绳索的傅里叶变换红外光谱分析

【核心介绍】本文利用傅里叶变换红外光谱法对25个不同类型、不同颜色、不同产地的绳索样品进行了分析，依据红外光谱图中特征吸收峰峰数、峰位、相对峰面积或峰高比的差异进行鉴别区分。实验结果表明：25个绳索样品中，8个绳索样品的化学成分为涤纶，3个样品为聚乙烯，12个样品为聚丙烯，1个样品为纤维素纤维，其中22号样品绳外层为聚丙烯，内层为涤纶。可见红外光谱法能够快速、无损、准确地检验绳索纤维成分，是比较鉴别绳索纤维检材与比对样品异同性的有效方法。 　

绳索的傅里叶变换红外光谱分析

杨奔   吕荫妮  史晓凡

（中国刑事警察学院，辽宁沈阳，110035）

    摘  要：本文利用傅里叶变换红外光谱法对25个不同类型、不同颜色、不同产地的绳索样品进行了分析，依据红外光谱图中特征吸收峰峰数、峰位、相对峰面积或峰高比的差异进行鉴别区分。实验结果表明：25个绳索样品中，8个绳索样品的化学成分为涤纶，3个样品为聚乙烯，12个样品为聚丙烯，1个样品为纤维素纤维，其中22号样品绳外层为聚丙烯，内层为涤纶。可见红外光谱法能够快速、无损、准确地检验绳索纤维成分，是比较鉴别绳索纤维检材与比对样品异同性的有效方法。

    关键词：绳索；纤维；傅里叶变换红外光谱法

       中图分类号: TH841                                                     

 

Analysis of Ropes By Fourier Transform Infrared Spectroscopy

Yang Ben¹,Lv Yinni²,Shi Xiaofan^1,*

(^1,2China Criminal Police University, Shenyang 110035,China)

Abstract: In this paper, 25 kinds of rope samples with different types, different colors, different types were analyzed by Fourier transform infrared spectroscopy,based on the difference of the characteristic absorption peak, peak position,relative peak area or peak height difference of the infrared spectrum. The experimental results showed that the main components of the 8 rope samples are polyester,3samples main component for polyethylene fiber,12 samples for polypropylene fiber, and 1 samples for cellulose fiber. Among them, the outer layer of the 22 sample ropes is polypropylene, and the inner layer is a polyester fiber. The method can be used to test the fiber composition of the rope quickly, accurately and without damage, and it is an effective method to identify the fiber samples and to compare the difference of the samples.

Key words: Ropes; Fibres; Fourier transform infrared spectroscopy

 

各种绳索在人们日常的生活、工作中广泛使用，绳是由多股纱或线捻合而成的织物。绳索的种类很多，按编织结构不同，可分为编织绳、拧绞绳、编绞绳等，按原料不同可分为棉绳、麻绳、化学纤维绳等。由于绳索是生活中常见的纺织品，因此在一些刑事案件、交通事故案件现场中，各种绳索残段、碎屑也是常见物量物证。如纵火现场的引火绳，爆炸现场固定爆炸物的绳子，凶杀和绑架案中的作案工具，抛尸案中捆绑被害人尸体的绳索，交通事故案中事故车辆擦蹭留下的绳索纤维等。及时准确地对绳索物证进行分析检验，可以为澄清案件的性质，证实犯罪提供科学的依据，同时也能为侦破案件提供重要的信息和线索^[1-2]。

目前对绳索纤维检测的方法主要有显微镜法、光谱法、裂解气相色谱法、热分析法等^[3-7]。傅立叶变换红外光谱分析法是微量物证鉴定常用手段之一，该方法通过解析红外谱图，不仅能对样品的化学结构进行分析判断，而且依据指纹区特征的异同对检材与比对样品进行比对检验。该方法的检测灵敏度高、快速且属无损检验，已被广泛应用于纤维、塑料、橡胶、油漆等微量物证的鉴定分析中^[8-10]。本文采用傅里叶变换显微红外光谱法对所收集的25个不同颜色、不同品种、不同产地的绳索样品进行了鉴别分析。

1 实验部分

1.1 实验样品

25个不同颜色、不同品种、不同产地的绳索样品，其中21~25号样品为包芯绳，详见表1。

表1 25个绳索样品

1.2仪器及条件

仪品：Nicolet-5700傅里叶变换红外光谱仪；

      Continuμm显微镜（美国Thermo 公司），金刚石池；

      立体显微镜（Motic）。

测定参数：扫描次数：16；分辨率：8；扫描范围 4000～650cm^-1。

1.3实验方法

在立体显微镜下，用分离针和手术刀片依次将上述绳索样品剖离，切取适量样品于金刚石池片上制样，然后进行傅里叶变换红外光谱分析。

2结果与讨论

2.1绳索红外光谱图解析及分类

25个不同颜色、不同品种、不同产地绳索样品的红外光谱特征不同，经红外光谱解析及标准图谱库检索，确定其化学成分主要为涤纶、纤维素、聚乙烯、聚丙烯，据此可将25个绳索样品分为四大类，见表2，图1。

图1 四类绳索样品的FTIR图

Fig.1 FTIR diagram of four kinds of rope samples

 

表2  25个绳索样品的分类表

注：21、23、24、25号样品内、外层纤维种类相同。

第Ⅰ类绳索样品红外光谱图中，1734.8 cm^-1处特征吸收峰为酯基中C=O的伸缩振动峰，1280.1 cm^-1、1119.4 cm^-1处强吸收峰为C-O的对称、不对称伸缩振动峰，1504.2 cm^-1、1408.4 cm^-1、1018.6 cm^-1处为吸收峰为苯环C-H面内弯曲振动峰，1371.3 cm^-1为CH₂面内摇摆振动峰；1453.1cm^-1附近较弱吸收峰为CH₂弯曲振动峰，729.3 cm^-1、875.0 cm^-1处吸收峰为苯环C-H的面外弯曲振动峰，由此推断第Ⅰ类样品的化学成分为涤纶。且此类样品与标准图谱库中涤纶（polyester）的匹配度为96.90%。

第Ⅱ类样品的红外光谱特征是吸收峰数较少，仅在2920.4 cm^-1、2851.6 cm^-1、1467.7 cm^-1、718.4 cm^-1处有吸收，与红外标准图谱库中聚乙烯（PE）的匹配度为92.22%，所以第Ⅱ类样品的化学成分为聚乙烯。其中2920.4 cm^-1、2851.6 cm^-1处的双峰是CH₂的不对称、对称伸缩振动峰；1467.7 cm^-1、718.4 cm^-1处弱吸收峰是亚甲基C-H弯曲振动峰。

第Ⅲ类绳索样品的红外光谱图与标准图谱库中聚丙烯（PP）图谱的匹配度为97.74%。聚丙烯是以丙烯为单体聚合得到的一类高聚物。此类绳索样品的红外光谱特征是：3000 cm^-1～2800 cm^-1区间有一多重峰，是CH₃、CH₂、CH中C-H的伸缩振动峰；1457.0 cm^-1、1377.3 cm^-1处为CH₂和CH₃的弯曲振动峰，且1377.3 cm^-1处吸收峰较强。

经检索和红外光谱图解析，推断第Ⅳ类8号绳索样品的化学成分为纤维素纤维。红外谱图中，3375.7 cm^-1处宽而强的特征峰为O-H的伸缩振动峰，1028.0 cm^-1处有C-O-C的不对称伸缩振动峰，峰强且两侧有弱的肩峰；1426.8 cm^-1、1367.9 cm^-1附近有C-H弯曲振动峰。

2.2同类绳索纤维的红外光谱比较分析

第Ⅱ类三个绳索样品的外观颜色各不相同。

第Ⅰ类9个样品中，除3号、25号（外层）颜色不同，其余7个样品均为白色纤维。7个外观颜色相同的同类纤维的红外谱图中特征峰数、峰位相同，但各特征峰的峰高比或峰面积比存在差异，见图2。

图2 第Ⅰ类3个白色样品的FTIR图

Fig.2 FTIR figure of 3 White samples of class I

第Ⅲ类13个绳索样品的外观颜色有所不同，分别为1个蓝色、2个黄色、2个橘色、2个红色、3个绿色、3个白色绳索样品。同类绳索纤维的红外光谱特征基本相符，但各特征吸收峰的峰高比或峰面积比也有所不同，见图3，图4。

图3 第Ⅲ类2个黄色样品的FTIR图

Fig.3 FTIR figure of 2 Yellow samples of class Ⅲ

图4 第Ⅲ类3个白色样品的FTIR图

Fig.4 FTIR figure of 3 White samples of class Ⅲ

不同生产商制造绳索时所用的原料、生产工艺等不同，生产出的涤纶、聚乙烯、聚丙烯大分子的分子量、聚合度、结晶度等都会有所不同，由此导致同色同类样品的红外光谱图中，吸收峰的数目、峰位均相同，但各特征吸收峰的相对峰面积比或峰高比有所不同，据此可对同色同类绳索样品进一步进行比较鉴别，为侦破案件提供科学的依据。

2.3染料因素的影响

实验结果表明，同类不同颜色绳索纤维的红外光谱特征相同，见图5、图6。说明红外光谱分析结果只显示了纤维自身化学组成的信息，染料无影响。因此实际案件中，对于纺织纤维物证，除应对纤维检材与比对样品进行纤维种类的比较检验外，还应进一步对其上的染料进行分析。

图5 第Ⅱ类2个不同颜色（黑、橘色）样品的FTIR图

Fig.5 The FTIR of the 2 different colors (black and orange) of the class II

图6 第Ⅰ类2个不同颜色（灰、黑色）样品的FTIR图

Fig.6 The FTIR of the 2 different colors (gray and black) of the class I

2.4重复性实验

19号绳索纤维样品三次平行红外光谱分析结果表明，该方法具有良好的重现性，见图7，表3。

表3  绳索纤维红外光谱重现性实验结果

图7  19号样品3次平行测定的FTIR图

Fig.7 3 parallel determination of FTIR in sample number 19

3.结论

    实验结果表明，傅立叶变换红外光谱技术是分析鉴别绳索纤维种类的有效手段，该方法简单、快速，且绿色无损。25个不同类型、不同产地绳索纤维的红外谱特征明确，分别为涤纶、聚丙烯纤维、聚乙烯纤维和纤维素纤维；依据红外谱图中特征吸收峰峰面积或峰高比的异同可对同类绳索纤维进一步进行分析；红外光谱分析结果只反映了纤维自身化学结构的信息，实际案件中还需进一步对其上染料进行检验。

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