CN111474142A - 一种利用近红外1550nm激光器检测微塑料浓度的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用近红外1550nm激光器检测水中微塑料浓度的方法，（1）采用微塑料颗粒经离散法制得n份不同浓度的系列微塑料水悬浮标准液，所述系列微塑料水悬浮标准液的浓度均分布在0.02～0.12 mg/mL内；（2）采用步骤（1）制得的系列微塑料水悬浮标准液在1550 nm激光波长下进行衍射实验，得到衍射图像，记录衍射图像中的环数，得到微塑料水悬浮液浓度与环数的对应关系；（3）对待测微塑料水悬浮液进行相同的衍射实验，得到衍射图像的环数，再根据此波长下浓度与环数的对应关系，得待测微塑料水悬浮液的微塑料浓度。该检测方法简单高效，短时间内即可完成对水体中微塑料浓度的检测。

Description

一种利用近红外1550nm激光器检测微塑料浓度的方法

技术领域

本发明属于环境污染物检测领域，具体涉及一种利用近红外1550nm激光器检测微塑料浓度的方法。

背景技术

目前我国对微塑料在水体及食物网中的研究仍处于起步阶段，有关河流海洋湖泊中微塑料的分布现状及浓度的研究微乎其微。全球范围内，由于微塑料分布不均及样品采集、分离和鉴定方法的局限性，国内外对直径小于20μm的微塑料报道仍有待增加，尤其是对粒径范围。根据来源分类，水中的塑料微粒主要有两种类型，即初生塑料微粒和次生塑料微粒。前者指工业生产中被制造出的塑料微粒产品，后者指大型塑料垃圾分解后的产物。目前后者居多。微塑料无法在自然环境中降解，容易随着食物链进入人体，并且微塑料无法被人体消化，会在人体内逐渐积累，对人产生难以预计的危害。

当前对于海洋与淡水中塑料微粒的研究主要有两个方向，一是研究浮游生物、鱼类及海鸟等海洋生物摄取在体内的微塑料浓度，二是研究水体或沉积物中微塑料浓度。前者通常要求在研究时段内，取样地点基本不变，取样手段不变。后者通常采用拖网或采样箱的方法，由于受到潮汐、干旱、大洋环流等因素的影响，需要在不同环境下进行多次采样。目前，由于微塑料分布不均及样品采集、分离和鉴定方法的局限性，检测微塑料的方法相对落后。

CN108254284A公开一种检测水体中微塑料含量的方法，包括以下方法步骤，a，首先进行采用直接挑选法、大样本法或浓缩样本法对水体进行科学的采样，然后装入500mL的溶剂瓶中；b，对采样的水体手动去除杂质；c，加工银质的过滤箔然后曲制成圆柱状，选择玻璃材质的搅杆，再通过用活性碳粉材料磁控溅射的方式，将过滤箔完全无缝与搅杆粘附；d，配置沉淀催化反应溶液，然后将配置净化溶液分别倒入需检测的溶剂瓶中，进行充分的反应；e，将步骤d中，通过采用纳米级过滤网进行过滤，然后进行收集微塑料。该方法基于饱和稳定溶液可使微塑料上浮，使微塑料从水体样品中分离操作简单，检测成本低，为微塑料环境污染检测提供了新的思路。该方法主要通过沉淀催化反应，然后采用过滤网将微塑料颗粒分离出来后，进行计重测定，以此测定微塑料的浓度。但该方法对设备要求高，检测过程还涉及到沉淀反应和过滤操作，流程长且复杂，耗时长。

CN107966393A公开一种海水中微塑料含量和生物体吸收微塑料的测定方法，包括以下步骤：采集环境中的海水于容器内；将具有粘性的荧光粉材料置于容器内搅拌，对海水中的微塑料进行荧光标记；加入一定量的海水密度溶液后，进行搅拌；去除容器底部的静置沉淀物后，采用荧光光谱仪测定海水中荧光微塑料的浓度；将活体海洋生物置于容器内培养一段时间；去除活体海洋生物后，采用荧光光谱仪测定容器内海水中荧光微塑料的浓度；解剖活体海洋生物，采集目标组织器官，测定各目标组织器官中荧光微塑料的浓度。该方法能够准确检测海水环境中微塑料的含量以及生物体对环境中微塑料的吸收情况，对环境的保护和微塑料的治理具有积极的意义。此方法需要使用荧光标记和荧光检测，对设备要求高，流程长且复杂，耗时长。

因此，有必要提供一种可以简单且高效地检测微塑料浓度的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上不足，提供一种利用近红外1550nm激光器检测微塑料浓度的方法。该检测方法简单高效，短时间内即可完成对水体中微塑料浓度的检测。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种利用近红外1550nm激光器检测水中微塑料浓度的方法，包括以下步骤：

（1）配置标准浓度的微塑料水悬浮液，然后经稀释和超声分散得到n份不同浓度的系列微塑料水悬浮标准液，所述系列微塑料水悬浮标准液的浓度均分布在0.02～0.12mg/mL内；

（2）采用步骤（1）制得的系列微塑料水悬浮标准液在1550nm激光波长下进行衍射实验，得到衍射图像，记录衍射图像中的环数，得到微塑料水悬浮液浓度与环数的对应关系；

（3）对待测微塑料水悬浮液记性相同的衍射实验，得到衍射图像的环数，再根据此波长下浓度与环数的对应关系，得待测微塑料水悬浮液的微塑料浓度。

本发明采用非可见广范围内的近红外波长即1550nm，对含0.5μm ～20μm塑料颗粒的水体进行检测，可产生规律且清晰的衍射图像，且经研究，该图像的环数与悬浮液的浓度呈相关性，根据该相关性，即可通过测定系列微塑料水悬浮标准溶液的环数，得到微塑料二者的对应关系，然后即可通过测定目标样品中微塑料的浓度。

优选的，配制标准浓度的微塑料水悬浮液的方法为：将按目标标准浓度称取粉末状纳米材料加入水中，超声2h，得标准浓度的微塑料水悬浮液。优选的，步骤（1）中，n=6～24。

优选的，步骤（2）和（3）中，所述衍射实验的装置包括：

激光器、沿着激光传播方向依次设有第一光衰减器、聚焦透镜、样品台及置于其上的石英比色皿、第二光衰减器和光束质量分析仪，所述光束质量分析仪与PC机相连。

优选的，所述聚焦透镜焦距为20～30cm。

优选的，所述比色皿距离聚焦透镜距离为12～18cm。

当透镜的焦距以及比色皿与透镜之间的距离处于上述范围时，使得衍射图样较大且清晰，便于统计。

优选的，步骤（2）和（3）中，所述衍射实验包括以下步骤：

[1]首先开启激光器，调节实验所用波长，调节第一光衰减器使得比色皿前的光功率大于10mw；

[2]调节第二光衰减器使得透过光的功率小于光束质量分析仪的损伤阈值，用光束质量分析仪收集透过的衍射图像，得到的衍射图像为衍射环稳定时的图像。

本发明方法选用非可见光范围内的近红外光作为光束，使得在可见光范围内难以形成衍射图样的微塑料颗粒悬浮液在1550nm的光束下，利用激光热效应造成区域折射率变化，导致相位差的不同，使激光中心和边缘的光束发生干涉，产生类似于衍射的圆环（即自衍射），且仅一组衍射环，得到清晰的衍射图样。且研究发现，该衍射图样的环数与微塑料颗粒浓度呈相关性，并通过这一相关性，测定待测溶液中微塑料颗粒的浓度。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明方法利用激光热效应导致微塑料颗粒悬浮液局部的折射率改变，从而形成衍射图样，进而通过衍射图样的环数与微塑料颗粒浓度的相关性，能够快速测量溶液中微塑料颗粒的浓度；

（2）本发明方法所采用的实验装置便宜并且便携，在精度要求不高的情况，衍射环接收装置可用荧光纸代替，可使测量更为简便；

（3）本发明方法使用1550nm光源用以测量特定粒径的颗粒浓度，近红外光肉眼不可见，穿墙性好，光子能量小，具有更好的安全性；

（4）本发明方法的测试为物理过程，不涉及化学反应，因而不受海水pH值等影响，实验后不会对海水样品造成污染。

附图说明

图 1是实施例1中采用的衍射实验装置示意图；

图2是本发明实施例1中系列微塑料水悬浮标准液的衍射图样，其中，a是浓度为0.02mg/mL的微塑料水悬浮液；b是浓度为0.04mg/mL的微塑料水悬浮液；c是浓度为0.1mg/mL的微塑料水悬浮液；

图3是实施例1和对比例1中，不同波长下0.12mg/mL微塑料水悬浮液的衍射图样，其中，a中的激光波长为532nm，b中的波长为800nm，c中的波长为1550nm；

图4是实施例1和对比例1中，不同波长下得到的衍射图像环数与微塑料浓度的关系；

其中，101-激光器、102-第一光衰减器、103-聚焦透镜、104-石英比色皿、105-第二光衰减器、106-光束质量分析仪。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明进行进一步的说明。

以下实施例中的微塑料颗粒为3M聚四氟乙烯微粉TF 9207，聚四氟乙烯微粉TF9207是一种白色、自由流动的细小低分子聚四氟乙烯微粉凝聚体。

实施例 1

本实施例包括以下步骤：

（1）称取20mg微塑料颗粒，然后加入100mL水，得到浓度为0.2mg/mL 的微塑料水悬浮液，然后经稀释和超声分散得到浓度依次为0.02、0.04、0.06、0.08、0.10和0.12mg/mL的系列微塑料水悬浮标准液，超声分散的时间为2h，使微塑料颗粒均匀分散；

（2）构建如图1所示的衍射实验装置，包括：激光器101，以及依次设置在激光传播主光轴方向上的第一光衰减器102、聚焦透镜103、样品台及设置在其上光程为1cm的石英比色皿104、第二光衰减器105、光束质量分析仪106，所述光束质量分析仪与PC机相连；其中，所述激光器为飞秒脉冲激光器，其脉冲宽度和重复频率分别为35fs、2kHz；所述聚焦透镜焦距为25cm；所述石英比色皿与聚焦透镜的距离设置为12mm；

（3）对步骤（2）中制备得到的系列微塑料水悬浮标准液以及1份纯水分别进行衍射实验，实验步骤为：

[1] 开启激光器，调节实验所用波长为1550nm，调节第一光衰减器使得比色皿前的光功率为50mw；

[2]调节第二光衰减器使得透过光的功率小于光束质量分析仪的损伤阈值，然后将系列微塑料水悬浮标准液分别装入比色皿，并放置在样品台上，使用光束质量分析仪收集透过的衍射图像；如图2（c）所示为浓度0.10mg/mL的微塑料水悬浮液在1550nm激光下的测试结果；

[3]将对步骤（2）所得衍射图像进行分析，得到如图2所示的微塑料悬浮液浓度与环数的关系图；

（4）将待测微塑料悬浮液（配置得到的浓度为0.05mg/mL的微塑料水悬浮液）装入比色皿中，然后，采用衍射实验装置在1550nm下，进行测定，得衍射环数为7，根据衍射图像的环数以及所述微塑料悬浮液浓度与环数关系图，得到待测微塑料悬浮液比色皿的浓度为0.05mg/ml。相比于蒸干法实验装置更便宜便携，且实验方法简单，可做到即地采样，即刻分析。

本实施例中，系列微塑料水悬浮标准液的衍射图像如图2所示，其中，a是浓度为0.02mg/L的衍射图像，b是浓度为0.04mg/L的衍射图像，c是浓度为0.1mg/L的衍射图像。根据衍射图像获得的微塑料悬浮液浓度与衍射图像环数的关系图如图4中的1550nm曲线所示。

对比例 1

本对比例的步骤与实施例1相同，但分别采用532nm和800nm的激光进行衍射实验。

实施例1和对比例1中，测定0.12mg/mL 的微塑料水悬浮标准液的衍射图像如图3所示，其中a为532nm激光下形成的衍射图像，b为800nm激光下形成的衍射图像，c为1550nm激光下形成的衍射图像。

对比例1中，532nm和800nm下，微塑料悬浮液浓度与衍射图像环数的关系图如图4中的曲线所示，可见，在激光波长为1550nm时，相同微塑料浓度条件下得到的衍射图像的环数最多，并且在微塑料浓度发生变化时环数的变化最为明显。

Claims (7)

1.一种利用近红外1550 nm激光器检测水中微塑料浓度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）配制标准浓度的微塑料水悬浮液，然后经稀释和超声分散得到n份不同浓度的系列微塑料水悬浮标准液，所述系列微塑料水悬浮标准液的浓度均分布在0.02～0.12mg/mL内；

（2）采用步骤（1）制得的系列微塑料水悬浮标准液在1550nm激光波长下进行衍射实验，得到衍射图像，记录衍射图像中的环数，得到微塑料水悬浮液浓度与环数的对应关系；

（3）对待测微塑料水悬浮液进行相同的衍射实验，得到衍射图像的环数，再根据此波长下浓度与环数的对应关系，得待测微塑料水悬浮液的微塑料浓度。

2.根据权利要求1所述利用近红外1550nm激光器检测水中微塑料浓度的方法，其特征在于，配制标准浓度的微塑料水悬浮液的方法为：将按目标标准浓度称取粉末状纳米材料加入水中，超声2h得标准浓度的微塑料水悬浮液。

3.根据权利要求1或2所述利用近红外1550nm激光器检测水中微塑料浓度的方法，其特征在于，步骤（1）中，n=6～24。

4.根据权利要求1～3任一项所述利用近红外1550nm激光器检测水中微塑料浓度的方法，其特征在于，步骤（2）和（3）中，所述衍射实验的装置包括：

激光器、沿着激光传播方向依次设有第一光衰减器、聚焦透镜、样品台及置于其上的石英比色皿、第二光衰减器和光束质量分析仪，所述光束质量分析仪与PC机相连。

5.根据权利要求4所述利用近红外1550nm激光器检测水中微塑料浓度的方法，其特征在于，所述聚焦透镜焦距为20～30cm。

6.根据权利要求4或5所述利用近红外1550nm激光器检测水中微塑料浓度的方法，其特征在于，所述比色皿距离聚焦透镜距离为12～18cm。

7.根据权利要求4所述利用近红外1550nm激光器检测水中微塑料浓度的方法，其特征在于，步骤（2）和（3）中，所述衍射实验包括以下步骤：

[1]首先开启激光器，调节实验所用波长，调节第一光衰减器使得比色皿前的光功率大于10mw；

[2]调节第二光衰减器使得透过光的功率小于光束质量分析仪的损伤阈值，用光束质量分析仪收集透过的衍射图像，得到的衍射图像为衍射环稳定时的图像。

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