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微塑料污染已成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題,因?yàn)樗鼤?huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不利的影響。然而,檢測(cè)和表征塑料微粒的有效方法仍處于發(fā)展階段。作者基于近紅外高光譜成像在900-1700 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)室評(píng)估,報(bào)告了(i)11種類型的塑料和(ii)11種類型的過(guò)濾器基底的基本光譜特征。
不同的塑料聚合物在1150-150 nm、1150-1450 nm和1600-1700 nm表現(xiàn)出不同的光譜特征,從而可以利用光譜分離算法對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別。使用改進(jìn)的高光譜成像系統(tǒng),我們檢測(cè)了直徑不超過(guò)100 μm的1種類型的塑料微粒(聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯)。作為過(guò)濾器基材,鍍金的聚碳酸酯過(guò)濾器(GPC0847-BA)相對(duì)于裝載的塑料微粒在900-1700 nm處顯示出恒定的反射率和較大的輻射對(duì)比度。玻璃纖維過(guò)濾器(GF10 and GF/F)因其成本低和易于商業(yè)應(yīng)用而成為合適的基材。本研究為應(yīng)用高光譜成像技術(shù)檢測(cè)微塑料提供了關(guān)鍵參數(shù)。
方法:
高光譜成像:利用高光譜成像系統(tǒng)(PIKA NIR-640,Resonon Inc., USA)在近紅外范圍(900-1700 nm)采集塑料和過(guò)濾器基底的高光譜圖像作為數(shù)據(jù)立方體。
結(jié)果:
11種塑料聚合物的光譜
不同顏色聚丙烯(pp)的高光譜特征:(a)光譜,(b)在1100 nm、1100 nm和1500 nm處施加強(qiáng)度產(chǎn)生的假彩色圖像,(c)真彩色照片。
a)聚丙烯(PP),(b)聚碳酸酯(PC),(c)聚氯乙烯(PVC)和(d)丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)不同顏色塑料聚合物的比較。
鍍金聚碳酸酯過(guò)濾器(a)100 mm和(b)100 mm聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)和聚苯乙烯(PS)的高光譜特征:(左)光譜,(中)RGB圖像和(右)基于參考光譜的分類圖像。
過(guò)濾器基底光譜:(a)選定的玻璃纖維和聚碳酸酯過(guò)濾器和(b)各種玻璃纖維過(guò)濾器。
鍍金的聚碳酸酯過(guò)濾器和玻璃纖維過(guò)濾器(GF10)上不同尺寸(b和d:000-100 μm)聚乙烯(PE)的高光譜特征。(a和c)PE光譜,以及(b和d)在1100 nm、1100 nm和1500 nm處施加強(qiáng)度產(chǎn)生的假彩色圖像。使用聚碳酸酯過(guò)濾器(a)和玻璃纖維過(guò)濾器(c)獲得參考反射率。
結(jié)論:
了解微塑料的含量和分布對(duì)于理解其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響至關(guān)重要,但目前仍缺乏有效的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目的。本研究中,我們利用高光譜成像(900-1700 nm)方法檢測(cè)了微塑料。結(jié)果發(fā)現(xiàn),分析的11種塑料在1150-150 nm、1150-1450 nm和1600-1700 nm表現(xiàn)出不同的光譜特征。通過(guò)檢測(cè)過(guò)濾器基底,我們發(fā)現(xiàn)鍍金的聚碳酸酯過(guò)濾器是裝載塑料微粒的1佳材料。通過(guò)將高光譜成像和這種過(guò)濾器相結(jié)合,我們成功地在1700 nm波長(zhǎng)內(nèi)通過(guò)HIS檢測(cè)到了100 μm以下的不同聚合物的微塑料,避免了使用500 nm儀器的較高的成本。結(jié)合物理和化學(xué)預(yù)處理,去除了可能的干擾材料(例如生物膜),并建立了各種氧化和風(fēng)化條件下的塑料庫(kù),未來(lái)有可能開(kāi)發(fā)一種自動(dòng)化系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)微塑料。該研究為微塑料的自動(dòng)檢測(cè)提供了必要的參數(shù),包括理想基底和光學(xué)測(cè)量條件的優(yōu)化。
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