一種利用高光譜技術(shù)快速檢測魚腸道中的塑料微粒的方法

近年來，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。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，水生生物會隨著進(jìn)食而不斷在體內(nèi)積累塑料微粒（MPs），濃度過高時會導(dǎo)致生物死亡，這對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了巨大的威脅。因此，尋找一種快速檢測體內(nèi)塑料微粒的方法將有利于及時針對性的治理當(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)用于有機體中的物質(zhì)檢測，但以上方法均需要復(fù)雜的手段對組織與被測物進(jìn)行分離，費時費力。而基于高光譜技術(shù)的新方案則可以實現(xiàn)原位直接掃描、定位，極大提升了檢測效率。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)某一像素點的光譜信息，還具有極快的成像速度，可在短時間內(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)域頂級期刊ENVIRONMENTAL SCIENCE & TECHNOLOGY上的文章。作者通過高光譜的快速成像功能，識別了魚腸道組織中的多種塑料微粒，該方法快捷、簡便、無需復(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-簡述實驗步驟

     
在此項研究中作者將檢測樣本分為三組，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)殖鯽魚以排除自身所含微粒的影響。2）常見材料對照組：選取日?？梢姷乃芰喜牧线M(jìn)行對比（瓶蓋、肥皂盒、雪碧瓶、晾衣夾以及CD光盤）。3）魚對照組：選取魚類，直接解剖，并通過拉曼光譜測試以驗證高光譜測試的準(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
 

在對照組試驗中，如圖2所示，將腸組織開平鋪至特氟龍平板上，并將MPs按種類與尺寸進(jìn)行排列。經(jīng)HSI掃描后，手動選擇大尺寸微粒以生成反射光譜圖，并建立支持向量機（SVM）模型，該算法模型可通過分析材料的光譜特征，自動識別分類多種不同的材料。如圖2右側(cè)所示，盡管微粒種類不同，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)底彩色斑點圖像），也可以通過計算像素數(shù)量得到微粒的尺寸數(shù)據(jù)。
 

圖3 濕潤樣品（左）與干燥后樣品（右）的成像分析結(jié)果對比
 

在上一步的研究中，作者發(fā)現(xiàn)樣品的干燥與否會對檢測結(jié)果產(chǎn)生巨大影響。如圖3所示，濕潤樣品中的水滴或油滴會導(dǎo)致部分區(qū)域產(chǎn)生強烈的反射信號而使系統(tǒng)產(chǎn)生誤判，同時由液體產(chǎn)生的光暈又會導(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 五種不同種類的常見塑料顆粒（括瓶蓋、肥皂盒、雪碧瓶、晾衣夾以及CD光盤）及準(zhǔn)確率、檢出率統(tǒng)計表

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

圖4 在魚腸組織中檢測到的PP微粒，通過紅外光譜進(jìn)行驗證
 

在隨后的魚驗證實驗中，由于魚類腸道內(nèi)成分較為復(fù)雜，常包括魚鱗、寄生蟲、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，以排除雜質(zhì)的影響。如圖4所示，經(jīng)過校正后，可在魚體內(nèi)發(fā)現(xiàn)多個疑似塑料微粒。拉曼光譜測試顯示其振動峰與PP材料相吻合，檢出材料確為PP。表明該技術(shù)在實際的應(yīng)用場景中依然具有很高的準(zhǔn)確性。
 

圖5 魚體內(nèi)檢測到的不同塑料微粒及纖維
 

經(jīng)統(tǒng)計，在魚類中，利用高光譜技術(shù)測得的塑料微粒含量與其他技術(shù)所測得的含量相仿（參考文獻(xiàn)2、3），表明其結(jié)果相對準(zhǔn)確可靠。同時，一些長度較長（＞0.2 mm）的聚合物纖維亦可以檢出。結(jié)合對顆粒狀微粒的檢測數(shù)據(jù)，作者表示，該技術(shù)對于尺寸＞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極限。

 

這個工作的亮點在于極快的檢測速度與相當(dāng)高的檢測精度。在文中，作者提到，整個實驗過程只需要不到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?？傮w檢測精度與傳統(tǒng)方法持平（紅外、拉曼光譜）的同時，對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)展到地理測繪、工業(yè)生產(chǎn)、文物保護(hù)等等多個領(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.