使用高光谱成像技术进行微塑料检测—技术与应用频道- 视觉系统设计

塑料已在水生和陆地环境中普遍存在。这些颗粒通常大小在10至500微米之间，源自较大塑料材料的降解。由于体积小，它们能够广泛传播，并被包括人类在内的生物体不知不觉地摄入，这引发了人们对其潜在健康影响的严重担忧。可靠的微塑料检测和鉴定对于更好地了解其形成途径并量化其在自然生态系统中的存在至关重要。

为了支持这项工作，挪威水研究所 (NIVA) 提供了一系列塑料样品，利用Specim 的高光谱成像技术进行光谱分析。这些样品由几毫米大小的较大颗粒以及多种尺寸的过滤微塑料组成。其目的是评估Specim 的FX17 和 SWIR 相机识别微塑料的能力，并评估从较大塑料颗粒收集的光谱数据是否能够有效地应用于检测较小的微塑料碎片。

01.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

02.测量设置

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 900–1700 nm 和 1000–2500 nm。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 10 cm。相应的像素尺寸（FX17 约为 0.2 mm，SWIR 约为 0.3 mm）

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 40x20 平台进行，并使用SpecimINSIGHT软件进行数据处理。

03.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 900–1700 nm）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。

04.摘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。

05.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06

06.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 2500 nm 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。

07.结论

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。