基于拉曼光譜鑒定黑色簽字筆筆跡的種類與書寫時間

萬敬偉，崔勝峰，陳 蕾，馬學(xué)兵

1. 鐵道警察學(xué)院刑事科學(xué)技術(shù)系，理化物證檢驗研究中心，河南 鄭州 450053 2. 鄭州大學(xué)公共安全研究院，環(huán)境與生態(tài)安全技術(shù)研究所，河南 鄭州 450001 3. 河南醫(yī)學(xué)高等專科學(xué)校藥學(xué)系，河南 鄭州 451191 4. 西南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，重慶應(yīng)用化學(xué)重點實驗室，重慶 400715

引 言

文件鑒定一直是國內(nèi)外法庭科學(xué)研究領(lǐng)域的熱點問題之一[1-2]，1904年，法庭科學(xué)家們就開始對鋼筆墨水字跡進行研究。 1937年圓珠筆被發(fā)明后，有關(guān)油墨字跡的種類及書寫時間的研究迅速成為熱點[3-4]。 近些年來，隨著相關(guān)研究領(lǐng)域的發(fā)展和人們書寫習(xí)慣的改變，鋼筆與圓珠筆所占市場日漸萎縮，在日常工作生活中新型簽字筆的使用占據(jù)主導(dǎo)地位。 依據(jù)墨水成分不同，簽字筆可分為水性筆、油性筆、介于水性和油性之間的“中性筆”，其中黑色的中性簽字筆是目前國內(nèi)外最流行的一種書寫工具。 隨著經(jīng)濟犯罪和民事糾紛案件的日益增多，作案人或當(dāng)事人常于事后，通過對票據(jù)、合同、文件等文書進行偽造、添加、篡改來達到犯罪目的。 同時，黑色簽字筆墨水成分復(fù)雜，受到各種因素的影響易發(fā)生變化，檢驗鑒定困難且至今沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的檢測方法。 因此，對黑色簽字筆字跡種類與書寫時間進行快速準(zhǔn)確鑒定的標(biāo)準(zhǔn)方法與程序，成為司法機關(guān)對此類案件裁決的關(guān)鍵依據(jù)。

經(jīng)過一個世紀(jì)的努力，法庭科學(xué)工作者對鋼筆和圓珠筆字跡進行了大量的研究，建立了一些關(guān)于鋼筆和圓珠筆字跡種類與相對書寫時間的鑒定方法[5-6]。 然而，對于黑色簽字筆，其墨水成分組成復(fù)雜、品種繁多，易受到光照、濕度、溫度和氧氣等多種外界因素的影響，會發(fā)生揮發(fā)、氧化、分解、交聯(lián)等一系列物理化學(xué)變化，也易受筆力、紙張襯底等因素的影響，同時黑色簽字筆的配方涉及商業(yè)秘密，因此黑色簽字筆字跡種類和書寫時間的標(biāo)準(zhǔn)化鑒定一直是制約文件檢驗技術(shù)發(fā)展的瓶頸。 國內(nèi)外法庭科學(xué)家利用薄層色譜法(TLC)、氣相色譜法(GC)、高效液相法(HPLC)、質(zhì)譜法(MS)、毛細(xì)管電泳法等手段[7-10]對不同品牌或牌號的簽字筆進行鑒定，取得較滿意結(jié)果，但存在檢材用量大，損壞檢材、程序復(fù)雜的缺點。 以共焦顯微拉曼光譜儀為代表光譜分析法[11-15]，以其無損、快速、便捷、高靈敏度的優(yōu)點，在物質(zhì)鑒定分析等領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用，但利用其同時對文件筆跡種類與書寫時間鑒定未見報道。

結(jié)合前期研究工作，采用共焦顯微拉曼光譜對16種不同品牌或牌號的黑色簽字筆字跡樣本進行無損鑒定，建立快速簡易的種類鑒定方法，并取得了有價值的光譜信息。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

DXR共焦顯微拉曼光譜儀(Thermo Scientific，美國，激發(fā)波長780 nm，近紅外增強CCD探測器，最大激發(fā)功率： 150 mW，光學(xué)分辨率： 2 cm-1，測量光譜范圍： 80～3 200 cm-1，OMNIC 9.0軟件)。 16種不同品牌或牌號的黑色簽字筆(表1)： 三菱UM-100、百樂PILOTG-1、派通Pentel KL、樂瑪K121、萬幫K-36-2、多咪尼DP-007A、愛好8923、金萬年G-109、得力NO.33234、得力S63NO.33286、晨光K-35、晨光AGPA4801、晨光VGP-301、英雄0233A、畢加索RBR-001、派克PARKEA0.5F，依次編號為1#—16#。

表1 不同品牌的黑色簽字筆

1.2 樣本制備

(1)不同品牌或牌號的黑色簽字筆字跡樣本制備

將不同品牌或牌號的黑色簽字筆在同一時間書寫相同字跡，放置在儲存箱中避光保存，間隔時間依次為： 0，0.5，2，9，33，66，90和140 d等共8組，以備測試。

(2)不同存儲條件、紙張本底等條件下的黑色簽字筆字跡樣本制備

①將同一品牌或牌號的黑色簽字筆在同一時間書寫相同的字跡，分別保存在常溫暗室與日光照射下，由于自然光照隨一年四季的變化，每天的光照時間與強度不同，為了保證實驗條件的一致性和連續(xù)性，在實驗室放置兩個暗箱，其中一個為暗室組，另外一個為光照組。 在光照組中暗室內(nèi)放置一臺白熾臺燈，功率15 W，每天光照10 h，從早上8:00到18:00之間開啟白熾燈，其他時間關(guān)閉。 間隔時間380 d，以備測試(表2)。

②同一品牌或牌號的黑色簽字筆在同一時間書寫相同的字跡，書寫材質(zhì)分別為復(fù)印紙和金翔筆記本，間隔時間380 d，常溫暗室保存，以備測試。

表2 不同條件下的黑色簽字筆字跡樣本

1.3 方法

由于拉曼光譜散射光強弱和噪聲干擾等原因，往往無法獲得滿意的圖譜。 如何獲取清晰的拉曼光譜圖譜是實驗方法的關(guān)鍵，測量點、激光功率及共焦類型等因素均對拉曼光譜的結(jié)果有影響。 因此，在相同波長條件下，選擇合適的測量點、激光功率和共焦類型是實驗的關(guān)鍵。

(1)測量點的選擇。 合適的測量點是鑒定數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠的前提。 在制作簽字筆字跡樣本中，由于受紙張襯底表面的凹凸不平和書寫力道輕重不一的影響，在顯微鏡觀察下，紙張上書寫字跡粗細(xì)不一，線條中遍布空白點或駐墨點。 選擇此類測量點將會造成背景的干擾和拉曼信號的波動。 因此，測量點附近的字跡密度和形態(tài)要均勻一致，避免光斑照射在空白處或過濃處。

(2)激光輸出功率的選擇。 拉曼信號強度與激光輸出功率成正比，功率越強、拉曼信號越強、分辨率越高，反之則亦然。 但是，熔沸點較低的樣品易被高強度的激光束灼燒。 因此，在實驗過程中應(yīng)根據(jù)樣品的理化特性選擇合適的功率。 本實驗根據(jù)紙張和字跡樣本的特性，經(jīng)過實驗條件篩選，選擇30 mW激光功率較為合適。

設(shè)置如下參數(shù)： 曝光時間： 1 s； 曝光次數(shù)： 20次； pinhole(50 nm)； 波長： 780 nm； 50倍物鏡聚焦，以2#黑色簽字筆在復(fù)印紙上書寫樣本為例，依次改變激光功率為30，40，50和60 mW，經(jīng)過多次實驗，得到拉曼光譜圖。 在μ-View窗口下觀察，如圖1所示，當(dāng)激光功率為40，50和60 mW時，字跡樣本被激光束不同程度的灼燒，從40～60 mW的過程中，激光功率越大，黑色簽字筆字跡樣本被灼燒的越來越嚴(yán)重，顏色逐漸變黃。 當(dāng)激光功率為30 mW時，基本沒有灼燒現(xiàn)象。 若激光功率繼續(xù)降低，將影響拉曼光譜的分辨率。 因此，在其他條件不變情況下，為了不破壞檢材，兼顧分辨率，激光功率設(shè)定為30 mW為最佳。

(3)共焦類型的選擇。 共焦類型是拉曼光譜提高分辨率的保證。 共焦的兩種類型： 真共焦(針孔)和虛擬共焦或贗共焦(狹縫)。 真共焦的優(yōu)點在于樣品的精確定位和提高信噪比，分辨率較高，虛擬共焦或贗共焦的優(yōu)點是通光量大，對于拉曼信號較弱的樣品適用。 在其他條件相同情況下，改變共焦類型與大小依次為共焦針孔(25和50 nm)、共焦狹縫(25和50 nm)。 經(jīng)過多次實驗，得到如下拉曼光譜圖(圖2)，當(dāng)共焦類型為狹縫(25和50 nm)時，拉曼光譜圖基本看不到明顯的特征峰，當(dāng)共焦類型為針孔(25 nm)、針孔(50 nm)時，拉曼光譜圖在1 586和1 140 cm-1位置出現(xiàn)兩個明顯的特征峰，但共焦類型為針孔(25 nm)時，特征峰相對較弱。 因此，在其他條件不變情況下，共焦針孔50 nm最佳。

圖1 不同激光功率下字跡樣本的μ-view圖

圖2 不同共焦類型下2#樣本的拉曼光譜圖

綜上所述，篩選出最佳條件，曝光時間： 1 s； 曝光次數(shù)： 20次； 共焦針孔50 nm； 波長： 780 nm； 50倍物鏡聚焦； 激光輸出功率： 30 mW。 用16種不同品牌的黑色簽字筆在干凈紙張上書寫相同的字跡。 將樣本字跡剪裁，并用雙面膠固定在載玻片上。 把樣品放置在室溫陰涼處待測，此后，樣本放入儲存箱內(nèi)避光保存，間隔一段時間對樣品進行測試，測試工作共持續(xù)1年，形成圖譜數(shù)據(jù)庫。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同存儲環(huán)境、紙張本底等條件下的黑色簽字筆字跡分析

在最佳條件下，對同一品牌或牌號的黑色簽字筆樣本進行測試，樣本分別是(1)書寫時間為380 d，兩種不同保存條件(常溫暗室與日光照射)樣品； (2)書寫時間為380 d，兩種不同書寫本底(復(fù)印紙和金翔筆記本)樣品。 以2#黑色簽字筆樣本為例，在1 586，1 340，1 140和493 cm-1位置出現(xiàn)4個明顯的特征峰，觀察到同一品牌或牌號的黑色簽字筆樣本在拉曼光譜圖上峰型一致且特征峰位置相同(圖3)。 結(jié)果表明同一品牌或牌號的黑色簽字筆含有相同成分，不受儲存環(huán)境、紙張本底等條件的影響。

圖3 不同存儲環(huán)境和紙張本底條件下字跡樣本的拉曼光譜圖

Fig.3Ramanspectraofhandwritingsamplesunderdifferentstorageconditionsanddifferentpaperbackground

2.2 不同品牌或牌號的黑色簽字筆字跡的種類鑒定分析

在最佳條件下，對同一時間的1#—16#不同品牌或牌號的黑色簽字筆字跡樣本進行測試，得到4種類型的黑色簽字筆字跡樣本在同一時間的拉曼光譜圖(圖4)。 可以觀察到不同品牌或牌號的黑色簽字筆的特征峰位置不同(表3)，這與墨水成分有關(guān)，筆跡含有相同成分時，在拉曼光譜圖上表現(xiàn)峰型一致且特征峰位置相同。 例如，14#，15#和16#的黑色簽字筆樣本在1 586 cm-1出現(xiàn)峰型一致的特征峰，表明這三種黑色簽字筆含有相同的墨水成分，且這種成分在780 nm波長的激光束照射下有顯示。 2#黑色簽字筆樣本在1 586，1 340，1 140和493 cm-1位置出現(xiàn)4個明顯的特征峰，部分品牌的特征峰不明顯，但每種黑色簽字筆的特征譜峰出現(xiàn)位置的重復(fù)性良好。

圖4 四類黑色簽字筆字跡樣本的拉曼光譜圖

通過測定16種不同品牌黑色簽字筆字跡樣本的拉曼光譜，根據(jù)吸收峰位置的差異分成5類(表3)。 不同種類黑色簽字筆筆跡的拉曼位移明顯不同。 由于在實驗中受水和紙張等本底的干擾較小，共聚焦顯微拉曼光譜法可用于快速、準(zhǔn)確地區(qū)分紙張上黑色簽字筆字跡的種類。

2.3 同一品牌或牌號黑色簽字筆字跡的書寫時間鑒定分析

利用拉曼光譜儀測定同一品牌或牌號的黑色簽字筆在不同時間制作的樣本，間隔時間依次為： 0，0.5，2，9，33，66，90和140 d等。 如圖5所示，2#黑色簽字筆樣本在1 586，1 340，1 140和493 cm-1位置出現(xiàn)四個明顯的特征峰，2#黑色簽字筆在493 cm-1處的特征峰較弱，在1 586，1 340和1 140 cm-1處的特征峰較為明顯。

表3 1#—16#樣本的拉曼位移

除了最主要成分炭黑，大多數(shù)廠家生產(chǎn)的墨水都含有酯類物質(zhì)。 1 140 cm-1處拉曼光譜特征峰，歸屬為酯類化合物的C—O伸縮振動ν(CO)。 從圖5中可以觀察到： 不同測試時間的樣本在1 140 cm-1處特征峰的相對強度不同，隨著書寫時間越久遠(8→1)，特征峰相對強度逐漸變大。 這是由于酯類化合物在紙張上性質(zhì)較穩(wěn)定，不易發(fā)生變化，而其他大部分物質(zhì)受外界條件影響發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，含量隨著時間延長而不斷減少。 在拉曼光譜圖中反映在特征峰的細(xì)微變化，這是鑒定黑色簽字筆筆跡書寫時間的理論基礎(chǔ)。

擬合后計算出1 140 cm-1特征峰的相對面積數(shù)值，用I表示，作為縱坐標(biāo)，時間為橫坐標(biāo)。 在780 nm激光激發(fā)下2#筆跡樣本在不同時間的1 140 cm-1峰強度，d為天數(shù)(圖6)。 結(jié)果表明，I在一個月內(nèi)迅速變大，而兩個月以后，變化趨緩。 由此可知： 樣本制備時間越長，其I值越大，反之，I

值越小。 在案件偵查與司法鑒定中，該數(shù)據(jù)可用于推斷字跡檢材的相對書寫時間，為司法鑒定提供科學(xué)的理論基礎(chǔ)。

圖5 不同時間下2#樣本的拉曼光譜圖

圖6 不同時間下2#樣本的時間變化曲線

3 結(jié) 論

共焦顯微拉曼光譜法可用于無損鑒定黑色簽字筆墨水字跡。 在實驗中，此法受儲存環(huán)境、紙張本底等條件的干擾較小，且測試前無需對檢材進行預(yù)處理，也不會破壞檢材，可明顯地區(qū)別不同品牌或牌號黑色簽字筆種類，具有較高穩(wěn)定性和靈敏度。 同時，通過測定同種黑色簽字筆在不同書寫時間的字跡，根據(jù)特征峰的相對面積的變化，大致推斷字跡的相對書寫時間。 利用所建立的方法，能夠鑒定各類虛假文書、檔案及契約等文件中添加和涂改的墨水字跡，為刑事(民事)案件的偵破提供方向，為司法訴訟提供有效的證據(jù)。 但由于黑色簽字筆墨水字跡成分的復(fù)雜性，對書寫時間尤其是絕對書寫時間的研究還處在探索階段，并未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的測試方法，未來課題組將結(jié)合光譜法和色譜法研究這一難題。