氣相色譜-質譜法檢測紙張中的烷基烯酮二聚體施膠劑

張藝丹，楊瑞琴*，廉 哲

（1.中國人民公安大學 偵查學院，北京 100038；2.公安部鑒定中心，北京 100038）

紙張是日常生活中的重要物品，也是犯罪現場的常見物證，如各類案件中的信件、傳單、假幣、發票、證件、合同、危險物品包裝物等。在物證鑒定工作中，通過檢驗紙張成分，能夠區分紙張種類，溯源紙張生產廠家，辨別證券、貨幣或商品的真偽，推斷文件的形成時間等。目前，紙張中纖維、填料、色料等成分［1-4］的檢驗方法較為成熟，而紙張中膠料的檢驗方法有待進一步研究。

烷基烯酮二聚體（AKD）于1948 年由美國Hercules 公司發明，是目前最常用的合成型中堿性造紙施膠劑，適用于檔案紙、復印紙等文化用紙。AKD 是一種不飽和內酯，常溫下為淺黃色蠟狀固體，能溶于乙醇、苯和三氯甲烷等有機溶劑，熔點為44～48 ℃。造紙用AKD 的合成原料為C14～22硬脂酸同系物混合物［5］，最常用的是棕櫚酸（C16H32O2）與硬脂酸（C18H36O2）。AKD不溶于水，必須制成乳液方可用于內部施膠，抄紙過程中AKD 的用量一般在0.1%～0.25%之間［6］。AKD 分子含有疏水基團長鏈烷基和反應活性基團內酯環，如圖 1 所示，其合成與施膠過程分別發生3 種化學反應：與紙張纖維素發生酯化反應生成β-酮酯；與水發生水解反應生成長鏈烷基酮；自身發生低聚反應生成低聚物。施膠紙張中AKD的主要存在形式為非鍵合的游離酮，只占總量11%～21%的鍵合AKD 易被水解［7-9］，由于AKD 合成與施膠過程中脂肪酸縮合后脫羧生成酮類產物的反應具有特殊性，未施膠紙張以及松香、烯基琥珀酸酐（ASA）等其他種類施膠紙張中均不含有此種酮類產物，故本研究選用與AKD 合成原料相對應的水解產物長鏈酮作為特征目標物。

圖1 AKD合成及施膠過程的化學反應機理Fig.1 Chemical reaction mechanism of synthesis of AKD and its sizing process

根據前處理方法的不同，紙張中AKD 的分離分析方法可分為三類：第一類是有機溶劑提取結合色譜法或光譜法進行分析，包括氣相色譜法［7，9-11］、液相色譜法［12］、氣相色譜-質譜聯用法［13］（GC-MS）、液相色譜-質譜聯用法（LC-MS）［14-15］、核磁共振波譜法［16］、紫外-可見分光光度法［17］、近紅外光譜法［18］、傅里葉變換紅外光譜法［18-19］等；第二類是將紙張研磨后采用熱裂解氣相色譜-質譜法［20］進行分析；第三類是使用飛行時間二次離子質譜法［21］直接分析紙張表面的AKD 分布情況。其中，紅外光譜法、熱裂解GC-MS 法、飛行時間二次離子質譜法取樣簡便，可實現初步結構識別，但無法精確定量；GC-MS 和LC-MS法兼具高分離效率和高靈敏度，能夠實現目標化合物的精確定性與定量分析。GC-MS法的文獻報道更廣泛，但已有報道多使用索氏提取法處理紙張，需要高溫高壓實驗條件，耗時過長，通常應用于造紙行業中紙張質量的精確控制。因此，亟需建立一種更為簡便、溫和的前處理方法，以滿足法庭科學領域對于紙張施膠劑的檢驗需求。

本研究建立了紙張中AKD 施膠劑的水解提取和GC-MS 檢測方法，并應用于不同品牌靜電復印紙中AKD 施膠劑的檢測。通過對特征物質16-三十一酮、16-三十三酮和18-三十五酮的定性與定量分析，能夠判定紙張樣品是否使用AKD施膠劑以及施膠用AKD的原料配比，從而實現紙張種類細分。鑒于復印紙生產廠家的施膠劑供應商較為穩定，同一品牌或同一批次的紙張所用施膠劑產品來源一致，且AKD 于20 世紀80 年代引入我國，其推廣使用具有明顯年代特征［22］，因此，本研究能夠為紙張施膠方式研判與廠家溯源提供重要技術支持，進而為紙張形成年代推斷提供新的參考依據。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Agilent 7890B-5977B 氣相色譜-質譜儀（美國Agilent 公司）；DF101S 集熱式恒溫加熱磁力攪拌器（上海力辰儀器科技有限公司）；超純水儀（美國密理博公司）；0.22 μm 疏水性聚四氟乙烯（PTFE）針式濾器（上海安譜實驗科技股份有限公司）。

二十八烷（純度98.5%）、14-二十七酮（純度≥95%）、16-三十一酮（純度≥95%（GC））、18-三十五酮（純度≥95%）標準品均購于上海麥克林生化科技股份有限公司；二氯甲烷（色譜純，美國賽默飛世爾公司）；氫氧化鈉（分析純，昆山金城試劑有限公司）；實驗用水為超純水。

1.2 標準溶液的配制

1.2.1 內標物標準儲備液的配制稱取0.01 g 二十八烷于100 mL 容量瓶中，用二氯甲烷定容，配制成質量濃度為100 mg/L的內標物標準儲備液，置于4 ℃冰箱中冷藏保存。其他濃度內標溶液由此稀釋，現用現配。

1.2.2 酮標準品混合標準儲備液的配制分別稱取14-二十七酮、16-三十一酮、18-三十五酮各0.01 g 于100 mL 容量瓶中，加入5 mg/L 的內標溶液，配制成質量濃度為100 mg/L 的混合標準儲備液，置于4 ℃冰箱中冷藏保存。其他濃度混合標準溶液由此稀釋，現用現配。

1.3 紙張樣品

表1為40種不同品牌的A4靜電復印紙信息，表 2為3種AKD施膠量1%的楊木纖維手抄紙信息。

表1 40種靜電復印紙的信息Table 1 Informations about 40 kinds of copy papers

表2 AKD施膠的楊木纖維手抄紙樣品信息Table 2 Information about AKD sizing poplar fiber hand-made paper samples

1.4 樣品前處理方法

1.4.1 固液萃取法稱取0.50 g 清圖（Qingtu）牌靜電復印紙于15 mL 離心管中，加入10 mL、5 mg/L內標溶液，充分振蕩，靜置萃取1 h。用1 mL針式注射器吸取有機相液體，經0.22 μm 疏水性PTFE 針式過濾器過濾后進行GC-MS檢測。

1.4.2 水解提取法稱取0.50 g清圖牌靜電復印紙于50 mL 圓底燒瓶中，加入20 mL、1 mol/L 氫氧化鈉溶液，在70 ℃下恒溫水浴加熱攪拌2 h，使其充分水解。將水解液混合物轉移至50 mL離心管中，加入10 mL、5 mg/L 內標溶液，充分振蕩，靜置萃取1 h，使其分層。用1 mL針式注射器吸取下層有機相液體，洗滌，中和，經0.22 μm 疏水性PTFE針式過濾器過濾后進行GC-MS檢測。

1.5 色譜-質譜條件

色譜條件：Agilent DB-35MS 氣相色譜柱（60 m ×0.25 mm×0.25 μm，50～340 ℃）；載氣（He）流速為1 mL/min，分流比5∶1；進樣量為1 μL；進樣口溫度為300 ℃；程序升溫：初溫60 ℃，以30 ℃/min 升至300 ℃，保持40 min。

質譜條件：電子轟擊離子源（EI），轟擊能量為70 eV，傳輸線溫度為300 ℃，離子源溫度為250 ℃，四極桿溫度為150 ℃，溶劑延遲8 min。數據采集模式為全掃描模式，掃描質荷比（m/z）范圍為30～650 amu。14-二十七酮、16-三十一酮、18-三十五酮的CAS號、保留時間、定性定量離子見表3。

表3 14-二十七酮、16-三十一酮、18-三十五酮的定量方法信息Table 3 Quantitative method informations of 14-heptacosanone，16-hentriacontanone and 18-pentatriacontanone

表4 目標物的線性范圍、線性方程、相關系數、檢出限與定量下限Table 4 Linear ranges，linear equations，correlation coefficients，LODs and LOQs of analytes

表5 同一紙張3個不同部位及同一包裝內3張不同紙張的取樣均勻性Table 5 Uniformity of sampling at three different parts on the same sheet and three different pieces of paper in the same package

表6 紙張中AKD施膠劑檢測方法比較Table 6 Comparison of determination methods for AKD sizing agents in paper

表7 40種紙樣的分析數據Table 7 Analysis data of 40 paper samples

表8 40種靜電復印紙的分類結果Table 8 Classification results of 40 kinds of electrostatic copy paper

2 結果與討論

2.1 色譜條件的優化

以混合標準溶液中目標物的相對響應（14-二十七酮、16-三十一酮、18-三十五酮與內標物的峰面積之比）作為評價指標，分別考察了恒溫條件與程序升溫條件。結果表明：在恒溫條件下，譜圖基線漂移，噪聲高，目標物的峰形展寬、拖尾，18-三十五酮無法檢出，溫度升至300 ℃時，才能夠檢出目標物。在程序升溫條件下改變初始溫度，發現初始溫度為50～100 ℃時，3 種酮的相對響應較大（圖2A）；初始溫度為250 ℃時，峰形拖尾嚴重，基線噪聲增大，故選擇初始溫度為60 ℃。在該條件下改變升溫速率，發現升溫速率為10 ℃/min 時，16-三十一酮、18-三十五酮的相對響應最大；30 ℃/min 時，14-二十七酮的相對響應最大，此后隨升溫速率增大，相對響應呈下降趨勢（見圖2B）。為了在最短分析時間內獲得最高分離度，最終選擇升溫程序為初始溫度60 ℃，以30 ℃/min升溫至300 ℃，保持40 min。

圖2 程序升溫初始溫度（A）與升溫速率（B）對3種酮峰面積與相對響應的影響Fig.2 Effects of initial temperature （A） and heating rate（B） of programmed temperature on peak areas and relative responses of three ketones

2.2 水解條件的優化

由于AKD最常見的原料組成為棕櫚酸與硬脂酸，其水解產物為16-三十一酮、16-三十三酮和18-三十五酮。但市面上無16-三十三酮標準品，故選擇16-三十一酮和18-三十五酮，以及碳原子數更少的14-二十七酮為目標物，以涵蓋紙張中AKD 水解特征產物的更多可能情況。而在水解及提取條件優化過程中，以紙張中AKD水解產物16-三十一酮、16-三十三酮、18-三十五酮作為特征目標物。

稱取0.50 g清圖牌靜電復印紙，按“1.4.2”方法進行前處理，保持其他條件不變，分別改變水解溶液種類與濃度、水解溫度、水解時間，考察不同水解條件對提取效率的影響。以樣品中目標物的相對響應（16-三十一酮、16-三十三酮、18-三十五酮與內標物的峰面積之比）作為評價指標。

2.2.1 水解溶液的選擇分別考察了9 種不同水解溶液（空氣中自水解、超純水、0.1 mol/L Na2CO3、0.1 mol/L NaOH、0.1 mol/L HCl、1 mol/L NaOH、1 mol/L HCl、6 mol/L NaOH、6 mol/L HCl）對提取效率的影響，如圖3A所示，NaOH 溶液的提取效率總體較高。進一步考察了NaOH 溶液濃度（0.1、0.5、1、6、10 mol/L）對提取效率的影響（圖3B）。結果表明：隨NaOH 溶液濃度的增大，提取效率呈上升趨勢，NaOH 溶液濃度為1 mol/L 時，3 種酮的提取效率最高；濃度為10 mol/L 時，提取液出現難分層現象，3種酮的提取效率明顯降低。因此最終選擇1 mol/L NaOH作為水解溶液。

圖3 不同水解條件下AKD水解產物酮的提取效率比較Fig.3 Comparison of extraction efficiencies of AKD hydrolysate ketone under different hydrolysis conditions

2.2.2 水解溫度的選擇分別考察了不同水解溫度（20、40、60、70、80 ℃）對提取效率的影響（圖3C）。結果表明：隨著溫度升高，3 種酮的提取效率呈上升趨勢，水解溫度為70 ℃時的提取效率最高，水解溫度升高至80 ℃時，提取效率反而降低。考慮到實驗的安全性，最終選擇水解溫度為70 ℃。

2.2.3 水解時間的選擇分別考察了不同水解時間（0.5、1、2、3、4 h）對提取效率的影響（圖3D）。結果表明：水解2 h 時，3 種酮的水解效率總體較高；此后隨著水解時間的增加，3 種酮的提取效率無明顯提高，最終選擇水解時間為2 h。

2.3 萃取條件的優化

2.3.1 萃取溶劑的選擇首先考察了16-三十一酮和18-三十五酮在有機溶劑中的溶解度，發現其易溶于正己烷、環己烷、二氯甲烷、三氯甲烷、苯和甲苯。進一步考察了采用上述6 種溶劑直接萃取對于樣品中目標物提取效率的影響。稱取0.50 g清圖牌靜電復印紙，按“1.4.1”方法進行前處理，保持其他條件不變，改變萃取溶劑，以樣品中目標物的相對響應進行比較。圖 4A結果表明：正己烷的提取效率最高。

其次，采用水解提取法考察了上述萃取溶劑對樣品中目標物提取效率的影響。稱取0.50 g 清圖牌靜電復印紙，按“1.4.2”方法進行前處理，保持其他條件不變，改變萃取溶劑，以樣品中目標物的相對響應進行比較。圖 4B結果表明：二氯甲烷萃取時，16-三十一酮和16-三十三酮的提取效率最高；苯萃取時，18-三十五酮的提取效率最高。為提高紙張中AKD 轉化為酮的水解效率，從而更精確地計算紙張中的總酮含量，綜合考慮溶劑的提取效率、環境友好性和安全性等，最終選擇水解提取法作為前處理方法，二氯甲烷作為萃取溶劑。

2.3.2 萃取時間的選擇稱取0.50 g 清圖牌靜電復印紙，按“1.4.2”方法進行前處理，保持其他條件不變，考察不同萃取時間（10 min、30 min、1 h、2 h、3 h）對樣品中目標物提取效率的影響。圖4C結果表明：在前1 h 內，隨著萃取時間延長，3 種酮的提取效率呈上升趨勢；萃取時間超過1 h 后，提取效率無明顯提高，故最終選擇萃取時間為1 h。在最佳條件下，內標物與酮混合標準溶液、未施膠的空白紙樣、1% AKD內部施膠的楊木纖維手抄紙樣的總離子流色譜圖見圖5。

圖5 混合標準溶液及2種紙張樣品提取物的總離子流色譜圖Fig.5 Total ion chromatograms of mixed standard solution and extractions of two paper samples

2.4 方法學評價

2.4.1 線性范圍、檢出限與定量下限以5 mg/L 內標溶液稀釋混合標準儲備液，配制質量濃度為1.0、2.5、5.0、7.5、10.0、25.0、50.0 mg/L的混合標準溶液，以酮峰面積比的平均值為縱坐標（y），以標準溶液的質量濃度為橫坐標（x，mg/L）繪制標準曲線。14-二十七酮、16-三十一酮、18-三十五酮的線性關系良好，相關系數（r2）均大于0.98。以信噪比≥3時的最低質量濃度計算檢出限（LOD），信噪比≥10 時的最低質量濃度計算定量下限（LOQ）［23］，得到3 種目標物的檢出限分別為0.1、0.5、2.0 mg/L，定量下限分別為0.5、1.5、5.0 mg/L（結果見表 4）。

2.4.2 紙張均勻性為了排除紙張不均勻對于實驗結果的影響，分別對同一紙張的不同部位、同一包裝內不同紙張隨機取樣進行檢測。分別稱取同一張清圖牌靜電復印紙上、中、下3 個部位的紙樣0.50 g，稱取同一包裝內的3 張不同紙張樣品0.50 g，按“1.4.2”和“1.5”方法進行前處理和GC-MS 檢驗，將酮的峰面積比代入“2.4.1”中標準曲線計算AKD 水解產物酮的含量，并以排列組合規律計算AKD 原料中棕櫚酸（C16H32O2）與硬脂酸（C18H36O2）的配比（記為C16/C18）。結果如表 5 所示，編號1～3 為同一紙張樣品的不同部位，酮含量的相對標準偏差（RSD）不大于15%，原料配比的RSD 為1.0%；編號4～6 為同一品牌同一包裝內的不同紙張樣品，酮含量的RSD 不大于18%，原料配比的RSD 為3.0%。由此可見，同一紙張上不同部位以及同一品牌同一包裝內的不同紙張樣品中AKD 施膠劑的含量分布均勻，定量分析結果穩定可靠。

2.4.3 回收率為了實現紙張質量的精確控制，已有文獻［13］通過模擬內部施膠和表面施膠過程，現場向紙漿中添加施膠劑以計算回收率。考慮到紙張中基質復雜，對于已成型出廠的紙張樣品，其施膠劑添加量會因生產工藝不同或存放時間延長而導致留著率的輕微變化，故本研究在評估回收率時，以理想的無損情況為基礎，設定紙張中留著的AKD與水解產物酮物質的量相等時回收率為100%。選取已知AKD 施膠量分別為1%內部、0.5%內部+0.5%表面、1%表面施膠的楊木纖維手抄紙為樣品，通過GC-MS 法定量分析紙張中16-三十一酮的檢出量，與紙張纖維內平均留著率水平下的AKD 的量作比，從而得到方法回收率。據文獻報道，AKD 在紙張中的留著率為21%～93%［7，24］，取平均值57%，計算得到3種樣品的提取回收率分別為44.1%、60.9%、34.9%。

2.4.4 方法比較將本方法與檢測紙張中AKD 的文獻方法進行比較，結果見表 6。本方法的前處理操作更簡便溫和，耗時更短，所需取樣量更小，更適合用于法庭科學領域紙張物證的檢驗鑒定與比對分類。

2.5 靜電復印紙的比對區分

按“1.4.2”前處理方法和“1.5”GC-MS 條件對40 種A4 靜電復印紙進行檢驗，分別從紙張中酮的種類、AKD 原料配比和總酮含量3個方面進行定性、定量分析，并對40種紙樣進行比對區分，結果如表 7所示。

分類結果如表 8 所示，40 種紙樣被分為三大類。第一類包括25#、33#、37#樣品，未檢出酮類，說明這3種紙樣未使用AKD 施膠劑，與樣品信息中ASA 施膠方式相符合；第二類和第三類樣品均檢出水解產物16-三十一酮、16-三十三酮和18-三十五酮，說明這37 種紙樣均為AKD 施膠，且其制備原料均為棕櫚酸與硬脂酸的混合物，推斷目前市售常見品牌復印紙中的AKD 施膠劑原料以棕櫚酸與硬脂酸為主。其中，3#、4#、16#、29#樣品所用AKD 原料中的硬脂酸比例高于棕櫚酸，C16/C18配比在0.43～1.00之間；其余33種樣品所用AKD原料中的棕櫚酸比例高于硬脂酸，C16/C18配比在1.00～4.00之間。

3 結 論

本文建立了氣相色譜-質譜測定紙張中烷基烯酮二聚體施膠劑的方法，并將該方法應用于40 種不同品牌靜電復印紙的檢驗，根據特征物質、施膠用AKD 原料配比與紙張中總酮含量對紙張樣品進行定性與定量分析，將40種紙張樣品分為三大類。該方法具有靈敏度高、選擇性好的優點，適用于紙張施膠方式的判定以及紙張種類的比對區分。今后將進一步擴大紙張樣品收集范圍，建立松香、AKD、ASA 等施膠紙張樣品數據庫，并探索取樣量更小的微損分析方法，為法庭科學領域的紙張物證鑒定提供科學依據。