苯扎氯銨對玫瑰紅酸鈉試劑的影響研究

高夢林，李軼昳，沈堯,，陳蕊麗 ,蔡能斌

(1.中國人民公安大學 偵查學院，北京 100038；2.公安部物證鑒定中心，北京 100038；3.上海市現(xiàn)場物證重點實驗室，上海 200083)

彈著痕跡中最快速和最常見的鉛殘留物檢驗方法是玫瑰紅酸鈉的化學顯色法，但該試劑穩(wěn)定性差、易失效[1-3]。Jacobson[4]、汪生云等[5]均提出鉛離子快速檢測試紙只能進行定性分析，無法觀察鉛離子在彈孔周圍的分布，不利于射擊距離和角度等的分析。本文選擇加入苯扎氯銨，一種有效的防腐劑和陽離子表面活性劑[6]，通過實驗并結(jié)合高光譜成像儀的反射率值來判斷絡合物的生成，考察了苯扎氯銨的濃度和儲存條件對試劑有效性的影響，優(yōu)化試劑配方，初步探討了苯扎氯銨增強玫瑰紅酸鈉穩(wěn)定性的原理。并通過對棉布上的鉛殘留物的顯現(xiàn)研究探討了苯扎氯銨對表面活性的影響，即其對顯色度的影響。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

玫瑰紅酸鈉、苯扎氯銨溶液(98%)、鉛標液(1 000 μg/mL)、冰醋酸、硫代硫酸鈉、亞硫酸鈉、鹽酸羥胺均為分析純;去離子水；BenchKote(桌面保護膜Whatman)。

SHIS-N200可見光近紅外凝視型高光譜成像儀。

1.2 溶液配制

30%醋酸溶液：取冰醋酸溶液(99.5%)30 mL定容至100 mL。

1.3 最佳波長的選擇

按物質(zhì)對光的吸收程度隨光的波長不同而變化，吸收度最大處的波長叫作最大吸收波長。不同濃度的物質(zhì)，吸收曲線相似，最大吸收波長不變。將現(xiàn)配鉛離子和玫瑰紅酸鈉形成的絡合物進行高光譜掃描，550 nm左右反射率最低即光的吸收程度最大，因此選擇550 nm波長的反射率值來判斷玫瑰紅酸鈉的穩(wěn)定性。

1.4 抗氧化劑的選擇

首先，玫瑰紅酸鈉的穩(wěn)定性隨濃度增大而提高，因此本文配制飽和玫瑰紅酸鈉進行有效性的實驗探究，且經(jīng)過重復多次的實驗發(fā)現(xiàn)，玫瑰紅酸鈉有效時間為30 h左右。

分別配制0.2%硫代硫酸鈉、亞硫酸鈉、鹽酸羥胺溶液加入飽和玫瑰紅酸鈉中，玫瑰紅酸鈉穩(wěn)定性并未增強相反有效時間有所縮短，另外將98%苯扎氯銨1 mL稀釋至50 mL,另取1 mL加入10 mL飽和玫瑰紅酸鈉溶液中，玫瑰紅酸鈉穩(wěn)定性提高，有效性明顯增強。

分析上述現(xiàn)象玫瑰紅酸鈉的抗氧化劑選擇與其pH有關(guān)，硫代硫酸鈉pH=7、亞硫酸鈉pH=9、鹽酸羥胺pH=4、苯扎氯銨pH=8，由于pH值會影響反應物的反應性、溶解性和抗氧化劑的抗氧化效果，從而會以各種不同的方式影響著溶液的穩(wěn)定性，因此應選擇弱堿性的苯扎氯銨進一步探究其配方[7]。

1.5 實驗方法

取98%苯扎氯銨溶液1 mL加入100 mL去離子水配制苯扎氯銨溶液，取飽和玫瑰紅酸鈉溶液10 mL 加入1 mL的上述溶液和1 mL的去離子水作為空白對照，在相同條件下放置。取1 mL鉛標液加入1 mL玫瑰紅酸鈉的混合溶液若出現(xiàn)玫紅色絡合物則證明有效；若無玫紅色絡合物生成則判斷玫瑰紅酸鈉無效。

2 d用滴管取絡合物滴在A4紙上，放置在高光譜成像儀下進行光譜掃描，并在絡合物上選擇正方形區(qū)域計算反射率的平均值。圖1b圖是利用高光譜成像儀配套軟件生成的a圖的偽彩圖，兩圖右邊和左邊以及曲線1和2分別對應加苯扎氯銨和未加的兩種實驗條件，由550 nm處的反射率值可知未加苯扎氯銨的玫瑰紅酸鈉溶液已失效，加了苯扎氯銨的玫瑰紅酸鈉仍有效。

圖1 不加和加苯扎氯銨的玫瑰紅酸鈉生成絡合物的對比圖Fig.1 Comparison of the complexes generated by sodium rhodizonate without and with benzalkonium chloride

2 結(jié)果與討論

2.1 苯扎氯銨對玫瑰紅酸鈉穩(wěn)定性的增強原理

玫瑰紅酸鈉的成分是5,6-二羥基-5-環(huán)己烯-1,2,3,4-四酮二鈉鹽，含有活潑的羰基易和水發(fā)生親核反應，苯扎氯銨作為一種陽離子表面活性劑，是一種含氮的有機胺衍生物中的季銨鹽，其分子中的氮原子含有孤對電子，所以能以氫鍵與溶液中的氫結(jié)合，使氨基帶上正電荷，可以阻止水分子向羰基的親核進攻反應，因此其對玫瑰紅酸鈉有一定的穩(wěn)定作用。苯扎氯銨的水溶液是弱堿性的，加入后升高了原溶液的pH值，促使玫瑰紅酸鈉和水的親核反應平衡向正向移動，從而消耗了玫瑰紅酸鈉的含量，但體系中的化學平衡形成之后，苯扎氯銨仍然起到了穩(wěn)定玫瑰紅酸鈉單體含量的作用。因此苯扎氯銨的量也不能過量，是有臨界濃度值的，即為表面活性劑的臨界膠束濃度(cmc)[8-11]。

2.2 苯扎氯銨濃度的選擇

取98%苯扎氯銨溶液1 mL加入35,50,100 mL去離子水配制苯扎氯銨溶液，按照1.5節(jié)實驗方法在間隔4 d后，比較鉛離子和玫瑰紅酸鈉形成的絡合物550 nm的反射率值，見圖2a、b、c是絡合物生成圖，其中b圖是利用高光譜成像儀配套軟件生成的c圖的偽彩圖，圖2中a、b、c圖的絡合物由左至右以及d的曲線1、2、3分別對應上述濃度。

圖2 加入不同濃度苯扎氯銨的玫瑰紅酸鈉生成絡合物的比對圖Fig.2 Comparisons of the complexes generated by adding sodium rhodizonate at different concentrations of benzalkonium chloride

由圖2可知，將98%苯扎氯銨溶液1 mL稀釋到35 mL為最佳溶液濃度，此時濃度為2.8%且經(jīng)過重復多次的實驗，以1∶10的比例加濃度為2.8%的苯扎氯銨溶液，玫瑰紅酸鈉試劑的有效時間可以延長至4 d左右，穩(wěn)定性大大增強。

2.3 光照的影響

分別取以1∶10比例加了2.8%苯扎氯銨的玫瑰紅酸鈉的混合溶液放置于不避光和避光的玻璃瓶中，4 d后按照上述操作,分別得到圖3a的左右兩邊的絡合物，選點并觀察譜線圖，兩種條件分別對應圖3中a的點1和點2以及b的曲線1和曲線2。由曲線2在550 nm處反射率值<1可知，避光條件下的玫瑰紅酸鈉和鉛離子生成的絡合物濃度更大，其穩(wěn)定性更強。因此在槍擊案件現(xiàn)場，刑偵人員應用棕色試劑瓶或不透光的箱子盛裝試劑。

圖3 改進配方避光與不避光條件下生成絡合物的對比圖Fig.3 Comparisons of the complexes generated under light-proof and non-light-proof conditions for the improved formulation

2.4 顯色度的驗證

苯扎氯銨是一種陽離子表面活性劑，因此本文用兩種方法探究加了苯扎氯銨的玫瑰紅酸鈉對檢驗鉛離子是否有顯色度增強效果。

其一是采用9 mm小口徑的運動步槍以15 cm射擊距離向白棉布射擊，制作彈著痕跡樣本，以Benchkote(15 cm2)為轉(zhuǎn)印介質(zhì)提取棉布的鉛殘留物，先用30%的醋酸浸泡按壓在彈孔，在Benchkote背面以彈孔中線為界用紅筆將轉(zhuǎn)印介質(zhì)分為兩部分，用滴管將現(xiàn)配的玫瑰紅酸鈉和加了苯扎氯銨的配方溶液分別滴加在兩部分，用高光譜觀察并在有顯色反應區(qū)域內(nèi)隨機選取點，得到反射率譜線。其二是將現(xiàn)配的玫瑰紅酸鈉溶液和加了苯扎氯銨的溶液與氯化鉛反映得到的絡合物放置于高光譜成像儀下觀察。

圖4a左邊和右邊分別對應傳統(tǒng)玫瑰紅酸鈉和改進配方溶液的在相機下的顯現(xiàn)效果，而b、c是高光譜配套分析軟件下的偽彩圖。并分別在左邊和右邊分別選擇點1和點2并獲得兩點反射率譜線對應圖d和e。由d的線1,2在550 nm處的反射率值接近0.1，而e的曲線1,2反射率值接近0.12，未能使反射率值降低，但圖d和e曲線1，2的550 nm處反射率值十分相近，即圖5a的左邊和右邊分別對應改進配方和傳統(tǒng)玫瑰紅酸鈉和鉛離子形成的絡合物的反射率值十分接近。由圖可知苯扎氯銨雖能增加玫瑰紅酸鈉的穩(wěn)定性，苯扎氯銨作為抗氧化劑表現(xiàn)突出，但其顯色增強效果不明顯，其作為表面活性劑在增強表面活性的效果不佳。而苯扎氯銨雖未能增強顯色度但對顯色度也無影響，進一步證明其作為抗氧化劑是可行的。

圖4 原玫瑰紅酸鈉溶液和改進配方的顯現(xiàn)效果對比圖Fig.4 Original sodium rhodizonate solution and improved formulation test effects comparison chart

圖5 原玫瑰紅酸鈉溶液和改進配方生成絡合物的對比圖Fig.5 Complexes generated from original sodium rhodizonate solution and improved formulation comparison chart

3 結(jié)論

本文結(jié)合高光譜成像儀利用反射率值探討化學反應的絡合物形成，進而研究了苯扎氯銨對玫瑰紅酸鈉試劑穩(wěn)定性的增強作用，以及其濃度和光照條件的抗氧化效果的影響，找到了最優(yōu)的苯扎氯銨配方及儲存條件，分析了苯扎氯銨作為陽離子表面活性劑在抗氧化方面的作用機理以及其在表面活性方面的作用。雖然顯色度增強效果不明顯，但其抗氧化性延長了玫瑰紅酸鈉試劑有效性，為彈著痕跡的臨場快速顯現(xiàn)提供了便利。所用高光譜成像儀，其操作簡單、靈敏度高且不用在氣相中進行，既節(jié)省時間，又能實現(xiàn)綠色分析。