高夢(mèng)林，李軼昳，沈堯,，陳蕊麗 ,蔡能斌

(1.中國(guó)人民公安大學(xué) 偵查學(xué)院，北京 100038；2.公安部物證鑒定中心，北京 100038；3.上海市現(xiàn)場(chǎng)物證重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200083)

彈著痕跡中最快速和最常見(jiàn)的鉛殘留物檢驗(yàn)方法是玫瑰紅酸鈉的化學(xué)顯色法，但該試劑穩(wěn)定性差、易失效[1-3]。Jacobson[4]、汪生云等[5]均提出鉛離子快速檢測(cè)試紙只能進(jìn)行定性分析，無(wú)法觀察鉛離子在彈孔周?chē)姆植迹焕谏鋼艟嚯x和角度等的分析。本文選擇加入苯扎氯銨，一種有效的防腐劑和陽(yáng)離子表面活性劑[6]，通過(guò)實(shí)驗(yàn)并結(jié)合高光譜成像儀的反射率值來(lái)判斷絡(luò)合物的生成，考察了苯扎氯銨的濃度和儲(chǔ)存條件對(duì)試劑有效性的影響，優(yōu)化試劑配方，初步探討了苯扎氯銨增強(qiáng)玫瑰紅酸鈉穩(wěn)定性的原理。并通過(guò)對(duì)棉布上的鉛殘留物的顯現(xiàn)研究探討了苯扎氯銨對(duì)表面活性的影響，即其對(duì)顯色度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

玫瑰紅酸鈉、苯扎氯銨溶液(98%)、鉛標(biāo)液(1 000 μg/mL)、冰醋酸、硫代硫酸鈉、亞硫酸鈉、鹽酸羥胺均為分析純;去離子水；BenchKote(桌面保護(hù)膜Whatman)。

SHIS-N200可見(jiàn)光近紅外凝視型高光譜成像儀。

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 最佳波長(zhǎng)的選擇

按物質(zhì)對(duì)光的吸收程度隨光的波長(zhǎng)不同而變化，吸收度最大處的波長(zhǎng)叫作最大吸收波長(zhǎng)。不同濃度的物質(zhì)，吸收曲線(xiàn)相似，最大吸收波長(zhǎng)不變。將現(xiàn)配鉛離子和玫瑰紅酸鈉形成的絡(luò)合物進(jìn)行高光譜掃描，550 nm左右反射率最低即光的吸收程度最大，因此選擇550 nm波長(zhǎng)的反射率值來(lái)判斷玫瑰紅酸鈉的穩(wěn)定性。

1.4 抗氧化劑的選擇

首先，玫瑰紅酸鈉的穩(wěn)定性隨濃度增大而提高，因此本文配制飽和玫瑰紅酸鈉進(jìn)行有效性的實(shí)驗(yàn)探究，且經(jīng)過(guò)重復(fù)多次的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，玫瑰紅酸鈉有效時(shí)間為30 h左右。

分別配制0.2%硫代硫酸鈉、亞硫酸鈉、鹽酸羥胺溶液加入飽和玫瑰紅酸鈉中，玫瑰紅酸鈉穩(wěn)定性并未增強(qiáng)相反有效時(shí)間有所縮短，另外將98%苯扎氯銨1 mL稀釋至50 mL,另取1 mL加入10 mL飽和玫瑰紅酸鈉溶液中，玫瑰紅酸鈉穩(wěn)定性提高，有效性明顯增強(qiáng)。

分析上述現(xiàn)象玫瑰紅酸鈉的抗氧化劑選擇與其pH有關(guān)，硫代硫酸鈉pH=7、亞硫酸鈉pH=9、鹽酸羥胺pH=4、苯扎氯銨pH=8，由于pH值會(huì)影響反應(yīng)物的反應(yīng)性、溶解性和抗氧化劑的抗氧化效果，從而會(huì)以各種不同的方式影響著溶液的穩(wěn)定性，因此應(yīng)選擇弱堿性的苯扎氯銨進(jìn)一步探究其配方[7]。

1.5 實(shí)驗(yàn)方法

取98%苯扎氯銨溶液1 mL加入100 mL去離子水配制苯扎氯銨溶液，取飽和玫瑰紅酸鈉溶液10 mL 加入1 mL的上述溶液和1 mL的去離子水作為空白對(duì)照，在相同條件下放置。取1 mL鉛標(biāo)液加入1 mL玫瑰紅酸鈉的混合溶液若出現(xiàn)玫紅色絡(luò)合物則證明有效；若無(wú)玫紅色絡(luò)合物生成則判斷玫瑰紅酸鈉無(wú)效。

2 d用滴管取絡(luò)合物滴在A4紙上，放置在高光譜成像儀下進(jìn)行光譜掃描，并在絡(luò)合物上選擇正方形區(qū)域計(jì)算反射率的平均值。圖1b圖是利用高光譜成像儀配套軟件生成的a圖的偽彩圖，兩圖右邊和左邊以及曲線(xiàn)1和2分別對(duì)應(yīng)加苯扎氯銨和未加的兩種實(shí)驗(yàn)條件，由550 nm處的反射率值可知未加苯扎氯銨的玫瑰紅酸鈉溶液已失效，加了苯扎氯銨的玫瑰紅酸鈉仍有效。

圖1 不加和加苯扎氯銨的玫瑰紅酸鈉生成絡(luò)合物的對(duì)比圖Fig.1 Comparison of the complexes generated by sodium rhodizonate without and with benzalkonium chloride

2 結(jié)果與討論

2.1 苯扎氯銨對(duì)玫瑰紅酸鈉穩(wěn)定性的增強(qiáng)原理

玫瑰紅酸鈉的成分是5,6-二羥基-5-環(huán)己烯-1,2,3,4-四酮二鈉鹽，含有活潑的羰基易和水發(fā)生親核反應(yīng)，苯扎氯銨作為一種陽(yáng)離子表面活性劑，是一種含氮的有機(jī)胺衍生物中的季銨鹽，其分子中的氮原子含有孤對(duì)電子，所以能以氫鍵與溶液中的氫結(jié)合，使氨基帶上正電荷，可以阻止水分子向羰基的親核進(jìn)攻反應(yīng)，因此其對(duì)玫瑰紅酸鈉有一定的穩(wěn)定作用。苯扎氯銨的水溶液是弱堿性的，加入后升高了原溶液的pH值，促使玫瑰紅酸鈉和水的親核反應(yīng)平衡向正向移動(dòng)，從而消耗了玫瑰紅酸鈉的含量，但體系中的化學(xué)平衡形成之后，苯扎氯銨仍然起到了穩(wěn)定玫瑰紅酸鈉單體含量的作用。因此苯扎氯銨的量也不能過(guò)量，是有臨界濃度值的，即為表面活性劑的臨界膠束濃度(cmc)[8-11]。

2.2 苯扎氯銨濃度的選擇

取98%苯扎氯銨溶液1 mL加入35,50,100 mL去離子水配制苯扎氯銨溶液，按照1.5節(jié)實(shí)驗(yàn)方法在間隔4 d后，比較鉛離子和玫瑰紅酸鈉形成的絡(luò)合物550 nm的反射率值，見(jiàn)圖2a、b、c是絡(luò)合物生成圖，其中b圖是利用高光譜成像儀配套軟件生成的c圖的偽彩圖，圖2中a、b、c圖的絡(luò)合物由左至右以及d的曲線(xiàn)1、2、3分別對(duì)應(yīng)上述濃度。

圖2 加入不同濃度苯扎氯銨的玫瑰紅酸鈉生成絡(luò)合物的比對(duì)圖Fig.2 Comparisons of the complexes generated by adding sodium rhodizonate at different concentrations of benzalkonium chloride

由圖2可知，將98%苯扎氯銨溶液1 mL稀釋到35 mL為最佳溶液濃度，此時(shí)濃度為2.8%且經(jīng)過(guò)重復(fù)多次的實(shí)驗(yàn)，以1∶10的比例加濃度為2.8%的苯扎氯銨溶液，玫瑰紅酸鈉試劑的有效時(shí)間可以延長(zhǎng)至4 d左右，穩(wěn)定性大大增強(qiáng)。

2.3 光照的影響

分別取以1∶10比例加了2.8%苯扎氯銨的玫瑰紅酸鈉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,分別得到圖3a的左右兩邊的絡(luò)合物，選點(diǎn)并觀察譜線(xiàn)圖，兩種條件分別對(duì)應(yīng)圖3中a的點(diǎn)1和點(diǎn)2以及b的曲線(xiàn)1和曲線(xiàn)2。由曲線(xiàn)2在550 nm處反射率值<1可知，避光條件下的玫瑰紅酸鈉和鉛離子生成的絡(luò)合物濃度更大，其穩(wěn)定性更強(qiáng)。因此在槍擊案件現(xiàn)場(chǎng)，刑偵人員應(yīng)用棕色試劑瓶或不透光的箱子盛裝試劑。

圖3 改進(jìn)配方避光與不避光條件下生成絡(luò)合物的對(duì)比圖Fig.3 Comparisons of the complexes generated under light-proof and non-light-proof conditions for the improved formulation

2.4 顯色度的驗(yàn)證

苯扎氯銨是一種陽(yáng)離子表面活性劑，因此本文用兩種方法探究加了苯扎氯銨的玫瑰紅酸鈉對(duì)檢驗(yàn)鉛離子是否有顯色度增強(qiáng)效果。

其一是采用9 mm小口徑的運(yùn)動(dòng)步槍以15 cm射擊距離向白棉布射擊，制作彈著痕跡樣本，以Benchkote(15 cm2)為轉(zhuǎn)印介質(zhì)提取棉布的鉛殘留物，先用30%的醋酸浸泡按壓在彈孔，在Benchkote背面以彈孔中線(xiàn)為界用紅筆將轉(zhuǎn)印介質(zhì)分為兩部分，用滴管將現(xiàn)配的玫瑰紅酸鈉和加了苯扎氯銨的配方溶液分別滴加在兩部分，用高光譜觀察并在有顯色反應(yīng)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)選取點(diǎn)，得到反射率譜線(xiàn)。其二是將現(xiàn)配的玫瑰紅酸鈉溶液和加了苯扎氯銨的溶液與氯化鉛反映得到的絡(luò)合物放置于高光譜成像儀下觀察。

圖4a左邊和右邊分別對(duì)應(yīng)傳統(tǒng)玫瑰紅酸鈉和改進(jìn)配方溶液的在相機(jī)下的顯現(xiàn)效果，而b、c是高光譜配套分析軟件下的偽彩圖。并分別在左邊和右邊分別選擇點(diǎn)1和點(diǎn)2并獲得兩點(diǎn)反射率譜線(xiàn)對(duì)應(yīng)圖d和e。由d的線(xiàn)1,2在550 nm處的反射率值接近0.1，而e的曲線(xiàn)1,2反射率值接近0.12，未能使反射率值降低，但圖d和e曲線(xiàn)1，2的550 nm處反射率值十分相近，即圖5a的左邊和右邊分別對(duì)應(yīng)改進(jìn)配方和傳統(tǒng)玫瑰紅酸鈉和鉛離子形成的絡(luò)合物的反射率值十分接近。由圖可知苯扎氯銨雖能增加玫瑰紅酸鈉的穩(wěn)定性，苯扎氯銨作為抗氧化劑表現(xiàn)突出，但其顯色增強(qiáng)效果不明顯，其作為表面活性劑在增強(qiáng)表面活性的效果不佳。而苯扎氯銨雖未能增強(qiáng)顯色度但對(duì)顯色度也無(wú)影響，進(jìn)一步證明其作為抗氧化劑是可行的。

圖4 原玫瑰紅酸鈉溶液和改進(jìn)配方的顯現(xiàn)效果對(duì)比圖Fig.4 Original sodium rhodizonate solution and improved formulation test effects comparison chart

圖5 原玫瑰紅酸鈉溶液和改進(jìn)配方生成絡(luò)合物的對(duì)比圖Fig.5 Complexes generated from original sodium rhodizonate solution and improved formulation comparison chart

3 結(jié)論

本文結(jié)合高光譜成像儀利用反射率值探討化學(xué)反應(yīng)的絡(luò)合物形成，進(jìn)而研究了苯扎氯銨對(duì)玫瑰紅酸鈉試劑穩(wěn)定性的增強(qiáng)作用，以及其濃度和光照條件的抗氧化效果的影響，找到了最優(yōu)的苯扎氯銨配方及儲(chǔ)存條件，分析了苯扎氯銨作為陽(yáng)離子表面活性劑在抗氧化方面的作用機(jī)理以及其在表面活性方面的作用。雖然顯色度增強(qiáng)效果不明顯，但其抗氧化性延長(zhǎng)了玫瑰紅酸鈉試劑有效性，為彈著痕跡的臨場(chǎng)快速顯現(xiàn)提供了便利。所用高光譜成像儀，其操作簡(jiǎn)單、靈敏度高且不用在氣相中進(jìn)行，既節(jié)省時(shí)間，又能實(shí)現(xiàn)綠色分析。