Nei系数法在火场汽油燃烧残留物GC-MS检验结果分析中的应用

俞哲文，杨 涵，张 健

(武警学院 a.研究生队； b.基础部，河北 廊坊 065000)

气相色谱-质谱(GC-MS)联用技术具有所需样品量少、分辨率高的优点，在火灾调查中得到了广泛应用。目前，国内外对于利用GC-MS鉴定火场易燃液体形成了比较成熟的标准，如美国ASTM E1618-10和我国《火灾技术鉴定方法 第5部分：气相色谱-质谱法》(GB/T 18294.5—2010)等。这些标准都是通过比较样品与汽油的总离子流图和特征离子色谱图来对谱图进行识别。这种方法适用于汽油含量较高，燃烧基质裂解产物干扰较少的场合，因为从总离子流图就能看出色谱峰的整体分布形态，鉴定人员很容易做出判断。但在汽油含量很低或燃烧基质干扰严重的场合下，检验结果受鉴定人员的主观影响较大，容易产生误判。针对上述情况，国内已有学者对汽油残留物GC-MS检验结果的分析方法进行了试验探索[1-3]。本文针对上述问题，进行模拟燃烧试验，试验样品采用GC-MS分析，通过比较样品与汽油的特征提取离子流图，并根据改进的Nei系数法比较样品与汽油指纹色谱图的相似度，判断燃烧残留物中是否含有汽油。

1 试验仪器材料与方法

1.1 仪器

试验仪器为：Agilent 6890气相色谱仪，Agilent 5973质谱仪，超声波震荡器，丁烷喷枪，锡箔纸盒，烧杯，0.45 μm滤纸。色谱条件：色谱柱型号为HP-5(5% Phenyl MethylSiloxane，规格30 m×0.25 mm×0.25 μm)。载气为氦气(纯度99.999%)，流量为1.2 mL·min-1。色谱柱采取程序升温，初始柱温为50 ℃，保持3 min，以10 ℃·min-1升温至150 ℃，保持2 min，再以6 ℃·min-1升温至260 ℃，保持10 min。溶剂延迟时间为3 min。质谱条件：电离源为EI源，电子能量70 eV。传输线温度为280 ℃，离子阱温度为200 ℃，溶剂延迟为3.0 min。扫描方式为全扫描方式(Full Scan)，质量范围为50︰400。

1.2 材料

93#汽油，从市场购买的报纸、毛巾、涤纶、瓦楞纸、棉布、化纤地毯、松木条、橡胶等各种燃烧载体(燃烧基质)，正己烷(色谱纯)。

1.3 试验方法

以一定量的报纸、毛巾、涤纶、瓦楞纸、棉布、化纤地毯、松木条、橡胶等为燃烧载体，加入10 mL93#汽油，用丁烷喷枪点燃，无法持续燃烧的用喷枪协助燃烧一定时间，待其自然熄灭后用脱脂棉收集燃烧残留物，用正己烷溶剂萃取，并用超声波振荡器振荡5 min，用0.45 μm滤纸过滤即得到样品溶液。同时设置不加汽油的对照组。为了避免偶然性，每个试验重复两次。

2 汽油指纹谱图的建立

2.1 指纹谱图的建立

通过研读GB/T 18294.5—2010、ASTM E 1618—10及汽油目标化合物相关论文，依靠化学工作站NIST谱库检索，确定了23种汽油特征目标化合物，并在汽油的烷烃类(m/z=57，85)、芳香烃类(m/z=91，106，134)、萘类(m/z=128，142，156)、茚满类(m/z=116,131)4个特征离子色谱图(EIC)上标识峰号。图1依次为汽油总离子流图、烷烃类特征离子色谱图、芳烃类特征离子色谱图、茚满类特征离子色谱图和萘类特征离子色谱图，图中各个特征峰的归属见表1。

图1 汽油的总离子流图及提取离子流图

表1 汽油各色谱峰的归属表

取93#汽油1 mL，加入正己烷200 mL溶液，摇匀。精密吸取汽油稀释液1 μL进样10次，根据上文确定的23个标识汽油特有组分的特征峰采用均值法建立指纹谱图[4]。10次汽油稀释液与对照指纹谱图相似度计算结果分别为0.928,0.998,0.927,0.996,0.981,0.987,0.995,0.978,0.971,0.993。

2.2 方法学考察

方法学考察有[5]：(1)考察精密度。精确吸取汽油稀释液各1 μL，连续进样7次，各谱图分别以4号、15号、18号和21号峰为参照峰，计算各特征峰的相对保留时间和相对峰面积RSD均<2%，表明仪器精密度较好。(2)考察稳定性。精确吸取汽油稀释液各1 μL，分别于制备后0,3,6,9,12,18,24 h进样，各谱图分别以4号、15号、18号和21号峰为参照峰，计算出各特征峰的相对保留时间和相对峰面积RSD均<2%，表明测试溶液在24 h内稳定。(3)考察重复性。取同一批次汽油7份，按照2.1的方法稀释后，分别精确吸取1 μL，各谱图分别以4号、15号、18号和21号峰为参照峰，计算出各特征峰的相对保留时间和相对峰面积RSD均<2%，表明该方法重复性较好。

3 检验结果分析

Nei系数法是由Nei提出的，最初用于刻画个体间的遗传相似度。Nei系数法也称峰重叠率法，其算法如下：

峰重叠率/%=(样品指纹谱图与对照指纹谱图共有峰×2)/(样品指纹谱图峰数+对照指纹谱图峰数)×100%

Nei系数法只能从质的角度考察指纹谱图的相似性，不能反应指纹谱图峰强度的变化对相似性的影响。在此基础上学者将峰重叠率和共有峰强度结合改进了Nei系数法。改进的Nei系数法不仅考虑了色谱指纹谱图的整体性，还把色谱指纹谱图的重叠率和共有峰的峰强度有机的结合起来，数据预处理简单，计算便捷，判断准确，不需要复杂的模式识别方法，且灵敏度高于其他相似度计算方法。改进的Nei系数法算法描述具体如下[6-7]：

设定待测样本1表示为：

Sα=(Sα1，Sα2，Sα3，…，Sαi，…，Sαn)，i=1,2，…，n，n∈N

设定待测样本2表示为：

Sβ=(Sβ1，Sβ2，Sβ3，…，Sβi，…，Sβm)，i=1,2，…，m，m∈N

式中，n和m分别是待测样本1和2的最大采样数。

对待测样本1和2各个目标特征峰依据保留时间按照表1中给出的顺序进行编号，如果某一指纹谱图在某处无目标特征峰出现(即峰面积为零)，仍分配相应的编号，以保证两个待测的指纹谱图具有相同的色谱峰数。以谱图峰面积，或者峰面积的比率，或者峰高称为图谱峰的强度，h为纵坐标，以谱图特征峰的编号为横坐标，建立二维坐标系，将同一样本的所有特征点连线后，构成该样本的特征曲线，其重合比率为：

式中，n1,n2分别是待测样本1和2中的实际色谱峰数；nt是待测样本1和2的共有峰数；h1i,h2i分别是待测样本1和2的编号为i的共有峰强度。

实际应用改进的Nei系数法计算的相似度进行判断时，以汽油指纹谱图为基准，计算出待鉴定样品的指纹谱图与指纹谱图的相似度；求出汽油指纹谱图与其他汽油残留物谱图相似度平均值，其中最小值即为相似度阈值；某一待鉴定样品的评价可通过该样品的指纹谱图相似度的平均值与阈值比较确定，相似度大于阈值的样品则初步判断为样品中含有汽油，反之则样品中不含汽油。

利用上文公式计算汽油指纹谱图和9张不同载体的汽油燃烧残留物谱图的相似度，结果列入表2，表中编号1为汽油指纹谱图，编号2～10为不同载体的汽油燃烧残留物色谱图。由表2可以看出汽油燃烧残留物相似度的平均值最小值(即阈值)为0.57。即相似度高于0.57则判断为样品检出汽油助燃剂，反之则未检出汽油助燃剂。

表2 汽油样品之间的谱图相似度

利用上文公式计算汽油指纹谱图与武警学院火灾物证鉴定中心曾经做过的助燃剂鉴定的9个样品色谱图的相似度，结果列入表3，表中编号1为汽油指纹谱图，编号2～10为已经完成鉴定的样品色谱图。根据上文判断方法，编号5、编号7、编号10这三个样品色谱图相似度均大于0.57，判断为样品中检出汽油助燃剂成分，剩余样品则判断为样品中未检出汽油助燃剂成分。这一结果与实际鉴定结果完全相同。

表3 汽油指纹谱图与9个鉴定样品的相似度

4 结论

利用样品色谱图与汽油色谱图的相似度做辅助判断是火灾易燃液体鉴定发展的一个方向，而改进的Nei系数法计算色谱图相似度是目前公认的较为准确的计算方法。该方法不仅考虑了缺失特征组分的情况，而且考虑了弱小色谱峰的影响，具有很强的均一性和稳定性。同时，该方法可以直接使用气相色谱，相对保留指纹谱图数据，无须进行数据预处理工作，容易编制软件实现，也能利用基本办公软件Excel计算。同时，想要提高该方法的准确度，还需要更大样本容量的支持。

参考文献：

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[2] 顾海昕,黄昊,张永丰,等.GC/MS/AMDIS法检测火场常见基质中的汽油目标成分残留[J].中国司法鉴定,2009(6):28-32.

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[4] 何凌云,陈燕燕.五指毛桃高效液相色谱指纹图谱研究[J].中南药学,2015,13(7):681-684.

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