化學(xué)成像檢驗(yàn)技術(shù)在物證鑒定中的應(yīng)用

化學(xué)成像檢驗(yàn)技術(shù)在物證鑒定中的應(yīng)用

化學(xué)成像技術(shù)也被稱為光譜成像技術(shù)，將成像技術(shù)與光譜分析相結(jié)合（見圖1）。具有速度快、精度高、準(zhǔn)確性等優(yōu)點(diǎn)。此外，樣品的制備非常簡單，樣品不會受到損傷，因此違反了現(xiàn)代科學(xué)的特殊要求，如化學(xué)和生物污染。這是許多研究領(lǐng)域的重要分析因素。化學(xué)成像不但解決了傳統(tǒng)分析化學(xué)中定量定性的問題,更滿足了現(xiàn)代科學(xué)對感興趣物質(zhì)準(zhǔn)確定位的綜合分析需求。正是由于化學(xué)成像是一門新的交叉性邊緣學(xué)科,其研究內(nèi)容、研究對象、應(yīng)用范圍日新月異,導(dǎo)致不同研究階段和研究領(lǐng)域的專家學(xué)者對于化學(xué)成像的概念給出了不同的解釋。比較完整準(zhǔn)確的法庭科學(xué)化學(xué)成像檢驗(yàn)技術(shù)應(yīng)概括為:利用物體表面不同化學(xué)成分光譜特性所存在的差異,通過成像光譜儀采集被檢驗(yàn)物體在一定光譜響應(yīng)范圍內(nèi)分辨率為納米級的反射光亮度分布或熒光亮度分布,將成像范圍內(nèi)任意點(diǎn)的空間位置及其光學(xué)信息量值真實(shí)的與被檢驗(yàn)物體上相應(yīng)物點(diǎn)位置、光學(xué)特性一一對應(yīng)并最終成像,根據(jù)光譜圖像檢驗(yàn)鑒別物質(zhì)的技術(shù)。成像光譜儀的分類方法有很多,本文基于分光器件和光譜分析技術(shù)的分類標(biāo)準(zhǔn),對應(yīng)用于法庭科學(xué)領(lǐng)域的成像光譜系統(tǒng)以及在物證鑒定中的應(yīng)用綜述如下。1化學(xué)成像技術(shù)的設(shè)備和工作原理1.1焦平面mct陣列檢測FTIR成像光譜儀沒有色散元件,主要由光源(硅碳棒、高壓汞燈)、邁克爾遜(Michelson)干涉儀、檢測器和計(jì)算機(jī)組成(見圖2)。核心部分為邁克爾遜干涉儀,它將光源來的信號以干涉圖的形式送往計(jì)算機(jī)進(jìn)行傅立葉變換數(shù)學(xué)處理,最后將干涉圖還原成光譜圖。檢測器的作用是檢測紅外干涉光通過樣品后的能量,因此對使用的檢測器有三點(diǎn)要求:具有高的檢測靈敏度、快的響應(yīng)速度和較寬的測量范圍?；贖gCdTe、InSb和PtSi的面掃描紅外顯微鏡在采集面掃描成像光譜時(shí),使用焦平面MCT陣列檢測器(focalplaneMCTarraydetector,MCTFPA),可對微區(qū)表面不同區(qū)域的樣品進(jìn)行快速檢測。但由于需要制冷使系統(tǒng)成本高昂,可靠性較低,成為阻礙其廣泛應(yīng)用的主要原因。但是20世紀(jì)90年代中期開發(fā)出來熱檢測器非制冷焦平面陣列(uncooledfocalplanearray,UFPA)以來,這一僵局被迅速打破。FTIR成像光譜儀數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的核心是一臺計(jì)算機(jī),功能是控制儀器的操作,收集、處理并記錄數(shù)據(jù)和影像。1.2可調(diào)長波長的確定LCTF成像光譜儀是通過成像光譜儀記錄被檢驗(yàn)物體在一定光譜范圍內(nèi)密集均勻分布的多個(gè)窄波段單色光的反射光亮度分布或熒光亮度分布,形成由許多單色光影像構(gòu)成的光譜影像集。液晶可調(diào)波長濾光鏡是光譜成像的關(guān)鍵器材,用于分離成像記錄的單色光。它的功能類似于一個(gè)高質(zhì)量的帶通式干涉濾光鏡,可以透過窄波段單色光,但它透過的窄波段單色光波長是用電子方式調(diào)節(jié)控制的(見圖3)。通過專用的計(jì)算機(jī)軟件程序可以將光譜影像集包含的光譜亮度分布信息轉(zhuǎn)化為反映物體亮度分布性質(zhì)的結(jié)果影像或反映物質(zhì)光譜性質(zhì)的曲線和數(shù)據(jù),用于物證形態(tài)特征檢驗(yàn)或物質(zhì)化學(xué)成分鑒別兩種用途。1.3聲光可調(diào)濾光器的組成AOTF成像光譜儀是通過在晶體中的聲光耦合對入射光產(chǎn)生衍射,改變激勵聲波的電驅(qū)動器的頻率,則衍射光的波長相應(yīng)地改變。這種電調(diào)諧的工作方式具有掃描速度快,調(diào)諧范圍寬,入射孔徑角大,無多級衍射光、易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制等優(yōu)點(diǎn)。聲光可調(diào)濾光器是光學(xué)分光系統(tǒng)的核心部件,由三部分組成,即聲光介質(zhì)、換能器陣列和吸聲體。當(dāng)射頻信號加到換能器上時(shí),激勵出聲波并耦合到聲光介質(zhì),具有光的調(diào)制、偏轉(zhuǎn)和濾光等方面的功能(見圖4)。AOTF的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與LCTF相似,通常由3部分組成:電信號處理模塊、數(shù)據(jù)采集和驅(qū)動控制模塊及數(shù)據(jù)處理模塊。2應(yīng)用化學(xué)成像的鑒定方法2.1紅外成像儀器的應(yīng)用傅立葉紅外光譜儀廣泛應(yīng)用于化學(xué)成分的定量、定性分析檢驗(yàn)工作中,焦平面陣列檢測器的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了傅立葉變換光譜儀為不同化學(xué)成分定位的功能。各類違禁藥物毒物在中紅外區(qū)(4000~400cm-1)一般含有特異性極強(qiáng)的化學(xué)基團(tuán),為應(yīng)用傅立葉紅外光譜儀進(jìn)行藥物毒物分析檢驗(yàn)提供了客觀條件。英美等國的法庭科學(xué)專家陸續(xù)開展了應(yīng)用傅立葉紅外成像光譜儀檢驗(yàn)藥物毒物的實(shí)驗(yàn)研究(見圖5)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,化學(xué)成像檢驗(yàn)方法使藥物毒物分析檢驗(yàn)結(jié)果包含了定性、定量、定位三方面的內(nèi)容,在實(shí)際工作中具有很大的發(fā)展空間。2.2化學(xué)成像檢驗(yàn)微量物證的檢驗(yàn)對象通常為量小體微的固態(tài)顆粒碎片等,因?yàn)檫@些細(xì)小的痕跡物質(zhì)不易引起人們的注意,在犯罪現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的幾率比較大,依靠微量物證出具的檢驗(yàn)結(jié)論往往會對偵查破案提供重要的證據(jù)和線索。面對犯罪手段智能化,犯罪工具科技化的挑戰(zhàn),微量物證檢驗(yàn)越來越成為刑事技術(shù)領(lǐng)域重要的檢驗(yàn)方法?；瘜W(xué)成像檢驗(yàn)方法引入法庭科學(xué)領(lǐng)域后,中外各國的刑事技術(shù)人員把研究的重要精力集中到了微量物證檢驗(yàn)方向。對油漆碎片和纖維等的大量實(shí)驗(yàn)研究表明,化學(xué)成像方法在搜尋定位、鑒別微量物證檢驗(yàn)工作中具有快速、靈敏、準(zhǔn)確等突出的優(yōu)點(diǎn)。2005年美國FBI實(shí)驗(yàn)室年度報(bào)告中提出了應(yīng)用化學(xué)成像方法在相同影像內(nèi),同時(shí)提供嫌疑人指印紋線信息和殘留在指印紋線間爆炸殘留物的成分及空間分布信息的新構(gòu)想。隨后公安部物證鑒定中心與廣州市公安局合作實(shí)驗(yàn)證明了上述方法的可行性(見圖6)。2.3應(yīng)用化學(xué)成像方法的研究指印檢驗(yàn)是應(yīng)用成像技術(shù)最為成熟的學(xué)科之一,化學(xué)成像技術(shù)檢驗(yàn)指印等痕跡物證從研究內(nèi)容到研究方向都有著廣闊的發(fā)展空間。目前刑事技術(shù)人員主要研究了應(yīng)用化學(xué)成像方法增強(qiáng)化學(xué)試劑顯現(xiàn)后的微弱指印,消除指印紋線復(fù)雜背景影響等內(nèi)容(見圖7),并積極嘗試了在不破壞檢材的情況下,應(yīng)用化學(xué)成像拍照常見客體上遺留的汗?jié)撝赣??；瘜W(xué)成像檢驗(yàn)技術(shù)已經(jīng)日益得到指印鑒定學(xué)科專家學(xué)者的認(rèn)可,并已應(yīng)用在一些實(shí)際案例中。2.4兩種檢驗(yàn)內(nèi)容的同時(shí)完成兩種檢驗(yàn)文件檢驗(yàn)學(xué)主要包括書寫材料鑒定和筆跡鑒定兩部分內(nèi)容,化學(xué)成像將成像與光譜分析相結(jié)合,可以同時(shí)完成上述兩項(xiàng)檢驗(yàn)內(nèi)容,即在鑒別書寫材料異同的同時(shí)完成增強(qiáng)、顯現(xiàn)微弱或潛在字跡工作。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,與傳統(tǒng)檢驗(yàn)方法相比,化學(xué)成像檢驗(yàn)技術(shù)在鑒別同種顏色不同品牌墨水、印泥、印油,識別添加字跡,顯現(xiàn)被掩蓋字跡等方面有明顯優(yōu)勢(見圖8)。2.5關(guān)于金屬學(xué)和本學(xué)科化學(xué)成像檢驗(yàn)技術(shù)已經(jīng)被越來越多的法庭科學(xué)工作者所關(guān)注,廣泛應(yīng)用于物證鑒定諸多學(xué)科之中,如法醫(yī)學(xué)、痕跡檢驗(yàn)學(xué)等,相信隨著這項(xiàng)技術(shù)研究的深入,將會有更多更新的成果出現(xiàn)。3討論3.1化學(xué)成像技術(shù)與全濾波器3d成像法的區(qū)別化學(xué)成像檢驗(yàn)技術(shù)結(jié)合了成像技術(shù)、光譜分析和圖像處理等多種技術(shù)方法,能夠同時(shí)進(jìn)行有關(guān)檢材的定性定量定位分析,具有快速、靈敏、準(zhǔn)確、不破壞、不污染檢材等優(yōu)勢。與其它檢驗(yàn)技術(shù)相比,化學(xué)成像技術(shù)最主要的特點(diǎn)在于其采集檢材光譜數(shù)據(jù)資料的同時(shí),根據(jù)光譜信息得出檢材空間分布形態(tài)的影像信息。很多檢驗(yàn)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)化學(xué)成像的某些功能,但與化學(xué)成像技術(shù)有本質(zhì)的區(qū)別。比如全波段CCD圖像采集系統(tǒng)和多光譜文檢儀,這類檢驗(yàn)儀器通過選擇適當(dāng)?shù)募ぐl(fā)光源與濾光鏡,依靠高性能CCD作為成像采集設(shè)備,能夠得到比寬光譜或者白光成像更為豐富的圖像信息。但這種檢驗(yàn)方法只能提供檢材的單色光或窄帶通單幅影像,不能提供檢材在一定光譜范圍內(nèi)的光譜信息,因此不能稱為化學(xué)成像檢驗(yàn)技術(shù)。又如傅立葉變換紅外光譜儀檢驗(yàn)技術(shù),能夠提供檢驗(yàn)范圍平均光譜信息或單點(diǎn)光譜信息,通過這些光譜信息可以準(zhǔn)確分析鑒別檢材的化學(xué)成分,但是這種檢驗(yàn)技術(shù)不能提供檢材中不同化學(xué)成分的空間分布信息,因此也不屬于化學(xué)成像檢驗(yàn)技術(shù)。此外,筆者認(rèn)為是否使用成像光譜儀并不是某種檢驗(yàn)技術(shù)方法屬于化學(xué)成像檢驗(yàn)技術(shù)的衡量標(biāo)準(zhǔn)。選擇適當(dāng)?shù)膶捁庾V光源配合一系列單色光濾色鏡,使用全波段CCD成像系統(tǒng),多次連續(xù)記錄檢材單色光亮度影像,同樣可以獲得“影像立方體”,滿足化學(xué)成像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)需要的原始光譜信息,進(jìn)而得出能夠反應(yīng)不同化學(xué)成分空間分布形態(tài)的光譜圖像。3.2化學(xué)成像技術(shù)的現(xiàn)狀化學(xué)成像技術(shù)應(yīng)用于物證鑒定領(lǐng)域的研究已經(jīng)取得了非常理想的效果,基本掌握了應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)鑒定的工作原理和技術(shù)方法。但隨著實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可要求的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化,短期內(nèi)將化學(xué)成像技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際辦案中,特別是應(yīng)用在上述諸多物證鑒定學(xué)科的條件還不成熟。下一階段研究人員應(yīng)把重點(diǎn)放在有關(guān)化學(xué)成像技術(shù)理論指導(dǎo)研究與根據(jù)不同檢驗(yàn)要求規(guī)范化學(xué)成像儀器操作技術(shù)步驟上。從使用的化學(xué)成像光譜設(shè)備方面分析,上個(gè)世紀(jì)九十年代初,國際法庭科學(xué)專家就已經(jīng)使用AOTF成像光譜儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,但相關(guān)研究成果與文獻(xiàn)資料并不多見,AOTF成像光譜設(shè)備逐漸淡出了刑事技術(shù)領(lǐng)域。進(jìn)入二十一世紀(jì),澳大利亞在化學(xué)成像研究方面走在了世界的前列,研究人員使用LCTF成像光譜儀進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)研究,引起了全世界法庭科學(xué)研究同行的密切關(guān)注。近年來,FBI、FSS等研究機(jī)構(gòu)憑借先進(jìn)的FPA技術(shù),把化學(xué)成像技術(shù)的研究熱點(diǎn)轉(zhuǎn)向了更有潛力的傅立葉變換紅外化學(xué)成像設(shè)備。國內(nèi)物證鑒定開展化學(xué)成像檢驗(yàn)技術(shù)研究主要使用的是LCTF成像光譜設(shè)備,在可見光和近紅外范圍研究所取得的成果已經(jīng)達(dá)到甚至超越國際研究水平。國內(nèi)相關(guān)法庭科學(xué)專家早已將關(guān)注的重點(diǎn)和研究的熱點(diǎn)轉(zhuǎn)向傅立葉變換紅外化學(xué)成像設(shè)備,并預(yù)言化學(xué)成像技術(shù)發(fā)展的趨勢和研究的方向?qū)⒓性诟盗⑷~變換成像技術(shù)之上。由于FPA技術(shù)在國際上涉及國家安全及高度商業(yè)機(jī)密,因此很長時(shí)間以來國內(nèi)的刑事技術(shù)研究人員沒有開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究的條件。另一方面,化學(xué)成像作為新的檢驗(yàn)技術(shù)方法涵蓋了光學(xué)、光譜學(xué)、光譜分析、分析化學(xué)、儀器分析、計(jì)算機(jī)、成像技術(shù)等多種基礎(chǔ)科學(xué),而我國目前從事化學(xué)成像技術(shù)研究的刑事技術(shù)人員大多是刑事影像技術(shù)專業(yè)科研工作者,研究團(tuán)隊(duì)力量稍顯薄弱。3.3化學(xué)成像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中的問題化學(xué)成像技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展與航天遙感專業(yè)密不可分,目前幾乎所有的化學(xué)成像數(shù)據(jù)處理軟件都是為滿足遙感測繪而設(shè)計(jì)開發(fā)的。這類軟件應(yīng)用在物證檢驗(yàn)領(lǐng)域可以取得一定的效果,但刑事物證鑒定工作具有很強(qiáng)的特殊性與復(fù)雜性,現(xiàn)有的化學(xué)成像數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)不能滿足法庭科學(xué)工作的需要,制約了化學(xué)成像巨大潛能的開發(fā)與利用。設(shè)計(jì)并研發(fā)適用于物證鑒定的化學(xué)成像專用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是目前研究人員急需解決的首要問題。這套系統(tǒng)的主要作用是根據(jù)成像光譜儀所采集的影像數(shù)據(jù)尤其是每個(gè)像點(diǎn)的光譜曲線數(shù)據(jù)來區(qū)分不同種物質(zhì)或?qū)⑼N物質(zhì)歸為一類。該軟件系統(tǒng)分析、處理光譜曲線數(shù)據(jù)能力的高低將直接影響前期硬件設(shè)備所采集數(shù)據(jù)的利用程度和后期檢驗(yàn)結(jié)果的質(zhì)量。根據(jù)物證鑒定應(yīng)用化學(xué)成像檢驗(yàn)對象特性及檢驗(yàn)要求,物證鑒定專用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)應(yīng)包含光譜數(shù)據(jù)基本處理模塊、物證識別模塊、光譜庫模塊等主要功能。3.4建立標(biāo)準(zhǔn)光譜庫數(shù)據(jù)庫的建立是檢驗(yàn)一項(xiàng)技術(shù)真正成熟的標(biāo)志?；瘜W(xué)成像檢驗(yàn)技術(shù)不同于其它檢驗(yàn)方法,能夠?yàn)殍b定工作同時(shí)提供檢驗(yàn)樣品定量、定性、定位等多種有用信息,是今后刑事技術(shù)研究和發(fā)展的熱點(diǎn)與重點(diǎn)?；瘜W(xué)成像的光譜分析功能為建立物證鑒定常見檢材化學(xué)成像光譜庫提供了客觀條件,不同檢材物質(zhì)具有不同的光學(xué)特性,因此在相同的檢驗(yàn)條件下成像光譜儀所記錄的光譜曲線存在特異性。建立光譜庫的目的就是利用光譜曲線的特異性,達(dá)到區(qū)分識別成像范圍內(nèi)不同物證檢材的功能。標(biāo)準(zhǔn)光譜庫可以減少數(shù)據(jù)處理過程中人為操作所產(chǎn)生的誤差幾率,使分析過程更加客觀,處理結(jié)果實(shí)現(xiàn)可重復(fù)性,數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)范化、自動化,技術(shù)步驟達(dá)到制度化、標(biāo)準(zhǔn)化。實(shí)際辦案中物證檢材的保存狀況、新舊程度等對鑒定結(jié)果影響很大,因此在建立物證鑒定化學(xué)成像標(biāo)準(zhǔn)光譜庫的過程中,要充分考慮各種可能情況,保證光譜數(shù)據(jù)量足以滿足實(shí)際辦案出現(xiàn)的常見物證檢材需要。由于LCTF、FPA技術(shù)的核心部件受到國外廠家的嚴(yán)格技術(shù)保護(hù),因此目前市場上銷售的化學(xué)成像光譜成像硬件設(shè)備規(guī)格