表面增強拉曼光譜對黑色圓珠筆快速鑒別的檢測研究

雷霏，王雅晨，孫其然，羅儀文，楊旭

（1.上海市公安局靜安分局刑事科學技術研究所，上海 200070；2.司法鑒定科學研究院上海市司法鑒定專業技術服務平臺司法部司法鑒定重點實驗室，上海 200063）

自圓珠筆進入市場后，已逐漸成為人們使用較為廣泛的書寫工具之一。 目前，圓珠筆墨跡鑒定已成為文書鑒定工作中至關重要的一部分。 如何更加有效地分析和鑒別不同種類的圓珠筆油墨，是目前研究的一個難點。 圓珠筆油墨主要由溶劑、著色劑、樹脂和助劑四個部分組成[1]。常見的圓珠筆墨跡檢測和鑒別方法包括紫外可見光譜法[2]、高效液相色譜法[3]和質譜法[4-5]等。 拉曼光譜作為一種分子振動光譜，因其具有無損、快速定性等優點，一直受到業內學者們的廣泛關注。 而拉曼光譜主要用于對圓珠筆油墨中的著色劑進行檢測分析[6-9]。 傳統的拉曼光譜由于易受熒光干擾，信號強度和靈敏度均較低，在實際檢測中譜峰信號差異不顯著，致使鑒別難度較大。

近年來，表面增強拉曼光譜（surface enhanced Raman spectrometry，SERS）因其較高的靈敏度和通用性得到廣泛關注[10-11]。 2009 年，IRINA 等[12]選取了甲基紫羅蘭、蘇丹黑B、帕拉羅沙寧等10 種具有代表性的有機染料，分別對其粉末和溶液進行了常規拉曼檢測和表面增強拉曼檢測。 結果表明，由于在常規拉曼光譜中受到熒光干擾而沒有檢測到拉曼信號的染料分子，卻在增強后能夠得到明顯的特征峰譜圖。 基于此，表面增強拉曼開始替代常規拉曼技術，在各個領域嶄露頭角。 但在目前的文獻報道中，除了ALYAMI 等[13]、RAZA 等[14-15]研究了不同的納米顆粒制備方法對圓珠筆墨跡的檢測效果外，缺乏針對墨跡鑒定的應用研究。 而在實際案件中，不同種類的圓珠筆油墨的區分往往是偵破案件的關鍵，如何快速區分不同品牌和不同類型的圓珠筆油墨值得行業研究人員關注和研究。

本文以黑色圓珠筆為研究對象，選取了目前國內市場上55 種不同品牌的黑色圓珠筆，在785、633、514 nm 3 種不同激發光波長下，用自制納米銀膠體溶液對樣品進行表面增強拉曼檢測，比較了樣品在增強前后的特征峰信息，并將3 種激發光波長下的樣品數據相結合，以實現在快速檢驗的基礎上，更加可靠地區分不同品牌的圓珠筆油墨。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

InVia 型激光顯微拉曼光譜儀（英國雷尼紹公司）；S-4800 型場發射掃描電鏡（日本日立公司）。

納米銀溶液的制備：用于SERS 探針的納米銀膠體是在LEE 等[16]研究方法基礎上改進而合成的。首先，將9 mg 硝酸銀溶解在50 mL 去離子水中，加熱至沸騰，將4 mL 質量分數為1%的檸檬酸鈉水溶液逐滴緩慢地滴加到沸騰的硝酸銀溶液中。 然后，持續加熱20 min，將制備好的灰綠色膠體銀溶液冷卻至室溫，再以5 000 r/s 的轉速離心10 min，取上清液，用水清洗2～3 次。 最后，去除97%的上清液，沉淀物用少量水稀釋后置于5 ℃的黑暗環境中，密封保存待用。

55 種不同品牌的黑色圓珠筆樣品信息如表1所示；80 g A4 復印紙（億王紙業有限公司）；結晶紫、甲基紫2B、堿性藍7 標準品（國藥集團）；檸檬酸鈉（美國Sigma-Aldrich 公司）為分析純；硝酸銀（SinoPharma 公司）為分析純；乙醇（阿拉丁公司）為分析純；實驗用水為經Milli-Q 純水儀純化后的純水。

表1 55 種不同品牌的黑色圓珠筆樣品信息

1.2 儀器條件

掃描電鏡條件 放大倍率為250、500、1 000倍。

拉曼光譜儀條件 掃描范圍為300～2 000 cm-1；激發光波長為785、633、514nm；光譜分辨率為2cm-1。

1.3 方法

樣品的制備：分別使用表1 中黑色圓珠筆執直尺于空白紙張（2 cm×6 cm）上先劃一條橫線，然后劃兩條與橫線垂直交匯的豎線，將寫好的紙張用雙面膠粘貼于載玻片上待用。

掃描電鏡檢測：將制備好的納米銀膠體放入80℃烘箱中烘干后，取少量粉末分散在導電膠上用于掃描電鏡的檢測。

拉曼檢測：用直徑為0.3 mm 的玻璃毛細管沾取納米銀膠體，再讓其自然吸附到紙張表面（使納米顆粒均勻密集的分布在待測的墨水線上，而不會大面積的洇散，增強的位置選擇在兩條墨水線的交匯處），開始檢測，每個樣品平行檢測3 次，以獲得最佳光譜結果。

2 結果與討論

2.1 納米銀的制備與表征

圖1 顯示了制備的納米銀顆粒的掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）圖像，可以看出，所制備的納米銀顆粒呈尺寸較均勻的球形，粒徑大約為40～50 nm，符合李東[17]所提出的能夠獲得最佳增強效果的納米銀顆粒表征。

圖1 納米銀顆粒的SEM 圖像

為了驗證自制納米銀的表面增強效果，在785 nm激發光波長下，分別檢測樣品22 在增強前后的拉曼光譜信息，增強效果明顯，如圖2 所示，其中，NRS表示增強前光譜，SERS 表示增強后光譜。

圖2 樣品22 在785 nm 激發光波長下的增強前光譜和增強后光譜對比

2.2 不同激發光波長下的表面增強拉曼光譜

圖3 選擇了樣品47和樣品50兩個樣品的譜圖作為兩組圓珠筆的代表，比較其在785、633、514 nm這3種激發光波長下增強前后的拉曼光譜。在785nm激發光波長下[圖3（a）]，可以看出增強前兩個樣品之間沒有顯著差異，而增強后，兩個樣品的拉曼信號顯著增強，在420、520、725、840、860、915、1 180、1 260、1 320、1 365、1 440、1 585、1 620 cm-1處的特征峰信號都有明顯提高，譜圖顯示其墨跡中含有結晶紫、甲基紫2B類染料。47號樣品在1 320 cm-1處的特征峰顯示出微弱的紅移。在633 nm激發光波長下[圖3（b）]，增強前樣品的拉曼信號非常差，僅僅在420、1 180、1320、1365、1620cm-1處出現微弱的特征峰。 而增強后的特征峰信號明顯增強。 在514 nm激發光波長下[圖3（c）]，樣品在增強前就有較好的拉曼信號。 值得注意的是，樣品47在1 710 cm-1處出現特征峰信號，這在785、633nm激發光波長下均未出現。

圖3 樣品47 和樣品50 在785、633、514 nm 激發光波長下增強前光譜和增強后光譜對比

2.3 分類與識別

為了能夠更加準確地對圓珠筆進行分類與定性，首先檢測了結晶紫、甲基紫2B 和堿性藍7 這3種常見圓珠筆染料標準品的表面增強拉曼光譜，表2 展示了3 種常見圓珠筆染料標準品在不同激發光波長下的標志性特征峰信息。

表2 3 種常見圓珠筆染料標準品的標志性特征峰

圖4 展示了在785nm激發光波長下，同一品牌（三菱）的不同型號的樣品10和樣品53在增強前后的譜圖。 由此可以看出，在NRS譜圖中未能體現出特征峰差異（500～600cm-1區域），而在SERS譜圖中卻能很好的得到體現。 這說明SERS不僅可對不同品牌的樣品進行區分，還能對同一品牌不同型號的樣品進行區分。

圖4 同一品牌不同型號的樣品10 和樣品53 的增強前光譜和增強后光譜對比

圖5 顯示了在785、633、514 nm 3 種激發光波長下增強后的55 個樣品分類示例，因為樣品數量較多，每種譜圖均選取幾個具有代表性的樣品展示。 在785nm激發光波長下，可以將樣品分為5組。 樣品18代表的是第1 組，其代表性峰主要集中在1 200～1500cm-1區域，三個主峰位于約1 240、1 285、1 360 cm-1處。第1 組與其他4 組的差異最為明顯，由于其在420、1 160、1585、1620cm-1等處均沒有出現明顯的特征峰信號，而這些特征峰都是結晶紫、甲基紫2B和堿性藍7的標志性特征峰，因此可以推斷第1 組樣品中不含上述成分，其他4 組的光譜信息顯示出更多的相似性。 在420、920、1 160、1 585、1620 cm-1等位置的特征峰與甲基紫2B 和結晶紫的特征峰位置相吻合。在第4 組1300～1400cm-1區域、第5 組500～600 cm-1區域，存在實際差異性特征峰。在633nm 激發光波長下，增強后的樣品譜圖可分為3 組。區分率較低可能有兩種原因：（1）由于結晶紫和甲基紫2B 的響應較強，樣品中存在的其他染料成分的信號被覆蓋，這可能導致用于區分樣品種類的成分信息沒有在SERS 光譜中表現出來；（2）相比于785nm 的激發光波長，633 nm 激發光波長對圓珠筆油墨信號的響應較差，檢測到的樣品譜圖信息不夠完整。 在514nm激發光波長下，樣品同樣可分成3組，第1 組、第2 組都在1650cm-1處有一個特征峰， 這是其他組樣品所沒有的，而第1 組在1 650 cm-1處特征峰的相對強度要明顯低于第2 組，與此同時，在第2 組中還發現了位于605cm-1和1 510 cm-1處的差異性特征峰。

圖5 785、633、514 nm 這3 種激發光波長下的SERS 光譜分組情況

表3 列出了785、633、514 nm 3種激發光波長下的SERS譜圖的分組情況及其差異性特征峰信息。其中785 nm激發光波長下的區分率最高，能將樣品分成5 組，這可能是因為785nm 激發光波長下的SERS效果最好，能夠檢測到更多的特征峰信息（圖6）；633 nm激發光波長展現出了樣品48的差異性，可以將其與樣品50 歸為一類，樣品18 和樣品28 這2 種特殊的成分能夠明顯與其他圓珠筆樣品區分開來，這與785 nm 激發光波長檢測信息相吻合；而根據在514 nm 激發光波長下測得的SERS 譜圖信息，樣品47、樣品48 也檢測到與樣品18、樣品28 相似的差異性特征，這為種類區分提供了新的線索。

表3 785、633、514 nm這3種激發光波長下的樣品分組信息

表4 將785、633、514 nm 3 種激發光波長下的SERS 譜圖所有的分組數據結合在一起，得到了更為全面的分組信息，可以將樣品細分成8 組。

表4 樣品匯總分組信息

結果發現，在增強前，不同樣品的特征峰信號在強度上有很大差異。 一些樣品具有較強的信號，可以檢測到明顯的特征峰信息，而一些樣品由于本身信號較弱或者受到較強的熒光干擾，導致無法檢測出拉曼特征峰，因此增強前的樣本區分通常取決于拉曼信號的有無。 然而，在整體樣本信號較弱的情況下，這種區分方式的可靠性不高。 對于沒有特征峰信號或信號極弱的樣品， 可能會因為缺乏部分關鍵信息而錯誤的將其歸為一類， 導致樣品分類出現偏差。SERS 譜圖的分類是依據特征峰位置和相對強度的差異，這些信息可表明不同樣品在成分和含量上的區別，從而有效對其進行分組。 在此基礎上將785、633、514 nm 3 種激發光波長下獲得的樣品分組信息相結合，可以獲取更加可靠的分組信息。

3 結論

本研究通過比較SERS 光譜與常規拉曼光譜，發現未增強的拉曼譜圖不足以為圓珠筆的種類區分提供充分信息，甚至無法對某些樣品進行定性，而SERS 譜圖可為區分圓珠筆油墨成分提供更多有效信息。 本研究比較了785、633、514 nm 3 種激發光波長下所獲得的光譜信息，發現785 nm 激發光波長下的區分率最高；而將這3 種激發光波長下的譜圖信息相結合，可獲取更加全面的區分數據，使分組信息的可靠性大幅提高。 本研究方法通過對黑色圓珠筆墨跡快速、原位的表面增強拉曼光譜進行定性分析，為司法鑒定領域中書寫材料的快速檢測和分類提供了更多的思路。