快速检测100微米以下微塑料的高光谱成像系统的优化

快速检测100微米以下微塑料的高光谱成像系统的优化

摘要

塑料污染已成为威胁水生和陆地生态系统的紧迫问题之一。

然而，快速检测小型微塑料仍然具有挑战性。在此，我们提出了一种使用高光谱成像快速检测微塑料的方法，其中优化了商业上可用的高光谱成像系统（Pika IR+（Pika NIR-640））。优化包括：（1）将四个灯组件更改为一组对称的聚光近红外灯，这些灯放置在侧面，而不是样品上方工作台；（2） 采用微距摄影技术，在相机和镜头之间安装延长管，将高光谱相机的镜头移动到成像目标（工作距离约3cm）；（3） 通过调整成像系统的帧速率和扫描速度来调整曝光和宽高比。

优化后，每个像素的检测分辨率从250μm提高到14.8μm。通过优化的系统，可以快速检测到尺寸低至100μm的微塑料。这一结果有望将新方法应用于微塑料的加速检测，并有助于更好地了解微塑料污染状况。

• 商用高光谱成像系统经过优化，可快速检测微塑料。

• 使用红外线灯，采用微距摄影技术并调整曝光。

使用优化的系统可以检测到尺寸低至100μm的微塑料。

使用设备

Pika IR+（Pika NIR-640）, Resonon Inc., USA

方法详细信息

背景

对环境样品中微塑料的研究主要基于实验室中的样品收集、分离和定量。视觉观察、傅立叶变换红外光谱和拉曼光谱以及热解气相色谱是主要的鉴定方法。然而，这些方法费时费力。相比之下，高光谱成像技术为快速方便地量化环境微塑料颗粒提供了一种解决方案。在这项研究中，我们介绍了使用高光谱成像技术检测小微塑料的技术细节。针对该应用对市售的高光谱成像系统进行了改进。我们验证了使用我们改进的系统可以检测到低至100μm的微塑料。

高光谱成像系统

默认高光谱成像系统

微塑料检测基于Resonon Inc.（USA；图1）制造的台式高光谱成像系统。高光谱相机（Pika NIR-640，Resonon Inc.，USA）安装在塔上。该相机被集成到像素大小为15μm的二维InGaAs阵列探测器中。一个焦距为25毫米、视场为21.7°的镜头连接到相机上。高光谱图像是在近红外波长（900–1700 nm）上采集的，光谱采样分辨率为2.5 nm。系统上的平移台用于传输用于线性扫描的样本。照明白光的灯组件（四个卤素灯）位于摄像机和平移台之间的安装塔上。一台计算机连接到摄像机和翻译台。使用Spectronon Pro软件（Resonon Inc.，USA）进行图像采集、平移台移动的控制和立方体数据的处理。

由于去除了仪器传感器的响应和照明功能，因此在反射模式下获得了高光谱数据。当物镜被遮挡时，首先测量平均暗电流噪声，然后从所有数据中减去以定义零反射率。然后通过使用镀金聚碳酸酯过滤器（GPC0847-BA, Structure Probe, Inc., USA）测量绝对反射率（反射率=1）对信号进行缩放，该过滤器是微塑料检测的合适基质。在调整物镜焦点后，考虑到系统的线性扫描特性，通过调整扫描速度和帧速率（线采集率），并使用Spectronon Pro软件进行调整，获得接近真实的宽高比。

图1.用于检测微塑料的台式默认（即，在优化之前）高光谱成像系统。

对默认的高光谱成像系统进行了微塑料最小可检测尺寸的研究。当典型的相机到台的距离设置为~33cm时（相机到灯=13cm，灯到台=20cm；图2a），可以确保样品的顺利处理，因为相机和灯的进一步降低可能会加热样品，导致物理转变。在这些条件下，对于600行的扫描，可以以1.5876 cm s–1的扫描速度、100 Hz的帧速率和7.814 ms的积分时间拍摄无失真图像。在这种配置的系统中，可检测微塑料尺寸为min.~250μm。因此，为了测量更小的微塑料，我们优化了高光谱成像系统。

优化

对高光谱成像系统的以下组件进行了优化：光源和位置、允许微距摄影的调整以及曝光和宽高比。

图2.高光谱成像系统的关键工作部件（a）优化前和优化后。将聚乙烯颗粒放置在镀金聚碳酸酯过滤器上（右图）。使用一组对称的近红外（NIR）灯代替默认的白光灯，并将其放置在相机的右侧。在相机和镜头之间连接了一根延长管，用于微距摄影。

图3.使用具有白光灯和近红外（NIR）灯的高光谱成像系统测量聚乙烯（PE）颗粒的光谱反射率。

光源和位置的变化

为了避免四灯组件可能对样品进行加热，使用了一组对称的两个聚光NIR灯（LN-200CIR, CCS Inc., Japan），其覆盖波长为400–2500 nm，辐射热较低。近红外灯被放置在成像系统的左侧和右侧，以允许将相机朝向样品降低（图2b）。NIR灯的聚光线照明提供了足够的光强度，同时允许在NIR波长下进行摄影。使用真实的聚乙烯（PE）颗粒（300μm）作为测试样品（Standard Corp.，Japan）来检查不同光源下的光谱响应。在近红外灯下，PE光谱在1000–1600 nm波长范围内显示出更稳定的反射基线0.95–0.99，而在四灯组件下则显示出相对较大的变异性0.85–0.99。因此，在近红外灯下观察到的1540–1550 nm处的特征吸收特征在四灯组件下无法辨别（图3）。此外，在近红外灯下，从1650nm到1700nm，PE反射率基线在相对较小的范围（0.95到0.83）内变化，这有利于特征光谱特征的区分。相比之下，在四个灯组件的情况下，相对反射率从0.91急剧下降到0.11，导致光谱特征的潜在损失。我们的修改提供了更好的照明条件，尤其是在分析具有弱特征光谱特征的小样本和薄样本时。

微距摄影的调整

对该系统进行了修改，允许使用微距摄影技术进行微塑料检测。通过插入延长管（CMV10, Thorlabs Inc., USA; Fig. 2b）来延长镜头和摄像机之间的距离。这使我们能够减少聚焦（镜头到被摄体）距离并增加放大倍数。然后将相机向下移动以调整焦点。相应地，通过延长管连接镜头的相机被放置在平移台上方约3厘米的距离处。

曝光和纵横比的调整

在微距摄影的调整过程中，每像素的曝光量减少。因此，通过调整扫描速度和帧速率来调整到达相机传感器的光量。使用改进的系统，在0.07938 cm s–1的扫描速度、100 Hz的帧速率和7.814 ms的积分时间下，在约7 s内拍摄了具有接近真实纵横比的图像，扫描600行。经过这些改进，每个检测像素的大小提高到14.8μm。

微塑料检测的验证

使用真实的PE验证了高光谱成像系统在我们优化前后检测小尺寸微塑料的能力。使用默认的高光谱成像体系，尺寸为2000μm、1000μm和500μm的PE颗粒分别检测为36（~1500μm等效）、16和4个像素（图4a，中间面板）。当颗粒尺寸为300μm时，仅检测到一个像素，并且相对于基线，光谱显示出相对较高的噪声；此外，1150–1250 nm和1350–1450 nm处的特征被抑制（图4a，左图）。采用光谱角度映射器分类，使用预先获得的参考PE光谱识别PE颗粒（图4a，右图）。为了获得平滑的光谱（平均3个像素或更多），我们建议默认系统仅适用于相对较大（>500μm）的微塑料。

相比之下，尺寸在1000–100μm范围内的PE颗粒显示出与基线不同的光谱特征（图4b，左图）和明确的形状（图4b，中图），使用我们改进的高光谱成像系统。即使在100μm，PE在1150–1250 nm和1350–1450nm是可辨别的。分类结果显示，可以清楚地识别低至100μm的PE（图4c，右图）。该系统已被证实成功检测了家庭和工业部门的11种常见聚合物类型，并有望对微塑料质量进行定量评估。我们预计，改进的高光谱成像系统可以用于快速检测过滤器基底上收集的小微塑料。这项研究提供了重要信息，使我们更好地了解微塑料在各种环境中的空间和时间分布。

图4.使用（a）默认成像系统和（b）改进系统测量的聚乙烯颗粒（2000–100μm）的高光谱特征。在（a）和（b）中：（左）光谱、（中）RGB图像和（右）基于参考光谱的分类图像。

其他信息

在过去的几十年里，塑料已经成为日常和工业使用中方便的材料之一。然而，塑料垃圾被排放到陆地和海洋，并导致了新出现的污染问题。微塑料（直径<5毫米的塑料颗粒）直接由人类活动产生，或通过物理和化学过程（如紫外线下的风化和腐烂）从初级塑料废物中二次形成。据报道，微塑料会对陆地和水生生态系统产生不利影响。然而，目前对微塑料分布和聚合物成分的理解仍然有限。造成这种情况的主要原因之一是缺乏快速检测方法。

识别微塑料颗粒的传统方法之一是使用光学显微镜进行直接视觉观察，可能会出现错误识别和错误计算。其他常见的方法使用傅立叶变换红外光谱和拉曼光谱，并且这些光谱方法比光学显微镜更有利于准确定量塑性数和聚合物类型。Fries等人使用热解气相色谱法结合质谱法和扫描电子显微镜来鉴定塑料聚合物和相关添加剂。此外，尼罗红染色和随后的荧光检测已被应用于快速检测微塑料，但聚合物类型分类仍需要光谱技术。对于所有这些方法，都需要进行预处理，而且这些处理既耗时又费力。因此，快速方便地量化环境微塑料颗粒的方法至关重要。

最近，高光谱成像技术已被用于检测微塑料。塑料氢-碳键（C–H）的泛音振动在近红外（NIR）波长范围内显示出特定的光谱反射特性，显示出量化不同聚合物类型的潜力[19]。Karlsson等人使用各种不同波长范围的高光谱成像系统报告称，可以在1000–2500 nm的波长范围内检测到大于300μm的塑料颗粒。家用和工业塑料的高光谱鉴定也在毫米尺寸范围内得到了验证。最近，人们发现用高光谱技术可以检测到200μm左右的常见微塑料。然而，随着微塑料颗粒变小，错误识别聚合物类型的可能性增加。因此，有必要优化高光谱技术，以快速准确地检测小型微塑料。