苯扎氯铵对玫瑰红酸钠试剂的影响研究

高梦林，李轶昳，沈尧,，陈蕊丽 ,蔡能斌

(1.中国人民公安大学 侦查学院，北京 100038；2.公安部物证鉴定中心，北京 100038；3.上海市现场物证重点实验室，上海 200083)

弹着痕迹中最快速和最常见的铅残留物检验方法是玫瑰红酸钠的化学显色法，但该试剂稳定性差、易失效[1-3]。Jacobson[4]、汪生云等[5]均提出铅离子快速检测试纸只能进行定性分析，无法观察铅离子在弹孔周围的分布，不利于射击距离和角度等的分析。本文选择加入苯扎氯铵，一种有效的防腐剂和阳离子表面活性剂[6]，通过实验并结合高光谱成像仪的反射率值来判断络合物的生成，考察了苯扎氯铵的浓度和储存条件对试剂有效性的影响，优化试剂配方，初步探讨了苯扎氯铵增强玫瑰红酸钠稳定性的原理。并通过对棉布上的铅残留物的显现研究探讨了苯扎氯铵对表面活性的影响，即其对显色度的影响。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

玫瑰红酸钠、苯扎氯铵溶液(98%)、铅标液(1 000 μg/mL)、冰醋酸、硫代硫酸钠、亚硫酸钠、盐酸羟胺均为分析纯;去离子水；BenchKote(桌面保护膜Whatman)。

SHIS-N200可见光近红外凝视型高光谱成像仪。

1.2 溶液配制

30%醋酸溶液：取冰醋酸溶液(99.5%)30 mL定容至100 mL。

1.3 最佳波长的选择

按物质对光的吸收程度随光的波长不同而变化，吸收度最大处的波长叫作最大吸收波长。不同浓度的物质，吸收曲线相似，最大吸收波长不变。将现配铅离子和玫瑰红酸钠形成的络合物进行高光谱扫描，550 nm左右反射率最低即光的吸收程度最大，因此选择550 nm波长的反射率值来判断玫瑰红酸钠的稳定性。

1.4 抗氧化剂的选择

首先，玫瑰红酸钠的稳定性随浓度增大而提高，因此本文配制饱和玫瑰红酸钠进行有效性的实验探究，且经过重复多次的实验发现，玫瑰红酸钠有效时间为30 h左右。

分别配制0.2%硫代硫酸钠、亚硫酸钠、盐酸羟胺溶液加入饱和玫瑰红酸钠中，玫瑰红酸钠稳定性并未增强相反有效时间有所缩短，另外将98%苯扎氯铵1 mL稀释至50 mL,另取1 mL加入10 mL饱和玫瑰红酸钠溶液中，玫瑰红酸钠稳定性提高，有效性明显增强。

分析上述现象玫瑰红酸钠的抗氧化剂选择与其pH有关，硫代硫酸钠pH=7、亚硫酸钠pH=9、盐酸羟胺pH=4、苯扎氯铵pH=8，由于pH值会影响反应物的反应性、溶解性和抗氧化剂的抗氧化效果，从而会以各种不同的方式影响着溶液的稳定性，因此应选择弱碱性的苯扎氯铵进一步探究其配方[7]。

1.5 实验方法

取98%苯扎氯铵溶液1 mL加入100 mL去离子水配制苯扎氯铵溶液，取饱和玫瑰红酸钠溶液10 mL 加入1 mL的上述溶液和1 mL的去离子水作为空白对照，在相同条件下放置。取1 mL铅标液加入1 mL玫瑰红酸钠的混合溶液若出现玫红色络合物则证明有效；若无玫红色络合物生成则判断玫瑰红酸钠无效。

2 d用滴管取络合物滴在A4纸上，放置在高光谱成像仪下进行光谱扫描，并在络合物上选择正方形区域计算反射率的平均值。图1b图是利用高光谱成像仪配套软件生成的a图的伪彩图，两图右边和左边以及曲线1和2分别对应加苯扎氯铵和未加的两种实验条件，由550 nm处的反射率值可知未加苯扎氯铵的玫瑰红酸钠溶液已失效，加了苯扎氯铵的玫瑰红酸钠仍有效。

图1 不加和加苯扎氯铵的玫瑰红酸钠生成络合物的对比图Fig.1 Comparison of the complexes generated by sodium rhodizonate without and with benzalkonium chloride

2 结果与讨论

2.1 苯扎氯铵对玫瑰红酸钠稳定性的增强原理

玫瑰红酸钠的成分是5,6-二羟基-5-环己烯-1,2,3,4-四酮二钠盐，含有活泼的羰基易和水发生亲核反应，苯扎氯铵作为一种阳离子表面活性剂，是一种含氮的有机胺衍生物中的季铵盐，其分子中的氮原子含有孤对电子，所以能以氢键与溶液中的氢结合，使氨基带上正电荷，可以阻止水分子向羰基的亲核进攻反应，因此其对玫瑰红酸钠有一定的稳定作用。苯扎氯铵的水溶液是弱碱性的，加入后升高了原溶液的pH值，促使玫瑰红酸钠和水的亲核反应平衡向正向移动，从而消耗了玫瑰红酸钠的含量，但体系中的化学平衡形成之后，苯扎氯铵仍然起到了稳定玫瑰红酸钠单体含量的作用。因此苯扎氯铵的量也不能过量，是有临界浓度值的，即为表面活性剂的临界胶束浓度(cmc)[8-11]。

2.2 苯扎氯铵浓度的选择

取98%苯扎氯铵溶液1 mL加入35,50,100 mL去离子水配制苯扎氯铵溶液，按照1.5节实验方法在间隔4 d后，比较铅离子和玫瑰红酸钠形成的络合物550 nm的反射率值，见图2a、b、c是络合物生成图，其中b图是利用高光谱成像仪配套软件生成的c图的伪彩图，图2中a、b、c图的络合物由左至右以及d的曲线1、2、3分别对应上述浓度。

图2 加入不同浓度苯扎氯铵的玫瑰红酸钠生成络合物的比对图Fig.2 Comparisons of the complexes generated by adding sodium rhodizonate at different concentrations of benzalkonium chloride

由图2可知，将98%苯扎氯铵溶液1 mL稀释到35 mL为最佳溶液浓度，此时浓度为2.8%且经过重复多次的实验，以1∶10的比例加浓度为2.8%的苯扎氯铵溶液，玫瑰红酸钠试剂的有效时间可以延长至4 d左右，稳定性大大增强。

2.3 光照的影响

分别取以1∶10比例加了2.8%苯扎氯铵的玫瑰红酸钠的混合溶液放置于不避光和避光的玻璃瓶中，4 d后按照上述操作,分别得到图3a的左右两边的络合物，选点并观察谱线图，两种条件分别对应图3中a的点1和点2以及b的曲线1和曲线2。由曲线2在550 nm处反射率值<1可知，避光条件下的玫瑰红酸钠和铅离子生成的络合物浓度更大，其稳定性更强。因此在枪击案件现场，刑侦人员应用棕色试剂瓶或不透光的箱子盛装试剂。

图3 改进配方避光与不避光条件下生成络合物的对比图Fig.3 Comparisons of the complexes generated under light-proof and non-light-proof conditions for the improved formulation

2.4 显色度的验证

苯扎氯铵是一种阳离子表面活性剂，因此本文用两种方法探究加了苯扎氯铵的玫瑰红酸钠对检验铅离子是否有显色度增强效果。

其一是采用9 mm小口径的运动步枪以15 cm射击距离向白棉布射击，制作弹着痕迹样本，以Benchkote(15 cm2)为转印介质提取棉布的铅残留物，先用30%的醋酸浸泡按压在弹孔，在Benchkote背面以弹孔中线为界用红笔将转印介质分为两部分，用滴管将现配的玫瑰红酸钠和加了苯扎氯铵的配方溶液分别滴加在两部分，用高光谱观察并在有显色反应区域内随机选取点，得到反射率谱线。其二是将现配的玫瑰红酸钠溶液和加了苯扎氯铵的溶液与氯化铅反映得到的络合物放置于高光谱成像仪下观察。

图4a左边和右边分别对应传统玫瑰红酸钠和改进配方溶液的在相机下的显现效果，而b、c是高光谱配套分析软件下的伪彩图。并分别在左边和右边分别选择点1和点2并获得两点反射率谱线对应图d和e。由d的线1,2在550 nm处的反射率值接近0.1，而e的曲线1,2反射率值接近0.12，未能使反射率值降低，但图d和e曲线1，2的550 nm处反射率值十分相近，即图5a的左边和右边分别对应改进配方和传统玫瑰红酸钠和铅离子形成的络合物的反射率值十分接近。由图可知苯扎氯铵虽能增加玫瑰红酸钠的稳定性，苯扎氯铵作为抗氧化剂表现突出，但其显色增强效果不明显，其作为表面活性剂在增强表面活性的效果不佳。而苯扎氯铵虽未能增强显色度但对显色度也无影响，进一步证明其作为抗氧化剂是可行的。

图4 原玫瑰红酸钠溶液和改进配方的显现效果对比图Fig.4 Original sodium rhodizonate solution and improved formulation test effects comparison chart

图5 原玫瑰红酸钠溶液和改进配方生成络合物的对比图Fig.5 Complexes generated from original sodium rhodizonate solution and improved formulation comparison chart

3 结论

本文结合高光谱成像仪利用反射率值探讨化学反应的络合物形成，进而研究了苯扎氯铵对玫瑰红酸钠试剂稳定性的增强作用，以及其浓度和光照条件的抗氧化效果的影响，找到了最优的苯扎氯铵配方及储存条件，分析了苯扎氯铵作为阳离子表面活性剂在抗氧化方面的作用机理以及其在表面活性方面的作用。虽然显色度增强效果不明显，但其抗氧化性延长了玫瑰红酸钠试剂有效性，为弹着痕迹的临场快速显现提供了便利。所用高光谱成像仪，其操作简单、灵敏度高且不用在气相中进行，既节省时间，又能实现绿色分析。