简易超声波雾化装置的设计和在灰尘足迹增强中的应用

孙 凯 曲富平 方正杰

(1.浙江警察学院，浙江·杭州 310053；2.潍坊市公安局，山东 261108；3.嘉兴市公安局，浙江·嘉兴 314000)

一、引言

超声波雾化技术最早由Wood和Loomis在1927年予以报道(1)Wood WR, Loomis AL. The physical and biological effects of high-frequency sound-waves of great intensity [J]. Philosophical Magazine, 1927, 4(22).，是利用电子高频震荡，通过陶瓷雾化片的高频谐振，将液态水分子间的分子键打散而产生自然飘逸水雾的一种技术。这些液滴是超声波产生的，与常规的高压喷雾方式进行比较，具有更小的粒径和较窄的粒径分布(2)陈泊豪. 超声波雾化除尘机理的实验探究[D].兰州大学,2014.。超声波雾化技术因其特有高效的优势，得到了诸多行业的青睐，几十年来，在加湿器、熏香器、美容机、消毒机、除尘机(3)Rajan R, Pandit A B. Correlations to predict droplet size in ultrasonic atomization [J]. Ultrasonics, 2001, (04).等设备上使用，在化工领域也有所应用(4)邵美苓,陈彩凤,陈志刚.超声雾化技术在无机盐合成中的应用[J].无机盐工业,2008，(07).⑤ 党新安,刘星辉,赵小娟.金属超声雾化技术的研究进展[J].有色金属,2009,61(02).，并在医疗行业(5)徐开兴.医疗保健用超声波雾化器[J].科技信息,1987，(06).⑦ 高祥,蔡乐才.智能医用超声波雾化器的设计[J].四川理工学院学报(自然科学版),2010,(04).应用较多。

超声波雾化装置在公安领域的应用主要在痕迹的化学显现法方面，1983年苏尔古冷等首次提出了使用医用超声波雾化装置雾化茚三酮溶液以及硝酸银溶液显现汗潜手印的方法(6)苏尔古冷,张玉洁,杜西京,常柏年.超声波雾化溶液显现手印的试验[J].刑事技术,1983，(03).，并取得了比传统涂刷等方式更好的效果；湖北警官学院熊晓波使用日本进口超声波雾化器对汗潜手印的茚三酮显现方法进行了相关研究(7)熊晓波,尹国祥.基于超声雾化技术显现潜在汗液手印的实验研究[J].警察技术,2013，(01).，得到了总体效果优于传统操作方法的结论；浙江警察学院冯永平使用医用便携式超声波雾化装置雾化水汽来代替哈气法进行现场汗潜手印的寻找发现(8)冯永平,刘春松.利用便携式雾化器寻找发现现场潜在手印的实验研究[J].中国刑警学院学报,2017，(02).，也取得了很好效果。近些年来，多家刑侦产品公司生产出用于手印显现的超声波雾化装置，例如北京警察学院罗瑞彪与北京和为永泰公司研发的SOSENSE UFA超声波雾化显现仪，用于JB熏显液雾化显现灰尘以及潜血痕迹；另外国内还有多家公司生产的新型超声波雾化手印显现设备，用于雾化茚三酮溶液以及硝酸银溶液显现汗潜痕迹，并应用于全国某些公安机关工作。

虽然这些专用超声波雾化设备能达到较好痕迹显现效果，但这类设备价格均在几万元以上，成本较贵，普及性差，且设备体积偏大，不够便携，无法在现场勘查过程中使用，仍有局限性。另外，使用超声波雾化方式，利用不同化学试剂显现不同类型痕迹的研究方面，目前还不够广泛。本研究利用小型充电式加湿器的超声波雾化功能，放置灰尘足迹常用的化学显现试剂溴甲酚蓝(9)Glattstein B , Shor Y , Levin N , Aeichner A ,王虹,王军. PH指示剂作为增强足迹的化学试剂[J].江苏公安专科学校学报,1997，(06).(10)史力民,马健,姚丽娟.利用pH指示剂显现潜在灰尘足迹[J].中国刑警学院学报,2000，(01).(11)金然,王冠雄.微量灰尘足迹新型溴甲酚蓝弥雾增强技术研究[J].科技创新导报,2015，(12).以及铁氰化钾(12)史海青,申儒,姜红.灰尘鞋印显现方法比较研究[J].中国人民公安大学学报(自然科学版),2008，(02).(13)王丹华,王明超.铁氰化钾增强平面灰尘足迹的方法研究[J].科技资讯,2014,(28).，与塑料透明收纳箱一起组成半密闭空间，用于灰尘足迹的显现增强，并与传统喷雾器喷雾的方法进行效果比较，从而分析增强效果，以期寻求一种便携、快速的现场灰尘足迹增强手段。

二、实验部分

(一)实验材料

实验器材：便携式充电型加湿器(国产JIANYUE牌，ABS材料制作，尺寸大小96mm×96mm×139mm，重量175g，工作电压5V，工作电流400mA，额定功率2W，喷雾量30-35mL/h，见图1)；塑料透明收纳箱(6L容积，见图2)；医用喷雾瓶3只；一次性口罩、一次性手套。

实验试剂：溴甲酚蓝乙醇溶液(其中溴甲酚蓝1g，乙醇99mL，另加1mL蒸馏水(14)史力民,马健,姚丽娟.利用pH指示剂显现潜在灰尘足迹[J].中国刑警学院学报,2000，(01).)、铁氰化钾溶液(其中铁氰化钾4g，蒸馏水100mL(15)史海青,申儒,姜红.灰尘鞋印显现方法比较研究[J].中国人民公安大学学报(自然科学版),2008，(02).)、铁氰化钾显现A液(36%浓盐酸30mL，加乙醇100mL(16)史海青,申儒,姜红.灰尘鞋印显现方法比较研究[J].中国人民公安大学学报(自然科学版),2008，(02).配制)。

实验样本：打印纸、纯棉白毛巾(渗透性客体)；白色地板砖、强化地板(非渗透客体)。

(二)简易超声波雾化装置的设计

使用便携式充电型加湿器，在加湿器水槽内倒入显现化学试剂，置于待显现的微弱灰尘足迹旁边，在显现时，打开加湿器，然后在上面反向盖上收纳箱，从而达到相对密闭的环境，组成简易超声波雾化装置(见图3)。通过相对密闭环境的控制，有效防止实验试剂雾化形成水汽微粒的扩散，使灰尘足迹能与之充分接触而显色。

图3 简易超声波雾化足迹显现装置

(三)实验步骤

1. 实验样本制作

选5名志愿者，均穿着同一类型制式皮鞋，在擦净鞋底后走过室内灰尘地面，分别在普通打印纸、纯棉白毛巾、白色地板砖、强化地板等四类客体上各遗留4枚右脚足迹，总共80枚足迹。为保证每次遗留足迹的灰尘量差异不显著，在每次遗留完一枚足迹样本后，在室内继续行走10步以上后再遗留下一枚灰尘足迹样本。以上四类客体上的80枚足迹均分成两组，每组40枚足迹，每组的四类客体上均包括5名志愿者的每人2枚足迹，分别用于溴甲酚蓝试剂以及铁氰化钾试剂的显现。

由于溴甲酚蓝显现增强的机理是与灰尘中的钙元素有关(17)史力民,马健,姚丽娟.利用pH指示剂显现潜在灰尘足迹[J].中国刑警学院学报,2000，(01).，而铁氰化钾是通过与灰尘中的铁元素反应从而增强足迹(18)史海青,申儒,姜红.灰尘鞋印显现方法比较研究[J].中国人民公安大学学报(自然科学版),2008，(02).，因此，以上两种显现方法最终显现效果与灰尘足迹的元素成分关系较大，灰尘中钙元素以及铁元素的含量大小是影响增强效果的关键因素。由于本研究主要观察和比较简易超声波雾化装置与常规喷涂法显现效果的区别，因而选用同一环境内的灰尘作为显现对象，并不对灰尘具体成分对显现效果的影响开展分析研究。

2. 溴甲酚蓝显现增强灰尘足迹的比较实验

(1)将四类客体上的灰尘足迹再均分成两组，每组20枚足迹，每组的四类客体上均包含5名志愿者的1枚灰尘足迹，一组用于常规喷雾法显现增强，另一组用于简易超声波雾化装置的显现增强。

(2)将配制好的溴甲酚蓝溶液，一部分倒入喷雾瓶中，用于喷雾法显现增强；一部分倒入加湿器的盛水瓶中，放回加湿器，用于超声波雾化显现增强。

(3)常规喷雾法显现时，直接将细雾状的试剂喷洒于灰尘足迹表面，待灰尘足迹完全变色且与客体反差明显后停止，然后晾干，拍照记录显现效果。

(4)简易超声波雾化装置显现时，将充好电的加湿器置于待显现的微弱灰尘足迹旁边，打开设备，然后在上面反向盖上收纳箱，保证足迹完全置于箱体内。通过透明容器观察足迹显现效果，待灰尘足迹完全变色且反差明显时取出收纳箱，关闭设备，拍照记录显现效果。

3. 铁氰化钾显现增强灰尘足迹的比较实验

(1)将铁氰化钾显现A液倒入新的喷雾瓶，对四类客体(共40枚足迹)上的灰尘足迹进行少量和均匀的喷雾，进行酸化处理。

(2)待足迹样本全部干透之后(15分钟左右)，每类客体再分成两组，其中20枚足迹用于铁氰化钾试剂喷雾法喷显，另外20枚足迹用于超声波雾化显现，具体操作方式与溴甲酚蓝试剂显现实验部分相同。在加湿器的盛水瓶中倒入试剂之前，必须进行充分的清洁和干燥，防止瓶内残留溴甲酚蓝试剂带来的干扰。

(3)两种方式显现完成之后，观察和比较显现效果并拍照记录。

三、实验结果与分析

(一)溴甲酚蓝试剂显现灰尘足迹的效果比较

使用溴甲酚蓝试剂，通过喷雾法进行喷显，能够对以上四种客体上灰尘足迹进行较快的显色增强；使用简易超声波雾化装置进行雾化显现，5分钟左右时也达到了较好的增强效果(见图4-图7)。

喷雾法喷显简易超声波雾化装置显现图4 打印纸表面灰尘足迹显现效果比较

喷雾法喷显简易超声波雾化装置显现图5 毛巾表面灰尘足迹显现效果比较

喷雾法喷显简易超声波雾化装置显现图6 地板砖表面灰尘足迹显现效果比较

喷雾法喷显简易超声波雾化装置显现图7 强化地板表面灰尘足迹显现效果比较

从实验结果中发现，在地板砖以及强化地板的灰尘足迹显现中，超声波雾化装置达到了更好的效果，显现轮廓和内部细节较为清晰，而喷雾法由于喷涂剂量大，整体反映不够明晰，存在局部显现增强过度而形成黄色背景的情况，带来了干扰。在打印纸以及毛巾表面灰尘足迹的显现中，由于超声波雾化显现时间的延长，导致了一定程度的试剂扩散，影响了整体显现效果，也出现了显现过度的情况，但相较于喷雾法显现效果，整体轮廓更为明显，且显现依然更加均匀，不会出现局部显现过度以及局部显现不足的情况。

(二)铁氰化钾显现增强灰尘足迹的效果比较

使用两种操作方式分别对四种客体上灰尘足迹进行显现，均达到了较明显的增强效果(见图8-图11)；使用简易超声波雾化装置进行雾化显现，达到显著增强效果的时间依然在5分钟左右。

喷雾法喷显简易超声波雾化装置显现图8 打印纸表面灰尘足迹显现效果比较

喷雾法喷显简易超声波雾化装置显现图9 毛巾表面灰尘足迹显现效果比较

喷雾法喷显简易超声波雾化装置显现图10 地板砖表面灰尘足迹显现效果比较

喷雾法喷显简易超声波雾化装置显现图11 强化地板表面灰尘足迹显现效果比较

使用铁氰化钾试剂，通过喷雾法以及进行简易超声波雾化装置显现两种方式都达到了相较于溴甲酚蓝试剂更好的效果，原因与灰尘成分有直接关系。灰尘成分中铁元素含量较足，化学反应则较为充分，显色增强效果更好。两种显现操作方式进行比较后发现，在化学显现充分的条件下，超声波雾化装置在四种客体上均有着更优的表现，表现在轮廓明晰，足迹显色均匀，细节特征反映更加良好。以上80枚灰尘足迹显现的总体效果比较如表1。

表1 15℃左右室温，50%湿度条件下，四类客体上不同显现增强方式的效果比较

从灰尘足迹的总体增强效果观察后发现，简易超声波雾化装置显现增强方式整体优于传统喷雾方式，特别在地板砖和强化地板两种非渗透客体表面的灰尘足迹增强中，效果更加明显。简易超声波雾化装置显现增强过程所用时间较为短暂，显色剂与客体表面通过雾化小液滴的形式与灰尘足迹充分接触，从而使得显色效果均匀，各个足迹区域颜色一致，显色更加均匀，整体轮廓和细节反映均更为清晰。而传统喷雾法操作的喷剂量不好控制，喷雾难以均匀化，容易导致局部显现过度或者不足，从而影响细节反应，对操作要求较高。

四、结论

使用简易超声波雾化装置，利用溴甲酚蓝、铁氰化钾试剂显现增强灰尘足迹，能够达到总体优于传统喷雾法显现的效果，在非渗透性客体上灰尘足迹的增强中效果更明显。简易超声波雾化装置结构简单，相较于大型超声波雾化设备，具有成本低廉和便携的优势，且显现操作简便，显现时间短(5分钟)，显色均匀，轮廓清晰，可作为现场勘查中灰尘足迹增强的一种替代方式利用。

五、展望

本研究设计了一种便携式超声波雾化装置，在室温15℃，湿度50%的环境条件下使用溴甲酚蓝、铁氰化钾两种试剂显现灰尘足迹并达到了较好效果。简易超声波雾化装置可以在显现试剂以及其他显现对象(包括汗潜手印、血潜手印等)方面进行更加广泛的尝试和应用研究。此外，在实验过程中，每次超声波雾化结束均需要打开容器手动关闭加湿器，在此环节中会有试剂水雾吸入人体，具有潜在伤害，因此，设备的设计还存在优化空间。