放置时间对汽油燃烧残留物定量分析的影响

杨勇仪 刘玲 吴学子 中国人民警察大学

引言

放火火灾极大危害了人民的生命财产安全，并且会对地区甚至整个社会的稳定造成破坏。放火案件虽然占火灾总数比较少，但是其财产损失、人员伤亡和社会影响要高于一般案件。放火嫌疑人为了更有效实施放火行为，往往会选择使用汽油、酒精等便宜易得的易燃液体去引燃和加速火灾的发生发展，2009年6月至2016年1月发生的公交车纵火案造成了104人死亡、365人受伤[1]，而纵火助燃物质中使用频率最高的是汽油[2]。因此对易燃液体燃烧残留物的检测和识别是法庭科学中火灾刑事案件中的重要课题。

实际中助燃剂送检往往会放置在物证密封袋中一段时间，才会送至检验机构进行助燃剂物证鉴定。何芬芬[3]将放置于物证密封袋0、3、5、7、9d的醇酸油漆稀料燃烧残留物进GC-MS分析，发现醇酸油漆稀料燃烧残留物中较为稳定的C2苯、萘、菲、荧蒽、芘和茚满的含量随放置时间增加而减少。何柳[4]发 现随着放置时间延长，120#汽油燃烧产物中单环芳烃及其衍生物含量不断减少、稠环芳烃保留较好，但一周后放置基本无法检测出任何特征组分；支有冉[5]通过比较汽油燃烧后和放置10d后的烟尘谱图发现两者特征物质基本一致且大多数成分峰面积变化不大，但丰度骤降。国内外关于不同放置时间下的助燃剂燃烧残留物的定性分析已经相当成熟，关于放置时间对助燃剂燃烧残留物定量分析的影响的研究相对较少，尽管定性分析已经能够阐述清楚放置时间对汽油燃烧残留物的影响，但仍需定量分析以明确的特征组分含量和数据或比例更客观直接地对其残留物相关谱图做出补充和解释说明。俞哲文[6]对汽油指纹谱图同9种基质载体汽油燃烧残留物进行定量分析后，用改进Neil系数法评价其相似性；而金南江[7]用皮尔逊积矩系数定量分析丁苯橡胶燃烧残留物同汽油的相似度，发现相似度较高，丁苯橡胶对汽油鉴定干扰较大。

结合上述文献，本文将汽油燃烧残留物放置在室温10℃左右的物证密封袋中0、1、3、7、14d后，采用GCMS得出不同放置时间下的汽油燃烧残留物的特征组分变化情况，再利用外标法对其选定特征组分的含量进行测定，并利用皮尔逊相关系数和欧氏距离对不同放置时间的残留物谱图相似度进行评价，从定量角度研究放置时间对汽油燃烧残留物中特征组分具体含量的影响，为实际火灾物证鉴定的工作提供实际数据的参考。

一、实验部分

（一）仪器与试剂

1.实验材料

市售92#乙醇汽油，脱脂棉、正己烷；标准物质储备液：乙苯、1,2,3-三甲基苯、1,3,5-三甲基苯、萘、1-甲基萘、2-甲基萘。

Agilent 7890B-5977B型气相色谱-质谱联用仪配7693自动进样器；Agilent MassHunter工作站；SK3310LHC超声波清洗器；电子分析天平；HZ-1型火灾痕迹物证综合实验台（中国人民警察大学设计），单室模拟实验箱。

（二）样品制备

1.标准溶液配制

将标准物质乙苯、1,2,3-三甲基苯、1,3,5-三甲基苯、萘、1-甲基萘、2-甲基萘各取0.01g于100mL容量瓶中，加正己烷定容至100mL，配制成浓度为0.1mg/mL的溶液。再用正己烷将溶液稀释成五个不同浓度梯度（μg/mL）的标准物质溶液系列。配置的六种纯物质浓度详见表1。

2.汽油燃烧残留物的制备

有些基质在分解或热解后会产生和助燃剂燃烧残留物相同或相似的特征产物，对助燃剂的识别鉴定带来干扰，如花园软管[8]和 地毯基质[9]热解气味与助燃剂就存在显著化学相似性，而纯棉、脱脂棉[10]对助燃剂鉴定干扰较小。同时考虑到1/8的缩小尺度模拟实验与全尺寸的实验结果较为符合[11]。因此在实际模拟实验中选择“0.3m×0.45m×0.3m”的燃烧室，四壁和地板由石膏板组成，天花板由玻璃构成。在燃烧室内铺上一个一次性锡纸坩埚，然后往一次性锡纸坩埚内添加15mL汽油和3g的脱脂棉。在11月平均室温为10℃正常通风的状态下，用点火器点燃并任其自然熄灭，用秒表记录其燃烧总时间，燃烧实验重复6次。完全燃烧总时间分别为232s、245s、238s、246s、254s、228s。可知15mL的汽油完全燃烧大致需要240s，考虑到人为扑灭待混合物燃烧进行至3/4即180s时用水扑灭火，以获得汽油燃烧残留物。待其完全冷却后，称量重复实验中汽油燃烧残留物的质量，发现在3g左右，所以选择重量为3.0±0.05g的汽油燃烧残留物样品常温放置在物证密封袋中0、1、3、7、14d，使用20mL的正己烷对其萃取，浓缩至0.5mL后进样分析。

（三）GC-MS分析条件

1.色谱条件

分流比10:1，He气流速20mL/min，柱前压800kpa。柱温从100℃阶梯式升高至250℃。柱温：100℃（恒温2min），5℃/min至150℃（恒温2min），8℃/min至250℃（恒温10min）。

2.质谱条件

举行典礼的广场上挤满了人，那个捡到鼻子的小孩站在颁奖台上，结结巴巴不知说什么才好：“我……看到有个人掉了鼻子，我就捡起鼻子追了上去，因为跑得飞快，半路上把一个小姑娘的耳朵碰了下来——当然，我停下来替她把耳朵装好，再继续追……”

离子源温度230℃，GC/MS接口温度280℃，四级杆温度150℃；EI离子源，电子能量70ev；全扫描（SCAN）质量范围 50～500aum，选择离子扫描方式（SIM）73m/z，90m/z。

（四）实验重复性

为加强实验的科学性与可重现性，对五种不同浓度的六种纯物质进行3次平行实验，对每组汽油燃烧残留物平行进样3次，观察物质色谱峰的保留时间、谱图丰度和峰面积。倘若同一条件下谱图烷烃、芳香烃、稠环芳烃、茚满、多环芳烃物质信息相差较大，则进行淘汰补充平行实验。

（五）谱图相似度评价

2009年美国国家科学院（NAS）报告的发布加速了在法医分析范式转变识别和比较分析中应用统计和模式识别方法的进程。色谱谱图相似性计算是指目标图谱矢量转化为空间向量，再通过相似度算法同标准特征谱图比较，对空间向量进行计算来实现相似度的评价[12]。

选用皮尔逊相关系数（PPMCC）、欧式距离可用来评判两个谱图数据的相似性，将需要进行谱图相似度评价的两组数据定为X、Y。N为数据中的变量个数。公式见式（1）、（2）。

二、实验结果分析

（一）标准曲线的绘制

各类色谱分析定量分析的方法大体上是相同的，因为色谱的峰高和峰面积与相应组分的浓度数量成正比，因此较多使用峰高或者峰面积等参数来作为其定量依据。为确定定量依据，以1,2,3-三甲基苯为例，在相同的色谱条件下，将配置的不同浓度的1,2,3-三甲基苯三次进样，测定其峰面积和相对峰高，再以其对应的峰面积（Y1）和峰高（Y2）比各物质的浓度（X）进行线性回归，发现1,2,3-三甲基苯在1～ 50μg/ mL范围内线性关系较好，相关系数R12、R22为0.9986、0.9984，均大于0.995。分别计算了保留时间和峰面积、峰高的相对标准偏差（RSD）为0.0337%、2.6557%、3.3024%。综合考虑选择峰面积比浓度为定量依据。对余下五种物质的峰面积（Y）比对应的不同浓度（X）进行线性回归，发现在一定范围内线性关系良好，相关系数R2均大于0.99，保留时间和峰面积、峰高的相对标准偏差均小于6%，其定量曲线范围稳定可靠。实验结果见表2。

（二）不同放置时间汽油燃烧残留物定性分析

由图1不同放置时间的汽油燃烧残留物总离子流图可知，密闭状态下放置不同时间谱图差异明显，随着放置时间延长，物质峰保留时间变化不大，但其相对丰度明显下降，可检出的物质峰数量减少，出峰靠后的物质主导地位逐渐显现，7d后出现基线漂移现象。出于对仪器的保护，设置了三分钟的延迟，因此出峰时间过早的低碳数烷烃以及苯、甲苯等轻质组分并未流出。分别提取烷烃、芳香烃、稠环芳烃、茚满类物质后发现，烷烃受放置时间影响较大，立即燃烧残留物检出C8-C12烷烃，3d时大部分烷烃已经丢失，只能检出4种C8烷、C9烷和C11烷，而放置7d只能检出C9烷，14d后已无法检出任何烷烃；而芳香烃受放置时间影响较小，1d时可检出的芳香烃同立即燃烧一致，3d前时C2-C5苯 物质都能检出，只是C4苯、C5苯检出物质种类变少，丰度变低，而7d时含量较低的C4苯、C5苯无法检出，C2苯、C3苯只能检出邻二甲苯、对二甲苯、1,2,3-三甲苯、1,3,5-三甲苯，14d时只有对二甲苯和1,3,5-三甲苯匹配度较高；而稠环芳烃物质较为稳定，放置7d萘、甲基萘匹配度较好，但二甲基萘、三甲基萘已经无法检出，而14d时无法检出任何稠环物质；茚满类物质3d前物质保留较好，7d时无法检出甲基茚满，但14d已无法检出任何茚满类物质。从检出物质的种类、相对丰度来看，放置7d前残留物可检出物质虽有减少、丰度有所下降，但并不影响汽油的检出，但延长到14d放置时已无法得出残留物中得到汽油的结论。汽油燃烧残留物的存储时间在本次实验条件下偏短的原因是密闭放置的残留物处于湿润状态，检出物质情况会受到影响。具体检出物质个数见表3。由于多环芳烃含量较少，检测时易被忽略，故不对其进行检测分析。

（三）不同放置时间汽油燃烧残留物相对含量分析

对芳香烃、稠环芳烃、茚满类物质峰面积各自进行归一化后，归一化结果见图2、3，结合峰面积变化和归一化结果，可知，在前3d时芳香烃中C2苯-C5苯均能持续检出，轻质组分C2苯、C3苯相对含量占比有了一定程度的下降，重质组分C4苯、C5苯相对含量占比上升。到7d时C4苯、C5苯无法检出，此时C3苯比例为64.82%，C2苯占35.18%，而实验使用的汽油为乙醇汽油，C2苯含量较高，所以14d时C2苯相对含量升高，此时占72.59%，而C3苯只有27.41%。

而稠环芳烃中以萘和甲基萘为主，在7d前均能稳定检出，萘的相对含量在0～7d内均在下降，7d时萘占比54.71%，甲基萘相对含量占比持续上升，7d时甲基萘相对含量为45.29%；茚满类物质以茚满为主，茚满相对含量一直在下降，而茚满比甲基茚满保留的要好些，7d时只能检出茚满。物质相对含量变化基本符合在物质均可检出时，随着放置时间的延长，轻质组分相对含量占比下降，重质组分相对含量占比上升。

（四）不同放置时间汽油燃烧残留物选定特征成分的含量变化分析

芳香烃和稠环芳烃是汽油鉴定中比较典型的特征物质，因此选择受放置时间影响较小的六种芳香烃和稠环芳烃物质，结合标准曲线和检出物质的匹配度得出放置汽油燃烧残留物0、1、3、7、14d六种特征成分的具体含量变化情况，发现随着放置时间的延长，六种物质虽然保留较好，能够被持续检出，但其含量在不断下降，放置1d时，六种物质含量虽有下降但仍浓度较高，但到3d时六种物质含量均急剧下降；放置7d时，1,3,5-三甲基苯和萘含量明显大幅度下降，从102降到了101，甲基萘下降幅度较小，而乙苯7d时无法检出，1,2,3-三甲基苯由于含量太低超出了标准曲线的测量范围；放置14d时，1,3,5-三甲基苯则从6.532μg/mL降到了2.569μg/mL。综合看来，1,3,5-三甲基苯稳定性最好，相对来说受放置时间影响小，即使放置了14d仍能持续检出。具体含量变化见表4。

（五）不同放置时间汽油燃烧残留物谱图相似度评价

为了更加客观评价放置时间对汽油燃烧残留物的影响，通过比较放置0、1、3、7、14d的汽油燃烧残留物特征物质峰的相对含量的相似度进行比较，从而实现对不同放置时间汽油燃烧残留物的谱图相似度进行评价。对烷烃、苯系、萘系、茚满系物分别进行归一化后，将其相对比例变化作为谱图相似度评价物质指标，若该物质未检出，则记为0，采用皮尔逊相关系数和欧氏距离对放置1、3、7、14d同0d的汽油燃烧残留物进行比较，皮尔逊相关系数越接近1，欧氏距离越小说明谱图相似度越好，发现放置1d皮尔逊相关系数为0.9261，欧氏距离为0.4262，表现出极强相关；放置3d相似度有所下降；但放置7d时皮尔逊相关系数下降到0.4290，仅表现出中度相关，可证明汽油的检出；而放置14d皮尔逊相关系数为0.1716，欧氏距离为1.3011，谱图相似度为极弱相关，无法证明汽油的存在。谱图相似度见表5。

三、结论

本文运用GC-MS结合归一化法、外标法、谱图相似度评价对不同放置时间的汽油燃烧残留物进行分析，从定量的角度阐述了放置时间对汽油燃烧残留物的影响，得出以下结论：

（1）随着放置时间的延长，汽油燃烧残留物能检出的特征物质逐渐减少，相对丰度持续下降，烷烃类组分受放置时间影响较大，轻质先丢失，重质保留；而芳香烃组分受影响较小，C2苯、C3苯保留较好，在14d时都有C2苯、C3苯物质检出，而稠环芳烃中的萘和甲基萘比较稳定，7d前都能稳定检出；茚满类组分在7d时只能检出茚满；

（2）在物质均可检出时随着放置时间的延长，轻质组分（C2苯、C3苯、萘、茚满）相对含量占比下降，重质组分（C4苯、C5苯、甲基萘、甲基茚满）相对含量占比上升；

（3）选定的六类特征组分乙苯、1,2,3-三甲基苯、1,3,5-三甲基苯、萘、1-甲基萘、2-甲基萘含量随时间延长逐渐下降，7d时乙苯无法检出，1,2,3-三甲基苯由于含量过低对其无法测定，萘系物7d含量分别降低到10.685μg/mL、2.503μg/mL、5.764μg/mL，而1,3,5-三甲基苯最为稳定，14d时其含量为2.569μg/mL；

（4）使用皮尔逊相关系数和欧氏距离作为谱图相似度指标，对放置1、3、7、14d同0d的汽油燃烧残留物进行比较，随着放置时间的延长，谱图相似度逐渐降低，放置7d同0d谱图相似度呈现出中等相关；

（5）本次实验结果表明，较湿润的汽油燃烧残留物放置时间应尽量控制在1～3d之内，但即使放置7d时仍不影响检出汽油。