拉曼光谱在墨迹鉴定中的应用研究进展

刘英霞，贾硕果

(重庆警察学院，重庆，401331)

1 引言

随着经济和计算机信息化的快速发展，单位、个人之间的经济交往也逐年增多，涉及合同、票据、契约等鉴别文件真伪的案件与日俱增，在对文件真伪的案件鉴别过程中，鉴定人员常常需要将涉案文件中的笔迹、印迹、图像及其他物质材料等作为文件检验的子系统，对其中的对象进行分别检验和关联分析，判断文件的真伪。在检验分析过程中，对墨迹的种属鉴别和同一认定是文件检验技术与现代仪器分析技术相结合的关键，也是鉴别文件真伪的有效途径之一。目前，国内外法庭科学工作者已对此开展了大量的研究，并将光谱法、色谱法、质谱法等多种仪器分析法应用于基础研究和实际案例分析中[1-2]，但由于文件中所含墨迹成分的种类繁多、成分复杂以及无损检验的要求，探索新的检验方法、拓宽检验思路、借鉴其他学科先进的技术方法和多种手段联用是文件检验技术发展的必然要求。

拉曼光谱是一种非弹性的散射光谱，自1928年被印度物理学家拉曼(C.V.Raman)发现后因其丰富的光谱信息以及痕量、非破坏、原位分析等优点在许多领域取得了很大的发展。目前，拉曼光谱的应用已遍及考古、环保、生物、物理、化学、材料、地矿、刑侦等多个领域，在文件检验尤其是墨迹鉴定中，国内外学者们对拉曼光谱的应用开展了大量的研究与实践，本文对近几年国内外拉曼光谱技术在墨迹分析中的研究内容进行梳理总结，并提出今后的研究方向，为法庭科学工作中墨迹的分析提供参考依据。

2. 拉曼技术

2.1 傅里叶变换近红外拉曼光谱技术

1964年，Chantry等首次提出了将傅里叶变换(Fourier transformation，FT)技术与近红外激发拉曼(near Infrared Raman spectroscopy，NIR)技术相结合的构想，直到1986年，Hirschfeld等对其进行研究，并将其在技术上得以实现，这种将FT技术与NIR技术相结合的新技术就是FT-NIR技术。1987年，PerkinElmer公司推出了第一台FT-NIR光谱仪。与NR相比，FT-NIR技术信噪比高，能在1064nm的近红外激光照射样品，极大地削弱了光谱的荧光背景，可以快速地鉴定物质、分析多组分样品，同时，可将光纤耦合到FT-NIR光谱仪，进行远距离和实时测量，FT-NIR技术已被广泛应用于材料、化合物分析、考古、医药、法庭科学等领域。

2.2 共焦显微拉曼光谱

在本质上，共焦显微拉曼光谱(MR)与常规拉曼光谱(Normal Raman，NR)的光谱仪一样，只是在光路中引入了共焦显微镜，以此消除来自样本的离散光，增强光谱信号，获得样本的真实分子水平方面的信息。该技术可以将激发光的光斑聚焦到微米数量级，直接获取物质内部微区的结构信息和三维拉曼图像，近年来，因其具有微观、原位、快速、多相态、空间分辨率高、稳定性好等特点，已被应用于宝石鉴定、法庭科学、文物考古等领域。

2.3 表面增强拉曼光谱技术

1974年，Fleischmann等将光滑银电极表面进行粗糙化处理后,首次获得Ag电极表面的吡啶分子的高质量的拉曼光谱，但没有意识到这是由于粗糙表面对吸附分子的拉曼光谱信号的增强作用。直到1977年， VanDuyne 和 Creighton各自在研究吡啶分子的拉曼光谱时发现，吸附在粗糙电极表面的分子拉曼信号比溶液中的分子信号强106，这种效应被称为表面增强拉曼散射效应(SERS)。SERS因具有极高的选择性和灵敏度，可以获得NR不易获得的结构信息，而被广泛应用于生物大分子结构分析、染料分析、墨迹分析中。

3 拉曼技术在墨迹分析中的应用

在对墨迹种类鉴别时，通常是依据形成文件的不同书写工具、机制工具等所采用的油墨、墨水、墨粉的原料来源、成分配比、生产工艺等的不同，采取理化检验、仪器分析等手段对其成分进行分析。

3.1 圆珠笔油墨字迹的鉴别

圆珠笔油墨主要由溶剂、染料、树脂组成，对圆珠笔油墨成分检测主要依据油墨中溶剂、染料、油墨混合的成分和含量三方面的差异。

2000年，Claybourn M等[3]将拉曼光谱技术应用于圆珠笔油墨分析，成功地区分了黑色圆珠笔油墨，并建立拉曼光谱数据库，为研究圆珠笔油墨书写时间提供了依据；2001年，Seifar等[4]用SERS对13种蓝色和黑色圆珠笔油墨进行测定，有效地对圆珠笔油墨进行了区分，其结果和运用薄层色谱法获得的成分分析高度一致；2009年，Geiman 等[5]用NR和SERS对10种合成染料和圆珠笔油墨进行研究，首先用3种激光器进行NR分析，然后针对NR分析荧光背景高、光谱质量差等问题，采用滴液沉积技术对染料和圆珠笔油墨进行SERS分析，有效降低了荧光背景，此外，还将SERS与薄层色谱技术联用对某圆珠笔墨迹进行成分分析，结果表明圆珠笔墨迹展开后的各斑点的 SERS 拉曼光谱与对应的纯染料的 SERS拉曼光谱高度一致。2015年，Souza等[6]尝试运用拉曼光谱和化学计量法来区分蓝色圆珠笔油墨，首先应用化学计量法改进光谱、对光谱进行预处理后，应用主成分分析(Principal Component Analysis, PCA)和层次聚类分析(Hierarchical Clustering Analysis, HCA)来探讨是否可以依据拉曼光谱将不同的油墨区分开来，发现实验中的油墨均可通过连续的PCA提供的树状图的不同层次逐渐区分，结果表明，拉曼光谱结合化学计量法可以区分相近圆珠笔油墨类型，该研究为拉曼光谱在可疑文件检验中的应用提供了更广阔的前景。

相比而言，国内法庭科学工作者对拉曼光谱在文件检验中的应用研究起步较晚，直到20世纪90年代末，我国学者才开始将拉曼光谱法应用于可疑文件的分析中。但是对于圆珠笔的油墨、书写时间、笔痕特征等的研究相对较早，且技术比较成熟。1998年，谭红琳等[7]首次用拉曼光谱技术对钢笔、碳素笔和圆珠笔的墨水或油墨进行分析，结果表明，拉曼光谱不仅可以区分圆珠笔、钢笔、铅笔的墨迹, 还可以鉴别不同品牌的圆珠笔、铅笔以及不同批次的墨水；2000年，梁鲁宁等[8]尝试用拉曼光谱对不同品牌的黑色圆珠笔油墨进行区分，结果表明激光拉曼光谱分析法应用于黑色圆珠笔字迹的比对是可行的；同年，徐彻等[9]发现显微激光共焦拉曼光谱仪可以对纸张上不同品牌的黑色圆珠笔油墨字迹进行定性分析，认为该方法快速、高效、易辩，尤其是具有对检材原位无损检测的优点，因此，在实践中具有很大的应用价值。但受荧光强度的影响，个别样品没能检测到拉曼峰；2007年，衡航等[10]首次较为系统地对日常生活中常用的黑色圆珠笔和蓝色圆珠笔的墨迹进行过拉曼光谱测试，并做了激发光波长的比对实验，发现圆珠笔墨迹鉴定中514.5 nm 激发波长效果较好。2013年，为了减少荧光干扰，李江春[11]将表面增强共振拉曼(Surface Enhanced Resonance Raman Spectroscopy，SERRS)技术引用到圆珠笔油墨的检验中，发现SERRS技术能较好地区分圆珠笔油墨种类，但在实际检案中，要注意结合其他方法进行系统鉴别。

3.2 签字笔墨水字迹的鉴别

签字笔，又叫中性圆珠笔，起源于1984年日本研发的Ballsign产品，其油墨主要由树脂、颜料(或染料)、溶剂及少量助剂组成，近年来，签字笔作为最受大众欢迎的书写工具，被广泛应用于书写合同、票据、档案等活动中。对签字笔油墨成分的分析主要采用光学检验法、光谱法、色谱法等。

2000年，White P.C[12]首次提出将拉曼光谱技术应用到签字笔墨水分析的设想；2003年，Mazzella等[13]用三种技术对33种不同品牌和型号的蓝色签字笔油墨进行了分析，首先根据其在体视显微镜下的形态特征将33种签字笔分为牛奶型、金属型、普通型3种，然后对其用光学检验、扫描电镜和拉曼光谱三种方法进行综合检验，发现扫描电镜法和拉曼光谱法对不同品牌以及同种品牌不同型号的样品均有较强的区分能力，且区分能力高于光学检验法，在将扫描电镜法和拉曼光谱法联合使用时，实现了最大程度的区分；2005年，Mazzella[14]对国际市场上具有代表性的55种蓝色签字笔油墨进行分析，首先将它们分为两大类：19种染料和36种颜料，然后用两种激发光(514.5 nm和830 nm)对后者进行了拉曼光谱分析。确定了两种主要色素，颜料蓝15和颜料紫23；2009年，Zhang等[15]应用多光谱技术(傅里叶变换红外光谱，FTIR；共聚焦显微拉曼光谱，紫外-可见光谱，UV-Vis)对蓝色签字笔油墨进行分析，根据拉曼特征将28种不同品牌和型号的签字笔分为4大类，并利用热重-质谱联用法(Thermogravimetric mass spectrometry,TG-MS)研究了纸张上蓝色签字笔油墨在人工老化过程中的成分变化，讨论了该光谱技术在分析和识别蓝色签字笔油墨中的优缺点，以及在文件相对性和绝对性老化研究中的应用前景；2016年，Ho YC等[16]发现，不同的签字笔墨水之间的微小的光谱差异不是因为染料的不同，而是因为化学性质的相似性所致，同时发现，以含有纳米颗粒的高膨胀聚合物为基质的SERS技术因具有重复性好、灵敏度高的优势，将作为法庭科学油墨分析的有效手段。2018年，Mohamad 等[17]将RS技术和衰减总反射-傅里叶变换红外光谱(Attenuated Total Reflectance-Fourier Transform Infrared spectroscopy, ATR-FTIR)技术联合，并结合皮尔逊相关系数和主成分分析法来研究纸张上红色签字笔油墨的来源，结果证实了RS和ATR-FTIR光谱联合分析油墨的可行性，并成功地用皮尔逊相关系数和主成分分析法对红色签字笔油墨的来源进行了测定。

签字笔技术于20世纪90年代初引入我国，1996年后被大众接受。2001年，王志国等[18]首次采用FT-NIR技术对36 种黑色签字笔墨迹进行了测定，发现FT-NIR不受纸张本底的影响，可快捷灵敏地对签字笔字迹进行分析，同时，发现随着实验时间的延长，墨迹的相对峰强度比发生了变化，这对于研究签字笔书写时间具有重要意义；2009年，史晓凡等[19]采用FT-NIR技术，根据谱峰数目、峰位及峰面积将59种不可溶、63种可溶性黑色签字笔进行了细化区分，达到了对黑色签字笔油墨进行种类鉴别的目的；陈宁等分别于2015[20]和2016年[21]采用以银胶和金胶为基底的SERS对黑色签字笔进行检测，有效地对所有样品进行区分，SERS拓展了显微激光拉曼光谱仪在黑色书写墨迹检验中的应用；2017年，邓莹等[22]采用薄层色谱表面增强拉曼光谱联用技术(Thin layer chromatography-surface-enhanced Raman scattering, TLC-SERS)探究蓝色签字笔墨迹成分，成功地对蓝色签字笔成分进行了分离，并获得了蓝色签字笔油墨成分的SERS信息，该结果为研究墨迹成分的 SERS 信息提供了新思路。2018年，韩伟等[23]将电阻测量技术和显微拉曼光谱技术联用，有效地对30支不同品牌和型号的黑色签字笔墨迹成分进行了综合鉴别，研究表明：将两种技术联用突出了不同的技术方法之间的互补性和互证性，为签字笔的种属鉴别提供一种快捷、无损的新思路。

3.3 钢笔墨水鉴别

钢笔墨水一般有鞣酸铁型墨水、染料型和颜料型墨水等，对钢笔墨水的种属鉴别不仅可以确定文件真伪，还可以用于对历史文物的鉴别和颜料的确定。

2001年，White PC[24]采用SERS法对历时手稿(3年前制作)进行分析，结果表明用聚合剂处理后墨水成分得到了较好的区分；2013年，Raza等[25]将掺杂银的琼脂糖凝胶作为SERS基板，对红色和蓝色墨水成分进行分析，发现含银的琼脂糖凝胶能有效地淬灭荧光而增强拉曼信号，为痕量检验提供了新的可能；2018年，Saviello D等[26]采用 SERS/UV-vis相结合的方法对不同品牌的墨水中染料成分进行了系统鉴定，有效地识别了不同颜色墨水的主要染料成分，对同一种墨水的UV-Vis分析与SERS结果一致，但对黄色和橙色染料成分不能确定，并对研究中采集到的光谱数据采用数据库格式进行整理，丰富了艺术品颜料光谱数据库。

国内对钢笔墨水的研究历史悠久，化学检验法是传统的有损检验手段。1998年，徐彻等[27]采用傅立叶变换拉曼光谱法对6种黑色墨水字迹进行检验分析，结果表明，傅立叶变换拉曼光谱法能快捷、无损有效地对黑色墨水字迹进行鉴别；2016年，季金鑫等[28]利用激光显微共聚焦拉曼光谱仪、超景深三维视频显微镜和扫描电镜-能谱仪对一张1945年银行票据样品颜料进行了综合检验分析，发现该样品印刷使用了颜料红146等有机颜料和碳黑、X构型雄黄等无机颜料，对其中未发现拉曼光谱的棕黑色手写字迹区域利用超景深三维视频显微镜进行了元素分析，确定其中Fe和S元素来源于墨水，并推测棕黑色手写字迹由蓝黑墨水老化褪色形成。并且首次发现X构型雄黄和副雄黄作为印刷颜料使用。该项研究结果表明，上述三项技术的联用可以成功地对纸质品上的有机及无机颜料进行无损鉴定。

3.4 激光打印机墨粉鉴别

激光打印机所使用的墨粉是以树脂、染料、荷电添加剂等成分为主要原料的高科技复合产物。不同品牌、不同型号的墨粉配方存在差异，为鉴别激光打印机文件来源提供了依据。

国外专门针对该领域的研究较少，但近年来，有不少应用拉曼光谱对票据、文物的的真伪鉴别的研究[29]，为研究打印墨粉提供思路和方法。2008年，余静等[30]利用显微拉曼光谱仪对6个品牌29种型号的激光打印机墨粉进行检验，实验结果表明，该方法可以有效地区分有拉曼活性的样品，发现纸张对测试结果没有影响，并提出可以应用SERS对拉曼信号弱的样品进一步区分。2016年，李开开[31]采用共聚焦显微拉曼光谱技术，分别对不同品牌、不同型号、不同时间的激光打印机形成的字迹墨粉进行研究，实验结果表明：通过对拉曼峰位置、数目及相对强度的比较来区分打印文件墨粉的异同。同时发现同一品牌同一型号的打印文件在不同时间的墨粉拉曼光谱存在细微差别，并针对国内市场上使用非原装硒鼓的现象，探讨了非原装硒鼓对激光打印机打印文件拉曼光谱检验的影响，提示法庭科学工作者在推断文件是否为同次打印时，必须确保其使用原装硒鼓的情况下使用该方法。

3.5 喷墨打印机墨水

喷墨打印机的墨水有染料性墨水和颜料性墨水两种，对喷墨墨水的色料和溶剂成分进行分析，可以有效区分打印机的品牌和型号。

2003年，Littleford等[32]为研制新型染料，采用SERS研究喷墨染料吸附到到纸张后发生的变化；2012年，Heudt等[33]从鉴别能力、信息质量和无损能力三个方面来评估拉曼光谱技术和质谱技术对喷墨油墨的分析水平，研究结果表明，拉曼光谱法可成功地应用于彩色印刷文件的分析，因此，在实践中应首先尝试无损分析方法，质谱法可为油墨添加剂和纸张成分提供信息。该研究首次提出并研究了区分来自不同制造商和来自相同制造商的颜料主要成分为碳黑的黑色印刷文件的可能性，并研发了光谱分析软件；2014年，Król M等[34]采用显微拉曼光谱法和毛细管电泳法对彩色喷墨打印机油墨进行了分析，并创建了来自不同品牌和型号的油墨拉曼数据库；2018年，Johnson等[35]采用拉曼光谱法，利用532 nm和785 nm激发波长，对319种油墨(78种喷墨、76种碳粉、79种胶印和86种凹版)不同品牌、不同颜色、不同类型油墨的光谱进行了分析鉴别，并比较计算每种油墨类型的识别能力百分比。研究结果表明：拉曼显微光谱法区分不同品牌的同色油墨的能力取决于分析的颜色和油墨，对喷墨墨水的识别能力范围为75～94%。

2006年，余静等[36]首次采用激光拉曼光谱对120份来自不同品牌、不同型号的喷墨打印机文件进行了无损检验，实验结果表明，该方法可以有效地对实验样本进行区分，且同一文件的墨迹基本不受纸张的影响，对光谱进行定量分析，将有助于提高其区分率；2014年，周光磊等[37]采用激光显微共聚焦拉曼光谱仪，将EPSON、HP、CANON大品牌21种型号的墨迹样品分为8类，实验中选用不同激发波长对墨迹和纸张进行多次测试，取得最优测试条件，实验结果表明，显微拉曼光谱可以快速有效地区分不同品牌、同一品牌不同型号的墨水，该技术可应用于印刷机具的快速排查；同年，白萃萃等[38]尝试运用激光显微共聚焦拉曼光谱仪对喷墨打印机彩色图文墨迹中三原色未重叠点进行检验，结果发现，品红色墨迹成分区分效果最好，其次为黄色、蓝色，研究表明，该方法对彩色打印墨迹进行不同颜色单点分析可大大提高喷墨打印机厂家型号的识别率，是一种行之有效的检测手段。

4 小结与展望

拉曼光谱以其独特的优势，为法庭科学中墨迹等物证的鉴定提供了痕量、原位、无损的检验方法，同时，随着新的拉曼技术如FT-Raman、共 焦 显 微 拉 曼 光 谱、SERS、空间位移拉曼(Spatially-offset Raman Spectroscopy, SORS)等的发展，以及拉曼光谱技术与化学计量法的结合，进一步扩大了拉曼光谱在法庭科学领域中的应用范围。

作为一种应用前景广阔的痕量物证检验技术，建立标准的墨迹拉曼谱图数据库、科学规范的拉曼定量分析方法、制备性能优异的表面增强拉曼基底材料、多种拉曼光谱技术结合、探索与其他仪器技术联用以及与化学计量学等分析方法的结合将是拉曼光谱技术应用于墨迹分析的发展趋势。