Application Note: 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 晰圖片，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， 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)特能力，首次為檢測(cè)者和陪審團(tuán)提供了可靠的數(shù)據(jù)。Nicolet iN10 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)。OMNICTM PictaTM 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較耗費(fèi)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)行比較。 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)比較化學(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 上）杰克遜眼 睛的馬賽克圖 （下圖）衰減 全反射模式采 集的黑色油墨 的光譜圖?；?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)訓(xùn)練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。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?；瘜W(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)纖維的反射吸收和鍺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 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)和比較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)損的模式快速的確定纖維的亞分類。所有這些在法醫(yī)學(xué)界都非常重要，因?yàn)樵诜ㄡt(yī)學(xué)界保留證 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)抵制偽鈔制 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)微的安全纖維，如圖 3 所示。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)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 5×5mm 的一個(gè)區(qū)域，用時(shí)約 5 分鐘 采集了紅外數(shù)據(jù)?；瘜W(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)則的輔料。 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)А１热?，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 每種成分的面積貢獻(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。因?yàn)橹讣y 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)域表明有微量的木質(zhì)纖維物質(zhì)?；瘜W(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，這些成分被分別用在汽車的塑料、金屬表面。一片碎漆片常常保留有每 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）已知的各層光譜圖：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 iN10 MX 傅立葉變換顯微紅外光譜儀成像技術(shù)分析了一枚 10 分歐元硬幣的一小部分。 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。 結(jié) 論 Nicolet iN10 傅立葉變換顯微紅外光譜儀及 Nicolet iN10 MX 紅外成像技術(shù)為法醫(yī)學(xué)家提供了 許多類型樣品的可視化和化學(xué)信息。紅外光譜的靈敏性和非破壞特性在保留證據(jù)的同時(shí)保證了正確 的解釋。紅外成像技術(shù)的空間分辨率和靈敏性能夠快速的揭示痕量物質(zhì)的存在。OMNIC Picta 的性 能驗(yàn)證和可靠性驗(yàn)證包保證了結(jié)果的可信度，這在法庭上出示結(jié)果時(shí)是非常重要的。另外，我們還 提供革新的 OMNIC Specta 軟件，它擁有最高級(jí)的譜峰及多組分搜索特性。 圖8： （左上）10 分歐元 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