基于荧光光谱检测水环境中微塑料方法与流程

本发明涉及环境污染物监测，尤其涉及一种基于荧光光谱检测水环境聚苯乙烯微塑料的方法。

背景技术：

1、微塑料是水环境中典型新兴污染物，聚苯乙烯微塑料应用广泛，环境检出率高，对水生生态存在潜在危害。微塑料传统检测手段为傅里叶变换红外光谱、拉曼光谱，该类技术需要过滤、挑取单颗粒，操作繁琐，检测通量低。

2、荧光染色法是微塑料快速筛查的重要手段。主流方案依靠荧光显微镜观测单个染色颗粒，可以实现定性观察，但样品处理量大，不适合大批量悬浮液样品快速测试。采用激光器搭配微型光谱仪搭建体相荧光测试系统，可以直接对微塑料悬浮液进行光谱采集，无需荧光显微镜，具备高通量快速检测潜力。

3、现有体相荧光检测微塑料技术存在明显缺陷：第一，悬浮液中固体微塑料颗粒会产生米氏散射，散射效应会改变检测到的荧光光强。光谱信号升高或者降低，既可能来自染料与微塑料分子间真实相互作用，也可能仅仅是颗粒散射造成的光损失；现有技术缺少简单有效的真伪鉴别手段，极易产生假阳性、假阴性结果。第二，很多自制光学检测装置采用0度共线透射采集模式，滤光片只能滤除原激发波长激光，无法消除水分子拉曼散射带来的背景噪声，微弱的染料响应信号容易被噪声淹没。第三，现有研究大多只关注荧光增强型染料，忽略荧光淬灭型染料的应用潜力；缺少完整基线对照方案，溶剂、染料本底干扰无法有效扣除。第四，部分染料母液使用丙酮配制，丙酮会溶胀甚至破坏聚苯乙烯微塑料颗粒，改变样品真实状态。

4、综上，亟需开发一套可区分散射伪信号、信噪比高、可兼容多种染料的体相荧光光谱检测聚苯乙烯微塑料的方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于体相荧光光谱检测水环境聚苯乙烯微塑料的方法，解决体相荧光检测无法区分米氏散射伪信号与染料-微塑料真实相互作用，共线光路背景噪声高的问题，兼容荧光淬灭、荧光增强两类染料，实现水体聚苯乙烯微塑料高通量筛查定量；

2、本发明提供一种基于体相荧光光谱检测水环境聚苯乙烯微塑料的方法，包括如下步骤：

3、s1、搭建90度侧向荧光采集光路；所述光路包括激发激光器、石英比色皿、长通滤光片、光谱仪；激光器的激光入射石英比色皿，光谱仪采集探头布置在与激光入射方向呈90度的侧向，长通滤光片设置于光谱仪探头入光侧；采集溶剂空白光谱、游离染料对照光谱、裸聚苯乙烯微塑料本征光谱三组基线光谱；

4、s2、配制待测混合体系；将荧光染料加入含有聚苯乙烯微塑料的水溶液中；染料母液采用无水乙醇配制，待测体系中无水乙醇终体积分数≤1%；涡旋混匀后快速进行光谱采集；

5、s3、样品光谱采集与基线校正；采集待测混合体系的荧光光谱，利用s1获取的基线光谱做扣减处理，得到校正后样品荧光光谱；

6、s4、真伪判别步骤，区分米氏散射伪信号与染料-聚苯乙烯微塑料真实相互作用；将完成光谱采集的待测混合体系高速离心，使聚苯乙烯微塑料完全沉降，吸取不含微塑料颗粒的上层清液；采集上层清液的荧光光谱，并与游离染料对照光谱进行比对；

7、若上层清液的荧光强度显著低于游离染料对照光谱，则判定染料与聚苯乙烯微塑料发生真实分子相互作用，光谱信号变化为有效检测信号；

8、若上层清液荧光强度与游离染料对照光谱基本一致，则判定光谱强度变化来源于聚苯乙烯微塑料颗粒的米氏散射光损失，该组信号为无效伪信号；

9、s5、微塑料定量检测；配置多组不同浓度的聚苯乙烯微塑料标准溶液，重复执行s2-s4步骤，筛选出有效检测信号，建立荧光信号变化量-聚苯乙烯微塑料浓度的标准曲线；将待测样品经过真伪判别后的有效信号代入标准曲线，输出待测样品中聚苯乙烯微塑料浓度。

10、进一步的，s1中长通滤光片的截止波长比激光器发射波长大20nm及以上，用于滤除瑞利散射光。

11、进一步的，s4中离心条件为：转速8000-12000r/min，离心时间8-15min。

12、进一步的，所述荧光染料为荧光淬灭型染料时，以荧光强度下降幅度作为定量依据；所述荧光染料为荧光增强型染料时，以荧光强度上升幅度作为定量依据。

13、进一步的，s2中染料母液禁止使用丙酮溶剂，避免丙酮溶胀、破坏聚苯乙烯微塑料颗粒。

14、进一步的，s2-s3采集光谱过程中，样品发生颗粒沉降时，检测前重新涡旋混匀，缩短光谱积分采集时间，减少染料光漂白带来的信号偏差。

15、本发明还提供一种基于体相荧光光谱检测水环境聚苯乙烯微塑料的检测系统，用于执行上述检测方法，包括：

16、光学采集单元：包括激发激光器、石英比色皿、长通滤光片、光谱仪，用于搭建90°侧向荧光采集光路，采集基线光谱与样品荧光光谱；

17、前处理单元：包括高速离心机，用于真伪判别步骤沉降聚苯乙烯微塑料，获取无颗粒上层清液；

18、数据处理单元：内置基线校正模块、真伪判别模块、定量拟合模块；基线校正模块用于基线光谱扣减；真伪判别模块比对上清液光谱与游离染料对照光谱输出信号有效性判定结果；定量拟合模块存储标准曲线，输出待测样品微塑料浓度；

19、显示交互单元，用于展示原始光谱、校正后光谱、真伪判别结果、聚苯乙烯微塑料浓度输出值。

20、进一步的，数据处理单元部署于计算机设备或者经过量化压缩的嵌入式边缘计算设备。

21、综上所述，本发明的基于荧光光谱检测水环境中微塑料方法，相比传统技术，本发明具有以下优势：

22、1、本发明采用90°侧向荧光采集光路，从光路源头规避直射激光进入探测器，大幅降低水分子拉曼散射背景噪声，提升微弱荧光信号信噪比；

23、2、增设离心-上清液光谱比对的真伪判别步骤，可以有效区分颗粒米氏散射带来的光强假象与染料-微塑料真实分子相互作用，规避假阳性、假阴性；

24、3、同时兼容荧光淬灭型染料与荧光增强型染料，拓宽染料筛选范围；不需要荧光显微镜，直接对悬浮液开展体相光谱测试，检测通量高；

25、4、限定染料母液溶剂，规避丙酮溶胀破坏聚苯乙烯微塑料的问题，保障样品真实性；

26、5、整套装置硬件简易，搭建成本低，建立标准曲线后，可完成水体聚苯乙烯微塑料定量筛查。

27、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方法做进一步的详细描述。

1.一种基于体相荧光光谱检测水环境聚苯乙烯微塑料的方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，s1中长通滤光片的截止波长比激光器发射波长大20nm及以上，用于滤除瑞利散射光。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，s4中离心条件为：转速8000-12000r/min，离心时间8-15min。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述荧光染料为荧光淬灭型染料时，以荧光强度下降幅度作为定量依据；所述荧光染料为荧光增强型染料时，以荧光强度上升幅度作为定量依据。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，s2中染料母液禁止使用丙酮溶剂，避免丙酮溶胀、破坏聚苯乙烯微塑料颗粒。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，s2-s3采集光谱过程中，样品发生颗粒沉降时，检测前重新涡旋混匀，缩短光谱积分采集时间，减少染料光漂白带来的信号偏差。

7.一种基于荧光检测水环境中聚苯乙烯微塑料的检测系统，其特征在于，用于执行权利要求1-6任一项所述的检测方法，包括：

8.根据权利要求7所述的检测系统，其特征在于，数据处理单元部署于计算机设备或者经过量化压缩的嵌入式边缘计算设备。