一种微塑料颗粒的数量浓度-质量浓度的转换方法

本发明涉及浓度转换，更具体的说是涉及一种微塑料颗粒的数量浓度-质量浓度的转换方法。

背景技术：

1、微塑料与天然颗粒和生物体在广泛的环境条件下相互作用，而这些环境条件在空间和时间上更加多样化，因此在评估这些颗粒对环境和人类健康造成的风险方面具有一定的挑战。由于具有复杂的组成，“微塑料”不能被视为一种单一的污染物，而是要关注其各异的形貌特征，并针对一系列类型、大小和形状特定的微塑料进行研究。为了正确评估环境微塑料的生态风险，精确定量混合微塑料的丰度是关键的一步。

2、质量浓度(mc)是表达水生环境中微塑料暴露和摄取的标准。由于微塑料被发现可能会对生物体甚至人体造成影响，所以越来越多的研究者开始关注微塑料暴露的环境和健康风险。许多室内暴露研究发现，微塑料暴露可能会导致水生生物一系列的毒理学效应，包括生长抑制、氧化损伤、炎症效应等。在实验室研究中发现，微塑料暴露的定量单位往往采用单位体积或单位质量浓度，如mg/l和mg/kg等。这与室内暴露实验中选用的商品化微塑料的可获得性及尺寸较小等原因相关。

3、但在实际的野外调研中，微塑料的浓度表述常常采用数量浓度。现已在空气、水、土壤和沉积物等环境介质中广泛检出微塑料，对于这些野外采集的微塑料的浓度，研究者们通常以单位体积、面积或质量内的颗粒数来报道，即数量浓度(nc)，如particles/l、particles/m2和particles/g。这与野外样品的形貌各异、尺寸较大，以及鉴定方法等原因相关。

4、因此，微塑料的室内暴露浓度和野外实测浓度之间存在表达方式的巨大差异，量化单位的不同使得无法有效建立起微塑料对生物的毒性与其在环境中的丰度之间的直接关系。对于以数量浓度为单位的微塑料表述，若要将其转化为质量浓度，通常需要对微塑料进行称重。而由于微塑料种类多样，且单个微塑料体积和质量都很小，为逐一称重测量带来巨大困难。因此迫切需要一种实用易行的微塑料的度量转换方法，来实现不同度量浓度之间快速而准确的换算，以将真实的水生环境中微塑料的发生与它的毒理学效应联系起来。

5、对微塑料开展一致的风险评估需要对检出浓度和暴露浓度数据进行对应。这意味着，无论用什么标准或单位来描述，都需要将数量浓度和质量浓度两者进行转换和统一。但是，现有的方法仍然难以实现数量—质量浓度的准确、快速转换，其原因如下：首先，文献中对微塑料使用了不同的定义，其产生的差异与不同定义中微塑料的尺寸范围有关(wagneret al.，2014)。其次，不同研究中检测微塑料数量浓度的方法具有不同的尺寸检测下限(koelmans et al.，2019)。由于尺寸较小的颗粒通常有着更高的数量浓度，因此使用更精细的筛网或过滤网尺寸，并使用精确的光谱鉴定方法对包含小尺寸的微塑料样品进行分析时，通常会获得更高的数量浓度(koelmans et al.，2019)。用于采样的筛网或网通常具有例如20、100、300或333μm的最小尺寸限值。在检测方法方面，如目视检查、atr-ftir、焦平面阵列ftir(fpa-ftir)或raman，通常对应于1000、300、20或1μm的尺寸检测限值(minteniget al.，2018)。此外，在微塑料的质量浓度测定方面，由于采样体积会影响具有较大质量的大颗粒微塑料的检出率，当采样体积过小时，检出频率较低的大颗粒可能会被遗漏(karlsson et al.，2020)。因此，上述方法的差异导致了不同研究结果的数量和质量浓度数据之间不可比。

6、近年来，已有一些研究探讨了微塑料的数量-质量浓度转换，但往往将尺寸变化和不规则形状过度简化了。如leusch和ziajahromi(2021)提供了非常准确的规则粒子的转换方程，其前提假设是将复杂的塑料珠子和纤维作为球体和圆柱体考虑，从而导致方程对不规则形状的微塑料不太适用。senathirajah等(2021)也尝试将0～1毫米范围内的微塑料的数量转化为质量值，然而，由于模型所包含的微塑料数量和质量的数值较少，而且大多数数据没有达到很高的质量保证标准，所以该模型存在极大的不确定性。kooi和koelmans(2019)用尺寸、形状和密度的概率密度函数定义了环境微塑料，考虑了常见微塑料形状类别(如球体、碎片、薄膜、纤维)的长度/宽度/高度比率分布及其在环境中的相对丰度，将corey形状因子(csf)分布(waldschlaeger and schuettrumpf，2019)与椭球体模型结合可用于将数量转换为体积和质量浓度。还有cozar等(2014)提出的底部是正方形，高度是底边长的0.1倍的矩形棱柱模型；simon等(2018)提出的高度为宽度的0.67倍的椭球体模型；isobe等(2019)提出的高为底面直径的0.4倍的圆柱体模型。但上述这些几何体模型都没有细致考虑颗粒的不规则形态变化，并且没有采用实际样品进行验证，用于估计环境微塑料质量的准确性尚不明确。

7、数量—质量浓度的换算还存在其他一些现实意义。环境中的微塑料在老化后极易破碎，数量浓度容易发生改变，而质量浓度不容易受到影响(andrady，2011)，因此，将微塑料数量浓度转换为体积和质量浓度，有利于进行量化和比较。综上，提供一种准确度较高的数量浓度-质量浓度的转换方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种微塑料颗粒的数量浓度-质量浓度的转换方法，解决了上述问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种微塑料颗粒的数量浓度-质量浓度的转换方法，具体步骤为：

4、按照预先设定的质量值获取不同粒级的塑料颗粒作为待处理样本；

5、对待处理样本进行预处理，对预处理后的待处理样本进行颗粒计数以及颗粒图像分析；

6、基于颗粒图像分析结果构建多个微塑料质量转换模型；

7、利用待处理样本的质量值、对应的颗粒计数以及验证样本集对多个微塑料质量转换模型进行筛选，获得最终微塑料质量转换模型；

8、获取待转换样本参数，利用最终微塑料质量转换模型进行浓度转换。

9、可选的，待处理样本获取过程中，在相同塑料类型的同粒级塑料颗粒中设立多个平行样组。

10、可选的，预处理的具体步骤为：

11、将待处理样本置入试管中；

12、在试管中加入100％的乙醇，并进行摇晃，获得颗粒均匀分散的颗粒溶液；

13、将颗粒溶液吸取到干净的玻璃载玻片上，并对器具进行多次清洗和转移，以保证颗粒全部转移至玻璃载玻片上。

14、可选的，颗粒图像分析的具体步骤：

15、对玻璃载玻片上的样本颗粒进行投影图像的拍摄；

16、基于投影图像获取颗粒投影的尺寸参数和形状参数；

17、基于颗粒投影的尺寸参数和形状参数获得样本颗粒的厚度转换参数。

18、可选的，投影图像包括单投影图像和多投影图像。

19、可选的，获取颗粒投影的尺寸参数和形状参数的具体步骤为：

20、利用gause-laplace算法基于投影图像提取每个颗粒的边缘轮廓；

21、基于投影图像和每个颗粒的边缘轮廓计算颗粒投影的尺寸参数和形状参数。

22、可选的，形状参数包括球形度、长宽比、圆度和坚固度。

23、可选的，多个微塑料质量转换模型的构建步骤为：

24、基于单投影图像获取样本颗粒的尺寸参数和形状参数；

25、基于多投影图像获取样本颗粒的厚度转换参数；

26、基于样本颗粒的尺寸参数、形状参数和厚度转换参数构建多个微塑料质量转换模型。

27、可选的，最终微塑料质量转换模型的获取步骤为：

28、根据多个微塑料质量转换模型的估计质量与测量质量之间的拟合优度，筛选最终微塑料质量转换模型。

29、可选的，微塑料质量转换模型的估计质量的表达式为：

30、mest＝f(sfs,mi)；

31、式中，sfs为形状参数值；mi为第i个微塑料的质量转换模型的计算质量。

32、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开了一种微塑料颗粒的数量浓度-质量浓度的转换方法，通过单投影分析和多投影分析相结合的方法，提高了浓度转换的速度与准确度，为正确评估环境微塑料的生态风险提供了准确的数据支持，提高了生态风险评价的可信度。