1.1.1 红外光谱

1996年, Andrasko^[5]使用显微傅里叶红外反射光谱（Microreflectance FTIR）和漫反射傅里叶红外谱（DRIFTS）对纸张上的10种黑色打印墨迹进行了分析, 发现两种红外光谱均有较好的重复性, 可有效区分不同样本。文中报道, 在一起案件中查获了可疑护照, 利用Microreflectance FTIR方法对可疑护照和真护照进行了比对检验, 结论准确。史晓凡等^[6]以DMF为提取剂, 对35种不同厂家喷墨打印墨迹进行提取, 挥干后使用红外光谱进行了分析。李国平等^[7]制备了28种填充喷墨墨水的溴化钾压片, 根据其红外光谱将样本分为6类。GÁ L等^[8]对3个厂家打印机使用的19种墨盒进行了可见-近红外（Vis-NIR）纤维光导反射光谱（FORS）分析, 并引入主成分分析（PCA）方法对光谱数据进行处理, 通过建立的数学模型, 析出光谱中的主要特征峰, 对墨水的区分有较好效果。Williamson等^[9]使用衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）对319种油墨（其中含78种喷墨打印墨水, 其余为激光墨粉、胶版和凹版油墨）进行了分析, 发现对于喷墨打印文件, 墨水会完全渗入纸张中, 其红外信号通常会被纸张中的纤维素掩盖, 仅有部分黑色墨迹在约2 000 cm^-1处检测到特征信号; 对于液态墨水, 其红外光谱中只出现了醇类等溶剂成分的特征峰, 因此两种形态下均不能完全实现厂家区分。虽然该方法区分能力不足, 但每次测量仅耗时1 min, 分析面积仅需2 500 μ m², 对样品没有损耗, 在检验时仍有必要优先考虑。

1.1.2 拉曼光谱

Heudt等^[10]使用拉曼光谱分别对10个型号的黑色和彩色喷墨打印文件进行了分析。实验发现, 所有黑色墨水的拉曼光谱相近, 各品牌墨水均在1 330和1 600 cm^-1有较强吸收, 说明均使用了碳黑颜料; HP364墨盒中的墨水在1 539 cm^-1具有独特吸收峰, 说明该型号墨水使用了改性的碳黑, 使得这种墨水可以同其他墨水区分开来。作者指出, 墨水生产厂商从经济实用的角度出发, 大都直接使用碳黑作为墨水颜料, 拉曼光谱难以对这些使用碳黑的黑色墨水进行区分。在785 nm光源下, 10种品色墨水中有8种得到了拉曼光谱, 可以区分为5组; 青色墨水可区分为2组; 黄色墨水可区分为6组。作者认为, 多数厂商生产青色墨水都使用了酞菁铜, 较难区分, 而品色和黄色墨水的配方差异性较大, 区分相对容易。Braz等^[11]使用拉曼光谱和表面增强拉曼光谱（SERS）分析了惠普的9种不同型号喷墨打印机的黑色和蓝色打印墨迹, 发现SERS比普通拉曼光谱的效果有显著提高, 在685 nm光源下可对部分喷墨墨迹进行分类, 但无法实现更细致的型号区分。Johnson等^[12]使用显微激光拉曼光谱技术对319种墨水（含78种喷墨打印墨水）进行了分析, 发现对喷墨打印墨水的总体区分率可达92%, 其中黄色、品色的区分率高, 分别为94%、85%, 同时可以实现厂家区分; 青色、黑色区分率分别为79%、75%。作者还指出, 酞菁铜类化合物在青色墨水中广泛存在, 而很多黑色墨水都使用了碳黑颜料, 不同厂家的两种墨水成分相近, 使得拉曼光谱对这两种墨水的厂家区分能力相对较差。国内余静等^[13]使用显微激光拉曼光谱技术分析了4厂家不同型号喷墨打印机的打印样本共120份, 发现可将样品分为8类, 而使用傅里叶变换红外光谱技术分析上述样本发现特征吸收均不明显。白萃萃等^[14]使用显微共焦拉曼光谱技术分析了3厂家（惠普、佳能、爱普生）24种常见墨盒的打印墨迹, 将品红、黄、蓝3种单色墨点的光谱分别区分为12、11、8类, 提出可通过该方法综合分析文件中的各色墨迹, 从而综合推断喷墨打印机品牌及型号。周光磊等^[15]使用显微激光拉曼光谱技术分析了3厂家（惠普、佳能、爱普生）21种型号的喷墨打印墨水滴注墨迹, 发现该方法可快速区分墨水生产厂家以及部分墨水型号。

从文献报道看, 拉曼光谱对喷墨打印墨迹的区分能力相对较高, 特别是随着显微拉曼、SERS等新技术的应用, 拉曼光谱的区分能力还可以进一步提升。同时, 红外光谱也是一种实用的检验手段, 是对拉曼光谱的很好补充^[16], 两者结合可以得到更好的区分效果。从原理上看, 两种光谱反映的都是化学键的能级变化, 展现分子的官能团和骨架信息, 并不能精确给出物质结构, 因而对相似结构化合物的区分能力不足。而同厂家墨水的配方一般较为接近, 还有多种墨水的光谱特征不明显, 在分析这些墨水时, 单纯使用光谱方法存在很大局限性, 有必要使用色谱、质谱等方法。

1.2.1 薄层色谱（TLC）

Jasuja等^[17]采用薄层色谱法分析了蓝绿红3色共20种印刷墨水的染料成分, 发现根据染料成分差异, 使用合适的展开剂体系可以区分所有样品。王元凤等^[18]使用50%乙醇作为提取剂, 选取合适展开剂体系对19种打印墨水和8种爱普生墨水打印字迹进行了分析, 有效区分了样品墨水种类。Poon等^[19]对23套彩色墨水（CMY）进行了薄层色谱分析, 选择了两种展开剂体系, 发现墨水在两种体系下展开略有不同, 均具有良好的展开效果, 区分能力显著, 其中多种青色墨水和一种品色墨水样本中存在未能展开（比移值〔Rf〕为0）的组分。寇瑾^[20]使用不同展开剂体系对88种不同品牌喷墨打印机墨水进行了分析, 根据展开点个数和Rf值可将样品区分为11类。

在喷墨打印文件检验中, 薄层色谱法简单易操作, 可迅速获得结果, 具有较大实用价值, 特别是对彩色墨水中的染料, 薄层色谱可以直观反映墨水色料的数量和颜色, 相较于其他色谱方法具有独特优势。这种方法的不足是重复性较差、定量分析存在一定难度。

1.2.2 气相色谱（GC）与气相色谱-质谱联用法（GC/MS）

Rastogi等^{[21, 22]}利用顶空-GC/MS方法分析了蓝、绿、红3种颜色共29种打印墨水, 检出了墨水中的46种溶剂, 基于此可实现对大部分不同品牌墨水的区分。Aginsky^[23]建立了一种GC/MS方法, 对惠普喷墨打印机墨水中的可挥发性成分进行分析, 并提出了一种判定文件形成时间的方法。戚小京等^{[24, 25]}分别建立了墨水中苯酚和甲醛的GC定量分析方法。气相色谱法是分析墨水可挥发成分的最实用方法, 灵敏度高, 重复性较好, 与质谱联用可以定性墨水中的绝大多数溶剂。不同厂家墨水使用的溶剂一般不同, 因而可以通过GC/MS方法进行区分。GC方法的不足是不能分析墨水中的无机成分和难挥发成分, 对形成时间较长、可挥发成分已经挥发的墨迹不适用。

1.2.3 液相色谱（LC）与液相色谱-质谱联用法（LC/MS）

Lofgren等^[26]首次使用高效液相色谱（HPLC）方法对彩色打印墨水中的染料进行了分析。Poon等^[19]建立了一种HPLC方法, 对23套3色（CMY）喷墨打印墨盒内装墨水分别进行了分析, 发现全部黄色墨水、22种品色墨水和13种青色墨水可按其组分不同区分为若干组, 同一组内的墨水可能使用了同样的配方; 其余1种品色墨水和10种青色墨水未检测到色谱峰。将3色墨水分组情况综合, 23套墨盒可区分为18组。作者指出, 在使用合适萃取剂情况下, 打印墨迹中检测到的成分与墨盒墨水一致, 另外混色墨水的色谱峰可以和3种单色墨水的色谱峰一一对应。除彩色墨水外, 国内许英健^[27]、尹宝华等^[28]使用HPLC方法对染料型黑色墨水进行了分析, 也取得了较好的区分效果。Lee等^[29]研究了喷墨打印墨水的超高液相色谱/紫外/质谱联用（UPLC/UV/MS）方法。实验结果表明, 通过UV谱图和总离子流图（TIC）可以检出墨水中的染料和聚合物组分。UV谱图和负离子模式的MS谱图两者结果一致, 可检出染料并得到染料的分子量, 实验中两种墨水在相同保留时间均出现了色谱峰, 但质谱结果显示, 其分子量存在显著差异, 证明两种墨水中使用的染料并不相同。在阳离子模式下, 检出了聚环氧乙烷（PEO）系列, 不同厂家墨水中使用的PEO聚合度存在差异。PEO在UV检测器中没有响应, 如仅使用UV检测器将无法检测。这说明, 质谱数据可以对墨水厂家区分串并起到重要作用。液相色谱/质谱比薄层色谱的分离能力更强, 稳定性也更好, 很多情况下可以取代薄层色谱方法, 但从Poon^[19]的工作发现, 一些液相色谱法难以检测的墨水组分可以通过薄层色谱展开从而得到区分, 因此薄层色谱仍然是液相色谱的必要补充。值得注意的是, 为改善墨水的光泽色彩, 提升墨迹牢固度, 墨水中的染料、助剂普遍使用了多种未公开的配方和专利产品, 这些组分使用液相或液质联用方法定性具有一定难度, 因此相关研究报道较少。

1.2.4 毛细管电泳（CE）相关方法

Szafarska等^[30]对喷墨打印墨水的毛细管电泳（CE）方法进行了系列研究。作者建立了一种胶束电动毛细管色谱（MECC）方法, 分析了22种型号的彩色墨水, 验证了方法的有效性和稳定性。在稍后的一篇文章^[31]中, 作者使用前述MECC方法对5厂家打印机使用的37套彩色（CMY）墨水进行了分析, 发现每种墨水中一般存在1~4种色料（有7种墨水未出峰）, 部分墨水中还存在1~2种助剂, 通过比对色料和助剂的迁移时间, 可以将37套墨水区分为25组。使用该方法对伪造邮票、签名、支票等实际样本进行了分析, 发现通过该方法可以实现样本区分和墨盒溯源。作者指出, 在分析时应当注意不同型号墨盒使用同一配方墨水以及非原装填充墨水大量使用的情况。作者也研究了黑色墨水的毛细管电泳（CE）分析方法^[32]。结果表明, 前述MECC方法基本适用, 不同的是使用二甲亚砜（DMSO）作为提取剂可获得最好提取效果。实验发现, 惠普不同型号黑色墨水中含有若干种不同的染料, 较易区分; 两种佳能墨水中均检出某物质的特征峰, 也可区别于其他厂家, 其余墨水使用了碳黑颜料, 未检测到其他物质的特征峰, 难以区分。因此, 该方法难以完全实现黑色墨水的区分。为提高对黑色墨水的区分能力, 作者进一步发展了一种毛细管电泳-电喷雾飞行时间质谱（CE-ESI-TOF-MS）联用方法^[33], 该方法可添加特定染料或者直接使用纸张中常见化学品作为内标。实验检验了13种型号墨水样本, 检出多种聚合物和表面活性剂助剂, 通过这些物质的保留时间和质谱, 可以实现墨水型号的区分。鉴于墨水中的主要颜料碳黑不适于作为区分指标, 这些聚合物和表面活性剂应当作为墨水区分重要特征。

Donnelly等^[34]使用激光解析质谱（LDMS）方法分析了爱普生的两款喷墨打印墨水, 发现在正离子模式下可以检出聚乙二醇（PEG）类化合的钾盐和钠盐, 钾盐的丰度更高, 说明样本中含钾较多; 使用负离子模式检测时, 在黑色墨水中发现了C_n^-（C₅^-、C₆^-、C₇^-等）的离子峰, 说明墨水使用了碳黑颜料, 该结果同Papson等^[35]的报道一致, 同时为法庭科学领域碳黑颜料的检测提供了很好的借鉴; 青色墨水中检出了常见颜料铜酞菁; 品色墨水中检出了颜料紫19、颜料红122; 黄色墨水中检出颜料黄74。通过实验结果可以认定, LDMS的负离子模式对墨水中的颜料具有更广谱的检测能力。在单色墨水质谱数据基础上, 作者进一步对混色墨水进行了分析, 提出了分析各色墨水颜料配比的方法。这方面的研究具有重要实际意义, 因为在实际案例中, 喷墨打印文件通常是由几种色彩墨水混合形成的。随后, Heudt等^[10]的研究得到了同样的结果, 他们使用LDMS方法在惠普黑色喷墨墨水中检出了PEG, 发现可通过谱图中低分子量区域（< 400 Da）的差异来对同厂家不同型号的墨盒进行区分。在对彩色墨盒进行分析后, 作者发现仅爱普生墨水可以得到较好的LDMS谱图, 其他厂家墨水效果差, 而基质辅助激光解析质谱（MALDI-MS）是一种更佳选择。实验选择5%的9-氨基吖啶（9-AA）的甲醇/水（70∶ 30）溶液作为基质, 使用MALDI方法在青色墨水中检出了酞菁铜及其磺酸基衍生物; 在品色墨水中检出了颜料紫19; 在黄色墨水中检出了颜料黄74。Houlgrave等^[36]建立了一种喷墨打印墨水的飞行时间（TOF）实时直接分析（DART）质谱方法, 灵敏度高、重现性较好。使用该方法对7厂家的217个喷墨打印墨水样本进行分析, 发现除彩色墨水（CMY）外, 不同厂家的黑色墨水的质谱数据也存在明显差异, 可较好区分, 显著优于TLC等传统分析方法。作者考察了溶剂（50%乙醇水溶液）提取后进样和直接取纸进样两种方式对实验结果的影响, 发现谱图主要出峰完全一致, 这说明取样方式对实验结果影响可以忽略。实验设计了对历史样本的检验, 2008年9月首次检验了某惠普样本, 该样本存放至2009年1月再次检验, 发现经超过4个月的存放后, 样本谱图的出峰强度出现了轻微降低, 但主要出峰保持了稳定, 这说明喷墨打印墨水的成分在较短时间内不会发生明显变化。鉴于DART技术尚未得到深入研究和广泛应用, 作者认为单色墨水和混色墨水的DART谱图数据库亟待建立, 完备的数据库对区分和溯源是非常重要的。另外, DART是一种灵敏的检测方法, 在进行实际检验时, 必须考虑到污染、老化以及纸张和溶剂等带来的干扰。Williamson等^[9]使用DART-TOF-MS对78种喷墨打印墨水样本进行了分析, 在不同样本中检出了不同聚合度的PEG, 可以作为样品区分的重要指标, 该方法未能检测到其他染料或颜料。文章计算ATR-FTIR方法的样本区分率为49.5%, DART-MS为91.3%, 两者联用可提高到95%, 建议在样本检验时先使用ATR-FTIR这种无损方法, 然后使用DART-MS方法, 整个分析仅需微量样本即可完成。Corzo等^[37]使用扫描电镜能谱（SEM-EDS）和激光消融电感耦合等离子质谱（LA-ICP-MS）两种方法对78种喷墨打印墨迹样本进行了分析和比较, 实验发现, LA-ICP-MS方法可以检出Al、B、Ba、Cu、Hf、K、Li、Mg、Na、S、Sn、Sr 12种元素, 各色墨水的区分率均超过了98%, 而SEM-EDS可以检出Cu、K、Mg、Na、S 5种元素, 区分率相对较低, 其中黑色墨水区分率最低, 为49.2%, 另外SEM图像中只能看到纸张纤维, 因此不能为墨水区分提供额外信息。文章举例指出, 虽然LA-ICP-MS区分能力更强, 但其无法区分¹⁶O¹⁸O¹H⁺、³⁴S¹H⁺、³⁶Ar¹H⁺、³⁶S¹H⁺这类分子量相同的离子, 而SEM-EDS不受分子量影响, 可直接检出相应元素, 因此, SEM-EDS是对LA-ICP-MS的一种重要补充, 可在一些特定样本的比对中发挥作用。Trejos等^[38]使用数据融合的方法首次建立了打印文件样本的数据库。该文献报道, 数据库共收集包含9个品牌78个样本的喷墨打印样本, 以及76个激光墨粉样本、79个胶板印刷样本和86个凹版印刷样本组建样本库。作者分别使用SEM-EDS、LA-ICP-MS、u-FTIR、DART-MS、热裂解（Py）GC-MS 5种分析方法对库内样本进行了逐一分析, 研究发现, 5种方法区分能力由强到弱依次为LA-ICP-MS、SEM-EDS、DART-MS、u-FTIR、PyGC-MS。经过实际测试, 使用这种方法建立的数据库展现出很好的鉴别潜力, 但需要进一步补充样本数据, 以提升数据库效能。 从文献报道看, 质谱方法对彩色和黑色墨水均有较好区分效果。不同于光谱和色谱方法, 质谱不受物质分子结构、溶解性、分子量、物理性质等的影响, 可以得到样品的元素成分和化合物结构, 实现物质的定性, 这不仅能够满足墨水区分和溯源的需求, 还是研究墨水组分的动力学变化、探索色料衰变机理必不可少的方法。