光谱技术对塑料物证的检验研究＊

马枭，姜红

光谱技术对塑料物证的检验研究＊

马枭，姜红

（中国人民公安大学，北京 100038）

塑料作为一种常见的高分子材料，常见于各类案件现场，对于塑料物证的检验研究一直是法庭科学领域关注的焦点。光谱法作为一种无损检验的技术已在塑料物证理化检验中广泛应用，现阶段已有大量的使用红外光谱法、拉曼光谱法和Χ射线荧光光谱法对塑料物证进行检验的研究，通过对其检验思路的整理分析，提出将相关学科交叉融合以及多种光谱法相结合的思路，从而推动光谱技术在塑料物证检验研究领域的发展。

塑料物证；红外光谱法；拉曼光谱法；Χ射线荧光光谱法

塑料作为一种高分子材料已在日常生活中随处可见，无论是在公共场合还是私人场所，各式各样的塑料制品都得到了广泛的使用。近年来，在案件现场塑料物证出现的频率明显提升[1]，对于塑料物证的检验研究也已逐步深入。物证作为认定案件事实、排除嫌疑的重要依据，需要不断地对其进行多方面的研究与分析，该过程的时间跨度与空间跨度均具有不确定性因素。因此，在法庭科学领域，对于物证的无损检验一直是研究的重中之重。光谱法作为一种无损检验的重要手段，可在不破坏塑料物证的内在结构和外部形态的基础上对其理化性质进行分析，推进侦查破案进程。

1 光谱分析技术

光谱法作为一种无损检验的方法，能够满足检验后不损伤检材的要求，并且由于生产工艺与技术不断更新，在提高光谱分析精度的同时也研发出便携式光谱设备，可实现随身携带、现场出具检测结果的目的。

当前对于塑料物证的光谱分析方法主要有红外光谱法、拉曼光谱法和Χ射线荧光光谱法。

1.1 红外光谱法

红外光谱法发展时间较长，包括谱图库在内的各种辅助分析工具已较为完善，在塑料物证的检验中可发挥较大作用。红外光谱法分析塑料物证大致可分为两大类别：①利用红外光谱图特定波数的特征峰对塑料物证样本进行识别。刘荣仲等[2]利用红外光谱法对聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等10种塑料成分进行了检验，并通过分析每种成分的红外谱图提取出了各成分的特征谱图带与特征峰，可将其作为塑料物证成分分类的依据。张磊等[3]对聚氯乙烯和聚丙烯这两种食品包装塑料进行了红外光谱测量，将样本谱图与标准品谱图进行对比，实现了红外光谱法对塑料包装材料的无损检验识别。②借助计算机分类算法与化学计量学等方法对整体谱图数据进行分析。郭慧玲等[4]将红外光谱法与K均值法相结合，实现了对5种材质塑料样本的识别，最终89个样本的识别正确率达到了92.1%。李文环等[5]对7种不同材质共210个样本进行主成分分析后，将提取的8个主成分数据输入BP神经网络中，最终模式识别准确率为98.571%。

1.2 拉曼光谱法

拉曼光谱法具有分析准确、检测迅速等特点，受样本、空气中的水、二氧化碳的影响较小，在无机物的检验方面表现较为良好，也已在法庭科学中得到了广泛应用。同样，关于塑料物证的拉曼光谱分析也可分为谱图识别和数据处理这两大类。陈和生等[6]利用傅里叶变换拉曼光谱技术对包括PP、PET、PLA等成分的塑料样进行了检验，在提取出各成分特征峰拉曼位移后，对未知样本所添加填料的种类进行了识别。姜红等[7]利用拉曼光谱法对EPS泡沫塑料进行了检验，依据所添加的诸如滑石粉、碳酸氢钠等塑料助剂的特征峰对不同品牌、不同成分的泡沫塑料进行分类。SCHYMANSKI等[8]利用显微拉曼光谱法对塑料饮料瓶中存在的微塑料进行分析，发现微塑料主要成分大多是聚酯及聚乙烯，揭示了环境中微塑料的分布。由于拉曼光谱数据与红外光谱数据表现形式类似，即特定波数或者拉曼位移对应着一个特定的强度。因此，拉曼光谱数据分析方法也与红外光谱分析方法类似。TSUCHIDA等[9]将拉曼光谱技术与多变量分析相结合，能够在极短时间内实现对回收塑料制品的识别，可根据辨别结果对塑料样本的材质进行分类。

1.3 Χ射线荧光光谱法

Χ射线荧光光谱法测量所得数据多为具体元素种类与元素含量，因此无法直观观察不同样本之间的差异，多采用统计学方法对数据进行处理后再进行分类。姜红等[10]借助能量散射型Χ射线荧光光谱仪对不同品牌的药品塑料包装材料进行了检验，将测量结果进行聚类分析并将分类结果进行Pearson和K-means检验，最终实现了药品塑料包装材料的分类识别。刘亚昌等[11]对自制爆炸装置中常见塑料组件进行了XRF分析，将测量所得元素成分数据进行SPSS系统聚类，对样本进行有效的分类，可将该系列方法应用于案件现场塑料爆炸物证的检验之中。陈兴慧等[12]通过分析Χ射线荧光光谱法测量所得的元素种类与含量发现Fe、Cu、Pb等元素出现在混杂再生材料的PPR管材中，但纯PPR管材中未发现上述元素，提供了一种检验PPR管材是否掺杂再生材料的方法。

2 多种光谱法结合运用

3种光谱法拥有不同的检验优势，红外光谱法谱图库等配套设施较为成熟，且已在基层大量配备使用，便于直接查找结果；拉曼光谱图峰形锐利，对于无机物，特别是塑料物证中的无机填料部分有较好的识别效果；Χ射线荧光光谱法在元素分析方面可快速检测出多种微量元素，可与前两种光谱法相结合进行塑料物证的鉴别。窦艳丽等[13]将红外光谱法与拉曼光谱法相结合，发现同一样本在不同类型光谱图中特征峰存在着较大的差异，将数据进行系统聚类后观察到拉曼光谱法对塑料中阻燃剂的识别能力强于红外光谱法。马枭等[14]利用红外光谱法对塑料打包带中塑料成分与填料成分进行了识别，随后利用Χ射线荧光光谱法对成分相似的样本所含元素的量进行分析，最终将相似成分样本区分开来。朱晓晗等[15]利用拉曼光谱法将塑料鞋套分为PE、PP和CPE三类，再根据Χ射线荧光光谱法测量样本中是否存在Ba与Sb元素，并依据Ca与Fe元素含量之比进行进一步分析，最终结合系统聚类与K均值算法实现对塑料鞋套物证的分类。

3 总结与展望

对于红外光谱法与拉曼光谱法而言，对谱图的特征峰观察和谱图库检索是一种较为传统与普遍的识别方法，但随着填料种类以及其他改性成分的增加，利用谱图进行识别的效率与正确率逐渐降低。因此，目前对于塑料物证的研究方法逐渐从传统观察法向计算机统计学方法转移，现有的聚类方法、判别方法以及神经网络法在避免人为主观因素影响的同时提高了识别的准确率，大大降低了时间成本与人工成本。同时，将光谱法与计算机分类算法交叉融合，可在不断深入发展的基础上，实现两个学科技术的共同进步。同时可以发现，从早期的单一光谱法检验塑料物证发展到后续2种光谱法相结合的互相佐证，塑料物证的光谱检验技术已逐步向多元化发展。3种光谱法各有所长：红外光谱法发展较早，应用广泛，对于有机物的识别更为准确；拉曼光谱法对于无机物的检验更为灵敏；Χ射线荧光光谱法对于元素种类与含量的检验可为分类提供有力依据。如果将3种光谱技术相结合，便实现了从有机至无机，从物质到元素的系列检验，能够对塑料物证的成分以及相关信息有着更加全面、准确的把控，可推进法庭科学领域对塑料物证的检验研究。

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O657.3

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.13.033

2095－6835（2020）13－0087－02

中国人民公安大学2019年度基本科研业务费重点项目（编号：2019JKF222）

马枭（1999—），男，主要从事有关刑事科学技术的研究。

姜红（1963—），女，硕士，教授，主要从事理化检验方面的研究。

〔编辑：张思楠〕