化學成像檢驗技術在物證鑒定中的應用

化學成像檢驗技術在物證鑒定中的應用

化學成像技術也被稱為光譜成像技術，將成像技術與光譜分析相結合（見圖1）。具有速度快、精度高、準確性等優(yōu)點。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)代科學的特殊要求，如化學和生物污染。這是許多研究領域的重要分析因素?；瘜W成像不但解決了傳統(tǒng)分析化學中定量定性的問題,更滿足了現(xiàn)代科學對感興趣物質準確定位的綜合分析需求。正是由于化學成像是一門新的交叉性邊緣學科,其研究內容、研究對象、應用范圍日新月異,導致不同研究階段和研究領域的專家學者對于化學成像的概念給出了不同的解釋。比較完整準確的法庭科學化學成像檢驗技術應概括為:利用物體表面不同化學成分光譜特性所存在的差異,通過成像光譜儀采集被檢驗物體在一定光譜響應范圍內分辨率為納米級的反射光亮度分布或熒光亮度分布,將成像范圍內任意點的空間位置及其光學信息量值真實的與被檢驗物體上相應物點位置、光學特性一一對應并最終成像,根據(jù)光譜圖像檢驗鑒別物質的技術。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的分類標準,對應用于法庭科學領域的成像光譜系統(tǒng)以及在物證鑒定中的應用綜述如下。1化學成像技術的設備和工作原理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、檢測器和計算機組成(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算機進行傅立葉變換數(shù)學處理,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要求:具有高的檢測靈敏度、快的響應速度和較寬的測量范圍。基于HgCdTe、InSb和PtSi的面掃描紅外顯微鏡在采集面掃描成像光譜時,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,成為阻礙其廣泛應用的主要原因。但是20世紀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)的核心是一臺計算機,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物體在一定光譜范圍內密集均勻分布的多個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成的光譜影像集。液晶可調波長濾光鏡是光譜成像的關鍵器材,用于分離成像記錄的單色光。它的功能類似于一個高質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節(jié)控制的(見圖3)。通過專用的計算機軟件程序可以將光譜影像集包含的光譜亮度分布信息轉化為反映物體亮度分布性質的結果影像或反映物質光譜性質的曲線和數(shù)據(jù),用于物證形態(tài)特征檢驗或物質化學成分鑒別兩種用途。1.3聲光可調濾光器的組成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動器的頻率,則衍射光的波長相應地改變。這種電調諧的工作方式具有掃描速度快,調諧范圍寬,入射孔徑角大,無多級衍射光、易于實現(xiàn)計算機控制等優(yōu)點。聲光可調濾光器是光學分光系統(tǒng)的核心部件,由三部分組成,即聲光介質、換能器陣列和吸聲體。當射頻信號加到換能器上時,激勵出聲波并耦合到聲光介質,具有光的調制、偏轉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)采集和驅動控制模塊及數(shù)據(jù)處理模塊。2應用化學成像的鑒定方法2.1紅外成像儀器的應用傅立葉紅外光譜儀廣泛應用于化學成分的定量、定性分析檢驗工作中,焦平面陣列檢測器的出現(xiàn)實現(xiàn)了傅立葉變換光譜儀為不同化學成分定位的功能。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的化學基團,為應用傅立葉紅外光譜儀進行藥物毒物分析檢驗提供了客觀條件。英美等國的法庭科學專家陸續(xù)開展了應用傅立葉紅外成像光譜儀檢驗藥物毒物的實驗研究(見圖5)。從實驗結果分析,化學成像檢驗方法使藥物毒物分析檢驗結果包含了定性、定量、定位三方面的內容,在實際工作中具有很大的發(fā)展空間。2.2化學成像檢驗微量物證的檢驗對象通常為量小體微的固態(tài)顆粒碎片等,因為這些細小的痕跡物質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結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),微量物證檢驗越來越成為刑事技術領域重要的檢驗方法?；瘜W成像檢驗方法引入法庭科學領域后,中外各國的刑事技術人員把研究的重要精力集中到了微量物證檢驗方向。對油漆碎片和纖維等的大量實驗研究表明,化學成像方法在搜尋定位、鑒別微量物證檢驗工作中具有快速、靈敏、準確等突出的優(yōu)點。2005年美國FBI實驗室年度報告中提出了應用化學成像方法在相同影像內,同時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想。隨后公安部物證鑒定中心與廣州市公安局合作實驗證明了上述方法的可行性(見圖6)。2.3應用化學成像方法的研究指印檢驗是應用成像技術最為成熟的學科之一,化學成像技術檢驗指印等痕跡物證從研究內容到研究方向都有著廣闊的發(fā)展空間。目前刑事技術人員主要研究了應用化學成像方法增強化學試劑顯現(xiàn)后的微弱指印,消除指印紋線復雜背景影響等內容(見圖7),并積極嘗試了在不破壞檢材的情況下,應用化學成像拍照常見客體上遺留的汗?jié)撝赣　；瘜W成像檢驗技術已經(jīng)日益得到指印鑒定學科專家學者的認可,并已應用在一些實際案例中。2.4兩種檢驗內容的同時完成兩種檢驗文件檢驗學主要包括書寫材料鑒定和筆跡鑒定兩部分內容,化學成像將成像與光譜分析相結合,可以同時完成上述兩項檢驗內容,即在鑒別書寫材料異同的同時完成增強、顯現(xiàn)微弱或潛在字跡工作。大量實驗結果表明,與傳統(tǒng)檢驗方法相比,化學成像檢驗技術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關于金屬學和本學科化學成像檢驗技術已經(jīng)被越來越多的法庭科學工作者所關注,廣泛應用于物證鑒定諸多學科之中,如法醫(yī)學、痕跡檢驗學等,相信隨著這項技術研究的深入,將會有更多更新的成果出現(xiàn)。3討論3.1化學成像技術與全濾波器3d成像法的區(qū)別化學成像檢驗技術結合了成像技術、光譜分析和圖像處理等多種技術方法,能夠同時進行有關檢材的定性定量定位分析,具有快速、靈敏、準確、不破壞、不污染檢材等優(yōu)勢。與其它檢驗技術相比,化學成像技術最主要的特點在于其采集檢材光譜數(shù)據(jù)資料的同時,根據(jù)光譜信息得出檢材空間分布形態(tài)的影像信息。很多檢驗技術能夠實現(xiàn)化學成像的某些功能,但與化學成像技術有本質的區(qū)別。比如全波段CCD圖像采集系統(tǒng)和多光譜文檢儀,這類檢驗儀器通過選擇適當?shù)募ぐl(fā)光源與濾光鏡,依靠高性能CCD作為成像采集設備,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的光譜信息,因此不能稱為化學成像檢驗技術。又如傅立葉變換紅外光譜儀檢驗技術,能夠提供檢驗范圍平均光譜信息或單點光譜信息,通過這些光譜信息可以準確分析鑒別檢材的化學成分,但是這種檢驗技術不能提供檢材中不同化學成分的空間分布信息,因此也不屬于化學成像檢驗技術。此外,筆者認為是否使用成像光譜儀并不是某種檢驗技術方法屬于化學成像檢驗技術的衡量標準。選擇適當?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”,滿足化學成像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)需要的原始光譜信息,進而得出能夠反應不同化學成分空間分布形態(tài)的光譜圖像。3.2化學成像技術的現(xiàn)狀化學成像技術應用于物證鑒定領域的研究已經(jīng)取得了非常理想的效果,基本掌握了應用這項技術進行檢驗鑒定的工作原理和技術方法。但隨著實驗室認可要求的標準化、規(guī)范化,短期內將化學成像技術應用于實際辦案中,特別是應用在上述諸多物證鑒定學科的條件還不成熟。下一階段研究人員應把重點放在有關化學成像技術理論指導研究與根據(jù)不同檢驗要求規(guī)范化學成像儀器操作技術步驟上。從使用的化學成像光譜設備方面分析,上個世紀九十年代初,國際法庭科學專家就已經(jīng)使用AOTF成像光譜儀進行實驗研究,但相關研究成果與文獻資料并不多見,AOTF成像光譜設備逐漸淡出了刑事技術領域。進入二十一世紀,澳大利亞在化學成像研究方面走在了世界的前列,研究人員使用LCTF成像光譜儀進行了一系列的實驗研究,引起了全世界法庭科學研究同行的密切關注。近年來,FBI、FSS等研究機構憑借先進的FPA技術,把化學成像技術的研究熱點轉向了更有潛力的傅立葉變換紅外化學成像設備。國內物證鑒定開展化學成像檢驗技術研究主要使用的是LCTF成像光譜設備,在可見光和近紅外范圍研究所取得的成果已經(jīng)達到甚至超越國際研究水平。國內相關法庭科學專家早已將關注的重點和研究的熱點轉向傅立葉變換紅外化學成像設備,并預言化學成像技術發(fā)展的趨勢和研究的方向將集中在傅立葉變換成像技術之上。由于FPA技術在國際上涉及國家安全及高度商業(yè)機密,因此很長時間以來國內的刑事技術研究人員沒有開展相關實驗研究的條件。另一方面,化學成像作為新的檢驗技術方法涵蓋了光學、光譜學、光譜分析、分析化學、儀器分析、計算機、成像技術等多種基礎科學,而我國目前從事化學成像技術研究的刑事技術人員大多是刑事影像技術專業(yè)科研工作者,研究團隊力量稍顯薄弱。3.3化學成像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中的問題化學成像技術的產(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成像數(shù)據(jù)處理軟件都是為滿足遙感測繪而設計開發(fā)的。這類軟件應用在物證檢驗領域可以取得一定的效果,但刑事物證鑒定工作具有很強的特殊性與復雜性,現(xiàn)有的化學成像數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)不能滿足法庭科學工作的需要,制約了化學成像巨大潛能的開發(fā)與利用。設計并研發(fā)適用于物證鑒定的化學成像專用數(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)尤其是每個像點的光譜曲線數(shù)據(jù)來區(qū)分不同種物質或將同種物質歸為一類。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備所采集數(shù)據(jù)的利用程度和后期檢驗結果的質量。根據(jù)物證鑒定應用化學成像檢驗對象特性及檢驗要求,物證鑒定專用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)應包含光譜數(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建立標準光譜庫數(shù)據(jù)庫的建立是檢驗一項技術真正成熟的標志?；瘜W成像檢驗技術不同于其它檢驗方法,能夠為鑒定工作同時提供檢驗樣品定量、定性、定位等多種有用信息,是今后刑事技術研究和發(fā)展的熱點與重點?；瘜W成像的光譜分析功能為建立物證鑒定常見檢材化學成像光譜庫提供了客觀條件,不同檢材物質具有不同的光學特性,因此在相同的檢驗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,達到區(qū)分識別成像范圍內不同物證檢材的功能。標準光譜庫可以減少數(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,處理結果實現(xiàn)可重復性,數(shù)據(jù)統(tǒng)計規(guī)范化、自動化,技術步驟達到制度化、標準化。實際辦案中物證檢材的保存狀況、新舊程度等對鑒定結果影響很大,因此在建立物證鑒定化學成像標準光譜庫的過程中,要充分考慮各種可能情況,保證光譜數(shù)據(jù)量足以滿足實際辦案出現(xiàn)的常見物證檢材需要。由于LCTF、FPA技術的核心部件受到國外廠家的嚴格技術保護,因此目前市場上銷售的化學成像光譜成像硬件設備規(guī)格