志GBZT601化学试剂标准滴定溶液的制备GB/T2828抽样标准GB/T6682-2008分析实验室用水规格和试验方法GB/T13384机电产品包装通用技术条件GB27990生物芯片基本术语GB41521-2002多指标核酸恒温扩增检测微流控芯片通用技术要求GB50073-2013洁净厂房
