纳米塑料（粒径 < 1μm）作为新兴环境污染物，可穿透生物屏障并在生物体内富集，对生态系统和人类健康构成潜在威胁。然而其极小的尺寸导致传统检测方法存在通量低、成本高、操作复杂等痛点，严重制约了全球纳米塑料污染的全面评估。香港理工大学研究团队开发的聚合 – 浓缩微流控技术，创新性地将颗粒聚合与螺旋惯性微流控（SIMF）结合，无需缩小微流控通道尺寸即可实现亚微米塑料的高效富集与检测，为环境纳米塑料监测提供了低成本、易推广的解决方案，也为微流控芯片在亚微米颗粒分析领域的应用开辟了新方向。
1. 纳米塑料检测的行业痛点与技术挑战
纳米塑料的环境危害已成为全球共识，其可携带有毒有害物质并通过食物链传递，近期研究更证实其已进入人体血液和胎盘组织。但传统检测方法存在显著局限：过滤法易因颗粒穿滤导致回收率低，超速离心法操作繁琐且通量有限，拉曼光谱和扫描电镜（SEM）虽能实现定性分析，但设备昂贵、检测耗时且需专业人员操作。
在微流控技术领域，螺旋惯性微流控因无标记、高通量的优势被广泛应用于细胞分选，但传统设计仅能处理粒径 > 10μm 的颗粒。若要分选亚微米颗粒，需通过微纳加工平台缩小通道尺寸以满足临界约束比要求，这不仅会大幅提升MEMS 加工成本，还易引发通道堵塞、流阻过高等问题。同时，亚微米颗粒的布朗运动和范德华力会破坏惯性力与迪恩阻力的平衡，进一步限制了传统惯性微流控在纳米塑料检测中的应用。
2. 聚合 – 浓缩微流控装置的创新设计与制备工艺
该研究开发的微流控装置采用双层结构设计，下层为 2.5mL 的聚合腔室，内置磁力搅拌棒实现颗粒均匀混合与聚合；上层为 9 环螺旋通道，用于聚集体的惯性聚焦与分离。装置制备采用PDMS 芯片标准软光刻工艺，流程成熟且成本可控：首先通过 3D 打印制作腔室模具，采用微机械加工技术制备螺旋通道母模；将 PDMS 预聚体与固化剂按 10:1 比例混合浇筑，脱泡后 70℃固化 2 小时；使用PDMS 打孔器制作进样口与出样口，经PDMS 等离子键合机处理后与玻璃载片键合形成腔室通道；最后通过PDMS 键合对准平台将腔室与螺旋通道精准对齐并二次键合，70℃烘烤 30 分钟增强结合强度。
这种制备工艺无需复杂的深硅刻蚀或电子束光刻设备，相比传统高精度MEMS 加工方案大幅降低了制造成本，适合批量生产。装置的核心创新在于 “先聚合后浓缩” 的策略：通过明矾诱导纳米塑料形成微米级聚集体，使其满足传统螺旋惯性微流控的尺寸分选要求，从根本上解决了亚微米颗粒难以通过惯性微流控处理的行业难题。
3. 关键参数优化与检测性能验证
研究团队对聚合条件和装置运行参数进行了系统优化，确保检测的高效性与准确性。在聚合工艺方面，确定 200μg/mL 为最佳明矾浓度，pH6.5 时聚合效率最高，20 分钟可使 100nm PTFE、500nm PMMA 和 900nm PS 纳米塑料形成稳定聚集体。在装置运行方面，优化流速为 1.9mL/min，此时约 99% 的标准微球集中在 3 号和 4 号目标出口，通过去离子水冲洗步骤可将腔室死体积导致的样品损失降至 3%。
性能验证结果显示，该装置对单一成分纳米塑料的荧光面积回收率达 89%-93%，对低至 10μg/mL 的样品仍保持 86%-90% 的稳定回收率。在模拟海水基质中，混合纳米塑料的回收率达 88%，显微拉曼光谱证实了异质聚集体的形成。在香港维多利亚港海水的实地检测中，该方法的纳米塑料回收率比传统过滤法提高 4 倍以上，估算海水中纳米塑料浓度为 5.9μg/mL，主要成分为聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯，与当地海域塑料污染特征一致。
4. 技术优势与多领域应用拓展
该技术的核心优势在于突破了传统惯性微流控的尺寸限制，无需昂贵的微纳加工设备即可实现亚微米塑料的高效富集。结合尼罗红荧光染色和标准荧光显微镜即可完成定量检测，无需专业的光谱仪器，特别适合环境监测机构、水处理厂和资源有限地区的常规检测。
除水环境监测外，该技术具有广阔的多领域应用前景：在环境领域，可拓展至土壤、沉积物和空气样品的纳米塑料检测；在生物医学领域，通过优化混凝剂适配血液、血浆等生物基质，可实现人体生物样本中纳米塑料的定量分析，结合3D 细胞培养芯片和类器官芯片，还能深入研究纳米塑料的生物效应与毒性机制；微流控芯片定制服务可根据不同检测需求调整通道结构和聚合条件，开发针对不同基质的专用检测芯片。此外，该技术的聚合 – 分离思路也可应用于病毒、外泌体等其他亚微米生物颗粒的检测，为临床诊断提供新的技术手段。
5. 现存局限与未来发展方向
目前该技术仍存在一些待优化的问题：非特异性异质聚集会导致拉曼光谱峰重叠，影响定性分析的准确性；海水中未完全去除的有机残留物可能产生荧光假阳性；腔室死体积限制了单批次处理通量。未来研究将聚焦于三个方向：一是开发高效生物相容性混凝剂，加速聚合动力学并实现连续流处理；二是采用密度分离结合过氧化氢消化的预处理方法，进一步降低假阳性率；三是优化腔室设计并引入压电泵，将单批次处理量从 2.5mL 提升至 25mL，同时通过芯片表面修饰技术（如亲水修饰、PEG 修饰）减少颗粒吸附，进一步提高回收率。
随着微流控加工技术的不断进步，高精度 3D 打印、多层微流控芯片制备等技术将推动该装置向集成化、便携化方向发展。未来有望开发出集样品预处理、富集、检测和数据分析于一体的全自动纳米塑料检测系统，成为全球纳米塑料污染监测的标准技术手段，为环境保护和公共卫生安全提供有力支撑。
图S1 装置内流体流动的建模。(a) 计算流体动力学（COMSOL 公司，马萨诸塞州伯灵顿市）用于对横截面平面的流速进行建模，箭头指示螺旋通道内的二次流。(b) 大小颗粒与螺旋微通道中主流和二次流相互作用的示意图；较大颗粒（紫色）\(with >0.7\) 限制比（CR）会在通道内侧出现明显的\(F_{L}\) 以平衡\(F_{D}\)，而限制比大于0.7的较小颗粒（绿色）则不会。
图S2。使用20微米荧光微球对先聚集后浓缩装置进行流速优化。图像展示了选定流速下绿色荧光微球的聚焦流束：(a) 1.7毫升/分钟、(b) 1.9毫升/分钟和(c) 2.1毫升/分钟。对应荧光强度（任意单位）沿500微米通道宽度绘制，粉色虚线表示通道边界。(d) 1.9毫升/分钟流速下从装置1-5号出口收集的20微米微球的微球回收率（MSR）。(e) 从4号出口回收的微球代表性图像；\(scalar bar =100 \mu m.\)
图S3。捕获颗粒的定量分析（演示所用为10微米荧光颗粒）(a) 对比了处理过程中转移并在后续洗涤步骤中回收的颗粒总数与腔室内捕获的颗粒数量。(b) 腔室内捕获颗粒的代表性荧光和明场图像 \((scale bar =100 \mu m )\)。
图S4。在一系列选定的明矾浓度下培养30分钟形成的900纳米聚苯乙烯纳米颗粒聚集体的平均尺寸。(a) 聚集体的平均尺寸（微米）与不同明矾浓度（50、100、200、300微克/毫升）的关系。数据为三次实验的平均值±标准差。(b) 利用磁力搅拌器和24孔板优化聚集效率的实验装置。(c) 不同选定明矾浓度（50、100、200、300微克/毫升）下聚苯乙烯纳米颗粒聚集体的相差显微镜图像。\(Scale bar =100 \mu m\)
图S5。在优化的明矾浓度（200微克/毫升）下，不同pH值条件下形成30分钟的900纳米聚苯乙烯纳米颗粒聚集体的平均尺寸。(a) 平均尺寸（微米）随不同pH值变化的曲线图。数据为三次实验的平均值±标准差。(b) 不同pH值（1、3、6.5、9、12）条件下聚苯乙烯纳米颗粒聚集体的相差显微镜图像。比例尺 = 100 \(Scale bar =100 \mu m\)
图S6。不含明矾的900纳米聚苯乙烯纳米颗粒（对照组1）和不含聚苯乙烯纳米颗粒的明矾（对照组2）在选定时间间隔（5分钟、10分钟和20分钟）下的对照组相差显微镜图像；比例尺 \(=100 \mu m\)
图 S7。500 纳米聚甲基丙烯酸甲酯纳米颗粒和 100 纳米聚四氟乙烯纳米颗粒在选定时间间隔 \(t=5 ~min\)、10 分钟和 20 分钟内聚集的相差显微镜图像 \(Scale bar =100 \mu m\)
图S8 优化明矾浓度和pH条件下纳米颗粒浓度对聚集的影响。不同聚苯乙烯纳米颗粒（PS-NPs）浓度（30、20、10 微克/毫升）和时间间隔（5分钟、10分钟、20分钟）下900纳米聚苯乙烯纳米颗粒（PS-NP）聚集体的相差显微镜图像。代表性聚集的聚苯乙烯纳米颗粒以红色圆圈标出。比例尺=100微米。
图S9. 采用5微克/毫升和1微克/毫升浓度的PS-NPs，在所有优化参数下对聚集（检测）极限的鉴定。(a) 5微克/毫升PS-NPs和(b) 1微克/毫升PS-NPs在优化条件下培养20分钟的相差显微镜图像：图像显示未观察到聚集的PS-NPs。
图S10。从目标出口检索到的均匀NSP聚集体的代表性拉曼光谱。该图包括（a）900 nm聚苯乙烯（PS）、（b）500 nm聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和（c）100 nmpolytetrafluoroethylene（PTFE）样品（红色）的图像和相应的拉曼光谱。为了进行比较，PS、PMMA和PTFE的参考拉曼光谱以蓝色显示。图像上的红圈表示光谱采集的焦点。规模\(bar =20 \mu m\)
图S11.非聚集对照的尼罗河红最小染色。来自设备的对照A（不含明矾的500nm PMMA-NPs）的代表性图像。这些图像包括尼罗河红染色后从目标出口（TO）和废物出口（WO）检索的PMMA-NSP的相衬和尼罗河红染色视图；\(scale bar =25 \mu m\)
图S12。没有NPs的样品中没有聚集体。来自设备的对照B（不含NPs的DI水中的明矾）的代表性图像。这些图像包括尼罗河红染色后从目标出口（TO）和废物出口（WO）检索的样品的相衬和尼罗河红染色视图；\(scale bar =100 \mu m\)
图S13。不同浓度（微克/毫升）下单位体积荧光面积密度（FAD）的校准（\((k px^{2} / mL)\)）。(a) 900纳米聚苯乙烯纳米颗粒，(b) 500纳米聚甲基丙烯酸甲酯纳米颗粒，(c) 100纳米聚四氟乙烯纳米颗粒，以及(d) 聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯和聚四氟乙烯纳米颗粒的平均荧光面积密度。数据为三次实验的平均值±标准差。
图S14。使用常规过滤随后进行尼罗河红染色的比较研究。（a）所提出的装置和常规过滤之间的荧光面积密度（FAD）的比较。（b）从过滤中获得的代表性尼罗河红图像（比例\(bar =100 \mu m\)）。（c）常规过滤与尼罗河红染色相结合以分离、染色和量化亚微米大小内处理过的海水样品中的颗粒的图示。
图S15 目标出水口海水中分离出的聚集体的代表性拉曼光谱。(a) 约635、693、1434 cm⁻¹和\(2947 ~cm^{-1}\) 处的峰表明分析位置存在聚氯乙烯（PVC）。(b) 约1127、1443、1637 cm⁻¹和\(2870 ~cm^{-1}\) 处的峰与聚酰胺（PA）匹配。(c) 约991、1601、2806 cm⁻¹和\(3055 ~cm^{-1}\) 处的峰表明分析位置存在聚苯乙烯（PS）。(d) 约1131、1298 cm⁻¹和\(2843 ~cm^{-1}\) 处的峰与聚乙烯（PE）匹配。为清晰起见，标注了关键峰位。图中的红色圆圈标注了光谱采集的焦点（比例尺=10 \(bar =10\) μm）。PVC、PA、PS、PE的参考光谱以蓝色显示，背景（BG）以黑色显示。
图S16。使用沙子（20-300微米）和海藻酸盐（500-1000微米）颗粒模拟人工海水中的矿物和生物干扰物，评估尼罗红假阳性率。(a) 尼罗红和明场图像中识别出的颗粒总数，对应假阳性率为1.9%（73/3834）。(b) 沙子颗粒（红色圆圈）和海藻酸盐颗粒（黄色圆圈）的代表性明场与尼罗红图像。比例尺：100微米。
参考文献：https://doi.org/10.1016/j.crsus.2025.100575
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