光譜分析法鑒定出入境證件紫外熒光油墨成分的研究

張 梅

(中國人民警察大學(xué)，河北 廊坊 065000)

一、紫外熒光油墨

紫外熒光油墨是指在油墨中加入具有紫外光激發(fā)的可見熒光成分[1]，依據(jù)斯托克斯定律，在紫外光的照射下發(fā)出可見光的特種油墨。按照激發(fā)光源波長的不同分為：(1)長波熒光油墨(激發(fā)光波長365 nm)；(2)中波熒光油墨(激發(fā)光波長312 nm)；(3)短波熒光油墨(激發(fā)光波長254 nm)。

出入境證件在防偽設(shè)計過程中，通常只添加一種紫外熒光油墨，其只對某一指定波長的紫外光反應(yīng)，對其他波長的紫外光不會有顏色變化。伴隨著出入境證件防偽等級的提高，也有一些國家的出入境證件開始采用雙波隱性紫外熒光油墨，這種油墨在不同波長的激發(fā)光下，呈現(xiàn)出明顯不同的兩種顏色，如圖1所示的護照內(nèi)頁，在365 nm長波和312 nm中波紫外光的照射下，分別呈現(xiàn)湖藍色和粉紅色的熒光反應(yīng)。

二、傳統(tǒng)檢測方法的優(yōu)點和局限

無論哪種紫外熒光油墨，科學(xué)地進行檢測都是十分必要的。在出入境證件檢測中，通常利用檢材中的表現(xiàn)性指示、不同光線下的反應(yīng)機理、現(xiàn)象做出判斷，這些通過顏色或者灰度差異來表征區(qū)別的方法稱為形態(tài)學(xué)檢測方法[2]。

紫外熒光的檢測通常是在特定紫光燈的照射下，觀察油墨的熒光反應(yīng)。如圖2所示，在365 nm長波紫外光下，多條黃色熒光反應(yīng)的波浪線條貫穿整個頁面，頁面下方有紅色熒光反應(yīng)的波浪線條。頁面中央偏右呈現(xiàn)一個黃綠色的團花圖案，并且圖案中央部分呈現(xiàn)紅色。頁面右上的護照號碼一半呈現(xiàn)橙色。通過這樣的描述，就可以明確該頁熒光圖文的構(gòu)造。

這種主觀描述式的檢測方法具有簡單易行、普及率高的優(yōu)點。檢測者不需要具備專業(yè)的光學(xué)知識，僅僅憑借經(jīng)驗常識和簡單儀器設(shè)備就能夠?qū)Υ蟛糠值淖贤鉄晒庥湍M行檢測，在邊檢實際工作中普遍使用。

然而這種形態(tài)學(xué)檢測方法存在明顯的局限性。一方面人眼視覺特性受外界環(huán)境的限制，并且主觀語言描述受檢測者自身經(jīng)驗的誘導(dǎo)，所以這種方法顯然不具備普遍性和客觀性。尤其隨著熒光油墨類型的增多，如果還采用傳統(tǒng)的形態(tài)學(xué)檢測方法，就會存在一定誤差，嚴重時甚至產(chǎn)生誤判。如圖3所示，如果仍采用形態(tài)學(xué)檢測方法，可以得出：在365 nm長波紫外光下，呈現(xiàn)紅色老鷹熒光圖案，在312 nm中波紫外光下，紅色圖案消失，呈現(xiàn)出藍色的老鷹圖案，那么根據(jù)定義，這本護照上的熒光油墨被認定為雙波隱性熒光油墨。

(a)365 nm長波

(b)312 nm中波

圖2 傳統(tǒng)檢測方法

這個案例充分暴露了形態(tài)學(xué)檢測方法的局限性。首先與圖1所示的典型雙波隱性熒光油墨相比，做一個簡單分析：圖1中，熒光油墨在不同激發(fā)光源下，圖案顏色改變的同時，圖案輪廓十分清晰。

(a)365 nm長波

(b)312 nm中波

在這個案例中，在不同波長激發(fā)光源下，雖然也有明顯地顏色變化，但是老鷹輪廓在312 nm中波紫外光下十分模糊。二者之間的這些差異是偶然的現(xiàn)象，還是有本質(zhì)的區(qū)別？這需要我們進一步探索。

由于形態(tài)學(xué)檢測方法無法深入研究，我們必須尋找新的解決問題的辦法。本文接下來提出了一種更加科學(xué)、專業(yè)、客觀的熒光油墨檢測方法。該方法借助更為專業(yè)的光學(xué)儀器例如VSC6000/HS視頻光譜比對儀，利用光譜分析技術(shù)，鑒定該紫外熒光油墨的真實成分，從而確定熒光油墨的類型。

三、光譜分析技術(shù)與顯微分光光度計

(一)光譜分析技術(shù)與文檢儀

光譜是復(fù)色光經(jīng)過色散系統(tǒng)如(棱鏡、光柵)分光后，被色散開的單色光按波長(或頻率)大小依次排列的圖案，全稱是光學(xué)頻譜，其中橫軸表示波長(或頻率)，縱軸表示光譜強度，如圖4所示。按照光譜表現(xiàn)形式分類，光譜分為連續(xù)光譜、帶狀光譜和混合光譜，按照產(chǎn)生原因分類，分為吸收光譜、發(fā)射光譜和散射光譜。

光譜分析是應(yīng)用光譜學(xué)的原理和試驗方法確定物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成成分的一種科學(xué)分析方法，實驗測量的光譜特征數(shù)據(jù)和特征曲線，可以確定物質(zhì)的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)以及含量，在物質(zhì)成分鑒定中得到了廣泛應(yīng)用[3-4]。

(a)光子分解

(b)光子數(shù)量按照波長排列

本文使用的專業(yè)儀器是英國Foster+Freeman公司的VSC6000/HS視頻光譜比對儀(文檢儀)進行熒光光譜的采集和分析，該儀器可以研究證件中的防偽技術(shù)，鑒別偽假出入境證件，以及對有價值的證件信息進行采集，幾乎每一個一線邊檢機關(guān)的后臺實驗室都配置了該儀器。

VSC6000/HS文檢儀可以測量反射、吸收、熒光、透射共四種光譜。入射光源與光譜類型的對照關(guān)系如表1所示。

表1 VSC6000/HS文檢儀測量的光譜類型

(二)顯微分光光度計

分光光度計，又稱光譜儀，是一種將成分復(fù)雜的復(fù)合光，分解為單色光光譜線的光學(xué)儀器。根據(jù)分解的復(fù)合光的波長范圍不同，分光光度計又分為紫外分光光度計，可見分光光度計(也稱為比色計)，紅外分光光度計(也稱為原子吸收分光光度計)，并且為了保證測量的精密度和準確度，所有儀器應(yīng)按照國家計量檢定規(guī)程進行定期校正檢定。

文檢儀VSC6000/HS，通過內(nèi)置光柵，將文件選定區(qū)域在當前光源照射下的反射光細分為不同波長的光，測量其在各個不同波長的強度，并繪制成曲線，以便進行進一步的光譜分析操作。文檢儀采用光纖傳導(dǎo)技術(shù)，利用獨立光柵分光以及獨立CCD接收，能夠在400～1 000 nm的波長范圍內(nèi)進行實時光譜量化對比分析，并且由于光學(xué)分辨率可以達到3 nm，所以文檢儀的分光計也稱為顯微分光光度計[5]。

顯微分光光度計是文檢儀的特色功能，利用它可以分析油墨的成分，查明添加涂改等偽變造事實，是一種更加科學(xué)、客觀、嚴謹?shù)牧炕葘Ψ治龇椒╗6]。本文接下來就通過光譜分析技術(shù)鑒定本文圖3所示的紫外熒光油墨成分，從而確定油墨的真正類型。

四、試驗分析

(一)試驗過程

首先在紅色熒光反應(yīng)的位置上選取一個采樣點T，如圖5所示，采集該位置處的中波熒光光譜數(shù)據(jù)。

圖5 老鷹圖案采樣點選取

該采集過程如下：

1．選擇312 nm中波紫外光。

2．將光標定位到T位置處，選擇文檢儀“顯微分光光度計”功能。

3．確定合適的放大倍數(shù)，并且測量黑色參考點。

4．測量熒光光譜數(shù)據(jù)，并命名為T-312。

接下來切換激發(fā)光源到365 nm長波紫外光，重復(fù)1～4操作，測量采樣點的長波熒光光譜，命名為T-365。

為了保證數(shù)據(jù)的客觀性和普遍性，在圖5中任選10個采樣點T1，T2，…，T10，分別測量他們的中波熒光光譜和長波熒光光譜數(shù)據(jù)，表2給出了光譜曲線的對照關(guān)系。

表2 采樣點、激發(fā)光和光譜曲線數(shù)據(jù)的對照關(guān)系(老鷹)

接下來對10個采樣點的光譜數(shù)據(jù)求均值得到具有一般性的光譜數(shù)據(jù)，分別定義為T-365，T-312。

為了進行與老鷹圖案進行比對，接下來選擇紙張上365 nm長波紫外光下呈現(xiàn)藍色熒光反應(yīng)，而在312 nm中波紫外光下無反應(yīng)的采樣點Z，換言之，采樣點Z是呈現(xiàn)藍色熒光反應(yīng)而非“老鷹”圖案的位置，也稱紙張上一般位置，如圖6所示。

圖6 一般紙張采樣點選取

同樣為了保證數(shù)據(jù)的客觀性和普遍性，我們在圖6中任選10個采樣點Z1，Z2，…，Z10，根據(jù)1～4的步驟分別測量他們的中波熒光光譜和長波熒光光譜數(shù)據(jù)，表3給出了光譜曲線的對照關(guān)系。

對10個采樣點的光譜數(shù)據(jù)求平均得到具有一般性的光譜數(shù)據(jù)，分別為Z-365，Z-312。

這樣就得到四條光譜數(shù)據(jù)，分別為T-312，T-365，Z-312，Z-365。下面就分別進行光譜分析。

表3 采樣點、激發(fā)光和光譜曲線數(shù)據(jù)的對照關(guān)系(紙張)

(二)數(shù)據(jù)分析

接下來利用Matlab數(shù)據(jù)圖像分析軟件分析所得數(shù)據(jù)。

1．首先來看T-312和T-365，老鷹圖案位置在不同紫外光光源下的熒光光譜，如圖7所示。

圖7 T-312和T-365分析

通過圖7，可以發(fā)現(xiàn)：

(1)油墨被312 nm紫外光激發(fā)后獲得的曲線在630 nm存在峰值，該波長對應(yīng)的顏色即為紅色。這也就解釋了為什么在312 nm激發(fā)光源下，油墨顯現(xiàn)出紅色熒光反應(yīng)，這印證了形態(tài)學(xué)檢測方法得到的現(xiàn)象。明顯的峰值表明，油墨中存在中波紫外熒光油墨，且被激發(fā)后呈現(xiàn)出紅色。

(2)油墨被365 nm紫外光激發(fā)后獲得的曲線在420～550 nm范圍呈現(xiàn)反應(yīng)，該波長區(qū)間對應(yīng)的顏色即為藍色，這也與之前形態(tài)學(xué)檢測方法中出現(xiàn)的模糊的藍色圖案互相印證。但是是否表明存在長波熒光油墨呢，還需要繼續(xù)分析。

2．其次來看T-365和Z-365，即在365 nm光源下，不同位置的長波熒光光譜，如圖8所示。

圖8 T-365和Z-365分析

圖8中兩條曲線重合了，即老鷹位置的油墨在365 nm長波紫外光激發(fā)下的反應(yīng)和紙張在365 nm長波紫外光激發(fā)下的反應(yīng)是一樣的。兩條曲線重合表明，藍色長波熒光反應(yīng)并非是設(shè)計者對老鷹的獨特設(shè)計，而是來源于紙張，到這里基本上就可以判斷該老鷹圖案并不是雙波隱性熒光油墨。

進一步分析光譜數(shù)據(jù)。圖7中的T-312曲線，在峰值的左側(cè)，存在很明顯的旁瓣。這個旁瓣說明：在證件的制作過程中，先在證件紙張上印刷有熒光油墨的底紋，該油墨在365 nm長波紫外光下呈藍色熒光反應(yīng)，然后在該長波熒光油墨的上面，又印刷了老鷹圖案的熒光油墨，該油墨在312 nm中波紫外光下呈現(xiàn)紅色熒光反應(yīng)，由于兩種油墨疊印在一起，他們之間存在一定的影響。

3．最后來看T-312和Z-312，即在312 nm光源下，不同位置的中波熒光光譜，如圖9所示。

圖9 T-312和Z-312分析

通過圖9，清晰可見這兩條曲線存在明顯的差異，并且Z-312沒有峰值區(qū)域，強度也比較低，這表明紙張上的一般位置沒有中波熒光反應(yīng)，這也進一步驗證兩種波長的熒光油墨是獨立存在的。

通過試驗分析可以得出結(jié)論：(1)紙張采用長波熒光油墨印刷，在365 nm紫外光下呈現(xiàn)藍色熒光反應(yīng)；(2)老鷹采用中波熒光油墨印刷，在312 nm紫外光下呈現(xiàn)紅色熒光反應(yīng)；(3)視覺上給人造成一種錯覺，誤認為在不同紫外光下，老鷹呈現(xiàn)不同的顏色。該老鷹圖案由于只采用了中波熒光油墨，并不存在隱藏的長波熒光油墨，自然就不是“雙波隱性熒光油墨”，自此也就解決了本文一開始提出的問題。

五、結(jié)束語

雖然形態(tài)學(xué)檢測方法在以往的出入境證件防偽技術(shù)檢測中得到普遍使用，并且具有一定的優(yōu)勢，但是我們也要意識到這種方法已經(jīng)不能滿足實際發(fā)展的要求，為此本文結(jié)合一個實際案例，借助專業(yè)的儀器設(shè)備，利用光譜分析技術(shù)，提出了量化比對分析方法，深入研究了疑似雙波隱性紫外熒光油墨，用數(shù)據(jù)揭開謎團。這也提醒我們觀察現(xiàn)象的同時，不要被表象所迷惑，應(yīng)該借助更科學(xué)、更客觀的方式進行研究。