黑色签字笔字迹色痕相对形成时间的实验分析

魏显峰， 王静雯， 胡祖平

(1.浙江汉博司法鉴定中心， 浙江杭州 310007； 2.苏州市公安局， 江苏苏州 215002)

0 引言

签字笔起源于1984年日本SAKURA株式会社研制开发的“BALLSIGN”产品，以及1988年日本PENTEL株式会社推出的“HYBIRD”新产品。在国内，从20世纪90年代起，广东汕尾厂商从日本引进签字笔的生产技术，温州也有企业开始批量生产签字笔，此后宁波贝发公司采用进口笔尖、进口的墨水和浮塞脂，开始成功地批量生产签字笔，其产品主要销往国外。从1996年起，国产品牌签字笔的质量开始稳定，之后该产品被越来越多的人接受，到了1998年，中国已经成为全球最大的签字笔生产地[1]。

近年来，面对电子信息化的发展，笔具消费市场受到很大的冲击，签字笔是唯一保持独特优势的笔具。而且，签字笔兼具自来水笔和圆珠笔的优点，书写流利、携带方便、不漏墨水，符合现代人对日常书写工具简便快捷的要求，日益受到人们的青睐。因此，在许多民事、刑事案件，尤其是在经济纠纷等案件中，对可疑文件上黑色签字笔字迹色痕相对形成时间的认定，成为文件检验工作的重要内容之一。

1 签字笔墨水的组成

签字笔墨水主要由溶剂、着色剂、表面活性剂和其他添加剂组成[2]。

1.1 溶剂

溶剂是签字笔墨水中的挥发性成分，加入的目的是溶解签字笔墨水中的着色剂，并且载着着色剂顺利流过球座体和球体。由于签字笔墨水的黏度高，所以要使用极性大，渗透性强，润湿效果明显的溶剂，以有机地打破墨水胶质物的牵扯力，发挥其较好的作用，因此多数签字笔墨水中的溶剂均以有机醇类为主。目前常用的溶剂有二甘醇、三甘醇、乙二醇、1，2-丙二醇、1，3-丙二醇、甘油、乙醇、丁醇、戊二醇、苯甲醇、苯氧基乙醇等。大多数厂家为了提高溶解性，改善书写质量，都采用了混合溶剂的方法。一方面可以克服因蒸发速度过快造成墨水干涸而封住笔头的弊端，另一方面也可以克服蒸发速度过慢而导致书写字迹不干、渗透、铺开等缺点。

1.2 着色剂

签字笔墨水中的染料主要起着色作用。待字迹书写于纸张上之后，染料成分通过吸附、结膜过程固定在纸张上。由于染料的粒子半径特别微小，很容易进入纸张纤维空隙之中，因此签字笔墨水字迹书写之后很耐磨，保存时间也较长久。

染料对光比较敏感，易发生光化学反应，因此墨水中染料成分的相对含量易随着时间的发生而改变，应用这一特点可以进行字迹相对形成时间的鉴定。

1.3 表面活性剂和其他添加剂

签字笔中的表面活性剂起着润湿渗透的作用，调整墨水的间歇性能、连续书写性能以及出墨量。选择表面活性剂的首要条件是能使染料被分散介质润湿，为此必须使表面活性剂吸附在染料粒子表面，降低表面能。

此外，签字笔墨水中还加入树脂作为稳定剂，利用树脂将分散研磨微粒进一步吸附加以保护，使其在胶体溶液中由于进行“布朗运动”而相互碰撞时不再发生凝聚现象，以达到长期稳定的目的。

2 国内外对签字笔墨水的分析现状

2.1 化学法分析签字笔墨水

化学法是分析签字笔墨水的简便方法，D.Jeffrey，M.F.S.Willson等提出用化学试剂氯能够使签字笔墨水中的染料基墨水字迹退色，而不能使颜料基墨水字迹色痕退色，从而将二者进行鉴别。D.Williams等报道，用二甲基甲酰胺、漂白粉、5% NaOH、石油醚、Na2SO3等20种溶剂，滴在15种颜料基的签字笔墨水字迹色痕上，书写时间分别为一天和一个月。发现5% NaOH、Na2SO3可以使用8种墨水新鲜字迹色痕退色，5% NaOH可以使用两种老化一个月的字迹色痕退色，所以化学实验仅能鉴别这两种颜料基墨水字迹[3-4]。

2.2 分子光谱法分析签字笔墨水

对于分子光谱法分析签字笔墨水主要有可见- 近红外反射光谱法、紫外- 可见导数光谱法、拉曼光谱法和显微分光光度法。

D.Jeffrey，M.F.S.Willson等用可见- 近红外反射光谱法分析了29种签字笔墨水在滤纸上形成的字迹色痕，并将这29种签字笔墨水分为3类进行研究[4]。2002年，贾献云等应用紫外- 可见导数光谱法对黑色签字笔墨水的种类进行鉴别，分别采用一阶和二阶导数图谱进行比对，达到了种类鉴别的目的[5]。拉曼光谱分析签字笔墨水首先是由P.C.White等提出[6]，D.Williams等报道用拉曼光谱对12种用颜料为着色剂的蓝色签字笔墨水进行鉴别，用514.5 nm激光照射将其分为3类进行研究[7]。

2.3 色谱法分析签字笔墨水

1993年，V.N.Aginsky提出应用3步薄层色谱程序来检验签字笔墨水，其中包括铜酞菁染料和其他“微溶”的有机颜[8]。黄建同和史晓凡等使用TLC法分析黑色签字笔墨水中的色料[9-10]。

用GC和GC/MS法主要鉴别签字笔墨水中的溶剂成分，对染料基和颜料基墨水均适用[11]。

Yi-Zi Liu等收集93种黑色签字笔墨水，通过溶解性实验将其分为染料型和颜料型两大类，对染料型墨水进一步使用离子对高效液相色谱进行分析。又考核了字迹色痕在自然光和日光照射下染料发生的变化，并与字迹书写时间有关，为字迹色痕书写时间鉴定提供依据[12]。

毛细管电泳法自20世纪80年代问世后在很多领域得到了广泛应用。1991年Fanali.set.a开始用高效毛细管电泳法分离水溶性黑色和红色签字笔墨水，1997年J.A.Zlotnick分离了一些黑色水性笔墨水，从而得到了一些有用的数据。但该法仅是处于理论研究和种类鉴别阶段。王元凤等选用毛细管区带电泳分离模式，对13种市售蓝色签字笔样品字迹色痕进行了分析。根据紫外区和可见区的检测结果，将13种样品进行有效的分类[13]。

2.4 扫描电镜法分析签字笔墨水

D.M.Williams等报道通过电镜放大，可以鉴别不同签字笔墨水字迹色痕的形态[3]。2004年，D.Jeffrey等用光化学综合方法鉴别黑色签字笔墨水，用GC/MS法鉴别签字笔墨水中的溶剂成分。鉴别着色剂成分可先用化学试剂法鉴别水性墨水和中性墨水，又进一步用可见- 近红外反射和近红外荧光光谱法鉴别颜料基墨水[4]。

综上所述，签字笔墨水的鉴定已经逐渐得到国内鉴定工作者的重视，开展了多角度、多种方法的分析，取得了较为突出的成绩。但由于签字笔的成分复杂，市场上的产品鱼目混珠，同时签字笔墨水受环境、纸张等因素影响及其明显，给签字笔墨水的鉴定带来了一定的困难，这些正是我们所要正视与解决的问题[14]。

3 黑色签字笔字迹色痕相对书写时间的鉴定

利用现代仪器法分析黑色签字笔墨水中的溶剂和染料(或颜料)成分变化从而确定书写时间。黑色签字笔墨水中的溶剂暴露在空气中易挥发，停留时间较短。根据溶剂的变化，可以确定较短时间内的书写时间，这种方法对颜料型墨水非常有效，因为颜料很难提取下来。染料型着色剂的签字笔墨水中的染料性质比较稳定，因此通过染料的变化可以鉴定较长时间内的书写时间。综合溶剂和染料二者的变化可以鉴别黑色签字笔字迹色痕的书写时间，鉴定的时间段可以从开始延至5年；还可消除书写笔力大小、字迹色痕深浅与宽窄不同带来的误差，在检验中还可以提取下来的染料作为内比对物[14]。

3.1 气相色谱法(GC)鉴定黑色签字笔墨水字迹色痕的相对形成时间

黑色签字笔墨水大部分是用颜料和炭黑为着色剂，着色剂难以提取。选用双溶剂提取法测定其提取率，来消除操作上的误差。先用弱提取剂乙醇提取20 min，再用强提取剂甲醇(外标物及其用量同上)提取45 min，然后对提取液进行GC分析。

3.1.1 实验条件与步骤

实验仪器：安捷伦7890A型气相色谱仪；色谱柱：DB-FFAP(30.0 m×320 μm×0.25 μm)毛细管柱；柱温：程序升温,60 ℃(1 min)，10 ℃/min ，135 ℃，15 ℃/min，220 ℃(4 min)；汽化室温度：240 ℃；检测器：FID ；检测器温度：280 ℃。使用针式取样器，取签字笔笔划20个点放到0.5 mL生化试管中，先用弱提取剂乙醇提取20 min，再用强提取剂甲醇(外标物及其用量同上)提取45 min，然后对提取液进行GC分析。

3.1.2 实验数据

将同一笔形成的笔画的在不同的时间段中刮擦下来的色痕进样并运用气相色谱法分析可以得到图1和图2两张不同的谱图。

图1 字迹形成1小时的GC谱图(1#和2#峰为溶剂峰)

图2 字迹形成24小时的GC谱图(1#和2#峰为溶剂峰)

3.1.3 实验结论

对比图片1和图片2中，1#和2#溶剂峰的色谱峰高可知，字迹中溶剂的含量随书写时间的增长而降低，1#溶剂成分显著减少，2#溶剂成分无明显减少。由此可知，在一定书写时间范围内，溶剂成分含量与时间呈现明显线性关系，溶剂成分含量随书写时间的增长而降低。

在同一样品字迹上取5个点进行平行实验，考察方法的重现性，结果表明重现性好。

3.2 高效液相色谱法(HPLC)鉴定黑色签字笔墨水字迹色痕的相对形成时间

签字笔墨水中的着色剂常常是由两种或多种染料拼混而成的。随着字迹书写时间的延长，签字笔墨水字迹色痕中的染料成分会发生一系列的氧化和分解等反应，书写时间不同的字迹色痕中各种染料的变化速率也不同，通过比较已知样本和未知检材的染料成分的变化，就可以确定二者的书写时间是否相同[15]。

3.2.1 实验条件与步骤

实验仪器：日立D-7000高效液相色谱仪 ；色谱柱：C18色谱柱； 检测波长：580 nm；柱温：30 ℃；流动相：乙腈- 水- 冰乙酸(60∶40∶0.5)，流速0.8 mL·min。黑色签字笔在纸张上制样, 剪取其色痕1 cm，加入甲醇∶水( 60∶40)提取剂50 μL, 提取5分钟后, 移出色痕提取液, 进行高效液相色谱法分析。

3.2.2 实验数据

同一样品字迹色痕的不同时间，其进行高效液相色谱法分析的所得到的谱图也不同。图3、图4和图5是同一样品字迹的色痕在不同时间内的谱图。

图3 2011年10月15日的HPLC谱图

图4 2011年4月20日的HPLC谱图

图5 2010年10月13日的HPLC谱图

3.2.3 结论

比对同一样品字迹色痕不同日期的HPLC谱图，2#峰与3#峰的染料成分变化速率不同，2#染料成分分解速率大，3#染料成分分解速率小。两种染料的相对含量(2#/3#)随时间的延长而减小。通过测定签字笔墨水中染料成分的相对含量，可以确定字迹色痕的相对书写时间。

在同一样品字迹色痕上取5个点进行平行实验，考察方法的重现性，结果表明重现性好。

3.3 毛细管电泳法(HPCE)鉴定黑色签字笔墨水字迹色痕的相对形成时间

利用毛细管电泳法研究签字笔墨水字迹色痕的相对形成时间，其目的是找出签字笔墨水字迹色痕中染料组分的相对含量随书写时间的变化规律，从而确定相对书写时间。其中，黑色签字笔墨水字迹中一般有两种染料，毛细管电泳法分析这两种染料的含量相对变化率随时间的变化规律。

3.3.1 实验条件与步骤

实验仪器：Beckman P ACE 5510毛细管电泳仪，pH=9.5，100 mM硼酸盐缓冲液(10%甲醇)，电压+30 kV，紫外检测器，检测波长214 nm。

实验中取2 cm长的字迹色痕，剪碎后，置于 0.5 mL生化试管中，以100 mM硼酸盐缓冲液(10%甲醇)为提取剂，在室温下，提取10 min，取上清液，进行HPCE分析。

3.3.2 实验数据

黑色签字笔墨水字迹中两种染料A和B的含量用相对变化率其实就是A和B的两种染料成分的电泳峰面积比值，其中A的电泳迁移时间大于B。黑色签字笔墨水色痕的毛细管电泳法谱图，以及字迹色痕中染料成分相对含量随时间的变化曲线如图6、图7和图8所示。

图6 黑色签字的HPCE谱图

图7 变化曲线图(A(13.5 min,580 nm)/B(16.5 min，520 nm))

图8 变化曲线图(A(5.5 min,600 nm)/B(9.0 min，490 nm))

3.3.3 结论

如谱图中电泳峰面积代表染料成分的含量所示，由于各种染料分解速率不同，因此随着保存时间的延长，每种染料成分相对含量呈现不同变化，可通过测定电泳峰面积来比较相对含量的变化，从而确定相对书写时间。

4 结语

在各类刑事案件以及民事纠纷中，经常会涉及到关于签字笔字迹书写时间的鉴定。作为对黑色签字笔墨水字迹色痕相对书写时间的鉴定研究，无论是采用气相色谱法，高效液相色谱法，还是毛细管电泳法，由于黑色签字笔墨水中以染料和炭黑为着色剂的化学性质稳定，难以提取与分离。与此同时，黑色签字笔墨水受环境、纸张等因素影响极其明显，这些都给黑色签字笔墨水的相对书写时间鉴定带来困难，有效地建立科学的鉴定标准，排除其他因素的干扰，是未来鉴定工作者所要努力的目标和方向。