一种海水中微塑料成分及含量检测装置及方法

本发明涉及一种水中微塑料品类和含量的检测技术，尤其是一种基于时间分辨荧光光谱的检测装置及方法。

背景技术：

1、塑料以抗腐蚀能力强、成本低、耐用、防水、质轻等特点为人类的生活带来了便捷，并得到了迅猛发展。塑料具有强韧和耐久的属性之外，也不具有生物降解性，海洋环境中，其经过紫外线照射、外力、水解的作用并不会消失，而是形成尺寸更小的微塑料存在于海洋环境中。当微塑料被海洋生物摄食以后，可能导致生物体机体功能紊乱，即使暂时机体功能不受影响，微塑料成分也转移到了海洋生物体内的组织中。微塑料能吸附相当浓度的重金属并保留相当长的一段时间，使其成为了水环境中重金属的“转运者”。因此水体中微塑料的存在可能严重威胁海洋生态环境。

2、目前，对微塑料的检测分析有物理检测和化学检测方法。一般需要对环境中的微塑料通过浮选法、密度分离法、多次过滤等方法进行提取，然后再进行检测。物理检测指通过显微镜观察粒径分布、颜色、形状等初步判断是否为微塑料颗粒；化学检测是通过一些化学方法如拉曼光谱、傅里叶红外光谱、高光谱成像、热解气相色谱与质谱联用等技术确定微塑料的种类及组成。

3、现有的分析技术中，气相色谱与质谱技术需要使塑料颗粒与环境基底初步分离，这一过程较为繁琐，等待时间较长。而拉曼光谱和傅里叶变换红外光谱成像仍然是相对耗时的，并依赖于费力的样品制备。因此迫切需要发展一种水中微塑料成分和含量的快速检测装置。

4、由于微塑料成分通常是荧光物质，可以通过荧光来检测微塑料的成分，但是传统二维荧光谱存在着谱峰重叠等问题，使得传统二维荧光谱在进行品类识别时受到了一定的限制。而荧光物质的寿命可作为光谱的又一维度信息，可建立时间分辨荧光谱，由于是三维荧光谱，提供了多维信息，所以在品类识别中是十分有效的方法。但是时间分辨荧光谱的获得一般需要窄脉冲激光作为激发光源，同时需要结合条纹管、iccd相机和tcspc单光子计数模块进行探测，使得系统复杂并成本高昂，在实际工程应用中很难普及。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供一种水中微塑料品类和含量的检测装置及方法，该发明采用小型纳秒级半导体激光器激发微塑料样品，通过测量其时间分辨荧光光谱并快速处理指纹图谱，能够实现对水中微塑料品类和含量的非接触无破坏快速检测。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种海水中微塑料成分及含量检测装置，包括有：控制器、抽水泵、样品池、脉冲激光电源、405nm激光器、光学系统；

4、所述控制器控制抽水泵抽水至样品池；

5、所述控制器控制脉冲激光电源触发405nm激光器发射激光照射样品池；

6、所述样品池发射荧光，经过所述光学系统成像在iccd相机上。

7、进一步的，所述光学系统包括：偏振片、带阻滤光片、聚焦透镜、狭缝、准直透镜、透射光栅、成像透镜、柱面镜、iccd相机，依次由近及远排放在样品池的荧光辐射区内，所有部件的中心都在荧光辐射中心线上。

8、进一步的，所述成像透镜座落于一镜头台上，所述镜头台由步进电机控制，所述成像透镜焦距在25mm～50mm可调。

9、进一步的，所述iccd相机由控制器控制选通电源的开启和关闭。

10、本发明还提供一种海水中微塑料成分及含量检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

11、s1)利用所述装置，使样品池中装有水样，控制脉冲激光电源触发405nm激光器发射激光照射样品池，同步开启iccd选通电源使iccd相机采集光信号，设一个激光脉冲周期内iccd相机被选通开启n次，将不同时刻的二维荧光谱按时间顺序排列即获得三维时间分辨荧光谱；

12、s2)将三维时间分辨荧光谱的强度信息作等高线处理建立二维指纹光谱；

13、s3)利用二维指纹光谱，进行pca主成分识别得到主成分矩阵，反演出塑料的种类；

14、s4)再采用svm支持向量机算法进行浓度识别，反演出微塑料的成分含量。

15、进一步的，在s2)中，将三维时间分辨荧光谱的强度信息作等高线建立二维指纹光谱的步骤如下：

16、1)设获取的三维时间分辨荧光谱的光谱矩阵为f(w,t,i)，w为波长，t为时间，i为光强，设波长点数为j，时间点数为k，光强点数为l处的特征值为则对于n次采样，计算的均值为：

17、

18、2)对于该处特征计算其标准差为：

19、

20、3)对于该处特征进行标准化为：

21、

22、4)综合所有采样得到标准化光谱矩阵h(w,t,i)，其等高线通过下述表达式计算：

23、△h＝d*tanα

24、

25、△h为等高线强度间隔，d为等高线之间的界面距离，α为光谱强度与波长时间面的夹角；

26、5)根据实验得出适宜的△h，选定△h后对光谱矩阵h(w,t,i)绘制等高线，获得二维指纹光谱矩阵x(w,t)，共有j×k个数据：

27、

28、进一步的，在s3)中，利用二维指纹光谱，进行pca主成分识别得到主成分矩阵，反演出塑料的种类的方法为：

29、1)计算协方差矩阵：

30、

31、k为时间点数；

32、2)计算二维指纹光谱矩阵x(w,t)对应的协方差矩阵c(w,t)的特征值u和特征向量λ：

33、cu＝λu

34、3)将主成分按照方差贡献率进行排序，得到主成分矩阵：

35、

36、4)将主成分矩阵与数据库中微塑料种类反演模型进行分析对比，得到相关系数最大值对应的品类即为该微塑料品类。

37、进一步的，在s4)中，采用svm支持向量机算法进行浓度识别，反演出微塑料的成分含量的方法为：

38、对pca算法生成的主成分矩阵y(w,t)进行计算，设训练集为{(c(1),y(1)),(c(2),y(2)),(c(3),y(3)),…(c(m),y(m))}，c为微塑料浓度，m为采集的浓度个数，y为不同浓度下的主成分矩阵；

39、svm的决策函数表示为：

40、

41、sign是符号函数，αn是拉格朗日乘子，b是偏置项，κ(c,c(n))是核函数；

42、svm的约束目标函数为：

43、

44、约束条件为和0≤αi≤c，c是正则化参数；

45、svm的目标是经过多次迭代找到一个最大间隔的超平面，使得距离超平面最近的样本点到超平面的距离最大化，即找出最优的拉格朗日乘子αn和偏置项b；对于不同浓度的微塑料样本，就是将其在超平面上不断的进行二分类，从而区分出不同的浓度

46、本发明的有益效果体现在：

47、1.本发明采用设备成本低廉，同时本发明优选的405nm半导体激光器能够使微塑料辐射较强的荧光波，本发明脉冲激光电源可实现输出脉宽5ns-100ns的激光脉冲，适合微塑料颗粒荧光寿命在几十至几百纳秒的时间限度内。

48、2.本发明为了更快的处理速度及结果可视化更直观，将三维时间分辨荧光谱的强度信息作等高线图建立二维指纹图谱进行分析，信息度仍然丰满，数据维度减少一维，大大节约了数据处理时间。

49、3.本发明不是对所有成分进行识别，而是采用pca算法对指纹图谱进行主成分识别，反演出塑料的种类。

50、4.本发明采用svm支持向量机算法找出浓度与特征之间的关系，反演出微塑料浓度。