引用本文
包清, 王世全, 申思. 基于HPLC的三芳甲烷类染料字迹人为老化的实验研究[J]. 刑事技术,2015,40(1): 59-62
BAO Qing, WANG Shi-quan, SHEN Si. Exploring the Detection of Artificially Aged Writing Based on Analysis of Triaromatic Methane Dye by HPLC[J]. Forensic Science and Technology,2015,40(1): 59-62  
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基于HPLC的三芳甲烷类染料字迹人为老化的实验研究
包清1, 王世全2, 申思3
1. 上海市公安局刑事侦查总队,上海200083
2. 中国刑事警察学院,沈阳110035
3. 浙江警察学院,杭州310053

作者简介：包清 (1989—),男,上海人,硕士,研究方向为物证技术学。 E-mail:2459083965@qq.com

摘要

目的 对蓝色圆珠笔字迹在经过紫外光源老化后的独特特征进行研究,建立确认紫外灯照射的人为老化文件的方法。方法 本文以蓝色圆珠笔字迹为研究对象,蓝色圆珠笔中的三芳甲烷类染料在紫外灯的照射下会吸收光子的能量加速其老化脱甲基的反应,通过适当的假设可以推导出其老化程度随时间变化的老化方程,由于目前紫外灯管几乎全部是线型结构,建立合适的坐标系,假设线型灯管能量分布均匀,且紫外线以球面波的形式传播出去,可以计算出纸面上任意一点的能量,通过纸张表面不同位置的三芳甲烷类染料的老化程度的不同来区别自然老化文件与紫外灯人为老化文件的不同。结果 经过实验发现对于紫外灯人为老化文件来说甲基紫初始含量比上老化后含量的对数值与紫外灯对于该点的能量的辐出的比值为一个常数K,该K值稳定,浮动范围小,线性关系的置信度大于99%,可以认为两个参数之间存在显著地线性关系,可以证明对于老化方程的推导和能量密度分布函数的推导合理符合实际,对于自然老化文件来说则不存在这种规律。结论 可以利用这种特殊的分布规律构建一个衡量这种分布的函数来定量地确认紫外灯照射的人为老化文件。

关键词: 人为老化; 老化方程; 能量密度分布函数; 线性回归
中图分类号:DF794.2 文献标志码:A 文章编号:1008-3650(2015)01-0059-04 doi: 10.16467/j.1008-3650.2015.01.013
Exploring the Detection of Artificially Aged Writing Based on Analysis of Triaromatic Methane Dye by HPLC
BAO Qing1, WANG Shi-quan2, SHEN Si3
1. Criminal Investigation Section, Shanghai Public Security Bureau, Shanghai 200083, China
2. National Police University of China, Shenyang 110035
3. Zhejiang Police College, Hangzhou 310063, China
Abstract

Objective Currently the aging file suspected to be made intentionally, albeit difficult to determine, has positive significance in document inspection because a file can be identified as fake once the artificial aging is confirmed when the real written time is different from that of the claimed.Methods We used the writing made with ball-pen blue oil as the research object. Because the tri-aromatic methane dye in ball-pen blue oil will accelerate its aging when exposed to ultraviolet, an aging equation, if founded, can reveal the aging rate of tri-aromatic methane with time elapsing based on some appropriate assumptions. Since almost all the ultraviolet lamps are linear structure and within some distance, for example, a file irradiated intentionally, emit their energy uniformly and transmit the ultraviolet rays spherically, the aging equation can be used to calculate the energy of any point on paper with help of proper coordinates. According to the aging degree of tri-aromatic methane dye at different position on paper surface, we could verify whether a file was natural aging or artificial with ultraviolet lamp.Results For one point of the file artificially aged with ultraviolet lamp, the content of initial methyl violet, a constituent of tri-aromatic methane dye, was divided by that of post-aging, thus getting a quotient which was converted into a value of natural logarithm; when the value of natural logarithm was further again divided by the value of energy irradiated from ultraviolet lamp on that point, the obtained quotient was a constant (named as K) with small floating range and the degree of linear regression greater than 99%. This could probably prove that our deduction was reasonable and met actuality both for the equation on aging and the function on energy density distribution. However, this law does not exist for natural aging file.Conclusions The artificial aging file with ultraviolet lamp can be quantitatively measured by the function and law we discovered in this study.

Keyword: artificial aging; aging equation; energy density distribution function; linear regression

本文旨在研究蓝色圆珠笔字迹在经过紫外光源老化后的独特特征, 目前主要的人为老化文件的手段有火烤、水浸、特定的化学试剂的浸泡, 紫外灯照射、烘箱烘烤, 人为蹭脏等方法, 其中以光源照射的老化方法效果最好, 速度快、纸面无特殊遗留痕迹, 并且色料组分化学反应加速, 识别难度大, 目前对于紫外光源人为老化文件并没有成熟的定量检验方法[1]。本文旨在研究可以量化的特征, 据此对于一些疑似人为老化文件进行识别。

1 材料与方法
1.1 实验原理

蓝色圆珠笔中的染料成分主要是三芳甲烷类染料, 在本次试验中所观测的是甲基紫、结晶紫和碱性品蓝的峰[2], 其老化的机理为在能量较高的紫外线照射下, 原子外围电子被激发从而加速了化学反应的速率, 使脱甲基反应加速[3], 加速了甲基紫峰的下降和结晶紫与碱性品蓝峰的上升。假设所有的成分都均匀分布, 从之前的老化机理分析可以得到结论：甲基紫峰的下降速率正比于其本身的峰面积, 设初始的相对峰面积为x, 经过时间t后变为a, 可以得到微分方程dx/dt = -kx（k > 0）, 对该式两边求积分可得 ∫xa-dx/kx= ∫xadt, ln(x/a) = kt, 式中k为一反应速率系数与温度、湿度等与影响化学反应速率的因素有关, 会随着相应条件的改变而发生变化。把甲基紫的峰面积记为s1, 结晶紫的峰面积记为s2, 碱性品蓝的峰面积记为s3相对含量s = s1/ s1 + s2 + s3。

目前常见的紫外线灯、验钞机紫外灯、现场勘查灯均为线型结构, 其长度在100mm到120mm之间, 灯管直径在10mm以下, 长度与直径的比值大于10, 因此其直径远远小于长度。把紫外线灯简化为只有长度且在长度方向上能量均匀分布的线型光源模型。假设灯管所在的直线与纸张纸面相互线面平行, 以线型光源的长度方向上中点做指向纸面的垂线, 该垂线的长度记为z, 该垂线与纸面的交点记为o, 过o点在直面建立直角坐标系, 其中y轴与灯管重合, 把纸面上的任意一点用坐标（x, y）表示, 把线型光源看作是均匀的无限多个点光源的集合, 假设所有的点光源的能量以球面波的形式传播出去, 由于空气这种介质对于紫外线的吸收能力比较弱, 所以在不考虑能量在传播过程中介质的吸收时, 可以据此求出在纸面上的能量密度函数。

S（x, y）= T ∫-L/2L/2P/4π (x2+(y-l)2+z2)Ldl

令y-l=t, 原式变为PT/4π (x2+z2)L ∫y-(12)y+(12)1/(1+t2/(x2+z2))

再令t/(x2+z2) = tgθ , 改变积分上下限, 该式转变为 (x2+z2)1/2(arctg(y+L/2)/ (x2+z2)1/2- arctg(y-L/2)/ (x2+z2)1/2)PT/4π (x2+z2)L, 其中（x, y）为纸面上任意一点的坐标, z为垂线长度, P为紫外线功率, t为照射时间, L为紫外线灯管的长度。至此, 纸面上任意一点的能量密度都可以利用该式求出。因为该函数对于x、y来说都是偶函数, 即x、y的正负号对结果没有影响, 所以下文在测量坐标时一律使用绝对值。根据上述推导, 对于紫外人为老化文件来说在纸面上的任意两点存在ln(s初始/s1)/ S（x1, y1）= ln(S初始/S2)/ S（x2, y2）= k, 而自然老化形成的文件, 整张纸面老化程度比较均匀, 任意两点的老化程度上的差异是带有随机性的, 不可能呈现出如此的规律性。

1.2 方 法

使用直径小于0.8mm的取样针, 每次测定组分含量的样本取样量为8~10针, 既能保证取样的面积很小, 可以利用中点的能量密度来表示整个取样面积, 也能够有一定的进样量, 满足仪器的分析要求。

检测使用日立L-7000高效液相色谱仪（HPLC）, 选择实验条件为固定相：C18柱, 柱温：30℃, 检测波长：580nm。按60: 40: 0.5比例配比配制甲醇、水、乙酸流动相, 脱滤后倒入试剂瓶中, 打开泵、检测器和进样装置, 调整合适的压力和流速1ml/min, 先让流动相充满柱子中达到平衡状态, 使用取样针对于试验样本按照要求取样并记录下相关数据, 取完样后将所取下的样本放入生化试管内, 在试管内加入25μ L的提取剂甲醇, 静置约20min左右待书写色料被充分溶解下来之后, 使用进样针吸取上层清液10μ L, 注射入进样口并向下扳动六通阀, 检测器开始记录数据并出图。用甲醇清洗进样口和进样针, 至此一个循环结束开始下一针。

2 结 果

图谱最先出现的是甲醇峰与本次实验计算无关, 之后出现的3个主峰分别是碱性品蓝记为h3, 结晶紫记为h2, 甲基紫记为h1, 最后出现的是其它的染料峰与本次实验计算无关。

使用文正牌蓝色圆珠笔在纸张上书写若干数量的文字, 马上取样, 经过相应的处理后上高效液相色谱进行分析, 以此来确定该品牌型号的蓝色圆珠笔初始的甲基紫在甲基紫结晶紫和碱性品蓝总和中所占的比例的大小。所得到的数据记录如表1所示。

表1 文正牌蓝色圆珠笔初始含量 Table 1 Initial content of methyl violet from blue oil of ‘ Wenzheng’ brand blue ball-pen
2.1 紫外线人为老化文件实验结果

使用文正牌蓝色圆珠笔在纸面上均匀书写一段文字, 使用灯管长度为265mm的长波365nm紫外线灯在封闭且遮光的室内对该文件进行人为老化处理, 参照上文确定原点位置并建立直角坐标系, 按照实验要求, 较为均匀地随机地取出一定数量的点进行高效液相色谱分析, 利用matlab编程, 再输入相应的x轴y轴坐标可计算出能量密度, 编程如下：z=152, λ t=((x^2+z^2)^(1/2))* (atan((y+132.5)/(x^2+z^2)^(1/2))-atan((y-132.5)/(x^2+z^2)^(1/2)))/(4* pi* 265* (x^2+z^2)^(1/2))将所得到的数据加上原始相对含量比上最终相对含量的对数值这两项数据加入其中。

紫外线人为老化文件实验见表2、图1左。表2中, λ t表示能量密度, t表示照射时间在此所取的单位为小时; λ 是一个没有单位的纯数, 是根据能量密度分布函数计算的当假设线型灯管辐射的功率为1时, 该点所分得的能量与总辐出能量的比值。

表2 紫外人为老化老化程度与纸面坐标位置关系 Table 2 Relationship of UV artificial aging with paper coordinates

从表2可以看出, ln（x/a）/λ t的值在有10个样本的情况下其浮动区间都十分有限, 与之前推算出的紫外线照射下的书写色料的老化方程符合得比较好。对该组数据进行线性回归, 并计算其线性相关系数得到k值约为3.86, r = 0.788大于f = n-2 = 8时置信度为0.99的临界值0.765, 所以说两者之间有比较显著的线性关系。

图1 人为老化（左）和自然老化（右）样本实验结果Fig. 1 HPLC chromatograms of artificial (left) and natural (right) aging sample

2.2 自然老化文件实验结果

使用文正牌蓝色圆珠笔书写一段文字, 置于文件夹内自然保存4个月后取出, 以纸面的左上角为原点建立直角坐标系, 结果见表3、图1右。

表3 自然老化老化程度与纸面坐标位置关系 Table 3 Relationship of natural aging with paper coordinates

从数据上看, 自然老化形成的文件, 其不同位置上的老化差异较人为老化形成的要小, 假定该文件是由光源人为老化形成的, 利用含量相近的1、3、11; 2、4、5; 9、10、12; 6、7、12三点可以估计出光源的大概位置分别为（68.5, 159.5）; （138, 47）; （70.5, 170）; （101.7, 216.9）, 从初步的计算就可以发现估计出的光源位置差异很大老化程度与坐标位置之间不存在人为老化样本所表现出的特殊的线性关系。

3 讨 论

经过上述的实验可以初步得出如下结论：一, 根据紫外线老化机理推导出的蓝色圆珠笔色料的老化方程遇有普遍的意义和适用性, 不会因品牌、工艺和相对组分含量的变化而失效。二, 紫外灯的能量密度分布函数推导合理, 实验能够在一定程度上验证该理论, 在距离光源两端距离不是太远的情况下能量密度的分布与理论计算值符合得比较好, 造成这种情况的原因可能是能量并不是完全沿着线型均匀分布, 而是两端辐出的能量略低, 或是由于受到灯罩的阻碍, 使得离光源较远的点所应受到的辐射被部分遮挡, 并且当纸面距离灯管距离较远时, 介质对于其能量的吸收不能完全忽略不计; 由于紫外灯功率较小, 可能在远离光源处, 紫外的加速老化效应不能远远大于自然老化。三, 通过上述实验验证了紫外灯人为老化文件纸面上不同位置的书写色料的老化程度即书写色料成分的相对含量存在着可以被检测出的差异, 并且这种差异有着规律性的分布, 即离原点位置越近的书写色料的老化程度越严重, 甲基紫与甲基紫、结晶紫和碱性品蓝的比值越低。利用这一分布规律特性来识别一份蓝色圆珠笔形成的文件是否是由紫外灯人为老化形成的有着切实的可能性和有效的方法。

按照之前的推论该方法不仅能适用于蓝色圆珠笔, 只要染料成分中存在某个组分在紫外线的激发下会加速化学反应的进程, 反应生成出另一种物质, 并且这两种物质能够被合适的溶剂提取下来, 在特定的波段有吸收峰, 可以使用液相色谱仪检测出来, 就都能按照这个方法进行甄别。实际应用该方法则更为复杂, 根据老化方程可得ln（s/s2’ ）= k'Pt, 由于在实际情况中染料的初始s未知, 所以用采样所得的最大值s1’ 替换式中s的位置, 并对公式变形得ln（s1’ /s2’ * s/s1’ ）= k2Pt, ln(s1’ /s2’ ) = k2Pt-ln(s/s1’ ), 同理也可得ln（s1’ /s3’ * s/s1’ ）= k3Pt, ln(s1’ /s3’ )= k3Pt-ln(s/s1’ ), 等式右端所减去的是一个常数, 若文件是由紫外线老化而形成的, 那么系数k的值就与该取样点到光源位置的距离成反比, 所以按照上述假设和推断两点的峰面积的比值的对数值与能量密度之间亦存在着线性关系y= ax+b, 通过求偏导联立方程组可以将坐标原点的位置解出并判断线性关系是否良好, 以此来认定紫外灯照射后的人为老化文件。但是这种方法对检材破坏较大并且不可逆转, 属于有损检验, 必须谨慎使用。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] 连圆圆, 李伟, 梁鲁宁, 等. 拉曼光谱面扫描成像判断黑色圆珠笔交叉笔画书写先后顺序[J]. 刑事技术, 2009(2): 14-17. [本文引用:1]
[2] 陈明星, 苏佳利, 潘伟, 等. 圆珠笔墨水中染料成分在不同条件下的老化研究[J]. 实验技术与管理, 2014(4): 57-60. [本文引用:1]
[3] 姜波, 徐同凯, 徐海华, 等. GC-HPLC法考察圆珠笔字迹油墨厚度对溶剂挥发速率的影响[J]. 刑事技术, 2013(6): 39-41. [本文引用:1]