方 強(qiáng), 劉 玲

(中國(guó)人民警察大學(xué), 河北 廊坊 065000)

在放火案件的調(diào)查中,助燃劑的檢測(cè)結(jié)果往往是判定是否故意放火最直接有力的證據(jù),然而由于火場(chǎng)環(huán)境的復(fù)雜性和送檢過(guò)程中的諸多影響因素,物證的檢測(cè)往往受各種因素的干擾。目前,國(guó)內(nèi)對(duì)干擾助燃劑檢測(cè)的影響因素研究主要分為兩大類(lèi),一是在整個(gè)火災(zāi)發(fā)生到送檢過(guò)程中一直存在的揮發(fā)效應(yīng)的影響,低沸點(diǎn)特征組分的揮發(fā)會(huì)干擾物證鑒定人員對(duì)檢材內(nèi)有無(wú)助燃劑的判斷;二是火場(chǎng)中載體熱解的干擾影響,載體熱解生成助燃劑的特征組分,極易影響物證鑒定人員的判斷,其中以建材、塑料和石化產(chǎn)品的熱解干擾研究為主[1]。國(guó)外也將上述兩類(lèi)影響列入主要研究范圍。此外,研究人員還發(fā)現(xiàn),在放火火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)取樣的過(guò)程中,物證提取人員往往采用低位取樣的方式提高易燃液體的檢出成功率,并同時(shí)期望能在地板縫等近地面處提取到助燃劑原樣,樣品往往伴隨著土壤一同送檢。在取樣前至送檢的過(guò)程中,土壤中可能存在的助燃劑特征組分會(huì)受到微生物的降解作用,原特征組分逐漸消失甚至生成新的化合物,這大大影響了物證鑒定人員對(duì)檢材內(nèi)組分的判斷,從而影響放火案件性質(zhì)的認(rèn)定。

在火災(zāi)調(diào)查研究中,Chalmers等[2]將汽油、柴油等與土壤混合,置于密封環(huán)境,研究微生物降解效應(yīng)對(duì)助燃劑檢測(cè)的影響,結(jié)果表明,在提取時(shí)間大于14 d的樣品內(nèi),可明顯觀察到降解效應(yīng)對(duì)譜圖的影響。Turner等[3]對(duì)比研究了揮發(fā)效應(yīng)和微生物降解效應(yīng)對(duì)助燃劑鑒定的影響,研究結(jié)果表明,沸點(diǎn)小于155 ℃的直鏈烷烴主要受揮發(fā)效應(yīng)的影響,而長(zhǎng)直鏈烷烴和低取代芳香化合物更易受微生物降解效應(yīng)的影響,1,3,5-三甲苯和2-乙基甲苯對(duì)揮發(fā)效應(yīng)和微生物降解效應(yīng)具有極強(qiáng)的抗性。此外,不同季節(jié)條件下助燃劑燃燒殘留物受微生物降解的影響程度也有所區(qū)別,夏季提取的樣本受降解的影響最不明顯[4],該類(lèi)降解反應(yīng)可以通過(guò)特定的化學(xué)試劑進(jìn)行抑制[5]。多個(gè)研究[5-7]共同發(fā)現(xiàn),助燃劑燃燒殘留物中,直鏈烷烴、單取代芳香化合物、多取代芳香化合物受微生物降解效應(yīng)的影響程度依次減小;重質(zhì)餾分油中,偶數(shù)正構(gòu)烷烴比奇數(shù)正構(gòu)烷烴更易受微生物降解作用。此外,Katherine[8]將土壤載體變?yōu)槌Ｒ?jiàn)的建筑材料(木墊片、石膏板),并按含水程度進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)在發(fā)霉、陳腐的建筑材料上也會(huì)發(fā)生類(lèi)似的降解反應(yīng),并對(duì)助燃劑檢測(cè)產(chǎn)生影響。在環(huán)境安全領(lǐng)域也有大量關(guān)于石化油品泄露后治理與修復(fù)的研究[9-14],此方面研究也為微生物降解效應(yīng)在助燃劑檢測(cè)方面的課題提供理論依據(jù)和研究思路。

依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《火災(zāi)物證鑒定方法 氣相色譜-質(zhì)譜法》[15],對(duì)于地面、炭灰或其他實(shí)物試樣,可采取捕集、頂空、固相微萃取和活性炭吸附等方法提取;鑒于吹掃捕集法無(wú)法同時(shí)對(duì)多組樣品進(jìn)行預(yù)處理,若采用該方法無(wú)法嚴(yán)格控制密封時(shí)間這一變量,故不予選擇;固相微萃取(SPME)是目前較新的火場(chǎng)殘留物提取技術(shù),依靠涂有固定相的吸附性石英纖維對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行吸附與富集,但其往往根據(jù)助燃劑中化合物的性質(zhì)進(jìn)行選擇性吸附,并不能完全表征樣品中的助燃劑組分,且無(wú)法采用自動(dòng)進(jìn)樣控制進(jìn)樣過(guò)程中人為因素的干擾,故亦不予選擇。對(duì)比而言,靜態(tài)頂空的方式既可以解決不同極性助燃劑組分表征的問(wèn)題,亦可保證樣品密封時(shí)間的精確性,是目前國(guó)外法醫(yī)科學(xué)研究人員較為推薦的樣品預(yù)處理方式之一。

由于在助燃劑等相關(guān)火災(zāi)殘留物分析過(guò)程中,分析人員的工作經(jīng)驗(yàn)和主觀認(rèn)知一定程度上影響著鑒定結(jié)果,為避免誤判、錯(cuò)判,研究人員常引入模式識(shí)別的概念用于數(shù)據(jù)集的鑒別[16-19],這也為物證鑒定工作的科學(xué)性提供一定的保障。本文采用主成分分析法(PCA)和PCA-廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(PCA-GRNN)兩類(lèi)分析方法,對(duì)不同土壤載體降解情況下的助燃劑殘留物進(jìn)行識(shí)別,旨在為助燃劑殘留物的GC-MS數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)性的分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器、試劑與材料

Agilent GC 7890B/5977BMSD氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用分析儀、HP-5MS色譜柱(30 m×0.25 mm×25 μm)、7693自動(dòng)進(jìn)樣器(美國(guó)Agilent公司);微型注射器(50 μL,上海高鴿有限公司);制式0.2 L油漆罐(帶密封蓋,德州麥凱卓電子商務(wù)有限公司)。

二硫化碳(分析純)購(gòu)自天津福晨化學(xué)試劑廠;助燃劑92#汽油購(gòu)自廊坊中石化加油站;無(wú)蠟牙線、木質(zhì)柱狀活性炭(周長(zhǎng)8 mm、高度16 mm,每塊活性炭高度相差不到1 mm)購(gòu)自鄭州森海環(huán)?？萍加邢薰?市售通用培養(yǎng)土樣購(gòu)自江蘇天補(bǔ)生態(tài)肥業(yè)有限公司;普通土樣取自河北廊坊住宅區(qū)無(wú)植被處。

1.2 樣品前處理

將90 g普通/培養(yǎng)土樣置于制式油漆罐內(nèi),用微型注射器取20 μL汽油,注入土壤下表面2 cm處,分別存放2、5、7、10、14、21和30 d,期滿后采用靜態(tài)頂空預(yù)處理方式,取木質(zhì)柱狀活性炭,于罐頂用無(wú)蠟牙線和回形針懸掛活性炭,做頂空吸附處理,于70 ℃水浴環(huán)境下加熱2 h[20]。冷卻至室溫,取出活性炭,裝入含有1 mL二硫化碳的色譜試劑瓶中,超聲振蕩5 min,等待進(jìn)樣,每組樣品做3次,樣品總數(shù)42組。

1.3 GC-MS條件

1.3.1色譜條件

進(jìn)樣口溫度275 ℃,壓力值4.838 5 Pa; He氣總流量19.015 mL/min;分流比20∶1;柱前壓800 kPa;程序升溫條件:初始溫度50 ℃,保持3 min,以10 ℃/min的速率升至280 ℃,保持4 min。

1.3.2質(zhì)譜條件

電子轟擊電離(EI)源;離子源溫度230 ℃;接口溫度280 ℃;溶劑延遲2.30 min;四級(jí)桿溫度150 ℃;掃描范圍m/z50～550;掃描頻率2.8次/s。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同土樣樣品的降解分析

2.1.1普通土樣

不同密封時(shí)長(zhǎng)下普通土樣受微生物降解的總離子流色譜圖見(jiàn)圖1?？梢园l(fā)現(xiàn),當(dāng)密封保存時(shí)間在10 d以內(nèi)時(shí),樣品色譜圖的主要變化區(qū)域集中在保留時(shí)間小于8.7 min的部分,上述區(qū)域各物質(zhì)色譜峰的響應(yīng)強(qiáng)度整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì),且出現(xiàn)出峰時(shí)間靠后的高沸點(diǎn)化合物響應(yīng)強(qiáng)度大幅變化的結(jié)果;而保留時(shí)間大于8.7 min的物質(zhì),其10 d內(nèi)整體響應(yīng)強(qiáng)度變化較小,但也出現(xiàn)特定物質(zhì)消失的現(xiàn)象。

圖 1 不同密封時(shí)間下普通土樣的總離子流色譜圖Fig. 1 Total ion current (TIC) chromatograms of general soil samples under different sealed times 1. 1,2,3-trimethylbenzene; 2. 1-methyl 3-propylbenzene; 3. isobutylbenzene; 4. 2-ethyl 1,3-dimethylbenzene; 5. 1-methyl-4-propyl-benzene; 6. 1-ethyl 2,4-dimethylbenzene; 7. isopropyltoluene; 8. 2-ethenyl-1,3-dimethyl-benzene; 9. 1,2,4,5-tetramethylbenzene; 10. [1S-(1α,2α,5β)]-5-methyl-2-(1-methylethyl)cyclohexanol (C10H20O).

為探究具體化合物的變化情況,對(duì)樣品進(jìn)行分析,并提取m/z為91、92、106、120和134的離子,獲得芳香烴化合物的提取離子流色譜圖。如圖2所示,單取代芳香烴化合物如甲苯、乙苯、異丙基苯和1,2,4-三甲基苯(峰9)會(huì)在10 d內(nèi)大量降解,二甲苯的同分異構(gòu)體的色譜響應(yīng)也大幅下降。但已有研究[7]表明,二甲苯等沸點(diǎn)小于155 ℃的芳香烴化合物更易受揮發(fā)效應(yīng)的影響而導(dǎo)致其相對(duì)含量的減少。在5 d內(nèi),除了1,2,4-三甲基苯(峰9)外,其他多取代芳香烴化合物均對(duì)微生物的降解效應(yīng)呈現(xiàn)出較強(qiáng)的抵抗性,該現(xiàn)象與Turner等[7]的研究結(jié)果相符合;而在5～10 d范圍內(nèi),除1,2,3-三甲基苯(峰10)、2-乙基1,3二甲基苯(峰12)、1,2,3,5-四甲基苯(峰14)、1,2,4,5-四甲基苯(峰15)仍保持較強(qiáng)的抗降解性,其余組分也開(kāi)始降解;但密封14 d時(shí),僅可檢出微量的二甲苯、三甲苯及其同分異構(gòu)體和四甲苯及其同分異構(gòu)體;密封保存30 d后,在樣品中檢出甲醛,符合單取代芳香烴化合物降解過(guò)程中支鏈烷烴取代基脫氫變?nèi)┑慕到庠韀21]。

圖 2 不同密封時(shí)間下普通土樣中芳香烴的提取離子色譜圖Fig. 2 Extraction ion chromatograms (EICs) of aromatic hydrocarbon in general soil samples under different sealed time 1. toluene; 2.m-xylene; 3.p-xylene; 4.o-xylene; 5. ethylbenzene; 6. isopropylbenzene; 7. 1,3,5-trimethylbenzene; 8. 1-ethyl 2-methylbenzene; 9. 1,2,4-trimethylbenzene; 10. 1,2,3-trimethylbenzene; 11. 1-methyl 3-propylbenzene; 12. 2-ethyl 1,3-dimethylbenzene; 13. 1-ethyl 2,4-dimethylbenzene; 14. 1,2,3,5-tetramethylbenzene; 15. 1,2,4,5-tetramethylbenzene.

圖 3 普通土樣中不同取代位數(shù)的芳香烴的相對(duì)含量Fig. 3 Relative contents of aromatic hydrocarbons with different substitution numbers in general soil samples MAH: monosubstituted aromatic hydrocarbons; PAH2: disubstituted aromatic hydrocarbons; PAH3: trisubstituted aromatic hydrocarbons; PAH4: tetra-disubstituted aromatic hydrocarbons.

將芳香烴化合物按取代位的數(shù)量進(jìn)行分類(lèi),對(duì)其相對(duì)含量的變化進(jìn)行研究,結(jié)果如圖3所示,發(fā)現(xiàn)單取代芳香烴化合物和含2個(gè)取代位的烷基芳香烴化合物的相對(duì)含量會(huì)在密封10 d內(nèi)下降至10%以下,10 d后則會(huì)慢慢上升;3個(gè)取代位烷基芳香烴化合物的相對(duì)含量則較穩(wěn)定,一直維持在0%～20%之間;而4個(gè)取代位的烷基芳香烴化合物(本次實(shí)驗(yàn)中多為四甲苯及其同分異構(gòu)體芳香烴),則在密封10 d后才被慢慢降解。由此可見(jiàn),當(dāng)樣品密封存放時(shí)間小于10 d時(shí),多取代芳香烴化合物較單取代芳香烴的降解能力強(qiáng),而當(dāng)封存時(shí)間超過(guò)10 d后,大量多取代芳香烴化合物也會(huì)降解至無(wú)法檢出;當(dāng)密封時(shí)間為30 d時(shí),仍可檢出少量鄰位多取代芳香烴化合物(1,2,3-三甲基苯、2-乙基-1,3-二甲基苯、1,2,3,5-四甲基苯)。

在圖1的總離子流色譜圖中,發(fā)現(xiàn)了[1S-(1α,2α,5β)]-5-甲基-2-(1-甲基乙基)環(huán)己醇(下文用C10H20O代表,峰10),此物質(zhì)未曾在以前的助燃劑鑒定工作中出現(xiàn)。為探究C10H20O這一產(chǎn)物是否為普通土樣內(nèi)的微生物降解產(chǎn)物,將20 μL汽油潑灑到土樣上并立即進(jìn)行靜態(tài)頂空處理,同密封放置時(shí)間為2 d和5 d的樣品進(jìn)行比較分析(見(jiàn)圖4)。由圖4可知,當(dāng)汽油潑灑到土樣后立即提取時(shí),可檢出C7、C8和C11直鏈烷烴,并未檢出C10H20O;當(dāng)密封放置時(shí)間大于2 d時(shí),可檢測(cè)出C10H20O,同時(shí)可檢出C7和C8直鏈烷烴,可能是因?yàn)镃9～C12烷烴在反應(yīng)焓和水溶性方面適合微生物進(jìn)行降解[22]。;當(dāng)密封時(shí)間為5 d時(shí),C8也無(wú)法檢出,僅可檢出C10H20O,且依照NIST譜庫(kù)檢索匹配度達(dá)94.06。

圖 4 存放0 d、2 d、5 d后普通土樣品中烷烴的提取離子色譜圖Fig. 4 EICs of alkanes in general soil samples afterstorage of 0 d, 2 d, 5 d

結(jié)合圖1中峰6的變化情況，以及芳香烴化合物在降解過(guò)程中需要先活化為醇的原理，推測(cè)C10H20O為1-乙基2,4-二甲基苯同分異構(gòu)體降解過(guò)程中的活化產(chǎn)物,進(jìn)而再降解氧化為脂肪酸等物質(zhì),最終開(kāi)環(huán)。由于芳香烴化合物的降解步驟分為活化和開(kāi)環(huán)兩步進(jìn)行,此處C10H20O的存在只能說(shuō)明降解過(guò)程中活化階段已發(fā)生,至于能否進(jìn)行下一步開(kāi)環(huán)反應(yīng),還要根據(jù)土壤內(nèi)微生物的種類(lèi)與降解酶的合成情況,故并不與多取代芳香烴難降解性的結(jié)論相悖。

2.1.2培養(yǎng)土樣

圖5為以培養(yǎng)土為載體的樣品在不同密封存放時(shí)間下的總離子流色譜圖。結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著密封時(shí)間的增加,各組分相對(duì)峰高基本維持穩(wěn)定;在密封5～30 d的樣品中均可檢測(cè)出C10H20O。

圖 5 不同密封時(shí)間下培養(yǎng)土樣品的總離子流色譜圖Fig. 5 TIC chromatograms of nutrient soil samplesunder different sealed time1. toluene; 2.m-xylene; 3.p-xylene; 4.o-xylene; 5. ethylbenzene; 6. isopropylbenzene; 7. 1,3,5-trimethylbenzene; 8. 1-ethyl 2-methylbenzene; 9. 1,2,4-trimethylbenzene; 10. C10H20O.

圖 6 不同密封時(shí)間下培養(yǎng)土樣品中烷烴化合物的提取離子色譜圖Fig. 6 EICs of alkane compounds in nutrient soilsamples under different sealed time

圖6為不同密封時(shí)間下培養(yǎng)土樣品中烷烴化合物的提取離子色譜圖,除密封存放時(shí)間為2 d、5 d的樣品中尚可檢出C8直鏈烷烴的同分異構(gòu)體和C10H20O,其余樣品都無(wú)法檢出直鏈烷烴。

通過(guò)分析培養(yǎng)土樣品的芳香烴提取離子色譜圖,發(fā)現(xiàn)各芳香烴組分的色譜響應(yīng)不隨密封時(shí)間的增長(zhǎng)而變化。結(jié)合圖5和圖6,可見(jiàn)汽油在培養(yǎng)土的環(huán)境下也發(fā)生了微生物降解反應(yīng),但并未出現(xiàn)普通土樣中,特定物質(zhì)優(yōu)先降解的現(xiàn)象,原因可能與培養(yǎng)土黏度大、密度小、吸附性良等因素有關(guān)。由于微生物降解過(guò)程中涉及的影響因素較多,目前未能給出明確的原因,但此類(lèi)黏度大、碳源氮源豐富的土壤已作為新型火場(chǎng)提取吸附材料(用于自動(dòng)熱脫附預(yù)處理方式)被國(guó)外火災(zāi)調(diào)查人員投入使用[23]。

2.2 模式識(shí)別的應(yīng)用

2.2.1PCA應(yīng)用

圖 7 PCA法分析前3個(gè)主成分構(gòu)成的三維散點(diǎn)圖Fig. 7 3D point map of the first three principal components in principal component analysis (PCA)

PCA是最常見(jiàn)的一種對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理的方法,其核心概念是通過(guò)線性組合的方式以數(shù)量較少且互相獨(dú)立甚至不相關(guān)的變量解釋原數(shù)據(jù)中的大部分變量。在Qualitative Navigator B.08軟件上觀察此實(shí)驗(yàn)42組樣品的色譜圖,發(fā)現(xiàn)兩組因偶然情況(活性炭移動(dòng)過(guò)程中掉落、破碎)發(fā)生,致使樣品的色譜圖不理想。將色譜數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)軟件自動(dòng)積分和數(shù)據(jù)導(dǎo)出,生成相對(duì)峰面積的表格,特定峰的選取為圖2標(biāo)注的15個(gè)物質(zhì)峰,導(dǎo)入Matlab R2017a環(huán)境后,生成40×15的樣本矩陣,再將每組樣品對(duì)應(yīng)的密封時(shí)間作為第16列變量加入數(shù)據(jù)矩陣中。矩陣去中心化后通過(guò)主成分分析,對(duì)樣本進(jìn)行降維處理，其中隨機(jī)5組樣本作為測(cè)試集進(jìn)行交叉驗(yàn)證。圖7為取權(quán)重較大的前3個(gè)主成分制成三維散點(diǎn)圖,可以看出，并未出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的區(qū)域邊界。

2.2.2GRNN應(yīng)用

GRNN是前饋型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一種,由徑向基(RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)延伸而來(lái)。標(biāo)準(zhǔn)的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算結(jié)果經(jīng)常不能達(dá)到全局收斂,而停止在局部收斂;而GRNN由于可以通過(guò)交叉驗(yàn)證和回歸的方法確定平滑參數(shù),故計(jì)算結(jié)果具有全局收斂性,更適用于數(shù)量少、樣本相似度高的訓(xùn)練集。

考慮到此次實(shí)驗(yàn)組數(shù)較少,譜圖數(shù)據(jù)相似度較高,采用PCA-GRNN方式加以識(shí)別,以避免數(shù)據(jù)樣品少導(dǎo)致的過(guò)擬合現(xiàn)象,采用Early Stopping的處理方式,在迭代的過(guò)程中進(jìn)行交叉驗(yàn)證,若連續(xù)10次迭代過(guò)程中測(cè)試集的最高準(zhǔn)確率不再升高,即迭代停止。

圖 8 PCA-GRNN法回歸分析過(guò)程中運(yùn)行時(shí)間和準(zhǔn)確率的變化情況Fig. 8 Changing situation of running time and accuracies during PCA-generalized regression neural network (PCA-GRNN) regression analysis process

如圖8所示，隨機(jī)選取35組樣本,經(jīng)環(huán)境自帶PCA函數(shù)處理后,記錄能以新線性組合表示該35組數(shù)據(jù)樣本信息的變量個(gè)數(shù)(P),迭代上述過(guò)程,至P取到最小值為止,選擇第一次取至最小值時(shí)的35組樣本為訓(xùn)練集;剩下5組樣本作為測(cè)試集。由圖8可知,當(dāng)?shù)?次迭代過(guò)程后,GRNN的最高識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)100%且不再上升,故在12次迭代結(jié)束后停止迭代,即最終迭代后的運(yùn)行時(shí)間小于0.1 s,正確率為100%。

3 結(jié)論

本文在助燃劑鑒定研究方面探究微生物降解效應(yīng)的影響,采用靜態(tài)頂空法對(duì)土壤內(nèi)的助燃劑進(jìn)行預(yù)處理,并采用PCA和PCA-GRNN兩種分析方法對(duì)不同土壤載體下的助燃劑譜圖進(jìn)行判別、檢驗(yàn)。比較發(fā)現(xiàn),單一PCA并不能對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行良好的分類(lèi),而PCA-GRNN這一方法對(duì)于少量訓(xùn)練集的樣本數(shù)據(jù)具有更為準(zhǔn)確的判別效果。方法為火災(zāi)物證鑒定提供了新的數(shù)據(jù)分析手段和探究助燃劑鑒定影響因素的新方向。