吳秋香，李志豪，王 迪，孫堂強(qiáng)，杜振霞*，鄒積鑫*

（1．北京化工大學(xué) 化學(xué)學(xué)院，北京 100029；2．公安部物證鑒定中心，北京 100038；3．蘇州微木智能系統(tǒng)有限公司，江蘇 蘇州 215000；4．新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院 藥學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

紙張作為假幣、文件等多種物證的核心載體，在案件偵破中十分重要?；诩賻庞眉埖奶卣?，發(fā)現(xiàn)不同地點(diǎn)和不同時(shí)間的假幣之間的關(guān)系，有助于快速找到紙張?jiān)搭^、串并案和擴(kuò)線深挖，因此紙張分析技術(shù)成為反假幣技術(shù)新的突破口。目前許多技術(shù)已被用于紙張檢測(cè)，如顯微鏡檢查方法可用于識(shí)別紙張纖維類型［1］，X射線衍射儀可測(cè)量紙張的結(jié)晶參數(shù)［2-3］，掃描電子顯微鏡和X射線熒光可對(duì)紙張進(jìn)行元素分析［4-6］。但以上方法所使用的儀器通常較為大型且貴重，不適于現(xiàn)場(chǎng)破案使用。

不同假幣所用紙張的配方不同，且許多用于紙張的化學(xué)分析方法會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，因此結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)分析假幣用紙的小分子有機(jī)物特征，有助于發(fā)現(xiàn)不同案件假幣用紙的特征。Kumar等［7］采用衰減全反射紅外光譜技術(shù)結(jié)合主成分分析對(duì)24種品牌紙進(jìn)行鑒別，準(zhǔn)確率達(dá)到99．64%。Guo等［5］采用X射線熒光結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)將13起案件中查獲的21張假幣用紙分為3組，將9起案件成功聯(lián)系在一起。

離子遷移譜（Ion mobility spectrometry，IMS）是基于不同的氣相離子在電場(chǎng)中遷移速度的差異對(duì)化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行表征的一項(xiàng)分析技術(shù)，其儀器具有便于攜帶、可靠性高、成本低廉、操作簡(jiǎn)單、快速靈敏等優(yōu)點(diǎn)，適用于現(xiàn)場(chǎng)快速分析和檢測(cè)［8］。最常用的離子遷移譜儀器配有的63Ni電離源具有放射性，且電子能量低、成本昂貴，應(yīng)用受到限制。電暈放電（Corona discharge，CD）電離源通過(guò)調(diào)節(jié)直流電流進(jìn)行放電，放電穩(wěn)定，產(chǎn)生的總離子電流較63Ni源高一個(gè)數(shù)量級(jí)，可用于多種化合物的電離。目前已廣泛應(yīng)用于司法鑒定［9-10］、食品安全［11-13］、環(huán)境監(jiān)測(cè)［14-16］、生物醫(yī)學(xué)［17-18］、化學(xué)毒劑［19］等諸多領(lǐng)域。

本文基于電暈放電電離-離子遷移譜技術(shù)（CD-IMS）對(duì)公安部門(mén)收集的假幣用紙進(jìn)行檢測(cè)，構(gòu)建了假幣用紙的指紋譜圖庫(kù)，并結(jié)合主成分分析（PCA）和層次聚類分析（HCA）對(duì)遷移譜信息進(jìn)行分類研究，為假幣的串并及溯源提供了一種現(xiàn)場(chǎng)微損檢測(cè)的新方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與樣品

TR2000-DC離子遷移譜（中國(guó)同方威視公司）；Agilent 7697A頂空儀器、Agilent 8890氣相色譜儀、Agilent 7010B質(zhì)譜儀（美國(guó)安捷倫公司）；GP225D電子天平（德國(guó)Sartorius公司）。

鄰苯二甲酸二丁酯（＞99%，中國(guó)阿拉丁公司）。

本文用于測(cè)試的20種假幣用紙（依次編號(hào)1~20）和6種未知來(lái)源的半成品假幣（依次編號(hào)X1~X6）均由公安部門(mén)提供。所有樣本均密封儲(chǔ)存在室溫13~26℃，濕度30%~60%的環(huán)境中。

1.2 IMS檢測(cè)假幣用紙

1.2.1 檢測(cè)條件的優(yōu)化IMS的參數(shù)設(shè)置會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果，因此對(duì)解吸器溫度、遷移管溫度、遷移氣流速和載氣流速等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

解吸器溫度影響假幣用紙中小分子的解吸附程度和響應(yīng)，過(guò)低的解吸器溫度可能會(huì)導(dǎo)致假幣用紙中難揮發(fā)小分子不能解吸出來(lái)，因此本文選取120、150、180、210℃系列解吸器溫度進(jìn)行優(yōu)化；并分別選取120、150℃，0．6、0．8、1．0 L/min和0．6、0．7、0．8 L/min分別作為遷移管溫度、遷移氣流速和載氣流速進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

1.2.2 樣品檢測(cè)在優(yōu)化的IMS參數(shù)條件下，將裁剪后的假幣用紙直接插入IMS進(jìn)樣口檢測(cè)，每種假幣用紙一式三份（依次編號(hào)1．1、1．2、1．3，…，20．1、20．2、20．3）。每次分析共連續(xù)記錄40條遷移譜，分析時(shí)間約8 s。壓力、空氣濕度等環(huán)境因素會(huì)造成物質(zhì)的遷移時(shí)間發(fā)生偏移，因此在IMS檢測(cè)假幣用紙之前，選取氯胺酮（K0=1．376 cm2/（s·V））作為IMS內(nèi)標(biāo)物，用于對(duì)儀器遷移時(shí)間的實(shí)時(shí)校正。

1.3 頂空氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法檢測(cè)假幣用紙

因IMS不能直接對(duì)各個(gè)峰進(jìn)行定性，為了鑒定引起假幣用紙分類的特征峰，采用頂空氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法（HS-GC-MS）對(duì)假幣用紙中的揮發(fā)性成分進(jìn)行鑒定。

1.3.1 樣品制備將假幣用紙裁剪為小方塊（1 mm×1 mm），精確稱取1．1 g假幣用紙樣品，置于20 mL頂空瓶中密封。

1.3.2 檢測(cè)條件頂空條件：平衡溫度：100℃；定量環(huán)溫度：115℃；傳輸線溫度：130℃；樣品平衡時(shí)間：30 min；加壓時(shí)間：0．1 min；進(jìn)樣時(shí)間：0．5 min。

色譜條件：Agilent J&W HP-5色譜柱（30 m×0．25 mm，0．25 μm）；載氣：He，恒流模式，流速1．0 mL/min；進(jìn)樣口溫度：150℃；升溫程序：初始溫度50℃，保持2 min，以15℃/min升至260℃，保持5 min；分流比為5∶1。

質(zhì)譜條件：采用EI電離源，電子能量：70 eV；離子源溫度：230℃；四極桿溫度：150℃；全掃描模式，質(zhì)量采集范圍45~450m/z，溶劑延遲4 min。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

樣本的IMS信息為儀器在8 s內(nèi)連續(xù)檢測(cè)40條遷移譜的三維數(shù)據(jù)。考慮到儀器產(chǎn)生的脈沖峰以及反應(yīng)離子峰（RIP）的影響，選擇在檢測(cè)到樣品信息的時(shí)間段進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理：從三維數(shù)據(jù)中截取遷移時(shí)間為8~17．5 ms（共951個(gè)變量）的數(shù)據(jù)信息，并將每個(gè)樣品采集到的40條遷移譜中的35條遷移譜（第6~40條）在同一遷移時(shí)間的響應(yīng)值進(jìn)行平均，將獲得的平均譜圖作為該樣品的指紋譜圖。本研究共60個(gè)樣本，可構(gòu)成60×951數(shù)據(jù)矩陣，對(duì)該數(shù)據(jù)矩陣采用平均中心化（Ctr）、單位方差（UV）和帕累托標(biāo)準(zhǔn)（Par）3種方式進(jìn)行預(yù)處理，并通過(guò)PCA和HCA對(duì)假幣用紙進(jìn)行分類研究。數(shù)據(jù)的預(yù)處理和模型的建立均采用SIMCA 14．1軟件。

運(yùn)用NIST質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)HS-GC-MS檢測(cè)到的假幣用紙中的揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行定性分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 IMS條件優(yōu)化

由于解吸器溫度、遷移管溫度、載氣流速和遷移氣流速參數(shù)的設(shè)定會(huì)對(duì)樣品出峰情況以及響應(yīng)強(qiáng)度產(chǎn)生影響，因此為了獲得最佳檢測(cè)條件，本研究以14號(hào)假幣用紙的出峰情況及其響應(yīng)強(qiáng)度作為依據(jù)進(jìn)行優(yōu)化。電暈針的電壓設(shè)置為2．2 kV，以保證產(chǎn)生穩(wěn)定的電暈?？疾炝私馕鳒囟仍?20~210℃范圍變化時(shí)的影響，發(fā)現(xiàn)溫度過(guò)高，樣品易發(fā)生分解，且存在電荷競(jìng)爭(zhēng)，產(chǎn)生基質(zhì)干擾；而溫度過(guò)低，紙張中的小分子不能完全解吸出來(lái)，因此選擇150℃為解吸器最優(yōu)溫度條件。遷移管的溫度過(guò)低，空氣濕度、環(huán)境溫度將產(chǎn)生干擾；溫度過(guò)高，則會(huì)因離子擴(kuò)散、碰撞損失導(dǎo)致信號(hào)減弱，最終選擇遷移管溫度為150℃。遷移氣流速過(guò)低，分析周期短，但分辨率較差；流速過(guò)高，會(huì)稀釋濃度，抵消電場(chǎng)力，可能導(dǎo)致無(wú)響應(yīng)信號(hào)，最終載氣和遷移氣流速均設(shè)置為0．6 L/min。

2.2 假幣用紙的指紋譜圖

在優(yōu)化的IMS參數(shù)條件下采集的14號(hào)假幣用紙的離子遷移譜如圖1A所示，X軸表示離子的遷移時(shí)間，Y軸表示遷移譜的采集條數(shù)，Z軸表示峰的響應(yīng)強(qiáng)度。IMS一次性可采集40條遷移譜，每條遷移譜共采集2 000個(gè)信號(hào)點(diǎn)，一次樣本的采集只需8 s。研究發(fā)現(xiàn)IMS的脈沖峰和RIP峰的位置在遷移時(shí)間為8 ms以內(nèi)，而樣品的相關(guān)信息主要包含在遷移時(shí)間8~17．5 ms內(nèi)。刪除無(wú)重要信息的片段有利于優(yōu)化、精簡(jiǎn)模型，因此在采集的IMS信息中主要選取了遷移時(shí)間為8~17．5 ms的數(shù)據(jù)。在采集的40條遷移譜中發(fā)現(xiàn)前5條遷移譜只有脈沖峰和RIP峰，因此從IMS數(shù)據(jù)中刪除了這5條遷移譜的信息。為了確保重現(xiàn)性，將其余35條遷移譜（第6~40條）在同一遷移時(shí)間的響應(yīng)值進(jìn)行平均作為該遷移時(shí)間下的響應(yīng)強(qiáng)度。

圖1 14號(hào)假幣用紙的三維離子遷移譜（A）及其IMS指紋譜圖（B）Fig．1 3-Dimensional ion mobility spectra of No．14 paper sample（A）and its IMS spectrum（B）

綜上，將假幣用紙IMS數(shù)據(jù)平均化的具體步驟為：將第6~40條遷移譜中遷移時(shí)間為8~17．5 ms的951個(gè)信號(hào)響應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行平均，處理后得到的平均譜（1×951）被認(rèn)為是來(lái)自每個(gè)假幣用紙的IMS指紋譜圖，如圖1B所示。

在優(yōu)化的IMS參數(shù)條件下檢測(cè)獲得的20種假幣用紙（共60個(gè)樣本）的IMS原始數(shù)據(jù)經(jīng)平均化數(shù)據(jù)處理后，得到的IMS指紋譜圖如圖2所示。從圖2可知，20種假幣用紙的IMS指紋譜圖在遷移時(shí)間為8~12 ms時(shí)所出峰位較為相似，主要區(qū)別為響應(yīng)強(qiáng)度的差異；在遷移時(shí)間為12~17 ms時(shí)只有幾種假幣用紙有信號(hào)，說(shuō)明這20種假幣用紙?jiān)谝欢ǔ潭壬洗嬖诓町?。由于不同種類假幣用紙的配方存在差異，從而導(dǎo)致其指紋譜圖具有各自特征，進(jìn)一步證明IMS具有鑒別假幣用紙的潛力。

圖2 20種假幣用紙的IMS指紋譜圖Fig．2 IMS spectra of 20 paper samples

2.3 分類分析

2.3.1 假幣用紙的主成分分析主成分分析是一種廣泛用于數(shù)據(jù)可視化和特征提取等的技術(shù)，可通過(guò)將多元數(shù)據(jù)投影到更小的空間，降低原始數(shù)據(jù)集的空間維度，且不影響樣本之間的關(guān)系。因此將IMS與PCA結(jié)合對(duì)假幣用紙進(jìn)行區(qū)分，可將IMS高維數(shù)據(jù)降維到低維平面，從而方便觀測(cè)假幣用紙之間的相似與差異。

在進(jìn)行主成分分析之前，首先選擇Ctr、UV和Par 3種方法對(duì)指紋譜圖數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，Ctr是將原數(shù)據(jù)減去每列變量的均值，著重對(duì)變化范圍相差不大的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；UV是將數(shù)據(jù)中心化后除以標(biāo)準(zhǔn)偏差；相對(duì)于UV而言，Par使用標(biāo)準(zhǔn)偏差的算術(shù)平方根而不是標(biāo)準(zhǔn)偏差。本研究中發(fā)現(xiàn)經(jīng)Ctr預(yù)處理后PCA模型的擬合參數(shù)R2X和預(yù)測(cè)參數(shù)Q2均優(yōu)于UV和Par。因此，在后續(xù)聚類分析前選擇Ctr進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。

采用Ctr對(duì)20種假幣用紙（60個(gè)樣本）的IMS指紋譜圖數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，對(duì)數(shù)據(jù)矩陣60×951進(jìn)行主成分分析，假幣用紙的IMS響應(yīng)強(qiáng)度被定義為變量，假幣用紙樣品被定義為觀測(cè)值。將PCA模型通過(guò)交叉驗(yàn)證法進(jìn)行內(nèi)部驗(yàn)證，通過(guò)優(yōu)化潛變量的數(shù)量，共提取17個(gè)主成分（PC，圖3A），其最大R2X和Q2值分別達(dá)1和0．998，表明前17個(gè)主成分能夠解釋原變量信息的100%，包含了所有樣品信息。R2X和Q2值均接近1，表明模型有很好的擬合能力和預(yù)測(cè)能力。為了證明該模型的觀測(cè)值可靠，繪制了Hoteling’s T2圖。從圖3B中可知，所有觀測(cè)值均在95%置信區(qū)間內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)異常值。

圖3 主成分累積貢獻(xiàn)率圖（A）及霍特林統(tǒng)計(jì)量（B）Fig．3 Overview plots of PCs through（A）and Hoteling’s T2（B）

從PCA得分圖（圖4A）中可以看出，PC1、PC2分別解釋了原變量信息的57．0%和23．1%，即前兩個(gè)主成分可解釋原變量信息的80．1%，因此選取PC1和PC2作為主成分進(jìn)行分析。圖4A中同種假幣用紙的3個(gè)平行樣本均聚在一起，且不同種類假幣用紙顯示出分離的趨勢(shì)。

PCA載荷圖反映了變量對(duì)主成分的影響程度，結(jié)合PCA得分圖和載荷圖（圖4B）進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，遷移時(shí)間為8．43 ms的響應(yīng)值對(duì)PC1和PC2均產(chǎn)生正向影響，說(shuō)明7、8、9、12、13、14、15和16號(hào)假幣用紙?jiān)谶w移時(shí)間為8．43 ms的響應(yīng)值低于其他假幣用紙；相較于7、9、12、15、16號(hào)假幣用紙，8、13、14號(hào)假幣用紙?jiān)谶w移時(shí)間為8．43 ms時(shí)的響應(yīng)值更低。從圖4B中發(fā)現(xiàn)在遷移時(shí)間為11．67 ms的響應(yīng)值對(duì)PC1有負(fù)向影響，而對(duì)PC2是正向影響，表明7、9、12、15、16號(hào)假幣用紙?jiān)谶w移時(shí)間為11．67 ms的響應(yīng)值高于其他假幣用紙。

IMS不能對(duì)各個(gè)峰進(jìn)行直接定性，為了鑒定引起假幣用紙分類的特征峰，通過(guò)HS-GC-MS對(duì)假幣用紙揮發(fā)性成分進(jìn)行檢測(cè)。將檢出物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)品用IMS檢測(cè)，通過(guò)對(duì)比出峰的遷移時(shí)間，發(fā)現(xiàn)鄰苯二甲酸二丁酯的遷移時(shí)間為11．67 ms，與引起假幣用紙分類的其中一個(gè)特征峰遷移時(shí)間一致，結(jié)合圖2可知該特征峰響應(yīng)強(qiáng)度與鄰苯二甲酸二丁酯濃度有關(guān)。

2.3.2 假幣用紙的層次聚類分析當(dāng)聚類很多且分類不太明顯時(shí)，PCA無(wú)法完全觀察到數(shù)據(jù)集中的分組。如圖4A所示，盡管不同種類的假幣用紙顯示出一些分離，但出現(xiàn)了部分重疊的現(xiàn)象，無(wú)法觀察到20種假幣用紙的準(zhǔn)確分組。為了更好地將所有假幣用紙分類，引入HCA分類。

圖4 20種假幣用紙的得分圖（A）及PC1、PC2的線形載荷圖（B）Fig．4 Score plot of 20 paper samples（A）and loading lines plot of PC1 and PC2 through PCA（B）

采用與PCA相同的數(shù)據(jù)處理方式，以HCA對(duì)IMS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。以歐氏距離作為相似度量，采用離差平方和法對(duì)假幣用紙進(jìn)行分組，得到的樹(shù)狀圖如圖5所示。從圖5中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)歐氏距離為109時(shí)，可將假幣用紙分為20組，且同種假幣用紙的3個(gè)平行樣本聚在一起，20種假幣用紙均被正確歸類。結(jié)果表明IMS能反映不同種類假幣用紙的特征信息，結(jié)合HCA可將20種假幣用紙進(jìn)行區(qū)分。

圖5 20種假幣用紙層次聚類分析的樹(shù)狀圖Fig．5 HCA dendogram of 20 paper samples

2.4 未知樣本的歸類

為了進(jìn)一步驗(yàn)證HCA分類的可靠性，以6個(gè)未知來(lái)源的半成品假幣（X1~X6）對(duì)HCA實(shí)際應(yīng)用時(shí)的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。

在優(yōu)化的IMS條件下對(duì)半成品假幣的空白部分進(jìn)行檢測(cè)，將獲取的6個(gè)樣品的IMS原始數(shù)據(jù)平均化處理后，與20種假幣用紙的數(shù)據(jù)共同構(gòu)建HCA，得到的樹(shù)狀圖如圖6所示。從圖6中發(fā)現(xiàn)歐氏距離為109時(shí)，未知樣本X1、X3、X5、X6分別與4、8、19、13號(hào)假幣用紙歸為一類，X2和X4均被歸為7號(hào)假幣用紙。經(jīng)確認(rèn)，X1、X2、X3、X5、X6的實(shí)際來(lái)源與預(yù)測(cè)來(lái)源相同，正確率達(dá)到83．33%。而未歸類正確的X4不屬于20種假幣用紙中的任何一類。因此所建立的假幣用紙指紋譜圖庫(kù)需進(jìn)一步擴(kuò)大才能更好地識(shí)別更多種類未知來(lái)源的假幣用紙。以上研究結(jié)果證明IMS結(jié)合HCA具有判別未知來(lái)源假幣用紙的潛力。

圖6 20種假幣用紙和6種假幣用紙的HCA樹(shù)狀圖Fig．6 HCA dendogram of 20 paper samples and 6 counterfeit banknote paper

3 結(jié)論

采用電暈放電電離-離子遷移譜儀對(duì)假幣用紙進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)將IMS原始數(shù)據(jù)進(jìn)行平均化處理，獲取假幣用紙的IMS指紋譜圖，并結(jié)合PCA和HCA對(duì)假幣用紙進(jìn)行分類鑒別，得到了滿意的結(jié)果。方法快速且易操作，無(wú)需復(fù)雜的樣品前處理。研究結(jié)果證明IMS具有鑒別假幣用紙的潛力。