基于ATR-FTIR结合化学计量学快速法医学表征汽车清漆

本刊推荐：研究人员针对交通肇事逃逸案件中漆片证据溯源难题，开展了基于衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）结合化学计量学技术的汽车清漆快速分析研究。通过建立包含108个样本的多品牌数据集，结合主成分分析（PCA）、偏最小二乘判别分析（PLS-DA）和独立成分分析（ICA）模型，实现了清漆成分的精准分类（外部验证准确率达92%）和化学成分解析，为法医物证鉴定提供了高精度、可解释的分析新范式。

　　

在交通事故现场，尤其是肇事逃逸案件中，汽车漆片往往成为关键物证。而清漆层（clear coat）作为车辆涂层的最外层，在碰撞接触时最易发生转移并残留于事故现场。然而，由于清漆层通常透明且缺乏无机颜料等显性标识特征，传统显微检测方法难以实现精准溯源。更复杂的是，现代汽车清漆多采用聚酯-苯乙烯、聚氨酯、三聚氰胺等化学成分相似的聚合物体系，使得依靠常规红外光谱（IR）进行区分变得异常困难。

针对这一技术瓶颈，来自俄罗斯萨拉托夫国立大学的研究团队在《Talanta Open》发表了创新性研究成果。他们成功将衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）与多元化学计量学方法相结合，建立了汽车清漆的快速、精准法医学表征体系。该研究不仅实现了清漆样本的高精度分类，更突破性地解析了混合漆膜中的独立化学成分，为法医证据鉴定提供了兼具高预测性和高解释性的分析新方案。

研究团队通过系统性样本收集与制备，获得了108个涵盖不同品牌、车型及生产年份的汽车清漆样本（包括原厂漆和维修漆）。采用Nicolet iS5傅里叶变换红外光谱仪搭配金刚石ATR附件采集光谱数据（波数范围4000-400 cm^-1，分辨率4 cm^-1）。关键技术方法包括：多元散射校正（MSC）光谱预处理、主成分分析（PCA）用于数据探索和降维、偏最小二乘判别分析（PLS-DA）建立分类模型，并创新性地引入独立成分分析（ICA）进行化学成分解析。所有建模均通过训练集、验证集和外部测试集的严格验证。

3.1 ATR-FTIR光谱分析

研究人员首先对清漆样本的ATR-FTIR光谱进行了详细解析。发现所有清漆在2950–2860 cm^-1范围内均出现脂肪族甲基（-CH₃）和亚甲基（-CH₂-）的伸缩振动特征峰；聚酯基 binder 在1740-1720 cm^-1（C=O伸缩振动）和1270-1120 cm^-1（C-O-C振动）显示典型吸收。关键区分标志在于：三聚氰胺交联剂在1550 cm^-1和815 cm^-1的特征振动峰，以及聚氨酯组分在1690 cm^-1处的酰胺I带吸收。通过多元散射校正预处理后，这些细微差异被有效增强，为后续化学计量学建模奠定了基础。

3.2 PCA和PLS-DA

主成分分析显示，前四个主成分（PCs）可解释90.3%的数据方差（PC1=67.6%, PC2=11.9%, PC3=7.4%, PC4=3.4%）。在PC1-PC3-PC4三维得分图中，聚酯-苯乙烯-三聚氰胺样本和聚酯-苯乙烯-聚氨酯样本形成独立簇群，而聚酯-苯乙烯-三聚氰胺-聚氨酯混合样本位于两者之间，直观反映了化学成分的梯度变化。进一步建立的PLS-DA分类模型使用5个潜变量（LVs），在训练集和验证集上均表现出色（灵敏度>SEN>92%，特异性SPC=100%）。外部测试集验证显示模型具备92.3%的整体准确率，仅有两个聚氨酯样本被误判，证明了方法的强泛化能力。

3.3 ICA

研究最具创新性的部分在于独立成分分析（ICA）的应用。通过MILCA算法提取6个独立成分（ICs），成功解析出清漆中的纯化学组分：IC2对应聚氨酯（特征峰1690 cm^-1和1460 cm^-1）；IC3对应聚酯（1730 cm^-1, 1550 cm^-1, 1251 cm^-1）；IC5对应三聚氰胺（1550 cm^-1和815 cm^-1）；IC6对应苯乙烯（700 cm^-1）。与PCA负载量相比，ICA提取的"纯光谱"更符合化学直观，显著提升了模型的可解释性。研究人员还发现ICA组分与PCA主成分间存在明确对应关系：IC2与PC1/PC3相关，IC5与PC1/PC3/PC4相关，揭示了化学特征在多元空间中的分布规律。

该研究通过ATR-FTIR结合化学计量学，成功解决了汽车清漆法医学溯源中的关键技术难题。不仅建立了高精度分类模型（PLS-DA外部验证准确率92%），更通过ICA实现了混合漆膜化学成分的解析，突破了传统方法只能进行"黑箱式"预测的局限。研究构建的108样本多品牌数据集显著提升了模型的泛化能力，而针对三聚氰胺交联剂和聚氨酯组分的特征标识，为清漆化学成分鉴定提供了明确依据。

这项工作的科学价值在于：首次将ICA技术系统应用于汽车清漆的FTIR光谱解析，实现了从"是否匹配"到"为何匹配"的认知飞跃；建立的标准化分析流程（符合ASTM E2937和ENFSI指南）具备直接应用于司法实践的可操作性；提出的多模型验证框架为法医化学计量学设立了新标准。未来研究可进一步扩大样本库覆盖范围，并探索该技术在修复漆面识别中的应用潜力，最终推动ATR-FTIR化学计量学方法成为国际法医漆片分析的标准技术。