環(huán)境因素對(duì)黑色中性筆墨跡中PEG低聚物降解的影響研究

孫其然，張清華，王雅晨，楊旭

（司法鑒定科學(xué)研究院上海市司法鑒定專(zhuān)業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺(tái)，上海200063）

黑色中性筆在國(guó)內(nèi)的使用范圍較廣，因其書(shū)寫(xiě)流暢、墨跡不易洇散和褪色，而受到人們的歡迎。尤其是以炭黑為著色劑的黑色中性筆，色牢度好，適合在各種重要文件上書(shū)寫(xiě)。在文檢鑒定實(shí)踐中，黑色中性筆墨跡也是常見(jiàn)的檢材之一，有關(guān)黑色中性筆（簽字筆）字跡的形成時(shí)間鑒定需求不斷增長(zhǎng)。

黑色中性筆墨水中的主要成分由著色劑、溶劑和樹(shù)脂等組成[1]。除了染料外，相當(dāng)一部分的黑色中性筆墨水中的著色劑用的是炭黑顏料。借助一些穩(wěn)定劑、表面活性劑的作用，這些顏料顆粒均勻地分散在凝膠狀的墨水中，無(wú)法像染料一樣用薄層色譜（TLC）、高效液相色譜（HPLC）法等進(jìn)行檢測(cè);而氣相色譜-質(zhì)譜（GC/MS）法只適用于檢測(cè)新鮮墨跡中的揮發(fā)性溶劑[2]。因此，對(duì)于以炭黑為著色劑的黑色中性筆墨跡，除了一些物理方法如顯微形態(tài)檢驗(yàn)、測(cè)量筆道電阻[3]外，可用的儀器分析方法較為有限。

聚乙二醇（Polyethylene glycol，PEG）的通用分子式為OH（CH2CH2O）nH，結(jié)構(gòu)單元C2H4O是一組分子量相差44Da的化合物。PEG低聚物（指聚合度較小的PEG，一般n在20以?xún)?nèi)）是中性筆墨水中的常見(jiàn)成分，主要作為潤(rùn)濕劑。應(yīng)用液相色譜-高分辨質(zhì)譜（LC-HRMS）法，可檢測(cè)中性筆墨跡中的PEG低聚物。前期研究發(fā)現(xiàn)，PEG會(huì)發(fā)生氧化降解[4-5]，黑色中性筆墨跡中PEG低聚物的降解主要表現(xiàn)為低分子量PEG豐度增加，高分子量PEG豐度降低[6]。在書(shū)寫(xiě)時(shí)間研究中，環(huán)境因素的影響不容忽視，例如光照會(huì)促使圓珠筆墨跡中堿性染料降解，而高溫會(huì)加速圓珠筆、中性筆墨跡中有機(jī)溶劑揮發(fā)[1，7]。因此，環(huán)境是研究文件材料老化必須考量的因素之一。本研究通過(guò)設(shè)置不同的文件存放環(huán)境，應(yīng)用LC-HRMS分析技術(shù)考察光照、溫度和濕度對(duì)于中性筆墨跡中PEG低聚物降解變化的影響。

1 材料與方法

1.1 試劑

PEG 400標(biāo)準(zhǔn)品（USP reference standard，1 g）（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；HPLC級(jí)乙腈；乙酸銨（≥99.0%）（美國(guó)Sigma-Aldrich公司）；HPLC級(jí)二甲亞砜（DMSO）（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）。去離子水由Milli-Q Integral 3純水儀制得。

10 mM乙酸銨溶液配制：稱(chēng)取0.385 g乙酸銨，用去離子水溶解，定容至500 mL，搖勻待用。

1.2 黑色中性筆樣品

選擇6支炭黑類(lèi)黑色中性筆，用直尺在同一張A4紙上劃線，平行制作3份墨跡樣品。樣品信息見(jiàn)表1。

表1 黑色中性筆樣品信息

1.3 儀器

KQ-100超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司）；Milli-Q Integral 3純水儀（德國(guó)默克公司）；MiniSpin離心機(jī)（德國(guó)Eppendorf公司）。SUNTEST CPS+文件老化儀（美國(guó)Atlas材料測(cè)試技術(shù)公司），氙燈波長(zhǎng)范圍300～800 nm。PH050A型干燥箱、LHS-80HC-II恒溫恒濕箱（上海一恒科技有限公司）。LC-HRMS系統(tǒng)由美國(guó)Thermo Fisher Scientific公司的Ultimate 3000液相色譜儀和Q Exactive臺(tái)式Orbitrap質(zhì)譜儀組成。數(shù)據(jù)分析使用Thermo Xcalibur 3.0軟件。

1.4 樣品提取

用Harris Micro-punch 0.5 mm直徑的打孔器取樣，每一墨跡取2份樣，每份10個(gè)點(diǎn)。取下的墨跡樣品放置在1.5 mL的EP管中，向樣品中加80 μL DMSO，超聲20 min后，將樣品放入離心機(jī)中，以13，000 rpm的轉(zhuǎn)速離心20 min。取50 μL上清液轉(zhuǎn)移至樣品瓶中待分析，進(jìn)樣體積5 μL。

1.5 老化實(shí)驗(yàn)

1.5.1 光照環(huán)境（L）

取1張寫(xiě)有6支黑色中性筆墨跡的樣品紙張，放入文件老化儀中，以40℃、250 W/m2的輻照強(qiáng)度進(jìn)行光照老化，老化5 d，按照1.4項(xiàng)下每天取樣分析。

1.5.2 高濕度環(huán)境（H）

一是水資源安全，包括水量充裕和結(jié)構(gòu)均衡。水量充裕，既有總量的充裕，也有人均量的充裕。結(jié)構(gòu)均衡包括地區(qū)均衡與人群均衡。水資源分布的不均衡，不僅增加了供水時(shí)間和成本，還有可能引發(fā)取水糾紛和洪澇災(zāi)害，是導(dǎo)致水資源安全問(wèn)題的原因之一；人群不均衡表現(xiàn)在人群階層，特別是收入階層的差異，導(dǎo)致獲取水資源經(jīng)濟(jì)能力（支付能力）上的差異，也是影響水資源安全的重要因素之一。

取1張寫(xiě)有6支黑色中性筆墨跡的樣品紙張，放入恒溫恒濕箱中，設(shè)置溫度為25℃，濕度為80%RH，放置3個(gè)月，分別在制樣當(dāng)天、第10天、第19天、第27天、第34天、第48天、第69天和第85天，按照1.4項(xiàng)下取樣分析。

1.5.3 高溫環(huán)境（T）

取1張寫(xiě)有6支黑色中性筆墨跡的樣品紙張，放入溫度為40℃的干燥箱中，放置3個(gè)月，分別在制樣當(dāng)天、第10天、第19天、第27天、第34天、第48天、第69天和第85天，按照1.4項(xiàng)下取樣分析。

1.6 LC-HRMS條件

液相色譜柱為Agilent Zorbax SB C18柱（150×2.1mm，5μm），柱溫40℃，梯度洗脫程序（表2）。整個(gè)液相分離過(guò)程為32min，第0～2min和第30～32min里，用切換閥將洗脫液切換到廢液池。

表2 液相色譜梯度洗脫程序

質(zhì)譜采用ESI離子源，正離子模式，電壓3.5kV。殼氣、輔助加熱氣和碰撞氣均使用高純氮。輔助加熱溫度為300℃，毛細(xì)管?chē)娽樀臏囟葹?50℃。全掃描模式，m/z 100～1 500。分辨率設(shè)為70 000（半峰寬）。在每批次進(jìn)樣分析前，用Thermo提供的校正液對(duì)質(zhì)譜的質(zhì)量軸進(jìn)行校正，以使質(zhì)量數(shù)偏差小于5 ppm。

1.7 定量參數(shù)

峰高比R用于表征PEG低聚物之間的相對(duì)含量：R=Hb/Hl，其中Hb為基峰的峰高值，Hl為檢出的分子量較低的PEG的峰高值。6支黑色中性筆墨水樣品所含PEG低聚物有三種分布，分別為：m/z 432±44n，m/z 564±44n，m/z 712±44 n（圖1）。據(jù)此，1號(hào)、2號(hào)的定量參數(shù)為R432/300，3～5號(hào)的定量參數(shù)為R564/344，6號(hào)的定量參數(shù)為R712/492。

檢出標(biāo)準(zhǔn)為：抽離子（XIC）色譜圖上，信噪比大于3，且信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到105。

2 結(jié)果與討論

在不同環(huán)境下，6支黑色中性筆墨跡中PEG低聚物的R值變化（圖2～7）。結(jié)果表明，盡管所含PEG分子量不同，但它們的變化趨勢(shì)相同。

圖1 黑色中性筆墨水中3種PEG低聚物分布

圖2 不同環(huán)境下，1號(hào)樣品中R432/300隨時(shí)間的變化

圖3 不同環(huán)境下，2號(hào)樣品中R432/300隨時(shí)間的變化

圖4 不同環(huán)境下，3號(hào)樣品中R564/344隨時(shí)間的變化

圖5 不同環(huán)境下，4號(hào)樣品中R564/344隨時(shí)間的變化

圖6 不同環(huán)境下，5號(hào)樣品中R564/344隨時(shí)間的變化

圖7 不同環(huán)境下，6號(hào)樣品中R712/492隨時(shí)間的變化

PEG的降解是自由基氧化反應(yīng)引起的，PEG層疊的鏈狀結(jié)構(gòu)中間存在較高的應(yīng)力，降低了置換氫原子的活化能，因而易受自由基攻擊[8]。在三種環(huán)境中，光照環(huán)境下R值下降最快。雖然光照老化的溫度設(shè)置為40℃，與高溫老化的溫度相同，但是在前者環(huán)境下，R值下降速度比后者明顯要快。這一方面是由于光照提供了能量，另一方面是因?yàn)槔匣渲杏谐掷m(xù)不斷的用于控溫的空氣氣流。Han等對(duì)PEG發(fā)生自由基氧化的條件做過(guò)較系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)在這一反應(yīng)過(guò)程中，空氣（氧）比熱能更重要：在同樣的80℃，空氣中的PEG發(fā)生了明顯的降解，而真空條件下的PEG幾乎沒(méi)有變化[8]。老化箱中的光照和氣流提供了PEG發(fā)生自由基氧化反應(yīng)所需的能量和氧氣，因而PEG的降解速度較快。

在同樣避光的高溫和高濕度環(huán)境下，6支黑色中性筆樣品的R值變化速度相近。總體而言，在高溫環(huán)境下PEG的降解速度比高濕度環(huán)境下的快，表現(xiàn)為R值更小，這是由于高溫提供了氧化反應(yīng)的能量。實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，存放2個(gè)月后，在3～5號(hào)樣品中，高濕度環(huán)境下R值≤高溫環(huán)境下R值。事實(shí)上，在25℃、80%RH的環(huán)境下放置2個(gè)月后，樣品紙張表面出現(xiàn)霉斑。由此推測(cè)，在高濕度環(huán)境下，中性筆墨跡中PEG的降解主要是由微生物分解PEG引起的[9]。

3 結(jié)論

本研究選用PEG分布有差異的6支黑色中性筆平行制樣，分別將樣品放置在光照、高溫、高濕度環(huán)境中，觀察各墨跡樣品中PEG的降解變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：有光照和氣流的條件下，PEG降解最快，光能和氣流提供了PEG發(fā)生自由基氧化所需的能量和反應(yīng)原料。在同樣避光的條件下，高溫條件下PEG的降解速度比高濕度環(huán)境下的快。高濕度環(huán)境下PEG的降解主要是微生物引起的生物降解。在實(shí)際文件保存環(huán)境中，很少出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中80%RH的高濕度環(huán)境，因此光照和溫度將是影響中性筆墨跡中PEG降解的主要因素。

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