Specim高光谱相机在微塑料检测方面的应用

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样品描述

本研究涵盖了多种塑料材料（图1）。我们提供了较大的颗粒，每个颗粒尺寸为几毫米，作为基础样品，用于构建光谱参考库。这些颗粒由常用的聚合物组成，例如高密度和低密度聚乙烯（HDPE和LDPE）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚碳酸酯（PC）、聚丙烯（PP）、聚酰胺（PA）、两种聚苯乙烯（PS1和PS2）以及聚氯乙烯（PVC）。这些材料由于其广泛的使用以及随着时间的推移容易降解为微塑料的趋势，在环境中经常被发现。

除了宏观样本外，分析还涵盖了由聚乙烯(PE)和聚苯乙烯(PS)制成的微塑料颗粒。这些微塑料的尺寸和颜色各不相同，用于评估光谱库应用于较小颗粒时的性能。

图1：样品照片

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测试设置

光谱反射率测量使用Specim FX17和SWIR高光谱相机进行，光谱范围分别覆盖900–1700nm和1000–2500nm。对于较大的塑料颗粒，FX17配备38度镜头，SWIR相机配备17度镜头，视野约为10cm。相应的像素尺寸（FX17约为0.2mm，SWIR约为0.3mm）

为了测量微塑料，我们采用了Specim OLES Macro 镜头的高分辨率成像装置。该装置允许FX17相机的像素尺寸达到19微米，SWIR相机的像素尺寸达到24微米，从而能够检测到极小颗粒中的精细细节。所有测量均使用Specim Labscanner 40×20 平台进行，并使用SpecimINSIGHT软件进行数据处理。

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光谱分析：样本大小的作用

本研究的一个关键目标是确定由较大塑料颗粒构建的光谱库是否能够可靠地用于识别微塑料。分析重点关注聚乙烯(PE)和聚苯乙烯(PS)，这两种聚合物在宏观和微观样本中均有存在。因此，样本和光谱仅涵盖这些材料。

图2：Specim FX17的PE和PS参考光谱，也与每种尺寸的单个微塑料有关。

结果表明，随着样品尺寸的减小，其光谱特征变得不那么明显（图2和图3）。这种效应在聚苯乙烯微塑料中尤为明显，因为它们通常比聚乙烯样品更小、更透明。因此，这些材料的光谱特征变得不那么明显，使得在较小尺度下识别它们变得越来越困难。

SWIR 相机的光谱范围扩展至1000–2500 nm，使其能够检测到Specim FX17（工作波长为900–1700nm）无法检测到的特征。这提供了更全面的光谱信息，有助于鉴定这些难以识别的样品。

图3：PE和PS的SWIR参考光谱，也与每种尺寸的单个微塑料有关。

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利用高光谱成像技术

对微塑料进行建模和识别：为了评估检测性能，我们利用偏最小二乘判别分析(PLS-DA)建立了一个分类模型。该模型将基于较大样本构建的参考光谱库应用于微塑料。为了简化操作并提高分类准确率，我们将高密度聚乙烯(HDPE)和低密度聚乙烯(LDPE)的光谱归为一个PE类，并将PS1和PS2合并为一个PS类。

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Specim FX17相机

当将该模型与Specim FX17相机结合使用时，微塑料颗粒通常能够被很好地识别（图4a）。较大样本的光谱数据能够有效地转移到较小颗粒上，证明了该方法的潜力。

然而，我们观察到了一些错误分类。某些聚乙烯(PE)颗粒被错误地标记为聚丙烯，一些聚苯乙烯(PS)颗粒被误认为是聚氯乙烯(PVC)。这些错误在最小的微塑料颗粒中更为明显，因为光谱特征的减少限制了模型的判别能力。此外，一些PE颗粒完全未被检测到，这表明该模型对极小或半透明颗粒的灵敏度有限（图4b）。

图4a：使用Specim FX17获得的建模结果。

图4b：使用Specim FX17获得的建模结果，放大了最小的颗粒。

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SWIR相机

相比之下，SWIR相机的分类精度更高。尽管SWIR相机的像素略高于Specim FX17（24微米vs.19微米），但SWIR相机的光谱覆盖范围更广（1000-2500纳米vs.900-1700纳米），从而提高了材料类型的分类精度（图5a和5b）。

图5a：使用SWIR获得的建模结果。

图5b：使用SWIR获得的建模结果，放大了最小的颗粒。

短波红外(SWIR)捕获的1700至2500nm之间的额外光谱信息增强了该模型检测和准确分类聚乙烯和聚苯乙烯微塑料的能力。结果表明，Specim的SWIR高光谱相机可在更广泛的颗粒尺寸范围内提供更一致、更准确的识别。

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总结

本研究证明了高光谱成像在检测和分类微塑料方面的有效性。基于较大塑料颗粒构建的光谱库可以成功地应用于识别较小的微塑料颗粒，尤其是在使用光谱覆盖范围更广的相机时。虽然Specim FX17相机在其光谱范围内表现良好，但Specim SWIR系统提供了更高的精度，尤其是对于位于微塑料粒径谱低端的颗粒。这些发现凸显了高光谱成像作为环境监测和微塑料研究有力工具的潜力。