基于多模锥形光纤传感器的光学响应技术，用于检测经过尼罗红染色的微塑料

《Optical Fiber Technology》：Multimode tapered fiber Sensor-based optical response for the detection of Nile Red-stained microplastics

微塑料污染检测中采用多模渐缩光纤结合尼罗红染色法，通过吸光度峰值587nm实现高线性定量，荧光光谱690-730nm范围辅助形态分析，为环境监测提供快速灵敏的解决方案。

　　微塑料（Microplastics, MPs）作为环境中的污染物，其广泛存在对生态系统和人类健康构成了严重威胁。这些微小的聚合物颗粒通常小于5毫米，可以在土壤、淡水、海洋等自然环境中被检测到。由于其难以降解的特性，微塑料会长期存在于水体中，并可能意外进入食物链，引发一系列环境和健康问题。在这些微塑料中，聚苯乙烯（Polystyrene, PS）尤为突出，因其在包装、一次性产品和工业应用中的广泛使用，导致其在水生和陆地生态系统中占据主导地位。此外，PS的高耐降解性和疏水性使其能够吸附有机污染物和重金属，从而比许多其他聚合物微塑料更具持久性和危害性。

随着全球塑料废弃物产量的增加以及回收工作的不足，微塑料污染问题日益加剧。微塑料的小尺寸、大表面积以及强吸附能力使其能够作为持久性有机污染物、重金属和病原微生物的载体，进一步放大其生态影响。已有研究表明，PS微塑料与水生生物及人类细胞系中的氧化应激、炎症反应和细胞毒性有关，长期暴露还可能引发免疫功能障碍和上皮屏障损伤。除了通过污染食物和水导致摄入外，微塑料还可能通过空气中的颗粒物被吸入，从而对健康造成影响。研究显示，微塑料暴露会导致生物组织中的氧化应激、炎症和生物累积，进而引发长期的毒理效应，包括癌症。特别是PS微塑料的吸入已被与人类肺上皮细胞中的肺毒性相关联，表现为活性氧（ROS）的形成和α1-抗胰蛋白酶水平的下降，增加了慢性阻塞性肺疾病（COPD）的风险。

近年来，研究者发现微塑料能够迁移到大脑，这一现象在动物模型中已有报道，而近期的尸检研究也确认了在人类前额叶皮层中存在微塑料，这引发了对潜在神经毒性和长期人类暴露的担忧。鉴于这些环境和生物风险，准确检测和量化微塑料，尤其是那些高度持久和有毒的亚型，如PS，对于评估其影响并制定有效的缓解策略至关重要。

为了应对微塑料污染问题，各种分析技术被开发出来，以提高其在环境和生物样本中的检测和量化能力。例如，基于光栅的空间异频拉曼光谱（Splicing Grating Spatial Heterodyne Raman Spectroscopy, SG-SHRS）在微塑料检测方面取得了显著进展，实现了高达0.7厘米?1的高光谱分辨率，并具有广泛的检测范围。这种高分辨率使得能够区分化学性质相近的聚合物，从而提高识别的准确性。此外，其扩展的检测范围有助于克服低信噪比和有限光谱覆盖的问题，从而在复杂的基质中，如海水，实现全面的微塑料分析。然而，该方法在检测限、量化准确性和应用于异质环境样本方面仍需进一步验证。

除了基于拉曼的技术，荧光方法，尤其是尼罗红（Nile Red, NR）染色，也因其对疏水性聚合物的强亲和力而受到关注。NR是一种溶剂染色和变色染料，其荧光特性会随着分子相互作用和环境极性而变化。NR在可见光谱中具有宽泛的吸收和发射波段，同时具备高光稳定性，使其成为一种可靠的荧光探针用于微塑料检测。最近的一项研究引入了一种具有绿色荧光的尼罗红衍生物（NR1），显著提高了极性聚合物微塑料的检测能力，将检测范围从41 MPs/L提升至103 MPs/L，从而更好地与天然颗粒区分。尽管有这些进展，但优化传感器性能和分析可靠性仍然是一个挑战，因为光谱干扰、聚合物降解效应以及标准化协议的缺乏。

在此背景下，多模锥形光纤（Multimode Tapered Fiber, MMTF）传感器作为一种新型的检测工具，正逐渐成为传统方法的有力替代。MMTF传感器的机制基于在锥形区域传播的扩展倏逝场与样品之间的相互作用，这种相互作用增强了光与物质之间的交互，从而提供了高灵敏度的检测能力。与传统光谱技术相比，MMTF传感器的操作相对简单，能够实现现场检测，无需复杂的样品前处理。此外，该传感器所需的样品量非常少，低至1微升，这使其在环境监测和污染评估中具有应用潜力。

本研究探讨了使用MMTF传感器检测尼罗红染色微塑料的光学响应，重点关注吸收和荧光特性，以评估其检测能力。通过分析不同浓度（从0.0 mM到1.0 mM）的尼罗红染色微塑料，评估了基于MMTF的传感器在微塑料量化方面的可行性。传感器的性能基于其对不同浓度的响应进行分析，从而提供了关于其检测潜力的见解。这些发现为光学纤维传感技术的发展做出了贡献，突显了该方法在微塑料检测中的可行性，并为通过更有效的微塑料分析改善环境监测奠定了基础。

在MMTF的制备过程中，使用了Vytran GPX-3000光学纤维工作站。研究中采用的光纤是一种由OFS（Furukawa的子公司）制造的渐变指数多模光纤，其纤芯直径为62.5 ± 2.5微米，包层直径为125 ± 1微米。光纤的中间部分，长度约为1米，被剥离并清洁后，开始进行锥形处理。随后，光纤的两端被固定在相应的设备上，以确保其在检测过程中的稳定性。

通过显微镜图像，可以观察到微塑料在染色前后的形态变化。图4中的显微镜图像显示，染色后的微塑料相比未染色的微塑料具有更高的可见性。染色过程改变了微塑料的光学特性，使其在成像过程中更易于识别和区分。与之前报道的微塑料图像进行比较分析，进一步支持了这一观察结果，显示出在形态、尺寸和表面特征上的显著相似性。

为了确定MMTF的参考基线，进行了吸收和荧光光谱的表征。研究分析了裸露的MMTF以及含有NR和DMSO的MMTF的吸收和荧光光谱。其中，NR的“块状”形式指的是溶解在DMSO中的NR，而“干燥”形式指的是溶解在DMSO中的NR在MMTF表面干燥后的状态。同样，DMSO的“块状”形式指的是DMSO本身，而“干燥”形式指的是DMSO在光纤表面蒸发后的状态。在所有情况下，样品的体积为100微升，以确保检测的准确性和可重复性。

基于吸收的检测方法为分析染色微塑料的光学特性提供了重要手段，能够定量评估其在不同浓度下的光学响应变化。本研究探讨了不同浓度（从0.0 mM到1.0 mM）的尼罗红染色微塑料的吸收光谱。图6(a)中显示，这些吸收光谱与块状NR的吸收光谱不同，呈现出在660纳米、690纳米和705纳米处的吸收峰和吸收谷。尽管NR通常在特定波长下表现出最强的激发，但在不同浓度下，其吸收特性会发生变化，从而影响检测的准确性。

基于荧光的检测方法同样被用于分析尼罗红染色微塑料的特性。在690-730纳米的荧光发射范围内，随着微塑料浓度的增加，荧光信号也相应增强，尤其是在702纳米处的吸收峰更为显著。这些光谱特征表明，荧光信号的变化可能受到吸收的调节，从而影响检测的准确性。因此，通过结合吸收和荧光检测方法，可以更全面地评估尼罗红染色微塑料的特性，并提高检测的可靠性。

研究结果表明，MMTF传感器在检测尼罗红染色微塑料方面表现出较高的灵敏度和效率。该传感器能够实现对微塑料的快速检测，同时具备良好的重现性，使其在环境监测和污染评估中具有应用潜力。此外，该传感器所需的样品量非常少，这使其在实际应用中更加便捷。通过进一步优化传感器性能和分析方法，可以提高微塑料检测的准确性和可靠性，从而更好地应对环境和健康挑战。

在这一研究中，还探讨了MMTF传感器在不同浓度下的响应情况，以评估其检测能力。通过分析不同浓度的尼罗红染色微塑料，可以了解传感器在不同条件下的表现，从而为实际应用提供数据支持。此外，该研究还强调了MMTF传感器在环境监测中的优势，如其操作简便、响应迅速以及对复杂基质的适应性。这些特点使其成为一种有潜力的工具，用于微塑料的检测和量化。

研究团队由多位科学家组成，他们在微塑料检测和传感技术的研究中各司其职。Nurul Nadiah Zulkeflee负责撰写初稿、可视化和形式分析；Syahindah Haziqah Mohd Saing负责调查和形式分析；Yasmin Mustapha Kamil负责验证、监督和方法设计；Maisarah Mansor负责撰写和编辑；Norhana Abdul Halim负责调查；Nadiah Husseini Zainol Abidin负责撰写和编辑、监督、项目管理和概念设计；Mohd Adzir Mahdi负责监督和资源管理。这些贡献表明，研究团队在多个方面进行了深入探讨，为微塑料检测和传感技术的发展提供了全面支持。

本研究的成果得到了马来西亚高等教育部的资助，通过基础研究资助计划（FRGS/1/2024/TK07/UPM/02/4）支持。这一资助为研究提供了必要的资源和条件，使得能够进行深入的实验和分析。研究团队在实验过程中采用了多种技术手段，包括显微镜成像、光谱分析和传感器测试，以确保研究的科学性和可靠性。

综上所述，本研究通过结合多模锥形光纤传感器和尼罗红染色技术，实现了对微塑料的快速、准确和高效的检测。这种检测方法不仅能够区分不同类型的微塑料，还能够评估其在不同浓度下的光学响应变化，从而为环境监测和污染评估提供了新的思路和技术手段。通过进一步优化传感器性能和分析方法，可以提高微塑料检测的准确性和可靠性，为解决环境和健康问题提供科学依据。