光谱分析法鉴定出入境证件紫外荧光油墨成分的研究

张 梅

(中国人民警察大学，河北 廊坊 065000)

一、紫外荧光油墨

紫外荧光油墨是指在油墨中加入具有紫外光激发的可见荧光成分[1]，依据斯托克斯定律，在紫外光的照射下发出可见光的特种油墨。按照激发光源波长的不同分为：(1)长波荧光油墨(激发光波长365 nm)；(2)中波荧光油墨(激发光波长312 nm)；(3)短波荧光油墨(激发光波长254 nm)。

出入境证件在防伪设计过程中，通常只添加一种紫外荧光油墨，其只对某一指定波长的紫外光反应，对其他波长的紫外光不会有颜色变化。伴随着出入境证件防伪等级的提高，也有一些国家的出入境证件开始采用双波隐性紫外荧光油墨，这种油墨在不同波长的激发光下，呈现出明显不同的两种颜色，如图1所示的护照内页，在365 nm长波和312 nm中波紫外光的照射下，分别呈现湖蓝色和粉红色的荧光反应。

二、传统检测方法的优点和局限

无论哪种紫外荧光油墨，科学地进行检测都是十分必要的。在出入境证件检测中，通常利用检材中的表现性指示、不同光线下的反应机理、现象做出判断，这些通过颜色或者灰度差异来表征区别的方法称为形态学检测方法[2]。

紫外荧光的检测通常是在特定紫光灯的照射下，观察油墨的荧光反应。如图2所示，在365 nm长波紫外光下，多条黄色荧光反应的波浪线条贯穿整个页面，页面下方有红色荧光反应的波浪线条。页面中央偏右呈现一个黄绿色的团花图案，并且图案中央部分呈现红色。页面右上的护照号码一半呈现橙色。通过这样的描述，就可以明确该页荧光图文的构造。

这种主观描述式的检测方法具有简单易行、普及率高的优点。检测者不需要具备专业的光学知识，仅仅凭借经验常识和简单仪器设备就能够对大部分的紫外荧光油墨进行检测，在边检实际工作中普遍使用。

然而这种形态学检测方法存在明显的局限性。一方面人眼视觉特性受外界环境的限制，并且主观语言描述受检测者自身经验的诱导，所以这种方法显然不具备普遍性和客观性。尤其随着荧光油墨类型的增多，如果还采用传统的形态学检测方法，就会存在一定误差，严重时甚至产生误判。如图3所示，如果仍采用形态学检测方法，可以得出：在365 nm长波紫外光下，呈现红色老鹰荧光图案，在312 nm中波紫外光下，红色图案消失，呈现出蓝色的老鹰图案，那么根据定义，这本护照上的荧光油墨被认定为双波隐性荧光油墨。

(a)365 nm长波

(b)312 nm中波

图2 传统检测方法

这个案例充分暴露了形态学检测方法的局限性。首先与图1所示的典型双波隐性荧光油墨相比，做一个简单分析：图1中，荧光油墨在不同激发光源下，图案颜色改变的同时，图案轮廓十分清晰。

(a)365 nm长波

(b)312 nm中波

在这个案例中，在不同波长激发光源下，虽然也有明显地颜色变化，但是老鹰轮廓在312 nm中波紫外光下十分模糊。二者之间的这些差异是偶然的现象，还是有本质的区别？这需要我们进一步探索。

由于形态学检测方法无法深入研究，我们必须寻找新的解决问题的办法。本文接下来提出了一种更加科学、专业、客观的荧光油墨检测方法。该方法借助更为专业的光学仪器例如VSC6000/HS视频光谱比对仪，利用光谱分析技术，鉴定该紫外荧光油墨的真实成分，从而确定荧光油墨的类型。

三、光谱分析技术与显微分光光度计

(一)光谱分析技术与文检仪

光谱是复色光经过色散系统如(棱镜、光栅)分光后，被色散开的单色光按波长(或频率)大小依次排列的图案，全称是光学频谱，其中横轴表示波长(或频率)，纵轴表示光谱强度，如图4所示。按照光谱表现形式分类，光谱分为连续光谱、带状光谱和混合光谱，按照产生原因分类，分为吸收光谱、发射光谱和散射光谱。

光谱分析是应用光谱学的原理和试验方法确定物质的结构和化学组成成分的一种科学分析方法，实验测量的光谱特征数据和特征曲线，可以确定物质的性质、结构以及含量，在物质成分鉴定中得到了广泛应用[3-4]。

(a)光子分解

(b)光子数量按照波长排列

本文使用的专业仪器是英国Foster+Freeman公司的VSC6000/HS视频光谱比对仪(文检仪)进行荧光光谱的采集和分析，该仪器可以研究证件中的防伪技术，鉴别伪假出入境证件，以及对有价值的证件信息进行采集，几乎每一个一线边检机关的后台实验室都配置了该仪器。

VSC6000/HS文检仪可以测量反射、吸收、荧光、透射共四种光谱。入射光源与光谱类型的对照关系如表1所示。

表1 VSC6000/HS文检仪测量的光谱类型

(二)显微分光光度计

分光光度计，又称光谱仪，是一种将成分复杂的复合光，分解为单色光光谱线的光学仪器。根据分解的复合光的波长范围不同，分光光度计又分为紫外分光光度计，可见分光光度计(也称为比色计)，红外分光光度计(也称为原子吸收分光光度计)，并且为了保证测量的精密度和准确度，所有仪器应按照国家计量检定规程进行定期校正检定。

文检仪VSC6000/HS，通过内置光栅，将文件选定区域在当前光源照射下的反射光细分为不同波长的光，测量其在各个不同波长的强度，并绘制成曲线，以便进行进一步的光谱分析操作。文检仪采用光纤传导技术，利用独立光栅分光以及独立CCD接收，能够在400～1 000 nm的波长范围内进行实时光谱量化对比分析，并且由于光学分辨率可以达到3 nm，所以文检仪的分光计也称为显微分光光度计[5]。

显微分光光度计是文检仪的特色功能，利用它可以分析油墨的成分，查明添加涂改等伪变造事实，是一种更加科学、客观、严谨的量化比对分析方法[6]。本文接下来就通过光谱分析技术鉴定本文图3所示的紫外荧光油墨成分，从而确定油墨的真正类型。

四、试验分析

(一)试验过程

首先在红色荧光反应的位置上选取一个采样点T，如图5所示，采集该位置处的中波荧光光谱数据。

图5 老鹰图案采样点选取

该采集过程如下：

1．选择312 nm中波紫外光。

2．将光标定位到T位置处，选择文检仪“显微分光光度计”功能。

3．确定合适的放大倍数，并且测量黑色参考点。

4．测量荧光光谱数据，并命名为T-312。

接下来切换激发光源到365 nm长波紫外光，重复1～4操作，测量采样点的长波荧光光谱，命名为T-365。

为了保证数据的客观性和普遍性，在图5中任选10个采样点T1，T2，…，T10，分别测量他们的中波荧光光谱和长波荧光光谱数据，表2给出了光谱曲线的对照关系。

表2 采样点、激发光和光谱曲线数据的对照关系(老鹰)

接下来对10个采样点的光谱数据求均值得到具有一般性的光谱数据，分别定义为T-365，T-312。

为了进行与老鹰图案进行比对，接下来选择纸张上365 nm长波紫外光下呈现蓝色荧光反应，而在312 nm中波紫外光下无反应的采样点Z，换言之，采样点Z是呈现蓝色荧光反应而非“老鹰”图案的位置，也称纸张上一般位置，如图6所示。

图6 一般纸张采样点选取

同样为了保证数据的客观性和普遍性，我们在图6中任选10个采样点Z1，Z2，…，Z10，根据1～4的步骤分别测量他们的中波荧光光谱和长波荧光光谱数据，表3给出了光谱曲线的对照关系。

对10个采样点的光谱数据求平均得到具有一般性的光谱数据，分别为Z-365，Z-312。

这样就得到四条光谱数据，分别为T-312，T-365，Z-312，Z-365。下面就分别进行光谱分析。

表3 采样点、激发光和光谱曲线数据的对照关系(纸张)

(二)数据分析

接下来利用Matlab数据图像分析软件分析所得数据。

1．首先来看T-312和T-365，老鹰图案位置在不同紫外光光源下的荧光光谱，如图7所示。

图7 T-312和T-365分析

通过图7，可以发现：

(1)油墨被312 nm紫外光激发后获得的曲线在630 nm存在峰值，该波长对应的颜色即为红色。这也就解释了为什么在312 nm激发光源下，油墨显现出红色荧光反应，这印证了形态学检测方法得到的现象。明显的峰值表明，油墨中存在中波紫外荧光油墨，且被激发后呈现出红色。

(2)油墨被365 nm紫外光激发后获得的曲线在420～550 nm范围呈现反应，该波长区间对应的颜色即为蓝色，这也与之前形态学检测方法中出现的模糊的蓝色图案互相印证。但是是否表明存在长波荧光油墨呢，还需要继续分析。

2．其次来看T-365和Z-365，即在365 nm光源下，不同位置的长波荧光光谱，如图8所示。

图8 T-365和Z-365分析

图8中两条曲线重合了，即老鹰位置的油墨在365 nm长波紫外光激发下的反应和纸张在365 nm长波紫外光激发下的反应是一样的。两条曲线重合表明，蓝色长波荧光反应并非是设计者对老鹰的独特设计，而是来源于纸张，到这里基本上就可以判断该老鹰图案并不是双波隐性荧光油墨。

进一步分析光谱数据。图7中的T-312曲线，在峰值的左侧，存在很明显的旁瓣。这个旁瓣说明：在证件的制作过程中，先在证件纸张上印刷有荧光油墨的底纹，该油墨在365 nm长波紫外光下呈蓝色荧光反应，然后在该长波荧光油墨的上面，又印刷了老鹰图案的荧光油墨，该油墨在312 nm中波紫外光下呈现红色荧光反应，由于两种油墨叠印在一起，他们之间存在一定的影响。

3．最后来看T-312和Z-312，即在312 nm光源下，不同位置的中波荧光光谱，如图9所示。

图9 T-312和Z-312分析

通过图9，清晰可见这两条曲线存在明显的差异，并且Z-312没有峰值区域，强度也比较低，这表明纸张上的一般位置没有中波荧光反应，这也进一步验证两种波长的荧光油墨是独立存在的。

通过试验分析可以得出结论：(1)纸张采用长波荧光油墨印刷，在365 nm紫外光下呈现蓝色荧光反应；(2)老鹰采用中波荧光油墨印刷，在312 nm紫外光下呈现红色荧光反应；(3)视觉上给人造成一种错觉，误认为在不同紫外光下，老鹰呈现不同的颜色。该老鹰图案由于只采用了中波荧光油墨，并不存在隐藏的长波荧光油墨，自然就不是“双波隐性荧光油墨”，自此也就解决了本文一开始提出的问题。

五、结束语

虽然形态学检测方法在以往的出入境证件防伪技术检测中得到普遍使用，并且具有一定的优势，但是我们也要意识到这种方法已经不能满足实际发展的要求，为此本文结合一个实际案例，借助专业的仪器设备，利用光谱分析技术，提出了量化比对分析方法，深入研究了疑似双波隐性紫外荧光油墨，用数据揭开谜团。这也提醒我们观察现象的同时，不要被表象所迷惑，应该借助更科学、更客观的方式进行研究。