引用本文
胡灿, 梅宏成, 郭洪玲, 郑继利, 朱军. 显微分光光度法分析泥土颜色[J].刑事技术, 2021,46(5):507-511
HU Can, MEI Hongcheng, GUO Hongling, ZHENG Jili, ZHU Jun. Soil Color Determination via Microspectrophotometry[J]. Forensic Science and Technology,2021,46(5): 507-511  
Doi: 10.16467/j.1008-3650.2021.0127
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《刑事技术》编辑部
显微分光光度法分析泥土颜色
胡灿, 梅宏成, 郭洪玲, 郑继利, 朱军*
公安部物证鉴定中心,北京 100038
*通信作者简介：朱军,男,陕西安康人,博士,研究员,研究方向为理化检验。E-mail: zhujun001cn@126.com

第一作者简介：胡灿,女,湖南岳阳人,博士,副研究员,研究方向为微量物证。E-mail: hucanjiayou@126.com

收稿日期: 2020-11-18 修回日期: 2021-01-04
基金资助: 国家重点研发计划（2017YFC0803803）; 中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目（2018JB015）
摘要

传统的泥土颜色分析方法是依靠人眼观察的蒙赛尔比色法,基于仪器的更加客观的颜色分析方法仍有待建立。显微分光光度计（MSP）兼具显微镜与分光光度计的功能,可分析微量物质的光学性质,具有无损、操作简单、分析快速等优势,是泥土物证颜色分析的理想工具。本文优化了MSP分析泥土颜色的条件,考察了泥土粒径及湿度对MSP分析结果的影响。结果表明,泥土粒径越小,明度越大,湿度会显著影响泥土颜色。因此在进行泥土颜色分析时,需将泥土完全干燥并研磨至相同粒径。本文所建立的方法重现性良好,日内、日间测量值RSD均小于3%;所需样品量少,可用于5mg泥土样品的颜色分析;结果客观可靠,可实现人眼无法分辨、颜色相近的泥土的进一步区分。

关键词: 微量物证; 泥土; 颜色; 色度差; 显微分光光度法
中图分类号:DF794.3 文献标志码:A 文章编号:1008-3650(2021)05-0507-05
Soil Color Determination via Microspectrophotometry
HU Can, MEI Hongcheng, GUO Hongling, ZHENG Jili, ZHU Jun*
Institute of Forensic Science, Ministry of Public Security, Beijing 100038, China
Abstract

Soil, a kind of trace evidence, is frequently encountered in forensic cases. Soil evidence plays an important role in linking crime scene with criminal tools or suspected people involved or both. Color is one of the important characteristics of soil. Thus, soil determination is often taking color analysis as its first step. The traditional soil color analysis method —Munsell colorimetric assay relies on the human-eye observation which is very subjective. A more objective and instrument-based color analysis method is still awaited. Microspectrophotometer (MSP) has the functions of both microscope and spectrophotometer, capable of analyzing the optical properties of trace samples (e.g. soil). MSP demonstrate the advantages of non-destructiveness, simple operation and rapid analysis, hence making it an ideal tool for the analysis of soil color. In this paper, the instrument conditions of MSP for the color analysis were optimized, with the influence of soil particle size and humidity on MSP analysis being investigated. The results showed that the smaller the soil particle size, the greater the soil brightness. Besides, humidity can significantly affect soil color. Therefore, in the comparison of soil color, the sampling soil is necessary to completely dry and grind to same particle size. Good reproducibility was obtained for the established method. The RSD of the intra- and intra-day measurements is less than 3% under a small required soil amount about 5 mg. Further discrimination of soils with similar color was realized successfully using the here-developed method. In conclusion, the MSP-based soil color determination has been established, revealing good reproducibility, low sample size, objective and reliable results. The method is able to distinguish the soils of similar color which cannot be discerned through human eyes. However, it should be mentioned that color determination is only a preliminary screening approach, therefore other analytical techniques ought to be combined so as to obtain more accurate and comprehensive identification about soil.

Key words: trace evidence; soil; color; chromaticity difference; microspectrophotometry

泥土是一类重要的微量物证, 常附着于各类案件的相关物品上, 如涉案车辆的轮胎、涉案击打工具和涉案人员鞋底等。泥土物证的检验, 对于关联犯罪现场、涉案工具以及涉案人员有重要作用[1, 2]。颜色是泥土的重要特征之一, 它反映了泥土的不同物理状态以及不同化学成分。受气候、植被等的影响, 不同地区的泥土颜色呈规律性分布, 如我国自东向西依次分布着黑土、黑钙土、粟钙土、棕钙土和棕漠土[3]。即使同一地区的泥土, 受周边环境的影响, 其颜色也呈现出差别, 如耕地与工地颜色有差异。因此, 泥土物证检验的第一步往往就是颜色比对。目前常用的泥土颜色检测方法是蒙赛尔比色法[4], 即将泥土样品与蒙赛尔土壤比色卡进行比较, 通过明度、色相及色度三个维度来描述泥土颜色。该方法依赖于人眼观察, 主观性较大, 基于仪器分析的更加客观、准确的泥土颜色分析方法仍有待建立。

显微分光光度法（microspectrophotometry, MSP）兼具显微镜和分光光度计的优点[5], 可放大样品图像, 测量样品的光学性质, 如对光的吸收、反射和荧光发射等。其无损、操作简便、检测快速等优势, 非常适于微小样品或样品微小区域的光谱和色度分析。在法庭科学领域, MSP已被广泛用于油漆[6, 7]、有色纤维[8, 9]、油墨[10, 11]、毛发[12]等常见物证的颜色比对分析, 在泥土颜色分析上的应用国外亦见报道。手持式分光光度计也被用于泥土样品的分析[13, 14], 与MSP不同的是, 手持式分光光度计或色差仪测量直径较大（最小为0.3 mm）, 因而需要的样品量较大, 且仪器仅能给出色度值（L, a, b）, 无法给出光谱信息。Brenda等[15]于2014年将MSP方法与红外光谱结合, 应用于澳大利亚不同地区泥土样品的颜色比对, 但该文未涉及泥土样品前处理方法的考察。泥土样品本身具有不均匀性, 为保证测试结果的重现性, 样品前处理方式至关重要。为此, 本文优化MSP分析泥土颜色的条件, 考察不同泥土样品前处理方式对MSP分析结果的影响, 并用所建立的方法对颜色相近的泥土进行分析。

1 实验部分
1.1 样品的采集与制备

泥土样品采集时, 需先将泥土表面废弃物及叶片去除, 收集表层（深度0~5 cm）泥土。所采集的泥土样品在室温下自然晾干, 后在玛瑙研钵中轻轻研磨, 将研磨后的泥土过0.05 mm筛, 过筛的泥土用红外压片模具压片, 所得到的泥土片可进行MSP检测。

1.2 仪器与测试条件

TIDAS MSP 800型显微分光光度计（J& M公司, 德国）, Leica显微镜（莱卡, 德国）。反射模式, 光谱范围：400~800 nm; 分辨率：1.00 nm; 10倍物镜; 参比标物：漫反射标准白板（合肥星月夜光技术应用研究所）。

每个样品取5个不同点进行测试。测试结果用平均值及标准偏差表示。

2 结果与讨论
2.1 测试条件的考察

测试模式的选择：实验中尝试将KBr与泥土混合后压片, 在透射模式下进行MSP检测, 结果样片不透光, 或者所压的样片易碎无法进行实验, 最终选择反射模式下进行泥土的颜色分析。

物镜放大倍数的影响：实验考察了物镜放大倍数对MSP分析结果的影响。同一个泥土片, 在10倍物镜下不同点重复测量5次, 其测量值RSD为1.2%, 而在20倍物镜下不同点重复测量5次, 其测量值RSD为2.2%。测量重现性10倍物镜要优于20倍物镜, 可能的原因是, 低倍物镜下, 得到的是更大范围的平均结果。

2.2 样品前处理方式的影响

泥土是由固、液、气三相构成的复杂物质, 包括矿物、有机质、水和各种气体等, 此外, 泥土中还经常夹杂一些杂质, 如木屑、叶片、花粉、砖块等。泥土样品的复杂性、不均一性使得其样品前处理尤为关键, 为此, 实验考察了不同样品前处理方法对泥土颜色分析结果的影响。

2.2.1 样品粒径的影响

泥土粒径大小会影响泥土表面对光的反射率, 因此, 我们考察了不同粒径泥土颜色分析结果。将同一份泥土研磨后, 分别过孔径为0.22、0.14、0.09、0.05 mm的筛, 分别取粒径d<0.05 mm、0.05 mm ≤d<0.09 mm、0.09 mm≤d<0.14 mm、0.14 mm ≤d<0.22 mm、d≥0.22 mm的五种泥土进行MSP分析, 结果见表1。

表1 泥土粒径对MSP分析的影响（平均值±SD） Table 1 Influence of soil particle size on MSP determination

理论上, 泥土粒径越小, 比表面积越大, 泥土间的结合越紧密, 泥土表面越平滑, 对光的漫反射和散射越弱, 同时反射率越高。因此, 泥土的粒径主要影响泥土颜色的明度, 泥土粒径越小, 明度越大。Lab系统中, L表示亮度, a的正值代表红色, 负值代表绿色; b的正值代表黄色, 负值代表蓝色。如表1所示, 泥土粒径小于0.05 mm时, L值最大, 为46.85±0.32, 而当泥土粒径逐渐增大到大于0.22 mm时, L值逐渐减小至45.51±0.82。需注意的是, 有研究表明, 当把泥土研磨到45 μm以下时[16], 颜色基本不再变化。因此, 在进行泥土颜色比较时, 需将泥土研磨至粒径相同, 最好是均小于45 μm。

2.2.2 泥土湿度的影响

湿度会影响泥土对光的反射率, 因此, 我们考察了不同湿度下泥土颜色分析的结果。自然晾干2 d的泥土样品, 用装有超纯水的小喷壶喷湿, 分别在干燥状态下、喷湿后1、5、10、20、30、60 min进行MSP分析。结果如图1A所示, MSP峰形基本一致, 峰强度发生改变。

图1 湿润后不同时间下泥土MSP分析光谱强度（A）及色度差（B）结果Fig.1 MSP results of spectral intensity (A) and chromaticity difference (B) of wetted soil placing for different time

在喷湿后1~5 min内, 峰的强度减少, 尤其在第一分钟, 强度急剧变化。而在10 min时, 峰强度逐渐增加, 在20~30 min间基本不变, 60 min时峰强度恢复到与干燥时相同。分析可能的原因为喷水后, 泥土湿度增大, 在第一分钟湿度变化较为明显, 之后水慢慢浸润泥土内部, 强度缓慢降低。到10 min后, 泥土水分开始挥发, 峰强度逐渐恢复, 60 min时泥土完全干燥, 峰强度亦完全恢复。依据公式 （ΔE为色度差, L, a, b为色度值）计算色度差ΔE（与干燥状态时相比）随喷湿后的时间变化情况, 结果如图1B所示。ΔE在1~5 min时增加, 第一分钟增加尤其显著（ΔE=22.22）, 10 min后ΔE开始下降（ΔE=21.04）, 30 min时ΔE为3.31, 颜色差异不明显, 到 60 min时ΔE为0.35, 颜色基本恢复。这是约5 mg泥土完全干燥所需的时间, 当泥土量不同时, 完全干燥所需时间亦会有变化。

2.3 方法评价

2.3.1 方法重现性

我们分别考察了所建分析方法的日内和日间重现性。同一个泥土样品在一天内不同时间测量5次, 其测量值RSD为1.9%。对该泥土样品连续5 d进行测量, 测量值RSD为2.8%。日间重现性略低于日内重现性, 但测量误差均小于3%, 表明所建方法重现性较好。

2.3.2 分析所需最少样品量

样品量足够多的时候, 可以直接将X射线荧光光谱分析（XRF）所使用的泥土样品用来做MSP分析。当样品量较少, 不足以开展XRF分析时, 可使用不同大小红外光谱仪压片用的样品槽（图2A）制备不同大小、不同厚度的泥土薄片（图2B）, 用该样品槽压片所需最小泥土样品约5 mg。可根据案件中泥土量的多少, 选择不同的样品制备工具。

图2 红外压片样品槽（A）及泥土压片结果（B）Fig.2 Tablet-forming die (A) for infrared test and its product of soil tablet (B)

2.4 颜色相近泥土样品MSP分析结果

为了考察MSP对泥土颜色的分析效果, 对10份人眼观察颜色相近、经蒙赛尔比色卡比对均为2.5Y/5/2（Greyish brown）的泥土进行MSP分析。10份颜色相近的泥土的色度值结果如图3所示, 大部分泥土样品的色度值差异明显, 但有部分泥土样品的色度值有重叠。

图3 10份颜色相近的泥土的MSP分析色度值Fig.3 Chromaticity values of 10 soil samples with similar color

为了量化比较, 计算了10份泥土之间色度差, 结果如表2所示。对同一个泥土片的5个不同点进行测量, 其色度值之差为0.91~3.94, 同一份泥土内部色差小于4。10份颜色相近的泥土中, S1与S2之间色度差为3.35, S7与S9之间的色度差为1.97, 其余6份泥土之间色度差均大于4。结果显示, 实验通过MSP分析, 实现了颜色相近的这6份泥土的进一步区分。

表2 10份颜色相近的泥土的色度差ΔE Table 2 Chromaticity difference (ΔE) of 10 soil samples with similar color
2.5 不同城市泥土样品MSP分析结果

采集昆明官渡（1#、2#、3#各2份泥土）、昆明五华（1~4#、6~8#各3份泥土、5# 2份泥土）、贵州（6份泥土）的共35份泥土, 用所建立的方法对泥土样品进行前处理及MSP分析, 并用SPSS对色度值结果进行系统聚类, 结果如图4所示。距离为1时, 贵州的6份泥土很好地归为了一类, 昆明官渡3#、2#、昆明五华8#、1#、5#、7#、6#、2#的不同泥土均较好地各自归为一类。仅有昆明五华3#、4#和昆明官渡1#的泥土互相不可区分, 表明MSP对不同地区的泥土有较好的区分效果。

图4 不同地区泥土MSP分析色度值的系统聚类结果Fig.4 Systematic clustering results of chromaticity values from region-different soils measured by MSP

3 总结与展望

基于人眼观察的传统泥土颜色比对方法较为主观, 检测结果常因人而异。本文建立了基于MSP分析泥土颜色的方法, 方法重现性好、所需样品量低、结果客观可靠, 可实现人眼无法分辨、颜色相近的泥土的进一步区分。在进行泥土颜色MSP分析时, 需注意保持泥土样品粒径、湿度一致。此外, 颜色仅能作为一个初筛手段, 综合X射线荧光的元素成分分析结果、X射线衍射的矿物分析等结果可给出更为准确、全面的鉴定结论。运用统计学方法深度挖掘MSP数据之间的差异与关联性将是未来发展的一个趋势。

参考文献
[1] 郭洪玲, 权养科, 陶克明. 法庭科学中泥土物证XRF检验数据的分析研判[J]. 中国司法鉴定, 2013(3): 24-28.
(GUO Hongling, QUAN Yangke, TAO Keming. Data analysis of elemental examination of soil evidence by XRF in forensic science[J]. Chinese Journal of Forensic Sciences, 2013(3): 24-28. ) [本文引用:1]
[2] 郭洪玲, 王萍, 朱军, 等. 法庭地质学与泥土物证检验[J]. 刑事技术, 2019, 44(1): 53-59.
(GUO Hongling, WANG Ping, ZHU Jun, et al. Forensic geo-logy and soil examination[J]. Forensic Science and Technology, 2019, 44(1): 53-59. ) [本文引用:1]
[3] 熊毅. 土壤颜色之研究[J]. 地质论评, 1937, 2(1): 5-22.
(XIONG Yi. The research of soil color[J]. Geological Review, 1937, 2(1): 5-22. ) [本文引用:1]
[4] DUDLEY R J. The use of color in the discrimination between soils[J]. Journal of the Forensic Science Society, 1975, 15(3): 209-218. [本文引用:1]
[5] HU C, MEI H C, GUO H L, et al. Color analysis of textile fi-bers by microspectrophotometry[J]. Forensic Chemistry, 2020, 18: 100221. [本文引用:1]
[6] BEATA T, JANINA Z P, PAWEŁ K. Examination of car paint samples using visible microspectrometry for forensic purposes[J]. Analytical Letters, 2013, 46(8): 1267-1277. [本文引用:1]
[7] JANINA Z P, BEATA M T, PAWEŁ K. Comparative analysis of car paint traces in terms of color by VIS microspectrometry for forensic needs[J]. Analytical Letters, 2010, 43(3): 436-445. [本文引用:1]
[8] POWELL R, VAN BRONSWIJK W, COUMBAROS J. Enhancing the evidential value of textile fibers: part 1: development of a spectral database and evaluative comparison strategy[J]. Forensic Science International, 2018, 287: 54-62. [本文引用:1]
[9] FORSTER A L, BITTER J L, ROSENTHAL S, et al. Photofading in cotton fibers dyed using red, yellow, and blue direct dyes during examination with microspectrophotometry (MSP)[J]. Forensic Chemistry, 2017, 5: 72-78. [本文引用:1]
[10] 魏垂策, 揭冬梅, 张淑芳, 等. 显微分光光度仪检验红色印章油墨1例[J]. 刑事技术, 2009(1): 72.
(WEI Chuice, JIE Dongmei, ZHANG Shufang, et al. The exa-mination of red seal ink by microspectrophotometry in a case[J]. Forensic Science and Technology, 2009(1): 72. ) [本文引用:1]
[11] AGINSKY V. Some new ideas for dating ballpoint inks ˗ a feasibility study[J]. Journal of Forensic Science, 1993, 38: 1134-1150. [本文引用:1]
[12] BARRETT J A, SIEGEL J A, GOODPASTER J V. Forensic discrimination of dyed hair color: I. UV-visible microspectrophotometry[J]. Journal of Forensic Science, 2010, 55, 323-333. [本文引用:1]
[13] CROFT D J, PYE K. Color theory and the evaluation of an instrumental method of measurement using geological samples for forensic applications[M]//PYE K, CROFT D J. Forensic geoscience: principles, techniques and applications. London: Geological Society Special Publications, 2004: 49-62. [本文引用:1]
[14] GUEDES A, RIBEIRO H, VALENTIM B, et al. Quantitative color analysis of beach and dune sediements for forensic app-lications: a Portuguese example[J]. Forensic Science International, 2009, 190: 42-51. [本文引用:1]
[15] WOODS B, LENNARD C, KIRKBRIDE K P, et al. Soil exa-mination for a forensic trace evidence laboratory - part 1: spectroscopic techniques[J]. Forensic Science International, 2014, 245: 187-194. [本文引用:1]
[16] 马创, 申广荣, 王紫君, 等. 不同粒径土壤的光谱特征差异分析[J]. 土壤通报, 2015(2): 292-298.
(MA Chuang, SHEN Guangrong, WANG Zijun, et al. Analysis of spectral characteristics for different soil particle sizes[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2015(2): 292-298. ) [本文引用:1]