WO2022239852A1 - 染色液、プラスチック検出方法、処理装置およびプログラム - Google Patents

染色液、プラスチック検出方法、処理装置およびプログラム Download PDF

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WO2022239852A1
WO2022239852A1 PCT/JP2022/020143 JP2022020143W WO2022239852A1 WO 2022239852 A1 WO2022239852 A1 WO 2022239852A1 JP 2022020143 W JP2022020143 W JP 2022020143W WO 2022239852 A1 WO2022239852 A1 WO 2022239852A1
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plastic
coumarin
stained
staining
plastic particles
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PCT/JP2022/020143
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久幸 荒川
知香 中野
一鵬 程
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国立大学法人東京海洋大学
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09B—ORGANIC DYES OR CLOSELY-RELATED COMPOUNDS FOR PRODUCING DYES, e.g. PIGMENTS; MORDANTS; LAKES
    • C09B57/00—Other synthetic dyes of known constitution
    • C09B57/02—Coumarine dyes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume, or surface-area of porous materials
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume, or surface-area of porous materials
    • G01N15/02—Investigating particle size or size distribution
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence

Definitions

  • the present invention relates to a staining solution, a plastic detection method, a processing device and a program.
  • Non-Patent Document 1 There is a staining method for staining plastic as a method for detecting microplastics that exist in environments such as the ocean.
  • Nile Red Non-Patent Document 1
  • Rose Bengal Non-Patent Document 2
  • Rhodamine Non-Patent Document 3
  • These staining methods make it possible to know the amount of plastic in the sample.
  • Non-Patent Documents 1 to 3 there are cases where a predetermined type of plastic cannot be dyed, or the fluorescence wavelength varies depending on the type of plastic, which increases the cost of detection.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a technology that can easily dye more plastics.
  • a dyeing solution according to one embodiment of the present invention is a dyeing solution for dyeing plastic in which a coumarin-based fluorescent dye is dissolved in an organic solvent.
  • a plastic detection method comprises the steps of staining a sample containing plastic particles with a staining solution in which a coumarin-based fluorescent dye is dissolved in an organic solvent; Detecting a portion of the
  • a processing apparatus stains a sample containing plastic particles with a staining solution in which a coumarin-based fluorescent dye is dissolved in an organic solvent, and the plastic particles in the sample stained with the staining solution are collected.
  • a storage device for storing image data obtained by photographing the filter; and a measurement unit for identifying a portion stained with the coumarin-based fluorescent dye in the image data as a plastic portion and measuring the size of each stained portion.
  • a processing apparatus stains a sample containing plastic particles with a staining solution in which a coumarin-based fluorescent dye is dissolved in an organic solvent, and measures the wavelength of the plastic particles in the sample stained with the staining solution.
  • a storage device for storing the wavelength measurement data, the type of plastic, and standard data that associates the characteristic value of the wavelength of the type with the standard data;
  • a type determination unit is provided for determining a type of plastic corresponding to a wavelength characteristic value similar to the wavelength characteristic value as the plastic type of the plastic particles.
  • One aspect of the present invention is a program that causes a computer to function as the processing device.
  • FIG. 1 is a flow chart explaining a plastic detection method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing the structure of coumarin 6.
  • FIG. 3 is a diagram explaining the effectiveness of plastic staining with coumarin 6 (No. 1).
  • FIG. 4 is a diagram explaining the effectiveness of plastic staining with coumarin 6 (No. 2).
  • FIG. 5 is a diagram showing experimental results of dissolution or non-dissolution of plastic particles with respect to the ratio of acetone or ethanol to the solvent.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating experimental results when the solvent is a mixture of acetone and ethanol, only acetone, or only ethanol (No. 1).
  • FIG. 1 is a flow chart explaining a plastic detection method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing the structure of coumarin 6.
  • FIG. 3 is a diagram explaining the effectiveness of plastic staining with coumarin 6 (No. 1).
  • FIG. 4 is a diagram
  • FIG. 7 is a diagram illustrating experimental results when the solvent is a mixture of acetone and ethanol, only acetone, or only ethanol (No. 2).
  • FIG. 8 is a diagram illustrating experimental results in which the concentration of ethanol or the concentration of acetone in the solvent was changed.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining experimental results in which the concentration of coumarin 6 with respect to the solvent was changed (No. 1).
  • FIG. 10 is a diagram for explaining experimental results in which the concentration of coumarin 6 with respect to the solvent was changed (No. 2).
  • FIG. 11 is a diagram for explaining the results of an experiment in which the plastic was immersed in the staining solution for different times (No. 1).
  • FIG. 1 is a diagram illustrating experimental results when the solvent is a mixture of acetone and ethanol, only acetone, or only ethanol (No. 2).
  • FIG. 8 is a diagram illustrating experimental results in which the concentration of ethanol or the concentration of acetone in the solvent was changed.
  • FIG. 12 is a diagram for explaining the results of an experiment in which the immersion time of the plastic in the dyeing solution was changed (No. 2).
  • FIG. 13 is a diagram illustrating functional blocks of a processing device that processes dyed plastic data.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating an example of image data obtained by photographing the plastic collected by the filter with a camera of a fluorescence microscope.
  • FIG. 15 is a histogram showing the size and number of plastics in the image data shown in FIG.
  • FIG. 16 is a diagram illustrating a state in which the plastic captured by the sample filter is photographed by a camera provided with a green filter.
  • FIG. 17 is an experimental result showing the size of the plastic collected by the sample filter and the relative value of the light intensity for that size in the state shown in FIG. FIG.
  • FIG. 18 is a diagram showing wavelength characteristics of each plastic fluorescent with coumarin 6 measured by a spectrometer.
  • FIG. 19 is a diagram explaining experimental results for coumarin 6, coumarin 7 and coumarin 30.
  • FIG. 20 is a diagram for explaining the hardware configuration of a computer used in the processing device.
  • the graphs shown in Figures 3-4, 6-12 and 19 are the results of measuring the wavelength characteristics with a spectrometer when pellets made of a predetermined plastic material were dyed with a staining solution under predetermined conditions.
  • the horizontal axis is the wavelength
  • the vertical axis is the relative value of the light intensity at that wavelength.
  • the pellet has a size of about 3-4 mm.
  • the intensity of light corresponds to the number of photons at each wavelength as measured by a spectrometer, for example.
  • LDPE Low Density Polyethylene
  • HDPE High Density Polyethylene
  • PP Polypropylene
  • PS Polystyrene
  • PA Polyamide
  • PVC Polyvinyl chloride
  • PC Polycarbonate Forming
  • PS Foaming
  • PolyStyrene PMMA Acrylic resin (Polymethyl methacrylate)
  • PET PET (Polyethylene terephthalate)
  • Plastic detection method A plastic detection method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • a sample containing plastic particles is stained with a staining solution in which coumarin 6 is dissolved in an organic solvent.
  • Plastic particles are called microplastics, for example, and are fine particles that exist in the environment such as the ocean.
  • the plastic detection method according to the embodiment of the present invention makes it possible to detect fine plastic particles such as 50 ⁇ m or more. Although the opening of the net used this time is 50 ⁇ m, any net may be used according to the purpose or application of collecting samples.
  • Types of plastics that can be detected by the detection method according to the embodiment of the present invention include low density polyethylene (LDPE), high density polyethylene (HDPE), polypropylene (PP), polystyrene ( PS: Polystyrene, PA: Polyamide, PVC: Polyvinyl chloride, PC: Polycarbonate, Forming PS: Foaming PolyStyrene, PMMA: Polymethyl methacrylate, and PET : Polyethylene terephthalate).
  • the detection method has been validated for at least 10 types of plastics listed here, and may detect plastics other than the 10 types.
  • step S1 samples in the environment are collected.
  • samples in the ocean for example, a plankton net with an opening of 50 ⁇ m is used. Collected samples include bottom sediment, beach particles, organic matter, inorganic particles, as well as plastic particles.
  • step S2 impurities such as organic matter and plankton are removed from the sample by chemical treatment.
  • step S3 density separation is performed using a solution with a high specific gravity such as NaI (specific gravity 1.6). Relatively heavy inorganic particles and the like settle, and relatively light plastic particles and the like float on the surface. The supernatant liquid in which the plastic particles are collected is extracted.
  • step S4 the supernatant liquid extracted in step S3 is filtered through a stainless steel filter with a pore size of 50 ⁇ m. Plastic particles are collected on a stainless filter.
  • a staining solution is generated in step S5.
  • the staining solution is produced by dissolving the coumarin 6 in an organic solvent such as a mixed solvent containing ethanol and acetone.
  • step S6 the plastic particles collected in step S4 are immersed in the staining solution produced in step S5 to fluorescently dye the plastic particles.
  • the stainless filter that has collected the plastic particles in step S4 is placed in the beaker containing the staining solution produced in step S5.
  • the plastic particles collected by the stainless filter fluoresce with the staining solution.
  • the stainless steel filter used here has openings that can collect the plastic particles to be collected, and has the property of not being stained with a staining solution.
  • step S7 the plastic particles fluorescently dyed in step S6 are washed away with distilled water. Dyed plastic particles are collected in a stainless steel filter.
  • step S8 the dyed plastic particles are photographed with a fluorescence microscope camera.
  • step S9 the computer analyzes the image data obtained in step S8.
  • the computer detects the dyed portion from the image data of the dyed plastic particles.
  • the computer identifies fluorescent portions in the image data and measures the size of each plastic. The size and number of each plastic in the samples collected in step S1 are identified and a histogram generated.
  • the detection method in Figure 1 uses a stainless steel filter that is not stained with a staining solution.
  • the detection method of FIG. 1 requires only one step of collecting the dyed plastic particles, and can accurately collect the plastic particles.
  • the detection method shown in FIG. 1 is an example and is not limited to this.
  • a filter such as a glass fiber filter can collect plastic particles to be collected, it is also possible to photograph the plastic particles using a filter that is dyed with a staining solution.
  • the dyed plastic particles are collected using such a filter, the dyed plastic particles are separated from the collected filter and collected with a filter that does not emit fluorescence, thereby removing the dyed plastic particles. It becomes possible to take pictures.
  • plastic particles collected by the detection method shown in FIG. The plastic particles fluorescently stained with the staining solution in step S7 are filtered through a mesh filter with a large opening such as a pore size of 1 mm before collecting them with a stainless steel filter in step S4. It becomes possible to collect plastic.
  • Image data is obtained by irradiating plastic particles with a major diameter of more than 1 mm with UV excitation light and photographing with a camera with a band-pass filter. From the image data obtained, the size and number of each plastic particle are identified.
  • a dyeing solution according to an embodiment of the present invention will be described.
  • a staining solution is produced by dissolving coumarin 6 in an organic solvent.
  • the staining solution is produced by dissolving coumarin 6 in an organic solvent such as a mixed solvent containing ethanol and acetone.
  • Coumarin 6 has the structure shown in FIG.
  • Coumarin 6 has an electron-donating dimethylamino group at the 7-position of the coumarin skeleton and a benzothiazole ring at the 3-position.
  • Coumarin 6 can make plastics strongly fluorescent.
  • Coumarin 6 has a unimodal fluorescence wavelength around 500 nm.
  • FIGS. 3-4 staining method using coumarin 6
  • Nile Fluorescence wavelengths obtained by a staining method using Red (Non-Patent Document 1) and a staining method using Rose Bengal (Non-Patent Document 2) are shown.
  • Staining with Nile Red and Rose Bengal produces fluorescence at 600-650 nm, but the fluorescence is very small.
  • Nile Red has weak light intensity at wavelengths of 600-650 nm for PS, Forming PS, and PET plastics, and fluorescence is not clear.
  • Rose Bengal also has weak light intensity and no clear fluorescence at wavelengths of 600-650nm for LDPE, HDPE, PS, Forming PS and PET plastics.
  • the solvent of the staining liquid is an organic solvent in which organic substances are dissolved.
  • ethanol and acetone are used as the organic matter, but the organic matter is not limited to this.
  • the ratio of ethanol and acetone in the organic solvent is acetone 19.9-74.6% by volume and ethanol 79.6-24.9% by volume. If the organic solvent is 99.5% pure acetone mixed with 99.5% pure ethanol to form the organic solvent, the ratio of ethanol to acetone in the organic solvent is 20 volumes of 99.5% pure acetone % to 75% by volume and 80% to 25% by volume of ethanol with a purity of 99.5%.
  • the organic substance used in the organic solvent and its ratio are determined so that the plastic to be detected does not dissolve and the coumarin 6 dissolves.
  • FIG. 5 shows the ratio of acetone or ethanol to the solvent and the experimental results of dissolution or non-dissolution of plastic particles.
  • FIG. 5 shows the dissolution of 10 types of plastics in a solvent of 99.5% pure acetone mixed with water.
  • the ratio of 99.5% pure acetone to the total solvent is 90% by volume, 85% by volume, 80% by volume and 75% by volume. It can be seen that when the acetone percentage is high, some of the plastic types dissolve, but when the acetone percentage is lowered to 75% by volume, each of the 10 plastics does not dissolve.
  • the ratio of acetone with a purity of 99.5% to the entire solvent must be 75% by volume or less, specifically, the ratio of acetone to the entire solvent must be 67.5% by volume or less.
  • Figure 5 also shows the dissolution status of 10 types of plastic in an ethanol solvent with a purity of 99.5%. It can be seen that each of the ten plastics does not dissolve in an ethanol solvent with a purity of 99.5% relative to the total solvent.
  • Figure 6-7 shows the experimental results when the solvent is a mixture of acetone and ethanol, acetone alone, or ethanol alone.
  • the ratio of 74.6% purity acetone and 99.5% purity ethanol in the mixed solvent is 50% by volume and 50% by volume.
  • the ratio of acetone in the acetone only solvent is 74.6% by volume.
  • the ethanol ratio in the ethanol only solvent is 99.5% by volume.
  • Coumarin 6 was dissolved in these solvents at a ratio of 10 mg/L to produce staining solutions.
  • the immersion time of the plastic in the dye solution is 1 hour.
  • Dyeing solution in which coumarin 6 is dissolved in an organic solvent containing acetone but not containing ethanol is any one of low-density polyethylene, high-density polyethylene, polystyrene, polyamide, polyvinyl chloride, polycarbonate, styrofoam, acrylic resin, and PET. More plastics can be dyed.
  • a dyeing solution in which coumarin 6 is dissolved in an organic solvent containing ethanol but not containing acetone can dye one or more plastics of low-density polyethylene, high-density polyethylene, polypropylene, polystyrene, polyamide, styrofoam and PET. can be done.
  • the solvent is a mixture of ethanol and acetone, 10 types of plastic can be dyed.
  • Fig. 8 shows the experimental results of dyeing four types of plastics, PP, PVC, PC, and PMMA, using solvents with different ratios of ethanol and acetone in the mixture.
  • FIG. 8(a) shows the staining results of PP when coumarin 6 was dissolved in each of the seven solvents at a rate of 10 mg/L and the immersion time was set to 1 hour.
  • PP does not stain when the solvent is only acetone.
  • FIG. 8(a) it can be seen that staining occurs when the solvent contains 10% by volume of 99% pure ethanol.
  • plastics can be dyed by using an organic solvent containing 20% to 75% by volume of acetone with a purity of 99.5% and ethanol with a purity of 99.5% as the remainder.
  • the ten plastics are low density polyethylene, high density polyethylene, polypropylene, polystyrene, polyamide, polyvinyl chloride, polycarbonate, styrofoam, acrylic and PET.
  • An organic solvent comprising 20% to 75% by volume of 99.5% pure acetone and 80% to 25% by volume of 99.5% pure ethanol, in other words, 19.9-74.6% by volume of acetone. , containing 79.6-24.9% by volume of ethanol.
  • FIGS. 9-10 the results of experiments with varying concentrations of coumarin 6 relative to the solvent are shown.
  • 10 kinds of plastics without coumarin 6 were immersed in a solvent without dyeing, and the concentration of coumarin 6 was 0.5 mg/L, 1 mg/L, 5 mg/L, or 10 mg/L.
  • Experimental results for the case of L are shown.
  • the solvent used here contains 50% by volume of 75% pure acetone and 50% by volume of 99.5% pure ethanol.
  • the immersion time of the plastic in the dye solution is 1 hour.
  • Coumarin 6 can fluoresce any one or more of the 10 types of plastics when dissolved at a rate of at least 1 mg/L.
  • the ten plastics are specifically low density polyethylene, high density polyethylene, polypropylene, polystyrene, polyamide, polyvinyl chloride, polycarbonate, styrofoam, acrylic resin and PET.
  • the staining solution according to the embodiment of the present invention is obtained by dissolving coumarin 6 in an organic solvent, and is more suitable than other staining solutions.
  • the staining solution according to the embodiment can detect more types of plastics than conventional staining solutions such as Nile Red and Rose Bengal. Since the fluorescence wavelength of the staining solution according to the embodiment is common regardless of the type of plastic, it is easy to grasp the fluorescence due to staining.
  • the staining solution according to the embodiment can significantly reduce the immersion time as compared with Rhodamine.
  • the staining solution according to the embodiment can be obtained at a lower price than Nile Red.
  • the dyeing solution according to the embodiment of the present invention can easily dye more plastics.
  • the processing device 1 for processing the image data 11 and the like obtained by the plastic detection method shown in FIG. 1 will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 13, when image data 11 and wavelength measurement data 13 are input, processing device 1 analyzes these data.
  • the processing device 1 includes each data of the quantity data 12 , the standard data 14 and the type data 15 , and each function of the measuring section 21 and the type determining section 22 .
  • Each data is stored in memory 902 or storage 903 .
  • Each function is implemented in the CPU 901 .
  • the processing device 1 performs a process of calculating the amount of plastic in the dyed sample and a process of identifying the type of plastic from the dyed plastic particles.
  • the image data 11 is input to the measuring section 21 and the measuring section 21 outputs the amount data 12 .
  • the image data 11 is obtained by the plastic detection method shown in FIG.
  • the image data 11 is obtained by staining a sample containing plastic particles with a staining solution in which coumarin 6 is dissolved in an organic solvent, and photographing a filter in which the plastic particles in the sample stained with the staining solution are collected.
  • the image data 11 is obtained by photographing with a camera of a fluorescence microscope or by photographing with irradiation with UV (ultraviolet) excitation light L, depending on the size of the microplastic.
  • a fluorescence microscope camera is used for fine microplastics with a long diameter of 50 ⁇ m or more and 1 mm or less.
  • a mesh that can collect plastic particles of 50 ⁇ m or more is used, but the mesh is not limited to this. Smaller plastic particles can be collected by using a mesh size imageable with a trend microscope, for example 1 ⁇ m.
  • the image data 11 is obtained by photographing the PC filter in which the plastic dyed with the staining solution is captured by the camera of the fluorescence microscope.
  • the image data 11 is obtained by photographing the metal filter in which the plastic dyed with the staining solution is collected with a camera of a fluorescence microscope.
  • the dyed plastic particles glow green.
  • FIG. 14 is data obtained by converting the image data 11 into a gray scale, and fluorescently dyed plastic particles are shown in white.
  • the image is captured by a camera C that The plastic particles are collected by the sample filter F.
  • the camera C is provided with a band-pass filter, specifically a green filter G, capable of photographing staining with coumarin 6 .
  • the amount data 12 is data specifying the total amount of plastic particles on the filter.
  • the quantity data 12 may be the total quantity of the size of each plastic particle on the filter, or may be a histogram. Also, the size of one plastic particle may be specified by its area or by its length.
  • the amount data 12 is, for example, histogram data that associates the area of plastic particles with the number of particles having that area, as shown in FIG.
  • the abscissa indicates the size of the major axis, with indices of 1 ⁇ m or more and less than 61 ⁇ m, 61 ⁇ m or more and less than 121 ⁇ m, . . . every 60 ⁇ m. .
  • the horizontal axis of the histogram may be set to any number.
  • plastic particles with a size of 1 ⁇ m or more and less than 61 ⁇ m are the most common, followed by plastic particles with a size of 61 ⁇ m or more and less than 121 ⁇ m.
  • the horizontal axis of the histogram has an index of the major diameter of each plastic particle, but an index of the area of each plastic particle may be provided.
  • the measurement unit 21 identifies the parts stained with coumarin 6 as plastic parts, and measures the size of each stained part.
  • the measuring unit 21 identifies the plastic portion from the image data 11 shown in FIG. 14, where the plastic particles have a size of 50 ⁇ m to 1 mm.
  • the measurement unit 21 identifies a portion of the image data 11 that has the color of the wavelength dyed by the coumarin 6 .
  • the measuring unit 21 identifies the size of each plastic particle from the shape of each plastic particle, with the identified portion as the existing position of the plastic particle.
  • the size of each plastic particle is the major axis or area.
  • the measuring unit 21 may estimate the portion of each individual plastic particle and specify the size from the estimated portion of each individual plastic particle.
  • the measurement unit 21 When the plastic portion in the image data 11 is specified, the measurement unit 21 outputs the amount data 12.
  • the measurement unit 21 may calculate the total amount of plastic in the sample from the size of each portion having the fluorescent color of the coumarin 6 and output it as the amount data 12 .
  • the measurement unit 21 may count the number of particles belonging to a predetermined size range of each portion having the fluorescent color of the coumarin 6, generate a histogram, and output it as the amount data 12 shown in FIG. .
  • the size of each portion having the fluorescent color due to the coumarin 6 may be specified by the area or by the major axis.
  • the measuring unit 21 specifies the plastic part from the image data 11 in which the plastic particles have a size of 1 mm or more and is captured by the method shown in FIG.
  • the portion stained with coumarin 6 has a green color, and the other portion has a black color.
  • the measurement unit 21 identifies the size of each plastic particle from the shape of each plastic particle, with the green portion in the image data 11 as the position where the plastic particle exists.
  • the measurement unit 21 When the plastic portion in the image data 11 is specified, the measurement unit 21 outputs the amount data 12.
  • the measurement unit 21 may calculate the total amount of plastic in the sample from the size of each portion having the fluorescent color of the coumarin 6 and output it as the amount data 12 .
  • the measurement unit 21 may count the number of particles whose size of each portion having the fluorescent color due to the coumarin 6 falls within a predetermined range, generate a histogram, and output it as the amount data 12 shown in FIG. . In the example shown in FIG. 17, the size of plastic particles is specified from the area.
  • the wavelength measurement data 13 is input to the type determination unit 22 , and the type determination unit 22 refers to the standard data 14 to output the type data 15 .
  • the wavelength measurement data 13 is data on the fluorescence wavelength distribution of one plastic particle measured with a spectrometer or a hyperspectral camera.
  • the wavelength measurement data 13 is obtained by staining a sample containing plastic particles with a staining solution in which coumarin 6 is dissolved in an organic solvent, and measuring the wavelength of the plastic particles in the sample stained with the staining solution.
  • the standard data 14 associates the type of plastic with the characteristic value of the wavelength for that type.
  • the standard data 14 is data specifying the characteristics of the wavelength distribution in the standard sample of each plastic type.
  • FIG. 18 shows spectra of standard samples of each plastic.
  • the standard data 14 contains the spectral features of each plastic in an identifiable format.
  • the characteristic of the spectrum is data obtained by normalizing the spectrum of the plastic.
  • a spectral feature is the relative ratio of numbers at each wavelength, with the maximum at a given wavelength being 1 in the spectrum of a type of plastic particle.
  • the type data 15 is data specifying the type of plastic estimated from the wavelength measurement data 13. Data specifying the type of plastic such as PET is set in the type data 15 .
  • the type determining unit 22 selects the type of plastic corresponding to the wavelength characteristic value similar to the wavelength characteristic value in the wavelength measurement data 13 among the wavelength characteristic values associated in the standard data 14 shown in FIG. Determined as the plastic type of the particles.
  • the wavelength characteristic value is, for example, the spectral correlation coefficient or the spectral Euclidean distance.
  • the characteristic value of wavelength may be expressed by a function similar to the graph of light intensity versus wavelength, may be the value of the wavelength having the maximum intensity, or may be another parameter. Also, the wavelength characteristic value may be a combination of these values.
  • the type determining unit 22 may determine one plastic type having the most similar characteristic value from the wavelength characteristic values in the wavelength measurement data 13, and output the determined type. As another example, the type determination unit 22 calculates the degree of similarity between the wavelength characteristic value in the wavelength measurement data 13 and the wavelength characteristic value of each type in the standard data 14, and outputs the similarity for each plastic type. can be
  • the type determination unit 22 may also refer to the learning model.
  • the type determination unit 22 generates in advance a learning model capable of determining the characteristic value of the wavelength of each plastic in the standard data 14 .
  • the type determination unit 22 may output the type of plastic estimated from the wavelength measurement data 13 based on the characteristic value of the wavelength in the wavelength measurement data 13 using the generated learning model.
  • plastic particles dyed with coumarin 6 can be analyzed. Specifically, the processor 1 can calculate the amount of plastic in the stained sample. The processing device 1 can also identify the type of plastic from the dyed plastic particles.
  • the processing device 1 can grasp the fluorescence of the plastic in the sample.
  • coumarin-based fluorescent dyes other than coumarin 6 can similarly dye plastic.
  • a coumarin-based fluorescent dye has an amino group at the 7-position of the coumarin skeleton.
  • Coumarin-based fluorescent dyes are specifically coumarin 6, coumarin 7, coumarin 30, and the like.
  • FIG. 19 shows the wavelength characteristics of coumarin-based fluorescent dyes, coumarin 6, coumarin 7, and coumarin 30, measured with a spectrometer under prescribed conditions when pellets made of a prescribed plastic material were dyed with a staining solution. Show the results.
  • each coumarin-based fluorescent dye is added at a rate of 1 mg/L in a solvent obtained by mixing 50% by volume of acetone with a purity of 74.6% and 50% by volume of ethanol with a purity of 99.5%.
  • a piece of plastic high density polyethylene (HDPE) is immersed in the dissolved staining solution for 1 hour.
  • HDPE high density polyethylene
  • the dyeing solution for dyeing plastics is obtained by dissolving a coumarin-based fluorescent dye in an organic solvent.
  • the plastic is one or more of low density polyethylene, high density polyethylene, polypropylene, polystyrene, polyamide, polyvinyl chloride, polycarbonate, styrofoam, acrylic resin and PET.
  • the organic solvent includes acetone, and the plastic is any one or more of low-density polyethylene, high-density polyethylene, polystyrene, polyamide, polyvinyl chloride, polycarbonate, expanded styrol, acrylic resin, and PET.
  • the organic solvent contains acetone 19.9-74.6% by volume and ethanol 79.6-24.9% by volume
  • the coumarin-based fluorescent dye is dissolved at a rate of at least 1 mg/L
  • the plastic is low Any one or more of density polyethylene, high density polyethylene, polypropylene, polystyrene, polyamide, polyvinyl chloride, polycarbonate, styrofoam, acrylic resin and PET.
  • the plastic detection method includes the step of staining a sample containing plastic particles with a staining solution in which a coumarin-based fluorescent dye is dissolved in an organic solvent, and detecting the stained portion from image data obtained by photographing the stained plastic particles.
  • a staining solution in which a coumarin-based fluorescent dye is dissolved in an organic solvent
  • the image data are obtained by photographing with a fluorescence microscope camera.
  • the image data is captured with a camera that illuminates the dyed plastic particles with UV excitation light and captures the staining with coumarin-based fluorochromes.
  • the processing device 1 stains a sample containing plastic particles with a staining solution in which a coumarin-based fluorescent dye is dissolved in an organic solvent, and captures an image of a filter in which the plastic particles in the sample stained with the staining solution are captured.
  • a storage device for storing data, and a measurement unit for identifying a portion stained with a coumarin-based fluorescent dye in the image data as a plastic portion and measuring the size of each stained portion.
  • the processing device 1 stains a sample containing plastic particles with a staining solution in which a coumarin-based fluorescent dye is dissolved in an organic solvent, and measures the wavelength of the plastic particles in the sample stained with the staining solution.
  • a storage device for storing standard data associating a type of plastic with a characteristic value of the wavelength of the type;
  • a type determination unit is provided for determining the type of plastic corresponding to the characteristic value of the wavelength as the type of plastic of the plastic particles.
  • the processing device 1 of the present embodiment described above includes, for example, a CPU (Central Processing Unit, processor) 901, a memory 902, a storage 903 (HDD: Hard Disk Drive, SSD: Solid State Drive), and a communication device 904 , an input device 905 and an output device 906 are used.
  • a CPU Central Processing Unit
  • processor Central Processing Unit
  • memory 902 a storage 903
  • HDD Hard Disk Drive
  • SSD Solid State Drive
  • communication device 904 an input device 905 and an output device 906 are used.
  • each function of the processing device 1 is realized by the CPU 901 executing a program loaded on the memory 902 .
  • processing device 1 may be implemented by one computer, or may be implemented by a plurality of computers. Also, the processing device 1 may be a virtual machine implemented in a computer.
  • the program of the processing device 1 can be stored in a computer-readable recording medium such as HDD, SSD, USB (Universal Serial Bus) memory, CD (Compact Disc), DVD (Digital Versatile Disc), etc., or distributed via a network. You can also

Abstract

プラスチック検出方法は、プラスチック粒子を含むサンプルを、有機溶媒にクマリン系蛍光色素を溶解させた染色液で染色するステップと、染色されたプラスチック粒子を撮影した画像データから、染色された部分を検出するステップを備える。

Description

染色液、プラスチック検出方法、処理装置およびプログラム
　本発明は、染色液、プラスチック検出方法、処理装置およびプログラムに関する。
　昨今、海洋に多くのマイクロプラスチックが分布している。これらのマイクロプラスチックによる様々な生物への影響懸念されている。プラスチックの分布および挙動の解明が、急がれている。
　海洋などの環境に存在するマイクロプラスチックの検出方法として、プラスチックを染色する染色法がある。この染色法には、Nile Red（非特許文献１）、Rose Bengal（非特許文献２）およびRhodamine（非特許文献３）などが用いられる。これらの染色法により、サンプル中に含まれるプラスチックの量を把握することが可能である。
Shim, W.J., Song, Y.K., Hong, S.H., Jang, M., 2016. Identification and quantification of microplastics using Nile Red staining. Mar. Pollut. Bull. 113, 469-476. https://doi.org/10.1016/j.marpolbul.2016.10.049. Gbogbo, F., Takyi, J.B., Billah, M.K., Ewool, J., 2020. Analysis of microplastics in wetland samples from coastal Ghana using the Rose Bengal stain. Environ Monit Assess, 192, 208. https://doi.org/10.1007/s10661-020-8175-8 H. Tong, Q. Jiang, X. Zhong, X. Xu. 2020, Rhodamine B dye staining for visualizing microplastics in laboratory-based studies. Environ. Sci. Poll. Res., 28:4209-4215.
　しかしながら、非特許文献１ないし非特許文献3に記載の染色法では、所定の種類のプラスチックを染色できない場合、あるいはプラスチックの種類によって蛍光波長が異なり検出にコストがかかる場合がある。
　本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、より多くのプラスチックを容易に染色可能な技術を提供することである。
　本発明の一態様の染色液は、有機溶媒に、クマリン系蛍光色素を溶解させたプラスチックを染色する染色液である。
　本発明の一態様のプラスチック検出方法は、プラスチック粒子を含むサンプルを、有機溶媒にクマリン系蛍光色素を溶解させた染色液で染色するステップと、染色したプラスチック粒子を撮影した画像データから、染色された部分を検出するステップを備える。
　本発明の一態様の処理装置は、プラスチック粒子を含むサンプルを、有機溶媒にクマリン系蛍光色素を溶解させた染色液で染色し、前記染色液で染色されたサンプル中のプラスチック粒子が捕集されたフィルターを撮影した画像データを記憶する記憶装置と、前記画像データにおいて、前記クマリン系蛍光色素による染色部分を、プラスチック部分と特定して、各染色部分の大きさを計測する計測部を備える。
　本発明の一態様の処理装置は、プラスチック粒子を含むサンプルを、有機溶媒にクマリン系蛍光色素を溶解させた染色液で染色し、前記染色液で染色されたサンプル中のプラスチック粒子の波長を計測した波長計測データと、プラスチックの種類と、その種類における波長の特徴値を対応づけるスタンダードデータを記憶する記憶装置と、前記スタンダードデータにおいて対応づけられた波長の特徴値のうち、前記波長計測データにおける波長の特徴値に類似する波長の特徴値に対応するプラスチックの種類を、前記プラスチック粒子のプラスチックの種類として決定する種類決定部を備える。
　本発明の一態様は、上記処理装置として、コンピュータを機能させるプログラムである。
　本発明によれば、より多くのプラスチックを容易に染色可能な技術を提供することができる。
図１は、本発明の実施の形態に係るプラスチック検出方法を説明するフローチャートである。 図２は、クマリン６の構造を示す図である。 図３は、クマリン６によるプラスチック染色の有効性を説明する図である（その１）。 図４は、クマリン６によるプラスチック染色の有効性を説明する図である（その２）。 図５は、溶媒に対するアセトンの割合またはエタノールの割合と、プラスチック粒子の溶解または不溶解の実験結果を示す図である。 図６は、溶媒を、アセトンとエタノールの混合とした場合、アセトンのみにした場合、またはエタノールのみにした場合の実験結果を説明する図である（その１）。 図７は、溶媒を、アセトンとエタノールの混合とした場合、アセトンのみにした場合、またはエタノールのみにした場合の実験結果を説明する図である（その２）。 図８は、溶媒におけるエタノールの濃度またはアセトンの濃度を変更した実験結果を説明する図である。 図９は、溶媒に対するクマリン６の濃度を変更した実験結果を説明する図である（その１）。 図１０は、溶媒に対するクマリン６の濃度を変更した実験結果を説明する図である（その２）。 図１１は、染色液へのプラスチックの浸漬時間を変更した実験結果を説明する図である（その１）。 図１２は、染色液へのプラスチックの浸漬時間を変更した実験結果を説明する図である（その２）。 図１３は、染色されたプラスチックのデータを処理する処理装置の機能ブロックを説明する図である。 図１４は、フィルターに捕集されたプラスチックを蛍光顕微鏡のカメラで撮影して得られた画像データの一例を説明する図である。 図１５は、図１４に示す画像データにおける各プラスチックのサイズと個数を示すヒストグラムである。 図１６は、サンプルフィルタに捕集されたプラスチックを、緑フィルターを設けたカメラで撮影する状態を説明する図である。 図１７は、図１６に示す状態において、サンプルフィルタに捕集されたプラスチックのサイズとそのサイズにおける光の強度の相対値を示す実験結果である。 図１８は、クマリン６で蛍光した各プラスチックを分光計で計測した波長特性を示す図である。 図１９は、クマリン６、クマリン７およびクマリン３０の実験結果を説明する図である。 図２０は、処理装置に用いられるコンピュータのハードウエア構成を説明する図である。
　以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付し説明を省略する。
　図３－４、６－１２および１９に示すグラフは、所定条件下において、所定のプラスチック材料で形成されたペレットを染色液で染色した際の波長特性を分光計で計測した結果である。これらの図に示すグラフにおいて横軸は波長で、縦軸は、その波長における光の強度の相対値である。なおペレットは、３－４ｍｍ程度の大きさを有する。光の強度は、例えば、分光計で測定された各波長における光子の数に対応する。
　また、明細書および図面中で用いるプラスチックの種類の略語の正式名称は、下記の通りである。
　LDPE：低密度ポリエチレン（Low Density Polyethylene）
　HDPE：高密度ポリエチレン（High Density Polyethylene）
　PP：ポリプロピレン（Polypropylene）
　PS：ポリスチレン（Polystyrene）
　PA：ポリアミド（Polyamide）
　PVC：ポリ塩化ビニル（Polyvinyl chloride）
　PC：ポリカーボネート（Polycarbonate）
　Forming PS：発泡スチロール（Foaming PolyStyrene）
　PMMA：アクリル樹脂（Polymethyl methacrylate）
　PET：ペット（Polyethylene terephthalate）
　（プラスチック検出方法）
　図１を参照して、本発明の実施の形態に係るプラスチック検出方法を説明する。プラスチック検出方法は、プラスチック粒子を含むサンプルを、有機溶媒にクマリン６を溶解させた染色液で染色する。プラスチック粒子は、例えばマイクロプラスチックと称され、海洋などの環境に存在する微細な粒子である。また本発明の実施の形態に係るプラスチック検出方法は、５０μｍ以上などの、微細なプラスチック粒子を検出することを可能にする。なお、今回用いるネットの目開きは、５０μｍであるが、サンプルを収集する目的または用途等に応じて、任意のネットが用いられても良い。
　本発明の実施の形態に係る検出方法で検出可能なプラスチックの種類は、低密度ポリエチレン（LDPE: Low Density Polyethylene）、高密度ポリエチレン（HDPE: High Density Polyethylene）、ポリプロピレン（PP: Polypropylene）、ポリスチレン（PS: Polystyrene）、ポリアミド（PA: Polyamide）、ポリ塩化ビニル（PVC: Polyvinyl chloride）、ポリカーボネート（PC: Polycarbonate）、発泡スチロール（Forming PS: Foaming PolyStyrene）、アクリル樹脂（PMMA: Polymethyl methacrylate）およびペット（PET: Polyethylene terephthalate）のいずれか１つ以上を含む。検出方法は、ここで列挙した少なくとも１０種類のプラスチックについて検証しており、１０種類以外のプラスチックを検出しても良い。
　まずステップＳ１において、環境中のサンプルが収集される。海洋中のサンプルを収集する場合、例えば目開き５０μｍのプランクトンネットを用いる。収集したサンプルには、プラスチック粒子のほか、底泥、ビーチ粒子、有機物、無機粒子などを含む。
　ステップＳ２において、化学処理により、サンプルから有機物およびプランクトンなどの不純物が除去される。ステップＳ３においてＮａＩ（比重1.6）などの比重の重い溶液を使って、密度分離する。相対的に重い無機粒子などが沈殿し、相対的に軽いプラスチック粒子などが表面に浮く。プラスチック粒子が集められた上澄み液が、抽出される。
　ステップＳ４において孔径５０μｍのステンレスフィルターで、ステップＳ３で抽出した上澄み液を漉す。プラスチック粒子は、ステンレスフィルター上に捕集される。
　一方、ステップＳ５で染色液を生成する。染色液は、エタノールとアセトンを含む混合溶媒などの有機溶媒に、クマリン６が溶解されて、生成される。
　次に、サンプルを染色液で染色する。具体的には、ステップＳ６において、ステップＳ４で捕集されたプラスチック粒子を、ステップＳ５で生成した染色液に浸して、プラスチック粒子を蛍光染色する。ステップＳ５で生成した染色液が入ったビーカに、ステップＳ４でプラスチック粒子を捕集したステンレスフィルターを入れる。ステンレスフィルターに捕集されたプラスチック粒子は、染色液により蛍光する。ここで用いるステンレスフィルターは、収集対象となるプラスチック粒子を捕集可能な目開きを有し、かつ染色液で染色しない特性を有する。ステップＳ７において、ステップＳ６で蛍光染色したプラスチック粒子を、蒸留水で洗い流す。ステンレスフィルター内に、染色されたプラスチック粒子が捕集される。
　ステップＳ８において、染色されたプラスチック粒子を、蛍光顕微鏡のカメラで撮影する。ステップＳ９においてコンピュータは、ステップＳ８の撮影で得られた画像データを分析する。コンピュータは、染色されたプラスチック粒子を撮影した画像データから、染色された部分を検出する。具体的にはコンピュータは、画像データにおける蛍光部分を特定し、各プラスチックのサイズを測定する。ステップＳ１で収集されたサンプル内の各プラスチックのサイズおよび数が特定され、ヒストグラムが生成される。
　図１の検出方法は、染色液で染色しないステンレスフィルターを用いる。図１の検出方法は、染色したプラスチック粒子を捕集する工程が一度でよく、プラスチック粒子を精度良く捕集することができる。
　図１に示す検出方法は、一例であってこれに限るものではない。例えば、グラスファイバーフィルターなど、収集対象となるプラスチック粒子を捕集可能なフィルターであっても、染色液で染色してしまうフィルターを用いて、プラスチック粒子を撮影することも可能である。このようなフィルターを用いて染色されたプラスチック粒子を捕集する場合、染色後のプラスチック粒子を捕集したフィルターから剥離し、蛍光を発しないフィルターで捕集することで、染色されたプラスチック粒子を撮影することが可能になる。
　また図１に示す検出方法で捕集されるプラスチック粒子は、長径が１ｍｍ以下の小さいものになるが、長径が１ｍｍを超えるプラスチック粒子を捕集する場合にも適用することができる。ステップＳ７において染色液で蛍光染色されたプラスチック粒子を、ステップＳ４においてステンレスフィルターで捕集する前に、孔径１ｍｍなどの目開きの大きいメッシュフィルターで漉し取ることにより、プラスチックの長径が１ｍｍ以上のマイクロプラスチックを捕集することが可能になる。長径が１ｍｍを超えるプラスチック粒子は、ＵＶ励起光を照射して、バンドパスフィルター付きカメラで撮影することにより、画像データを得る。得られた画像データから、各プラスチック粒子のサイズおよび数が特定される。
　（染色液）
　本発明の実施の形態に係る染色液を説明する。染色液は、有機溶媒に、クマリン６を溶解させて、生成される。染色液は、例えば、エタノールとアセトンを含む混合溶媒などの有機溶媒に、クマリン６を溶解させて生成される。クマリン６は、図２に示す構造を持つ。クマリン６は、クマリン骨格の７位に、電子供与性のジメチルアミノ基を、３位にベンゾチアゾール環を有する。クマリン６は、プラスチックを強く蛍光させることができる。クマリン６は、500nm近傍の単峰型の蛍光波長を有する。
　まず図３－４を参照して、クマリン６による染色の有効性を説明する。図３および図４において、検出対象の１０種のプラスチックについて、クマリン６を用いる染色法、Nile
 Redを用いる染色法（非特許文献１）およびRose Bengalを用いる染色法（非特許文献２）のそれぞれの染色法による蛍光波長を示す。Nile RedおよびRose Bengalによる染色により、600-650nmに蛍光が生じるが、その蛍光はとても小さい。
　図３－４に示す実験結果における実験条件を示す。クマリン６を用いる染色法において、純度７４．６％のアセトンを５０体積％と、純度９９．５％のエタノールを５０体積％とを混合した溶媒に、クマリン６を１０ｍｇ／Ｌの割合で溶解した染色液に、１時間プラスチックを浸漬する。Nile Redを用いる染色法において、純度７４．６％のアセトンの溶媒に、Nile Redを１０ｍｇ／Ｌの割合で溶解した染色液に、１時間プラスチックを浸漬する。Rose Bengalを用いる染色法において、純度７４．６％のアセトンの溶媒に、Rose Bengalを１０ｍｇ／Ｌの割合で溶解した染色液に、１時間プラスチックを浸漬する。
　図３－４に示すように、Nile Redは、PS、Forming PS、PETの各プラスチックについて、600-650nmの波長における光の強度が弱く、蛍光が明確でない。またRose Bengalは、LDPE、HDPE、PS、Forming PS、PETの各プラスチックについて、600-650nmの波長における光の強度が弱く、蛍光が明確でない。
　これに対しクマリン６は、図３－４に示す各プラスチックについて、500nm付近の波長における光の強度が強く、蛍光が明確である。PS、Forming PS、PETの各プラスチックについて、Nile RedおよびRose Bengalはともに蛍光が明確でなかったが、クマリン６は蛍光が明確である。クマリン６によるプラスチック染色の有効性が高いことがわかる。
　（有機溶媒）
　染色液の溶媒は、有機物を溶解した有機溶媒である。本発明の実施の形態において有機物は、エタノールとアセトンの場合を説明するが、これに限るものではない。有機溶媒におけるエタノールとアセトンの比率は、アセトン１９．９－７４．６体積％と、エタノール７９．６－２４．９体積％である。有機溶媒は、純度９９．５％のアセトンと、純度９９．５％のエタノールを混合して有機溶媒を形成する場合、有機溶媒におけるエタノールとアセトンの比率は、純度９９．５％のアセトン２０体積％から７５体積％と、純度９９．５％のエタノール８０体積％から２５体積％である。有機溶媒に用いる有機物およびその比率は、検出対象のプラスチックが溶解せず、かつ、クマリン６が溶解するように、決定される。
　図５に、溶媒に対するアセトンの割合またはエタノールの割合と、プラスチック粒子の溶解または不溶解の実験結果を示す。図５は、純度９９．５％のアセトンを水と混ぜた溶媒における１０種のプラスチックの溶解状況を示す。図５に示す例において、溶媒の全体に対する純度９９．５％のアセトンの割合を、９０体積％、８５体積％、８０体積％および７５体積％にした各溶媒を用いる。アセトンの割合が高いと、プラスチック種類の一部が溶解してしまうが、アセトンの割合を７５体積％まで下げると、１０種のプラスチックのそれぞれが溶解しないことがわかる。
　従って、溶媒全体に対する純度９９．５％のアセトンの割合を、７５体積％以下、具体的には、溶媒全体に対するアセトンの割合を６７．５体積％以下とすることが必要とわかる。
　また図５は、純度９９．５％のエタノール溶媒における１０種のプラスチックの溶解状況を示す。溶媒の全体に対する純度９９．５％のエタノール溶媒において、１０種のプラスチックのそれぞれが溶解しないことがわかる。
　図６－７に、溶媒を、アセトンとエタノールの混合とした場合、アセトンのみにした場合、またはエタノールのみにした場合の実験結果を示す。混合溶媒における純度７４．６％アセトンと純度９９．５％エタノールの比は、５０体積％と５０体積％である。アセトンのみの溶媒におけるアセトンの比は、７４．６体積％である。エタノールのみの溶媒におけるエタノールの比は、９９．５体積％である。これらの溶媒に、クマリン６を１０ｍｇ／Ｌの割合で溶解して染色液を生成した。プラスチックの染色液への浸漬時間は、１時間である。
　図６－７に示すように、溶媒がアセトンのみの場合、PPの１種のプラスチックを染色することができなかった。アセトンを含み、エタノールを含まない有機溶媒に、クマリン６を溶解した染色液は、低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、ポリスチレン、ポリアミド、ポリ塩化ビニル、ポリカーボネート、発泡スチロール、アクリル樹脂およびペットのいずれか１つ以上のプラスチックを染色することができる。
　溶媒がエタノールのみの場合、PVC、PCおよびPMMAの３種のプラスチックを染色することができなかった。エタノールを含み、アセトンを含まない有機溶媒に、クマリン６を溶解した染色液は、低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリアミド、発泡スチロールおよびペットのいずれか１つ以上のプラスチックを染色することができる。
　一方、溶媒がエタノールとアセトンの混合液の場合、１０種のプラスチックを染色することができる。
　そこで、図８に、混合液におけるエタノールとアセトンの比率を変更した溶媒で、PP、PVC、PCおよびPMMAの４種のプラスチックを染色する実験結果を示す。
　PPは、アセトンのみの溶媒で染色しなかった。そこで、図８（ａ）に示すように、（１）純度７５％のアセトンのみの溶媒、（２）純度９９．５％のエタノールを１０体積％と、純度７５％のアセトンを９０体積％とした溶媒、（３）純度９９．５％のエタノールを２０体積％と、純度７５％のアセトンを８０体積％とした溶媒、（４）純度９９．５％のエタノールを３０体積％と、純度７５％のアセトンを７０体積％とした溶媒、（５）純度９９．５％のエタノールを４０体積％と、純度７５％のアセトンを６０体積％とした溶媒、（６）純度９９．５％のエタノールを５０体積％と、純度７５％のアセトンを５０体積％とした溶媒および（７）純度９９．５％のエタノールを１００体積％とした溶媒の、７つの溶媒を用意した。図８（ａ）に、７つの溶媒のそれぞれにクマリン６を１０ｍｇ／Ｌの割合で溶解し、浸漬時間を１時間とした場合の、PPの染色結果を示す。
　PPは、溶媒がアセトンのみの場合、染色しない。一方図８（ａ）に示すように、溶媒が９９％純度のエタノールを１０体積％含むことにより、染色することがわかる。
　PVC、PCおよびPMMAの３種のプラスチックは、溶媒がエタノールのみの場合、染色しない。そこで、図８（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）に示すように、（１）溶媒を９９．５％純度のエタノールを１００体積％含む溶媒のほか、（２）純度９９．５％のエタノールを９０体積％と、純度７５％のアセトンを１０体積％とした溶媒、（３）純度９９．５％のエタノールを８０体積％と、純度７５％のアセトンを２０体積％とした溶媒、（４）純度９９．５％のエタノールを７０体積％と、純度７５％のアセトンを３０体積％とした溶媒、（５）純度９９．５％のエタノールを６０体積％と、純度７５％のアセトンを４０体積％とした溶媒、（６）純度９９．５％のエタノールを５０体積％と、純度７５％のアセトンを５０体積％とした溶媒、（７）純度７５％のアセトンのみの溶媒の、７つの溶媒を容易した。図８（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）に示すように、７つの溶媒それぞれに、クマリン６を１０ｍｇ／Ｌの割合で溶解し、浸漬時間を１時間とした場合の、PVC、PCおよびPMMAそれぞれの染色結果を示す。
　PVC、PCおよびPMMAについて、溶媒がエタノールのみの場合、染色しない。一方図８（ｂ）および図８（ｄ）に示すように、PVCおよびPMMAのそれぞれについて、溶媒が純度７５％のアセトンを２０体積％含むことにより染色することがわかる。また図８（ｃ）に示すように、PCについて、溶媒が純度７５％のアセトンを１０体積％含むことにより染色することがわかる。
　以上の実験結果から、純度９９．５％のアセトン２０体積％から７５体積％を含み、残りを純度９９．５％のエタノールとする有機溶媒を用いることにより、１０種のプラスチックを染色することができることがわかる。１０種のプラスチックは、低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリアミド、ポリ塩化ビニル、ポリカーボネート、発泡スチロール、アクリル樹脂およびペットである。純度９９．５％のアセトン２０体積％から７５体積％と、純度９９．５％のエタノール８０体積％から２５体積％を含む有機溶媒は、換言すると、アセトン１９．９－７４．６体積％と、エタノール７９．６－２４．９体積％を含む。
　（クマリン６の濃度）
　図９－１０を参照して、溶媒に対するクマリン６の濃度を変更した実験結果を示す。図９－１０において、１０種のプラスチックについて、クマリン６を含まず溶媒に浸すのみで、染色をしない場合、クマリン６の濃度を０．５ｍｇ／Ｌ、１ｍｇ／Ｌ、５ｍｇ／Ｌ、または１０ｍｇ／Ｌとした場合の実験結果を示す。ここで用いた溶媒は、純度７５％のアセトンを５０体積％と、純度９９．５％のエタノールを５０体積％を含む。プラスチックの染色液への浸漬時間は、１時間である。
　クマリン６は、少なくとも１ｍｇ／Ｌの割合で溶解される場合、１０種のプラスチックのいずれか１つ以上を蛍光させることができる。１０種のプラスチックは、具体的には、低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリアミド、ポリ塩化ビニル、ポリカーボネート、発泡スチロール、アクリル樹脂およびペットである。
　（浸漬時間）
　図１１－１２を参照して、プラスチックの染色液への浸漬時間を変更した実験結果を示す。図１１－１２において、１０種のプラスチックについて、浸漬時間を３０分、１時間および３時間とした場合の実験結果を示す。ここで用いた溶媒は、純度７５％アセトン５０体積％と純度９９．５％エタノール５０体積％を含む。クマリン６の濃度は、１０ｍｇ／Ｌである。
　図１１－１２から、浸漬時間を３０分とすることでペット以外の９種のプラスチックを染色し、４０分とすることでペットを含む１０種のプラスチックを染色することができる。Rhodamineの浸漬時間は２４－４８時間であるので、本発明の実施の形態に係る染色液は、浸漬時間を大幅に減らすことができる。
　本発明の実施の形態に係る染色液は、有機溶媒にクマリン６を溶解して得られ、他の染色液よりも好適である。実施の形態に係る染色液は、Nile Red、Rose Bengal等の従来の染色液と比べて、検出可能なプラスチックの種類も多い。実施の形態に係る染色液による蛍光波長は、プラスチックの種類にかかわらず共通であるので、染色による蛍光を把握しやすい。実施の形態に係る染色液は、Rhodamineに比べて浸漬時間も大幅に減らすことができる。実施の形態に係る染色液は、Nile Redに比べて安価に入手することができる。
　このように本発明の実施の形態に係る染色液は、より多くのプラスチックを容易に染色することができる。
　（処理装置）
　図１３を参照して、図１に示すプラスチック検出方法で得られた画像データ１１等を処理する処理装置１を説明する。図１３に示すように処理装置１は、画像データ１１および波長計測データ１３が入力されると、これらのデータを分析する。処理装置１は、量データ１２、スタンダードデータ１４および種類データ１５の各データと、計測部２１および種類決定部２２の各機能を備える。各データは、メモリ９０２またはストレージ９０３に記憶される。各機能は、CPU９０１に実装される。
　処理装置１は、染色されたサンプル中のプラスチックの量を算出する処理と、染色されたプラスチック粒子からプラスチックの種類を特定する処理を行う。
　まず、染色されたサンプル中のプラスチックの量を算出する処理を説明する。この処理において、画像データ１１が計測部２１に入力され、計測部２１が量データ１２を出力する。
　画像データ１１は、図１に示すプラスチック検出方法で得られる。画像データ１１は、プラスチック粒子を含むサンプルを、有機溶媒にクマリン６を溶解させた染色液で染色し、染色液で染色されたサンプル中のプラスチック粒子が捕集されたフィルターを撮影して得られる。画像データ１１は、マイクロプラスチックの大きさによって、蛍光顕微鏡のカメラでの撮影、またはＵＶ（ultraviolet）励起光Ｌで照射した状態での撮影によって得られる。
　プラスチックの長径が５０μメートル以上かつ１ｍｍ以下の微細なマイクロプラスチックについて、蛍光顕微鏡のカメラが用いられる。ここでは、５０μｍ以上のプラスチック粒子を捕集可能なメッシュを用いるが、これに限らない。例えば１μｍなどの傾向顕微鏡で撮影可能なメッシュサイズを用いることで、より小さなプラスチック粒子を捕集することができる。画像データ１１は、染色液で染色されたプラスチックが捕集されたＰＣフィルターを蛍光顕微鏡のカメラで撮影して得られる。金属フィルターを用いる場合、画像データ１１は、染色液で染色されたプラスチックが捕集された金属フィルターを蛍光顕微鏡のカメラで撮影して得られる。図１４に示すように、画像データ１１において、染色されたプラスチック粒子が緑色に光る。図１４は、画像データ１１をグレースケール化したデータであって、蛍光染色されたプラスチック粒子が、白く示される。
　プラスチックの長径が１ｍｍ以上のマイクロプラスチックを撮影する場合、図１６に示すように、画像データ１１は、染色液で染色されたプラスチック粒子をＵＶ励起光Ｌで照射して、クマリン６による染色を撮影するカメラＣで撮影される。プラスチック粒子は、サンプルフィルタＦに捕集される。カメラＣには、クマリン６による染色を撮影することができるバンドパスフィルター、具体的には緑フィルターＧが設けられる。
　量データ１２は、フィルター上のプラスチック粒子の総量を特定するデータである。量データ１２は、フィルター上の各プラスチック粒子の大きさの合計量であっても良いし、ヒストグラムであっても良い。またプラスチック粒子１つの大きさは、面積で特定されても良いし、長径で特定されても良い。
　量データ１２は、例えば図１５に示すように、プラスチック粒子の面積と、その面積を有する粒子の数を対応づけるヒストグラムのデータである。
　図１５に示すヒストグラムは、横軸に、長径のサイズについて１μｍ以上６１μｍ未満、６１μｍ以上１２１μｍ未満、・・・と６０μｍ毎に指標を設け、縦軸に、各サイズに属するプラスチック粒子の数を設ける。なお、ヒストグラムの横軸は、任意の数に設定されても良い。図１５に示すヒストグラムにおいて、１μｍ以上６１μｍ未満のサイズのプラスチック粒子が最も多く、６１μｍ以上１２１μｍ未満のサイズのプラスチック粒子が次に多い。図１５に示す例においてヒストグラムは、横軸に、各プラスチック粒子の長径の指標を設けるが、各プラスチック粒子の面積の指標を設けても良い。
　計測部２１は、画像データ１１において、クマリン６による染色部分を、プラスチック部分と特定して、各染色部分の大きさを計測する。
　プラスチック粒子が５０μｍから１ｍｍの大きさを有し、図１４に示す画像データ１１から、計測部２１がプラスチック部分を特定する処理を説明する。
　計測部２１は、画像データ１１において、クマリン６による染色の波長の色を有する部分を特定する。計測部２１は、特定された部分をプラスチック粒子の存在位置として、各プラスチック粒子の形状から、各プラスチック粒子の大きさを特定する。各プラスチック粒子の大きさは、長径または面積である。画像データ１１を生成する際、フィルター上において各プラスチック粒子は重ならないように分散して配設されるのが好ましい。プラスチック粒子が重なる部分があったとしても、計測部２１は、個々のプラスチック粒子の部分を推定し、推定された個々のプラスチック粒子の部分から大きさを特定しても良い。
　計測部２１は、画像データ１１におけるプラスチック部分が特定されると、量データ１２を出力する。計測部２１は、クマリン６による蛍光色を有する各部分の大きさから、サンプルにおけるプラスチックの量の合計を算出して量データ１２として出力しても良い。あるいは計測部２１は、クマリン６による蛍光色を有する各部分の大きさの所定範囲に属する粒子の数をカウントして、ヒストグラムを生成して、図１５に示す量データ１２として出力しても良い。クマリン６による蛍光色を有する各部分の大きさは、面積で特定されても良いし、長径で特定されても良い。
　プラスチックの粒子が１ｍｍ以上の大きさを有し、図１６に示す方法で撮影された画像データ１１から、計測部２１がプラスチック部分を特定する処理を説明する。
　画像データ１１において、クマリン６による染色部分は緑色を有し、それ以外の部分は黒色を有する。計測部２１は、画像データ１１における緑色部分をプラスチック粒子の存在位置として、各プラスチック粒子の形状から、各プラスチック粒子の大きさを特定する。
　計測部２１は、画像データ１１におけるプラスチック部分が特定されると、量データ１２を出力する。計測部２１は、クマリン６による蛍光色を有する各部分の大きさから、サンプルにおけるプラスチックの量の合計を算出して量データ１２として出力しても良い。あるいは計測部２１は、クマリン６による蛍光色を有する各部分の大きさが所定範囲に属する粒子の数をカウントして、ヒストグラムを生成して、図１７に示す量データ１２として出力しても良い。図１７に示す例は、プラスチック粒子の大きさを、面積から特定する。
　次に、染色されたプラスチック粒子からプラスチックの種類を特定する処理を説明する。この処理において、波長計測データ１３が種類決定部２２に入力され、種類決定部２２がスタンダードデータ１４を参照して、種類データ１５を出力する。
　波長計測データ１３は、分光計またはハイパースペクトルカメラで計測された、一つのプラスチック粒子の蛍光の波長分布のデータである。波長計測データ１３は、プラスチック粒子を含むサンプルを、有機溶媒にクマリン６を溶解させた染色液で染色し、染色液で染色されたサンプル中のプラスチック粒子の波長を計測して得られる。
　スタンダードデータ１４は、プラスチックの種類と、その種類における波長の特徴値を対応づける。スタンダードデータ１４は、各プラスチック種別の標準試料における波長分布の特徴を特定するデータである。図１８に、各プラスチックの標準試料におけるスペクトルを示す。スタンダードデータ１４は、各プラスチックのスペクトルの特徴を特定可能な形式で含む。スペクトルの特徴は、プラスチックのスペクトルを規格化したデータである。スペクトルの特徴は、ある種類のプラスチック粒子のスペクトルにおける所定の波長における最大値を１とした場合の、各波長の数の相対比である。
　種類データ１５は、波長計測データ１３から推測されたプラスチックの種類を特定するデータである。種類データ１５に、PETなど、プラスチックの種類を特定するデータが設定される。
　種類決定部２２は、図１６に示すスタンダードデータ１４において対応づけられた波長の特徴値のうち、波長計測データ１３における波長の特徴値に類似する波長の特徴値に対応するプラスチックの種類を、プラスチック粒子のプラスチックの種類として決定する。
　ここで波長の特徴値は、例えば、スペクトルの相関係数、あるいはスペクトルのユークリッド距離である。波長の特徴値は、波長に対する光の強度のグラフを類似する関数で表現しても良いし、最大強度を有する波長の値でも良いし、他のパラメータであっても良い。また波長の特徴値は、これらの値の組み合わせであっても良い。
　種類決定部２２は、波長計測データ１３における波長の特徴値から、最も類似する特徴値を有する一つのプラスチックの種類を決定して、決定された種類を出力しても良い。他の例として、種類決定部２２は、波長計測データ１３における波長の特徴値と、スタンダードデータ１４における各種類の波長の特徴値との類似度を算出し、各プラスチック種類に対する類似度を出力しても良い。
　また種類決定部２２は、学習モデルを参照しても良い。種類決定部２２は、予めスタンダードデータ１４における各プラスチックの波長の特徴値を判別可能な学習モデルを生成する。種類決定部２２は、生成した学習モデルを使って、波長計測データ１３における波長の特徴値から、波長計測データ１３から推定されるプラスチックの種類を出力しても良い。
　本発明の実施の形態に係る処理装置１によれば、クマリン６で染色されたプラスチック粒子を分析することができる。具体的には、処理装置１は、染色されたサンプル中のプラスチックの量を算出することができる。また処理装置１は、染色されたプラスチック粒子からプラスチックの種類を特定することができる。
　このようにプラスチック粒子を含むサンプルをクマリン６で染色することにより、処理装置１は、サンプルにおけるプラスチックの蛍光を把握することができる。
　（変形例）
　本発明の実施の形態において、有機溶媒にクマリン６を溶解してプラスチックを染色する場合を説明したが、クマリン６以外のクマリン系蛍光色素も同様にプラスチックを染色することができる。クマリン系蛍光色素は、クマリン骨格の７位にアミノ基を有する。クマリン系蛍光色素は、具体的には、クマリン６、クマリン７およびクマリン３０等である。
　図１９に、クマリン６、クマリン７およびクマリン３０の各クマリン系蛍光色素について、所定条件下において、所定のプラスチック材料で形成されたペレットを染色液で染色した際の波長特性を分光計で計測した結果を示す。図１９に示す例において、純度７４．６％のアセトンを５０体積％と、純度９９．５％のエタノールを５０体積％とを混合した溶媒に、各クマリン系蛍光色素を１ｍｇ／Ｌの割合で溶解した染色液に、１時間、プラスチック（高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ））を浸漬する。
　図１９に示すように、いずれのクマリン系蛍光色素も、500nm近傍の単峰型の蛍光波長を有する。従って、本発明の実施の形態で説明したクマリン６の特徴は、クマリン７、クマリン３０等の他のクマリン系蛍光色素にも適用することが可能である。なお、クマリン６、クマリン７およびクマリン３０のうち、クマリン６は、波長500nm近傍において最も顕著な蛍光特性を有する。
　具体的には、プラスチックを染色する染色液は、有機溶媒に、クマリン系蛍光色素を溶解させて得られる。プラスチックは、低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリアミド、ポリ塩化ビニル、ポリカーボネート、発泡スチロール、アクリル樹脂およびペットのいずれか１つ以上である。あるいは有機溶媒は、アセトンを含み、プラスチックは、低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、ポリスチレン、ポリアミド、ポリ塩化ビニル、ポリカーボネート、発泡スチロール、アクリル樹脂およびペットのいずれか１つ以上である。あるいは有機溶媒は、アセトン１９．９－７４．６体積％と、エタノール７９．６－２４．９体積％を含み、クマリン系蛍光色素は、少なくとも１ｍｇ／Ｌの割合で溶解され、プラスチックは、低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリアミド、ポリ塩化ビニル、ポリカーボネート、発泡スチロール、アクリル樹脂およびペットのいずれか１つ以上である。
　プラスチック検出方法は、プラスチック粒子を含むサンプルを、有機溶媒にクマリン系蛍光色素を溶解させた染色液で染色するステップと、染色されたプラスチック粒子を撮影した画像データから、染色された部分を検出するステップを備える。画像データは、蛍光顕微鏡のカメラによる撮影で得られる。画像データは、染色されたプラスチック粒子をＵＶ励起光で照射して、クマリン系蛍光色素による染色を撮影するカメラで撮影される。
　処理装置１は、プラスチック粒子を含むサンプルを、有機溶媒にクマリン系蛍光色素を溶解させた染色液で染色し、染色液で染色されたサンプル中のプラスチック粒子が捕集されたフィルターを撮影した画像データを記憶する記憶装置と、この画像データにおいて、クマリン系蛍光色素による染色部分を、プラスチック部分と特定して、各染色部分の大きさを計測する計測部を備える。
　また処理装置１は、プラスチック粒子を含むサンプルを、有機溶媒にクマリン系蛍光色素を溶解させた染色液で染色し、染色液で染色されたサンプル中のプラスチック粒子の波長を計測した波長計測データと、プラスチックの種類と、その種類における波長の特徴値を対応づけるスタンダードデータを記憶する記憶装置と、スタンダードデータにおいて対応づけられた波長の特徴値のうち、波長計測データにおける波長の特徴値に類似する波長の特徴値に対応するプラスチックの種類を、プラスチック粒子のプラスチックの種類として決定する種類決定部を備える。
　このように、有機溶媒にクマリン系蛍光色素を溶解させた染色液により、より多くのプラスチックを容易に染色し検出することができる。
　上記説明した本実施形態の処理装置１は、例えば、CPU（Central Processing Unit、プロセッサ）９０１と、メモリ９０２と、ストレージ９０３（HDD：Hard Disk Drive、SSD：Solid State Drive）と、通信装置９０４と、入力装置９０５と、出力装置９０６とを備える汎用的なコンピュータシステムが用いられる。このコンピュータシステムにおいて、CPU９０１がメモリ９０２上にロードされたプログラムを実行することにより、処理装置１の各機能が実現される。
　なお、処理装置１は、１つのコンピュータで実装されてもよく、あるいは複数のコンピュータで実装されても良い。また処理装置１は、コンピュータに実装される仮想マシンであっても良い。
　処理装置１のプログラムは、HDD、SSD、USB（Universal Serial Bus）メモリ、CD (Compact Disc)、DVD (Digital Versatile Disc)などのコンピュータ読取り可能な記録媒体に記憶することも、ネットワークを介して配信することもできる。
　なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で数々の変形が可能である。
　１　処理装置
　１１　画像データ
　１２　量データ
　１３　波長計測データ
　１４　スタンダードデータ
　１５　種類データ
　２１　計測部
　２２　種類決定部
　９０１　CPU
　９０２　メモリ
　９０３　ストレージ
　９０４　通信装置
　９０５　入力装置
　９０６　出力装置
　Ｃ　カメラ
　Ｇ　緑フィルター
　Ｌ　ＵＶ励起光
　Ｆ　サンプルフィルタ

Claims (10)

  1. 　有機溶媒に、クマリン系蛍光色素を溶解させた
    　プラスチックを染色する染色液。
  2. 　前記プラスチックは、低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリアミド、ポリ塩化ビニル、ポリカーボネート、発泡スチロール、アクリル樹脂およびペットのいずれか１つ以上である
    　請求項１に記載の染色液。
  3. 　前記有機溶媒は、アセトンを含み、
    　前記プラスチックは、低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、ポリスチレン、ポリアミド、ポリ塩化ビニル、ポリカーボネート、発泡スチロール、アクリル樹脂およびペットのいずれか１つ以上である
    　請求項１に記載の染色液。
  4. 　前記有機溶媒は、アセトン１９．９－７４．６体積％と、エタノール７９．６－２４．９体積％を含み、
    　前記クマリン系蛍光色素は、少なくとも１ｍｇ／Ｌの割合で溶解され、
    　前記プラスチックは、低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリアミド、ポリ塩化ビニル、ポリカーボネート、発泡スチロール、アクリル樹脂およびペットのいずれか１つ以上である
    　請求項１に記載の染色液。
  5. 　プラスチック粒子を含むサンプルを、有機溶媒にクマリン系蛍光色素を溶解させた染色液で染色するステップと、
    　染色されたプラスチック粒子を撮影した画像データから、染色された部分を検出するステップ
    　を備えるプラスチック検出方法。
  6. 　前記画像データは、蛍光顕微鏡のカメラによる撮影で得られる
    　請求項５に記載のプラスチック検出方法。
  7. 　前記画像データは、前記染色されたプラスチック粒子をＵＶ励起光で照射して、前記クマリン系蛍光色素による染色を撮影するカメラで撮影される
    　請求項５に記載のプラスチック検出方法。
  8. 　プラスチック粒子を含むサンプルを、有機溶媒にクマリン系蛍光色素を溶解させた染色液で染色し、前記染色液で染色されたサンプル中のプラスチック粒子が捕集されたフィルターを撮影した画像データを記憶する記憶装置と、
    　前記画像データにおいて、前記クマリン系蛍光色素による染色部分を、プラスチック部分と特定して、各染色部分の大きさを計測する計測部
    　を備える処理装置。
  9. 　プラスチック粒子を含むサンプルを、有機溶媒にクマリン系蛍光色素を溶解させた染色液で染色し、前記染色液で染色されたサンプル中のプラスチック粒子の波長を計測した波長計測データと、
    　プラスチックの種類と、その種類における波長の特徴値を対応づけるスタンダードデータを記憶する記憶装置と、
    　前記スタンダードデータにおいて対応づけられた波長の特徴値のうち、前記波長計測データにおける波長の特徴値に類似する波長の特徴値に対応するプラスチックの種類を、前記プラスチック粒子のプラスチックの種類として決定する種類決定部
    　を備える処理装置。
  10. 　コンピュータを、請求項８ないし請求項９のいずれか１項に記載の処理装置として機能させるためのプログラム。
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