近年來(lái)，保護(hù)環(huán)境的呼聲愈發(fā)高漲，相關(guān)研究也在不斷深入。自然環(huán)境中人造有害物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)與處理正逐漸成為研究的熱點(diǎn)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，水生生物會(huì)隨著進(jìn)食而不斷在體內(nèi)積累塑料微粒（MPs），濃度過(guò)高時(shí)會(huì)導(dǎo)致生物死亡，這對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了巨大的威脅。因此，尋找一種快速檢測(cè)體內(nèi)塑料微粒的方法將有利于及時(shí)針對(duì)性的治理當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。目前，拉曼及紅外光譜等技術(shù)已廣泛應(yīng)用于有機(jī)體中的物質(zhì)檢測(cè)，但以上方法均需要復(fù)雜的手段對(duì)組織與被測(cè)物進(jìn)行分離，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。而基于高光譜技術(shù)的新方案則可以實(shí)現(xiàn)原位直接掃描、定位，極大提升了檢測(cè)效率。高光譜成像技術(shù)（HSI，Hyperspectral Imaging）有著*的空間分辨率和光譜分辨率，可以輕松地獲得視野內(nèi)某一像素點(diǎn)的光譜信息，還具有極快的成像速度，可在短時(shí)間內(nèi)完成某一區(qū)域的掃描，獲得大量信息。今天與大家分享一篇發(fā)表在環(huán)境領(lǐng)域頂級(jí)期刊ENVIRONMENTAL SCIENCE & TECHNOLOGY上的文章。作者通過(guò)高光譜的快速成像功能，識(shí)別了魚(yú)腸道組織中的多種塑料微粒，該方法快捷、簡(jiǎn)便、無(wú)需復(fù)雜的分離提純手段，是高光譜技術(shù)應(yīng)用的典型案例。

 

圖1 文章摘要圖-簡(jiǎn)述實(shí)驗(yàn)步驟

     
在此項(xiàng)研究中作者將檢測(cè)樣本分為三組，分別為1）標(biāo)準(zhǔn)組：選取五種高聚物顆粒（PE、PS、PET、PP、PC），選取養(yǎng)殖鯽魚(yú)以排除自身所含微粒的影響。2）常見(jiàn)材料對(duì)照組：選取日?？梢?jiàn)的塑料材料進(jìn)行對(duì)比（瓶蓋、肥皂盒、雪碧瓶、晾衣夾以及CD光盤(pán)）。3）魚(yú)對(duì)照組：選取魚(yú)類(lèi)，直接解剖，并通過(guò)拉曼光譜測(cè)試以驗(yàn)證高光譜測(cè)試的準(zhǔn)確性。
 

圖2 左側(cè)為腸組織光學(xué)照片，中間為高光譜成像，右側(cè)為選區(qū)反射譜。第一行為為干燥樣品，第二行為干燥樣品
 

在對(duì)照組試驗(yàn)中，如圖2所示，將腸組織開(kāi)平鋪至特氟龍平板上，并將MPs按種類(lèi)與尺寸進(jìn)行排列。經(jīng)HSI掃描后，手動(dòng)選擇大尺寸微粒以生成反射光譜圖，并建立支持向量機(jī)（SVM）模型，該算法模型可通過(guò)分析材料的光譜特征，自動(dòng)識(shí)別分類(lèi)多種不同的材料。如圖2右側(cè)所示，盡管微粒種類(lèi)不同，但都具有相似的特征譜線。以特征譜線作為標(biāo)記，經(jīng)SVM模型處理后，可清晰的得到微粒在組織中的分布情況（藍(lán)底彩色斑點(diǎn)圖像），也可以通過(guò)計(jì)算像素?cái)?shù)量得到微粒的尺寸數(shù)據(jù)。
 

圖3 濕潤(rùn)樣品（左）與干燥后樣品（右）的成像分析結(jié)果對(duì)比
 

在上一步的研究中，作者發(fā)現(xiàn)樣品的干燥與否會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生巨大影響。如圖3所示，濕潤(rùn)樣品中的水滴或油滴會(huì)導(dǎo)致部分區(qū)域產(chǎn)生強(qiáng)烈的反射信號(hào)而使系統(tǒng)產(chǎn)生誤判，同時(shí)由液體產(chǎn)生的光暈又會(huì)導(dǎo)致部分光譜信息缺失，進(jìn)而造成部分小尺寸微粒的漏檢。而在干燥狀態(tài)下，如圖3 (b)(b1)圖所示，絕大多數(shù)＞0.1 mm的塑料微粒都能被檢出。



 

圖3 五種不同種類(lèi)的常見(jiàn)塑料顆粒（括瓶蓋、肥皂盒、雪碧瓶、晾衣夾以及CD光盤(pán)）及準(zhǔn)確率、檢出率統(tǒng)計(jì)表

在實(shí)際情況下，生物體內(nèi)的塑料微粒中通常含有多種添加劑，此時(shí)材料的光譜會(huì)有所不同，這有可能影響SVM算法的準(zhǔn)確性。因此作者進(jìn)行了第二組實(shí)驗(yàn)，如圖3所示，利用日常所見(jiàn)的塑料材料制作樣品進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示檢測(cè)精度及檢出率為97.19%和91.98%（近似于標(biāo)準(zhǔn)組中的96.15%和96.85%）。表明這種檢測(cè)手段在近似實(shí)際條件的測(cè)試中依然十分可靠。

圖4 在魚(yú)腸組織中檢測(cè)到的PP微粒，通過(guò)紅外光譜進(jìn)行驗(yàn)證
 

在隨后的魚(yú)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，由于魚(yú)類(lèi)腸道內(nèi)成分較為復(fù)雜，常包括魚(yú)鱗、寄生蟲(chóng)、骨骼碎片、貝殼碎片等雜質(zhì)，因此需向SVM中添加以上物質(zhì)的光譜變量，盡可能拓寬模型庫(kù)，以排除雜質(zhì)的影響。如圖4所示，經(jīng)過(guò)校正后，可在魚(yú)體內(nèi)發(fā)現(xiàn)多個(gè)疑似塑料微粒。拉曼光譜測(cè)試顯示其振動(dòng)峰與PP材料相吻合，檢出材料確為PP。表明該技術(shù)在實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景中依然具有很高的準(zhǔn)確性。
 

圖5 魚(yú)體內(nèi)檢測(cè)到的不同塑料微粒及纖維
 

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在魚(yú)類(lèi)中，利用高光譜技術(shù)測(cè)得的塑料微粒含量與其他技術(shù)所測(cè)得的含量相仿（參考文獻(xiàn)2、3），表明其結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確可靠。同時(shí)，一些長(zhǎng)度較長(zhǎng)（＞0.2 mm）的聚合物纖維亦可以檢出。結(jié)合對(duì)顆粒狀微粒的檢測(cè)數(shù)據(jù)，作者表示，該技術(shù)對(duì)于尺寸＞0.2 mm的所有塑料微粒及纖維均具有*的檢出率和準(zhǔn)確率。若更換放大倍數(shù)更高，成像效果更好的設(shè)備，還可進(jìn)一步提升該方法的檢測(cè)極限。

 

這個(gè)工作的亮點(diǎn)在于極快的檢測(cè)速度與相當(dāng)高的檢測(cè)精度。在文中，作者提到，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程只需要不到40 min，包括處理并干燥樣本30 min， 掃描成像1 min， 數(shù)據(jù)處理5 min。這極大的提升了工作的效率，也減少了耗材的使用。總體檢測(cè)精度與傳統(tǒng)方法持平（紅外、拉曼光譜）的同時(shí)，對(duì)0.2 mm以上的微粒和纖維達(dá)到了*的檢出率。這表明，基于高光譜技術(shù)的檢測(cè)手段在環(huán)境領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。此外，結(jié)合SVM等相關(guān)算法模型，高光譜成像技術(shù)還可擴(kuò)展到地理測(cè)繪、工業(yè)生產(chǎn)、文物保護(hù)等等多個(gè)領(lǐng)域，如同一座寶藏，等待人們的進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)

1. Zhang Y , Wang X , Shan J , et al. Hyperspectral Imaging Based Method for Rapid Detection of Microplastics in the Intestinal Tracts of Fish[J]. Environmental ence & technology, 2019, 53(9):5151.

2. Yoann Garnier, Jacob H , Guerra A S , et al. Evaluation of microplastic ingestion by tropical fish from Moorea Island, French Polynesia[J]. Marine Pollution Bulletin, 2019.

3. Giani, Dario, Baini, Matteo, Galli, Matteo, et al. Microplastics occurrence in edible fish species (Mullus barbatus and Merluccius merluccius) collected in three different geographical sub-areas of the Mediterranean Sea[J]. Marine Pollution Bulletin, 2019, 140(MAR.):129-137.