傅立葉變換紅外顯微光譜在法醫(yī)學(xué)及犯罪試驗(yàn)室分析

1、ApplicationNote: 51517傅立葉變換紅外FT-IR 顯微光譜在法醫(yī)學(xué)及犯罪實(shí)驗(yàn)室分析中的應(yīng)用Claude Robotham, Ph.D., Federico Izzia, Thermo Fisher Scientific, Madison, WI, USA關(guān)鍵詞y偽造品y傅立葉變換紅外顯微光譜y毛發(fā)y油墨y油漆y藥片引言法醫(yī)學(xué)和犯罪實(shí)驗(yàn)室所涉及的樣品從藥物到纖維,而其中一些樣品非常微小, 所以通常應(yīng)用光學(xué)顯微鏡來(lái)協(xié)助檢測(cè)從犯罪現(xiàn)場(chǎng)收集到的這些證據(jù).光學(xué)顯微鏡的 可視化能為測(cè)試者提供證據(jù)的清楚圖片,尤其是在顯微水平.然而,有時(shí)為了證實(shí) 某嫌疑人到底是否有罪,需要更多的信息.因此

2、,急需一種既能提供可視化信息又 能提供化學(xué)信息的,而且可靠又靈活的分析技術(shù).以往的經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)了傅立葉變換顯微紅外光譜儀對(duì)法醫(yī)學(xué)家是一種非常有價(jià) 值的工具.FT-IR顯微光譜可進(jìn)行快速、無(wú)損地分析 10微米尺度的樣品,大大拓 展了常規(guī)FT-IR光譜的應(yīng)用.新型的 Thermo Scientific NicoletTM iNTM 10 傅立葉 變換顯微紅外光譜儀是光學(xué)顯微鏡與 FT-IR組成的一個(gè)完整的紅外光譜檢測(cè)系統(tǒng). Nicolet iN10為法醫(yī)學(xué)家提供了一款可進(jìn)行違禁藥品、毛發(fā)、纖維、油墨和油漆的 可視化和化學(xué)分析的工具.Nicolet iN10的整合設(shè)計(jì)無(wú)需外部額外的光譜儀,是一 款功

3、能強(qiáng)大的、結(jié)構(gòu)緊湊的傅立葉變換顯微紅外光譜儀.證據(jù)對(duì)于任一訴訟案件都是至關(guān)重要的一個(gè)因素.通過(guò)驗(yàn)證的傅立葉變換顯微 紅外光譜儀性能的獨(dú)特水平,首次為檢測(cè)者和陪審團(tuán)提供了可靠的數(shù)據(jù).NicoletiN10無(wú)需液氮即可運(yùn)行,允許實(shí)驗(yàn)室在任何場(chǎng)所快速進(jìn)行證據(jù)檢測(cè).OMNIC TMPictaTM軟件即使對(duì)于未經(jīng)培訓(xùn)過(guò)的顯微鏡工作者操作起來(lái)也非常簡(jiǎn)便、快捷.強(qiáng) 大的向?qū)Чδ苤笇?dǎo)使用者通過(guò)反射、透射以及衰減全反射等模式進(jìn)行檢測(cè).紙上的油墨偽造假鈔是眾所周知的最古老的一種犯罪行為.犯罪分子已不再依賴于高技能 的膠印技術(shù)來(lái)制造偽鈔了.技術(shù)上的進(jìn)步影印復(fù)印機(jī)或掃描儀的出現(xiàn)使得那些 沒(méi)有嫻熟技能的人也能造出高質(zhì)量

4、的偽鈔.但是,印刷過(guò)程中所使用的紙和墨具有 明顯的特征,通過(guò)這些特征可以鑒定偽鈔甚至可以追蹤它們的來(lái)源.元素分析、X射線和質(zhì)譜是典型分析油墨的方法.這些方法雖然能對(duì)油墨進(jìn)行 全面的表征,但是需破壞樣品而且比擬消耗時(shí)間.由于纖維素在1200-950cm -1存在強(qiáng)的紅外吸收而使得紅外光譜在鑒定油墨和紙上的污染物方面沒(méi)有得到廣泛的應(yīng) 用.然而,紅外成像和衰減全反射 FT-IR顯微技術(shù)的快速和無(wú)損特性已經(jīng)成為分析 犯罪證據(jù)時(shí)的一種最有效的技術(shù). Nicolet iN10顯微鏡在偽造文件的分析中正發(fā)揮 著重要的作用.可疑墨跡的分析可以有助于揭示墨水的類型以及揭示紙上墨水的使用方法.影 印或噴墨法所使用

5、的油墨通過(guò)目檢就可以從膠印技術(shù)上區(qū)分開(kāi)來(lái).然而隨著高級(jí)印 刷技術(shù)的出現(xiàn),這種方法顯的越來(lái)越困難.傅立葉變換顯微紅外光譜儀即可以對(duì)油 墨也可以對(duì)紙進(jìn)行快速化學(xué)成像.這提供了毋庸置疑的信息,可拿這些信息直接與 真文件進(jìn)行比擬.圖1顯示了 20美金紙鈔的化學(xué)圖像.黑色油墨可以從化學(xué)成分上與紙及周圍 背景的墨區(qū)分開(kāi)來(lái).可通過(guò)比擬化學(xué)圖像和光學(xué)圖像來(lái)顯示紅外顯微信息的高分辨 率.一旦通過(guò)快速化學(xué)成像獲得了想要的信息,就可以使用衰減全反射分析來(lái)提供 詳細(xì)的光譜信息包含纖維素的一些干擾信息.圖1:左上20美元現(xiàn)金上安德魯杰 克遜眼睛的化 學(xué)圖像右 ±杰克遜眼 睛的馬賽克圖下列圖衰減 全反射模式采

6、集的黑色油墨 的光譜圖.化 學(xué)圖像突出顯 示了分布,而 衰減全反射分 析提供了油墨 的詳細(xì)光譜信 息.纖維及毛發(fā)分析在一些犯罪現(xiàn)場(chǎng)往往能發(fā)現(xiàn)許多類型的纖維,這些纖維能提供一些有價(jià)值的信 息甚至是至關(guān)重要的信息.例如,法醫(yī)學(xué)家經(jīng)過(guò)練習(xí)不僅鑒別體毛特征和形態(tài),而 且還可以將這些特征和形態(tài)與特定種族人群相關(guān)聯(lián)起來(lái).這些信息也許在確認(rèn)潛在 的犯罪嫌疑人時(shí)會(huì)有一些用處,但卻不能將不同的嫌疑犯區(qū)別開(kāi)來(lái).傅立葉變換顯 微紅外光譜儀能夠?qū)⒚l(fā)纖維光學(xué)顯微分析和很有價(jià)值的、可以區(qū)分的紅外化學(xué)信 息結(jié)合在一起.頭發(fā)纖維的化學(xué)信息可以揭示殘留的美發(fā)劑產(chǎn)物如噴發(fā)劑和調(diào)節(jié) 劑以及由于化學(xué)處理如漂白而發(fā)生的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變化

7、.這些額外的信息在確 認(rèn)犯罪嫌疑人方面可能非常重要.頭發(fā)的氧化可因化學(xué)因素引起也可因天然的太陽(yáng)光所致.化學(xué)氧化劑如過(guò)氧化 氫和過(guò)硫酸鹽在漂白產(chǎn)物中可經(jīng)常發(fā)現(xiàn).頭發(fā)中的胱氨酸可被氧化為磺丙氨酸,導(dǎo) 致S=O伸縮振動(dòng)吸收峰增強(qiáng).頭發(fā)纖維的反射吸收和錯(cuò)晶體衰減全反射分析結(jié)果 顯示,未經(jīng)處理和經(jīng)過(guò)化學(xué)處理過(guò)的頭發(fā)存在明顯的差異.圖2b 1400-900 cm-1范圍的光譜揭示了胱氨酸氧化為磺丙氨酸后的光譜差異.上面的光譜顯示了由于漂白過(guò)程而位于1040 cm-1處的對(duì)稱伸縮振動(dòng)磺丙氨酸和位于 1175 cm-1處的S=O反對(duì)稱伸縮振動(dòng)的增強(qiáng)圖2： a未經(jīng)漂白紅色的和經(jīng)過(guò)漂白紫色的頭發(fā)光譜. b S=O

8、伸縮振動(dòng)區(qū)域放大顯示c未經(jīng)漂白的頭發(fā)纖維光學(xué)圖像.通常,也用光學(xué)顯微鏡來(lái)確認(rèn)和比擬天然的和合成的纖維證據(jù).非常嫻熟的法 醫(yī)學(xué)家能夠鑒別不同屬纖維類別之間物理特性的差異.然而,要確定化學(xué)上的亞分 類還需進(jìn)一步的分析包括化學(xué)分析1.傅立葉變換顯微紅外光譜儀已經(jīng)成為一 種強(qiáng)大的分析工具,只需簡(jiǎn)單的制樣,就可以通過(guò)無(wú)損的模式快速確實(shí)定纖維的亞分類.所有這些在法醫(yī)學(xué)界都非常重要,因 為在法醫(yī)學(xué)界保存證據(jù)是至關(guān)重要的.最近,聯(lián)邦貨幣造幣廠在紙中包埋了一種特殊的纖維,作為一個(gè)增加的防御手 段來(lái)抵抗偽鈔制造.在Nicolet iN10上運(yùn)用衰減全反射模式可以檢測(cè)得到流通鈔票 中這一細(xì)微的平安纖維,如圖 3所示

9、.通過(guò)Nicolet iN10獲得的光學(xué)圖像清楚的顯 示了紅色的纖維,衰減全反射數(shù)據(jù)鑒定其為尼龍.衰減全反射顯微光譜提供了很高 的光譜質(zhì)量,同時(shí)還有周圍纖維素的一些信息.還可以進(jìn)行特殊的譜圖庫(kù)鑒定.圖3:上面光譜貨幣中包埋的尼龍纖維的光譜.下面光譜匹配的譜圖 庫(kù)尼龍光譜.右用OMNIC Picta軟件拍攝的光學(xué)圖像.藥片在法醫(yī)學(xué)檢測(cè)中能提供違禁藥片化學(xué)組成及活性成分分布的快速分析方法是非 常重要的.判決標(biāo)準(zhǔn)既可以基于所采用的證物也可以基于數(shù)據(jù),所以定性和定量信 息都是必需的.用Nicolet iN 10 MX傅立葉變換顯微紅外光譜儀進(jìn)行紅外成像,這 種快速、非破壞性的分析方法非常適合同質(zhì)和異質(zhì)

10、藥片分析.傅立葉變換顯微紅外 光譜儀不像其他顯微分析技術(shù),它無(wú)需進(jìn)行樣品溶解,溶解會(huì)破壞證據(jù)并且會(huì)產(chǎn)生 不溶性或重結(jié)晶產(chǎn)物.Nicolet iN10 MX、OMNIC Picta 軟件和 OMNIC SpectaTM 分析工具能提供藥物的組成信息,并且能夠揭示犯罪分子的制造過(guò)程.配合系統(tǒng)驗(yàn) 證工具,可為調(diào)查人員提供在法庭上使用的強(qiáng)有力的信息.Nicolet iN10 MX傅立葉變換顯微紅外光譜儀是專為化學(xué)成像分析設(shè)計(jì)的第一 套系統(tǒng),同時(shí)具備傳統(tǒng)傅立葉變換顯微紅外光譜儀的測(cè)試速度、靈敏度和分辨率. 圖4顯示了在Nicolet iN10 MX上運(yùn)用快速成像技術(shù)獲得的處方用藥片劑的化學(xué)圖 像.選擇了

11、 5X5mm的一個(gè)區(qū)域,用時(shí)約5分鐘采集了紅外數(shù)據(jù).化學(xué)圖像用藍(lán)色 顯示了活性成分,很明顯,這是該物質(zhì)的主要成分.然而,綠色和紅色區(qū)域顯示了 藥片的其他成分.只需點(diǎn)擊、查看任一個(gè)綠色或紅色區(qū)域就能顯示藥片其他組分的 光譜,即本次測(cè)試顯示的是一種無(wú)規(guī)那么的輔料.8-3QH -2QD -LDD 0 LSD20口XID 4C0與 口口HDpMtfift?hrihariH上才l)Rfe H E Ik圖4 左處方用藥的化學(xué)圖像.右紅色光譜是活性成分而藍(lán)色光譜是輔 藥成分.OMNIC Picta軟件另外一個(gè)特色就是自動(dòng)采集數(shù)據(jù)和分析向?qū)?比方,僅點(diǎn)擊一下隨機(jī)混合物向?qū)Ь湍茏詣?dòng)分析、鑒別多種成分.圖5顯示了

12、一種非處方藥的多組分向?qū)Ы貓D.此向?qū)ㄟ^(guò)交叉關(guān)聯(lián)所采集的圖片光譜自動(dòng)生成一個(gè)主要成分清單列表.此向?qū)Э梢杂?jì)算每種成分的面積奉獻(xiàn)并給出半定量的分布信息.每種組分然后可以通過(guò)光譜譜圖庫(kù)信息進(jìn)行鑒別從而進(jìn)一步給出化學(xué)信息.圖5:通過(guò)Picta多組分向?qū)?duì)非處方藥片進(jìn)行的分析痕量分析指紋圖譜信息在鑒定或者確認(rèn)某一犯罪嫌疑人是否與某起犯罪有關(guān) 等方面非常有用.由于指紋 圖譜對(duì)于任一個(gè)人來(lái)說(shuō)都是唯一的,相對(duì)于指紋模式 來(lái)說(shuō)包含很多的信息量.傅立葉變換顯微紅外 光譜分析能夠提取指紋型遺漏的化 學(xué)信息,這些化學(xué)信息能夠協(xié)助追蹤犯罪嫌疑人實(shí)施犯罪之前的最后一幕.圖6顯示了在反射載玻片上2 2mm區(qū)域內(nèi)指紋印跡的

13、化學(xué)圖像及相對(duì)應(yīng)的影像圖片. 指紋的主要組成成分是來(lái)自皮膚的天然皮脂甘油三酯.然而,在指紋的外面一些很小的輪廓顯示了其 他一些成分.圖6右下方的化學(xué)圖像顯示的指紋一個(gè)區(qū)域說(shuō)明有微量的木質(zhì)纖維物質(zhì).化學(xué)成像能 夠快速的給出特有的指紋模式,同時(shí) 還能揭示重要的、不可預(yù)料的痕量化學(xué)信息.圖6: a天然甘油三酯光譜 圖6： b指紋的化學(xué)圖像；c指紋的影像圖像；d突出顯示木質(zhì)纖維污染 物的化學(xué)圖像.油漆分析在一些與汽車有關(guān)的犯罪現(xiàn)場(chǎng)能夠發(fā)現(xiàn)一些油漆碎片.大多數(shù)情況 下,油漆或者油漆碎片在意 外事故中會(huì)弄到受害者或者其他物體上.汽車噴漆是 由多層不同質(zhì)的化學(xué)材料組成,包括粘合劑、引發(fā)劑、顏料和保護(hù)樹(shù)脂,這

14、些成分被分別用在汽車的塑料、金屬外表.一片碎漆片常常保存有每一漆層的信息,可以通過(guò)光學(xué)顯微鏡進(jìn)行光學(xué)檢測(cè).一般情況下,確認(rèn)不同漆層的化學(xué)成分需要溶 解以及化學(xué)提取.運(yùn)用快速傅立葉變換顯微紅外光譜成像技術(shù)能夠快速的進(jìn)行每 一漆層的化學(xué)成分 鑒定.圖7中的圖像顯示了多層漆樣品的分析結(jié)果.第一層是 最外面的保護(hù)性聚氨酯被覆,第二層 顯示了基底層和聚丙二醇聚合物保險(xiǎn)杠的 主要成分,第三層是油漆粘合層.圖7:上汽車保險(xiǎn)杠油漆碎片層化學(xué)圖像.下的各層光譜圖：第一層：保護(hù)性被覆.第二層：基底層和聚丙二醇聚合物,第三層：粘合層.殘留物從犯罪現(xiàn)場(chǎng)獲得的一些化學(xué)殘留物能夠提供非常有價(jià)值的信息和額外 的線索.通常殘留物對(duì)于取證操作非常敏感,最理想的分析應(yīng)該是盡量減少接 觸.傅立葉變換顯微紅外光譜儀無(wú)需樣品制備或移除即可定位并分析痕量的殘留 物.圖8顯示了傅立葉變換顯微紅外光譜儀這種應(yīng)用的靈敏性.運(yùn)用Nicolet iN10MX傅立葉變換顯微紅外光譜儀成像技術(shù)分析了一枚 10分歐元硬幣的一小局部. 詳細(xì)的化學(xué)圖像左上揭示了沿硬幣紋理壓印稀薄的粉紅色輪廓.其余的光譜顯 示的物質(zhì)為蛋白 質(zhì),很有可能是由于人的皮膚和油污所致.然而,這些均展示了 分析證據(jù)上痕量物質(zhì)之快捷.圖8:左上分歐元10硬幣的化學(xué)圖像右上硬幣樣品 馬賽克圖像截圖下酰氨殘基光 譜結(jié)論