使用 Specim FX17和SWIR相机的高光谱成像技术进行微塑料检测

微塑料在水体和陆地环境中已无处不在。这些颗粒的大小通常在10-500µm之间，来源于较大塑料的降解。其微小的尺寸使其能广泛扩散，并可能被包括人类在内的生物体无意间摄入，引发对其潜在健康影响的严重担忧。可靠的微塑料检测和识别，对于更好的理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。
为支持这项工作，挪威水资源研究所（NIVA）提供了多种塑料样本，使用Specim高光谱成像技术对其进行光谱分析。样本包含粒径达数毫米的大颗粒塑料，以及经过过滤处理的多种尺寸微塑料。该研究旨在评估Specim FX17与SWIR相机识别微塑料的能力，并检验从大颗粒塑料采集的光谱数据能否有效应用于检测较小的微塑料碎片。

样品描述
该研究涵盖了多种塑料材料（图1）。以粒径为数毫米的较大颗粒作为基础样本，用于构建光谱参考库。这些样本包括常用聚合物，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）、两种类型的聚苯乙烯（PS1和PS2）以及聚氯乙烯（PVC）。由于这些材料广泛使用并且会随时间推移降解为微塑料，因此它们在环境中普遍存在。
除了宏观样品外，分析中还包含了由聚乙烯（PE）和聚苯乙烯（PS）制成的微塑料颗粒。这些微塑料在尺寸和颜色上各不相同，用于评估光谱库在应用于更小颗粒时的性能表现。

图1 样品照片

测量系统
使用Specim FX17和SWIR高光谱相机分别进行900-1700nm和1000-2500nm波段的光谱反射率测量。针对较大塑料颗粒，Specim FX17配备38度镜头，而SWIR相机则采用17度镜头，形成约10cm的视场。其对应的像素尺寸Specim FX17约为 0.2mm，SWIR相机约为0.3mm。
在微塑料测量中，可使用Specim OLES微距镜头构建高分辨率成像系统。该系统可使Specim FX17像素尺寸达到19µm，SWIR相机达到24µm，从而能够检测微小颗粒中的精细细节。所有测量均在LabScanner 40 x 20平台上进行，数据处理使用SpecimINSIGHT软件完成。

光谱分析：样本量的作用
本研究的核心目标是验证基于较大塑料颗粒所构建的光谱库能否可靠的用于识别微塑料。分析重点聚焦于聚乙烯（PE）和聚苯乙烯（PS），这两种聚合物同时存在于宏观和微观样本中。因此，样本和光谱仅涵盖此类材料。

图2：Specim FX17对PE和PS的参考光谱，对应不同尺寸下单个微塑料的光谱特征

结果显示，随着样品尺寸减小，其光谱特征变得不那么明显（图2和3）。这种现象在聚苯乙烯微塑料中尤为显著，其通常比聚乙烯样品更小、更透明。因此，这些材料的光谱特征逐渐模糊，使得在更小尺度上对其进行识别变得越来越困难。
SWIR相机了覆盖1000-2500nm光谱范围，使其能够检测到Specim FX17无法识别的特征，后者仅工作于900-1700nm波段。这提供了更全面的光谱信息，有助于识别这些具有挑战性的样本。

图3：SWIR对PE和PS的参考光谱，对应不同尺寸下单个微塑料的光谱特征。

基于高光谱成像技术的微塑料建模与识别
为评估检测性能，采用偏最小二乘判别分析法（PLS-DA）构建分类模型。该模型利用基于更大尺寸样本构建的参考光谱库对微塑料进行分析。为简化流程并提升分类精度，将HDPE与LDPE光谱归为同一PE类别，将PS1与PS2归为同一PS类别。

Specim FX17相机
当使用Specim FX17相机应用该模型时，微塑料颗粒通常能被准确识别（图4a）。来自较大尺寸样本的光谱数据有效地迁移到了较小尺寸的颗粒上，这证明了该方法的可行性。
然而同时也观察到一些错误分类。某些聚乙烯（PE）颗粒被错误标记为聚丙烯，部分聚苯乙烯（PS）颗粒则被识别为PVC。这类错误在小尺寸的微塑料颗粒中尤为显著，因其光谱特征减弱导致模型识别能力受限。此外，若干PE颗粒完全未被检测到，表明该方法对微小或半透明颗粒存在灵敏度局限（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，放大显示最小颗粒。

SWIR相机
相比之下，SWIR相机展现出了更高的分选精度。尽管其像素尺寸略大于Specim FX17（24µm与19µm），但SWIR相机更宽的光谱范围（1000-2500nm与900-1700nm）使其对材料类型的分选精度更高（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，放大显示最小颗粒。

SWIR在1700-2500nm之间获取的额外光谱信息，提升了模型对聚乙烯和聚苯乙烯微塑料的识别与准确分类能力。结果显示，Specim的SWIR高光谱相机在处理各种尺寸颗粒时，均能提供更为准确、稳定的识别结果。

结论
本研究证明了高光谱成像技术在微塑料检测和分类方面的有效性。基于较大塑料颗粒建立的光谱库可以较为准确的识别较小微塑料颗粒，尤其是在使用具有更宽光谱覆盖范围的相机时。虽然Specim FX17相机在其光谱范围内表现良好，但Specim SWIR系统提供了更高的准确度，尤其适用于检测尺寸较小的微塑料颗粒。这些发现突显了高光谱成像技术在环境监测和微塑料研究中作为工具的巨大潜力。

免责声明：
本技术说明由Specim Spectral Imaging Ltd.编制，仅用于提供一般性指导。我们保留修改其内容的全部权利。

关于Specim

作为高光谱成像（HSI）行业的龙头公司之一，Specim产品涵盖从可见光到热红外全部波段的测量，为用户提供全面的高光谱成像解决方案，满足工业、科学和研究用户的不同需求。产品包括工业高光谱相机、实验室高光谱相机以及机载高光谱相机，适配客户特定的使用场景。Specim以分拣机客户为核心，同时在分选回收、食品和制药等行业也拥有广泛的客户群体。去年，Specim正式推出全新的SpecimONE高光谱成像平台，该平台使高光谱成像技术更便利、更快捷地与分拣机相结合。2021年起，SpecimONE平台可开始交付。借助SpecimONE平台，柯尼卡美能达将进一步扩大工业领域中高光谱成像的业务。

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