劉英霞,賈碩果
(重慶警察學(xué)院,重慶,401331)
隨著經(jīng)濟(jì)和計算機(jī)信息化的快速發(fā)展,單位、個人之間的經(jīng)濟(jì)交往也逐年增多,涉及合同、票據(jù)、契約等鑒別文件真?zhèn)蔚陌讣c日俱增,在對文件真?zhèn)蔚陌讣b別過程中,鑒定人員常常需要將涉案文件中的筆跡、印跡、圖像及其他物質(zhì)材料等作為文件檢驗的子系統(tǒng),對其中的對象進(jìn)行分別檢驗和關(guān)聯(lián)分析,判斷文件的真?zhèn)?。在檢驗分析過程中,對墨跡的種屬鑒別和同一認(rèn)定是文件檢驗技術(shù)與現(xiàn)代儀器分析技術(shù)相結(jié)合的關(guān)鍵,也是鑒別文件真?zhèn)蔚挠行緩街?。目前,國?nèi)外法庭科學(xué)工作者已對此開展了大量的研究,并將光譜法、色譜法、質(zhì)譜法等多種儀器分析法應(yīng)用于基礎(chǔ)研究和實(shí)際案例分析中[1-2],但由于文件中所含墨跡成分的種類繁多、成分復(fù)雜以及無損檢驗的要求,探索新的檢驗方法、拓寬檢驗思路、借鑒其他學(xué)科先進(jìn)的技術(shù)方法和多種手段聯(lián)用是文件檢驗技術(shù)發(fā)展的必然要求。
拉曼光譜是一種非彈性的散射光譜,自1928年被印度物理學(xué)家拉曼(C.V.Raman)發(fā)現(xiàn)后因其豐富的光譜信息以及痕量、非破壞、原位分析等優(yōu)點(diǎn)在許多領(lǐng)域取得了很大的發(fā)展。目前,拉曼光譜的應(yīng)用已遍及考古、環(huán)保、生物、物理、化學(xué)、材料、地礦、刑偵等多個領(lǐng)域,在文件檢驗尤其是墨跡鑒定中,國內(nèi)外學(xué)者們對拉曼光譜的應(yīng)用開展了大量的研究與實(shí)踐,本文對近幾年國內(nèi)外拉曼光譜技術(shù)在墨跡分析中的研究內(nèi)容進(jìn)行梳理總結(jié),并提出今后的研究方向,為法庭科學(xué)工作中墨跡的分析提供參考依據(jù)。
1964年,Chantry等首次提出了將傅里葉變換(Fourier transformation,F(xiàn)T)技術(shù)與近紅外激發(fā)拉曼(near Infrared Raman spectroscopy,NIR)技術(shù)相結(jié)合的構(gòu)想,直到1986年,Hirschfeld等對其進(jìn)行研究,并將其在技術(shù)上得以實(shí)現(xiàn),這種將FT技術(shù)與NIR技術(shù)相結(jié)合的新技術(shù)就是FT-NIR技術(shù)。1987年,PerkinElmer公司推出了第一臺FT-NIR光譜儀。與NR相比,F(xiàn)T-NIR技術(shù)信噪比高,能在1064nm的近紅外激光照射樣品,極大地削弱了光譜的熒光背景,可以快速地鑒定物質(zhì)、分析多組分樣品,同時,可將光纖耦合到FT-NIR光譜儀,進(jìn)行遠(yuǎn)距離和實(shí)時測量,F(xiàn)T-NIR技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于材料、化合物分析、考古、醫(yī)藥、法庭科學(xué)等領(lǐng)域。
在本質(zhì)上,共焦顯微拉曼光譜(MR)與常規(guī)拉曼光譜(Normal Raman,NR)的光譜儀一樣,只是在光路中引入了共焦顯微鏡,以此消除來自樣本的離散光,增強(qiáng)光譜信號,獲得樣本的真實(shí)分子水平方面的信息。該技術(shù)可以將激發(fā)光的光斑聚焦到微米數(shù)量級,直接獲取物質(zhì)內(nèi)部微區(qū)的結(jié)構(gòu)信息和三維拉曼圖像,近年來,因其具有微觀、原位、快速、多相態(tài)、空間分辨率高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn),已被應(yīng)用于寶石鑒定、法庭科學(xué)、文物考古等領(lǐng)域。
1974年,F(xiàn)leischmann等將光滑銀電極表面進(jìn)行粗糙化處理后,首次獲得Ag電極表面的吡啶分子的高質(zhì)量的拉曼光譜,但沒有意識到這是由于粗糙表面對吸附分子的拉曼光譜信號的增強(qiáng)作用。直到1977年, VanDuyne 和 Creighton各自在研究吡啶分子的拉曼光譜時發(fā)現(xiàn),吸附在粗糙電極表面的分子拉曼信號比溶液中的分子信號強(qiáng)106,這種效應(yīng)被稱為表面增強(qiáng)拉曼散射效應(yīng)(SERS)。SERS因具有極高的選擇性和靈敏度,可以獲得NR不易獲得的結(jié)構(gòu)信息,而被廣泛應(yīng)用于生物大分子結(jié)構(gòu)分析、染料分析、墨跡分析中。
在對墨跡種類鑒別時,通常是依據(jù)形成文件的不同書寫工具、機(jī)制工具等所采用的油墨、墨水、墨粉的原料來源、成分配比、生產(chǎn)工藝等的不同,采取理化檢驗、儀器分析等手段對其成分進(jìn)行分析。
圓珠筆油墨主要由溶劑、染料、樹脂組成,對圓珠筆油墨成分檢測主要依據(jù)油墨中溶劑、染料、油墨混合的成分和含量三方面的差異。
2000年,Claybourn M等[3]將拉曼光譜技術(shù)應(yīng)用于圓珠筆油墨分析,成功地區(qū)分了黑色圓珠筆油墨,并建立拉曼光譜數(shù)據(jù)庫,為研究圓珠筆油墨書寫時間提供了依據(jù);2001年,Seifar等[4]用SERS對13種藍(lán)色和黑色圓珠筆油墨進(jìn)行測定,有效地對圓珠筆油墨進(jìn)行了區(qū)分,其結(jié)果和運(yùn)用薄層色譜法獲得的成分分析高度一致;2009年,Geiman 等[5]用NR和SERS對10種合成染料和圓珠筆油墨進(jìn)行研究,首先用3種激光器進(jìn)行NR分析,然后針對NR分析熒光背景高、光譜質(zhì)量差等問題,采用滴液沉積技術(shù)對染料和圓珠筆油墨進(jìn)行SERS分析,有效降低了熒光背景,此外,還將SERS與薄層色譜技術(shù)聯(lián)用對某圓珠筆墨跡進(jìn)行成分分析,結(jié)果表明圓珠筆墨跡展開后的各斑點(diǎn)的 SERS 拉曼光譜與對應(yīng)的純?nèi)玖系?SERS拉曼光譜高度一致。2015年,Souza等[6]嘗試運(yùn)用拉曼光譜和化學(xué)計量法來區(qū)分藍(lán)色圓珠筆油墨,首先應(yīng)用化學(xué)計量法改進(jìn)光譜、對光譜進(jìn)行預(yù)處理后,應(yīng)用主成分分析(Principal Component Analysis, PCA)和層次聚類分析(Hierarchical Clustering Analysis, HCA)來探討是否可以依據(jù)拉曼光譜將不同的油墨區(qū)分開來,發(fā)現(xiàn)實(shí)驗中的油墨均可通過連續(xù)的PCA提供的樹狀圖的不同層次逐漸區(qū)分,結(jié)果表明,拉曼光譜結(jié)合化學(xué)計量法可以區(qū)分相近圓珠筆油墨類型,該研究為拉曼光譜在可疑文件檢驗中的應(yīng)用提供了更廣闊的前景。
相比而言,國內(nèi)法庭科學(xué)工作者對拉曼光譜在文件檢驗中的應(yīng)用研究起步較晚,直到20世紀(jì)90年代末,我國學(xué)者才開始將拉曼光譜法應(yīng)用于可疑文件的分析中。但是對于圓珠筆的油墨、書寫時間、筆痕特征等的研究相對較早,且技術(shù)比較成熟。1998年,譚紅琳等[7]首次用拉曼光譜技術(shù)對鋼筆、碳素筆和圓珠筆的墨水或油墨進(jìn)行分析,結(jié)果表明,拉曼光譜不僅可以區(qū)分圓珠筆、鋼筆、鉛筆的墨跡, 還可以鑒別不同品牌的圓珠筆、鉛筆以及不同批次的墨水;2000年,梁魯寧等[8]嘗試用拉曼光譜對不同品牌的黑色圓珠筆油墨進(jìn)行區(qū)分,結(jié)果表明激光拉曼光譜分析法應(yīng)用于黑色圓珠筆字跡的比對是可行的;同年,徐徹等[9]發(fā)現(xiàn)顯微激光共焦拉曼光譜儀可以對紙張上不同品牌的黑色圓珠筆油墨字跡進(jìn)行定性分析,認(rèn)為該方法快速、高效、易辯,尤其是具有對檢材原位無損檢測的優(yōu)點(diǎn),因此,在實(shí)踐中具有很大的應(yīng)用價值。但受熒光強(qiáng)度的影響,個別樣品沒能檢測到拉曼峰;2007年,衡航等[10]首次較為系統(tǒng)地對日常生活中常用的黑色圓珠筆和藍(lán)色圓珠筆的墨跡進(jìn)行過拉曼光譜測試,并做了激發(fā)光波長的比對實(shí)驗,發(fā)現(xiàn)圓珠筆墨跡鑒定中514.5 nm 激發(fā)波長效果較好。2013年,為了減少熒光干擾,李江春[11]將表面增強(qiáng)共振拉曼(Surface Enhanced Resonance Raman Spectroscopy,SERRS)技術(shù)引用到圓珠筆油墨的檢驗中,發(fā)現(xiàn)SERRS技術(shù)能較好地區(qū)分圓珠筆油墨種類,但在實(shí)際檢案中,要注意結(jié)合其他方法進(jìn)行系統(tǒng)鑒別。
簽字筆,又叫中性圓珠筆,起源于1984年日本研發(fā)的Ballsign產(chǎn)品,其油墨主要由樹脂、顏料(或染料)、溶劑及少量助劑組成,近年來,簽字筆作為最受大眾歡迎的書寫工具,被廣泛應(yīng)用于書寫合同、票據(jù)、檔案等活動中。對簽字筆油墨成分的分析主要采用光學(xué)檢驗法、光譜法、色譜法等。
2000年,White P.C[12]首次提出將拉曼光譜技術(shù)應(yīng)用到簽字筆墨水分析的設(shè)想;2003年,Mazzella等[13]用三種技術(shù)對33種不同品牌和型號的藍(lán)色簽字筆油墨進(jìn)行了分析,首先根據(jù)其在體視顯微鏡下的形態(tài)特征將33種簽字筆分為牛奶型、金屬型、普通型3種,然后對其用光學(xué)檢驗、掃描電鏡和拉曼光譜三種方法進(jìn)行綜合檢驗,發(fā)現(xiàn)掃描電鏡法和拉曼光譜法對不同品牌以及同種品牌不同型號的樣品均有較強(qiáng)的區(qū)分能力,且區(qū)分能力高于光學(xué)檢驗法,在將掃描電鏡法和拉曼光譜法聯(lián)合使用時,實(shí)現(xiàn)了最大程度的區(qū)分;2005年,Mazzella[14]對國際市場上具有代表性的55種藍(lán)色簽字筆油墨進(jìn)行分析,首先將它們分為兩大類:19種染料和36種顏料,然后用兩種激發(fā)光(514.5 nm和830 nm)對后者進(jìn)行了拉曼光譜分析。確定了兩種主要色素,顏料藍(lán)15和顏料紫23;2009年,Zhang等[15]應(yīng)用多光譜技術(shù)(傅里葉變換紅外光譜,F(xiàn)TIR;共聚焦顯微拉曼光譜,紫外-可見光譜,UV-Vis)對藍(lán)色簽字筆油墨進(jìn)行分析,根據(jù)拉曼特征將28種不同品牌和型號的簽字筆分為4大類,并利用熱重-質(zhì)譜聯(lián)用法(Thermogravimetric mass spectrometry,TG-MS)研究了紙張上藍(lán)色簽字筆油墨在人工老化過程中的成分變化,討論了該光譜技術(shù)在分析和識別藍(lán)色簽字筆油墨中的優(yōu)缺點(diǎn),以及在文件相對性和絕對性老化研究中的應(yīng)用前景;2016年,Ho YC等[16]發(fā)現(xiàn),不同的簽字筆墨水之間的微小的光譜差異不是因為染料的不同,而是因為化學(xué)性質(zhì)的相似性所致,同時發(fā)現(xiàn),以含有納米顆粒的高膨脹聚合物為基質(zhì)的SERS技術(shù)因具有重復(fù)性好、靈敏度高的優(yōu)勢,將作為法庭科學(xué)油墨分析的有效手段。2018年,Mohamad 等[17]將RS技術(shù)和衰減總反射-傅里葉變換紅外光譜(Attenuated Total Reflectance-Fourier Transform Infrared spectroscopy, ATR-FTIR)技術(shù)聯(lián)合,并結(jié)合皮爾遜相關(guān)系數(shù)和主成分分析法來研究紙張上紅色簽字筆油墨的來源,結(jié)果證實(shí)了RS和ATR-FTIR光譜聯(lián)合分析油墨的可行性,并成功地用皮爾遜相關(guān)系數(shù)和主成分分析法對紅色簽字筆油墨的來源進(jìn)行了測定。
簽字筆技術(shù)于20世紀(jì)90年代初引入我國,1996年后被大眾接受。2001年,王志國等[18]首次采用FT-NIR技術(shù)對36 種黑色簽字筆墨跡進(jìn)行了測定,發(fā)現(xiàn)FT-NIR不受紙張本底的影響,可快捷靈敏地對簽字筆字跡進(jìn)行分析,同時,發(fā)現(xiàn)隨著實(shí)驗時間的延長,墨跡的相對峰強(qiáng)度比發(fā)生了變化,這對于研究簽字筆書寫時間具有重要意義;2009年,史曉凡等[19]采用FT-NIR技術(shù),根據(jù)譜峰數(shù)目、峰位及峰面積將59種不可溶、63種可溶性黑色簽字筆進(jìn)行了細(xì)化區(qū)分,達(dá)到了對黑色簽字筆油墨進(jìn)行種類鑒別的目的;陳寧等分別于2015[20]和2016年[21]采用以銀膠和金膠為基底的SERS對黑色簽字筆進(jìn)行檢測,有效地對所有樣品進(jìn)行區(qū)分,SERS拓展了顯微激光拉曼光譜儀在黑色書寫墨跡檢驗中的應(yīng)用;2017年,鄧瑩等[22]采用薄層色譜表面增強(qiáng)拉曼光譜聯(lián)用技術(shù)(Thin layer chromatography-surface-enhanced Raman scattering, TLC-SERS)探究藍(lán)色簽字筆墨跡成分,成功地對藍(lán)色簽字筆成分進(jìn)行了分離,并獲得了藍(lán)色簽字筆油墨成分的SERS信息,該結(jié)果為研究墨跡成分的 SERS 信息提供了新思路。2018年,韓偉等[23]將電阻測量技術(shù)和顯微拉曼光譜技術(shù)聯(lián)用,有效地對30支不同品牌和型號的黑色簽字筆墨跡成分進(jìn)行了綜合鑒別,研究表明:將兩種技術(shù)聯(lián)用突出了不同的技術(shù)方法之間的互補(bǔ)性和互證性,為簽字筆的種屬鑒別提供一種快捷、無損的新思路。
鋼筆墨水一般有鞣酸鐵型墨水、染料型和顏料型墨水等,對鋼筆墨水的種屬鑒別不僅可以確定文件真?zhèn)?,還可以用于對歷史文物的鑒別和顏料的確定。
2001年,White PC[24]采用SERS法對歷時手稿(3年前制作)進(jìn)行分析,結(jié)果表明用聚合劑處理后墨水成分得到了較好的區(qū)分;2013年,Raza等[25]將摻雜銀的瓊脂糖凝膠作為SERS基板,對紅色和藍(lán)色墨水成分進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)含銀的瓊脂糖凝膠能有效地淬滅熒光而增強(qiáng)拉曼信號,為痕量檢驗提供了新的可能;2018年,Saviello D等[26]采用 SERS/UV-vis相結(jié)合的方法對不同品牌的墨水中染料成分進(jìn)行了系統(tǒng)鑒定,有效地識別了不同顏色墨水的主要染料成分,對同一種墨水的UV-Vis分析與SERS結(jié)果一致,但對黃色和橙色染料成分不能確定,并對研究中采集到的光譜數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)庫格式進(jìn)行整理,豐富了藝術(shù)品顏料光譜數(shù)據(jù)庫。
國內(nèi)對鋼筆墨水的研究歷史悠久,化學(xué)檢驗法是傳統(tǒng)的有損檢驗手段。1998年,徐徹等[27]采用傅立葉變換拉曼光譜法對6種黑色墨水字跡進(jìn)行檢驗分析,結(jié)果表明,傅立葉變換拉曼光譜法能快捷、無損有效地對黑色墨水字跡進(jìn)行鑒別;2016年,季金鑫等[28]利用激光顯微共聚焦拉曼光譜儀、超景深三維視頻顯微鏡和掃描電鏡-能譜儀對一張1945年銀行票據(jù)樣品顏料進(jìn)行了綜合檢驗分析,發(fā)現(xiàn)該樣品印刷使用了顏料紅146等有機(jī)顏料和碳黑、X構(gòu)型雄黃等無機(jī)顏料,對其中未發(fā)現(xiàn)拉曼光譜的棕黑色手寫字跡區(qū)域利用超景深三維視頻顯微鏡進(jìn)行了元素分析,確定其中Fe和S元素來源于墨水,并推測棕黑色手寫字跡由藍(lán)黑墨水老化褪色形成。并且首次發(fā)現(xiàn)X構(gòu)型雄黃和副雄黃作為印刷顏料使用。該項研究結(jié)果表明,上述三項技術(shù)的聯(lián)用可以成功地對紙質(zhì)品上的有機(jī)及無機(jī)顏料進(jìn)行無損鑒定。
激光打印機(jī)所使用的墨粉是以樹脂、染料、荷電添加劑等成分為主要原料的高科技復(fù)合產(chǎn)物。不同品牌、不同型號的墨粉配方存在差異,為鑒別激光打印機(jī)文件來源提供了依據(jù)。
國外專門針對該領(lǐng)域的研究較少,但近年來,有不少應(yīng)用拉曼光譜對票據(jù)、文物的的真?zhèn)舞b別的研究[29],為研究打印墨粉提供思路和方法。2008年,余靜等[30]利用顯微拉曼光譜儀對6個品牌29種型號的激光打印機(jī)墨粉進(jìn)行檢驗,實(shí)驗結(jié)果表明,該方法可以有效地區(qū)分有拉曼活性的樣品,發(fā)現(xiàn)紙張對測試結(jié)果沒有影響,并提出可以應(yīng)用SERS對拉曼信號弱的樣品進(jìn)一步區(qū)分。2016年,李開開[31]采用共聚焦顯微拉曼光譜技術(shù),分別對不同品牌、不同型號、不同時間的激光打印機(jī)形成的字跡墨粉進(jìn)行研究,實(shí)驗結(jié)果表明:通過對拉曼峰位置、數(shù)目及相對強(qiáng)度的比較來區(qū)分打印文件墨粉的異同。同時發(fā)現(xiàn)同一品牌同一型號的打印文件在不同時間的墨粉拉曼光譜存在細(xì)微差別,并針對國內(nèi)市場上使用非原裝硒鼓的現(xiàn)象,探討了非原裝硒鼓對激光打印機(jī)打印文件拉曼光譜檢驗的影響,提示法庭科學(xué)工作者在推斷文件是否為同次打印時,必須確保其使用原裝硒鼓的情況下使用該方法。
噴墨打印機(jī)的墨水有染料性墨水和顏料性墨水兩種,對噴墨墨水的色料和溶劑成分進(jìn)行分析,可以有效區(qū)分打印機(jī)的品牌和型號。
2003年,Littleford等[32]為研制新型染料,采用SERS研究噴墨染料吸附到到紙張后發(fā)生的變化;2012年,Heudt等[33]從鑒別能力、信息質(zhì)量和無損能力三個方面來評估拉曼光譜技術(shù)和質(zhì)譜技術(shù)對噴墨油墨的分析水平,研究結(jié)果表明,拉曼光譜法可成功地應(yīng)用于彩色印刷文件的分析,因此,在實(shí)踐中應(yīng)首先嘗試無損分析方法,質(zhì)譜法可為油墨添加劑和紙張成分提供信息。該研究首次提出并研究了區(qū)分來自不同制造商和來自相同制造商的顏料主要成分為碳黑的黑色印刷文件的可能性,并研發(fā)了光譜分析軟件;2014年,Król M等[34]采用顯微拉曼光譜法和毛細(xì)管電泳法對彩色噴墨打印機(jī)油墨進(jìn)行了分析,并創(chuàng)建了來自不同品牌和型號的油墨拉曼數(shù)據(jù)庫;2018年,Johnson等[35]采用拉曼光譜法,利用532 nm和785 nm激發(fā)波長,對319種油墨(78種噴墨、76種碳粉、79種膠印和86種凹版)不同品牌、不同顏色、不同類型油墨的光譜進(jìn)行了分析鑒別,并比較計算每種油墨類型的識別能力百分比。研究結(jié)果表明:拉曼顯微光譜法區(qū)分不同品牌的同色油墨的能力取決于分析的顏色和油墨,對噴墨墨水的識別能力范圍為75~94%。
2006年,余靜等[36]首次采用激光拉曼光譜對120份來自不同品牌、不同型號的噴墨打印機(jī)文件進(jìn)行了無損檢驗,實(shí)驗結(jié)果表明,該方法可以有效地對實(shí)驗樣本進(jìn)行區(qū)分,且同一文件的墨跡基本不受紙張的影響,對光譜進(jìn)行定量分析,將有助于提高其區(qū)分率;2014年,周光磊等[37]采用激光顯微共聚焦拉曼光譜儀,將EPSON、HP、CANON大品牌21種型號的墨跡樣品分為8類,實(shí)驗中選用不同激發(fā)波長對墨跡和紙張進(jìn)行多次測試,取得最優(yōu)測試條件,實(shí)驗結(jié)果表明,顯微拉曼光譜可以快速有效地區(qū)分不同品牌、同一品牌不同型號的墨水,該技術(shù)可應(yīng)用于印刷機(jī)具的快速排查;同年,白萃萃等[38]嘗試運(yùn)用激光顯微共聚焦拉曼光譜儀對噴墨打印機(jī)彩色圖文墨跡中三原色未重疊點(diǎn)進(jìn)行檢驗,結(jié)果發(fā)現(xiàn),品紅色墨跡成分區(qū)分效果最好,其次為黃色、藍(lán)色,研究表明,該方法對彩色打印墨跡進(jìn)行不同顏色單點(diǎn)分析可大大提高噴墨打印機(jī)廠家型號的識別率,是一種行之有效的檢測手段。
拉曼光譜以其獨(dú)特的優(yōu)勢,為法庭科學(xué)中墨跡等物證的鑒定提供了痕量、原位、無損的檢驗方法,同時,隨著新的拉曼技術(shù)如FT-Raman、共 焦 顯 微 拉 曼 光 譜、SERS、空間位移拉曼(Spatially-offset Raman Spectroscopy, SORS)等的發(fā)展,以及拉曼光譜技術(shù)與化學(xué)計量法的結(jié)合,進(jìn)一步擴(kuò)大了拉曼光譜在法庭科學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍。
作為一種應(yīng)用前景廣闊的痕量物證檢驗技術(shù),建立標(biāo)準(zhǔn)的墨跡拉曼譜圖數(shù)據(jù)庫、科學(xué)規(guī)范的拉曼定量分析方法、制備性能優(yōu)異的表面增強(qiáng)拉曼基底材料、多種拉曼光譜技術(shù)結(jié)合、探索與其他儀器技術(shù)聯(lián)用以及與化學(xué)計量學(xué)等分析方法的結(jié)合將是拉曼光譜技術(shù)應(yīng)用于墨跡分析的發(fā)展趨勢。