Методика "Определение давности создания реквизитов документа содержащего целлюлозу методом импульсной ЯРМ спектроскопии"

Автор методики: к.и.н. Плетень О.И. Организация - разработчик методики: ООО «КубаньСпецтехстройэкспертиза», НП ЭО «КУБАНЬ-ЭКСПЕРТИЗА».

1. Структура методики. Экспертные задачи

Рассматриваемая методика применяется при решении диагностических задач:

• установление времени создания объекта содержащего целлюлозу;

• установление времени выполнения документа (определенных реквизитов в документе);

• установление факта несоответствия времени выполнения документа (определенных реквизитов в документе) дате, указанной в документе;

• установление факта выполнения документа (определенных реквизитов в документе) в конкретный период времени.

2. Объекты исследования

• Рукописные реквизиты (записи, подписи), выполненные пастами для шариковых ручек, чернилами для различных видов пишущих приборов (гелевых ручек, роллеров и т.п.), масляными, акварельными красками, гуашью и другими красителями.

• Оттиски печатей и штампов, выполненные штемпельными, масляными, акварельными красками, гуашью и другими красителями.

• Печатные тексты, выполненные способом электрографической печати, офсетной печати и струйной печати.

• Изображения печатных текстов, рукописных реквизитов, оттисков печатей (штампов) и других реквизитов документов, выполненные способом струйной печати чернилами для струйной печати, электрографическим способом и способом офсетной печати.

3. Совокупность признаков, характеризующих объекты исследования

При определении давности выполнения документа должны быть выявлены следующие признаки, характеризующие исследуемый объект:

изменяющиеся во времени: относительное изменение свойств целлюлозы (степень кристалличности и плотность протонов) открытого участка (вне красящего вещества исследуемых штрихов) и покрытого участка (под красящим веществом) в исследуемых штрихах;

не изменяющиеся во времени: характеристики морфологии и конфигурации исследуемых штрихов; цвет, интенсивность окраски красящего вещества в штрихах, отношение его к воде и органическим растворителям;

свидетельствующие об агрессивном воздействии на документ (световом, термическом, химическом, механическом и т.п.), вызывающем изменения в свойствах материалов письма в штрихах и свойствах бумаги документа;

свидетельствующие о внесении изменений в содержание документа путем дописки или допечатки отдельных фрагментов документа, замены листов в документах, выполненных на двух и более листах.

4. Сущность методики

Целлюлоза является природным биополимером. Надмолекулярная структура целлюлозы чрезвычайно сложна, она определяется соотношением кристаллических и аморфных областей, каждая из которых обладает специфической гетерогенностью и реакционной способностью. Со временем, под действием окружающей среды, различныхвнешних факторов, разного рода физико-химических воздействий, происходят изменения структуры целлюлозы, происходит ее аморфизация (разрыхление): - количество кристалличных областей уменьшается и, как следствие, увеличивается область аморфных областей.

При этом, из исследований структуры целлюлозы, с помощью импульсной ядерно- магнитной спектроскопии, известна мультифазность ЯМР-релаксационной функции, состоящей из двух компонент: короткой быстрорелаксирующей и длинной медленнорелаксирующей, а также известно, что структурные характеристики целлюлозы определяются, главным образом, короткой компонентой релаксационной функции, которая несет в себе информацию об объемно-массовом соотношении кристаллических и аморфных фаз полимера, что позволяет определить не только степень кристалличности, но и оценить средние размеры кристаллических и аморфных областей, а также их объемную плотность.

Время спин-спиновой релаксации чутко реагирует на изменения молекулярной системы в элементарных звеньях молекул целлюлозы: определение амплитуды сигнала свободной индукции (ССИ) и времени спин-спиновой и спин-решеточной релаксации позволяют получить информацию о состоянии и свойствах целлюлозы и их изменении в результате различных физико-химических воздействий.

На основе современных представлений о ядерно-магнитной релаксации в мультифазных системах разработаны способы расчета указанных основных параметров на основе определения сигнала свободной индукции (ССИ), а именно с помощью импульсной ЯМР спектроскопии.

Также известно, что количество протонов зависит от состояния молекул целлюлозы: деструкция молекул приводит к высвобождению протонов. При этом плотность распределения протонов Pr определяется по фактическим данным определенным с помощью ЯМР спектроскопии. Таким образом, основными параметрами, характеризующими микроструктуру целлюлозы и ее производных, их физико-химическое состояние и изменение этих свойств целлюлозы, являются:

• степень кристалличности целлюлозы К;

• плотность распределения протонов (количество протонов) Pr.

Способ определения степени К кристалличности целлюлозы на основе результатов определения амплитуды сигнала свободной индукции (ССИ) и времени спин-спиновой и спин-решеточной релаксации подробно описан в работе: -«Возможности ЯМР в анализе структурных и сорбционных свойств биополимеров. Грунин Ю.Б., Смотрина Т.В., Грунин Л.Ю., Лежнина М.М., Гогелашвили Г.Ш., Грунина Н.Г., Красильникова С.В. Марийский государственный технический университет, 1993» .

Экспериментальным путем с помощью стандартных методов ЯМР спектроскопии на импульсных ЯМР спектрографах (типа фирмы AVANCE AV300 (Германия), СПИН ТРЭК DOC (Россия) и др.) определены значения параметров, характеризующих физико- химическое и структурное состояние различных видов девственного сырья целлюлозы для изготовления целлюлозосодержащего материала, которые могут быть использованы для проведения сравнительного анализа свойств целлюлозы по мере ее старения под воздействием окружающей среды.

Установленные данные свидетельствуют о том, что исходная («девственная») целлюлоза, полученная разными способами из различного природного сырья, при установленном различии величин амплитуд сигнала свободной индукции (ССИ) и времени спин-спиновой и спин-решеточной релаксации имеет практически одинаковую степень К кристалличности, определенную на основе расчетов, произведенных с помощью импульсной ЯМР спектроскопии, что позволяет использовать значения амплитуд и времени релаксации короткой и длинной компонент ССИ в качестве отличительных характеристик состояния и структуры целлюлозы каждого вида. И при этом понятно, что результаты этих данных характеризуют состояние и объемы кристаллических и аморфных областей целлюлозы.

Зависимость, определяющая степень изменения свойств и характерных параметров целлюлозы, с учетом вида и степени изменения покрытий во времени, позволяет оценивать давность события создания отдельного участка и изделия в целом без исследования собственно покрытий, а только на основе исследований параметров целлюлозы, используя при этом сравнительный анализ участков поверхности с покрытием и участков без покрытия и позволяет определять давность события создания объекта с точностью 720 часов (~30 дней), являющегося изделием, содержащим целлюлозу в материале, из которого изготовлено изделие, или содержащих целлюлозу в отдельных фрагментах изделий, или отдельных элементов, содержащих целлюлозу и размещенных на поверхности изделий или фрагментов.

5. Оборудование, материалы и реактивы

• Биологический Микроскоп (разрешение не менее 400 кр.);

• Стереоскопический панкратический микроскоп (разрешение не менее 400 кр.);

• Автоматизированный комплекс (видео спектральный компаратор для проведения криминалистического исследования и определения подлинности документов);

• Ультрафиолетовый осветитель;

• Весы лабораторные электронные первого класса точности;

• ЯМР-анализатор «СПИН ТРЭК» Аппаратно-программный комплекс с аналитическим приложением не старше «RELAX 8SB45» для расчета параметров характеризующих изменения свойств целлюлозы.

Прибор настраивается на рабочую резонансную частоту не менее 23.088 MHz со следующими установками (см. Иллюстрацию 1.) и метрологическими характеристиками (см. Табл.).

6. Порядок проведения исследования.

6.1. Установление пригодности реквизитов в документе для применения рассматриваемой методики.

Выбирают штрихи, подлежащие исследованию, не перекрывающиеся другими штрихами, в том числе расположенными на противоположной стороне листа, которые могут помешать взять пробу, достаточную для исследования.

Оценивают количество штрихов в кон- кретном объекте (тексте, записи, подписи, оттиске печати, штампа), имеющих одинаковую конфигурацию, одинаковый характер распределения красящего вещества, одинаковую интенсивность окраски. Таких штрихов должно быть не менее трех.

На основе исследования состояния бумаги и красящего вещества в штрихах устанавливают наличие признаков агрессивного воздействия на документ. Оценка пригодности такого документа для исследования с применением рассматриваемой методики дается экспертом в каждом конкретном случае.

6.2. Определение временного интервала, к которому относится фактическое время выполнения подлежащих исследованию реквизитов документа.

На основе изучения информации, имеющейся в материалах, представленных эксперту: о времени выполнения отдельных фрагментов и документа в целом (по датам, указанным в документе); о времени представления суду (следствию) документа, подлежащего исследованию, или его копии; о времени вынесения определения (постановления) - устанавливают границы временного интервала, к которому относится время выполнения подлежащих исследованию реквизитов документа.

Если ходатайство эксперта об указании проверяемого периода не удовлетворено, то в качестве верхней границы проверяемого периода берется дата вынесения определения (постановления).

6.3. Установление способа выполнения подлежащих исследованию реквизитов документа.

Изучают цвет, характер распределения красящего вещества в штрихах реквизитов, характер взаимодействия с бумагой (основой) документа, определяют растворимость в воде и органических растворителях красящего вещества штрихов. На основе выявленных признаков определяют род, вид технического средства, использованного для выполнения реквизитов, род (вид) материала в исследуемых штрихах.

6.4. Проведение микровырезок, пробоподготовка, анализ проб.

В процессе проведения исследований для пробоподготовки изымают образцы поверхностного слоя целлюлозосодержащего материала объекта исследований (микровырезки (проколы)) на участках с покрытием и на участках без покрытия в виде дисков диаметром в диапазоне 0,3-0,55 мм и толщиной не менее 0,03 мм с помощью инструмента пробойника, имеющего внешний диаметр не более 0,6 мм.

В процессе исследований объекты исследуют под микроскопом для определения областей для взятия образцов целлюлозосодержащего материала участков с наибольшей плотностью покрытий и участков без покрытий.

При этом образцы, на участках с покрытием берут из областей, имеющих наибольшую плотность покрытия среди всех имеющихся на поверхности объекта участков с одним видом покрытия без наложения покрытия на оборотной стороне (если объект имеет фрагменты двустороннего покрытия), а образцы на участках без покрытия берут на участках, близлежащих к участкам с покрытием, как, например, как показано на Иллюстрации. 2,3 где «а» и «b» - области выемки образцов соответственно на участках с покрытием и без покрытия.

Образованные в результате отбора образцов, отверстия диаметром 0,57-0,6 мм не могут быть расценены как «частичная» или «полная» порча документа и даже как его видоизменение (в соответствии с ч.4 п.3 ст.57 УПК РФ). Данные отверстия не влияют на легитимность документа, так как образованные ими изменения реквизитов документа ничтожны и не препятствуют любым возможным последующим криминалистическим, специально-техническим и другим исследованиям.

Затем из каждого полученного образца целлюлозосодержащего материала под микроскопом извлекают образцы целлюлозы, полученные образцы целлюлозы увлажняют дистиллированной водой и размещают в отдельном контейнере (чистой стеклянной пробирке) внешним диаметром 5 мм и внутренним диаметром отверстия не более 1 мм фиксированным объемом (не менее 8 мм заполнения пробирки). Транспортировку вырезок осуществляют в стерильных условиях. Микровырезки обрабатывают таким образом, чтобы для дальнейших исследований использовались только те фрагменты целлюлозы, на которые было непосредственно нанесено покрытие (материал письма, тонер и т.п.). Из этих фрагментов при помощи аналитических весов берут приблизительно равные навески с точностью до 0,001 г. Массу каждой навески фиксируют для учета при итоговых расчетах значений относительного изменения свойств целлюлозы в анализируемом объекте.

Далее пробирки с образцами целлюлозы открытых и покрытых участков каждого исследуемого реквизита документа, последовательно помещают в импульсный ЯМР спектрометр, посредством которого определяют время релаксации, короткой (быстро релаксирующей) и длинной компоненты (медленно релаксирующей) компонент спада свободной индукции, а так же их максимальную амплитуду. Для каждого исследуемого образца, помещенного в пробирку, измерение ССИ повторяют три раза, в каждом из них число накоплений (сканов) устанавливается не менее 500, для достижения максимального соотношения сигнал/шум и усреднения значений результатов многократных накоплений. Если имеет место воспроизводимость, то данные используют для обработки.

С помощью известного метода импульсной ядерно-магнитной спектроскопии, используя алгоритм аналитического приложения «RELAX 8SB45», с учетом полученных значений времени релаксации, короткой и длинной компоненты ССИ и их максимальной амплитуды, по формуле:

где: Т2М и Т2 - время релаксации, соответственно, короткой и длинной компоненты сигнала свободной индукции, мкс;

АК и АД - максимальная амплитуда, соответственно, короткой и длинной компоненты сигнала свободной индукции, град;

проводят определение усредненных индексов кристалличности К2 в целлюлозе изъятой на участках под покрытием и К1 в целлюлозе на участках, не имеющих покрытия. По полученным приборным данным определяют и плотность протонов Pr1 в целлюлозе на участках, не имеющих покрытия и плотности протонов Pr2 в целлюлозе на участках под покрытием.

где: Ак –максимальная амплитуда короткой компоненты сигнала свободной индукции, град;

m – масса исследуемого образца, гр.

На основе результатов указанных действий, полученных непосредственно путем экспорта данных с ЯМР-анализатора «СПИН ТРЭК» с аналитическим приложением «RELAX 8SB45» для расчета параметров характеризующих изменения свойств целлюлозы, получают усредненный индекс кристалличности К1 целлюлозы на участках без покрытия и усредненный индекс кристалличности К2 на участках с покрытием.

(Для повышения чувствительности в приборе применяется квадратурное детектирование. Зеленая и синяя линии это реальная и мнимая составляющие сигнала, красная (результирующая) - корень квадратный из суммы квадратов этих сигналов, голубым цветом на ней выделены те участки, которые используются в расчетах)

6.5. Аналитическая стадия

Основные задачи этой стадии:

• определение относительной величины К2/К1 индексов кристалличности целлюлозы (К2 - участков с покрытием по сравнению с индексом кристалличности целлюлозы К1 - участков без покрытия), которая характеризует изменения в структуре целлюлозы в зависимости от степени воздействия окружающей среды и степени естественного старения целлюлозы.

• на основе результатов указанных действий, полученных непосредственно путем экспорта данных с ЯМР спектрометра получают плотности протонов (Pr2 – плотность протонов в целлюлозе участков, с покрытием, по сравнению с Pr1 – плотностью протонов в целлюлозе участков, не имеющих покрытия) и вычисляют относительную величину Pr2/Pr1, которая также характеризует изменения в структуре целлюлозы в зависимости от степени воздействия окружающей среды и степени естественного старения целлюлозы.

• вычисление относительной величины G изменений параметров целлюлозы, характеризующих изменения в структуре целлюлозы в зависимости от степени воздействия окружающей среды и степени естественного старения целлюлозы на основе изменений степени кристалличности К и изменений плотности протонов Pr для каждого исследованного образца целлюлозосодержащего материала по следующей формуле, согласно метода:

где: К1 – степень кристалличности целлюлозы участка, не имеющего покрытия, отн. ед.;

К2 – степень кристалличности целлюлозы участка с покрытием, отн. ед.;

Pr1 - плотность протонов участка, не имеющего покрытия,( отн. ед.);

Pr2 - плотность протонов участка с покрытием, (отн. ед.).

Для контроля динамики изменения свойств целлюлозы, указанные выше действия и расчеты проводят три раза, с интервалом 15 дней между отборами.

А именно:

первый - в день начала исследования;

второй - через 15 дней;

третий - через 15 дней после второго.

Если в результате проведенных исследований установлена положительная динамика процессов изменения свойств целлюлозы (значения усредненных индексов кристалличности и плотности протонов уменьшаются), то возможно использовать в расчетах результаты первого и последнего исследования.

6.6. Синтез результатов исследования

На этой стадии дается комплексная оценка значимости и достоверности результатов определения относительного изменения свойств целлюлозы. Определяют промежуток времени, к которому относится фактическое время выполнения штрихов.

На основе полученных значений G для каждого исследуемого объекта, с учетом коэффициента корреляции, строят графики в координатах: по оси «y» – G в относительных единицах, по оси «х» - давность D события создания объекта, соответствующая интервалу времени, прошедшему от даты проведения указанных исследований, до события создания объекта в месяцах. В качестве единицы для шкалы «х» могут быть использованы и другие единицы времени, однако наиболее приемлемыми для определения достоверных значений параметров целлюлозы и относительных изменений этих параметров является единица времени – один месяц.

В процессе анализа результатов исследования и расчетов путем математических вычислений на основе полученных данных устанавливается зависимость G(D) для всех исследуемых объектов и образцов, имеющая разный наклон к оси «х» в зависимости от вида и плотности покрытия и градиента скорости изменения параметров целлюлозы во времени:

где: G1 и G2 - относительные величины изменений параметров образцов целлюлозы, исследуемых, соответственно, в предыдущем и последующем исследованиях, отн.ед.;

Δ t – интервал времени между предыдущим и последующем исследованиями, мес.;

D – давность события создания объекта исследования, мес.

При этом отношение (G2–G1)/Δt характеризует угол наклона прямой G(D) к оси «х» в зависимости от градиента относительных изменений параметров целлюлозы участков без покрытия по сравнению с изменениями параметров целлюлозы участков с покрытием, что обусловлено изменением плотности и проницаемости покрытия и процессами снижения защищенности поверхности целлюлозосодержащего материала от внешнего воздействия и от деградации самого покрытия.

Давность D события создания объекта определяется по результатам сравнения расчетных величин G с величинами G на соответствующей прямой калибровочной зависимости G(D), которая может быть представлена в табличном или графическом виде на основе полученных данных с учетом коэффициента корреляции Пирсона, рассчитываемого по формуле:

где x, y - выборочные средние, определяющиеся следующим образом:

Коэффициент корреляции исследуемых расчетных параметров должен быть не менее – «+0.95».

Определенные по формуле 2 для каждого исследуемого объекта зависимости G(D) используются в качестве калибровочных прямых, и на основании полученных с помощью установленных параметров целлюлозы Pr2, Pr1 , и величин K2 и K1. Рассчитанное значение G по формуле 1, которое может быть проверено на калибровочной прямой (находится точка, соответствующая этому значению G и имеющая соответствующую давность D события создания исследуемого участка с покрытием на Объектах исследования), а в случае совпадения давности D для всех участков с покрытием, может быть сделан вывод о создании объекта в целом с точностью один месяц.

Схема построения калибровочной прямой и определения D показана на Иллюстрации 4. Для этого в любом месте координатной сетки наносят отрезок G2-G1, при этом значения G2 и G1 получены расчетным путем по формуле 1 на основе результатов действий при первом и конечном исследовании (предыдущем и последующем), соответственно, а концы отрезка отстоят по горизонтали один от другого на известном расстоянии, соответствующем интервалу Δt времени между первым и конечным исследованиями образцов участков с покрытием и без покрытия. Угол наклона указанного отрезка соответствует углу наклона к оси «х» калибровочной прямой с вершиной в точке G=2 при D=0 (в момент создания участка с покрытием сумма отношений (