光譜分析法鑒定出入境證件紫外熒光油墨成分的研究

張 梅

(中國人民警察大學，河北 廊坊 065000)

一、紫外熒光油墨

紫外熒光油墨是指在油墨中加入具有紫外光激發的可見熒光成分[1]，依據斯托克斯定律，在紫外光的照射下發出可見光的特種油墨。按照激發光源波長的不同分為：(1)長波熒光油墨(激發光波長365 nm)；(2)中波熒光油墨(激發光波長312 nm)；(3)短波熒光油墨(激發光波長254 nm)。

出入境證件在防偽設計過程中，通常只添加一種紫外熒光油墨，其只對某一指定波長的紫外光反應，對其他波長的紫外光不會有顏色變化。伴隨著出入境證件防偽等級的提高，也有一些國家的出入境證件開始采用雙波隱性紫外熒光油墨，這種油墨在不同波長的激發光下，呈現出明顯不同的兩種顏色，如圖1所示的護照內頁，在365 nm長波和312 nm中波紫外光的照射下，分別呈現湖藍色和粉紅色的熒光反應。

二、傳統檢測方法的優點和局限

無論哪種紫外熒光油墨，科學地進行檢測都是十分必要的。在出入境證件檢測中，通常利用檢材中的表現性指示、不同光線下的反應機理、現象做出判斷，這些通過顏色或者灰度差異來表征區別的方法稱為形態學檢測方法[2]。

紫外熒光的檢測通常是在特定紫光燈的照射下，觀察油墨的熒光反應。如圖2所示，在365 nm長波紫外光下，多條黃色熒光反應的波浪線條貫穿整個頁面，頁面下方有紅色熒光反應的波浪線條。頁面中央偏右呈現一個黃綠色的團花圖案，并且圖案中央部分呈現紅色。頁面右上的護照號碼一半呈現橙色。通過這樣的描述，就可以明確該頁熒光圖文的構造。

這種主觀描述式的檢測方法具有簡單易行、普及率高的優點。檢測者不需要具備專業的光學知識，僅僅憑借經驗常識和簡單儀器設備就能夠對大部分的紫外熒光油墨進行檢測，在邊檢實際工作中普遍使用。

然而這種形態學檢測方法存在明顯的局限性。一方面人眼視覺特性受外界環境的限制，并且主觀語言描述受檢測者自身經驗的誘導，所以這種方法顯然不具備普遍性和客觀性。尤其隨著熒光油墨類型的增多，如果還采用傳統的形態學檢測方法，就會存在一定誤差，嚴重時甚至產生誤判。如圖3所示，如果仍采用形態學檢測方法，可以得出：在365 nm長波紫外光下，呈現紅色老鷹熒光圖案，在312 nm中波紫外光下，紅色圖案消失，呈現出藍色的老鷹圖案，那么根據定義，這本護照上的熒光油墨被認定為雙波隱性熒光油墨。

(a)365 nm長波

(b)312 nm中波

圖2 傳統檢測方法

這個案例充分暴露了形態學檢測方法的局限性。首先與圖1所示的典型雙波隱性熒光油墨相比，做一個簡單分析：圖1中，熒光油墨在不同激發光源下，圖案顏色改變的同時，圖案輪廓十分清晰。

(a)365 nm長波

(b)312 nm中波

在這個案例中，在不同波長激發光源下，雖然也有明顯地顏色變化，但是老鷹輪廓在312 nm中波紫外光下十分模糊。二者之間的這些差異是偶然的現象，還是有本質的區別？這需要我們進一步探索。

由于形態學檢測方法無法深入研究，我們必須尋找新的解決問題的辦法。本文接下來提出了一種更加科學、專業、客觀的熒光油墨檢測方法。該方法借助更為專業的光學儀器例如VSC6000/HS視頻光譜比對儀，利用光譜分析技術，鑒定該紫外熒光油墨的真實成分，從而確定熒光油墨的類型。

三、光譜分析技術與顯微分光光度計

(一)光譜分析技術與文檢儀

光譜是復色光經過色散系統如(棱鏡、光柵)分光后，被色散開的單色光按波長(或頻率)大小依次排列的圖案，全稱是光學頻譜，其中橫軸表示波長(或頻率)，縱軸表示光譜強度，如圖4所示。按照光譜表現形式分類，光譜分為連續光譜、帶狀光譜和混合光譜，按照產生原因分類，分為吸收光譜、發射光譜和散射光譜。

光譜分析是應用光譜學的原理和試驗方法確定物質的結構和化學組成成分的一種科學分析方法，實驗測量的光譜特征數據和特征曲線，可以確定物質的性質、結構以及含量，在物質成分鑒定中得到了廣泛應用[3-4]。

(a)光子分解

(b)光子數量按照波長排列

本文使用的專業儀器是英國Foster+Freeman公司的VSC6000/HS視頻光譜比對儀(文檢儀)進行熒光光譜的采集和分析，該儀器可以研究證件中的防偽技術，鑒別偽假出入境證件，以及對有價值的證件信息進行采集，幾乎每一個一線邊檢機關的后臺實驗室都配置了該儀器。

VSC6000/HS文檢儀可以測量反射、吸收、熒光、透射共四種光譜。入射光源與光譜類型的對照關系如表1所示。

表1 VSC6000/HS文檢儀測量的光譜類型

(二)顯微分光光度計

分光光度計，又稱光譜儀，是一種將成分復雜的復合光，分解為單色光光譜線的光學儀器。根據分解的復合光的波長范圍不同，分光光度計又分為紫外分光光度計，可見分光光度計(也稱為比色計)，紅外分光光度計(也稱為原子吸收分光光度計)，并且為了保證測量的精密度和準確度，所有儀器應按照國家計量檢定規程進行定期校正檢定。

文檢儀VSC6000/HS，通過內置光柵，將文件選定區域在當前光源照射下的反射光細分為不同波長的光，測量其在各個不同波長的強度，并繪制成曲線，以便進行進一步的光譜分析操作。文檢儀采用光纖傳導技術，利用獨立光柵分光以及獨立CCD接收，能夠在400～1 000 nm的波長范圍內進行實時光譜量化對比分析，并且由于光學分辨率可以達到3 nm，所以文檢儀的分光計也稱為顯微分光光度計[5]。

顯微分光光度計是文檢儀的特色功能，利用它可以分析油墨的成分，查明添加涂改等偽變造事實，是一種更加科學、客觀、嚴謹的量化比對分析方法[6]。本文接下來就通過光譜分析技術鑒定本文圖3所示的紫外熒光油墨成分，從而確定油墨的真正類型。

四、試驗分析

(一)試驗過程

首先在紅色熒光反應的位置上選取一個采樣點T，如圖5所示，采集該位置處的中波熒光光譜數據。

圖5 老鷹圖案采樣點選取

該采集過程如下：

1．選擇312 nm中波紫外光。

2．將光標定位到T位置處，選擇文檢儀“顯微分光光度計”功能。

3．確定合適的放大倍數，并且測量黑色參考點。

4．測量熒光光譜數據，并命名為T-312。

接下來切換激發光源到365 nm長波紫外光，重復1～4操作，測量采樣點的長波熒光光譜，命名為T-365。

為了保證數據的客觀性和普遍性，在圖5中任選10個采樣點T1，T2，…，T10，分別測量他們的中波熒光光譜和長波熒光光譜數據，表2給出了光譜曲線的對照關系。

表2 采樣點、激發光和光譜曲線數據的對照關系(老鷹)

接下來對10個采樣點的光譜數據求均值得到具有一般性的光譜數據，分別定義為T-365，T-312。

為了進行與老鷹圖案進行比對，接下來選擇紙張上365 nm長波紫外光下呈現藍色熒光反應，而在312 nm中波紫外光下無反應的采樣點Z，換言之，采樣點Z是呈現藍色熒光反應而非“老鷹”圖案的位置，也稱紙張上一般位置，如圖6所示。

圖6 一般紙張采樣點選取

同樣為了保證數據的客觀性和普遍性，我們在圖6中任選10個采樣點Z1，Z2，…，Z10，根據1～4的步驟分別測量他們的中波熒光光譜和長波熒光光譜數據，表3給出了光譜曲線的對照關系。

對10個采樣點的光譜數據求平均得到具有一般性的光譜數據，分別為Z-365，Z-312。

這樣就得到四條光譜數據，分別為T-312，T-365，Z-312，Z-365。下面就分別進行光譜分析。

表3 采樣點、激發光和光譜曲線數據的對照關系(紙張)

(二)數據分析

接下來利用Matlab數據圖像分析軟件分析所得數據。

1．首先來看T-312和T-365，老鷹圖案位置在不同紫外光光源下的熒光光譜，如圖7所示。

圖7 T-312和T-365分析

通過圖7，可以發現：

(1)油墨被312 nm紫外光激發后獲得的曲線在630 nm存在峰值，該波長對應的顏色即為紅色。這也就解釋了為什么在312 nm激發光源下，油墨顯現出紅色熒光反應，這印證了形態學檢測方法得到的現象。明顯的峰值表明，油墨中存在中波紫外熒光油墨，且被激發后呈現出紅色。

(2)油墨被365 nm紫外光激發后獲得的曲線在420～550 nm范圍呈現反應，該波長區間對應的顏色即為藍色，這也與之前形態學檢測方法中出現的模糊的藍色圖案互相印證。但是是否表明存在長波熒光油墨呢，還需要繼續分析。

2．其次來看T-365和Z-365，即在365 nm光源下，不同位置的長波熒光光譜，如圖8所示。

圖8 T-365和Z-365分析

圖8中兩條曲線重合了，即老鷹位置的油墨在365 nm長波紫外光激發下的反應和紙張在365 nm長波紫外光激發下的反應是一樣的。兩條曲線重合表明，藍色長波熒光反應并非是設計者對老鷹的獨特設計，而是來源于紙張，到這里基本上就可以判斷該老鷹圖案并不是雙波隱性熒光油墨。

進一步分析光譜數據。圖7中的T-312曲線，在峰值的左側，存在很明顯的旁瓣。這個旁瓣說明：在證件的制作過程中，先在證件紙張上印刷有熒光油墨的底紋，該油墨在365 nm長波紫外光下呈藍色熒光反應，然后在該長波熒光油墨的上面，又印刷了老鷹圖案的熒光油墨，該油墨在312 nm中波紫外光下呈現紅色熒光反應，由于兩種油墨疊印在一起，他們之間存在一定的影響。

3．最后來看T-312和Z-312，即在312 nm光源下，不同位置的中波熒光光譜，如圖9所示。

圖9 T-312和Z-312分析

通過圖9，清晰可見這兩條曲線存在明顯的差異，并且Z-312沒有峰值區域，強度也比較低，這表明紙張上的一般位置沒有中波熒光反應，這也進一步驗證兩種波長的熒光油墨是獨立存在的。

通過試驗分析可以得出結論：(1)紙張采用長波熒光油墨印刷，在365 nm紫外光下呈現藍色熒光反應；(2)老鷹采用中波熒光油墨印刷，在312 nm紫外光下呈現紅色熒光反應；(3)視覺上給人造成一種錯覺，誤認為在不同紫外光下，老鷹呈現不同的顏色。該老鷹圖案由于只采用了中波熒光油墨，并不存在隱藏的長波熒光油墨，自然就不是“雙波隱性熒光油墨”，自此也就解決了本文一開始提出的問題。

五、結束語

雖然形態學檢測方法在以往的出入境證件防偽技術檢測中得到普遍使用，并且具有一定的優勢，但是我們也要意識到這種方法已經不能滿足實際發展的要求，為此本文結合一個實際案例，借助專業的儀器設備，利用光譜分析技術，提出了量化比對分析方法，深入研究了疑似雙波隱性紫外熒光油墨，用數據揭開謎團。這也提醒我們觀察現象的同時，不要被表象所迷惑，應該借助更科學、更客觀的方式進行研究。