Low-cost microwave sensor for detecting the first generation of microplastic in aqueous media

Abstract

Microplásticos têm se tornado poluentes persistentes em ecossistemas e meio aquáticos, e a detecção e quantificação deles se tornaram fundamentais para a pesquisa ambiental e de saude. Este estudo investiga o desenvolvimento e teste de sensores ressonadores baseados em RF para a detecção de microplásticos em água. O objetivo principal foi determinar a capacidade do sensor de identificar e quantificar microplásticos por meio da análise da resposta em frequência, aproveitando-se de designs de ressonadores sensíveis a mudanças na frequência de ressonância na presença de partículas plásticas de diferentes tamanhos e concentrações. A metodologia incluiu tanto a simulação quanto o teste experimental de dois modelos de sensor. Na fase de simulação, foi utilizada análise por elementos finitos para otimizar as estruturas dos ressonadores, focando na distribuição do campo elétrico e nas mudanças na frequência de ressonância na presença de partículas de microplástico. Essas simulações orientaram a escolha de geometrias específicas de ressonadores e parâmetros de material esperados para oferecer alta sensibilidade nas medições práticas. A subsequente fabricação dos sensores em PCB incorporou microcanais para facilitar o fluxo controlado de amostras de água com microplásticos. Os testes experimentais foram realizados em duas gerações, cada uma compreendendo condições descarregadas (somente água) e carregadas (água com microplásticos). Os testes foram realizados com o uso de um Analisador de Rede Vetorial (VNA) em uma faixa de frequência de 1 a 6 GHz, onde as respostas dos sensores foram registradas para várias concentrações de partículas de microplástico (de 0,1% a 1%). Os microplásticos foram derivados de garrafas plásticas lixadas e de borracha moída de pneus, categorizados em tamanhos de partículas inferiores a 300 μm, 150 μm e 75 μm. Os dados da primeira geração forneceram mudanças de ressonância de referência, enquanto os ajustes no design do sensor para a segunda geração visaram melhorar a sensibilidade e a capacidade de distinguir respostas em concentrações mais altas de poluentes. Os resultados indicaram que ambos os modelos de sensor detectaram com sucesso a presença de microplásticos, evidenciado por mudanças mensuráveis na frequência de ressonância. O Modelo 1 demonstrou um deslocamento máximo de frequência de 525 MHz, enquanto o Modelo 2 atingiu um deslocamento de 105 MHz, indicando que ambos os sensores responderam significativamente à presença de microplásticos. O fator de qualidade para cada sensor, determinado a partir da largura de banda e das medições de pico de ressonância, demonstrou resolução satisfatória para detectar diferenças de concentração, com o Modelo 2 apresentando estabilidade de resposta aprimorada na presença de partículas de tamanho mais fino e concentrações mais altas de poluentes. Em conclusão, esta pesquisa confirma o potencial dos sensores de ressonadores RF como ferramentas eficazes para a detecção de microplásticos em água. Ao analisar deslocamentos de frequência e otimizar a geometria do sensor, este estudo contribui com uma abordagem fundamental para a detecção não invasiva de microplásticos, com implicações para desenvolvimentos futuros em tecnologias de sensoriamento ambiental.