CN111521599A - 基于空间外差差分拉曼光谱技术的近海沉积物中微塑料的快速检测系统与检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于空间外差差分拉曼光谱技术的近海沉积物中微塑料的快速检测系统与检测方法，该检测系统的视觉光源辅以显微单元和荧光成像单元可使微塑料的检测过程更加可视化；荧光成像单元与拉曼检测系统的联合应用，通过三维位移台的辅助作用，使拉曼检测系统可快速寻找感兴趣的区域，从而自动识别微塑料荧光信号，大大提升检测效率；同时将拉曼光谱技术与标准的光学显微镜相耦合，使所采集到的拉曼信号通过显微单元回到空间外差拉曼光谱仪，实现同时获取高通量、宽波段、高分辨率的拉曼光谱；通过可调谐激光器对目标样品点的信号进行二次采集，再通过差分计算和多重约束迭代算法，得到纯净的拉曼光谱信号。
Description
技术领域
本发明涉及基于空间外差差分拉曼光谱技术的近海沉积物中微塑料的快速检测系统与检测方法，属于采用拉曼光谱技术检测微塑料领域。
背景技术
微塑料是一种有效直径小于5mm的塑料薄膜、纤维、颗粒和碎片。可以通过大塑料在环境因子(光、热、辐射等)条件下生成，也可以是类似面部洗涤剂或牙膏等中添加的塑料微珠，且后者的数量远远多于前者。从2004年最早提出微塑料概念到展开研究的这过去的十多年时间里已经充分证明了微塑料在海洋环境中广泛存在。微塑料性质相对稳定，可长期存在于环境中，但其表面理化性质会在阳光、风力、波浪等作用下发生变化；微塑料尺寸较小、比表面积大、疏水性强，是众多疏水性有机污染物和重金属的理想载体，微塑料易被浮游生物和鱼类等误食，能长时间滞留生物体内，并在食物网中发生转移和富集，对生态环境安全构成威胁。
现阶段海洋微塑料检测尚不成熟、误检率较高且未形成标准的分析和评估方法体系，日益无法满足海洋领域对微塑料快速准确检测的迫切需求。
中国专利文献CN111122634A公开了基于扫描电镜-拉曼技术鉴定水溶液中纳米塑料颗粒的方法，通过扫描电子显微镜和含白光共聚焦显微拉曼光谱联用仪参数设定和优化实现纳米塑料颗粒的靶向识别和原位鉴定，包括：待检测水溶液依次经10μm和1μm的聚醚砜滤膜分级过滤后室温下均匀滴于干净硅片上，自然风干后置于扫描电子显微镜真空腔内的样品台上，设置相应的测试参数得到扫描电镜图像，再将检测样品自动传递至拉曼光谱下并保持同一位置，设置合适的测试参数得到拉曼图像，进行图像分析和判断。但是该方法中拉曼检测中背景荧光的干扰，会对检测结果造成一定的误差；该方法针对于扫面电镜图像内的图像进行充分检查会相当耗时，限制了一定时间内可以分析的微塑料数量，从而导致工作效率较低。
现有微塑料检测方法存在误检率高、耗时较长、获取信息不全等问题，不能满足微塑料快速、准确的检测需求，并且无法同时获取具有高光通量、宽波段、高分辨率的拉曼光谱信息，无法对复杂成分的微塑料进行准确分析。因此，迫切需要一种能同时获取高光通量、宽波段、高分辨率光谱信息并可对微塑料实现快速、准确的检测系统，以促进海洋领域微塑料检测技术的发展。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了基于空间外差差分拉曼光谱技术的近海沉积物中微塑料的快速检测系统，该检测系统中，通过可调谐激光器对目标样品点的信号进行二次采集，引入差分拉曼技术与多重约束迭代算法对所采集的两幅原始拉曼光谱进行处理以获取纯净的拉曼信号，达到消除微塑料检测过程中荧光干扰的目的，可实现准确检测微塑料的化学成分；荧光成像单元可使荧光染色后的微塑料在检测过程中变的更加可视化，具有快速、准确对其定量分析的优点；拼接光栅型空间外差拉曼光谱仪具有高光通量、宽波段、高分辨率等优点，有助于进一步提高检测限并实现复杂成分的准确测量。
本发明还提供了基于上述快速检测系统的近海沉积物中微塑料的检测方法。
术语解释：
1.双密度分离法：首先将干燥后的沉积物样品利用饱和NaCl溶液进行流化预提取，然后利用NaI溶液离心浮选，可以实现从沉积物中同时高效提取普通聚合物和高密度聚合物微塑料的目的。且其中通过采用饱和NaCl溶液造成流化预提取可减少沉积物的样品量，有效解决大量使用NaI溶液造成分析成本高的难题。
本发明的技术方案为：
基于空间外差差分拉曼光谱技术的近海沉积物中微塑料的快速检测系统，该系统包括三维电动位移台、视觉光源单元、显微单元、可调谐激光器、拼接光栅型空间外差拉曼光谱仪、荧光成像单元和数据采集与存储单元；
所述三维电动位移台上设置有样品台，所述样品台的上方依次设置有显微单元、非偏振分束立方和荧光成像单元，荧光成像单元与所述数据采集与存储单元相连接；
所述视觉光源单元，用于为检测系统提供照明，所述视觉光源单元产生的平行光入射到显微单元所观察的视域区域；
样品台上的被荧光标记的样品，其荧光信号经过显微单元、非偏振分束立方的透射，进入荧光成像单元中进行荧光成像，荧光成像单元将荧光图像传输至数据采集与存储单元进行存储，并在数据采集与存储单元中实现对样品中的微塑料进行定量分析；
可调谐激光器发射出的激光经扩束准直透镜组的扩束准直，二向色镜的反射，再经过非偏振分束立方反射到显微单元，激光聚焦在样品台上样品的表面，样品的表面后向散射出拉曼信号，拉曼信号经显微单元，非偏振分束立方的反射后，再经过二向色镜的透射进入汇聚透镜、耦合透镜，最终传输至拼接光栅型空间外差拉曼光谱仪；可调谐激光器先后发射两个不同波长的激光，对样品点的拉曼光谱实现二次采集，在所述拼接光栅型空间外差拉曼光谱仪中获取样品的拉曼光谱信息，拼接光栅型空间外差拉曼光谱仪将拉曼光谱信息传输至数据采集与存储单元进行存储，并在数据采集与存储单元中得到样品纯净的拉曼光谱。
本发明提供的检测系统中，所述系统的视觉光源单元辅以显微单元和荧光成像单元可使微塑料的检测过程更加可视化；荧光成像单元与拉曼检测系统的联合应用，通过三维位移台的辅助作用，使拉曼检测系统可快速寻找感兴趣的区域，从而自动识别微塑料荧光信号，大大提升检测效率；同时将拉曼光谱技术与标准的光学显微镜相耦合，使所采集到的拉曼信号通过显微单元回到空间外差拉曼光谱仪，实现同时获取高通量、宽波段、高分辨率的拉曼光谱。
根据本发明优选的，所述可调谐激光器为外腔可调谐激光器，所述可调谐激光器的输出波长分别为780nm和782nm。可调谐激光器通过发射两个波长有细微差别的激光，对待测样品的拉曼光谱实现二次采集，再运用差分计算及多重约束迭代算法获取纯净的拉曼光谱特征信号。
根据本发明优选的，所述拼接光栅型空间外差拉曼光谱仪中的第一拼接光栅、第二拼接光栅均包括n个子光栅，其中n≥2，每个子光栅的刻线方向和色散方向均相同，并且每个子光栅沿着拼接光栅的刻线方向依次排列；将n个不同刻线的子光栅拼接成一块拼接光栅；采用拼接光栅来代替传统空间外差拉曼光谱仪干涉臂中的衍射光栅，这样就相当于n个具有同样的光谱分辨率但是具有不同光谱探测范围的子空间外差拉曼光谱仪组成的一个整体的空间外差拉曼光谱仪；因为每个子光谱仪具有不同的拉曼光谱探测范围，这样就使整体的空间外差拉曼光谱仪的光谱探测范围得到扩展，实现同时获取高通量、宽波段、高分辨率的拉曼信息。
进一步优选的，拼接光栅型空间外差拉曼光谱仪中第一拼接光栅、第二拼接光栅均包括2个子光栅。采用两个子光栅可使仪器在4400cm-1波段宽度内的分辨率达到3.37cm-1。
根据本发明优选的，所述荧光成像单元包括第二小孔光阑、双胶合透镜、前截止滤光片和CCD探测器，
经过非偏振分束立方的透射的荧光信号，在所述荧光成像单元中，依次经过第二小孔光阑、双胶合透镜、前截止滤光片滤光后，最终在CCD探测器中进行荧光成像。
进一步优选的，所述前截止滤光片为525nm滤光片。
选择525nm滤光片，将荧光条件设置为绿色激发光源，在绿色激发光下，可观察到砂石基本无荧光，可以排除样品中砂石对于检测过程的干扰。
根据本发明优选的，所述显微单元采用数值孔径为0.6，放大倍数为40倍的显微物镜进行显微成像。使待测样品的检测精度度达到微米级，从而提高对微塑料探测的检测限。
根据本发明优选的，所述三维电动位移台的计算精度为0.1μm。三维电动位移台具有自动定位及人工交互观测功能。
根据本发明优选的，所述视觉光源单元包括视觉光源、汇聚准直透镜组和光束转向笼式立方；汇聚准直透镜组中设置有第一小孔光阑；
视觉光源发出的光束通过汇聚准直透镜组、第一小孔光阑后，然后以平行光束的形式经过光束转向笼式立方，使光束照在显微单元所观察的视域区域。
该设置的好处在于，使视觉光源单元提供的光束能够均匀而又充分的照在显微单元所观察的视域区域。
根据本发明优选的，所述视觉光源为冷白光LED阵列光源。冷白光LED阵列光源的功率较为稳定。
基于上述快速检测系统的近海沉积物中微塑料的检测方法，包括以下步骤：
(1)采集沉积物样品；
(2)对沉积物样品进行烘干至恒重，并使用双氧水浸泡沉积物样品，去除沉积物中的天然有机质，消除天然有机质带来的荧光干扰；
(3)采用双密度分离法提取低密度微塑料和高密度微塑料颗粒；
(4)对步骤(3)分离出的含有低密度微塑料和高密度微塑料颗粒的上清液进行染色，然后过滤、干燥得到待测的样品；双密度分离过程中会使微塑料颗粒进行上浮，其中上清液是指悬浮颗粒(其中包括完全分离出的低密度与高密度微塑料颗粒)以及浮选液的混合物。
(5)将待测的样品放置于基于空间外差差分拉曼光谱技术的近海沉积物中微塑料的检测系统中三维电动位移台的样品台上进行观察，通过三维电动位移台实现聚焦探测，利用荧光成像单元对荧光标记的微塑料进行荧光成像，并利用数据采集与存储单元对荧光图像进行采集、存储，进行定量分析；定量分析具体的是利用CCD探测器对样品进行荧光成像，对荧光图像进行定量分析，定量分析是针对微塑料的形状、尺寸、数量，数据采集与存储单元为电脑。
(6)可调谐激光器分别发射出两个不同波长的激光，激光通过扩束准直透镜组、二向色镜、非偏振分束立方及显微单元后，聚焦在样品表面，样品后向散射产生的拉曼信号经过显微单元、非偏振分束立方的反射、二向色镜的透射，再经过汇聚透镜、耦合透镜传输至拼接光栅型空间外差拉曼光谱仪，得到两幅原始拉曼光谱图，并传输至数据采集与存储单元存储；在数据采集与存储单元中，对得到两幅原始拉曼光谱图进行差分计算得到差分拉曼光谱，并使用多重约束迭代算法对差分拉曼光谱复原，获得纯净的拉曼光谱。
根据差分拉曼光谱技术，利用两个波长有细微差别的激光分别照射样品得到两幅原始拉曼光谱图，由于荧光背景是不随波长的细微改变而发生移动的，但是拉曼峰的位置却会发生明显变化，将两幅光谱图相减得到差分光谱，在差分光谱中荧光背景信号相互抵消，这样就可以很好地消除荧光干扰。如：用v1和v2表示频率有细微差别的两个激光，其中S1和S2是所测得的两幅原始拉曼光谱，F(v,v1)和F(v,v2)分别代表两幅光谱中的荧光，R(v,v1)和R(v,v2)分别是两幅光谱中的纯拉曼信号，D(v)表示差分光谱。
S1＝F(v,v1)+R(v,v1) (I)，
S2＝F(v,v2)+R(v,v2) (II)，
F(v,v1)≈F(v,v2) (III)，
D(v)＝S1-S2＝R(v,v1)-R(v,v2) (IV)，
由于荧光部分F(v,v1)和F(v,v2)基本相同，R(v,v1)和R(v,v2)是与激光频率相关的函数，那么差分光谱D只与拉曼信号有关，不存在荧光的成分。
而针对噪声的存在以及各拉曼峰比较靠近导致差分谱的部分峰值出现不对称的现象，采用多重约束迭代算法对差分拉曼光谱进行有效还原，恢复出的拉曼峰的位置与原始拉曼峰的位置基本保持一致，实现获取纯净拉曼光谱信号的目的。
根据本发明优选的，步骤(6)中，对得到两幅原始拉曼光谱图进行差分计算得到差分拉曼光谱，使用多重约束迭代算法对差分拉曼光谱复原，获得纯净的拉曼光谱，具体过程为：
A、对得到两幅原始拉曼光谱图进行差分计算得到差分拉曼光谱，利用反卷积法求要复原的拉曼光谱R：由于拉曼谱随激发光频率的变化而产生平移，这个平移过程表示成一个固定的拉曼谱R(v)与不同频率下对应的δ函数的卷积，即：
式(V)中，v1表示可调谐激光器发出的其中一个激光的频率，R(v,v1)表示频率v1下得到的原始拉曼光谱中的纯拉曼信号；
式(VI)中，v2可调谐激光器发出的另一个激光的频率，R(v,v2)表示频率v2下得到的原始拉曼光谱中的纯拉曼信号；
经过差分计算，由式(V)、(VI)可得，差分光谱D(v)满足：
D(v)＝S1-S2＝R(v,v1)-R(v,v2) (IV)，
式(IV)中，S1表示频率v1下得到的原始拉曼光谱，S2表示频率v2下得到的原始拉曼光谱，差分光谱D(v)表示为：
令δ(v,v1)-δ(v,v2)＝h(v)，由式(V)、(VI)、(VII)可知，差分光谱D(v)表示为：
将式(VIII)用矩阵的形式表示出来，即：
D＝H·R (IX)，
式(IX)中，D为差分光谱，是一个已知的一维列向量；H为卷积核矩阵，是一个与两激光频率有关的方阵；R为要复原的拉曼光谱，直接反卷积信号复原方法如式(X)所示：
式(IX)中，上标T表示转置，上标-1表示逆矩阵；
在没有噪声干扰的情况下该方法能够很好的恢复拉曼光谱；但是实际检测过程中都会存在噪声的干扰，该算法会对噪声有放大作用，且当差分光谱中一对谱峰的正负强度不对称时，复原结果就会产生严重的振荡；
B、利用多重约束迭代算法来抑制反卷积对噪声的放大以及拉曼峰值不对称导致的振荡，具体为:
在多重约束迭代算法中加入平滑约束算子Q、负能量的约束算子N，正能量约束算子P，
平滑约束算子Q，用来抑制复原结果中数据过快的起伏，起到平滑的效果，使处理结果的二阶微分的平方和最小化；
负能量的约束算子N，用来控制复原的光谱结果不出现负数，其作用使处理结果中负数的平方和最小；
正能量约束算子P，用来抑制谱峰不对称造成的振荡，使处理结果中所有数据的平方和最小；
三个约束算子的矩阵形式如(XI)、(XII)、(XIII)所示：
式(XII)中，若处理结果中第k位为负数，则ak＝1，否则ak＝0；
式(XIII)中，处理结果中第k位的数值越大，则bk越小，算法迭代初始时P为单位矩阵；
Q是一个二阶差分拉普拉斯变换矩阵，抑制了复原结果中数据过快的起伏，起到平滑的效果；
N是零矩阵的基础上迭代演变而来的，当上一次迭代结果中出现负数时，N矩阵对角线相应位置上的0就置换成1，从而控制复原的光谱结果不出现负数；
P是从单位矩阵迭代演变而来的，对于拉曼光谱信号较强的位置，P矩阵对角线相应位置的数值就从1开始减小，放松约束，而对拉曼光谱信号弱或没有信号的位置，P矩阵约束较强，防止噪声和振荡的传播；
多重约束的机制采用多目标优化的角度来考虑，其中约束目标为：
优化函数f为：
优化函数f对R求导，并令其等于零，得式(XVI)：
Rk＝(HTH+αQTQ+βNTN+γPTP)-1·(HTD) (XVI)，
式(XVI)中，α、β、γ均为算法的参数，分别用来设定平滑约束算子Q、负能量的约束算子N、正能量约束算子P的相对强度，Rk为经过多重约束迭代算法恢复得到的纯净的拉曼光谱。
多重约束迭代算法是在反卷积法的基础上添加三个约束算子来抑制反卷积对噪声放大以及拉曼峰值不对称导致的振荡，采用多重约束迭代算法不仅能够复原出没有荧光背景的拉曼信号，同时能够大幅改善系统的信噪比，对差分拉曼光谱进行有效还原，恢复出的拉曼峰的位置与原始拉曼峰的位置基本保持一致，实现获取纯净拉曼光谱信号的目的。
根据本发明优选的，步骤(2)中，沉积物样品与双氧水的质量体积比为1:5，单位g/mL,双氧水的体积分数为30％，沉积物样品在双氧水中的浸泡时间为24h。
根据本发明优选的，步骤(3)中，所述低密度塑料为密度小于1.2g·cm-3的塑料，所述高密度塑料为密度在1.2g·cm-3—1.8g·cm-3之间的塑料。
根据本发明优选的，步骤(4)中，采用尼罗红荧光探针溶液对含有微塑料的上清液进行染色。
本发明的有益效果为：
1.本发明公开了一种基于空间外差差分拉曼光谱技术的近海沉积物中微塑料的快速检测系统与方法，利用显微单元和荧光成像单元可对亚微米级微塑料颗粒进行荧光成像，使微塑料的检测过程更加可视化。
2.荧光成像单元与拉曼检测系统的联合应用，通过三维位移台的辅助作用，使拉曼检测系统可快速寻找感兴趣的区域，从而自动识别微塑料荧光信号；同时使所采集到的拉曼信号通过显微单元传输到空间外差拉曼光谱仪，实现同时获取高通量、宽波段、高分辨率的拉曼光谱。
3.通过可调谐激光发射系统对目标样品点的信号进行二次采集，再通过差分计算和多重约束迭代算法，得到纯净的拉曼光谱信号。
4.本发明提出的光栅拼接型空间外差拉曼光谱技术是将n(n≥2)个不同刻线密度的子光栅进行拼接替代传统的平面光栅，每个子光栅对应不同的测量波段，可使全波段的分辨率提高n倍。且采用两个子光栅可使仪器在4400cm-1波段宽度内的分辨率达到3.37cm-1，且从2个子光栅对应的测量波段之间存在较大的波段重叠区域可知，要实现2cm-1分辨率约仅需3个子光栅进行拼接，若增加子光栅数量，可进一步提高全波段内的光谱分辨率，能够获取高光通量、宽波段、高分辨率的光谱信息等优势，有利于推动我国海洋领域微塑料检测技术的发展。
附图说明
图1是本发明实施例1中的一种基于空间外差差分拉曼光谱技术的近海沉积物中微塑料的快速检测系统结构示意图。
图2是本发明实施例1中的拼接型空间外差拉曼光谱仪光路原理示意图。
图3是本发明实施例2中的基于快速检测系统的近海沉积物中微塑料的检测方法示意图。
图4是本发明实施例2中针对聚乙烯(PE)样品的荧光图像。
图5是本发明实施例2中聚乙烯(PE)的差分拉曼光谱图与PE标准拉曼谱图的对比。
1、三维电动位移台，1a、样品台，2、视觉光源，2a、汇聚准直透镜组，2b、第一小孔光阑，2c、光束转向笼式立方，3、显微单元，4、可调谐激光器，4a、扩束准直透镜组，4b、45°高反射镜，4c、二向色镜，4d、非偏振分束立方，4e、汇聚透镜，4f、第二45°高反射镜，4g、耦合透镜，4h、光纤耦合器，5、拼接光栅型空间外差拉曼光谱仪，5a、拉曼滤光片组，5b、分束棱镜，5c-1、第一视场展宽棱镜，5c-2、第二视场展宽棱镜，5d-1、第一拼接光栅，5d-2、第二拼接光栅，5e、成像透镜组，5f、面阵探测器，6、荧光成像单元，6a、第二小孔光阑，6b、双胶合透镜，6c、前截止滤光片，6d、CCD探测器，7、数据采集与存储单元。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1
基于空间外差差分拉曼光谱技术的近海沉积物中微塑料的快速检测系统，如图1所示，该系统包括三维电动位移台1、视觉光源单元、显微单元3、可调谐激光器4、拼接光栅型空间外差拉曼光谱仪5、荧光成像单元6和数据采集与存储单元7；
三维电动位移台1上设置有样品台1a，样品台1a的上方依次设置有显微单元3、非偏振分束立方4d和荧光成像单元6，荧光成像单元6与数据采集与存储单元7相连接；
本实施例中，三维电动位移台1的计算精度为0.1μm。三维电动位移台1具有自动定位及人工交互观测功能。
本实施例中，显微单元3采用数值孔径为0.6，放大倍数为40倍的显微物镜进行显微成像。使待测样品的检测精度度达到微米级，从而提高对微塑料探测的检测限。
视觉光源单元，用于为检测系统提供照明，视觉光源单元产生的平行光入射到显微单元3所观察的视域区域；
本实施例中，视觉光源单元包括视觉光源2、汇聚准直透镜组2a和光束转向笼式立方2c；汇聚准直透镜组2a中设置有第一小孔光阑2b；其中视觉光源2为冷白光LED阵列光源。冷白光LED阵列光源的功率较为稳定。
视觉光源2发出的光束通过汇聚准直透镜组2a、第一小孔光阑2b后，然后以平行光束的形式经过光束转向笼式立方2c，使光束照在显微单元3所观察的视域区域。
样品台1a上的被荧光标记的样品，其荧光信号经过显微单元3、非偏振分束立方4d的透射，进入荧光成像单元6中进行荧光成像，荧光成像单元6将荧光图像传输至数据采集与存储单元7进行存储，并在数据采集与存储单元7中实现对样品中的微塑料进行定量分析；定量分析具体的是利用CCD探测器6d对样品进行荧光成像，对荧光图像进行定量分析，定量分析是针对微塑料的形状、尺寸、数量。
本实施例中，荧光成像单元6包括第二小孔光阑6a、双胶合透镜6b、前截止滤光片6c和CCD探测器6d，
经过非偏振分束立方4d的透射的荧光信号，在荧光成像单元6中，依次经过第二小孔光阑6a、双胶合透镜6b、前截止滤光片6c滤光后，最终在CCD探测器6d中进行荧光成像。
本实施例中，前截止滤光片6c的截止波长为525nm，将荧光条件设置为绿色激发光源，在绿色激发光下，可观察到砂石基本无荧光，可以排除样品中砂石对于检测过程的干扰。
可调谐激光器4所发射出的激光经过扩束准直透镜组4a进行扩束准直后，经过45°高反射镜4b反射到二向色镜4c后进入非偏振分束立方4d反射至显微单元3后聚焦至样品表面，后向散射出的拉曼信号途径显微单元3、非偏振分束立方4d，经过二向色镜4c的透射通过汇聚透镜4e、第二45°高反射镜4f、耦合透镜4g及光纤耦合器4h后传输至拼接光栅型空间外差拉曼光谱仪5以同时获取高光通量、宽波段、高分辨率的拉曼光谱信息。可调谐激光器4可发射两个不同波长的激光对样品点的拉曼光谱实现二次采集，在拼接光栅型空间外差拉曼光谱仪5中获取整个波段范围内的样品点的拉曼光谱信息，拼接光栅型空间外差拉曼光谱仪5将拉曼光谱信息传输至数据采集与存储单元7进行存储，并在数据采集与存储单元7中得到样品中微塑料的纯净的拉曼光谱。
本实施例中，可调谐激光器4为外腔可调谐激光器，可调谐激光器4的输出波长分别为780nm和782nm。可调谐激光器4通过发射两个波长有细微差别的激光，对待测样品的拉曼光谱实现二次采集，再运用差分计算及多重约束迭代算法获取纯净的拉曼光谱特征信号。
数据采集与存储单元7包括多路选择电子开关、高速模数采集卡、处理板、固态硬盘和信号接口；本实施例中，所采用的数据采集与存储单元7就是利用电脑对荧光图像和拉曼光谱的采集与保存。
空间外差拉曼光谱技术是采用核心元件-平面光栅代替迈克尔逊干涉仪两臂的平面镜，两个光栅对应的不同波长衍射光以不同夹角进行空间外差干涉，通过对面阵探测器5f的单次采集即可获得整个波段的光谱快速测量。该仪器无运动部件、结构紧凑(核心元件-平面光栅的尺寸一般小于35mm×35mm)，稳定性和抗干扰能力较高；且无入射狭缝，具有高光通量等优点，使得仪器信号强度和灵敏度在原理上可达到色散型拉曼光谱仪100倍以上。但是传统仪器所采用的是单一刻线密度的平面光栅，导致难以兼具高分辨率和宽波段，使其在4400cm-1(拉曼光谱的全波段宽度)以上的全波段宽度条件下的光谱分辨率不足(大于6cm-1)，而进行复杂分子、多种相近物或同位素等测量的光谱分辨率应高达2cm-1以上。
为解决空间外差拉曼光谱仪存在的问题，本实施中，空间外差拉曼光谱仪为拼接光栅型空间外差拉曼光谱仪5，参考图2所示，图2中将图1中的部件进行简化，仅标示出关键部件，虚线框内为整个拼接光栅型空间外差拉曼光谱仪5的内部结构，其中可调谐激光器4发射出的激光打在待测样片的表面产生的拉曼信号经过显微单元3后进入空间外差拉曼光谱仪内部，采用拉曼滤光片组5a来滤除激光器的瑞利散射光，样品散射的拉曼光进入到空间外差拉曼光谱仪后，使用分束棱镜5b对其进行分束，分束后的拉曼光分别经两个干涉臂的第一视场展宽棱镜5c-1、第二视场展宽棱镜5c-2入射至第一拼接光栅5d-1、第二拼接光栅5d-2，经第一拼接光栅5d-1、第二拼接光栅5d-2衍射后再次经过第一视场展宽棱镜5c-1，第二视场展宽棱镜5c-2，由分束棱镜5b合束产生空间外差拉曼干涉光，再经由成像透镜组5e入射至面阵探测器5f的焦平面上，焦平面获得的外差干涉图自上而下分成与每个拼接光栅上的子光栅数量一致的n个区域，将每个区域的外差干涉光分别进行傅立叶变换等处理后，即可获得整个波段范围内的样品拉曼光谱，
本实施中，拼接光栅型空间外差拉曼光谱仪5中的第一拼接光栅5d-1、第二拼接光栅5d-2均包括n个子光栅，其中n≥2，每个子光栅的刻线方向和色散方向均相同，并且每个子光栅沿着拼接光栅的刻线方向依次排列；将n个不同刻线的子光栅拼接成一块拼接光栅。采用拼接光栅来代替传统空间外差拉曼光谱仪干涉臂中的衍射光栅，这样就相当于n个具有同样的光谱分辨率但是具有不同光谱探测范围的子空间外差拉曼光谱仪组成的一个整体的空间外差拉曼光谱仪；因为每个子光谱仪具有不同的拉曼光谱探测范围，这样就使整体的空间外差拉曼光谱仪的光谱探测范围得到扩展，实现同时获取高通量、宽波段、高分辨率的拉曼信息。
本实施例中，第一拼接光栅5d-1、第二拼接光栅5d-2均包括两个子光栅，可使仪器在4400cm-1波段宽度内的分辨率达到3.37cm-1。
当第一拼接光栅5d-1、第二拼接光栅5d-2均采用3个子光栅进行拼接，可以达到2cm-1分辨率。
若增加子光栅数量，可进一步提高全波段内的光谱分辨率。
数据采集与存储单元7对拼接光栅型空间外差拉曼光谱仪5于荧光成像单元6上所采集的数据进行读取与保存，并将所采集到的拉曼光谱信息与荧光图像信息传输至数据采集与存储单元7，以便对数据进一步处理。
建立多个子光栅拼接型空间外差拉曼仪器视场展宽棱镜和各子光栅等原件参数与光谱分辨率、测量波段和光通量等性能的多参数优化数学关系，对于显微拉曼系统性能优化和精确光谱定标至关重要。本发明拟先通过光学软件的仿真分析，确定实现仪器各光谱性能的可行性；然后通过傅里叶变换理论和光栅衍射原理推导出仪器视场展宽棱镜、各子光栅、成像透镜、显微透镜、分束棱镜5b和面阵探测器5f等各参数与仪器光谱性能关系，在依据该模型并结合标准光源和拉曼样品进行光谱定标，据此解决该问题。
本发明提供的检测系统中，系统的视觉光源单元辅以显微单元3和荧光成像单元6可使微塑料的检测过程更加可视化；荧光成像单元6与拉曼检测系统的联合应用，通过三维位移台的辅助作用，使拉曼检测系统可快速寻找感兴趣的区域，从而自动识别微塑料荧光信号，大大提升检测效率；同时将拉曼光谱技术与标准的光学显微镜相耦合，使所采集到的拉曼信号通过显微单元3回到拼接光栅型空间外差拉曼光谱仪5，实现同时获取高通量、宽波段、高分辨率的拉曼光谱。
实施例2
基于实施例1提供的快速检测系统的近海沉积物中微塑料的检测方法，如图3所示，具体包括以下步骤：
(1)近海沉积物通过Van Veen抓斗取样器进行采样，且将采集到的样品用双层铝箔包好放入聚乙烯密实袋，冷冻在4℃冰箱中，运至实验室后放置于-20℃冷藏保存。
(2)实验前，需要将样品放置于通风橱解冻，分别放于干净的烧杯中并用铝箔纸进行密封，置于60℃烘箱内干燥至恒重以做进一步的处理。
(3)对于烘干至恒重的沉积物样品，每10g沉积物样品用50mL双氧水处理24h，双氧水的体积分数为30％，去除天然有机质，消除天然有机质带来的荧光干扰。
(4)采用双密度分离的方法对沉积物中的微塑料进行预提取，首先将沉积物样品在NaCl溶液中流化提取，然后用NaI溶液离心浮选，同时实现充分提取出低密度微塑料和高密度微塑料颗粒。
传统典型密度分离法采用的是饱和NaCl溶液(1.2g·cm-3)作为浮选液进行密度分离，只能将密度小于1.2g·cm-3微塑料进行有效提取，如：聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA)和聚苯乙烯(PS)等。但是对于密度大于1.2g·cm-3塑料不能得到有效提取，如：聚氯乙烯(PVC)(1.30-1.58g·cm-3)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)(1.29-1.40g·cm-3)等。
为充分提取沉积物中的微塑料，本发明对沉积物进行双密度分离，即采用NaCl饱和溶液(1.2g·cm-3)进行流化预提取，再采用NaI溶液(1.8g·cm-3)进行离心浮选。因此将密度小于1.2g·cm-3的塑料为低密度塑料，将密度在1.2g·cm-3—1.8g·cm-3之间的塑料为高密度塑料。
(5)对步骤(4)分离出的含有低密度微塑料和高密度微塑料颗粒的上清液进行染色，然后过滤、干燥得到待测的样品；双密度分离过程中会使微塑料颗粒进行上浮，其中上清液是指悬浮颗粒(其中包括完全分离出的低密度与高密度微塑料颗粒)以及浮选液的混合物。
其中，采用尼罗红荧光探针溶液对含有微塑料的上清液进行染色。
(6)将待测的样品放置于基于空间外差差分拉曼光谱技术的近海沉积物中微塑料的检测系统中三维电动位移台1的样品台1a上进行观察，通过三维电动位移台1实现聚焦探测，利用荧光成像单元6对荧光标记的微塑料进行荧光成像，并利用数据采集与存储单元7对荧光图像进行采集、存储，进行定量分析；该检测系统将荧光成像单元6与拉曼检测系统相结合，辅以拉曼检测系统快速寻找感兴趣的区域，在三维电动位移台1的作用下实现快速聚焦探测，大大提升检测效率。具体的是利用CCD探测器6d对样品进行荧光成像，对荧光图像进行定量分析，定量分析是针对微塑料的形状、尺寸、数量，数据采集与存储单元7为电脑。
(7)可调谐激光器4分别发射出两个不同波长的激光，激光通过扩束准直透镜组4a、二向色镜4c、非偏振分束立方4d及显微单元3后，照射样品，样品后向散射产生的拉曼信号经过显微单元3、非偏振分束立方4d、透射二向色镜4c，再经过汇聚透镜4e、耦合透镜4g及光纤耦合器4h后传输至拼接光栅型空间外差拉曼光谱仪5，得到两幅原始拉曼光谱图，并传输至数据采集与存储单元7；在数据采集与存储单元7中，对得到两幅原始拉曼光谱图进行差分计算得到差分拉曼光谱，并使用多重约束迭代算法对差分拉曼光谱复原，获得纯净的拉曼光谱。
根据差分拉曼光谱技术，利用两个波长有细微差别的激光分别照射样品得到两幅原始拉曼光谱图，由于荧光背景是不随波长的细微改变而发生移动的，但是拉曼峰的位置却会发生明显变化，将两幅光谱图相减得到差分光谱，在差分光谱中荧光背景信号相互抵消，这样就可以很好地消除荧光干扰。如：用v1和v2表示频率有细微差别的两个激光，其中S1和S2是所测得的两幅原始拉曼光谱，F(v,v1)和F(v,v2)分别代表两幅光谱中的荧光，R(v,v1)和R(v,v2)分别是两幅光谱中的纯拉曼信号，D(v)表示差分光谱。
S1＝F(v,v1)+R(v,v1) (I)，
S2＝F(v,v2)+R(v,v2) (II)，
F(v,v1)≈F(v,v2) (III)，
D(v)＝S1-S2＝R(v,v1)-R(v,v2) (IV)，
由于荧光部分F(v,v1)和F(v,v2)基本相同，R(v,v1)和R(v,v2)是与激光频率相关的函数，那么差分光谱D只与拉曼信号有关，不存在荧光的成分。
而针对噪声的存在以及各拉曼峰比较靠近导致差分谱的部分峰值出现不对称的现象，采用多重约束迭代算法对差分拉曼光谱进行有效还原，恢复出的拉曼峰的位置与原始拉曼峰的位置基本保持一致，实现获取纯净拉曼光谱信号的目的。
如何从差分光谱中恢复没有荧光背景的正常拉曼光谱是亟需解决的问题。
步骤(6)中，对得到两幅原始拉曼光谱图进行差分计算得到差分拉曼光谱，并使用多重约束迭代算法对差分拉曼光谱复原，获得纯净的拉曼光谱，具体过程为：
A、对得到两幅原始拉曼光谱图进行差分计算得到差分拉曼光谱，利用反卷积法求要复原的拉曼光谱R：由于拉曼谱随激发光频率的变化而产生平移，这个平移过程表示成一个固定的拉曼谱R(v)与不同频率下对应的δ函数的卷积，即：
式(V)中，v1表示可调谐激光器4发出的其中一个激光的频率，R(v,v1)表示频率v1下得到的原始拉曼光谱中的纯拉曼信号；
式(VI)中，v2可调谐激光器4发出的另一个激光的频率，R(v,v2)表示频率v2下得到的原始拉曼光谱中的纯拉曼信号；
经过差分计算，由式(V)、(VI)可得，差分光谱D(v)满足：
D(v)＝S1-S2＝R(v,v1)-R(v,v2) (IV)，
式(IV)中，S1表示频率v1下得到的原始拉曼光谱，S2表示频率v2下得到的原始拉曼光谱，差分光谱D(v)表示为：
令δ(v,v1)-δ(v,v2)＝h(v)，由式(V)、(VI)、(VII)可知，差分光谱D(v)表示为：
将式(VIII)用矩阵的形式表示出来，即：
D＝H·R (IX)，
式(IX)中，D为差分光谱，是一个已知的一维列向量；H为卷积核矩阵，是一个与两激光频率有关的方阵；R为要复原的拉曼光谱，直接反卷积信号复原方法如式(X)所示：
式(IX)中，上标T表示转置，上标-1表示逆矩阵；
在没有噪声干扰的情况下该方法能够很好的回复拉曼光谱；但是实际检测过程中都会存在噪声的干扰，该算法会对噪声有放大作用，且当差分光谱中一对谱峰的正负强度不对称时，复原结果就会产生严重的振荡；
B、利用多重约束迭代算法来抑制反卷积对噪声的放大以及拉曼峰值不对称导致的振荡，具体为:
在多重约束迭代算法中加入平滑约束算子Q、负能量的约束算子N，正能量约束算子P，
平滑约束算子Q，用来抑制复原结果中数据过快的起伏，起到平滑的效果，使处理结果的二阶微分的平方和最小化；
负能量的约束算子N，用来控制复原的光谱结果不出现负数，其作用使处理结果中负数的平方和最小；
正能量约束算子P，用来抑制谱峰不对称造成的振荡，使处理结果中所有数据的平方和最小；
三个约束算子的矩阵形式如(XI)、(XII)、(XIII)所示：
式(XII)中，若处理结果中第k位为负数，则ak＝1，否则ak＝0。
式(XIII)中，处理结果中第k位的数值越大，则bk越小，算法迭代初始时P为单位矩阵；
Q是一个二阶差分拉普拉斯变换矩阵，抑制了复原结果中数据过快的起伏，起到平滑的效果；
N是零矩阵的基础上迭代演变而来的，当上一次迭代结果中出现负数时，N矩阵对角线相应位置上的0就置换成1，从而控制复原的光谱结果不出现负数；
P是从单位矩阵迭代演变而来的，对于拉曼光谱信号较强的位置，P矩阵对角线相应位置的数值就从1开始减小，放松约束，而对拉曼光谱信号弱或没有信号的位置，P矩阵约束较强，防止噪声和振荡的传播；
多重约束的机制采用多目标优化的角度来考虑，其中约束目标为：
优化函数f为：
优化函数f对R求导，并令其等于零，得式(XVI)：
Rk＝(HTH+αQTQ+βNTN+γPTP)-1·(HTD) (XVI)，
式(XVI)中，α、β、γ均为算法的参数，分别用来设定平滑约束算子Q、负能量的约束算子N、正能量约束算子P的相对强度，Rk为经过多重约束迭代算法恢复得到的纯净的拉曼光谱。
多重约束迭代算法是在反卷积法的基础上添加三个约束算子来抑制反卷积对噪声放大以及拉曼峰值不对称导致的振荡，采用多重约束迭代算法不仅能够复原出没有荧光背景的拉曼信号，同时能够大幅改善系统的信噪比，对差分拉曼光谱进行有效还原，恢复出的拉曼峰的位置与原始拉曼峰的位置基本保持一致，实现获取纯净拉曼光谱信号的目的。
具体过程：可调谐激光器4调制功率60mW，波长780nm，调整光路进行拉曼测试，获取第一幅拉曼原始光谱，测量完毕后，将激光器波长调至782nm对同一样品的拉曼原始光谱进行再次采集，两幅原始拉曼光谱分别由电脑采集并存储在系统内，以进行后续处理；将这两幅原始拉曼光谱相减获取差分拉曼光谱，这样可以有效消除荧光背景的干扰，而针对噪声的存在以及各拉曼峰比较靠近导致差分谱的部分峰值出现不对称的现象，采用多重约束迭代算法对差分拉曼光谱进行有效还原，恢复出的拉曼峰的位置与原始拉曼峰的位置基本保持一致，实现获取纯净拉曼光谱信号的目的。
本实施例中提供了针对PE样品的检测，所采集到的PE样品荧光图像如图4所示，通过对荧光图像的分析对荧光颗粒进行识别和计数，同时还可以再对放大的图像进行记录和平铺，以覆盖整个过滤区域，从而可以检测出降解为几微米的塑料颗粒。同时可以辅以拉曼检测中首先对感兴趣的区域进行快速定位、聚焦检测，然后对目标区域进行化学成分的检测，大大提高检测效率。
利用多重约束迭代算法对差分拉曼光谱复原，得到的拉曼光谱图，如图5中上面的谱线所示，图5中下面的谱线为PE标准拉曼谱图，由图5可知，本发明提供的检测方法，能够得到准确的PE差分拉曼谱图，将复原后的PE差分拉曼谱图与PE的标准拉曼谱图进行比对，从而实现对微塑料颗粒的化学成分的鉴定分析。
本实例中三维电动位移台1、视觉光源单元、显微单元3、可调谐激光器4、拼接光栅型空间外差拉曼光谱仪5、荧光成像单元6、数据采集与存储单元7均为现有的成熟技术且易于实现；利用现有或加工定制的产品，构建本实施例系统一方面可以实现对微塑料快速、准确的检测需求，一方面可以同时获取具有高光通量、宽波段、高分辨率的拉曼光谱；两者结合可以快速、准确检测亚微米级的微塑料，并对复杂成分的微塑料实现准确测量，具有极大的使用价值，同时也是微塑料检测领域的重大突破；以其快速、准确、可视化好等优势成为未来微塑料检测的主流方向。这种采用荧光成像单元6实现对微塑料快速准确的定量分析，空间外差拉曼光谱仪的应用使其准确检测具有复杂成分亚微米级的微塑料颗粒变为可能，差分拉曼光谱技术的引用，消除了拉曼光谱法检测微塑料过程中所受的荧光干扰，提高了微塑料检测的精确度，有效克服了传统检测方法因分析手段限制导致的条件要求苛刻、费时费力、获取信息不全、误检率高等问题，有助于推动我国微塑料检测领域的发展。
本发明提供的一种基于空间外差差分拉曼光谱技术的近海沉积物中微塑料的快速检测系统及方法，可以同时获取具有高光通量、宽波段、高分辨率的拉曼光谱信息，实现了对微塑料检测限的提高和微塑料复杂成分的准确测量。此外荧光成像单元6与显微单元3的结合应用，使对微米级的微塑料检测过程更加可视化，实现快速、准确的对微塑料进行定量分析，而不需要依靠人工或提示显微镜等进行一一目检，避免误检率高、费时费力的难题，从而大大提升检测效率。通过差分拉曼光谱技术有效去除了检测过程中荧光的干扰，利用多重约束迭代算法对差分后的拉曼光谱进行复原以得到纯净的拉曼图谱，进一步提高检测微塑料的准确度，满足海洋领域对微塑料快速准确的检测需求。
Claims (10)
1.基于空间外差差分拉曼光谱技术的近海沉积物中微塑料的快速检测系统，其特征在于，该系统包括三维电动位移台、视觉光源单元、显微单元、可调谐激光器、拼接光栅型空间外差拉曼光谱仪、荧光成像单元和数据采集与存储单元；
所述三维电动位移台上设置有样品台，所述样品台的上方依次设置有显微单元、非偏振分束立方和荧光成像单元，荧光成像单元与所述数据采集与存储单元相连接；
所述视觉光源单元，用于为检测系统提供照明，所述视觉光源单元产生的平行光入射到显微单元所观察的视域区域；
样品台上的被荧光标记的样品，其荧光信号经过显微单元、非偏振分束立方的透射，进入荧光成像单元中进行荧光成像，荧光成像单元将荧光图像传输至数据采集与存储单元进行存储，并在数据采集与存储单元中实现对样品中的微塑料进行定量分析；
可调谐激光器发射出的激光经扩束准直透镜组的扩束准直，二向色镜的反射，再经过非偏振分束立方反射到显微单元，激光聚焦在样品台上样品的表面，样品的表面后向散射出拉曼信号，拉曼信号经显微单元，非偏振分束立方的反射后，再经过二向色镜的透射进入汇聚透镜、耦合透镜，最终传输至拼接光栅型空间外差拉曼光谱仪；可调谐激光器先后发射两个不同波长的激光，对样品点的拉曼光谱实现二次采集，在所述拼接光栅型空间外差拉曼光谱仪中获取样品的拉曼光谱信息，拼接光栅型空间外差拉曼光谱仪将拉曼光谱信息传输至数据采集与存储单元进行存储，并在数据采集与存储单元中得到样品纯净的拉曼光谱。
2.根据权利要求1所述的基于空间外差差分拉曼光谱技术的近海沉积物中微塑料的快速检测系统，其特征在于，所述可调谐激光器为外腔可调谐激光器，所述可调谐激光器的输出波长分别为780nm和782nm。
3.根据权利要求1所述的基于空间外差差分拉曼光谱技术的近海沉积物中微塑料的快速检测系统，其特征在于，所述拼接光栅型空间外差拉曼光谱仪中的第一拼接光栅、第二拼接光栅均包括n个子光栅，其中n≥2，每个子光栅的刻线方向和色散方向均相同，并且每个子光栅沿着拼接光栅的刻线方向依次排列；将n个不同刻线的子光栅拼接成一块拼接光栅；
进一步优选的，拼接光栅型空间外差拉曼光谱仪中第一拼接光栅、第二拼接光栅均包括2个子光栅。
4.根据权利要求1所述的基于空间外差差分拉曼光谱技术的近海沉积物中微塑料的快速检测系统，其特征在于，所述荧光成像单元包括第二小孔光阑、双胶合透镜、前截止滤光片和CCD探测器，
经过非偏振分束立方的透射的荧光信号，在所述荧光成像单元中，依次经过第二小孔光阑、双胶合透镜、前截止滤光片滤光后，最终在CCD探测器中进行荧光成像。
5.根据权利要求1所述的基于空间外差差分拉曼光谱技术的近海沉积物中微塑料的快速检测系统，其特征在于，所述显微单元采用数值孔径为0.6，放大倍数为40倍的显微物镜进行显微成像。
6.根据权利要求1所述的基于空间外差差分拉曼光谱技术的近海沉积物中微塑料的快速检测系统，其特征在于，所述三维电动位移台的计算精度为0.1μm。
7.根据权利要求1所述的基于空间外差差分拉曼光谱技术的近海沉积物中微塑料的快速检测系统，其特征在于，所述视觉光源单元包括视觉光源、汇聚准直透镜组和光束转向笼式立方；汇聚准直透镜组中设置有第一小孔光阑；
视觉光源发出的光束通过汇聚准直透镜组、第一小孔光阑后，然后以平行光束的形式经过光束转向笼式立方，使光束照在显微单元所观察的视域区域。
8.基于权利要求1-7任一项所述的快速检测系统的近海沉积物中微塑料的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采集沉积物样品；
(2)对沉积物样品进行烘干至恒重，并使用双氧水浸泡沉积物样品，去除沉积物中的天然有机质；
(3)采用双密度分离法提取低密度微塑料和高密度微塑料颗粒；
(4)对步骤(3)分离出的含有低密度微塑料和高密度微塑料颗粒的上清液进行染色，然后过滤、干燥得到待测的样品；
(5)将待测的样品放置于基于空间外差差分拉曼光谱技术的近海沉积物中微塑料的检测系统中三维电动位移台的样品台上进行观察，通过三维电动位移台实现聚焦探测，利用荧光成像单元对荧光标记的微塑料进行荧光成像，并利用数据采集与存储单元对荧光图像进行采集、存储，进行定量分析；
(6)可调谐激光器分别发射出两个不同波长的激光，激光通过扩束准直透镜组、二向色镜、非偏振分束立方及显微单元后，聚焦在样品表面，样品后向散射产生的拉曼信号经过显微单元、非偏振分束立方的反射、二向色镜的透射，再经过汇聚透镜、耦合透镜传输至拼接光栅型空间外差拉曼光谱仪，得到两幅原始拉曼光谱图，并传输至数据采集与存储单元存储；在数据采集与存储单元中，对得到两幅原始拉曼光谱图进行差分计算得到差分拉曼光谱，并使用多重约束迭代算法对差分拉曼光谱复原，获得纯净的拉曼光谱。
9.基于权利要求8所述的基于快速检测系统的近海沉积物中微塑料的检测方法，其特征在于，步骤(6)中，对得到两幅原始拉曼光谱图进行差分计算得到差分拉曼光谱，使用多重约束迭代算法对差分拉曼光谱复原，获得纯净的拉曼光谱，具体过程为：
A、对得到两幅原始拉曼光谱图进行差分计算得到差分拉曼光谱，利用反卷积法求要复原的拉曼光谱R：由于拉曼谱随激发光频率的变化而产生平移，这个平移过程表示成一个固定的拉曼谱R(v)与不同频率下对应的δ函数的卷积，即：
式(V)中，v1表示可调谐激光器发出的其中一个激光的频率，R(v,v1)表示频率v1下得到的原始拉曼光谱中的纯拉曼信号；
式(VI)中，v2可调谐激光器发出的另一个激光的频率，R(v,v2)表示频率v2下得到的原始拉曼光谱中的纯拉曼信号；
经过差分计算，由式(V)、(VI)可得，差分光谱D(v)满足：
D(v)＝S1-S2＝R(v,v1)-R(v,v2) (IV)，
式(IV)中，S1表示频率v1下得到的原始拉曼光谱，S2表示频率v2下得到的原始拉曼光谱，差分光谱D(v)表示为：
令δ(v,v1)-δ(v,v2)＝h(v)，由式(V)、(VI)、(VII)可知，差分光谱D(v)表示为：
将式(VIII)用矩阵的形式表示出来，即：
D＝H·R (IX)，
式(IX)中，D为差分光谱，是一个已知的一维列向量；H为卷积核矩阵，是一个与两激光频率有关的方阵；R为要复原的拉曼光谱，直接反卷积信号复原方法如式(X)所示：
式(IX)中，上标T表示转置，上标-1表示逆矩阵；
B、利用多重约束迭代算法来抑制反卷积对噪声的放大以及拉曼峰值不对称导致的振荡，具体为:
在多重约束迭代算法中加入平滑约束算子Q、负能量的约束算子N，正能量约束算子P，
平滑约束算子Q，用来抑制复原结果中数据过快的起伏，起到平滑的效果，使处理结果的二阶微分的平方和最小化；
负能量的约束算子N，用来控制复原的光谱结果不出现负数，其作用使处理结果中负数的平方和最小；
正能量约束算子P，用来抑制谱峰不对称造成的振荡，使处理结果中所有数据的平方和最小；
三个约束算子的矩阵形式如(XI)、(XII)、(XIII)所示：
式(XII)中，若处理结果中第k位为负数，则ak＝1，否则ak＝0；
式(XIII)中，算法迭代初始时P为单位矩阵；
多重约束的机制采用多目标优化的角度来考虑，其中约束目标为：
优化函数f为：
优化函数f对R求导，并令其等于零，得式(XVI)：
Rk＝(HTH+αQTQ+βNTN+γPTP)-1·(HTD) (XVI)，
式(XVI)中，α、β、γ均为算法的参数，分别用来设定平滑约束算子Q、负能量的约束算子N、正能量约束算子P的相对强度，Rk为经过多重约束迭代算法恢复得到的纯净的拉曼光谱。
10.基于权利要求8所述的基于快速检测系统的近海沉积物中微塑料的检测方法，其特征在于，步骤(4)中，采用尼罗红荧光探针溶液对含有微塑料的上清液进行染色。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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