張藝丹，楊瑞琴*，廉 哲

（1.中國人民公安大學(xué) 偵查學(xué)院，北京 100038；2.公安部鑒定中心，北京 100038）

紙張是日常生活中的重要物品，也是犯罪現(xiàn)場的常見物證，如各類案件中的信件、傳單、假幣、發(fā)票、證件、合同、危險(xiǎn)物品包裝物等。在物證鑒定工作中，通過檢驗(yàn)紙張成分，能夠區(qū)分紙張種類，溯源紙張生產(chǎn)廠家，辨別證券、貨幣或商品的真?zhèn)?，推斷文件的形成時(shí)間等。目前，紙張中纖維、填料、色料等成分［1-4］的檢驗(yàn)方法較為成熟，而紙張中膠料的檢驗(yàn)方法有待進(jìn)一步研究。

烷基烯酮二聚體（AKD）于1948 年由美國Hercules 公司發(fā)明，是目前最常用的合成型中堿性造紙施膠劑，適用于檔案紙、復(fù)印紙等文化用紙。AKD 是一種不飽和內(nèi)酯，常溫下為淺黃色蠟狀固體，能溶于乙醇、苯和三氯甲烷等有機(jī)溶劑，熔點(diǎn)為44～48 ℃。造紙用AKD 的合成原料為C14～22硬脂酸同系物混合物［5］，最常用的是棕櫚酸（C16H32O2）與硬脂酸（C18H36O2）。AKD不溶于水，必須制成乳液方可用于內(nèi)部施膠，抄紙過程中AKD 的用量一般在0.1%～0.25%之間［6］。AKD 分子含有疏水基團(tuán)長鏈烷基和反應(yīng)活性基團(tuán)內(nèi)酯環(huán)，如圖 1 所示，其合成與施膠過程分別發(fā)生3 種化學(xué)反應(yīng)：與紙張纖維素發(fā)生酯化反應(yīng)生成β-酮酯；與水發(fā)生水解反應(yīng)生成長鏈烷基酮；自身發(fā)生低聚反應(yīng)生成低聚物。施膠紙張中AKD的主要存在形式為非鍵合的游離酮，只占總量11%～21%的鍵合AKD 易被水解［7-9］，由于AKD 合成與施膠過程中脂肪酸縮合后脫羧生成酮類產(chǎn)物的反應(yīng)具有特殊性，未施膠紙張以及松香、烯基琥珀酸酐（ASA）等其他種類施膠紙張中均不含有此種酮類產(chǎn)物，故本研究選用與AKD 合成原料相對應(yīng)的水解產(chǎn)物長鏈酮作為特征目標(biāo)物。

圖1 AKD合成及施膠過程的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理Fig.1 Chemical reaction mechanism of synthesis of AKD and its sizing process

根據(jù)前處理方法的不同，紙張中AKD 的分離分析方法可分為三類：第一類是有機(jī)溶劑提取結(jié)合色譜法或光譜法進(jìn)行分析，包括氣相色譜法［7，9-11］、液相色譜法［12］、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法［13］（GC-MS）、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法（LC-MS）［14-15］、核磁共振波譜法［16］、紫外-可見分光光度法［17］、近紅外光譜法［18］、傅里葉變換紅外光譜法［18-19］等；第二類是將紙張研磨后采用熱裂解氣相色譜-質(zhì)譜法［20］進(jìn)行分析；第三類是使用飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜法［21］直接分析紙張表面的AKD 分布情況。其中，紅外光譜法、熱裂解GC-MS 法、飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜法取樣簡便，可實(shí)現(xiàn)初步結(jié)構(gòu)識別，但無法精確定量；GC-MS 和LC-MS法兼具高分離效率和高靈敏度，能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)化合物的精確定性與定量分析。GC-MS法的文獻(xiàn)報(bào)道更廣泛，但已有報(bào)道多使用索氏提取法處理紙張，需要高溫高壓實(shí)驗(yàn)條件，耗時(shí)過長，通常應(yīng)用于造紙行業(yè)中紙張質(zhì)量的精確控制。因此，亟需建立一種更為簡便、溫和的前處理方法，以滿足法庭科學(xué)領(lǐng)域?qū)τ诩垙埵┠z劑的檢驗(yàn)需求。

本研究建立了紙張中AKD 施膠劑的水解提取和GC-MS 檢測方法，并應(yīng)用于不同品牌靜電復(fù)印紙中AKD 施膠劑的檢測。通過對特征物質(zhì)16-三十一酮、16-三十三酮和18-三十五酮的定性與定量分析，能夠判定紙張樣品是否使用AKD施膠劑以及施膠用AKD的原料配比，從而實(shí)現(xiàn)紙張種類細(xì)分。鑒于復(fù)印紙生產(chǎn)廠家的施膠劑供應(yīng)商較為穩(wěn)定，同一品牌或同一批次的紙張所用施膠劑產(chǎn)品來源一致，且AKD 于20 世紀(jì)80 年代引入我國，其推廣使用具有明顯年代特征［22］，因此，本研究能夠?yàn)榧垙埵┠z方式研判與廠家溯源提供重要技術(shù)支持，進(jìn)而為紙張形成年代推斷提供新的參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

Agilent 7890B-5977B 氣相色譜-質(zhì)譜儀（美國Agilent 公司）；DF101S 集熱式恒溫加熱磁力攪拌器（上海力辰儀器科技有限公司）；超純水儀（美國密理博公司）；0.22 μm 疏水性聚四氟乙烯（PTFE）針式濾器（上海安譜實(shí)驗(yàn)科技股份有限公司）。

二十八烷（純度98.5%）、14-二十七酮（純度≥95%）、16-三十一酮（純度≥95%（GC））、18-三十五酮（純度≥95%）標(biāo)準(zhǔn)品均購于上海麥克林生化科技股份有限公司；二氯甲烷（色譜純，美國賽默飛世爾公司）；氫氧化鈉（分析純，昆山金城試劑有限公司）；實(shí)驗(yàn)用水為超純水。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

1.2.1 內(nèi)標(biāo)物標(biāo)準(zhǔn)儲備液的配制稱取0.01 g 二十八烷于100 mL 容量瓶中，用二氯甲烷定容，配制成質(zhì)量濃度為100 mg/L的內(nèi)標(biāo)物標(biāo)準(zhǔn)儲備液，置于4 ℃冰箱中冷藏保存。其他濃度內(nèi)標(biāo)溶液由此稀釋，現(xiàn)用現(xiàn)配。

1.2.2 酮標(biāo)準(zhǔn)品混合標(biāo)準(zhǔn)儲備液的配制分別稱取14-二十七酮、16-三十一酮、18-三十五酮各0.01 g 于100 mL 容量瓶中，加入5 mg/L 的內(nèi)標(biāo)溶液，配制成質(zhì)量濃度為100 mg/L 的混合標(biāo)準(zhǔn)儲備液，置于4 ℃冰箱中冷藏保存。其他濃度混合標(biāo)準(zhǔn)溶液由此稀釋，現(xiàn)用現(xiàn)配。

1.3 紙張樣品

表1為40種不同品牌的A4靜電復(fù)印紙信息，表 2為3種AKD施膠量1%的楊木纖維手抄紙信息。

表1 40種靜電復(fù)印紙的信息Table 1 Informations about 40 kinds of copy papers

表2 AKD施膠的楊木纖維手抄紙樣品信息Table 2 Information about AKD sizing poplar fiber hand-made paper samples

1.4 樣品前處理方法

1.4.1 固液萃取法稱取0.50 g 清圖（Qingtu）牌靜電復(fù)印紙于15 mL 離心管中，加入10 mL、5 mg/L內(nèi)標(biāo)溶液，充分振蕩，靜置萃取1 h。用1 mL針式注射器吸取有機(jī)相液體，經(jīng)0.22 μm 疏水性PTFE 針式過濾器過濾后進(jìn)行GC-MS檢測。

1.4.2 水解提取法稱取0.50 g清圖牌靜電復(fù)印紙于50 mL 圓底燒瓶中，加入20 mL、1 mol/L 氫氧化鈉溶液，在70 ℃下恒溫水浴加熱攪拌2 h，使其充分水解。將水解液混合物轉(zhuǎn)移至50 mL離心管中，加入10 mL、5 mg/L 內(nèi)標(biāo)溶液，充分振蕩，靜置萃取1 h，使其分層。用1 mL針式注射器吸取下層有機(jī)相液體，洗滌，中和，經(jīng)0.22 μm 疏水性PTFE針式過濾器過濾后進(jìn)行GC-MS檢測。

1.5 色譜-質(zhì)譜條件

色譜條件：Agilent DB-35MS 氣相色譜柱（60 m ×0.25 mm×0.25 μm，50～340 ℃）；載氣（He）流速為1 mL/min，分流比5∶1；進(jìn)樣量為1 μL；進(jìn)樣口溫度為300 ℃；程序升溫：初溫60 ℃，以30 ℃/min 升至300 ℃，保持40 min。

質(zhì)譜條件：電子轟擊離子源（EI），轟擊能量為70 eV，傳輸線溫度為300 ℃，離子源溫度為250 ℃，四極桿溫度為150 ℃，溶劑延遲8 min。數(shù)據(jù)采集模式為全掃描模式，掃描質(zhì)荷比（m/z）范圍為30～650 amu。14-二十七酮、16-三十一酮、18-三十五酮的CAS號、保留時(shí)間、定性定量離子見表3。

表3 14-二十七酮、16-三十一酮、18-三十五酮的定量方法信息Table 3 Quantitative method informations of 14-heptacosanone，16-hentriacontanone and 18-pentatriacontanone

表4 目標(biāo)物的線性范圍、線性方程、相關(guān)系數(shù)、檢出限與定量下限Table 4 Linear ranges，linear equations，correlation coefficients，LODs and LOQs of analytes

表5 同一紙張3個(gè)不同部位及同一包裝內(nèi)3張不同紙張的取樣均勻性Table 5 Uniformity of sampling at three different parts on the same sheet and three different pieces of paper in the same package

表6 紙張中AKD施膠劑檢測方法比較Table 6 Comparison of determination methods for AKD sizing agents in paper

表7 40種紙樣的分析數(shù)據(jù)Table 7 Analysis data of 40 paper samples

表8 40種靜電復(fù)印紙的分類結(jié)果Table 8 Classification results of 40 kinds of electrostatic copy paper

2 結(jié)果與討論

2.1 色譜條件的優(yōu)化

以混合標(biāo)準(zhǔn)溶液中目標(biāo)物的相對響應(yīng)（14-二十七酮、16-三十一酮、18-三十五酮與內(nèi)標(biāo)物的峰面積之比）作為評價(jià)指標(biāo)，分別考察了恒溫條件與程序升溫條件。結(jié)果表明：在恒溫條件下，譜圖基線漂移，噪聲高，目標(biāo)物的峰形展寬、拖尾，18-三十五酮無法檢出，溫度升至300 ℃時(shí)，才能夠檢出目標(biāo)物。在程序升溫條件下改變初始溫度，發(fā)現(xiàn)初始溫度為50～100 ℃時(shí)，3 種酮的相對響應(yīng)較大（圖2A）；初始溫度為250 ℃時(shí)，峰形拖尾嚴(yán)重，基線噪聲增大，故選擇初始溫度為60 ℃。在該條件下改變升溫速率，發(fā)現(xiàn)升溫速率為10 ℃/min 時(shí)，16-三十一酮、18-三十五酮的相對響應(yīng)最大；30 ℃/min 時(shí)，14-二十七酮的相對響應(yīng)最大，此后隨升溫速率增大，相對響應(yīng)呈下降趨勢（見圖2B）。為了在最短分析時(shí)間內(nèi)獲得最高分離度，最終選擇升溫程序?yàn)槌跏紲囟?0 ℃，以30 ℃/min升溫至300 ℃，保持40 min。

圖2 程序升溫初始溫度（A）與升溫速率（B）對3種酮峰面積與相對響應(yīng)的影響Fig.2 Effects of initial temperature （A） and heating rate（B） of programmed temperature on peak areas and relative responses of three ketones

2.2 水解條件的優(yōu)化

由于AKD最常見的原料組成為棕櫚酸與硬脂酸，其水解產(chǎn)物為16-三十一酮、16-三十三酮和18-三十五酮。但市面上無16-三十三酮標(biāo)準(zhǔn)品，故選擇16-三十一酮和18-三十五酮，以及碳原子數(shù)更少的14-二十七酮為目標(biāo)物，以涵蓋紙張中AKD 水解特征產(chǎn)物的更多可能情況。而在水解及提取條件優(yōu)化過程中，以紙張中AKD水解產(chǎn)物16-三十一酮、16-三十三酮、18-三十五酮作為特征目標(biāo)物。

稱取0.50 g清圖牌靜電復(fù)印紙，按“1.4.2”方法進(jìn)行前處理，保持其他條件不變，分別改變水解溶液種類與濃度、水解溫度、水解時(shí)間，考察不同水解條件對提取效率的影響。以樣品中目標(biāo)物的相對響應(yīng)（16-三十一酮、16-三十三酮、18-三十五酮與內(nèi)標(biāo)物的峰面積之比）作為評價(jià)指標(biāo)。

2.2.1 水解溶液的選擇分別考察了9 種不同水解溶液（空氣中自水解、超純水、0.1 mol/L Na2CO3、0.1 mol/L NaOH、0.1 mol/L HCl、1 mol/L NaOH、1 mol/L HCl、6 mol/L NaOH、6 mol/L HCl）對提取效率的影響，如圖3A所示，NaOH 溶液的提取效率總體較高。進(jìn)一步考察了NaOH 溶液濃度（0.1、0.5、1、6、10 mol/L）對提取效率的影響（圖3B）。結(jié)果表明：隨NaOH 溶液濃度的增大，提取效率呈上升趨勢，NaOH 溶液濃度為1 mol/L 時(shí)，3 種酮的提取效率最高；濃度為10 mol/L 時(shí)，提取液出現(xiàn)難分層現(xiàn)象，3種酮的提取效率明顯降低。因此最終選擇1 mol/L NaOH作為水解溶液。

圖3 不同水解條件下AKD水解產(chǎn)物酮的提取效率比較Fig.3 Comparison of extraction efficiencies of AKD hydrolysate ketone under different hydrolysis conditions

2.2.2 水解溫度的選擇分別考察了不同水解溫度（20、40、60、70、80 ℃）對提取效率的影響（圖3C）。結(jié)果表明：隨著溫度升高，3 種酮的提取效率呈上升趨勢，水解溫度為70 ℃時(shí)的提取效率最高，水解溫度升高至80 ℃時(shí)，提取效率反而降低?？紤]到實(shí)驗(yàn)的安全性，最終選擇水解溫度為70 ℃。

2.2.3 水解時(shí)間的選擇分別考察了不同水解時(shí)間（0.5、1、2、3、4 h）對提取效率的影響（圖3D）。結(jié)果表明：水解2 h 時(shí)，3 種酮的水解效率總體較高；此后隨著水解時(shí)間的增加，3 種酮的提取效率無明顯提高，最終選擇水解時(shí)間為2 h。

2.3 萃取條件的優(yōu)化

2.3.1 萃取溶劑的選擇首先考察了16-三十一酮和18-三十五酮在有機(jī)溶劑中的溶解度，發(fā)現(xiàn)其易溶于正己烷、環(huán)己烷、二氯甲烷、三氯甲烷、苯和甲苯。進(jìn)一步考察了采用上述6 種溶劑直接萃取對于樣品中目標(biāo)物提取效率的影響。稱取0.50 g清圖牌靜電復(fù)印紙，按“1.4.1”方法進(jìn)行前處理，保持其他條件不變，改變萃取溶劑，以樣品中目標(biāo)物的相對響應(yīng)進(jìn)行比較。圖 4A結(jié)果表明：正己烷的提取效率最高。

其次，采用水解提取法考察了上述萃取溶劑對樣品中目標(biāo)物提取效率的影響。稱取0.50 g 清圖牌靜電復(fù)印紙，按“1.4.2”方法進(jìn)行前處理，保持其他條件不變，改變萃取溶劑，以樣品中目標(biāo)物的相對響應(yīng)進(jìn)行比較。圖 4B結(jié)果表明：二氯甲烷萃取時(shí)，16-三十一酮和16-三十三酮的提取效率最高；苯萃取時(shí)，18-三十五酮的提取效率最高。為提高紙張中AKD 轉(zhuǎn)化為酮的水解效率，從而更精確地計(jì)算紙張中的總酮含量，綜合考慮溶劑的提取效率、環(huán)境友好性和安全性等，最終選擇水解提取法作為前處理方法，二氯甲烷作為萃取溶劑。

2.3.2 萃取時(shí)間的選擇稱取0.50 g 清圖牌靜電復(fù)印紙，按“1.4.2”方法進(jìn)行前處理，保持其他條件不變，考察不同萃取時(shí)間（10 min、30 min、1 h、2 h、3 h）對樣品中目標(biāo)物提取效率的影響。圖4C結(jié)果表明：在前1 h 內(nèi)，隨著萃取時(shí)間延長，3 種酮的提取效率呈上升趨勢；萃取時(shí)間超過1 h 后，提取效率無明顯提高，故最終選擇萃取時(shí)間為1 h。在最佳條件下，內(nèi)標(biāo)物與酮混合標(biāo)準(zhǔn)溶液、未施膠的空白紙樣、1% AKD內(nèi)部施膠的楊木纖維手抄紙樣的總離子流色譜圖見圖5。

圖5 混合標(biāo)準(zhǔn)溶液及2種紙張樣品提取物的總離子流色譜圖Fig.5 Total ion chromatograms of mixed standard solution and extractions of two paper samples

2.4 方法學(xué)評價(jià)

2.4.1 線性范圍、檢出限與定量下限以5 mg/L 內(nèi)標(biāo)溶液稀釋混合標(biāo)準(zhǔn)儲備液，配制質(zhì)量濃度為1.0、2.5、5.0、7.5、10.0、25.0、50.0 mg/L的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，以酮峰面積比的平均值為縱坐標(biāo)（y），以標(biāo)準(zhǔn)溶液的質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)（x，mg/L）繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。14-二十七酮、16-三十一酮、18-三十五酮的線性關(guān)系良好，相關(guān)系數(shù)（r2）均大于0.98。以信噪比≥3時(shí)的最低質(zhì)量濃度計(jì)算檢出限（LOD），信噪比≥10 時(shí)的最低質(zhì)量濃度計(jì)算定量下限（LOQ）［23］，得到3 種目標(biāo)物的檢出限分別為0.1、0.5、2.0 mg/L，定量下限分別為0.5、1.5、5.0 mg/L（結(jié)果見表 4）。

2.4.2 紙張均勻性為了排除紙張不均勻?qū)τ趯?shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，分別對同一紙張的不同部位、同一包裝內(nèi)不同紙張隨機(jī)取樣進(jìn)行檢測。分別稱取同一張清圖牌靜電復(fù)印紙上、中、下3 個(gè)部位的紙樣0.50 g，稱取同一包裝內(nèi)的3 張不同紙張樣品0.50 g，按“1.4.2”和“1.5”方法進(jìn)行前處理和GC-MS 檢驗(yàn)，將酮的峰面積比代入“2.4.1”中標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算AKD 水解產(chǎn)物酮的含量，并以排列組合規(guī)律計(jì)算AKD 原料中棕櫚酸（C16H32O2）與硬脂酸（C18H36O2）的配比（記為C16/C18）。結(jié)果如表 5 所示，編號1～3 為同一紙張樣品的不同部位，酮含量的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）不大于15%，原料配比的RSD 為1.0%；編號4～6 為同一品牌同一包裝內(nèi)的不同紙張樣品，酮含量的RSD 不大于18%，原料配比的RSD 為3.0%。由此可見，同一紙張上不同部位以及同一品牌同一包裝內(nèi)的不同紙張樣品中AKD 施膠劑的含量分布均勻，定量分析結(jié)果穩(wěn)定可靠。

2.4.3 回收率為了實(shí)現(xiàn)紙張質(zhì)量的精確控制，已有文獻(xiàn)［13］通過模擬內(nèi)部施膠和表面施膠過程，現(xiàn)場向紙漿中添加施膠劑以計(jì)算回收率?？紤]到紙張中基質(zhì)復(fù)雜，對于已成型出廠的紙張樣品，其施膠劑添加量會因生產(chǎn)工藝不同或存放時(shí)間延長而導(dǎo)致留著率的輕微變化，故本研究在評估回收率時(shí)，以理想的無損情況為基礎(chǔ)，設(shè)定紙張中留著的AKD與水解產(chǎn)物酮物質(zhì)的量相等時(shí)回收率為100%。選取已知AKD 施膠量分別為1%內(nèi)部、0.5%內(nèi)部+0.5%表面、1%表面施膠的楊木纖維手抄紙為樣品，通過GC-MS 法定量分析紙張中16-三十一酮的檢出量，與紙張纖維內(nèi)平均留著率水平下的AKD 的量作比，從而得到方法回收率。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，AKD 在紙張中的留著率為21%～93%［7，24］，取平均值57%，計(jì)算得到3種樣品的提取回收率分別為44.1%、60.9%、34.9%。

2.4.4 方法比較將本方法與檢測紙張中AKD 的文獻(xiàn)方法進(jìn)行比較，結(jié)果見表 6。本方法的前處理操作更簡便溫和，耗時(shí)更短，所需取樣量更小，更適合用于法庭科學(xué)領(lǐng)域紙張物證的檢驗(yàn)鑒定與比對分類。

2.5 靜電復(fù)印紙的比對區(qū)分

按“1.4.2”前處理方法和“1.5”GC-MS 條件對40 種A4 靜電復(fù)印紙進(jìn)行檢驗(yàn)，分別從紙張中酮的種類、AKD 原料配比和總酮含量3個(gè)方面進(jìn)行定性、定量分析，并對40種紙樣進(jìn)行比對區(qū)分，結(jié)果如表 7所示。

分類結(jié)果如表 8 所示，40 種紙樣被分為三大類。第一類包括25#、33#、37#樣品，未檢出酮類，說明這3種紙樣未使用AKD 施膠劑，與樣品信息中ASA 施膠方式相符合；第二類和第三類樣品均檢出水解產(chǎn)物16-三十一酮、16-三十三酮和18-三十五酮，說明這37 種紙樣均為AKD 施膠，且其制備原料均為棕櫚酸與硬脂酸的混合物，推斷目前市售常見品牌復(fù)印紙中的AKD 施膠劑原料以棕櫚酸與硬脂酸為主。其中，3#、4#、16#、29#樣品所用AKD 原料中的硬脂酸比例高于棕櫚酸，C16/C18配比在0.43～1.00之間；其余33種樣品所用AKD原料中的棕櫚酸比例高于硬脂酸，C16/C18配比在1.00～4.00之間。

3 結(jié) 論

本文建立了氣相色譜-質(zhì)譜測定紙張中烷基烯酮二聚體施膠劑的方法，并將該方法應(yīng)用于40 種不同品牌靜電復(fù)印紙的檢驗(yàn)，根據(jù)特征物質(zhì)、施膠用AKD 原料配比與紙張中總酮含量對紙張樣品進(jìn)行定性與定量分析，將40種紙張樣品分為三大類。該方法具有靈敏度高、選擇性好的優(yōu)點(diǎn)，適用于紙張施膠方式的判定以及紙張種類的比對區(qū)分。今后將進(jìn)一步擴(kuò)大紙張樣品收集范圍，建立松香、AKD、ASA 等施膠紙張樣品數(shù)據(jù)庫，并探索取樣量更小的微損分析方法，為法庭科學(xué)領(lǐng)域的紙張物證鑒定提供科學(xué)依據(jù)。