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技术方案

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术的技术方案为：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。本专利技术提供的检测系统中，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。根据本专利技术优选的，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。根据本专利技术优选的，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。根据本专利技术优选的，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，可观察到砂石本文档来自技高网...

【技术保护点】
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；/n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；/n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；/n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；/n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。/n...

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛庆生，卢继涛，杨柏，王楠，栾晓宁，王福鹏，李千，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：山东;37