Specim高光譜相機(jī)在微塑料檢測(cè)方面的應(yīng)用

1.樣品描述

本研究涵蓋了多種塑料材料（圖1）。我們提供了較大的顆粒，每個(gè)顆粒尺寸為幾毫米，作為基礎(chǔ)樣品，用于構(gòu)建光譜參考庫(kù)。這些顆粒由常用的聚合物組成，例如高密度和低密度聚乙烯（HDPE和LDPE）、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚碳酸酯（PC）、聚丙烯（PP）、聚酰胺（PA）、兩種聚苯乙烯（PS1和PS2）以及聚氯乙烯（PVC）。這些材料由于其廣泛的使用以及隨著時(shí)間的推移容易降解為微塑料的趨勢(shì)，在環(huán)境中經(jīng)常被發(fā)現(xiàn)。

除了宏觀樣本外，分析還涵蓋了由聚乙烯(PE)和聚苯乙烯(PS)制成的微塑料顆粒。這些微塑料的尺寸和顏色各不相同，用于評(píng)估光譜庫(kù)應(yīng)用于較小顆粒時(shí)的性能。

圖1：樣品照片

2.測(cè)試設(shè)置

光譜反射率測(cè)量使用Specim FX17和SWIR高光譜相機(jī)進(jìn)行，光譜范圍分別覆蓋900–1700nm和1000–2500nm。對(duì)于較大的塑料顆粒，F(xiàn)X17配備38度鏡頭，SWIR相機(jī)配備17度鏡頭，視野約為250px。相應(yīng)的像素尺寸（FX17約為0.2mm，SWIR約為0.3mm）

為了測(cè)量微塑料，我們采用了Specim OLES Macro 鏡頭的高分辨率成像裝置。該裝置允許FX17相機(jī)的像素尺寸達(dá)到19微米，SWIR相機(jī)的像素尺寸達(dá)到24微米，從而能夠檢測(cè)到j(luò)i小顆粒中的精細(xì)細(xì)節(jié)。所有測(cè)量均使用Specim Labscanner 40×20 平臺(tái)進(jìn)行，并使用SpecimINSIGHT軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3.光譜分析：樣本大小的作用

本研究的一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)是確定由較大塑料顆粒構(gòu)建的光譜庫(kù)是否能夠可靠地用于識(shí)別微塑料。分析重點(diǎn)關(guān)注聚乙烯(PE)和聚苯乙烯(PS)，這兩種聚合物在宏觀和微觀樣本中均有存在。因此，樣本和光譜僅涵蓋這些材料。

圖2：Specim FX17的PE和PS參考光譜，也與每種尺寸的單個(gè)微塑料有關(guān)。

結(jié)果表明，隨著樣品尺寸的減小，其光譜特征變得不那么明顯（圖2和圖3）。這種效應(yīng)在聚苯乙烯微塑料中尤為明顯，因?yàn)樗鼈兺ǔ１染垡蚁悠犯　⒏该?。因此，這些材料的光譜特征變得不那么明顯，使得在較小尺度下識(shí)別它們變得越來越困難。

SWIR 相機(jī)的光譜范圍擴(kuò)展至1000–2500 nm，使其能夠檢測(cè)到Specim FX17（工作波長(zhǎng)為900–1700nm）無法檢測(cè)到的特征。這提供了更全面的光譜信息，有助于鑒定這些難以識(shí)別的樣品。

圖3：PE和PS的SWIR參考光譜，也與每種尺寸的單個(gè)微塑料有關(guān)。

4.利用高光譜成像技術(shù)

對(duì)微塑料進(jìn)行建模和識(shí)別：為了評(píng)估檢測(cè)性能，我們利用偏zui小二乘判別分析(PLS-DA)建立了一個(gè)分類模型。該模型將基于較大樣本構(gòu)建的參考光譜庫(kù)應(yīng)用于微塑料。為了簡(jiǎn)化操作并提高分類準(zhǔn)確率，我們將高密度聚乙烯(HDPE)和低密度聚乙烯(LDPE)的光譜歸為一個(gè)PE類，并將PS1和PS2合并為一個(gè)PS類。

5.Specim FX17相機(jī)

當(dāng)將該模型與Specim FX17相機(jī)結(jié)合使用時(shí)，微塑料顆粒通常能夠被很好地識(shí)別（圖4a）。較大樣本的光譜數(shù)據(jù)能夠有效地轉(zhuǎn)移到較小顆粒上，證明了該方法的潛力。

然而，我們觀察到了一些錯(cuò)誤分類。某些聚乙烯(PE)顆粒被錯(cuò)誤地標(biāo)記為聚丙烯，一些聚苯乙烯(PS)顆粒被誤認(rèn)為是聚氯乙烯(PVC)。這些錯(cuò)誤在Min的微塑料顆粒中更為明顯，因?yàn)楣庾V特征的減少限制了模型的判別能力。此外，一些PE顆粒wan全未被檢測(cè)到，這表明該模型對(duì)ji小或半透明顆粒的靈敏度有限（圖4b）。

圖4a：使用Specim FX17獲得的建模結(jié)果。

圖4b：使用Specim FX17獲得的建模結(jié)果，放大了Min的顆粒。

6.SWIR相機(jī)

相比之下，SWIR相機(jī)的分類精度更高。盡管SWIR相機(jī)的像素略高于Specim FX17（24微米vs.19微米），但SWIR相機(jī)的光譜覆蓋范圍更廣（1000-2500納米vs.900-1700納米），從而提高了材料類型的分類精度（圖5a和5b）。

圖5a：使用SWIR獲得的建模結(jié)果。

圖5b：使用SWIR獲得的建模結(jié)果，放大了Min的顆粒。

短波紅外(SWIR)捕獲的1700至2500nm之間的額外光譜信息增強(qiáng)了該模型檢測(cè)和準(zhǔn)確分類聚乙烯和聚苯乙烯微塑料的能力。結(jié)果表明，Specim的SWIR高光譜相機(jī)可在更廣泛的顆粒尺寸范圍內(nèi)提供更一致、更準(zhǔn)確的識(shí)別。

7.總結(jié)

本研究證明了高光譜成像在檢測(cè)和分類微塑料方面的有效性。基于較大塑料顆粒構(gòu)建的光譜庫(kù)可以成功地應(yīng)用于識(shí)別較小的微塑料顆粒，尤其是在使用光譜覆蓋范圍更廣的相機(jī)時(shí)。雖然Specim FX17相機(jī)在其光譜范圍內(nèi)表現(xiàn)良好，但Specim SWIR系統(tǒng)提供了更高的精度，尤其是對(duì)于位于微塑料粒徑譜低端的顆粒。這些發(fā)現(xiàn)凸顯了高光譜成像作為環(huán)境監(jiān)測(cè)和微塑料研究有力工具的潛力。

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