对常见塑料瓶的检验方法研究

朱晓晗 姜 红 满 吉 刘 峰 段 斌

(1.中国人民公安大学侦查与刑事科学技术学院，北京，100038；2.北京华仪宏盛技术有限公司，北京,100123；3.南京简智设备仪器有限公司，北京，100020)

塑料瓶的检验与认定是法庭科学中一项重要的工作，纵火、盗窃、交通肇事等犯罪现场中，塑料瓶作为盛装助燃剂等有害液体的容器出现，会被遗留于现场，可被侦查人员作为物证被提取，利用一系列光谱方法对其进行检验分析，可确认其品牌、追溯其来源，从而为追踪和认定犯罪嫌疑人提供参考和依据。

塑料瓶生产厂家为了提高其性能、降低成本或为满足其他需求，常会使用不同填料和一些填料比如碳酸钙等。不同品牌、同一品牌不同系列塑料瓶的颜色、厚度也有所差别，辅助光谱分析仪器和测厚仪、spss分析软件等，可达到对塑料瓶区别检验的目的。

为了达到对光谱数据的进一步深挖，对塑料瓶的红外光谱、差分拉曼光谱以及X射线荧光光谱数据运用化学计量学的方法进行处理，例如系统聚类、K-Means快速聚类、Fisher判别分析、皮尔逊相关性分析和因子分析等，不同的算法可以利用数据达到不同的目的，与光谱法相结合，可实现数据的降维、变量的聚类、模型的建立以及对新数据的预测，对数据进行多指标、多变量的综合分析，符合大数据潮流。

1 红外光谱法检验塑料瓶

红外光谱技术作为一种常用的检验技术，极大简化了对难溶及难粉碎物质的检验，使结构分析变得更加快捷。一直以来，红外光谱在光学计量与测试研究领域有着十分广泛的应用，其中指纹区吸收峰的特征性强，能反映分子结构的细微变化，可用于区别不同化合物结构上的微小差异，该区域犹如人的指纹一般，故称为“指纹区”[1-4]。

实验条件：傅里叶变换红外光谱仪(赛默飞世尔公司)；Smart Performer采样器(波数范围为4000～600 cm-1，赛默飞牌)；测厚仪(杭州研特科技有限公司)；数显(千分)指示表(北京时代山峰科技有限公司)。

利用以上实验条件，对57个不同品牌的塑料饮料瓶进行检验，检测样品根据检测结果可分为聚乙烯 (PE) 和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)两大类材质，且不同样本的红外光谱图吸收峰不同，可以达到区分检验的效果。此方法快速无损，可用于公安实际办案[2]。

2 差分拉曼光谱法检验塑料瓶

差分拉曼光谱能通过降低光谱荧光背景，来检测那些荧光背景较强的样本。差分拉曼光谱是使用两种波长光源对样品照射，获取两张光谱，理想情况下对两张谱图进行差分处理，对于检测荧光背景强的样品效果较好。

实验条件：便携式差分拉曼光谱仪(采集时间40s，功率220W，南京简智仪器有限公司)。

根据差分拉曼光谱图，也可初步将样本分为聚乙烯 (PE) 和聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET)两大类，对于每一类，根据特征波段特征峰的不同可以进行进一步区分，这主要由于不同品牌不同用途的塑料瓶所添加的填料往往有所不同。此方法快速简便，且无需样本特殊前处理，可用于测定塑料瓶里的有机物。

3 X射线荧光光谱法检验塑料瓶

X射线荧光光谱法 (XRF) 因其灵敏度高、分析元素范围宽、分析精密度高、分析速度快，目前，已在许多领域以及法庭科学中得到广泛的应用。

实验条件：能量色散型X射线荧光光谱仪(英国牛津公司，采集时间为60s)。

利用X射线荧光光谱法对塑料瓶进行检验，因不同种塑料瓶所添加的碳酸钙填料质量不同，我们可以根据实验数据中特征元素Ca元素质量分数对样本进行很好的区分[2]。

4 化学计量学

化学计量学是进行光谱数据处理的一类必不可少的方法。在塑料瓶的检验过程中，我们分别运用了因子分析、系统聚类、K-Means快速聚类、相关性分析以及Fisher判别分析的方法[5]。

由于红外光谱数据和差分拉曼光谱数据所存在的特征峰变量较多，为了在减少变量的同时又不大量损毁数据原有信息，因此我们采用因子分析方法中的主成分分析法，对大数据实现降维，指定因子变量，从而使数据处理更简便快速，此后的数据处理便可以在此基础上进行。系统聚类又称层次聚类，系统聚类计算每个样本的距离，根据样本距离的远近进行分组。为确定在并类距离为几时效果较好，同时进行K-Means快速聚类，确定样本的分类组别，效果较好。为了进一步验证分类结果的准确性，对同组不同组样本进行相关性分析，结果表明，同组样本相关性系数在0.9以上，表明距离较近，相关性强；不同组样本相关系数低，表明距离较远，相关性弱。而Fisher判别分析是在此基础上进行新数据变量的预测的一种算法，通过计算每一组样本的质心，建立判别函数，从而推断出新数据类属于哪一组，并将每组质心在判别分析图中绘制，以达到直观区分的目的。Fisher判别分析将42个样本的差分拉曼数据分成了9组，质心区别明显，效果较好[6-7]。

5 结语

为了在犯罪现场中对常见的塑料瓶类物证达到区分效果，分别利用红外光谱法、差分拉曼光谱法以及X射线荧光光谱法对不同品牌不同系列的塑料瓶样本进行检验，使用控制变量法，统一变量，可实现对塑料瓶类物证的检验分析，也可采用两种光谱方法相结合，分别实现有机与无机的检测，效果更显著。为了对光谱数据进一步研究，使用化学计量学，对光谱数据实现降维、聚类、预测等，为公安办案提供依据。