水中不规则微塑料的高光谱成像检测

逍遥设计自动化

引言
由于水的物理特性会掩盖光谱特征，水中微塑料的检测面临诸多挑战。传统检测方法通常需要在分析前将微塑料从水中提取，使过程耗时且繁琐。本文探讨了使用高光谱成像技术直接检测和识别水环境中微塑料的新方法[1]。
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样品制备与实验装置

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图1：(a) 聚丙烯微塑料的扫描电子显微镜图像，展示了不规则形状和表面特征，(b) 十种不同研磨微塑料样品的收集容器，(c) 定制设计的玻璃比色皿，具有圆形和长形腔室用于水样品容纳，(d) 测量台上样品比色皿的布置，显示了系统化的成像组织。

+ J; X+ J/ G1 e* J研究分析了十种不同类型的微塑料，包括各种形式的聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、聚酰胺(PA)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。通过商用塑料颗粒的低温研磨制备微塑料，产生尺寸范围在50-400μm的不规则形状颗粒。定制的玻璃比色皿壁厚1mm，高度8mm，圆形杯直径21mm，长形杯尺寸为66.5×19mm。

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7 R7 c) J* ?; a; K0 h1 k% A高光谱成像系统

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图2：(a) 高光谱成像设置的示意图显示关键组件，(b) 实验配置的侧视图展示45度照明角度，(c) 实际设置的照片显示扫描方向和采集线方向。
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成像系统结合了两种基于线扫描的光谱成像器件：SpecimV10E用于可见光和近红外(400-1000 nm)，SpecimN25用于短波红外(1000-2500 nm)。设置包括七个位于45°角的卤素灯，提供均匀照明，样品放置在移动平台上进行系统扫描。
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, t* W( Y% B& h8 o信号处理与分析

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  q( w3 p9 @1 ^9 X4 x/ k0 q图3：微塑料识别的系统流程图，展示了从图像采集到处理步骤再到最终识别的过程。

2 c: K$ A! P) j1 K5 U& @" h% f分析流程包括多个信号处理阶段。首先，使用白色和暗场参考图像进行平场校正，去除成像噪声和照明效应。第二阶段实施水背景减除和以1550 nm通道为参考的基线校正。这种处理增强了区分不同塑料类型的特征光谱特征的可见性。
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光谱特征与识别
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$ r" g* V" W: |; A图4：显示了干燥条件和水中十种微塑料类型的光谱特征，展示了水对400-2500 nm范围内光谱特征的影响。
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. m0 R3 R; }6 {光谱分析显示出不同微塑料类型的独特特征。在短波红外区域，特征吸收带出现在1100-1300 nm之间、1400 nm附近、1600-1800 nm、2100-2250 nm和2300 nm以上。这些特征即使在水环境中也能区分微塑料类型，尽管水的吸收显著影响整体光谱形状。
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8 A% @0 F! ?0 f! N; p/ v9 Z/ X! f验证与性能结果
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2 c3 D( I# D7 b, Z" o图5：经水减除和基线校正后增强的光谱特征的校正反射光谱。

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. h+ B2 C, D# ^' H图6：用于微塑料识别的特征峰和谷的光谱特征一阶导数分析。
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9 N- V  b& Z+ v$ P; u" Z' Z系统性能验证展示了在水中成功识别不同微塑料类型。该方法对于较小颗粒浓度为5.5 mg/ml到较大颗粒浓度为11 mg/ml的范围实现了可靠检测。光谱特征的一阶导数分析提供了稳健的识别标准，特别是在光谱特征最显著的短波红外区域。
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5 n/ e8 L- t1 x实验验证与复杂混合物
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$ q+ {; }$ {% N) t9 E图7：单个微塑料识别结果展示了系统识别特定塑料类型的能力。

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- ^# M! {, p, B; e( b" N图8：微塑料混合物分析显示在单个样品中成功区分多种塑料类型。
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图9：使用含有各种微塑料组合的实际水样品模拟物进行性能验证。

  s5 D' R. s: e5 O$ J该方法成功识别了单个样品和复杂混合物中的微塑料。系统能够区分不同PE类型、PS变体和其他聚合物组，尽管在区分某些类型如PA时仍存在一些挑战，这是由于光谱相似性造成的。该技术在分析含有多种低浓度微塑料的实际水样品时表现特别有效。
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未来发展与应用
经证实的高光谱成像方法为实时水环境中的微塑料检测提供了显著优势。未来发展将聚焦于改进空间分辨率、提高检测灵敏度和优化样品处理程序。该方法在工业用水监测和环境分析应用方面显示出实用价值。
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参考文献
[1] Gebejes, B. Hrovat, D. Semenov, B. Kanyathare, T. Itkonen, M. Kein?nen, A. Koistinen, K.-E. Peiponen, and M. Roussey, "Hyperspectral imaging for identification of irregular-shaped microplastics in water," Science of the Total Environment, vol. 944, Art. no. 173811, Jun. 2024. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2024.173811
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