CN210690380U - 一种检测水体中微塑料的便携式光学仪器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种检测水体中微塑料的便携式光学仪器，属于水体污染物检测领域。本实用新型包括支撑架、下部支撑体、试样容器、激光发射器、凸透镜、电荷耦合元件、衍射光学元件和光电二极管；下部支撑体底部设置有滚动槽，激光发射器底部设置有滚动滑珠，滚动滑珠安装于滚动槽中，凸透镜设置于激光发射器与试样容器之间，衍射光学元件安装于试样容器下部，与光电二极管相连接；激光发射器发射出的光源一部分反射到衍射光学元件上转变为光信号，再由光信号被光电二极管转化为电信号，产生衍射图像；另一部分光透过水样衍射到电荷耦合元件上，产生静态干涉图案。本实用新型使用方法简单，仪器便携，结合两种光监测模式，可提高检测辨识度。

Description

一种检测水体中微塑料的便携式光学仪器

技术领域

本实用新型涉及水体污染物检测技术领域，特别涉及一种便携式水体微塑料检测传感器。

背景技术

塑料以及塑料制品在我们的日常生活中无处不在，它们在各行各业中都有广泛的应用。据估计，全球每年可能生产约3亿吨塑料，并且在超过2500万吨的消费后塑料废物中，约有 38％最终进入垃圾填埋场。塑料造成的污染会对人类构成健康威胁，并且危害其他生物体，甚至会改变生态系统的平衡。

微塑料是尺寸小于5mm的塑料，一般是作为个人护理品的添加剂而被生产或者是由大型塑料分解产生，它的尺寸和形状分布可能受到物理或者化学活动的影响。由于不同的形状、尺寸分布和其他性质(例如透明度、半透明度和表面粗糙度)等因素的影响，在实际水体条件下检测这些较小的塑料变得困难。

为了检测水体中的微塑料，有研究提出几种基于视觉检测、化学和光学技术的方法，例如拉曼和红外(IR)光谱方法，但是这些方法一般复杂耗时且检测成本高。例如专利公开号： CN 108254284 A，公开日：2018年7月6日，发明名称为：一种检测水体中微塑料含量的方法的申请案，该申请案公开了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。该方法虽然可以检测出水体中微塑料的含量，但是操作复杂，而且方法耗时。综上所述，如何克服实际水体条件中，检测微塑料困难、方法复杂耗时以及成本较高的不足，是现有技术中亟需解决的技术难题。

实用新型内容

1.要解决的问题

针对实际水体条件中检测微塑料困难、方法复杂耗时以及成本较高的问题，本实用新型提供一种检测水体中微塑料的便携式光学仪器，可以在淡水环境中用于检测肉眼无法观测到的透明以及半透明的微塑料，同时降低检测仪器体积以及重量与复杂度，降低检测成本，并实现快速检测微塑料的目的。

2.技术方案

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种水体微塑料的便携式检测仪器，包括支撑架、衍射单元和成像单元，衍射单元包括下部支撑体、试样容器、激光发射器和凸透镜，所述的试样容器设置于下部支撑体顶部，该下部支撑体的底部设置有滚动槽，激光发射器的底部设置有滚动滑珠，所述的滚动滑珠滚动安装于滚动槽中，所述凸透镜设置于激光发射器与试样容器之间；所述成像单元包括电荷耦合元件、衍射光学元件和光电二极管，电荷耦合元件通过支撑架设置于试样容器上方，电荷耦合元件上设置有镜头，所述衍射光学元件设置于试样容器下方，该衍射光学元件与光电二极管相连接。

优选地，电荷耦合元件的镜头与试样容器之间的距离为11cm。

优选地，所述试样容器的底部设置有玻璃探针。

优选地，所述试样容器的侧壁上设置有刻度线。

优选地，试样容器为柱状容器。

优选地，激光发射器安装于滚动滑珠上。

优选地，试样容器体积为800μL。

优选地，滚动滑珠底部突出于下部支撑体的下表面，滚动滑珠的半径为R，滚动滑珠底部距离下部支撑体的下表面最远的点为切点，切点与下部支撑体的下表面的距离为D，R≥D。

3.有益效果

(1)本实用新型的一种检测水体中微塑料的便携式光学仪器，试样容器设置于下部支撑体顶部，该下部支撑体的底部设置有滚动槽，激光发射器的底部设置有滚动滑珠，滚动滑珠滚动安装于滚动槽中，凸透镜设置于激光发射器与试样容器之间；成像单元的电荷耦合元件通过支撑架设置于试样容器上方，衍射光学元件安装于试样容器下方，基于相干激光辐射沿其路径长度可以发现微小的光学缺陷，从而利用激光束与微塑料的相互作用来检测微塑料的存在，而且本实用新型的结构简单，仪器便携，通过结合两种光监测模式，可以大大提高检测辨识度。

(2)本实用新型的一种检测水体中微塑料的便携式光学仪器，电荷耦合元件的镜头位于试样容器上方，与试样容器最高液面刻度处距离为11cm，这个高度可以使反射光线更好地传输到电荷耦合元件中，提高仪器精度。

(3)本实用新型的一种检测水体中微塑料的便携式光学仪器，试样容器底部的玻璃探针可以根据光源波长设置为不同参数，从而达到更好的检测效果。

(4)本实用新型的一种检测水体中微塑料的便携式光学仪器，试样容器为柱状容器，可以在不影响仪器性能的情况下最大程度地减小仪器体积。

(5)本实用新型的一种检测水体中微塑料的便携式光学仪器，激光发射器安装于滚动滑珠上，滚动滑珠一半嵌进装置底部，另一半暴露在底部外端，可以通过手动转动滑珠来调节及激光发射的角度，操作方便，使用简单。

(6)本实用新型的一种检测水体中微塑料的便携式光学仪器，试样容器体积为800μL，对水样需求量小，并且极大程度上减小了装置的体积以及重量。

附图说明

图1为本实用新型的一种具体实施方式示意图(一)；

图2为本实用新型的一种具体实施方式示意图(二)；

图3为本实用新型的结构示意图。

其中，1、支撑架；2、试样容器；3、滚动滑珠；31、切点；4、电荷耦合元件；5、玻璃探针；6、激光发射器；7、衍射光学元件；8、凸透镜；9、光电二极管；10、下部支撑体。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1

如图3所示，本实用新型提供一种检测水体中微塑料的便携式光学仪器，包括支撑架1、衍射单元和成像单元。衍射单元包括下部支撑体10、试样容器2、激光发射器6和凸透镜8，试样容器2设置于下部支撑体10顶部，下部支撑体10的底部设置有滚动槽。成像单元包括电荷耦合元件4、衍射光学元件7和光电二极管9，电荷耦合元件4通过支撑架1设置于试样容器2上方，电荷耦合元件4上设置有镜头，衍射光学元件7设置于试样容器2下方，该衍射光学元件7与光电二极管9相连接。

衍射单元中的激光发射器6的底部设置有滚动滑珠3，滚动滑珠3滚动安装于滚动槽中，激光发射器6固定在滚动滑珠3上，滚动滑珠3一半嵌进装置底部，另一半暴露在底部外端，可以通过手动转动滚动滑珠3来调节激光发射的角度。值得一提的是，如图3所示，滚动滑珠3的半径为R，滚动滑珠3底部距离下部支撑体10下表面的最远点为切点31，切点31与下部支撑体10下表面的距离为D，R≥D，便于使用者手动调节滚动滑珠3。凸透镜8设置于激光发射器6与试样容器2之间，可以集中激光发射器6发射的激光光束。试样容器2的侧壁为不透明材质，同时试样容器2也可以为黑色容器，而且在试样容器2的侧壁设置有刻度线，刻度线用于读取试样溶液的体积，试样容器2底部设置有玻璃探针5。衍射单元可以将水体中微塑料的存在情况转化为光信号的变化情况，通过检测光信号的变化情况来直观地了解微塑料的存在情况。

当光线遇到待测水样中的微塑料时，一部分光被立即反射到衍射光学元件7上，衍射光学元件7可以在空间上过滤接收的光线并将所得到的镜面反射强度传递给光电二极管9，再由光电二极管9转化为电信号；一部分光线透过透明或者半透明的微塑料碎片，在水中发生折射后入射到电荷耦合元件4的芯片上转化为电信号。电荷耦合元件4和光电二极管9均和电脑连接，光信号通过电荷耦合元件4和光电二极管9转化为电信号以后在电脑上成像，通过产生的干涉图案判定是否有微塑料的存在。用衍射光学元件7记录镜面反射信号，用电荷耦合元件4记录透射干涉图案，通过这两种检测模式的组合，可以在淡水体积中筛选微塑料的类型和尺寸。

光的前向散射的干涉图案源自光线的光程长度差，光程差是由待检测水样的体积的微观变化产生的。在存在透明样品的情况下，可以观察到相当规则的干涉条纹图案，而半透明样品的干涉条纹图案将会显著改变，出现散斑图案。激光散斑图案是复杂的干涉图案，是由于被照射的半透明介质体积中的每个点在检测空间中的特定点处引起其自身的光场形成的，来自半透明样品的漫射激光辐射也会导致观察平面中的干涉图案中产生颗粒状结构。所以光线透过不同种类的微塑料时，转变为电信号之后生成的衍射图不同，可以用于判断水样中的微塑料种类。

本实用新型在使用时，首先将装置放置在稳定平面上，连接电脑；接着取适量待测水样放入试样容器2，并打开激光发射器6，红色激光通过凸透镜8聚集，再透过玻璃探针5入射到水中，当光线遇到透明或者半透明的微塑料碎片时就会同时发生反射和折射现象。折射或者反射的光线被电荷耦合元件4与衍射光学元件7收集并转化为电信号，传输到连接的电脑上，显示出不同的衍射光谱。微塑料在玻璃探针5窗口附近浸沉或漂浮在自由水表面，激光探测光束接近微塑料表面的法线入射。然而，也可能存在微塑料浮在水柱内部并且微塑料表面的法线与探测光束形成不同的角度的情况。即使在这种情况下，也可以使用镜面反射和干涉图案的概念来检测微塑料的存在。

在实际情况中，如图1所示，激光发射器6为光源是波长为635nm、具有0.8mW的稳定输出功率的激光发射器，转动滚动滑珠3使得激光发射角度为6°，选用红色相干光源的好处是它不被水吸收，并且由于适度粗糙的塑料在水中变得透明，来自激光的红光束可以显示出明显透明的塑料；衍射光学元件7的焦距为20mm、孔径2mm x 2mm；玻璃探针5使用直径25mm、厚度3mm、RI为1.4570(与红色相干光源相匹配)的载玻片；电荷耦合元件4距离试样容器2最高刻度平面为11cm，在此高度反射光线能更好地传输到电荷耦合元件4中。当光线遇到沉入水底的塑料碎片时，一部分光被立即反射到底部的衍射光学元件7上转化为电信号，一部分光线透过透明或者半透明的微塑料碎片，在水中发生折射后入射到电荷耦合元件4的芯片上转化为电信号。

不同类型的微塑料都有自己的信号震荡区间，且即使是同一种塑料不同大小的碎片的信号震荡区间也有所不同。同一类型的塑料碎片在水中的震荡信号是比较稳定的。在水柱不同位置，较小的微塑料与不同的光束尺寸相互作用会显示出明显的变化特征。综上所述，通过对不同图谱中的不同变化特征进行分析，可以判断水样中是否含有微塑料，甚至还可以判断微塑料的尺寸以及种类。

实施例2

本实施例的基本内容同实施例1，不同之处在于：如图2所示，激光射入水中，遇到密度较小的漂浮在水面上的微塑料碎片时，光线在水中先发生折射，当遇到水面漂浮的微塑料的时候，部分光线发生反射，反射的光线在水中继续折射直到透过玻璃探针5入射到衍射光学元件7上，另一部分没有反射的光线部分或者全部透过微塑料碎片，向上折射到电荷耦合元件4的芯片上，光信号转化为电信号。

在上文中结合具体的示例性实施例详细描述了本实用新型。但是，应当理解，可在不脱离由所附权利要求限定的本实用新型的范围的情况下进行各种修改和变型。详细的描述和附图应仅被认为是说明性的，而不是限制性的，如果存在任何这样的修改和变型，那么它们都将落入在此描述的本实用新型的范围内。此外，背景技术旨在为了说明本技术的研发现状和意义，并不旨在限制本实用新型或本申请和本实用新型的应用领域。

更具体地，尽管在此已经描述了本实用新型的示例性实施例，但是本实用新型并不局限于这些实施例，而是包括本领域技术人员根据前面的详细描述可认识到的经过修改、省略、例如各个实施例之间的组合、适应性改变和/或替换的任何和全部实施例。权利要求中的限定可根据权利要求中使用的语言而进行广泛的解释，且不限于在前述详细描述中或在实施该申请期间描述的示例，这些示例应被认为是非排他性的。在任何方法或过程权利要求中列举的任何步骤可以以任何顺序执行并且不限于权利要求中提出的顺序。因此，本实用新型的范围应当仅由所附权利要求及其合法等同物来确定，而不是由上文给出的说明和示例来确定。

Claims (8)

1.一种检测水体中微塑料的便携式光学仪器，其特征在于：包括支撑架(1)、衍射单元和成像单元，所述衍射单元包括下部支撑体(10)、试样容器(2)、激光发射器(6)和凸透镜(8)，所述的试样容器(2)设置于下部支撑体(10)顶部，该下部支撑体(10)的底部设置有滚动槽，激光发射器(6)的底部设置有滚动滑珠(3)，所述的滚动滑珠(3)滚动安装于滚动槽中，所述凸透镜(8)设置于激光发射器(6)与试样容器(2)之间；

所述成像单元包括电荷耦合元件(4)、衍射光学元件(7)和光电二极管(9)，电荷耦合元件(4)通过支撑架(1)设置于试样容器(2)上方，电荷耦合元件(4)上设置有镜头，所述衍射光学元件(7)设置于试样容器(2)下方，该衍射光学元件(7)与光电二极管(9)相连接。

2.根据权利要求1所述的一种检测水体中微塑料的便携式光学仪器，其特征在于：电荷耦合元件(4)的镜头与试样容器(2)之间的距离为11cm。

3.根据权利要求1所述的一种检测水体中微塑料的便携式光学仪器，其特征在于：所述试样容器(2)的底部设置有玻璃探针(5)。

4.根据权利要求1所述的一种检测水体中微塑料的便携式光学仪器，其特征在于：所述试样容器(2)的侧壁上设置有刻度线。

5.根据权利要求1所述的一种检测水体中微塑料的便携式光学仪器，其特征在于：试样容器(2)为柱状容器。

6.根据权利要求1所述的一种检测水体中微塑料的便携式光学仪器，其特征在于：所述激光发射器(6)安装于滚动滑珠(3)上。

7.根据权利要求1所述的一种检测水体中微塑料的便携式光学仪器，其特征在于：试样容器(2)体积为800μL。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的一种检测水体中微塑料的便携式光学仪器，其特征在于：所述滚动滑珠(3)底部突出于下部支撑体(10)的下表面，滚动滑珠(3)的半径为R，滚动滑珠(3)底部距离下部支撑体(10)的下表面最远的点为切点(31)，切点(31)与下部支撑体(10)的下表面的距离为D，R≥D。

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