引言

圆珠笔以其携带方便、书写流畅、字迹清晰等特点，成为人们最常用的书写工具之一^[1]．其中，油性圆珠笔占有着相当的市场份额，在司法鉴定实践中，要求鉴定油性圆珠笔文书书写时间的案件数量有增无减．因此，对油性圆珠笔文书书写时间鉴定的研究是司法鉴定及审判工作者关注的焦点^[2]．

油性圆珠笔油墨的主要成分为染料（常用三芳甲烷类、铜酞菁类）、溶剂（常用苯甲醇、苯氧基乙醇）和树脂（常用醇酸树脂、环氧树脂）^[3]．随着文书的老化，油墨中的成分会发生一定的物理或化学变化，这成为文书书写时间鉴定的依据. 已有多种分析方法被用于鉴定圆珠笔文书的书写时间，包括单溶剂萃取法^[4]（后经Cantu改良发展出R比率法、双溶剂萃取法）、薄层色谱法（TLC）^[5]、高效液相色谱法（HPLC）^[6]、激光解析电离质谱法（LDI-MS）^[7]、高效薄层色谱法（HPTLC）^[7]、热解析-气相色谱-质谱分析联用法（TD-GC-MS）^[8]、紫外可见分光光度法/激光解析电离飞行时间质谱联用法（UV-LDI-MS）^[9]、近红外光谱成像法（HSI-NIR）^[10]和纸喷雾质谱法（PS-MS）^[11]等．这些方法因受高分子化合物复杂性的影响，变化规律不易掌握，对书写时间鉴定的误差较大．相比而言，小分子有机物的化学结构明确．然而，针对油墨中溶剂小分子变化的研究方法相对单一，主要是GC法^{[12, 13]}或GC-MS联用法^[14-16]．这些方法虽然能够得到溶剂随老化时间的变化曲线，但重现性差^[16]．核磁共振氢谱（¹H NMR）是有机分子结构测定的主要工具，可定性鉴定、定量分析，具有测试速度快、结构信息丰富、灵敏度高、所需样品量少（2~5 mg）和对样品无损等优点^{[17, 18]}．将其用于鉴定油性圆珠笔文书的书写时间，既可以精确剖析油墨中有机物的分子结构、也能直接测定其相对含量，操作简单、不破坏油墨的化学结构、样品也可回收．

本文采用¹H NMR方法对所购6种不同型号油性圆珠笔的油墨进行表征，研究了油墨中的溶剂——苯氧基乙醇随文书老化时间的变化，建立的自然老化标准曲线能够准确鉴定已知圆珠笔品牌的书写时间在4个月内的油性圆珠笔文书，重现性良好；同时，探究了文书人工老化与自然老化的对应关系，为文书的书写时间鉴定提供了依据．运用¹H NMR方法鉴定油性圆珠笔文书的书写时间迄今未见报道．

1 实验部分 1.1 仪器及试剂

仪器：核磁共振仪，Bruker Avance 400型，德国Bruker公司；紫外老化箱，ZWLH-5，上海翰强仪器设备厂；精密电子天平，BS200S，德国Sartorius公司；台式高速离心机，TG16-WS，湖南湘仪实验室仪器开发有限公司；红外线快速干燥器，GQ70E，上海市红卫绒绣厂．

试剂：苯氧基乙醇、苯甲醇，国药集团化学试剂有限公司；丙酮，西陇化工股份有限公司；氘代氯仿(CDCl₃)、四甲基硅烷（TMS），Sigma-Aldrich有限责任公司．

1.2 原料

油性圆珠笔笔芯：晨光MG-115圆珠笔替芯、晨光MG-116香味圆珠笔替芯、晨光MG-141加长型定位圆珠笔替芯，上海晨光文具股份有限公司；ZEBRA Z•Grip Flight Blue、ZEBRA Z-1 Needle Colored 0.7 Blue，日本ZEBRA（斑马）株式会社；Rocher/瑞奇140-0.7圆珠笔芯，义乌市可宁制笔厂．

1.3 方法

样品制备：将圆珠笔油墨均匀涂布于A4纸上，油墨区域大小约为5 cm × 4 cm．

自然老化：将样品放于室内实验台上，自然放置不同时间．

人工老化：将样品置于紫外老化箱中，距离紫外灯约20 cm，照射功率为500 W，光照强度为（30.0 ± 4.0）×10² μW/cm²，经紫外老化不同时间．

墨迹提取：称取约0.10 g老化样品，剪碎，加入5 mL丙酮，室温溶解1 h后，用离心机（转速为9 000 r/min）离心15 min，分离样品和提取液；将离心得到的提取液置于红外线快速干燥器中烘干，得到圆珠笔墨迹提取物；将墨迹提取物用CDCl₃溶解进行¹H NMR测试．

¹H NMR测试条件：¹H NMR的工作频率为400.13 MHz，温度为298 K，谱宽为 4 000.00 Hz，弛豫延迟设定为2 s，样品溶于CDCl₃（D > 99.8%），以TMS（0.03%）为内标（ δ 0.00）．

2 结果与讨论 2.1 不同型号油性圆珠笔油墨的¹H NMR谱图

苯甲醇和苯氧基乙醇是圆珠笔油墨中最常用的两种溶剂．苯甲醇是最简单的芳香醇，因其沸点高、蒸发速度慢、是许多有机物和高分子的优良溶剂，而被广泛用于圆珠笔油墨的生产．苯氧基乙醇在圆珠笔油墨中同时用作溶剂和改良助剂，能提高书写流畅性、增强油墨储存稳定性、提高书写清晰度、防止漏油．

苯甲醇和苯氧基乙醇的¹H NMR谱图及各种质子的谱峰归属见图 1和表 1．图 1(a)中， δ 7.22~7.36为苯甲醇苯环上质子的特征峰， δ 4.56为与羟基相连的亚甲基质子的特征峰， 3.09为羟基质子的特征峰，三组谱峰的积分比即为其包含质子的个数比∫ &_{δ 7.22~7.36}∶∫ _{δ 4.56}∶∫ _{δ 3.09} = 5∶2∶1；图 1(b)中， δ 7.30为苯氧基乙醇苯环上位于取代基间位的质子， δ 6.90~7.02为苯环上位于取代基邻对位的质子， δ 4.11为与苯氧基相连的亚甲基质子， δ 3.98为与羟基相连的亚甲基质子， δ 2.06为羟基质子的特征峰，五组谱峰的积分比即为各自包含质子的个数比∫ _{δ 7.30}∶∫ _{δ 6.90~7.02}∶∫ _{δ 4.11}∶∫ _{δ 3.98}∶∫ _{δ 2.06} = 2∶3∶2∶2∶1．

本文进一步利用¹H NMR谱图对6种不同型号油性圆珠笔的油墨进行了表征，结果如图 2所示．就苯氧基乙醇而言，在油墨的¹H NMR谱图中，由于δ 7.30（H-a）的峰与溶剂CDC_l3的峰（δ 7.28）会产生重叠（当油墨含有溶剂苯甲醇时，重叠更加严重），而羟基质子（H-f）的化学位移不定，因此本文以¹H NMR谱图中是否出现H-(b &c)、H-d、H-e的信号为标准判断油墨中是否存在苯氧基乙醇，将图 2(a)~图 2(f)与图 1(b)的对比结果列于表 1中．由表 1可知，6种圆珠笔油墨的¹H NMR谱图中均出现H-(b &c)、H-d、H-e的信号，且信号峰形和积分比与标准品相似，说明6种圆珠笔油墨均含有溶剂苯氧基乙醇．而将图 2与图 1对比可知，型号为ZEBRA Z-1 Needle Colored 0.7 Blue的圆珠笔油墨只含苯氧基乙醇，不含苯甲醇．以上结果说明，国内外油性圆珠笔的溶剂组成除了文献^[12]报道的两类（第一类由苯氧基乙醇和苯甲醇组成，第二类只含有苯甲醇），还存在只含有苯氧基乙醇的情况．

2.2 MG-115圆珠笔文书中苯氧基乙醇的自然老化规律及标准曲线的建立

因为含有苯氧基乙醇是这6种圆珠笔油墨的共性，所以本文以MG-115为例具体研究了苯氧基乙醇在油性圆珠笔文书自然老化和人工老化过程中的变化．

从MG-115的¹H NMR谱图可看出，苯氧基乙醇δ 6.90~7.02的峰较δ 4.11和δ 3.98的峰更易受其它芳香质子谱峰的干扰，所以本文以δ 4.11的峰（H-d）为对象研究苯氧基乙醇的变化．圆珠笔油墨中溶剂的变化以挥发为主，为了消除样品量的干扰，应当选择圆珠笔油墨中的一个相对稳定的成分作参照．在MG-115的¹H NMR谱图中，δ 0.85为油墨中助剂饱和碳链上甲基质子的特征峰，不会随着老化时间发生变化，因此本文选择δ 0.85作参照．

以δ 4.11（∫_{δ 4.11}）与δ 0.85（∫_{δ 0.85}）积分的比值（∫_{δ 4.11}∶∫_{δ 0.85}）为纵坐标，自然老化时间（t）为横坐标作图，得到图 3(a)．可以看出，∫_{δ 4.11}∶∫_{δ 0.85}随时间非线性变化：书写时间1个月内曲线下降最快，溶剂挥发最快；书写时间一个月后溶剂挥发速度减慢，逐渐趋于平衡．这是因为油墨中树脂的缓慢交联阻碍了溶剂的挥发．

为进一步验证选择苯氧基乙醇作为鉴定圆珠笔文书书写时间依据的准确性，我们亦对比了MG-115中苯甲醇和苯氧基乙醇随书写时间变化的情况[图 3(b)]（与苯氧基乙醇类似，苯甲醇δ 7.30~7.38的峰较δ 4.71的峰更易受其它芳香质子谱峰的干扰，因此以 ∫_{δ 4.71}∶∫_{δ 0.85}对t作图）．结果显示：苯甲醇的变化比苯氧基乙醇快许多，在自然老化1 d后，∫_{δ 4.71}∶∫_{δ 0.85}就已经开始趋于平衡；且自然老化18 d后，¹H NMR已检测不出δ 4.71的信号．因此在采用¹H NMR鉴定油性圆珠笔文书书写时间方面，选择苯氧基乙醇为研究对象更合适．

为了准确鉴定圆珠笔文书的短期书写时间，对图 3(a)中的数据点进行拟合，建立了3个月内圆珠笔油墨中苯氧基乙醇随自然老化时间变化的标准曲线y_n（n: natural aging）：

其中，xn为自然老化时间（d）；y_n为∫_{δ 4.11}∶∫_{δ 0.85.}

2.3 利用标准曲线准确鉴定MG-115圆珠笔书写时间在4个月内的文书

为了考察标准曲线的准确性，本文选取8份经自然老化不同时间的MG-115圆珠笔文书，测得相应的∫_{δ 4.11}∶∫_{δ 0.85}，代入(1)式，计算得到文书的鉴定时间，结果见表 2．

由表 2可以看出：文书真实书写时间在10 d以内的时间鉴定误差不超过1 d，真实书写时间在1~4个月范围内的时间鉴定误差在3~6 d，平均绝对偏差约为2 d；8份文书鉴定的相对误差不超过10%，最小可以达到1%．因此，对于用MG-115圆珠笔书写的4个月内的文书，可以用此标准曲线准确鉴定其书写时间．类似地，对于用其它品牌油性圆珠笔书写的文书，可以通过¹H NMR方法建立标准曲线，再利用标准曲线鉴定已知圆珠笔品牌的油性圆珠笔文书的短期书写时间．

2.4 MG-115圆珠笔文书中苯氧基乙醇的人工老化规律与自然老化规律的关系

利用标准曲线法鉴定文书书写时间具有适用性强、准确度高的优点，但这种方法需要收集已知书写日期的圆珠笔文书作标样，而人工老化方法能够弥补这一不足．人工老化是为了预估文书书写时间而建立的一种方法，通过建立人工老化与自然老化规律的关系，即使在没有已知书写日期的文书作参照时，仍可以对历史文书的书写时间进行鉴定．

图 4为MG-115圆珠笔文书中苯氧基乙醇随人工老化时间的变化．由图 4可以看出，∫_{δ 4.11}∶∫_{δ 0.85}随t的变化趋势与自然老化一致：人工老化150 min内曲线下降最快，溶剂挥发最快；人工老化150 min后溶剂挥发速度减慢，并逐渐趋于平衡．

为了建立人工老化规律与自然老化规律的关系，对图 4中的数据点进行拟合，建立了人工老化500 min内圆珠笔油墨中苯氧基乙醇随人工老化时间变化的人工老化曲线y_a（a: artificial aging）：

其中，x_a为人工老化时间（min）；y_a为∫_{δ 4.11}∶∫_{δ 0.85}.

联立曲线方程(1)式和(2)式，可以得到在本实验条件下，自然老化时间xn（天）与人工老化时间xa（min）的关系：

为了考察(3)式的准确性，选取4组 ∫_{δ 4.11}∶∫_{δ 0.85}相近的自然老化和人工老化MG-115书写文书样品，将其对应的自然老化时间和人工老化时间列于表 3中．同时将表 3中的人工老化时间x_a代入(3)式计算出推测自然老化时间．实验发现，在人工老化时间少于500 min范围内，根据(3)式推测文书自然老化时间的平均绝对偏差为2.5 d，说明该关系式的准确度较高．观察表 3还可以看出，将油性圆珠笔文书置于紫外老化箱中老化10 min，相当于在自然条件下存放约1 d．该对应关系的建立可以为通过溶剂随人工老化时间的变化曲线鉴定油性圆珠笔文书书写时间提供依据，但其普适性有待进一步研究．

3 结论

该文采用一种新的研究文书书写时间的方法——¹H NMR法，对所购6种不同型号油性圆珠笔的油墨进行了表征，发现国内外油性圆珠笔的溶剂组成除了已报道的只含苯甲醇、同时含有苯甲醇和苯氧基乙醇两类外，还存在只含有苯氧基乙醇的情况．以型号为MG-115的圆珠笔文书为例，我们研究了溶剂苯氧基乙醇随文书老化时间的变化．结果发现，根据自然老化数据建立的标准曲线可以准确鉴定已知圆珠笔品牌的书写时间在4个月内的文书，平均绝对偏差约为2 d，相对误差最小可以达到1%，具有良好的重现性，但标准曲线是否具有长期预估性还有待进一步研究．最后，我们建立了本实验条件下，人工老化与自然老化时苯氧基乙醇变化规律的函数关系，发现该函数关系在人工老化时间少于500 min范围内准确性较好，将油性圆珠笔文书置于紫外老化箱中老化10 min相当于在自然条件下存放约1 d．这项工作为鉴定油性圆珠笔文书的书写时间提供了重要依据．