余 靜,張 云,龐松穎,王繼芬
1.北京市刑事科學(xué)技術(shù)研究所,北京 100054 2.深圳海關(guān)緝私局,廣東 深圳 518001 3.中國人民公安大學(xué),北京 100038
紅外光譜技術(shù)在物證鑒定中的應(yīng)用
余 靜1*,張 云1,龐松穎2,王繼芬3
1.北京市刑事科學(xué)技術(shù)研究所,北京 100054 2.深圳海關(guān)緝私局,廣東 深圳 518001 3.中國人民公安大學(xué),北京 100038
物證鑒定過程中,利用儀器分析技術(shù)快速準(zhǔn)確的檢測物證的化學(xué)組成會有助于獲取更多案件相關(guān)的信息,常用的技術(shù)手段有色譜、質(zhì)譜和光譜技術(shù)。法庭科學(xué)實(shí)驗(yàn)室涉及鑒定的物證種類繁多、情形復(fù)雜,需要根據(jù)物證的種類和儀器特性決定使用何種分析方法。比如氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)具有高分辨率、高靈敏度、強(qiáng)鑒別能力的優(yōu)點(diǎn),常被用于火災(zāi)現(xiàn)場易燃液體等物證的檢測分析。法庭科學(xué)實(shí)驗(yàn)室更常見的應(yīng)用情形是對與案件有關(guān)的各種有機(jī)物證(墨跡、油漆、塑料等)及無機(jī)物(礦物、無機(jī)填料等)進(jìn)行快速有效分析。紅外光譜法是鑒定化合物和測定分子結(jié)構(gòu)的最有效的常規(guī)分析方法之一,尤其在法庭科學(xué)領(lǐng)域物證鑒定中被廣泛應(yīng)用,紅外光譜技術(shù)可用來確定物證的種類,同時紅外光譜又是一種有效的比對檢驗(yàn)手段,檢驗(yàn)結(jié)果可以為法庭斷案提供證據(jù)。該文綜述了紅外光譜技術(shù)在法庭科學(xué)文件檢驗(yàn)、油脂檢驗(yàn)、塑料檢驗(yàn)、油漆檢驗(yàn)、纖維檢驗(yàn)以及常見毒品等物證檢驗(yàn)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及最新的研究進(jìn)展,并對紅外光譜技術(shù)在物證鑒定領(lǐng)域的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望,以期從實(shí)際應(yīng)用的角度為法庭科學(xué)研究人員提供紅外光譜技術(shù)在該領(lǐng)域的研究概貌。
紅外光譜法;法庭科學(xué);物證鑒定;綜述
物證鑒定需要對物證的化學(xué)成分進(jìn)行分析,鑒別其組成和所屬種類。氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)分離效果好、分析靈敏度高,能夠準(zhǔn)確鑒定化合物結(jié)構(gòu),被法庭科學(xué)工作者成熟應(yīng)用于易燃液體及炸藥檢驗(yàn)分析等領(lǐng)域。案件涉及的物證種類繁多,更多類別的物證無法簡單應(yīng)用氣相色譜-質(zhì)譜進(jìn)行分析。紅外光譜分析需要的樣品用量少,分析速度快,不損壞樣品,可以提供化合物豐富的結(jié)構(gòu)信息,且具有很強(qiáng)的特征性,這些特點(diǎn)都與物證鑒定對分析儀器及手段的需求完美匹配。然而,紅外光譜在面對混合物的定性分析時常常會十分無力,這時就需要對紅外光譜提供的豐富結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行提取與鑒別,結(jié)合化學(xué)計量學(xué)對紅外光譜進(jìn)行分析,可以實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜樣品體系的定性定量分析。在法庭科學(xué)實(shí)驗(yàn)室,紅外光譜法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于分析各種物證,如可疑纖維、油漆碎片、塑料、藥物及毒物、染料和顏料、可燃物與爆炸物等物證[1-3]。紅外光譜技術(shù)可以鑒別物證的種類,同時可以對物證與嫌疑物品進(jìn)行比對分析,得出物證碎片的種類及來源信息,能夠?yàn)榉ㄍ喟柑峁┮罁?jù)。本文綜述了近年來紅外光譜分析技術(shù)在物證鑒定領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展。
1.1 文檢物證鑒定
經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與人們法律維權(quán)意識的提高導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)糾紛中涉及合同等相關(guān)文件的鑒定需求越來越多。鑒定內(nèi)容主要包括筆跡和印章印文真?zhèn)舞b定;添加和涂改字跡的鑒定;打印字跡的鑒定;朱墨時序及筆畫先后順序的鑒定等[4]。Nam等[5]利用傅里葉變換紅外光譜儀和ATR附件,對韓國63個黑色圓珠筆油墨樣本進(jìn)行測試并建立了一個紅外光譜數(shù)據(jù)庫。同時也成功地將紅外光譜技術(shù)用于確定兩個圓珠筆簽名交叉處的順序。并用一系列的樣本分析表明了紅外光譜是識別簽名用圓珠筆油墨來源的一種可行的無損分析方法。
Lü等[6]從中國和日本隨機(jī)收集了57個印章印文樣本,用手術(shù)刀將干燥的印章油墨從紙上刮下,壓片后利用傅里葉變換紅外光譜儀進(jìn)行分析。歸納了印章油墨主要成分的特征峰,基于其主要成分的不同,將57個樣本分為10類。該分析方法可以應(yīng)用于印章油墨有關(guān)的敏感文件的來源分析及認(rèn)定。
紙張本身的檢驗(yàn)在法庭科學(xué)領(lǐng)域也具有極大的意義。對于紙張的檢驗(yàn)通??梢越鉀Q紙張認(rèn)定,分析產(chǎn)地及其生產(chǎn)日期等問題,通過這些信息進(jìn)而可以判斷一些文件的真實(shí)性[7]。Tanase等[8]收集了六種最常見的辦公用A4紙,用傅里葉變換紅外光譜儀加ATR附件對紙張進(jìn)行分析,同時與數(shù)據(jù)庫的標(biāo)準(zhǔn)樣品譜圖比對,匹配的準(zhǔn)確度基本超過90%。并從準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性的角度,驗(yàn)證了紅外光譜是紙張分析的一種可靠分析手段。
隨著可擦寫中性筆的廣泛使用,文件物證檢驗(yàn)人員經(jīng)常會遇到有關(guān)可擦寫中性筆墨水色痕形成文件的檢驗(yàn)。張金莊[9]分析了藍(lán)色和黑色可擦寫中性筆的墨水色痕的紅外譜圖并進(jìn)行不同廠家產(chǎn)品的區(qū)分,取得了100%的區(qū)分效果。
孟朝陽[10]根據(jù)噴墨打印文件常用品牌的油墨及其相應(yīng)替代油墨紅外光譜的特征吸收實(shí)現(xiàn)了各品牌產(chǎn)品及替代產(chǎn)品的鑒別區(qū)分;徐秀明[11]等對8個廠家的16種型號的激光打印機(jī)墨粉進(jìn)行分析,依據(jù)紅外吸收光譜圖的差異將墨粉分為五大類,對于同類別的墨粉產(chǎn)品也依據(jù)指紋區(qū)的特征峰差異進(jìn)行了有效鑒別區(qū)分。
1.2 纖維物證檢驗(yàn)
微量纖維可以很容易被發(fā)現(xiàn)、收集并用于檢驗(yàn)分析。紅外光譜技術(shù)在分子分析領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,配備顯微鏡組件使得紅外分析成為一種非常簡便的微量樣品分析技術(shù)[12-13]。
Reffner[14]等利用傅里葉變換紅外儀加ATR附件針對顏料組成比例為5%的彩色纖維樣品進(jìn)行了分析,分析的結(jié)果表明紅外對于纖維基質(zhì)有著很高的反應(yīng)靈敏度,而對于含量僅為5%的顏料響應(yīng)較小。
Brinsko[15]等選擇了幾種生物可降解纖維進(jìn)行分析并嘗試區(qū)分,比如再生蛋白質(zhì)纖維、聚乳酸、纖維素、竹纖維。結(jié)果表明這幾種纖維僅僅通過紅外光譜尚不能進(jìn)行有效區(qū)分,還必須結(jié)合其他檢驗(yàn)方法,從其光學(xué)特性及化學(xué)特性的角度加以區(qū)分。
吳儉儉[16]等分別使用紅外光譜和拉曼光譜分析三種常見的紡織纖維(纖維素纖維、吸水性纖維、合成纖維),比較檢驗(yàn)結(jié)果后表明紅外光譜法分析復(fù)合蛋白質(zhì)纖維、聚丙烯腈纖維、聚酯纖維等合成纖維的效果更佳。
1.3 毒品物證檢驗(yàn)
紅外光譜技術(shù)分析結(jié)果準(zhǔn)確,重復(fù)性好并且無損等優(yōu)點(diǎn)使得其在毒品的定性定量分析以及來源推斷領(lǐng)域也有較為重要的應(yīng)用價值。紅外光譜分析技術(shù)能夠幫助分析人員快速區(qū)別不同種類的毒品、確定毒品的分子結(jié)構(gòu)、區(qū)別毒品的鹽型與堿型、區(qū)別毒品不同的鹽型、快速區(qū)別嗎啡乙?;潭?、快速區(qū)分各種異構(gòu)體[17-18]。
海洛因作為傳統(tǒng)典型毒品,其鹽型的鑒別也越來越被人關(guān)注。毒品的型態(tài)會影響毒品定量的結(jié)果,在制毒販毒案件中涉及死刑的定罪量刑時尤其關(guān)鍵。徐鵬[19]等通過對海洛因的紅外譜圖解析實(shí)現(xiàn)了海洛因及其鹽型的鑒別,并與氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀及環(huán)境掃描電鏡能譜儀的分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,進(jìn)一步驗(yàn)證了紅外光譜分析技術(shù)的準(zhǔn)確性。
曹槐[20]等將云南省9個地區(qū)繳獲的1148個海洛因樣品近紅外漫反射光譜應(yīng)用支持向量分類方法進(jìn)行分析。訓(xùn)練集樣本交叉檢驗(yàn)準(zhǔn)確率達(dá)90.74%,其余已知樣品預(yù)報精度為88.71%,并且該分類模型還被成功用于未知來源地毒品的來路辨認(rèn)。
Hughes[21]等對澳大利亞96種甲基苯丙胺類毒品進(jìn)行紅外譜圖采集,應(yīng)用PCA,HPCA化學(xué)計量學(xué)分析方法對毒品中的甲基苯丙胺成分進(jìn)行定量分析。PCA模型預(yù)測誤差均方根為3.8,相關(guān)系數(shù)R2=0.977 9,定量分析的檢出限為7%;HPCA模型預(yù)測誤差均方根為5.2,相關(guān)系數(shù)R2=0.963 7,定量分析的檢出限為0.3%。紅外光譜結(jié)合化學(xué)計量學(xué)的定量分析模型為篩選非法藥物樣品以及確定冰毒含量的百分比提供快速、有效的方法。
1.4 油漆物證檢驗(yàn)
油漆物證尤其是交通事故訴訟中的油漆碎片是物證鑒定中最常見的檢驗(yàn)對象之一。由于微量油漆檢材成分復(fù)雜,使用傳統(tǒng)檢驗(yàn)方法很難快速得到有效的信息,傅里葉變換紅外光譜法以其準(zhǔn)確、快捷、無損等特點(diǎn)被油漆物證檢驗(yàn)分析人員廣泛使用[22]。
孫振文[23]等對356份油漆樣品的罩光漆成膜物質(zhì)采用衰減全反射紅外光譜法(ATR-FTIR)進(jìn)行分析,依據(jù)成膜物質(zhì)種類的差異實(shí)現(xiàn)了樣品的有效分類,對同種類成膜物質(zhì)的樣品依據(jù)紅外譜圖指紋區(qū)的吸收峰差異進(jìn)行更為準(zhǔn)確的區(qū)分。
Wright[24]等收集了美國和加拿大的964份建筑涂料樣品,采用標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)方法(立體顯微鏡,F(xiàn)TIR,SEM/EDS,PY-GC/MS),對樣品進(jìn)行隨機(jī)分組配對后分析,試圖驗(yàn)證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。在分析中,發(fā)現(xiàn)立體顯微鏡結(jié)合FTIR的方法針對42組相似的樣品的區(qū)分率達(dá)到99.99%,結(jié)合其他檢驗(yàn)方法,可以區(qū)分更多相似樣品。
Janina Zieba-Palus[25]等詳細(xì)討論了3個涉及汽車油漆比較檢驗(yàn)的實(shí)例,實(shí)驗(yàn)分析中采用了紅外光譜分析及拉曼光譜分析的方法,結(jié)果表明對于案中極其微量的油漆檢材,紅外光譜能夠提供的信息并不是很充分,這可能是由于油漆檢材中顏料的含量過低而導(dǎo)致分析結(jié)果不理想。然而拉曼光譜對于一些有機(jī)顏料的反應(yīng)更為靈敏,Janina Zieba-Palus也提出了拉曼光譜作為紅外光譜分析的一種互補(bǔ)分析手段的設(shè)想。
1.5 塑料物證檢驗(yàn)
Chan[26]等利用紅外光譜對311個涉及販賣海洛因案件中用到的塑料包裝袋進(jìn)行分析。對于大量的樣品實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),采用多種化學(xué)計量學(xué)的方法將塑料包裝袋分成了五種類別,發(fā)現(xiàn)其中最為常見的是一種聚丙乙烯的塑料包裝袋。Chan提出,采用紅外分析只是物證分析的初步手段,要想獲得更多的有效信息,更為深入的研究分析及更為全面的手段是非常必要的。
Kerr[27]等針對一些火災(zāi)現(xiàn)場常見的燃燒殘留的高分子材料(高密度聚乙烯和低密度聚乙烯(HDPE and LDPE)、聚氯乙烯(PVC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、棉)進(jìn)行了光譜分析,證明了FTIR-ATR結(jié)合顯微拉曼光譜可以對實(shí)驗(yàn)中涉及的材料燃燒碎片進(jìn)行區(qū)分,結(jié)合主成分分析等化學(xué)計量學(xué)方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,可以做到高精度的識別。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)FTIR對于聚乙烯類的分類效果突出,優(yōu)于拉曼光譜法。對于其余幾種材料,拉曼光譜結(jié)合數(shù)據(jù)處理,能獲得更好的分類結(jié)果。
1.6 炸藥物證檢驗(yàn)
Mou[28]等應(yīng)用ATR-FTIR結(jié)合顯微鏡分析指紋中的炸藥顆粒,并能夠檢測出指紋中20 μm的炸藥碎片。實(shí)驗(yàn)者將手洗干凈后風(fēng)干30分鐘觸摸TNT,TNB以及AN,然后在干凈的玻璃上連續(xù)捺印多次,得到不同炸藥成分含量的指紋。采集炸藥顆粒的譜圖后,在常見炸藥標(biāo)準(zhǔn)紅外譜圖中進(jìn)行檢索,能夠得到高度匹配的檢索結(jié)果。同時由于ATR附件的探針極其細(xì)微,不會對指紋紋線造成破壞,使用ATR-FTIR對指紋中的炸藥顆粒進(jìn)行分析是一種快速、高效又無損的分析方法。
1.7 植物油、動物油脂物證檢驗(yàn)
劉養(yǎng)清[29]等利用紅外光譜對常見的植物油、動物油進(jìn)行快速鑒別分析。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)動物油與植物油在3 100~3 500,1 650,1 400和915 cm-1附近的峰形及峰數(shù)存在差異,另外還能為不同產(chǎn)地、不同廠家的動植物油提供鑒別信息。采用紅外光譜進(jìn)行現(xiàn)場動植物油脂物證的檢驗(yàn)分析,不僅分析速度快,結(jié)果準(zhǔn)確,還能提供更多的有效消息。
陳欲曉[30]等采用近紅外光譜法對常見幾種動植物油脂進(jìn)行種類鑒別及碘值測定的研究。牛羊油,蓖麻油,棕櫚仁油,棕櫚硬脂和椰子油的碘值由化學(xué)方法測得,測得各樣品的近紅外光譜后結(jié)合偏最小二乘回歸法(PLSR)建立動植物油脂碘值的近紅外光譜模型,并采用距離匹配法對動植物油脂種類進(jìn)行快速鑒別。樣品種類鑒別準(zhǔn)確率達(dá)到100%,碘值預(yù)測的相對誤差小于7%。
1.8 礦物油(石油類)物證檢驗(yàn)
常見的礦物油(石油類)物證通常涉及火災(zāi)現(xiàn)場易燃液體及燃燒殘留物的分析。張曉莉[31]對93#汽油在不同燃燒時間以及不同載體上燃燒的殘留物進(jìn)行紅外光譜分析,確定3 003,2 937,2 912,2 854,1 590,1 440和1 357 cm-1這些特征吸收峰作為分析火場殘留物中是否有汽油成分的依據(jù)。
在物證鑒定領(lǐng)域,檢驗(yàn)分析的要求是盡量無損檢驗(yàn)。紅外光譜分析技術(shù)安全無損,分析速度快,結(jié)果準(zhǔn)確,適合對各種形態(tài)的樣品進(jìn)行快速無損分析,因此在物證鑒定領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛[32]。與此同時,紅外光譜分析技術(shù)在物證鑒定應(yīng)用中也有難以避免的自身局限性:多種物質(zhì)混合時,普遍存在譜峰重疊現(xiàn)象,此時紅外光譜分析效果不佳;紅外光譜技術(shù)可以提供樣品豐富的結(jié)構(gòu)信息,但是在實(shí)際應(yīng)用中往往只是作為比對檢驗(yàn)的手段,如何有效挖掘更深層次的信息,提供更準(zhǔn)確的檢驗(yàn)分析結(jié)果仍然是擺在法庭科學(xué)研究人員面前的一個難題[33-35]。
自從2003年澳大利亞的法庭科學(xué)家Claude Roux[36]將紅外光譜成像技術(shù)引入物證鑒定領(lǐng)域,迅速引起世界范圍內(nèi)的法庭科學(xué)研究者廣泛關(guān)注。紅外光譜成像技術(shù)使得肉眼難以觀察到的紅外輻射以可視圖像呈現(xiàn),同時結(jié)合了紅外光譜能夠?qū)δ承┗衔锂a(chǎn)生特征吸收的鑒別效果。紅外光譜成像技術(shù)不僅可以進(jìn)行物質(zhì)成分分析,而且還能以可視圖像的效果確定各成分在物證表面的分布狀態(tài)[37-38]。
近年來國內(nèi)外的研究人員針對紅外光譜成像技術(shù)在物證鑒定領(lǐng)域的應(yīng)用做了不少的研究工作,并取得了一定的研究進(jìn)展。Bartick等[39]采用紅外光譜成像方法,根據(jù)人體皮膚分泌的化學(xué)物質(zhì)(脂肪酸、酯、蛋白質(zhì)、氨基酸等)成功顯現(xiàn)常見客體表面的潛在指紋。Payne等[40]針對不同品牌的黑色墨水的藍(lán)色墨水,比較了紅外光譜成像法和傳統(tǒng)的檢驗(yàn)方法(文檢儀、薄層色譜、分光光度計)的區(qū)分檢驗(yàn)?zāi)芰?,?yàn)證了紅外光譜成像技術(shù)相比于傳統(tǒng)檢驗(yàn)分析手段的優(yōu)勢。黃紅娟等[41]采用傅里葉顯微紅外成像技術(shù)對印文和書寫字跡先后順序進(jìn)行了研究,根據(jù)成像特征可以對朱墨時序進(jìn)行判斷,并成功對3個樣本進(jìn)行了正確判斷。
紅外光譜技術(shù)結(jié)合化學(xué)計量學(xué)已經(jīng)在制藥、農(nóng)業(yè)、食品和臨床等領(lǐng)域取得了一定的研究成果[42-45]。物證分析領(lǐng)域涉及到的各種物證種類繁多,且組成復(fù)雜,僅僅依靠紅外光譜譜圖對比檢驗(yàn)并不能充分發(fā)揮紅外光譜技術(shù)在物證分析領(lǐng)域的獨(dú)到優(yōu)勢。如何更好地將紅外光譜分析技術(shù)與化學(xué)計量學(xué)結(jié)合,更加科學(xué)地挖掘物證提供的有效信息成為法庭科學(xué)研究者關(guān)注的熱點(diǎn)問題。近年來研究人員應(yīng)用化學(xué)計量學(xué)結(jié)合紅外光譜法解決了物證鑒定領(lǐng)域的不少熱點(diǎn)難題。從發(fā)展態(tài)勢來看,化學(xué)計量學(xué)方法在分子光譜定量和定性分析中發(fā)揮著越來越重要的作用。因此,針對不同的分析對象和鑒定要求,科學(xué)地選擇化學(xué)計量學(xué)方法,將紅外光譜技術(shù)結(jié)合化學(xué)計量學(xué)更好的應(yīng)用于物證檢驗(yàn)鑒定不僅是發(fā)展趨勢也是法庭科學(xué)鑒定工作的時代要求[46-47]。
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(Received Sep.1, 2015; accepted Jan.20, 2016)
*Corresponding author
Application of IR in the Field of Evidence Identification
YU Jing1*,ZHANG Yun1,PANG Song-ying2,WANG Ji-fen2
1.Beijing Forensic Science Institute,Beijing 100054,China 2.Anti-Smuggling Bureau of Shenzhen Custom, Shenzhen 518001, China 3.Chinese People’s Public Security University,Beijing 100038,China
In the process of evidence identification, detecting chemical composition of evidence with instrumental analysis techniques will help get more information relevant to the case quickly and accurately, while the commonly used techniques are chromatography, mass spectrometry and spectroscopy techniques.Forensic science laboratory relates to the identification of evidence from a wide range of complex situations, we need to decide what kind of analytical methods according to the type of physical evidence and instrument characteristics.For example, with the advantages of high resolution, high sensitivity, and strong ability to analysis; gas chromatography-mass spectrometry is often used to detect evidence of fire scene such as flammable liquids.The more common scenarios of the application in forensic science laboratory is related to the case of various organic certificate (ink, paint, plastic, etc.) and inorganic (mineral, inorganic fillers, etc.) for quick and efficient analysis.Infrared spectroscopy is one of the most effective conventional analysis methods to identify and determine the molecular structure of the compound, whihc is especially widely used in the field of forensic science evidence identification.The infrared spectroscopy technique can be used to determine the type of evidence, which also serves as an effective means of test; the test results can offer evidence to the court to settle a lawsuit.This paper reviewed the application status and latest research advances of infrared spectroscopy technique in forensic document examination, oil test, plastic test, paint inspection, fiber inspection, common areas of drugs and other evidence examination, and prospected infrared spectroscopy technology in the field of evidence identification, from a practical point of view to provide infrared spectroscopy research profile for the scientific research personnel.
Infrared spectroscopy;Forensic science;Evidence identification;Review
2015-09-01,
2016-01-20
公安部應(yīng)用創(chuàng)新計劃項(xiàng)目(2012YYCXBJSJ001)資助
余 靜,女,1961年生,北京市刑事科學(xué)技術(shù)研究所教授級高級工程師 e-mail: jingyu28cn@126.com *通訊聯(lián)系人 e-mail: jingyu28cn@126.com
O657
A
10.3964/j.issn.1000-0593(2016)09-2807-05