光譜技術對塑料物證的檢驗研究＊

馬梟，姜紅

光譜技術對塑料物證的檢驗研究＊

馬梟，姜紅

（中國人民公安大學，北京 100038）

塑料作為一種常見的高分子材料，常見于各類案件現(xiàn)場，對于塑料物證的檢驗研究一直是法庭科學領域關注的焦點。光譜法作為一種無損檢驗的技術已在塑料物證理化檢驗中廣泛應用，現(xiàn)階段已有大量的使用紅外光譜法、拉曼光譜法和Χ射線熒光光譜法對塑料物證進行檢驗的研究，通過對其檢驗思路的整理分析，提出將相關學科交叉融合以及多種光譜法相結合的思路，從而推動光譜技術在塑料物證檢驗研究領域的發(fā)展。

塑料物證；紅外光譜法；拉曼光譜法；Χ射線熒光光譜法

塑料作為一種高分子材料已在日常生活中隨處可見，無論是在公共場合還是私人場所，各式各樣的塑料制品都得到了廣泛的使用。近年來，在案件現(xiàn)場塑料物證出現(xiàn)的頻率明顯提升[1]，對于塑料物證的檢驗研究也已逐步深入。物證作為認定案件事實、排除嫌疑的重要依據(jù)，需要不斷地對其進行多方面的研究與分析，該過程的時間跨度與空間跨度均具有不確定性因素。因此，在法庭科學領域，對于物證的無損檢驗一直是研究的重中之重。光譜法作為一種無損檢驗的重要手段，可在不破壞塑料物證的內在結構和外部形態(tài)的基礎上對其理化性質進行分析，推進偵查破案進程。

1 光譜分析技術

光譜法作為一種無損檢驗的方法，能夠滿足檢驗后不損傷檢材的要求，并且由于生產工藝與技術不斷更新，在提高光譜分析精度的同時也研發(fā)出便攜式光譜設備，可實現(xiàn)隨身攜帶、現(xiàn)場出具檢測結果的目的。

當前對于塑料物證的光譜分析方法主要有紅外光譜法、拉曼光譜法和Χ射線熒光光譜法。

1.1 紅外光譜法

紅外光譜法發(fā)展時間較長，包括譜圖庫在內的各種輔助分析工具已較為完善，在塑料物證的檢驗中可發(fā)揮較大作用。紅外光譜法分析塑料物證大致可分為兩大類別：①利用紅外光譜圖特定波數(shù)的特征峰對塑料物證樣本進行識別。劉榮仲等[2]利用紅外光譜法對聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等10種塑料成分進行了檢驗，并通過分析每種成分的紅外譜圖提取出了各成分的特征譜圖帶與特征峰，可將其作為塑料物證成分分類的依據(jù)。張磊等[3]對聚氯乙烯和聚丙烯這兩種食品包裝塑料進行了紅外光譜測量，將樣本譜圖與標準品譜圖進行對比，實現(xiàn)了紅外光譜法對塑料包裝材料的無損檢驗識別。②借助計算機分類算法與化學計量學等方法對整體譜圖數(shù)據(jù)進行分析。郭慧玲等[4]將紅外光譜法與K均值法相結合，實現(xiàn)了對5種材質塑料樣本的識別，最終89個樣本的識別正確率達到了92.1%。李文環(huán)等[5]對7種不同材質共210個樣本進行主成分分析后，將提取的8個主成分數(shù)據(jù)輸入BP神經網(wǎng)絡中，最終模式識別準確率為98.571%。

1.2 拉曼光譜法

拉曼光譜法具有分析準確、檢測迅速等特點，受樣本、空氣中的水、二氧化碳的影響較小，在無機物的檢驗方面表現(xiàn)較為良好，也已在法庭科學中得到了廣泛應用。同樣，關于塑料物證的拉曼光譜分析也可分為譜圖識別和數(shù)據(jù)處理這兩大類。陳和生等[6]利用傅里葉變換拉曼光譜技術對包括PP、PET、PLA等成分的塑料樣進行了檢驗，在提取出各成分特征峰拉曼位移后，對未知樣本所添加填料的種類進行了識別。姜紅等[7]利用拉曼光譜法對EPS泡沫塑料進行了檢驗，依據(jù)所添加的諸如滑石粉、碳酸氫鈉等塑料助劑的特征峰對不同品牌、不同成分的泡沫塑料進行分類。SCHYMANSKI等[8]利用顯微拉曼光譜法對塑料飲料瓶中存在的微塑料進行分析，發(fā)現(xiàn)微塑料主要成分大多是聚酯及聚乙烯，揭示了環(huán)境中微塑料的分布。由于拉曼光譜數(shù)據(jù)與紅外光譜數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式類似，即特定波數(shù)或者拉曼位移對應著一個特定的強度。因此，拉曼光譜數(shù)據(jù)分析方法也與紅外光譜分析方法類似。TSUCHIDA等[9]將拉曼光譜技術與多變量分析相結合，能夠在極短時間內實現(xiàn)對回收塑料制品的識別，可根據(jù)辨別結果對塑料樣本的材質進行分類。

1.3 Χ射線熒光光譜法

Χ射線熒光光譜法測量所得數(shù)據(jù)多為具體元素種類與元素含量，因此無法直觀觀察不同樣本之間的差異，多采用統(tǒng)計學方法對數(shù)據(jù)進行處理后再進行分類。姜紅等[10]借助能量散射型Χ射線熒光光譜儀對不同品牌的藥品塑料包裝材料進行了檢驗，將測量結果進行聚類分析并將分類結果進行Pearson和K-means檢驗，最終實現(xiàn)了藥品塑料包裝材料的分類識別。劉亞昌等[11]對自制爆炸裝置中常見塑料組件進行了XRF分析，將測量所得元素成分數(shù)據(jù)進行SPSS系統(tǒng)聚類，對樣本進行有效的分類，可將該系列方法應用于案件現(xiàn)場塑料爆炸物證的檢驗之中。陳興慧等[12]通過分析Χ射線熒光光譜法測量所得的元素種類與含量發(fā)現(xiàn)Fe、Cu、Pb等元素出現(xiàn)在混雜再生材料的PPR管材中，但純PPR管材中未發(fā)現(xiàn)上述元素，提供了一種檢驗PPR管材是否摻雜再生材料的方法。

2 多種光譜法結合運用

3種光譜法擁有不同的檢驗優(yōu)勢，紅外光譜法譜圖庫等配套設施較為成熟，且已在基層大量配備使用，便于直接查找結果；拉曼光譜圖峰形銳利，對于無機物，特別是塑料物證中的無機填料部分有較好的識別效果；Χ射線熒光光譜法在元素分析方面可快速檢測出多種微量元素，可與前兩種光譜法相結合進行塑料物證的鑒別。竇艷麗等[13]將紅外光譜法與拉曼光譜法相結合，發(fā)現(xiàn)同一樣本在不同類型光譜圖中特征峰存在著較大的差異，將數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)聚類后觀察到拉曼光譜法對塑料中阻燃劑的識別能力強于紅外光譜法。馬梟等[14]利用紅外光譜法對塑料打包帶中塑料成分與填料成分進行了識別，隨后利用Χ射線熒光光譜法對成分相似的樣本所含元素的量進行分析，最終將相似成分樣本區(qū)分開來。朱曉晗等[15]利用拉曼光譜法將塑料鞋套分為PE、PP和CPE三類，再根據(jù)Χ射線熒光光譜法測量樣本中是否存在Ba與Sb元素，并依據(jù)Ca與Fe元素含量之比進行進一步分析，最終結合系統(tǒng)聚類與K均值算法實現(xiàn)對塑料鞋套物證的分類。

3 總結與展望

對于紅外光譜法與拉曼光譜法而言，對譜圖的特征峰觀察和譜圖庫檢索是一種較為傳統(tǒng)與普遍的識別方法，但隨著填料種類以及其他改性成分的增加，利用譜圖進行識別的效率與正確率逐漸降低。因此，目前對于塑料物證的研究方法逐漸從傳統(tǒng)觀察法向計算機統(tǒng)計學方法轉移，現(xiàn)有的聚類方法、判別方法以及神經網(wǎng)絡法在避免人為主觀因素影響的同時提高了識別的準確率，大大降低了時間成本與人工成本。同時，將光譜法與計算機分類算法交叉融合，可在不斷深入發(fā)展的基礎上，實現(xiàn)兩個學科技術的共同進步。同時可以發(fā)現(xiàn)，從早期的單一光譜法檢驗塑料物證發(fā)展到后續(xù)2種光譜法相結合的互相佐證，塑料物證的光譜檢驗技術已逐步向多元化發(fā)展。3種光譜法各有所長：紅外光譜法發(fā)展較早，應用廣泛，對于有機物的識別更為準確；拉曼光譜法對于無機物的檢驗更為靈敏；Χ射線熒光光譜法對于元素種類與含量的檢驗可為分類提供有力依據(jù)。如果將3種光譜技術相結合，便實現(xiàn)了從有機至無機，從物質到元素的系列檢驗，能夠對塑料物證的成分以及相關信息有著更加全面、準確的把控，可推進法庭科學領域對塑料物證的檢驗研究。

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O657.3

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.13.033

2095－6835（2020）13－0087－02

中國人民公安大學2019年度基本科研業(yè)務費重點項目（編號：2019JKF222）

馬梟（1999—），男，主要從事有關刑事科學技術的研究。

姜紅（1963—），女，碩士，教授，主要從事理化檢驗方面的研究。

〔編輯：張思楠〕