Nei系數(shù)法在火場(chǎng)汽油燃燒殘留物GC-MS檢驗(yàn)結(jié)果分析中的應(yīng)用

俞哲文，楊 涵，張 健

(武警學(xué)院 a.研究生隊(duì)； b.基礎(chǔ)部，河北 廊坊 065000)

氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)聯(lián)用技術(shù)具有所需樣品量少、分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，在火災(zāi)調(diào)查中得到了廣泛應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于利用GC-MS鑒定火場(chǎng)易燃液體形成了比較成熟的標(biāo)準(zhǔn)，如美國(guó)ASTM E1618-10和我國(guó)《火災(zāi)技術(shù)鑒定方法 第5部分：氣相色譜-質(zhì)譜法》(GB/T 18294.5—2010)等。這些標(biāo)準(zhǔn)都是通過(guò)比較樣品與汽油的總離子流圖和特征離子色譜圖來(lái)對(duì)譜圖進(jìn)行識(shí)別。這種方法適用于汽油含量較高，燃燒基質(zhì)裂解產(chǎn)物干擾較少的場(chǎng)合，因?yàn)閺目傠x子流圖就能看出色譜峰的整體分布形態(tài)，鑒定人員很容易做出判斷。但在汽油含量很低或燃燒基質(zhì)干擾嚴(yán)重的場(chǎng)合下，檢驗(yàn)結(jié)果受鑒定人員的主觀影響較大，容易產(chǎn)生誤判。針對(duì)上述情況，國(guó)內(nèi)已有學(xué)者對(duì)汽油殘留物GC-MS檢驗(yàn)結(jié)果的分析方法進(jìn)行了試驗(yàn)探索[1-3]。本文針對(duì)上述問(wèn)題，進(jìn)行模擬燃燒試驗(yàn)，試驗(yàn)樣品采用GC-MS分析，通過(guò)比較樣品與汽油的特征提取離子流圖，并根據(jù)改進(jìn)的Nei系數(shù)法比較樣品與汽油指紋色譜圖的相似度，判斷燃燒殘留物中是否含有汽油。

1 試驗(yàn)儀器材料與方法

1.1 儀器

試驗(yàn)儀器為：Agilent 6890氣相色譜儀，Agilent 5973質(zhì)譜儀，超聲波震蕩器，丁烷噴槍，錫箔紙盒，燒杯，0.45 μm濾紙。色譜條件：色譜柱型號(hào)為HP-5(5% Phenyl MethylSiloxane，規(guī)格30 m×0.25 mm×0.25 μm)。載氣為氦氣(純度99.999%)，流量為1.2 mL·min-1。色譜柱采取程序升溫，初始柱溫為50 ℃，保持3 min，以10 ℃·min-1升溫至150 ℃，保持2 min，再以6 ℃·min-1升溫至260 ℃，保持10 min。溶劑延遲時(shí)間為3 min。質(zhì)譜條件：電離源為EI源，電子能量70 eV。傳輸線溫度為280 ℃，離子阱溫度為200 ℃，溶劑延遲為3.0 min。掃描方式為全掃描方式(Full Scan)，質(zhì)量范圍為50︰400。

1.2 材料

93#汽油，從市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)的報(bào)紙、毛巾、滌綸、瓦楞紙、棉布、化纖地毯、松木條、橡膠等各種燃燒載體(燃燒基質(zhì))，正己烷(色譜純)。

1.3 試驗(yàn)方法

以一定量的報(bào)紙、毛巾、滌綸、瓦楞紙、棉布、化纖地毯、松木條、橡膠等為燃燒載體，加入10 mL93#汽油，用丁烷噴槍點(diǎn)燃，無(wú)法持續(xù)燃燒的用噴槍協(xié)助燃燒一定時(shí)間，待其自然熄滅后用脫脂棉收集燃燒殘留物，用正己烷溶劑萃取，并用超聲波振蕩器振蕩5 min，用0.45 μm濾紙過(guò)濾即得到樣品溶液。同時(shí)設(shè)置不加汽油的對(duì)照組。為了避免偶然性，每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)兩次。

2 汽油指紋譜圖的建立

2.1 指紋譜圖的建立

通過(guò)研讀GB/T 18294.5—2010、ASTM E 1618—10及汽油目標(biāo)化合物相關(guān)論文，依靠化學(xué)工作站NIST譜庫(kù)檢索，確定了23種汽油特征目標(biāo)化合物，并在汽油的烷烴類(m/z=57，85)、芳香烴類(m/z=91，106，134)、萘類(m/z=128，142，156)、茚滿類(m/z=116,131)4個(gè)特征離子色譜圖(EIC)上標(biāo)識(shí)峰號(hào)。圖1依次為汽油總離子流圖、烷烴類特征離子色譜圖、芳烴類特征離子色譜圖、茚滿類特征離子色譜圖和萘類特征離子色譜圖，圖中各個(gè)特征峰的歸屬見(jiàn)表1。

圖1 汽油的總離子流圖及提取離子流圖

表1 汽油各色譜峰的歸屬表

取93#汽油1 mL，加入正己烷200 mL溶液，搖勻。精密吸取汽油稀釋液1 μL進(jìn)樣10次，根據(jù)上文確定的23個(gè)標(biāo)識(shí)汽油特有組分的特征峰采用均值法建立指紋譜圖[4]。10次汽油稀釋液與對(duì)照指紋譜圖相似度計(jì)算結(jié)果分別為0.928,0.998,0.927,0.996,0.981,0.987,0.995,0.978,0.971,0.993。

2.2 方法學(xué)考察

方法學(xué)考察有[5]：(1)考察精密度。精確吸取汽油稀釋液各1 μL，連續(xù)進(jìn)樣7次，各譜圖分別以4號(hào)、15號(hào)、18號(hào)和21號(hào)峰為參照峰，計(jì)算各特征峰的相對(duì)保留時(shí)間和相對(duì)峰面積RSD均<2%，表明儀器精密度較好。(2)考察穩(wěn)定性。精確吸取汽油稀釋液各1 μL，分別于制備后0,3,6,9,12,18,24 h進(jìn)樣，各譜圖分別以4號(hào)、15號(hào)、18號(hào)和21號(hào)峰為參照峰，計(jì)算出各特征峰的相對(duì)保留時(shí)間和相對(duì)峰面積RSD均<2%，表明測(cè)試溶液在24 h內(nèi)穩(wěn)定。(3)考察重復(fù)性。取同一批次汽油7份，按照2.1的方法稀釋后，分別精確吸取1 μL，各譜圖分別以4號(hào)、15號(hào)、18號(hào)和21號(hào)峰為參照峰，計(jì)算出各特征峰的相對(duì)保留時(shí)間和相對(duì)峰面積RSD均<2%，表明該方法重復(fù)性較好。

3 檢驗(yàn)結(jié)果分析

Nei系數(shù)法是由Nei提出的，最初用于刻畫(huà)個(gè)體間的遺傳相似度。Nei系數(shù)法也稱峰重疊率法，其算法如下：

峰重疊率/%=(樣品指紋譜圖與對(duì)照指紋譜圖共有峰×2)/(樣品指紋譜圖峰數(shù)+對(duì)照指紋譜圖峰數(shù))×100%

Nei系數(shù)法只能從質(zhì)的角度考察指紋譜圖的相似性，不能反應(yīng)指紋譜圖峰強(qiáng)度的變化對(duì)相似性的影響。在此基礎(chǔ)上學(xué)者將峰重疊率和共有峰強(qiáng)度結(jié)合改進(jìn)了Nei系數(shù)法。改進(jìn)的Nei系數(shù)法不僅考慮了色譜指紋譜圖的整體性，還把色譜指紋譜圖的重疊率和共有峰的峰強(qiáng)度有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，數(shù)據(jù)預(yù)處理簡(jiǎn)單，計(jì)算便捷，判斷準(zhǔn)確，不需要復(fù)雜的模式識(shí)別方法，且靈敏度高于其他相似度計(jì)算方法。改進(jìn)的Nei系數(shù)法算法描述具體如下[6-7]：

設(shè)定待測(cè)樣本1表示為：

Sα=(Sα1，Sα2，Sα3，…，Sαi，…，Sαn)，i=1,2，…，n，n∈N

設(shè)定待測(cè)樣本2表示為：

Sβ=(Sβ1，Sβ2，Sβ3，…，Sβi，…，Sβm)，i=1,2，…，m，m∈N

式中，n和m分別是待測(cè)樣本1和2的最大采樣數(shù)。

對(duì)待測(cè)樣本1和2各個(gè)目標(biāo)特征峰依據(jù)保留時(shí)間按照表1中給出的順序進(jìn)行編號(hào)，如果某一指紋譜圖在某處無(wú)目標(biāo)特征峰出現(xiàn)(即峰面積為零)，仍分配相應(yīng)的編號(hào)，以保證兩個(gè)待測(cè)的指紋譜圖具有相同的色譜峰數(shù)。以譜圖峰面積，或者峰面積的比率，或者峰高稱為圖譜峰的強(qiáng)度，h為縱坐標(biāo)，以譜圖特征峰的編號(hào)為橫坐標(biāo)，建立二維坐標(biāo)系，將同一樣本的所有特征點(diǎn)連線后，構(gòu)成該樣本的特征曲線，其重合比率為：

式中，n1,n2分別是待測(cè)樣本1和2中的實(shí)際色譜峰數(shù)；nt是待測(cè)樣本1和2的共有峰數(shù)；h1i,h2i分別是待測(cè)樣本1和2的編號(hào)為i的共有峰強(qiáng)度。

實(shí)際應(yīng)用改進(jìn)的Nei系數(shù)法計(jì)算的相似度進(jìn)行判斷時(shí)，以汽油指紋譜圖為基準(zhǔn)，計(jì)算出待鑒定樣品的指紋譜圖與指紋譜圖的相似度；求出汽油指紋譜圖與其他汽油殘留物譜圖相似度平均值，其中最小值即為相似度閾值；某一待鑒定樣品的評(píng)價(jià)可通過(guò)該樣品的指紋譜圖相似度的平均值與閾值比較確定，相似度大于閾值的樣品則初步判斷為樣品中含有汽油，反之則樣品中不含汽油。

利用上文公式計(jì)算汽油指紋譜圖和9張不同載體的汽油燃燒殘留物譜圖的相似度，結(jié)果列入表2，表中編號(hào)1為汽油指紋譜圖，編號(hào)2～10為不同載體的汽油燃燒殘留物色譜圖。由表2可以看出汽油燃燒殘留物相似度的平均值最小值(即閾值)為0.57。即相似度高于0.57則判斷為樣品檢出汽油助燃劑，反之則未檢出汽油助燃劑。

表2 汽油樣品之間的譜圖相似度

利用上文公式計(jì)算汽油指紋譜圖與武警學(xué)院火災(zāi)物證鑒定中心曾經(jīng)做過(guò)的助燃劑鑒定的9個(gè)樣品色譜圖的相似度，結(jié)果列入表3，表中編號(hào)1為汽油指紋譜圖，編號(hào)2～10為已經(jīng)完成鑒定的樣品色譜圖。根據(jù)上文判斷方法，編號(hào)5、編號(hào)7、編號(hào)10這三個(gè)樣品色譜圖相似度均大于0.57，判斷為樣品中檢出汽油助燃劑成分，剩余樣品則判斷為樣品中未檢出汽油助燃劑成分。這一結(jié)果與實(shí)際鑒定結(jié)果完全相同。

表3 汽油指紋譜圖與9個(gè)鑒定樣品的相似度

4 結(jié)論

利用樣品色譜圖與汽油色譜圖的相似度做輔助判斷是火災(zāi)易燃液體鑒定發(fā)展的一個(gè)方向，而改進(jìn)的Nei系數(shù)法計(jì)算色譜圖相似度是目前公認(rèn)的較為準(zhǔn)確的計(jì)算方法。該方法不僅考慮了缺失特征組分的情況，而且考慮了弱小色譜峰的影響，具有很強(qiáng)的均一性和穩(wěn)定性。同時(shí)，該方法可以直接使用氣相色譜，相對(duì)保留指紋譜圖數(shù)據(jù)，無(wú)須進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理工作，容易編制軟件實(shí)現(xiàn)，也能利用基本辦公軟件Excel計(jì)算。同時(shí)，想要提高該方法的準(zhǔn)確度，還需要更大樣本容量的支持。

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