放置時(shí)間對(duì)汽油燃燒殘留物定量分析的影響

楊勇儀 劉玲 吳學(xué)子 中國(guó)人民警察大學(xué)

引言

放火火災(zāi)極大危害了人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，并且會(huì)對(duì)地區(qū)甚至整個(gè)社會(huì)的穩(wěn)定造成破壞。放火案件雖然占火災(zāi)總數(shù)比較少，但是其財(cái)產(chǎn)損失、人員傷亡和社會(huì)影響要高于一般案件。放火嫌疑人為了更有效實(shí)施放火行為，往往會(huì)選擇使用汽油、酒精等便宜易得的易燃液體去引燃和加速火災(zāi)的發(fā)生發(fā)展，2009年6月至2016年1月發(fā)生的公交車(chē)縱火案造成了104人死亡、365人受傷[1]，而縱火助燃物質(zhì)中使用頻率最高的是汽油[2]。因此對(duì)易燃液體燃燒殘留物的檢測(cè)和識(shí)別是法庭科學(xué)中火災(zāi)刑事案件中的重要課題。

實(shí)際中助燃劑送檢往往會(huì)放置在物證密封袋中一段時(shí)間，才會(huì)送至檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行助燃劑物證鑒定。何芬芬[3]將放置于物證密封袋0、3、5、7、9d的醇酸油漆稀料燃燒殘留物進(jìn)GC-MS分析，發(fā)現(xiàn)醇酸油漆稀料燃燒殘留物中較為穩(wěn)定的C2苯、萘、菲、熒蒽、芘和茚滿的含量隨放置時(shí)間增加而減少。何柳[4]發(fā) 現(xiàn)隨著放置時(shí)間延長(zhǎng)，120#汽油燃燒產(chǎn)物中單環(huán)芳烴及其衍生物含量不斷減少、稠環(huán)芳烴保留較好，但一周后放置基本無(wú)法檢測(cè)出任何特征組分；支有冉[5]通過(guò)比較汽油燃燒后和放置10d后的煙塵譜圖發(fā)現(xiàn)兩者特征物質(zhì)基本一致且大多數(shù)成分峰面積變化不大，但豐度驟降。國(guó)內(nèi)外關(guān)于不同放置時(shí)間下的助燃劑燃燒殘留物的定性分析已經(jīng)相當(dāng)成熟，關(guān)于放置時(shí)間對(duì)助燃劑燃燒殘留物定量分析的影響的研究相對(duì)較少，盡管定性分析已經(jīng)能夠闡述清楚放置時(shí)間對(duì)汽油燃燒殘留物的影響，但仍需定量分析以明確的特征組分含量和數(shù)據(jù)或比例更客觀直接地對(duì)其殘留物相關(guān)譜圖做出補(bǔ)充和解釋說(shuō)明。俞哲文[6]對(duì)汽油指紋譜圖同9種基質(zhì)載體汽油燃燒殘留物進(jìn)行定量分析后，用改進(jìn)Neil系數(shù)法評(píng)價(jià)其相似性；而金南江[7]用皮爾遜積矩系數(shù)定量分析丁苯橡膠燃燒殘留物同汽油的相似度，發(fā)現(xiàn)相似度較高，丁苯橡膠對(duì)汽油鑒定干擾較大。

結(jié)合上述文獻(xiàn)，本文將汽油燃燒殘留物放置在室溫10℃左右的物證密封袋中0、1、3、7、14d后，采用GCMS得出不同放置時(shí)間下的汽油燃燒殘留物的特征組分變化情況，再利用外標(biāo)法對(duì)其選定特征組分的含量進(jìn)行測(cè)定，并利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)和歐氏距離對(duì)不同放置時(shí)間的殘留物譜圖相似度進(jìn)行評(píng)價(jià)，從定量角度研究放置時(shí)間對(duì)汽油燃燒殘留物中特征組分具體含量的影響，為實(shí)際火災(zāi)物證鑒定的工作提供實(shí)際數(shù)據(jù)的參考。

一、實(shí)驗(yàn)部分

（一）儀器與試劑

1.實(shí)驗(yàn)材料

市售92#乙醇汽油，脫脂棉、正己烷；標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)儲(chǔ)備液：乙苯、1,2,3-三甲基苯、1,3,5-三甲基苯、萘、1-甲基萘、2-甲基萘。

Agilent 7890B-5977B型氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀配7693自動(dòng)進(jìn)樣器；Agilent MassHunter工作站；SK3310LHC超聲波清洗器；電子分析天平；HZ-1型火災(zāi)痕跡物證綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)（中國(guó)人民警察大學(xué)設(shè)計(jì)），單室模擬實(shí)驗(yàn)箱。

（二）樣品制備

1.標(biāo)準(zhǔn)溶液配制

將標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)乙苯、1,2,3-三甲基苯、1,3,5-三甲基苯、萘、1-甲基萘、2-甲基萘各取0.01g于100mL容量瓶中，加正己烷定容至100mL，配制成濃度為0.1mg/mL的溶液。再用正己烷將溶液稀釋成五個(gè)不同濃度梯度（μg/mL）的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)溶液系列。配置的六種純物質(zhì)濃度詳見(jiàn)表1。

2.汽油燃燒殘留物的制備

有些基質(zhì)在分解或熱解后會(huì)產(chǎn)生和助燃劑燃燒殘留物相同或相似的特征產(chǎn)物，對(duì)助燃劑的識(shí)別鑒定帶來(lái)干擾，如花園軟管[8]和 地毯基質(zhì)[9]熱解氣味與助燃劑就存在顯著化學(xué)相似性，而純棉、脫脂棉[10]對(duì)助燃劑鑒定干擾較小。同時(shí)考慮到1/8的縮小尺度模擬實(shí)驗(yàn)與全尺寸的實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為符合[11]。因此在實(shí)際模擬實(shí)驗(yàn)中選擇“0.3m×0.45m×0.3m”的燃燒室，四壁和地板由石膏板組成，天花板由玻璃構(gòu)成。在燃燒室內(nèi)鋪上一個(gè)一次性錫紙坩堝，然后往一次性錫紙坩堝內(nèi)添加15mL汽油和3g的脫脂棉。在11月平均室溫為10℃正常通風(fēng)的狀態(tài)下，用點(diǎn)火器點(diǎn)燃并任其自然熄滅，用秒表記錄其燃燒總時(shí)間，燃燒實(shí)驗(yàn)重復(fù)6次。完全燃燒總時(shí)間分別為232s、245s、238s、246s、254s、228s?？芍?5mL的汽油完全燃燒大致需要240s，考慮到人為撲滅待混合物燃燒進(jìn)行至3/4即180s時(shí)用水撲滅火，以獲得汽油燃燒殘留物。待其完全冷卻后，稱(chēng)量重復(fù)實(shí)驗(yàn)中汽油燃燒殘留物的質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)在3g左右，所以選擇重量為3.0±0.05g的汽油燃燒殘留物樣品常溫放置在物證密封袋中0、1、3、7、14d，使用20mL的正己烷對(duì)其萃取，濃縮至0.5mL后進(jìn)樣分析。

（三）GC-MS分析條件

1.色譜條件

分流比10:1，He氣流速20mL/min，柱前壓800kpa。柱溫從100℃階梯式升高至250℃。柱溫：100℃（恒溫2min），5℃/min至150℃（恒溫2min），8℃/min至250℃（恒溫10min）。

2.質(zhì)譜條件

舉行典禮的廣場(chǎng)上擠滿了人，那個(gè)撿到鼻子的小孩站在頒獎(jiǎng)臺(tái)上，結(jié)結(jié)巴巴不知說(shuō)什么才好：“我……看到有個(gè)人掉了鼻子，我就撿起鼻子追了上去，因?yàn)榕艿蔑w快，半路上把一個(gè)小姑娘的耳朵碰了下來(lái)——當(dāng)然，我停下來(lái)替她把耳朵裝好，再繼續(xù)追……”

離子源溫度230℃，GC/MS接口溫度280℃，四級(jí)桿溫度150℃；EI離子源，電子能量70ev；全掃描（SCAN）質(zhì)量范圍 50～500aum，選擇離子掃描方式（SIM）73m/z，90m/z。

（四）實(shí)驗(yàn)重復(fù)性

為加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性與可重現(xiàn)性，對(duì)五種不同濃度的六種純物質(zhì)進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn)，對(duì)每組汽油燃燒殘留物平行進(jìn)樣3次，觀察物質(zhì)色譜峰的保留時(shí)間、譜圖豐度和峰面積。倘若同一條件下譜圖烷烴、芳香烴、稠環(huán)芳烴、茚滿、多環(huán)芳烴物質(zhì)信息相差較大，則進(jìn)行淘汰補(bǔ)充平行實(shí)驗(yàn)。

（五）譜圖相似度評(píng)價(jià)

2009年美國(guó)國(guó)家科學(xué)院（NAS）報(bào)告的發(fā)布加速了在法醫(yī)分析范式轉(zhuǎn)變識(shí)別和比較分析中應(yīng)用統(tǒng)計(jì)和模式識(shí)別方法的進(jìn)程。色譜譜圖相似性計(jì)算是指目標(biāo)圖譜矢量轉(zhuǎn)化為空間向量，再通過(guò)相似度算法同標(biāo)準(zhǔn)特征譜圖比較，對(duì)空間向量進(jìn)行計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)相似度的評(píng)價(jià)[12]。

選用皮爾遜相關(guān)系數(shù)（PPMCC）、歐式距離可用來(lái)評(píng)判兩個(gè)譜圖數(shù)據(jù)的相似性，將需要進(jìn)行譜圖相似度評(píng)價(jià)的兩組數(shù)據(jù)定為X、Y。N為數(shù)據(jù)中的變量個(gè)數(shù)。公式見(jiàn)式（1）、（2）。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

（一）標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

各類(lèi)色譜分析定量分析的方法大體上是相同的，因?yàn)樯V的峰高和峰面積與相應(yīng)組分的濃度數(shù)量成正比，因此較多使用峰高或者峰面積等參數(shù)來(lái)作為其定量依據(jù)。為確定定量依據(jù)，以1,2,3-三甲基苯為例，在相同的色譜條件下，將配置的不同濃度的1,2,3-三甲基苯三次進(jìn)樣，測(cè)定其峰面積和相對(duì)峰高，再以其對(duì)應(yīng)的峰面積（Y1）和峰高（Y2）比各物質(zhì)的濃度（X）進(jìn)行線性回歸，發(fā)現(xiàn)1,2,3-三甲基苯在1～ 50μg/ mL范圍內(nèi)線性關(guān)系較好，相關(guān)系數(shù)R12、R22為0.9986、0.9984，均大于0.995。分別計(jì)算了保留時(shí)間和峰面積、峰高的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）為0.0337%、2.6557%、3.3024%。綜合考慮選擇峰面積比濃度為定量依據(jù)。對(duì)余下五種物質(zhì)的峰面積（Y）比對(duì)應(yīng)的不同濃度（X）進(jìn)行線性回歸，發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)線性關(guān)系良好，相關(guān)系數(shù)R2均大于0.99，保留時(shí)間和峰面積、峰高的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于6%，其定量曲線范圍穩(wěn)定可靠。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

（二）不同放置時(shí)間汽油燃燒殘留物定性分析

由圖1不同放置時(shí)間的汽油燃燒殘留物總離子流圖可知，密閉狀態(tài)下放置不同時(shí)間譜圖差異明顯，隨著放置時(shí)間延長(zhǎng)，物質(zhì)峰保留時(shí)間變化不大，但其相對(duì)豐度明顯下降，可檢出的物質(zhì)峰數(shù)量減少，出峰靠后的物質(zhì)主導(dǎo)地位逐漸顯現(xiàn)，7d后出現(xiàn)基線漂移現(xiàn)象。出于對(duì)儀器的保護(hù)，設(shè)置了三分鐘的延遲，因此出峰時(shí)間過(guò)早的低碳數(shù)烷烴以及苯、甲苯等輕質(zhì)組分并未流出。分別提取烷烴、芳香烴、稠環(huán)芳烴、茚滿類(lèi)物質(zhì)后發(fā)現(xiàn)，烷烴受放置時(shí)間影響較大，立即燃燒殘留物檢出C8-C12烷烴，3d時(shí)大部分烷烴已經(jīng)丟失，只能檢出4種C8烷、C9烷和C11烷，而放置7d只能檢出C9烷，14d后已無(wú)法檢出任何烷烴；而芳香烴受放置時(shí)間影響較小，1d時(shí)可檢出的芳香烴同立即燃燒一致，3d前時(shí)C2-C5苯 物質(zhì)都能檢出，只是C4苯、C5苯檢出物質(zhì)種類(lèi)變少，豐度變低，而7d時(shí)含量較低的C4苯、C5苯無(wú)法檢出，C2苯、C3苯只能檢出鄰二甲苯、對(duì)二甲苯、1,2,3-三甲苯、1,3,5-三甲苯，14d時(shí)只有對(duì)二甲苯和1,3,5-三甲苯匹配度較高；而稠環(huán)芳烴物質(zhì)較為穩(wěn)定，放置7d萘、甲基萘匹配度較好，但二甲基萘、三甲基萘已經(jīng)無(wú)法檢出，而14d時(shí)無(wú)法檢出任何稠環(huán)物質(zhì)；茚滿類(lèi)物質(zhì)3d前物質(zhì)保留較好，7d時(shí)無(wú)法檢出甲基茚滿，但14d已無(wú)法檢出任何茚滿類(lèi)物質(zhì)。從檢出物質(zhì)的種類(lèi)、相對(duì)豐度來(lái)看，放置7d前殘留物可檢出物質(zhì)雖有減少、豐度有所下降，但并不影響汽油的檢出，但延長(zhǎng)到14d放置時(shí)已無(wú)法得出殘留物中得到汽油的結(jié)論。汽油燃燒殘留物的存儲(chǔ)時(shí)間在本次實(shí)驗(yàn)條件下偏短的原因是密閉放置的殘留物處于濕潤(rùn)狀態(tài)，檢出物質(zhì)情況會(huì)受到影響。具體檢出物質(zhì)個(gè)數(shù)見(jiàn)表3。由于多環(huán)芳烴含量較少，檢測(cè)時(shí)易被忽略，故不對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)分析。

（三）不同放置時(shí)間汽油燃燒殘留物相對(duì)含量分析

對(duì)芳香烴、稠環(huán)芳烴、茚滿類(lèi)物質(zhì)峰面積各自進(jìn)行歸一化后，歸一化結(jié)果見(jiàn)圖2、3，結(jié)合峰面積變化和歸一化結(jié)果，可知，在前3d時(shí)芳香烴中C2苯-C5苯均能持續(xù)檢出，輕質(zhì)組分C2苯、C3苯相對(duì)含量占比有了一定程度的下降，重質(zhì)組分C4苯、C5苯相對(duì)含量占比上升。到7d時(shí)C4苯、C5苯無(wú)法檢出，此時(shí)C3苯比例為64.82%，C2苯占35.18%，而實(shí)驗(yàn)使用的汽油為乙醇汽油，C2苯含量較高，所以14d時(shí)C2苯相對(duì)含量升高，此時(shí)占72.59%，而C3苯只有27.41%。

而稠環(huán)芳烴中以萘和甲基萘為主，在7d前均能穩(wěn)定檢出，萘的相對(duì)含量在0～7d內(nèi)均在下降，7d時(shí)萘占比54.71%，甲基萘相對(duì)含量占比持續(xù)上升，7d時(shí)甲基萘相對(duì)含量為45.29%；茚滿類(lèi)物質(zhì)以茚滿為主，茚滿相對(duì)含量一直在下降，而茚滿比甲基茚滿保留的要好些，7d時(shí)只能檢出茚滿。物質(zhì)相對(duì)含量變化基本符合在物質(zhì)均可檢出時(shí)，隨著放置時(shí)間的延長(zhǎng)，輕質(zhì)組分相對(duì)含量占比下降，重質(zhì)組分相對(duì)含量占比上升。

（四）不同放置時(shí)間汽油燃燒殘留物選定特征成分的含量變化分析

芳香烴和稠環(huán)芳烴是汽油鑒定中比較典型的特征物質(zhì)，因此選擇受放置時(shí)間影響較小的六種芳香烴和稠環(huán)芳烴物質(zhì)，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)曲線和檢出物質(zhì)的匹配度得出放置汽油燃燒殘留物0、1、3、7、14d六種特征成分的具體含量變化情況，發(fā)現(xiàn)隨著放置時(shí)間的延長(zhǎng)，六種物質(zhì)雖然保留較好，能夠被持續(xù)檢出，但其含量在不斷下降，放置1d時(shí)，六種物質(zhì)含量雖有下降但仍濃度較高，但到3d時(shí)六種物質(zhì)含量均急劇下降；放置7d時(shí)，1,3,5-三甲基苯和萘含量明顯大幅度下降，從102降到了101，甲基萘下降幅度較小，而乙苯7d時(shí)無(wú)法檢出，1,2,3-三甲基苯由于含量太低超出了標(biāo)準(zhǔn)曲線的測(cè)量范圍；放置14d時(shí)，1,3,5-三甲基苯則從6.532μg/mL降到了2.569μg/mL。綜合看來(lái)，1,3,5-三甲基苯穩(wěn)定性最好，相對(duì)來(lái)說(shuō)受放置時(shí)間影響小，即使放置了14d仍能持續(xù)檢出。具體含量變化見(jiàn)表4。

（五）不同放置時(shí)間汽油燃燒殘留物譜圖相似度評(píng)價(jià)

為了更加客觀評(píng)價(jià)放置時(shí)間對(duì)汽油燃燒殘留物的影響，通過(guò)比較放置0、1、3、7、14d的汽油燃燒殘留物特征物質(zhì)峰的相對(duì)含量的相似度進(jìn)行比較，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同放置時(shí)間汽油燃燒殘留物的譜圖相似度進(jìn)行評(píng)價(jià)。對(duì)烷烴、苯系、萘系、茚滿系物分別進(jìn)行歸一化后，將其相對(duì)比例變化作為譜圖相似度評(píng)價(jià)物質(zhì)指標(biāo)，若該物質(zhì)未檢出，則記為0，采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)和歐氏距離對(duì)放置1、3、7、14d同0d的汽油燃燒殘留物進(jìn)行比較，皮爾遜相關(guān)系數(shù)越接近1，歐氏距離越小說(shuō)明譜圖相似度越好，發(fā)現(xiàn)放置1d皮爾遜相關(guān)系數(shù)為0.9261，歐氏距離為0.4262，表現(xiàn)出極強(qiáng)相關(guān)；放置3d相似度有所下降；但放置7d時(shí)皮爾遜相關(guān)系數(shù)下降到0.4290，僅表現(xiàn)出中度相關(guān)，可證明汽油的檢出；而放置14d皮爾遜相關(guān)系數(shù)為0.1716，歐氏距離為1.3011，譜圖相似度為極弱相關(guān)，無(wú)法證明汽油的存在。譜圖相似度見(jiàn)表5。

三、結(jié)論

本文運(yùn)用GC-MS結(jié)合歸一化法、外標(biāo)法、譜圖相似度評(píng)價(jià)對(duì)不同放置時(shí)間的汽油燃燒殘留物進(jìn)行分析，從定量的角度闡述了放置時(shí)間對(duì)汽油燃燒殘留物的影響，得出以下結(jié)論：

（1）隨著放置時(shí)間的延長(zhǎng)，汽油燃燒殘留物能檢出的特征物質(zhì)逐漸減少，相對(duì)豐度持續(xù)下降，烷烴類(lèi)組分受放置時(shí)間影響較大，輕質(zhì)先丟失，重質(zhì)保留；而芳香烴組分受影響較小，C2苯、C3苯保留較好，在14d時(shí)都有C2苯、C3苯物質(zhì)檢出，而稠環(huán)芳烴中的萘和甲基萘比較穩(wěn)定，7d前都能穩(wěn)定檢出；茚滿類(lèi)組分在7d時(shí)只能檢出茚滿；

（2）在物質(zhì)均可檢出時(shí)隨著放置時(shí)間的延長(zhǎng)，輕質(zhì)組分（C2苯、C3苯、萘、茚滿）相對(duì)含量占比下降，重質(zhì)組分（C4苯、C5苯、甲基萘、甲基茚滿）相對(duì)含量占比上升；

（3）選定的六類(lèi)特征組分乙苯、1,2,3-三甲基苯、1,3,5-三甲基苯、萘、1-甲基萘、2-甲基萘含量隨時(shí)間延長(zhǎng)逐漸下降，7d時(shí)乙苯無(wú)法檢出，1,2,3-三甲基苯由于含量過(guò)低對(duì)其無(wú)法測(cè)定，萘系物7d含量分別降低到10.685μg/mL、2.503μg/mL、5.764μg/mL，而1,3,5-三甲基苯最為穩(wěn)定，14d時(shí)其含量為2.569μg/mL；

（4）使用皮爾遜相關(guān)系數(shù)和歐氏距離作為譜圖相似度指標(biāo)，對(duì)放置1、3、7、14d同0d的汽油燃燒殘留物進(jìn)行比較，隨著放置時(shí)間的延長(zhǎng)，譜圖相似度逐漸降低，放置7d同0d譜圖相似度呈現(xiàn)出中等相關(guān)；

（5）本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，較濕潤(rùn)的汽油燃燒殘留物放置時(shí)間應(yīng)盡量控制在1～3d之內(nèi)，但即使放置7d時(shí)仍不影響檢出汽油。