《Microchemical Journal》：Analysis of marine plastic fragments using a portable near-infrared instrument: The effect of scanning position on the classification of polymer type
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亚当·科洛巴里克（Adam Kolobaric）| 路伦斯·C·霍夫曼（Louwrens C. Hoffman）| 詹姆斯·查普曼（James Chapman）| 丹尼尔·科佐利诺（Daniel Cozzolino）
澳大利亚昆士兰大学，营养与食品科学中心（CNAFS）、昆士兰农
亚当·科洛巴里克（Adam Kolobaric）| 路伦斯·C·霍夫曼（Louwrens C. Hoffman）| 詹姆斯·查普曼（James Chapman）| 丹尼尔·科佐利诺（Daniel Cozzolino）
澳大利亚昆士兰大学，营养与食品科学中心（CNAFS）、昆士兰农业与食品创新联盟（QAAFI），圣卢西亚校区，布里斯班，昆士兰
摘要
海洋塑料污染带来了严重的环境挑战，包括野生动物误食塑料以及化学污染。尽管全球范围内展开了清理工作，但由于难以识别聚合物类型（尤其是在环境作用下发生降解后），适当再利用仍然存在困难。因此，人们开始探索使用振动光谱技术（如近红外光谱NIR光谱）来表征海洋塑料，因为这些技术具有快速、无损的特点。本研究旨在评估便携式NIR仪器在检测海洋塑料碎片（MPF）中的聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）中的应用效果。研究人员从澳大利亚的一处海滩收集了62个塑料碎片，对它们进行了聚合物类型的鉴定，并使用手持式NIR仪器在三个不同扫描位置进行了分析。通过偏最小二乘（PLS）回归分析来预测聚合物类型。交叉验证的决定系数（R2CV）介于0.58到0.70之间，而交叉验证的标准误差（SECV）则在0.26到0.31之间，具体取决于用于建立PLS校准模型的扫描位置。结果表明，PE样本的鉴定准确率在89%到100%之间，PP样本的鉴定准确率在70%到100%之间。本研究结果表明，相对便宜且紧凑的NIR光谱技术可以用于现场识别来自不同环境区域的塑料碎片。
引言
塑料污染是一个普遍存在的环境问题，每年有900万至1400万吨塑料进入海洋[1]、[2]、[3]。由于社会对塑料的管理不善，数亿吨塑料垃圾已经渗入各种海洋生态系统[4]、[5]。塑料及其碎片漂浮在大约40%的海洋表面，估计海洋中存在170万亿个塑料颗粒，它们会在海洋深处积累，堵塞河流，甚至污染南极的降雪[2]、[3]、[6]。塑料在问世后的70年内就扩散到了地球的每个角落，因为它们难以分解且在长时间内会逐渐破碎[7]、[8]、[9]。塑料产量已超过3.8亿吨，累计总量约为83亿吨[1]、[2]、[3]、[10]。塑料从大块碎片分解为小碎片，甚至纳米颗粒，这使得塑料的监测和管理变得更加复杂[7]、[8]、[9]。海洋中的塑料碎片表现出多种行为：有些会下沉，而有些则会浮在水面上[10]。这种差异主要受多种因素影响，包括聚合物类型及其固有密度、碎片大小以及表面生物污损的程度[7]、[8]、[9]。此外，塑料还会因物理、化学和生物作用进一步分解为更小的碎片[7]、[8]、[9]。
塑料碎片被冲上岸后，其分类变得困难，这影响了塑料废物的回收工作[11]。回收行业缺乏可靠的聚合物鉴别工具，尤其是在数量有限的分类设施之外[11]，这一问题不仅对海洋塑料污染至关重要，也阻碍了我们实现真正循环经济的追求。塑料碎片在开阔海域中漂流后，最终会出现在全球各地的海岸线[6]。大多数被冲上岸的碎片属于中等或微小尺寸，通常已经失去了产品标签或树脂识别码（RIC）等识别信息[12]。这种缺乏明确标识的情况促使人们寻找替代的聚合物鉴定方法。
处理这种普遍存在的海滩塑料污染通常依靠社区清理团队或非营利组织的努力。这些团队面临的反复出现的挑战是如何确定适当的处理方式，而这往往依赖于准确的聚合物类型信息[13]、[14]。然而，塑料聚合物的表征存在重大障碍。虽然每种聚合物类型都有其固有特性（如密度和熔融粘度），但这些特性可能会因制造过程中添加的化学物质而被掩盖或改变[15]。如果没有有效的鉴别工具，这些塑料最终往往会被送往垃圾填埋场，从而扼杀了循环经济的潜力[2]、[3]、[6]、[15]。
传统的分析方法和工具用于塑料的表征，包括视觉/显微计数和形态描述、化学添加剂评估，以及使用热重分析、热解气相色谱-质谱（GC–MS）和差示扫描量热法进行样品分析。然而，这些方法能耗高且成本昂贵，不易为最终用户所使用[16]、[17]。振动光谱技术（包括中红外光谱MIR、拉曼光谱和近红外光谱NIR）因效率高、准确性好、成本低且使用方便而在科学界受到重视[16]、[18]、[19]、[20]、[21]。
MIR、NIR和拉曼光谱已成为聚合物鉴定的主要方法。不过，在海洋塑料研究领域，NIR光谱的应用较少，尽管有证据表明它能够识别不同的聚合物[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。与MIR相比，NIR光谱产生的光谱带更宽，且常包含与有机氢键（如CH、OH、NH）相关的峰。这些峰作为振动模式的叠加态出现[16]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]。尽管NIR区域的能量较低，但它能提供与MIR区域更尖锐的峰类似的信息[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]。实际上，NIR和MIR光谱都是通过被化合原子的振动模式从吸光度中提取聚合物的化学信息，每种方法都有其优缺点[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]。
虽然已有研究评估了便携式NIR仪器在塑料鉴定中的效果，但针对直接从野外环境中收集的、受到环境影响的塑料碎片的研究较少，因为这些碎片的表面异质性、添加剂变化和来源未知可能会影响其光谱特征。在这些实际条件下评估仪器性能对于确定便携式NIR设备是否能在海滩清理和监测活动中辅助现场决策至关重要。尽管NIR光谱在聚合物鉴定中得到广泛应用，但样品呈现方式（特别是扫描方向和表面异质性）对模型稳健性的影响尚未得到系统研究。这对于野外应用来说是一个关键限制，因为在野外无法控制样品的几何形状和表面条件。
本研究的目的是评估便携式NIR仪器在检测海洋塑料碎片中聚合物分类时的作用。本研究重点关注环境中最常见的两种聚合物：聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）。从分析的角度来看，本研究探讨了测量变异的一个关键来源及其对化学计量分类模型的影响。
章节摘录
参考材料
所用参考材料为等规聚丙烯（PP，CAS 9003-07-0）和聚乙烯（PE，LDPE，CAS 9002-88-4；HDPE，CAS 25213–02-9），均由SciPoly公司（美国纽约州安大略省）提供。
海洋塑料碎片的采集
海洋塑料碎片采集自新南威尔士州托马金的长鼻海滩（GPS坐标：?35.831509, 150.211299），长度约为275米（见图1）。采集方法借鉴了美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的海洋垃圾监测与评估计划（MDMAP）和CSIRO的沿海断面调查方法。
结果与讨论
62个海洋塑料碎片经视觉鉴定分为PE（35个）和PP（17个）。其余聚合物属于其他类别，如聚酰胺（PA）、聚氯乙烯（PVC）和混合共聚物。但由于每种聚合物的样本数量较少（例如PS：1个，PET：1个，未鉴定：2个），这些聚合物未纳入本研究。由于样本量不足，无法进行统计学上有意义的分类分析。见图3。
结论
研究结果表明，以不同方向扫描同一塑料碎片对模型性能影响不大，仅对PLS校准统计参数有轻微影响。然而，不同聚合物类型的正确分类率存在差异：PE样本的正确分类率始终高于PP样本。本研究的主要结果表明，NIR光谱技术在这种应用中具有较高的准确性。
CRediT作者贡献声明
亚当·科洛巴里克（Adam Kolobaric）：负责写作——审稿与编辑、初稿撰写、方法设计、实验研究。路伦斯·C·霍夫曼（Louwrens C. Hoffman）：负责写作——审稿与编辑、初稿撰写。詹姆斯·查普曼（James Chapman）：负责写作——审稿与编辑、初稿撰写、监督工作、资源协调、资金获取。丹尼尔·科佐利诺（Daniel Cozzolino）：负责写作——审稿与编辑、初稿撰写、验证测试、监督工作、项目管理、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
