一种海水微塑料颗粒污染物检测仪及检测方法

1.本发明属于光谱测量技术领域，更具体地，涉及一种海水微塑料颗粒污染物检测仪及检测方法。


背景技术：

2.塑料在日常生活中广泛应用，主要由聚乙烯(pe)、聚丙烯(pp)、聚苯乙烯(ps)、聚氯乙烯(pvc)、聚乳酸(pla)、聚对苯二甲酸乙二酯(pet)等有机化合物组成。但由于其难降解性，在环境中长期残留，并可进行远距离运输。环境中残留的塑料碎片或微塑料(《5mm)，经过物理、化学风化作用会进一步裂解成更小颗粒，甚至达到纳米级别，使用肉眼和普通的显微镜已经很难观察到了。相比较于普通的塑料碎片，颗粒越小的微塑料污染物其表面积越大，更易吸附多氯联苯(pcbs)和多环芳烃(pahs)等有机污染物以及重金属离子长期存在于生态系统中。同时，这些小颗粒塑料易被海洋生物误食，在生物圈中聚集，最后进入人体，造成严重危害。因而，环境中的微塑料颗粒污染正越来越受到人们的关注。
3.目前针对微塑料颗粒物的检测，主要采用显微拍照，并利用肉眼观察或基于较为简单的数字图像处理代码进行计数，这种方式检测的目标样品少，检测速度极慢，精度低，可检测微塑料颗粒直径范围小，其效率远不能够适应目前对海洋微塑料颗粒污染物大范围海域检测的需求。


技术实现要素：

4.本发明旨在解决对海水或其他海洋环境中海水微塑料颗粒污染物浓度的识别方法中存在的上述问题，为此，提供了一种海水微塑料颗粒污染物检测仪，同时提供了该检测仪的检测方法。
5.一种海水微塑料颗粒污染物检测仪，包括流动系统、激光扫描系统和信息收集处理系统；所述流动系统用于实时提取海水微塑料颗粒污染物，包括依次连接的海水泵和微流管；所述激光扫描系统包括激光光源、光环行器和衍射系统，所述激光光源产生的宽带脉冲光对微流管内携带微塑料颗粒污染物的海水进行一维线扫描并形成脉冲光反射谱；所述衍射系统用于对所述宽带脉冲光进行空间分散并聚焦到所述微流管；所述光环行器用于将宽带脉冲光连接至衍射系统，以及将获得的脉冲光反射谱连接进入所述信息收集处理系统；所述信息收集处理系统根据所述脉冲光反射谱进行色散傅里叶变换，以实现对海水微塑料颗粒污染物质量浓度和粒径分布的读取。
6.作为本发明的进一步改进，所述衍射系统由衍射光栅和透镜系统组成。
7.作为本发明的进一步改进，所述信息收集处理系统包括色散傅里叶变换器、光电探测器和信号处理器。
8.作为本发明的进一步改进，所述色散傅里叶变换器包括光纤放大器和色散光纤。
9.作为本发明的进一步改进，所述光电探测器为光电二极管或雪崩光电探测器。
10.作为本发明的进一步改进，还包括污染物回收装置，所述污染物回收装置与微流管连接。
11.作为本发明的进一步改进，所述流动系统还包括过滤器和微流控制器，所述海水泵、过滤器、微流控制器和微流管依次连接。
12.本发明还提供一种海水微塑料颗粒污染物检测方法，所述检测方法基于前述的海水微塑料颗粒污染物检测仪实现，包括：抽取被测海域海水，使携带微塑料颗粒污染物的海水进入微流管，激光光源通过光环行器进入衍射系统，光源按波长在空间上分散，再聚焦到微流管表面大小，产生用于对微流管内液体进行一维线扫描的宽带光脉冲；扫描后的脉冲光反射谱经光环行器进入色散傅里叶变换器，将每个脉冲的频谱映射为时域波形并进行拉曼放大，经过色散傅里叶变换器处理后的光脉冲信号由光电探测器探测转换成数字信号并传输到信号处理器；在经信号处理器进行信号处理，得出扫描获得的海水微流信息，以此计算出海水微塑料颗粒污染物的质量浓度和粒径分布信息。
13.作为本发明的进一步改进，在所述携带微塑料颗粒污染物的海水进入微流管之前，还包括：通过过滤器对海水进行过滤，并通过微流控制器控制待测海水小口径高流量的流入微流管，并在微流管内均速流动。
14.区别于现有技术，上述技术方案具有如下优点：1、本发明利用色散傅里叶变换原理实现了对海洋微塑料颗粒污染情况的实时在线检测，有别与传统的显微观察计数手段，该检测仪检测通过色散傅里叶变换和微流控制实现了对海水微塑料颗粒污染的实时检测，在相同时间内可检测的样本量也得到成倍增长，极大地提高了检测效率；2、基于色散傅里叶变换原理的海水微塑料颗粒污染物检测仪，可以现场直接显示微塑料颗粒的粒径分布和质量浓度，且检测速度快、灵敏度高、操作简便、噪声低、稳定性好。与传统的显微观察计数的方式相比，检测精度和检测效率得到了显著提升。本发明能够在远洋观测、近海水环境调查、珊瑚保护和海岸环境监控等领域广泛使用。
附图说明
15.图1为海水微塑料颗粒污染物检测仪的结构示意图；图2为海水微塑料颗粒污染物检测仪中色散傅里叶变换器的示意图；图3为海水微塑料颗粒污染物检测方法的流程图；图中：流动系统100、海水泵101、过滤器102、微流控制器103、微流管104、污染物回收装置105；激光扫描系统200、激光光源201、光环行器202、衍射系统203；信息收集处理系统300、色散傅里叶变换器301、光纤放大器301a、色散光纤301b、光电探测器302、信号处理器303。
具体实施方式
16.为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。
17.实施例一请参阅图1，本实施例中，一种海水微塑料颗粒污染物检测仪包括用于实时提取海水微塑料颗粒污染物的流动系统100、激光扫描系统200和信息收集处理系统300，所述流动系统100包括依次连接的海水泵101、过滤器102、微流控制器103、微流管104和污染物回收装置105；激光扫描系统200包括激光光源201、光环行器202和衍射系统203；信息收集处理系统300包括色散傅里叶变换器301、光电探测器302和信号处理器303。通过光源产生的宽带脉冲光对微流管104内携带微塑料颗粒污染物的海水进行一维线扫描，获得的反射谱通过色散傅里叶变换的方法将光谱映射到时域并进行信号的放大，以此实现高效率、高灵敏度的检测。
18.首先海水泵101抽取被检测区域的海水，利用过滤器102对海水进行沉淀、分离和过滤，除去海水中对检测有干扰的物质，保留下需要检测的海水微塑料颗粒污染物。利用微流控制器103实现待测海水小口径高流量的进入微流管104，并在微流管104内匀速流动。此时，激光光源201发出的宽带脉冲光经光环行器202，由衍射系统203在空间上分散，并被聚焦到微流管104表面实现对海水微塑料颗粒污染物的一维线扫描。扫描获得的脉冲光反射谱经光环行器202进入色散傅里叶变换器301，将每个脉冲的光谱映射到时域并进行拉曼放大，并由光电探测器302和信号处理器303实现对海水微塑料颗粒污染物质量浓度和粒径分布的读取。
19.本实施例中，所述激光光源201能够发射出宽带脉冲激光，并经过由一对衍射光栅和球面透镜、物镜组成的衍射系统203后其空间分布能够满足对微流管104进行高效地一维线扫描。微流控制器103和微流管104的机械结构能够实现待测海水小口径高流量的进入微流管104，并在微流管104内匀速流动。
20.参阅图2，本实施例中，所述色散傅里叶变换器301，由光纤放大器301a和色散光纤301b组成。光纤放大器301a将光信号预放大，然后进入色散光纤301b，凭借其高群速度色散特性，实现傅里叶变换操作，将频谱映射为时域波形，空间编码的光谱显示为时间序列。然后色散光纤301b被二次光源泵浦，以直接在色散光纤301b中实现受激拉曼放大，不仅补偿了色散光纤301b中固有的损耗，而且还提供了额外的信号放大。光电探测器302可以为光电二极管或雪崩二极管。
21.光脉冲通过具有高二阶色散系数的色散傅里叶变换器301时，其传播被描述为：
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（1）其中是光脉冲的幅度，是脉冲的中心频率，是增益系数，是吸收系数，是脉冲在色散光纤301b中的传播距离，是二阶色散系数，是脉冲在参考系中以给出的群速度传播的时间。是一阶色散系数，也是材料群速度的倒数。在等
式 (1) 中，对于较大的，被积函数在频域中快速振荡，但相位消失的频率除外，该频率由下式给出：
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（2）在光学频率和时间之间创建了一对一的映射，可以将方程 (2) 改写为。根据等式 (1)，时间脉冲的强度分布可以进一步写为：
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（3）其表示了信号的时域强度调制与其自身光谱（即频域信号）之间的等价性，比例常数为 以及等式(2)给出的频率-时间映射关系。频率到时间的转换过程被模拟并显示。
22.本实施例中，所述光电探测器302为光电二极管，它是理想的测量脉冲光源的器件。经信号处理器303由算法控制，能够得出放大后时域信号的相关信息，以此计算出海水微塑料颗粒污染物的质量浓度、粒径分布等信息。
23.实施例二参阅图3，本实施例，一种海水微塑料颗粒污染物检测方法，所述检测方式基于上述实施例中的海水微塑料颗粒污染物检测仪实现，包括以下步骤：s1：海水泵101抽取被测海域海水，通过过滤器102，使携带微塑料颗粒污染物的海水进入微流管104；s2：微流控制器103控制携带微塑料颗粒污染物的海水在微流管104内匀速流动；s3：激光光源201通过光环行器202进入衍射系统203，光源按波长在空间上分散，再聚焦到微流管104表面大小，产生用于对微流管104内液体进行一维线扫描的宽带光脉冲；s4：扫描后的脉冲光反射谱经光环行器202进入色散傅里叶变换器301，将每个脉冲的频谱映射为时域波形并进行拉曼放大。
24.s5：经过色散傅里叶变换器301处理后的光脉冲信号由光电探测器302探测转换成数字信号并传输到信号处理器303；s6：在经信号处理器303进行信号处理，得出扫描获得的海水微流信息，以此计算出微塑料颗粒污染物的质量浓度和粒径分布等信息。
25.s7：采用污染物回收装置105收集微流管104内排出的微塑料颗粒污染物。
26.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括
……”
或“包含
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此
外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。
27.尽管已经对上述各实施例进行了描述，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。