【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于片上成像的微塑料数浓度快速检测装置及检测方法，属于环境新污染物治理。
技术介绍
1、微塑料是国际上重点关注的新污染物，实现微塑料污染精准防控的重要前提是及时获得有关其污染状况的可靠数据。然而，在微塑料从环境介质中分离出后，对其数浓度快速分析是目前的关键方法学挑战。
2、通常，为了直观检验处理后样品中是否存在微塑料及分析其数量和尺寸，需先将样品过滤在滤膜表面，再在传统光学显微镜下进行观察和分析。由于传统(有透镜)光学显微镜无法兼具宽视场和高分辨率成像，难以在高倍率下手动获得整个滤膜的图像及计数滤膜截留的全部颗粒物。尽管借助电动位移台、自动对焦和图像拼接技术，自动光学显微镜可以捕捉整个滤膜的图像，但耗时长(数十分钟)，且其配置的图像传感器像素尺寸和数量有限，观察者只能从整个滤膜的图像中识别和测定>30μm颗粒物，遗漏小尺寸的微塑料。因此，有透镜的光学显微成像技术对于微塑料检测来说耗时长、准确率低，迫切需要建立新的方法以提高微塑料样品的成像、计数效率和可靠性。
3、无透镜全息成像被认为在微塑料检测方面有应用前景，但该技术传感器获取的是样品的相干衍射图样，需要利用重构算法恢复样品的相位信息，同样不能直接和快速获得微塑料样品的光学图像。因此，亟需建立能将无透镜光学成像技术用于微塑料数浓度检测的方法。
技术实现思路
1、专利技术目的：本专利技术的第一目的是提供一种基于片上成像的微塑料数浓度快速检测装置；本专利技术的第二目的是提供一种利用该检测
2、技术方案：本专利技术所述一种基于片上成像的微塑料数浓度快速检测装置，所述基于片上成像的微塑料数浓度快速检测装置包括光源、图像传感器芯片、控制系统和图像处理组件，所述控制系统分别与光源、图像传感器芯片和图像处理组件连接，其中，光源垂直设置于图像传感器芯片的上方，所述控制系统通过数据传输线与图像处理组件连接，所述图像传感器芯片的上表面设有上样区，待测微塑料样品置于上样区。
3、进一步地，所述光源为单色或多色光。
4、进一步地，所述光源的波长为300～700nm。
5、进一步地，所述光源到图像传感器芯片的垂直距离为5～10cm。
6、进一步地，所述图像传感器芯片的光敏区长为10～20mm、宽为10～20mm，像素尺寸为0.5～1μm，像素数量为1～16亿。
7、进一步地，所述待测微塑料样品与图像传感器芯片的垂直距离为5～10μm。
8、进一步地，所述上样区由固化胶围成的正方形区域，所述上样区长为10～20mm、宽为10～20mm，所述上样区的容积为100～400μl，所述上样区的高度为0.5～1.5mm。
9、进一步地，所述图像传感器芯片上样区的待测微塑料样品在光源垂直照射下的投影被图像传感器芯片直接记录，并转换为电信号，所述控制系统驱动和控制光源和图像传感器芯片工作，接收来自图像传感器芯片的输出信号，再将其通过数据传输线送至图像处理组件显示微塑料的阴影图像。
10、本专利技术所述检测装置快速检测微塑料数浓度的方法，包括以下步骤：
11、(1)在清洁环境条件下，将待测微塑料样品置于图像传感器芯片表面的上样区，静置；
12、(2)打开光源，采集图像传感器芯片上样区沉积微塑料的阴影图像；
13、(3)通过人工分析法或机器学习法分析得到的微塑料样品图像，进行计数并计算微塑料的数浓度；
14、(4)向上样区滴加无水乙醇，擦除图像传感器芯片上样区表面沉积的微塑料，通过采集阴影图像检验洁净度，用于下一批微塑料样品的检测。
15、进一步地，步骤(1)中，所述微塑料样品为悬浮液。
16、进一步地，步骤(1)中，所述静置的时间为90s以上。
17、进一步地，步骤(1)中，所述的清洁环境条件为洁净室或超净工作台，洁净度为100级(iso 5)(≥1μm的颗粒数为832个/m3)以上。
18、更进一步地，所述微塑料悬浮液的质量浓度小于100mg/l，加入上样区的微塑料悬浮液的体积为100～400μl。
19、进一步地，步骤(2)中，所述光源采用发光二极管照明。
20、进一步地，步骤(2)中，采集图像的时间为90s以上。
21、进一步地，步骤(3)中，所述人工分析法是将图像导入图像处理软件，手动标记并计数微塑料。
22、进一步地，步骤(3)中，所述机器学习法是通过构建和训练数学模型，自动识别和计数图像中的微塑料，其中，数学模型为基于现有模型的、经训练和检验后的目标关键点检测算法，可标记或识别的微塑料尺寸为3～6μm。
23、进一步地，步骤(3)中，所述微塑料样品的数浓度按照以下公式计算：
24、微塑料的数浓度＝微塑料样品中微塑料的计数(个)/微塑料样品的体积(l)。
25、进一步地，步骤(4)中，擦除图像传感器芯片上样区表面沉积的微塑料为用一次性无尘净化棉棒吸收废液后，再用干的一次性无尘净化棉棒头轻轻擦拭图像传感器芯片。
26、进一步地，步骤(4)中，所述的洁净度为颗粒数<10个/cm2。
27、本专利技术采用无透镜阴影成像，无透镜阴影成像是一种“所见即所得”的成像方式，本专利技术通过图像传感器芯片上样区微塑料样品产生的阴影被传感器记录后直接形成图像，成像视场和分辨率取决于图像传感器芯片的像素数量和大小，以及样品到图像传感器芯片的距离。本申请采用小像素尺寸和高像素数量的图像传感器芯片，基于无透镜阴影成像技术实现了微塑料数浓度的快速检测。
28、有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有以下显著优势：
29、(1)本专利技术方法适用于微塑料纯品或环境介质中提取出的样品，可对其数浓度快速测定，操作流程简单、易于推广，面向国家新污染物治理的重大需求。
30、(2)本专利技术方法大幅缩短了微塑料样品成像时间成本，具有低碳节能的特点，响应节能低碳国家政策。
31、(3)本专利技术方法同样适用于微塑料以外的微米颗粒物的成像和计数。
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1.一种基于片上成像的微塑料数浓度快速检测装置，其特征在于，所述基于片上成像的微塑料数浓度快速检测装置包括光源(1)、图像传感器芯片(2)、控制系统(3)和图像处理组件(5)，所述控制系统(3)分别与光源(1)、图像传感器芯片(2)和图像处理组件(5)连接，其中，光源(1)垂直设置于图像传感器芯片(2)的上方，所述控制系统(3)通过数据传输线(4)与图像处理组件(5)连接，所述图像传感器芯片(2)的上表面设有上样区，待测微塑料样品置于上样区。
2.根据权利要求1所述的基于片上成像的微塑料数浓度快速检测装置，其特征在于，所述光源(1)为单色或多色光，所述光源(1)的波长为300～700nm，所述光源(1)到图像传感器芯片(2)的垂直距离为5～10cm。
3.根据权利要求1所述的基于片上成像的微塑料数浓度快速检测装置，其特征在于，所述图像传感器芯片(2)的光敏区长为10～20mm、宽为10～20mm，像素尺寸为0.5～1μm，像素数量为1～16亿，所述待测微塑料样品与图像传感器芯片(2)的垂直距离为5～10μm。
4.根据权利要求1所述的基于片上成
5.权利要求1-4任一项所述检测装置快速检测微塑料数浓度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于，步骤(1)中，所述微塑料样品为悬浮液，所述静置的时间为90s以上，所述的清洁环境条件为洁净室或超净工作台，洁净度为100级以上。
7.根据权利要求6所述的检测方法，其特征在于，所述微塑料悬浮液的质量浓度小于100mg/L，加入上样区的微塑料悬浮液的体积为100～400μL。
8.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于，步骤(2)中，所述光源(1)采用发光二极管照明，采集图像的时间为90s以上。
9.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于，步骤(3)中，所述人工分析法是将图像导入图像处理软件，手动标记并计数微塑料；所述机器学习法是通过构建和训练数学模型，自动识别和计数图像中的微塑料，其中，数学模型为基于现有模型的、经训练和检验后的目标关键点检测算法，可标记或识别的微塑料尺寸为3～6μm。
10.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于，步骤(4)中，擦除图像传感器芯片(2)上样区表面沉积的微塑料为用一次性无尘净化棉棒吸收废液后，再用干的一次性无尘净化棉棒头轻轻擦拭图像传感器芯片(2)，所述的洁净度为颗粒数<10个/cm2。
...【技术特征摘要】
1.一种基于片上成像的微塑料数浓度快速检测装置，其特征在于，所述基于片上成像的微塑料数浓度快速检测装置包括光源(1)、图像传感器芯片(2)、控制系统(3)和图像处理组件(5)，所述控制系统(3)分别与光源(1)、图像传感器芯片(2)和图像处理组件(5)连接，其中，光源(1)垂直设置于图像传感器芯片(2)的上方，所述控制系统(3)通过数据传输线(4)与图像处理组件(5)连接，所述图像传感器芯片(2)的上表面设有上样区，待测微塑料样品置于上样区。
2.根据权利要求1所述的基于片上成像的微塑料数浓度快速检测装置，其特征在于，所述光源(1)为单色或多色光，所述光源(1)的波长为300～700nm，所述光源(1)到图像传感器芯片(2)的垂直距离为5～10cm。
3.根据权利要求1所述的基于片上成像的微塑料数浓度快速检测装置，其特征在于，所述图像传感器芯片(2)的光敏区长为10～20mm、宽为10～20mm，像素尺寸为0.5～1μm，像素数量为1～16亿，所述待测微塑料样品与图像传感器芯片(2)的垂直距离为5～10μm。
4.根据权利要求1所述的基于片上成像的微塑料数浓度快速检测装置，其特征在于，所述上样区由固化胶围成的正方形区域，所述上样区长为10～20mm、宽为10～20mm，所述上样区的容积为100～400μl，所述上样区的高度为...
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