近紅外光譜法對(duì)假發(fā)用纖維的定性鑒別

賈凱凱，劉鵬，周兆懿

(上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 200040)

0 前言

目前，全球五分之四以上的假發(fā)制品由中國(guó)生產(chǎn)，中國(guó)已經(jīng)成為全球假發(fā)制品最大的生產(chǎn)及出口國(guó)。隨著國(guó)內(nèi)假發(fā)制品消費(fèi)結(jié)構(gòu)不斷升級(jí)，假發(fā)片、假發(fā)塊儼然成為女性的裝飾必備品，因此對(duì)假發(fā)制品的品質(zhì)要求也越來(lái)越高。假發(fā)根據(jù)原材料分類，可分為化纖發(fā)、動(dòng)物毛發(fā)和人發(fā)。假發(fā)制品材質(zhì)的不同決定了其品質(zhì)、價(jià)格及穿戴性能，其中人發(fā)的價(jià)格最為昂貴，動(dòng)物毛發(fā)次之，化纖發(fā)最為便宜。由于商家對(duì)利益的追求，導(dǎo)致市場(chǎng)上出現(xiàn)大量“以次充好”的亂象。由于人發(fā)最為昂貴，導(dǎo)致非人發(fā)產(chǎn)品冒充真人發(fā)的情況最為嚴(yán)重。

對(duì)于假發(fā)用纖維的檢測(cè)，主要依據(jù)紡織品纖維的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行[1]。采用紡織品標(biāo)準(zhǔn)對(duì)假發(fā)進(jìn)行檢測(cè)，其對(duì)化纖部分較為有效，對(duì)毛發(fā)部分的檢測(cè)則有所欠缺。一方面，由于紡織品中不存在真人發(fā)的使用，也沒(méi)有真人發(fā)的檢測(cè)方法。另一方面，對(duì)于其他動(dòng)物毛發(fā)的檢測(cè)，紡織品主要依據(jù)動(dòng)物毛發(fā)鱗片層結(jié)構(gòu)的差異進(jìn)行鑒別。動(dòng)物毛發(fā)在制作假發(fā)過(guò)程中，為了更好的穿戴效果，往往會(huì)進(jìn)行酸化處理，破壞了鱗片層結(jié)構(gòu)，致使無(wú)法依據(jù)紡織品標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)[2-3]。近紅外光譜法作為一種快速、高效且無(wú)損的定性檢測(cè)方法，測(cè)試過(guò)程中不受纖維微觀物理形態(tài)的影響，已經(jīng)多次用于紡織品纖維鑒別中[4-9]，本文采用此方法對(duì)假發(fā)用纖維進(jìn)行鑒別，彌補(bǔ)了現(xiàn)有檢測(cè)方法的不足。

1 儀器與材料

1.1 試驗(yàn)儀器

布魯克近紅外光譜儀，傅里葉變換，漫反射積分球附件，PbS檢測(cè)器，掃描分辨率為2 cm-1，光譜范圍12 500 cm-1～3 500 cm-1，具有光譜采集、光譜預(yù)處理、定性等功能。

1.2 樣品選擇

選擇具有代表性、種類齊全的樣品建立校正集和驗(yàn)證集，其中人發(fā)樣品包含原材料人發(fā)及經(jīng)過(guò)酸處理的人發(fā)，產(chǎn)地包括中國(guó)、越南和印度等多地區(qū)；動(dòng)物毛發(fā)有羊毛、牛毛、馬毛及駱駝毛等，化學(xué)纖維選擇了最常見(jiàn)的PET（聚酯纖維）和PVC（聚氯乙烯纖維）。

2 定性模型建立

由于人發(fā)和動(dòng)物毛發(fā)都由蛋白質(zhì)組成，其物理和化學(xué)性質(zhì)相似，與化學(xué)纖維的性質(zhì)差異較大，所以首先將人發(fā)和動(dòng)物毛發(fā)作為整體，即毛發(fā)纖維，建立毛發(fā)纖維與化學(xué)纖維的定性模型。為了精確區(qū)分毛發(fā)纖維與化學(xué)纖維，可以有效選取差異明顯的波段，使所建模型的精度盡可能高。然后，建立人發(fā)和動(dòng)物毛發(fā)定性模型，進(jìn)一步區(qū)分人發(fā)和動(dòng)物毛發(fā)。由于二者性質(zhì)相似，近紅外光譜顯示無(wú)明顯差異，如圖1、圖2所示。因此，近紅外光譜法可選波段范圍較窄，需要多次調(diào)整參數(shù)，直至這2類纖維可明顯區(qū)分。

圖1 人發(fā)的近紅外光譜圖

圖2 動(dòng)物毛發(fā)的近紅外光譜圖

為了消除近紅外光譜中一些與待測(cè)樣品性質(zhì)無(wú)關(guān)的因素，如樣品物理狀態(tài)、測(cè)量環(huán)境及儀器響應(yīng)等帶來(lái)的干擾，提高光譜信噪比。試驗(yàn)采用多種預(yù)處理方法對(duì)光譜進(jìn)行預(yù)處理，并選擇合適的建模波段。

2.1 采集樣品的近紅外光譜

采集所選擇的人發(fā)、動(dòng)物毛發(fā)、PET和PVC等建模樣品近紅外漫反射光譜，建立校正集和驗(yàn)證集，其中驗(yàn)證集樣品未參與過(guò)校正集，光譜采集范圍為12 500 cm-1～3 500 cm-1，分辨率為2 cm-1。在樣品光譜采集過(guò)程中，每條光譜信號(hào)掃描32次，樣品完全覆蓋檢測(cè)口，保證不透光。每類樣品的近紅外光譜如圖1、圖2及圖3所示。

圖3 化學(xué)纖維的近紅外光譜圖

光譜有效信息主要集中在7 000 cm-1～3 500 cm-1波段，并且噪音信息也較少。觀察總體光譜形狀，人發(fā)和動(dòng)物毛發(fā)與PET、PVC的光譜有明顯區(qū)別，所以在后續(xù)建立毛發(fā)纖維與化學(xué)纖維的定性模型時(shí)，這2類纖維較為容易區(qū)分，波段和預(yù)處理方法可選范圍較大，6 000 cm-1～3 500 cm-1波段幾乎都可以選取，人發(fā)與動(dòng)物毛發(fā)的光譜幾乎一致，肉眼無(wú)法觀察到明顯區(qū)別。在后續(xù)建立人發(fā)與動(dòng)物毛發(fā)定性模型時(shí)，需要不斷調(diào)整建模波段及預(yù)處理方法，直至達(dá)到滿意效果。

2.2 毛發(fā)纖維與化學(xué)纖維的定性模型

將毛發(fā)纖維（人發(fā)和動(dòng)物毛發(fā)）、PET和PVC作為3組不同試驗(yàn)類別，采用一階導(dǎo)數(shù)（平滑點(diǎn)數(shù)為9）結(jié)合矢量歸一化對(duì)所采集的近紅外光譜進(jìn)行預(yù)處理，選取這3類纖維光譜特征差異較大的波段5 959.3 cm-1~3 857.2 cm-1，采用因子化法（主成分分析）進(jìn)行分析建模，得到毛發(fā)纖維與化學(xué)纖維校正模型主成分得分圖，見(jiàn)圖4。

圖4 毛發(fā)纖維與化學(xué)纖維校正模型預(yù)測(cè)結(jié)果

動(dòng)物毛發(fā)、PET和PVC這3類纖維無(wú)交叉部分，即可說(shuō)明所建模型可有效區(qū)分這3類樣品。將驗(yàn)證集樣品的近紅外光譜帶入校正模型中進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)校正模型的準(zhǔn)確度進(jìn)行檢驗(yàn)，正判率為100%。這說(shuō)明所建立的毛發(fā)纖維與化學(xué)纖維定性模型可以有效鑒別毛發(fā)纖維和化學(xué)纖維。

2.3 人發(fā)與動(dòng)物毛發(fā)的定性模型

將人發(fā)和動(dòng)物毛發(fā)作為2組不同試驗(yàn)類別，采用二階導(dǎo)數(shù)（平滑點(diǎn)數(shù)為25）對(duì)近紅外光譜進(jìn)行預(yù)處理，選用4 948.7cm-1~4 605.4cm-1波段，采用因子化法（主成分分析）進(jìn)行分析建模，得到人發(fā)與動(dòng)物毛發(fā)校正模型主成分得分圖，見(jiàn)圖5。人發(fā)與動(dòng)物毛發(fā)沒(méi)有交叉區(qū)域，可明顯區(qū)分，這說(shuō)明所建模型達(dá)到理想效果。由于動(dòng)物毛發(fā)為多種動(dòng)物毛的組合，所以毛發(fā)纖維樣品在得分圖分布中較為分散。

圖5 人發(fā)與動(dòng)物毛發(fā)校正模型的預(yù)測(cè)結(jié)果

將驗(yàn)證集樣品的近紅外光譜帶入判別模型中，對(duì)模型的準(zhǔn)確度進(jìn)行檢驗(yàn)，正判率為100%。這說(shuō)明所建立的人發(fā)與動(dòng)物毛發(fā)定性模型可有效鑒別人發(fā)和動(dòng)物毛發(fā)。如果被測(cè)樣品在毛發(fā)纖維與化學(xué)纖維定性模型中的測(cè)試結(jié)果為化學(xué)纖維（PET或PVC），則測(cè)試結(jié)束；如果測(cè)試結(jié)果為毛發(fā)纖維，則需再次使用人發(fā)與動(dòng)物毛發(fā)定性模型對(duì)該樣品進(jìn)行測(cè)試，最終被測(cè)樣品分辨為人發(fā)還是動(dòng)物毛發(fā)。

3 結(jié)論

基于上述建立的2個(gè)近紅外定性模型，可以快速高效地對(duì)人發(fā)、動(dòng)物毛發(fā)和化學(xué)纖維進(jìn)行定性鑒別，對(duì)于待測(cè)假發(fā)樣品，只需采集其近紅外光譜，再代入近紅外定性模型，即可實(shí)現(xiàn)假發(fā)材質(zhì)鑒別，整個(gè)測(cè)試過(guò)程僅需幾分鐘。市場(chǎng)上的假發(fā)產(chǎn)品在成分組成上并不復(fù)雜，混合材質(zhì)的假發(fā)產(chǎn)品幾乎都是毛發(fā)纖維與化學(xué)纖維2種組分的混合物。所以對(duì)于混合發(fā)而言，在測(cè)試過(guò)程中，只要模型判定的結(jié)果為“都不是”，例如使用毛發(fā)纖維與化學(xué)纖維對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試，判定結(jié)果既不是毛發(fā)纖維，也不是化學(xué)纖維，此時(shí)可認(rèn)為被測(cè)樣品為毛發(fā)纖維與化學(xué)纖維的混合產(chǎn)品。對(duì)于假發(fā)這類價(jià)格昂貴、款式多樣、單一樣式數(shù)量少的產(chǎn)品，采用具有快速無(wú)損特點(diǎn)的近紅外光譜法進(jìn)行鑒別，會(huì)大大降低檢測(cè)的經(jīng)濟(jì)成本，此方法也更適合監(jiān)管部門(mén)規(guī)范假發(fā)市場(chǎng)，以保障消費(fèi)者權(quán)益。（ ）