带有微腔阵列的微图案化微波谐振器，用于实现对水生微塑料的超灵敏、无标记定量分析

《Sensors and Actuators A: Physical》：Micropatterned Microwave Resonator with Microcavity Arrays for Ultrasensitive, Label-Free Quantification of Aquatic Microplastics

微塑料检测中采用基于集成被动器件（IPD）技术的微螺旋结构微波传感平台，在去离子水和普通水中均实现超低检测限（0.52 particle·μL?1）和高灵敏度（2.88 MHz·particle·μL?1），通过微孔阵列增强电场扰动效应，快速响应（<1秒）且无需标记，适用于便携式水质监测。

　　微塑料（Microplastics, MPs）作为现代环境中广泛存在的污染物，其检测技术的发展对于环境保护和生态健康具有重要意义。微塑料因其化学稳定性、低成本和广泛的工业应用而被大量使用，但随着环境的不断变化，这些塑料材料逐渐分解为微米乃至亚微米级的微塑料颗粒，对生态系统和人类健康构成了潜在威胁。目前，微塑料的检测主要依赖于传统方法，如光学显微镜、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、拉曼光谱以及流式细胞术等。然而，这些方法在实际应用中存在诸多局限，例如检测灵敏度不足、操作复杂、对样品处理要求高，以及无法实现实时监测等。因此，开发一种高效、便捷且具有高灵敏度的微塑料检测技术成为当前研究的重点。

为应对这一挑战，本文提出了一种基于微波传感技术的新型检测平台，采用集成无源器件（Integrated Passive Device, IPD）工艺制造，能够在无标记的情况下实现对微塑料的定量分析。该平台适用于去离子水（DI water）和自来水（tap water）环境，具备微型化、快速响应和高灵敏度等优势，为现场监测和环境毒理学评估提供了新的可能性。

微波传感技术的核心原理基于介电扰动效应，即微塑料颗粒的介电特性与周围水介质存在显著差异，从而影响微波场的分布。通过在传感器的谐振腔内引入微塑料颗粒，可以引起谐振频率的偏移以及品质因子（Q值）的变化。这些变化与微塑料的浓度和尺寸密切相关，因此可以通过测量这些参数的变化来实现对微塑料的检测。传统的微波传感器由于结构设计和制造工艺的限制，其灵敏度和检测精度往往难以满足实际需求。为此，本文设计了一种微螺旋结构的微波传感器，通过优化其几何形状和材料特性，显著提高了对微塑料的检测能力。

在实验验证方面，本文采用两种不同的微波传感器结构：一种是基于互指电容器（Interdigital Capacitor, IDC）的传感器，另一种是基于IPD谐振器的传感器。IDC传感器通过测量电容变化来反映微塑料浓度，而IPD谐振器则利用谐振频率偏移作为检测指标。实验结果显示，IDC传感器在去离子水中对微塑料的检测限为23.75个/μL（≤5 μm颗粒），而在自来水中则为18.70个/μL（≥16 μm颗粒）。相比之下，IPD谐振器表现出更优异的性能，其检测限分别降至0.52个/μL（≤5 μm）和2.58个/μL（≥16 μm），同时具有更高的灵敏度，分别为2.88 MHz·个/μL和0.89 MHz·个/μL。这一显著提升得益于IPD谐振器的结构优化，其由61个径向对称的微孔阵列组成，每个微孔的半径为15 μm，从而增强了电磁场的局部辐射强度，提高了介电扰动的响应效果。

此外，本文还探讨了谐振幅值深度分析在区分不同水环境中微塑料颗粒的作用。通过分析谐振信号的幅值变化，可以有效识别不同尺寸的微塑料颗粒，从而扩大了该平台的应用范围。这一特性对于复杂水环境中的微塑料检测尤为重要，因为不同尺寸的颗粒可能具有不同的生态影响和健康风险。因此，具备尺寸分辨能力的检测技术能够更全面地评估微塑料污染的程度。

本文所提出的微波传感平台具有显著的微型化特征，其尺寸小于1 mm×1 mm，这一优势使其非常适合于便携式或现场监测设备。传统的微波传感器通常体积较大，难以在野外或移动环境中进行部署。而本文的微型化设计不仅降低了设备的体积，还提高了其便携性和操作的便捷性。同时，该平台的响应时间短至1秒以内，能够在短时间内完成检测，适用于需要快速反馈的环境监测场景。

在实际应用中，该平台可以用于评估不同水体中微塑料的污染情况，包括湖泊、河流、海洋以及地下水等。此外，由于其无标记检测的特点，该平台避免了对样品进行化学处理或标记，从而减少了对环境样本的干扰，提高了检测的准确性和可靠性。这在环境毒理学研究中尤为重要，因为微塑料往往与其他污染物共存，传统的标记方法可能会影响后续的污染物分析。相比之下，本文的检测方法能够更真实地反映微塑料在自然环境中的分布和变化。

为了进一步验证该平台的性能，本文进行了系统的实验测试，涵盖了不同浓度和尺寸的微塑料颗粒。实验结果显示，随着微塑料浓度的增加，传感器的局部介电常数也随之升高，从而导致电容值的降低和谐振频率的偏移。这一现象表明，该平台能够准确地捕捉微塑料浓度的变化，并将其转化为可量化的信号输出。同时，实验还表明，该平台在复杂水环境中的表现尤为突出，能够有效区分不同尺寸的微塑料颗粒，从而提高了检测的特异性。

从技术角度来看，本文的微波传感平台结合了先进的微加工技术和材料科学，实现了对微塑料的高效检测。IPD技术作为一种成熟的微电子制造工艺，能够提供高精度、高稳定性的无源器件，从而保证了传感器的性能。此外，该平台的结构设计也充分考虑了微塑料颗粒在水中的分布特性，通过优化微孔阵列的布局和尺寸，增强了对微塑料的捕获能力和信号响应。这种结构设计不仅提高了检测的灵敏度，还降低了对样品体积的要求，使得该平台能够在有限的样本量下实现高精度的检测。

在环境监测领域，微塑料污染的广泛存在对生态系统的健康构成了严重威胁。微塑料不仅能够吸附重金属、有机污染物等有害物质，还可能通过食物链传递，影响生物体的生理功能和生存环境。因此，对微塑料污染的实时监测和定量分析具有重要的现实意义。本文提出的微波传感平台为这一目标提供了可行的技术方案，其高灵敏度和快速响应能力使其能够在短时间内完成对微塑料浓度的精确测量，从而为环境管理部门提供及时、准确的数据支持。

综上所述，本文所开发的基于IPD技术的微波传感平台在微塑料检测方面表现出卓越的性能。其无标记检测、高灵敏度、快速响应和微型化设计，使其成为一种理想的现场监测工具。此外，该平台在区分不同尺寸微塑料颗粒方面的能力，也为其在复杂环境中的应用提供了保障。随着微塑料污染问题的日益突出，本文的技术方案有望为环境监测、污染治理和生态评估提供新的思路和工具。未来的研究可以进一步探索该平台在不同水体和多种污染物检测中的应用潜力，同时优化其制造工艺，以实现更广泛的商业化和实际应用。