CN115290511A - 一种水环境中微塑料三维成像和检测的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种水环境中微塑料三维成像和检测的装置及方法，其中装置包括光源、光纤耦合器、样品臂、参考臂、探测器、处理器和微流控装置，光纤耦合器的一端分别连接光源和探测器，光纤耦合器的另一端分别连接参考臂和样品臂，样品臂的另一端正对微流控装置，探测器的另一端与处理器连接。本发明通过微流控装置控制含有微塑料的水体的流动速度和方向，保证对微塑料成像的稳定性和可靠性，能够更加准确的自动计数和分类微塑料颗粒。

Description

一种水环境中微塑料三维成像和检测的装置及方法
技术领域
本发明属于检测装置技术领域，尤其涉及一种水环境中微塑料三维成像和检测的装置及方法。
背景技术
微塑料(microplastic，MP)是指粒径很小的塑料颗粒、纺织纤维以及薄膜。通常认为粒径小于5㎜的塑料颗粒为微塑料。很多微塑料甚至可至微米级，甚至纳米。塑料是海洋垃圾的主要组成部分，全球每年生产的塑料超过3亿吨，其中，约有10％的塑料会进入海洋，这些塑料的化学性质稳定，难以降解，会在海里存在数百年以上。微塑料甚至也被看作海水中的PM2.5。
微塑料的检测主要包括目检法、光谱法和热分析法，目检法主要通过人工目测法、光学显微镜和电子显微镜。光谱法包括傅里叶红外变换光谱、拉曼光谱、高光谱成像法。热分析法主要是气相色谱-质谱联用技术等。一般来说，微塑料分析包括两个步骤:潜在塑料的物理表征(例如，显微镜)接着是化学表征(例如，光谱学)以确认微塑料。但是各种检测方法都有自身的局限性，显微镜检查虽然简单快速，但通常都是二维平面成像。虽可以快速找出大粒径的微塑料，但对于小粒径的颗粒耗时过长，人力消耗大。红外光谱成像技术由于收水吸收峰的影响，对水中物质的检测存在很大干扰性。难以分析不透明颗粒和粒径20微米以下的颗粒，预算费用极高。拉曼光谱学由于仪器太过昂贵，同时对颜色、颜料和生物有机材料的荧光干扰敏感。利用高光谱成像技术可以直接对微塑料直接检测，但仅适用于聚乙烯颗粒。热分析方法能够对化合物成分进行检测，但对微塑料的破坏是不可逆的。对上述的光谱法和热分析方法都无法直接获得微塑料的结构成像。通过物理表征和化学表征两步骤会极大地增加检测难度和繁杂度，更加耗费人力物力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水环境中微塑料三维成像和检测的装置及方法，通过微流控装置控制含有微塑料的水体的流动速度和方向，保证对微塑料成像的稳定性和可靠性。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种水环境中微塑料三维成像和检测的装置，包括光源、光纤耦合器、样品臂、参考臂、探测器、处理器和微流控装置，光纤耦合器的一端分别连接光源和探测器，光纤耦合器的另一端分别连接参考臂和样品臂，样品臂的另一端正对微流控装置，探测器的另一端与处理器连接；
光源，用于提供初始光；
光纤耦合器，用于将光源发出的初始光分为两路，两路初始光分别进入参考臂和样品臂；
参考臂，用于将进入的初始光进行准直后再反射，得到参考光，参考光沿原路返回进入光纤耦合器；
样品臂，用于将进入的初始光进行聚焦后形成聚焦区域；
微流控装置，用于使含有微塑料的水体经过聚焦区域；
聚焦区域中的微塑料表面反射的样品光沿原路返回进入光纤耦合器，进入光纤耦合器的样品光和参考光发生干涉，产生干涉信号；
探测器，用于采集干涉信号，并将干涉信号传送给处理器；
处理器，用于对接收到的干涉信号进行处理运算，生成微塑料的三维结构成像。
进一步地，参考臂包括第二准直透镜和反射镜，进入参考臂的初始光经第二准直透镜准直后达到反射镜，经反射镜反射后得到参考光，参考光沿原路返回进入光纤耦合器。
进一步地，参考臂还包括光阑和聚焦透镜，第二准直透镜、光阑、聚焦透镜和反射镜依次设置。
进一步地，参考臂还包括移动杆和四个移动底座，移动底座滑动设置在移动杆上，第二准直透镜、光阑、聚焦透镜和反射镜分别设置在四个移动底座上。
进一步地，微流控装置包括透明管道和推进泵，推进泵的一端与透明管道连通，透明管道经过聚焦区域。
进一步地，样品臂包括第一准直透镜、扫描振镜和物镜，进入样品臂的初始光依次经过第一准直透镜、扫描振镜和物镜后形成聚焦区域。
进一步地，探测器为光电探测器。
本发明还提供了一种水环境中微塑料三维成像和检测的方法，包括如下步骤：
搭建上述的水环境中微塑料三维成像和检测的装置；
控制光源发出初始光，光源发出的初始光经过光纤耦合器后分成两路，一路初始光进入参考臂，经参考臂准直后再反射，得到参考光，另一路初始光进入样品臂，经样品臂聚焦后形成聚焦区域；
通过微流控装置将含有微塑料的水体经过聚焦区域；
聚焦区域中的微塑料表面反射的样品光经样品臂返回并进入光纤耦合器，进入光纤耦合器的样品光和参考光发生干涉，产生干涉信号，干涉信号被探测器采集后传送给处理器；
处理器对接收到的干涉信号进行处理运算，生成微塑料的三维结构成像。
相比于现有技术，本发明的有益效果为：利用光学相干层析成像对水中的微塑料实现非侵入、高灵敏度、高分辨率、安全实时实现三维可视化识别和检测，在较短的时间内实现单次采集获得较大面积的微塑料的比表面积、体积、粗糙度、圆形度、表面特征的三维可视化结构成像，通过光学相干层析成像对微流控装置中的微塑料流体成像，可安全快速的实现对不同水生环境下的待测样品进行成像和评估，从而对微塑料可以根据三维可视化成像定量分析其特征，得到微塑料的切面的数据特征参数、大小、厚度、单位体积溶液中的含量百分比等三维特征数据，根据不同环境下微塑料的特异性成像可以区分微塑料种类，并通过对微塑料的大小、厚度、含量百分比等参数进行量化分析，为微塑料的检测和防治追踪能够提供更可靠的防治标准。
附图说明
图1为本发明水环境中微塑料三维成像和检测的装置的结构示意图；
图2为本发明水环境中微塑料三维成像和检测的装置中参考臂的结构示意图；
图3为本发明水环境中微塑料三维成像和检测的装置中微流控装置的结构示意图。
图中，1-光源，2-光纤耦合器，3-样品臂，31-第一准直透镜，32-扫描振镜，33-物镜，4-参考臂，41-第二准直透镜，42-反射镜，43-光阑，44-聚焦透镜，45-移动杆，46-移动底座，5-探测器，6-处理器，7-微流控装置，71-透明管道，72-推进泵，8-微塑料。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
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、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
请参阅图1，图1为本发明水环境中微塑料三维成像和检测的装置的结构示意图。一种水环境中微塑料三维成像和检测的装置，包括光源1、光纤耦合器2、样品臂3、参考臂4、探测器5、处理器6和微流控装置7，光纤耦合器2的一端分别连接光源1和探测器5，光纤耦合器2的另一端分别连接参考臂4和样品臂3，样品臂3的另一端正对微流控装置7，探测器5的另一端与处理器6连接。
请结合参阅图3，图3为本发明水环境中微塑料三维成像和检测的装置中微流控装置的结构示意图。具体地，光源1，用于提供初始光；光纤耦合器2，用于将光源1发出的初始光分为两路，两路初始光分别进入参考臂4和样品臂3；参考臂4，用于将进入的初始光进行准直后再反射，得到参考光，参考光沿原路返回进入光纤耦合器2；样品臂3，用于将进入的初始光进行聚焦后形成聚焦区域；微流控装置7，用于使含有微塑料8的水体经过聚焦区域；聚焦区域中的微塑料8表面反射的样品光沿原路返回进入光纤耦合器2，进入光纤耦合器2的样品光和参考光发生干涉，产生干涉信号；探测器5，用于采集干涉信号，并将干涉信号传送给处理器6；处理器6，用于对接收到的干涉信号进行处理运算，生成微塑料8的三维结构成像。通过微流控控制含有微塑料8的水体的流动速度和方向，保证对MPs成像的稳定性和可靠性。在一实施例中，探测器5为光电探测器。
请结合参阅图2，图2为本发明水环境中微塑料三维成像和检测的装置中参考臂的结构示意图。在一实施例中，参考臂4包括第二准直透镜41和反射镜42，进入参考臂4的初始光经第二准直透镜41准直后达到反射镜42，经反射镜42反射后得到参考光，参考光沿原路返回进入光纤耦合器2。参考臂4的作用是提供参考光，反射镜42为零光程差的位置，为满足成像要求，在一实施例中，参考臂4还包括光阑43和聚焦透镜44，第二准直透镜41、光阑43、聚焦透镜44和反射镜42依次设置。第二准直透镜41、光阑43、聚焦透镜44和反射镜42四者共光轴，在反射镜42的反射反向上增加聚焦透镜44，调节聚焦透镜44与反射镜42之间的距离可增加参考臂4的回光量，使大部分参考光反射至光纤耦合器2，同时为避免参考光的光强让探测器5饱和，在第二准直透镜41和聚焦透镜44之间添加光阑43，通过光阑43控制参考光返回的光功率，保证参考光满足成像要求。
为便于调节第二准直透镜41、光阑43、聚焦透镜44和反射镜42四者相互之间的距离，在一实施例中，参考臂4还包括移动杆45和四个移动底座46，移动底座46滑动设置在移动杆45上，第二准直透镜41、光阑43、聚焦透镜44和反射镜42分别设置在四个移动底座46上。通过在移动杆45上滑动各移动底座46，带动移动底座46上的第二准直透镜41、光阑43、聚焦透镜44或反射镜42移动，从而实现调节第二准直透镜41、光阑43、聚焦透镜44和反射镜42四者相互之间的距离。
在一实施例中，微流控装置7包括透明管道71和推进泵72，推进泵72的一端与透明管道71连通，透明管道71经过聚焦区域。推进泵72远离透明管道71的一端与含有微塑料8的水体连通，将含有微塑料8的水体泵送至透明管道71，并且通过推进泵72使得含有微塑料8的水体的流速可控，使得含有微塑料8的水体在透明管道71内均匀流动。
在一实施例中，样品臂3包括第一准直透镜31、扫描振镜32和物镜33，进入样品臂3的初始光依次经过第一准直透镜31、扫描振镜32和物镜33后形成聚焦区域。进入样品臂3的初始光通过第一准直透镜31使光束准直射向扫描振镜32，经扫描振镜32反射后进入物镜33，最后由物镜33聚焦后形成聚焦区域。并且可通过扫描振镜32控制扫描视场大小根据微塑料大小而变化，优选地，物镜33为聚焦透镜。在一实施例中，扫描振镜32包括X振镜和Y振镜，X振镜和Y振镜依次设置于扫描振镜32内部的光路上，X振镜连接有X振镜驱动器，Y振镜连接有Y振镜驱动器。X振镜由X振镜驱动器驱动进行偏转，Y振镜由Y振镜驱动器驱动进行偏转，两个振镜配合偏转，从而实现改变入射平行初始光的出射方向，以及实现对扫描视场大小的控制。
在一实施例中，光纤耦合器2为2×2光纤耦合器，光纤耦合器2包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，第一端口与光源1相连，第二端口与样品臂3相连，第三端口与参考臂4相连，第四端口光电探测器5与相连。
以下简单说明本发明水环境中微塑料三维成像和检测的装置工作过程：
光源1发出的初始光进入2×2光纤耦合器2，被分成第一路初始光和第二路初始光，第一路初始光进入参考臂4，通过第二准直透镜41使第一路初始光保持准直平行和通过聚焦透镜44使第一路初始光聚焦于反射镜42，经反射镜42反射后得到参考光，参考光进入参考臂4，沿参考臂4原路返回并进入光纤耦合器2；第二路初始光进入样品臂3，通过第一准直透镜31使第二路初始光准直射向扫描振镜32，经扫描振镜32反射后进入物镜33，通过物镜33使第二路初始光聚焦形成聚焦光束，聚焦光束照射到透明管道71内，形成聚焦区域；同时，启动推进泵72，通过推进泵72将含有微塑料8的水体泵送至透明管道71，使得含有微塑料8的水体稳定、均匀流过聚焦区域，水体中的微塑料8能够被聚焦光束照射，聚焦光束在微塑料8表面上进行反射后得到样品光，样品光进入样品臂3，沿样品臂3原路返回并进入光纤耦合器2；进入光纤耦合器2的样品光和参考光发生干涉，产生干涉信号，探测器5采集干涉信号并将干涉信号转换为电信号后传送给处理器6，处理器6对接收到的干涉信号进行处理运算，生成微塑料8的三维结构成像。优选地，处理器6有计算机。
本发明还提供了一种水环境中微塑料三维成像和检测的方法，包括如下步骤：
S1、搭建上述的水环境中微塑料三维成像和检测的装置；
S2、控制光源1发出初始光，光源1发出的初始光经过光纤耦合器2后分成两路，一路初始光进入参考臂4，经参考臂4准直后再反射，得到参考光，另一路初始光进入样品臂3，经样品臂3聚焦后形成聚焦区域；
S3、通过微流控装置7将含有微塑料8的水体经过聚焦区域；
S4、聚焦区域中的微塑料8表面反射的样品光经样品臂3返回并进入光纤耦合器2，进入光纤耦合器2的样品光和参考光发生干涉，产生干涉信号，干涉信号被探测器5采集后传送给处理器6；
S5、处理器6对接收到的干涉信号进行处理运算，生成微塑料8的三维结构成像。
根据上述的水环境中微塑料三维成像和检测的装置的结构搭建水环境中微塑料三维成像和检测的装置，装置搭建完成后需检测水环境中的微塑料8时，控制启动光源1和微流控装置7，光源1发出的初始光经光纤耦合器2分别向样品臂3和参考臂4提供入射光，经过样品臂3的光入射至微流控装置7中的微塑料8上并反射，反射回来的光经过样品臂3后与从参考臂4反射回来的光在光纤耦合器2中发生干涉并产生干涉信号，干涉信号被探测器5探测到，并转换成电信号输送给处理器6，处理器6对接收到的干涉信号进行处理运算，生成微塑料8的三维结构成像。其中，微流控装置7使含有微塑料8的水体稳定、均匀的流经样品臂3形成的聚焦区域，使得水体内包含的微塑料流经样品臂3形成的聚焦区域，从而可直接获取不同微塑料的比表面积、体积、粗糙度、圆形度、表面特征的三维可视化图像，进而根据微塑料的三维可视化图像定量分析微塑料的特征，得到微塑料的切面的数据特征参数、大小、厚度、单位体积溶液中的含量百分比等三维特征数据，根据不同环境下微塑料的特异性三维可视化成像可以区分微塑料种类，能够分类微塑料到3个不同的视觉类别，通过对微塑料的三维特征数据进行量化分析，为微塑料的检测和防治追踪能够提供更可靠的防治标准，防治标准包括微塑料定量分析、溯源、形态学分类、浓度、微塑料表面粗糙度等各种参数收集。
相比于现有技术，本发明的有益效果为：利用光学相干层析成像对水中的微塑料实现非侵入、高灵敏度、高分辨率、安全实时实现三维可视化识别和检测，在较短的时间内实现单次采集获得较大面积的微塑料的比表面积、体积、粗糙度、圆形度、表面特征的三维可视化结构成像，通过光学相干层析成像对微流控装置中的微塑料流体成像，可安全快速的实现对不同水生环境下的待测样品进行成像和评估，从而对微塑料可以根据三维可视化成像定量分析其特征，得到微塑料的切面的数据特征参数、大小、厚度、单位体积溶液中的含量百分比等三维特征数据，根据不同环境下微塑料的特异性成像可以区分微塑料种类，并通过对微塑料的大小、厚度、含量百分比等参数进行量化分析，为微塑料的检测和防治追踪能够提供更可靠的防治标准。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，故凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种水环境中微塑料三维成像和检测的装置，其特征在于，包括光源、光纤耦合器、样品臂、参考臂、探测器、处理器和微流控装置，所述光纤耦合器的一端分别连接光源和探测器，所述光纤耦合器的另一端分别连接参考臂和样品臂，所述样品臂的另一端正对微流控装置，所述探测器的另一端与处理器连接；
所述光源，用于提供初始光；
所述光纤耦合器，用于将所述光源发出的初始光分为两路，两路初始光分别进入参考臂和样品臂；
所述参考臂，用于将进入的所述初始光进行准直后再反射，得到参考光，所述参考光沿原路返回进入光纤耦合器；
所述样品臂，用于将进入的所述初始光进行聚焦后形成聚焦区域；
所述微流控装置，用于使含有微塑料的水体经过聚焦区域；
聚焦区域中的微塑料表面反射的样品光沿原路返回进入光纤耦合器，进入所述光纤耦合器的样品光和参考光发生干涉，产生干涉信号；
所述探测器，用于采集所述干涉信号，并将所述干涉信号传送给处理器；
所述处理器，用于对接收到的干涉信号进行处理运算，生成微塑料的三维结构成像。
2.根据权利要求1所述的水环境中微塑料三维成像和检测的装置，其特征在于，所述参考臂包括第二准直透镜和反射镜，进入所述参考臂的初始光经第二准直透镜准直后达到反射镜，经所述反射镜反射后得到参考光，所述参考光沿原路返回进入光纤耦合器。
3.根据权利要求1所述的水环境中微塑料三维成像和检测的装置，其特征在于，所述参考臂还包括光阑和聚焦透镜，所述第二准直透镜、光阑、聚焦透镜和反射镜依次设置。
4.根据权利要求3所述的水环境中微塑料三维成像和检测的装置，其特征在于，所述参考臂还包括移动杆和四个移动底座，所述移动底座滑动设置在移动杆上，所述第二准直透镜、光阑、聚焦透镜和反射镜分别设置在四个移动底座上。
5.根据权利要求1所述的水环境中微塑料三维成像和检测的装置，其特征在于，所述微流控装置包括透明管道和推进泵，所述推进泵的一端与透明管道连通，所述透明管道经过聚焦区域。
6.根据权利要求1所述的水环境中微塑料三维成像和检测的装置，其特征在于，所述样品臂包括第一准直透镜、扫描振镜和物镜，进入所述样品臂的初始光依次经过第一准直透镜、扫描振镜和物镜后形成聚焦区域。
7.根据权利要求1所述的水环境中微塑料三维成像和检测的装置，其特征在于，所述探测器为光电探测器。
8.一种水环境中微塑料三维成像和检测的方法，其特征在于，包括如下步骤：
搭建权利要求1-7任一项所述的水环境中微塑料三维成像和检测的装置；
控制所述光源发出初始光，所述光源发出的初始光经过光纤耦合器后分成两路，一路所述初始光进入参考臂，经所述参考臂准直后再反射，得到参考光，另一路所述初始光进入样品臂，经所述样品臂聚焦后形成聚焦区域；
通过所述微流控装置将含有微塑料的水体经过聚焦区域；
聚焦区域中的微塑料表面反射的样品光经所述样品臂返回并进入光纤耦合器，进入所述光纤耦合器的样品光和参考光发生干涉，产生干涉信号，所述干涉信号被探测器采集后传送给处理器；
所述处理器对接收到的干涉信号进行处理运算，生成微塑料的三维结构成像。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116026729A (zh) * 2023-03-03 2023-04-28 浙江大学 一种基于数字同轴全息显微的便携式微塑料检测装置

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