常見功能性紡織品纖維中無機元素的主成分分析和聚類分析

周亞紅 王虹 單薏 呂梓淳

1．江蘇警官學院 2．江蘇省蘇州太倉市公安局城中派出所

3．江蘇省蘇州市公安局漕湖派出所

一、引言

近些年來，紡織纖維已經逐漸成為各類刑事案件現場上出現幾率較大的微量物證，它在刑事偵查中的地位也變得舉足輕重[2-3]。由于犯罪主體的反偵察意識不斷強化，犯罪手法逐步高科技化，使得一些傳統物證在現場的出現機率越來越少，現場偵查也逐漸陷入了舉步維艱的境地。因此，發揮微量物證的作用已經迫在眉睫。

功能性紡織纖維是指那些具有普通纖維的功能，同時還具有一些其他特別功能的纖維[1]。常見功能性紡織纖維的鑒定除了具有一些特殊的高分子結構外，無機元素分析也是纖維物證鑒定的重要環節。通過對現場遺留的紡織纖維中無機元素的種類和含量的檢測，利用SPSS 20.0分析軟件進行主成分分析以及聚類分析，能夠有效確定是否為功能性紡織纖維及其類別，從而縮小偵查范圍。另外，現場獲取的纖維還能為串并案件提供佐證，及時破案[4-5]。

二、儀器及其分析條件

（一）儀器

·全譜直讀型電感耦合等離子體發射光譜儀ICP-OES(美國Varian公司)：自激式空冷40.68MHz射頻發生器，色散系統為中階梯光柵多色器，波長范圍：175nm～785nm，CCD固體檢測器。使用玻璃同心霧化器，氣旋式霧化室，三同心石英炬管，蠕動泵進樣系統。

·電子分析天平FA1104N（上海精密儀器有限公司）。

·FM1125型可編程馬弗爐（北京迪索有限公司）。

·電熱板SXML-2-4（北京中興偉業儀器有限公司）。電壓為220V，功率為2kW，最高溫度為400℃，規格為450mm×350mm。

·IBM SPSS Statistics 20.0軟件（IBM公司）。

（二）馬弗爐分析條件

采用FM1125型可編程馬弗爐對樣品進行干法灰化，進行無機元素的分離提取，溫度設置程序：溫度為500℃，然后打開運行鍵，加熱時間為2h30min，進行灰化。最后，在溫度冷卻至室溫后將瓷坩堝取出。

（三）電感耦合等離子發射光譜儀分析條件

為了更好地同時進行多種無機元素的檢測[6-9]，通過多次實驗，經過優化實驗方案，選擇了如下電感耦合等離子發射光譜儀ICP-AES的工作條件，見表1。

待測元素分析線見表2。

三、試劑和樣本

（一）試劑

濃硝酸溶液、硝酸鎂固體、蒸餾水，試劑均為分析純。

根據實驗需要配制：1%硝酸溶液、5%硝酸溶液、1g·L-1硝酸鎂溶液。

（二）樣本

分別收集了常見功能性紡織和常見紡織品樣品，見表3、表4。為了更好的分析不同類型的功能性紡織纖維之間的種屬差異，將收集的樣本中所含的成分以及其特點列出。

四、實驗內容

（一）無機元素的分離提取

將清洗干凈的樣品分別用電子分析天平準確稱取0.2g于表面皿中；

然后將樣品放入瓷坩堝中，依次滴入1mL的5%硝酸溶液和5mL的lg·L-1硝酸鎂溶液，并在電熱板上低溫炭化至無煙；

將樣品移入馬弗爐，在500℃下灰化2.5h，直至灰化完全，取出冷卻；

在樣品中分2次加入20mL的1%硝酸溶液試樣，將溶液轉移至50mL的燒杯中，繼續加熱至試樣溶解完全，蒸發近干；

待冷卻至室溫后，將樣品移入50mL的容量瓶中，用1%的硝酸定容，作樣液分析用。

在本方法條件下，配置樣品空白溶液。

（二）利用電感耦合等離子發射光譜儀進行測定

利用電感耦合等離子發射光譜儀，對樣品溶液進行半定量分析，全譜掃描檢測其中的無機元素的種類及其含量。

（三）主成分分析和聚類分析

將電感耦合等離子發射光譜中得出的數據利用SPSS 20.0軟件進行主成分分析，找出特征無機元素，并對找出的特征無機元素進行聚類分析，得出分類情況[10-11]。

五、結果與分析

（一）不同功能性紡織纖維中無機元素的測定結果

利用電感耦合等離子發射光譜法對收集的功能性紡織品樣品中無機元素的含量進行半定量分析，在相同條件下，做兩組實驗，得到無機元素的種類和含量，從中篩選出11種無機元素，結果見表5。

實驗結果表明，由于五種功能性紡織纖維材料的功能不同，其無機元素的含量差異較大。反光布和遮光窗簾檢出10種無機元素，阻燃手套檢出8種元素，而降落傘和無紡布頭罩只檢出6種元素，有常見的4種元素如Si、Na、K、W均未檢出或低于檢出值，其中降落傘中Zn的含量低于檢出值，無紡布頭罩中Fe的含量低于檢出值。

利用表5中測量值計算平均測量值，得到圖1。

圖1中顯示，反光布中，Ca、Zn、Al的含量較高，有利于反光作用；遮光窗簾中Ca、Fe、Si的含量較高，有利于遮光效果；阻燃手套主要是Ca的含量較高；而無紡布頭套、降落傘則無機元素含量均較低，前者吸附作用小，后者質地要求較輕，因此，要求總的無機元素的含量較低。

（二）與常見紡織品中的無機元素成分比較

在相同實驗條件下，對五種常見紡織品樣品進行兩組平行實驗，全譜圖掃描結果，得到無機元素的種類和含量，從中篩選出9種無機元素，結果見表6。

常見紡織纖維制品中無機元素的來源主要包括五個方面：其一是在天然纖維生長或合成纖維制備中形成；其二是在巢絲過程或紗線形成過程粘附的；其三是紡織品制造過程；其四是染料過程或染料本身帶有的；其五是在儲備的倉庫、運輸和使用過程中產生的。因此，主要由于原料來源的不同，無機元素成分上有一些差異。

利用表6中的測量值計算平均測量值，得到圖2。

圖2表明常見紡織品的9種無機元素的分布情況，在無機元素的種類和含量上有一定的相性似，但與功能性紡織纖維中無機元素的種類和含量相比較，差異較大：一是從含量上來看，功能性紡織纖維無機元素的差值較大，而常見紡織品的無機元素的含量差別不太大；二是功能性紡織纖維由于添加了一些特殊元素，無機元素種類增加。因此，通過無機成分分析可以區分功能性紡織品與常見的紡織品。

（三）主成分分析與聚類分析

1．主成分分析

主成分分析的目的之一是用盡可能少的因子來解釋觀測到的變量，主成分的特征值及貢獻率是選擇主成分的依據。根據圖1可知，反光布和遮光窗簾在Ca元素上與阻燃手套，無紡布頭套和降落傘的差異很大。因為主成分分析需要利用相關性進行降維，如果單純的將這五個樣本的數據進行主成分分析，很難得到真實的數值。因此，將反光布和遮光窗簾單獨列出進行主成分分析，余下的三個樣本的數據進行分析。

應用SPSS Statistics 20.0軟件進行主成分分析，得表7為反光布和遮光窗簾的特征值和貢獻率；表8為反光布和遮光窗簾中的元素與主成分因子的相關系數；表9為阻燃手套、降落傘和無紡布頭套的特征值和貢獻率；表10為阻燃手套、降落傘和無紡布頭套中的元素與主成分因子的相關系數。

分析表7和表8，可知第一個主因子和Al、Si、K、Ti、Zn、W、Sr高度正相關，和Li、Ca、Fe負相關；第二主因子表明與Na正相關。因此，認為在反光布和遮光窗簾中的特征無機元素為Al、Si、K、Ti、Zn、W、Sr、Li、Ca、Fe和Na。

分析表9和表10，可知第一個主因子和Al、Si、K、Ca、Ti、Zn、W、Sr高度正相關；第二主因子與Fe正相關。因此，認為阻燃手套、降落傘和無紡布頭套的特征無機元素為Al、Si、K、Ca、Ti、Zn、W、Sr和Fe。

同樣的方法對五組常見紡織品中無機元素成分進行主成分分析，得到特征無機元素為Al、Si、Na、Ca、K和Fe。

綜上所述，這十種紡織品纖維中的特征無機元素為Al、Si、K、Ca、Ti、Zn、W、Sr、Fe和Na。

2．聚類分析

采用SPSS 20.0軟件包中的系統聚類分析程序，對十種常見的紡織品纖維樣本進行聚類分組，采用組間連接的方法，按個案進行卡方度量分析，分類結果見圖3。

由圖3可知，當差別值為3以內時，可以將十種樣本分為9大類：反光布、雪紡、阻燃手套、麻、無紡布頭套、遮光窗簾、降落傘、化纖、棉和毛呢為同一類；當差別值在10的時候，分為6大類：反光布、化纖、無紡布頭套、棉和毛呢和雪紡為同一類，降落傘和遮光窗簾為同一類，阻燃手套和麻為同一類。

由于功能性紡織品與常見紡織品的無機元素種類和成分含量上差異較大，在作聚類分析時，選擇按個案進行卡方度量分析，其結果與實際情況相符合，不僅可以將功能性紡織品纖維與常見紡織品纖維相互區分，而且不同功能性紡織品纖維之間也能相互區分，只有棉和毛呢中的無機元素的種類和含量的差別值在1以內。

六、結論

在選用蒸餾水清洗的情況下，采用電感耦合等離子發射光譜法對五種常見功能性紡織纖維中無機元素的種類和含量進行測定。實驗結果表明，功能性紡織品中無機元素種類和含量與常見紡織品相比較有明顯的差異，可以相互區分；不同功能的紡織品纖維其在無機元素種類和含量上也是存在著一定的差異。

利用SPSS進行主成分分析，可以提取5種常見功能性紡織纖維的特征無機元素是：Al、Si、K、Ca、Ti、Zn、W、Sr和Fe。在此基礎上進行聚類分析，可以將10種待測樣品分為9類。因此，通過上述實驗研究，可以判斷在現場所獲得纖維是否屬于常見功能性紡織纖維以及屬于何種類別的功能性紡織纖維，利用這種差異，可以將紡織品纖維分類、建庫，為法庭科學建立科學的鑒定方法。

[1]張威,唐雯,馬軍.功能性紡織纖維的開發與發展現狀[J].山東紡織科技, 2004.1:44-47.

[2]王淳浩,程軍亮,杜長濤.IR光譜法分析紡織纖維[J].鐵道警官高等專科學院報, 2005.15(3):86-90.

[3]李金光.論微量物證在偵查破案中的作用[J].遼寧警專學報,2009.2:31-33.

[4]王波,鐘巖．刑事案件現場中纖維的作用[M]．刑偵研究.

[5]潘燕良.試論現場微量物證的偵破作用[J].上海公安高等專科學校學報, 2005.15(2):88-91.

[6]劉麗萍,乙小娟,楊雪芬.ICP-AES法測定紡織品中的十種元素[J].印染, 2000.12:29-31.

[7]張緒宏,王彥芬,傅惠敏,富玉,劉金霞,黃志榮.純毛紡織品中8種重金屬元素ICPAES定量分析方法研究[J].天津師范大學學報(自然科學版), 2007.27(3):3-5.

[8]李冰,周劍雄,詹秀春.無機多元素現代儀器分析技術[J].地質學報, 2011.85(11):1878-1914.

[9]Schuster．K．Christian, Suchomel．Friedrich, Manner．Johann, Abu-Rous．Mohammad, Firgo．Heinrich．Functional and Comfort Properties of Textiles from TENCEL Fibres Resulting from the Fibres' Water-Absorbing Nanostructure[M]．Macromolecular Symposia, 2006.244(1):149-165.

[10]陳軍輝,謝明勇,傅博強,楊妙峰,王小如.西洋參中無機元素的主成分分析和聚類分析[J].光譜學與光譜分析, 2006.26(7):1326-1329.

[11]胡雷芳.五種常用系統聚類分析方法及其比較.[J].浙江統計,2007.4:11-13.