基于灵敏度增强的平面微波谐振耦合技术实现水体中微塑料粒径与浓度实时监测

本研究针对水体微塑料(MP)污染监测难题，开发了一种集成叉指电容(IDC)与裂环谐振器(SRR)的平面微波传感平台，通过电磁耦合原理实现20-275μm粒径、100k-10,000k Particles/L浓度范围内MP的实时动态检测，平均灵敏度达8.64-110.78kHz，为环境监测提供低成本、可现场部署的创新解决方案。

　　

随着全球塑料污染日益严重，微塑料（Microplastics, MPs）——直径小于5mm的塑料颗粒——已成为威胁生态系统和人类健康的新型环境污染物。这些微小颗粒不仅存在于海洋、淡水、土壤等自然环境中，甚至在人体的多个器官中被检出。传统检测方法如傅里叶变换红外光谱（FTIR）和拉曼光谱虽能准确识别MPs，但存在设备昂贵、操作复杂、难以现场实施等局限性。面对这一挑战，加拿大滑铁卢大学的研究团队在《Journal of Hazardous Materials》发表了一项突破性研究，开发出基于平面微波谐振耦合技术的便携式传感系统，实现了对液体介质中MPs粒径和浓度的实时、低成本监测。

研究团队采用电磁仿真软件HFSS优化设计了三层传感芯片结构：顶部为可抛弃式PDMS样品池（成本<1美元），中层集成叉指电容（Interdigital Capacitor, IDC）的标签谐振器（252μm厚），底部为平面微波读取器（1.575mm厚）。通过矢量网络分析仪（VNA）监测S₂₁参数动态变化，系统捕捉MPs沉降过程中引发的谐振频率偏移，其斜率与粒径正相关（20μm:8.64kHz，70μm:38.52kHz，275μm:110.78kHz），稳态偏移量与浓度呈线性关系。实验验证了该系统在四种介质（去离子水、自来水、NaCl和尿素溶液）和10-30°C温度范围内的稳定性。

【Sensor Design and Simulation】
通过HFSS仿真优化IDC-SRR复合结构，增强电磁耦合强度。模拟显示IDC的引入使电场分布更集中，灵敏度较传统SRR提升3.2倍。

【MATERIALS AND METHODS】
选用聚乙烯微球（20/70/275μm）作为标准MPs，在含0.1% Tween20的溶液中测试。VNA以2分钟间隔记录谐振频率，通过时频曲线特征解析粒径与浓度。

【EXPERIMENTAL RESULTS AND DISCUSSION】
275μm MPs在10,000k Particles/L浓度下产生最大频偏（218.4kHz），检测限达100k Particles/L。温度变化引起的频偏<5%，证明环境适应性。

【LIMITATIONS AND FUTURE OUTLOOK】
当前系统对<20μm MPs灵敏度不足，未来需通过纳米结构增强局部场强。研究者建议整合机器学习算法提升多组分识别能力。

该研究的创新性体现在三个方面：首先，首创将IDC与SRR耦合结构应用于MPs检测，突破传统光学方法的尺寸限制；其次，开发的耗材成本不足1美元，大幅降低监测门槛；最后，实时动态监测模式可区分沉降过程与稳态信号，实现粒径-浓度双参数解析。这项工作为流域尺度MPs污染调查提供了革命性的技术工具，其设计思路也可拓展至其他悬浮颗粒物的快速检测领域。研究获得加拿大自然科学与工程研究委员会（NSERC）"清洁未来塑料科学"计划支持（ALLRP 558435-20），体现了基础研究向环境工程应用转化的重要范式。