利用顯微拉曼光譜和光譜成像技術(shù)分析指紋殘留物的研究

李開開,徐少輝

(中國人民公安大學(xué),北京 100038)

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利用顯微拉曼光譜和光譜成像技術(shù)分析指紋殘留物的研究

李開開,徐少輝

(中國人民公安大學(xué),北京 100038)

利用共聚焦顯微拉曼光譜技術(shù),對玻璃片上的油脂指紋進行分析研究。根據(jù)其特征峰位置和數(shù)目將樣品進行分類,并對特征峰所對應(yīng)的分子振動基團進行指認(rèn)。在此基礎(chǔ)上,對玻璃片上的油脂指紋進行拉曼光譜成像,從而獲得油脂指紋紋線物質(zhì)在空間上的分布情況。實驗結(jié)果表明,共聚焦顯微拉曼光譜技術(shù)可以區(qū)分不同成分的指紋殘留物,拉曼成像技術(shù)可以同時獲得指紋的圖像和物質(zhì)成分,對于油脂指紋的提取和分析有廣闊的應(yīng)用前景。

拉曼光譜；拉曼成像；油脂指紋

1 引言

人類應(yīng)用指紋的歷史可以追溯到幾千年前,其人各不同,終身基本不變的特性在刑事案件偵破中發(fā)揮著巨大的作用。但是傳統(tǒng)的指紋顯現(xiàn)方法的效果受較多因素的影響,如指紋遺留條件、化學(xué)反應(yīng)條件、顯現(xiàn)操作工藝、方法靈敏度等,這些因素往往導(dǎo)致指紋顯現(xiàn)效果受到影響,甚至導(dǎo)致破壞現(xiàn)場遺留的指紋,為物證提取和案件偵破帶來一定困難。油脂指紋主要來源于人體自身的皮脂分泌物,此外動物油、礦物油、香精油等外來油脂也是油脂指紋的重要組成部分[1]。

目前,光譜成像基于其快速、無損的特性,已被廣泛應(yīng)用于指紋的顯現(xiàn)和檢驗中[2-4]。光譜成像又稱化學(xué)成像,是通過光學(xué)成像的方法記錄和分析被檢驗物體光譜信息,顯示物體化學(xué)成分分布影像[5]。它結(jié)合了傳統(tǒng)的成像技術(shù)和光譜技術(shù)而同時獲得物質(zhì)圖像(空間信息)和光譜(化學(xué)信息)[6]。通過將反映物質(zhì)成分的光譜特征與成像顯示相結(jié)合,光譜成像可以清晰直觀地描述不同成分在物質(zhì)中的分布情況。

拉曼光譜技術(shù)與紅外光譜同屬于分子振動光譜,可用于探知物質(zhì)的組分、結(jié)構(gòu)和相對含量,利用拉曼光譜技術(shù)對樣品進行分析,具有測試樣品非接觸性、非破壞性、檢測靈敏度高、時間短、樣品所需量小等特點,被廣泛應(yīng)用于法庭科學(xué)、藥物、文物考古、寶石鑒定和醫(yī)學(xué)等方面[7-9]。因此,在對現(xiàn)場遺留指紋進行分析的過程中,除了使用常規(guī)的紫外成像技術(shù)對指紋進行顯現(xiàn)和提取,還可以通過拉曼光譜對指紋殘留物的進行成分分析,從而為案件的偵破提供線索。

手印殘留物主要包括汗液和油脂。由于每個人的汗液分泌情況以及接觸的外來油脂不同,導(dǎo)致不同的人在客體表面留下的指紋所包含的指紋殘留物的成分也各不相同,本文利用拉曼光譜技術(shù)及拉曼成像技術(shù),對不同品牌的潤膚產(chǎn)品油脂形成的指紋殘留物進行檢驗和區(qū)分。

2 實驗方法

2.1 實驗儀器

2.1.1 拉曼光譜分析

運用Thermo Fisher(賽默飛世爾)公司的DXR共聚焦顯微拉曼光譜技術(shù)儀對樣品進行拉曼光譜分析,激發(fā)波長為532 nm。首先用顯微鏡的10倍物鏡在樣品上尋找按捺指紋紋線區(qū)域,再將物鏡切換到100倍,將激光聚焦在指紋紋線上。儀器功率設(shè)置為10 mW,曝光次數(shù)100次,每次曝光時間為0.5 s。使用Origin 7.0軟件對拉曼光譜圖進行分析。

2.1.2 拉曼成像

運用Thermo Fisher高速顯微拉曼成像光譜儀DXR xi進行拉曼成像,分別對涂有五種不同潤膚品的手指形成的油脂指紋進行檢驗。儀器參數(shù)設(shè)定為：拉曼位移400～4000 cm-1；激發(fā)波長：532 nm、780 nm,根據(jù)樣品情況選擇恰當(dāng)?shù)募ぐl(fā)波長；激光功率：10 mW；采用50m共焦針孔。根據(jù)不同的樣本調(diào)整累積次數(shù)為1次、100次、120次、250次；曝光時間為0.1 s、0.5 s。

2.2 實驗樣品制備

收集23種不同品牌的潤膚產(chǎn)品(包括12種護手霜、11種面霜),如表1所示。以相同的涂抹量在手指上擦拭,分別在玻璃片基底上以相同的力度進行指紋按捺,并標(biāo)明序號以及潤膚產(chǎn)品種類和名稱。在按捺指紋時,潤膚產(chǎn)品的涂抹量和按捺力度要盡量保持一致；要保持指紋按捺載體的潔凈,防止對實驗結(jié)果的影響。

Table.1 Types and names of different brands of skin moisturizer

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 油脂指紋的拉曼光譜

利用顯微鏡在白光下進行觀察,將激光聚焦在指紋紋線區(qū)域上；然后對玻璃片上20個油脂指紋樣品進行拉曼光譜分析。

通過對20個不同品牌的潤膚產(chǎn)品形成的油脂指紋在玻璃片上的拉曼光譜進行分析,可以根據(jù)特征峰和位置和數(shù)目將樣品分為以下幾類,歸類依據(jù)是將主要特征峰的位置相同的樣品歸為一類,由于1200～1600 cm-1范圍里的特征峰強度較弱,因此主要參考2800～2900 cm-1特征峰,包括其主峰和肩峰的位置以及峰型。

第一類油脂指紋包括1、3、5號樣品,如圖1(a)所示。它們在558 cm-1和1081 cm-1處存在兩個來自基底的較強特征峰,558 cm-1處的拉曼特征峰來自于玻璃基底(υ(Si-O-Si))。其中3號樣品在2869和 2835 cm-1有兩個強度較弱的特征峰,來源于飽和C-H伸縮振動(ν(C-H))。第二類油脂指紋包括2、6、7、9、12、18號樣品,如圖1(b)所示。它們在2885 cm-1和2842 cm-1處存在由一個主峰劈裂成的兩個強度接近的特征峰,2885 cm-1的峰較寬,2842 cm-1的峰較為尖銳。2885 cm-1、2842 cm-1處的拉曼光譜特征峰來源于飽和C-H伸縮振動(ν(C-H))。第三類油脂指紋包括4、8、14、15、19號樣品,如圖1(c)所示。它們在2872 cm-1和2837 cm-1處存在兩個尖銳的特征峰。與其他樣品相比,除了共有的特征峰外,8號樣品在1288 cm-1、1427 cm-1處有兩個較為明顯的特征峰,14號樣品在1293 cm-1、1426 cm-1和1599 cm-1處存在三個特征峰,說明該油脂指紋的成分中包含有芳香族化合物[10]。第四類油脂指紋包括10、11、16、17號樣品,如圖1(d)所示。它們的共同特點是存在位于2896 cm-1處的主峰,11號樣品除了這一主峰外在2957 cm-1還有一個肩峰,16號樣品這一肩峰的強度更大,17號樣品除主峰外在2870和2839 cm-1還有兩個小峰,10號樣品與其他樣品有相同的峰型,其主峰向高波數(shù)位移至2912 cm-1。

Fig.1 Raman spectra of the four groups of oil fingerprint

Fig.2 Raman spectra of the (a) 13th and (b) 20th oil fingerprint

13號和20號樣品的拉曼光譜較為特殊：13號樣品由于熒光較強,采用了780 nm的激發(fā)波長,這是由于13號樣品選擇了不含油脂的潤膚產(chǎn)品作為對照；其在1467 cm-1處有一個較寬的特征峰,對應(yīng)于CH3變形振動[10]；肩峰位于1951 cm-1處,如圖2(a)所示。20號樣品在1200～1600 cm-1的區(qū)域內(nèi)有多個尖銳的特征峰,如圖2(b)所示。

以2號、14號、16號樣品為例,對其拉曼光譜譜圖特征峰位置進行分析,三個樣品在特征峰的強度以及數(shù)目上存在區(qū)別,如圖3所示：三個樣品在558 cm-1、1085 cm-1處的特征峰一致, 2號和14號樣品比16號樣品多出位于1293 cm-1、1428 cm-1、1646 cm-1的三個特征峰,表明存在不同的分子振動基團；除此之外,在2800～3000 cm-1的區(qū)域,三個樣品的主峰與肩峰強度上存在差異,表明它們存在不同的分子振動模式。這些特征峰的強度和數(shù)目上的差異可以作為區(qū)分這三個樣品的依據(jù)。

Fig.3 Raman spectra of the 2nd、14th and 16th samples

3.2 油脂指紋的拉曼光譜成像

在3.1實驗的基礎(chǔ)上,對5個油脂指紋樣品進行拉曼光譜成像。利用賽默飛高速顯微拉曼成像光譜儀DXR xi在800m×800m的區(qū)域內(nèi)對指紋進行面掃描,得到了較為理想的拉曼成像結(jié)果。圖4(a)為在顯微鏡白光下觀察到指紋的圖像,其中深色部分為指紋紋線；將激光聚焦在指紋紋線區(qū)域上的其中一點上,獲得指紋殘留物的拉曼光譜圖,如圖4(c)所示,選擇實驗參數(shù)時,以在掃描時間和信噪比之間獲得平衡為原則,在盡可能短的掃描時間里獲得能夠清晰辨認(rèn)的拉曼特征峰。以圖4(c)中的特征峰為基準(zhǔn)進行拉曼成像,可以獲得指紋殘留物在平面上的分布情況,并以不同顏色顯示該物質(zhì)成分的強度,如圖4(b)所示?？梢詫上窠Y(jié)果的顏色進行調(diào)整,以增加指紋殘留物與基底之間的反差,圖中黑色的區(qū)域顯示的是載玻片區(qū)域,即指紋殘留物特征峰非常微弱；而在指紋紋線上也可以直觀顯示指紋殘留物特征峰的強度,其中淺灰色是指紋殘留物最為集中的區(qū)域。不同的指紋殘留物在基底中的擴散速度不同,使指紋遺留過程中形成的油脂指紋具有不同的形態(tài)和成分分布。

根據(jù)圖4(c)可知, 1號油脂指紋(Walnut rose mary lemon)在2845 cm-1、2881 cm-1處具有由一個主峰劈裂成的兩個特征峰,該特征峰來源于飽和C-H伸縮振動(ν(C-H))。1441 cm-1的特征峰來源于C-H彎曲振動(δ (CH2)、δ (CH3) asym),546 cm-1處的拉曼特征峰來自于玻璃基底(υ(Si-O-Si)),同時在1082 cm-1處存在一個來自基底的強度較弱的拉曼特征峰。

Fig.4 (a) The image under the white light of microscope,(b) Raman imaging and (c) Raman spectra of 1st oil fingerprint

16號油脂指紋(大寶SOD蜜)的拉曼成像結(jié)果如圖5(b)所示,相對其他樣品來說紋線較寬,殘留物成分分布較為均勻。測量紋線區(qū)域內(nèi)的一點獲得該樣品的拉曼光譜,并以其特征峰為基準(zhǔn)進行成像,16號油脂指紋在1097 cm-1、1435 cm-1、2851 cm-1、2881 cm-1、2900 cm-1處具有拉曼光譜特征峰,如圖5(c)所示。

Fig.5 (a) The image under the white light of microscope,(b) Raman imaging and (c) Raman spectra of 16th oil fingerprint

將激光聚焦在指紋紋線區(qū)域內(nèi)的一點,獲得21號油脂指紋(LANCASTER)的拉曼光譜(圖6(c)),并以此為基準(zhǔn)進行成像。21號油脂指紋的拉曼成像結(jié)果如圖6(b)所示,與1號指紋相比,指紋殘留物所形成的紋線更加清晰,代表指紋殘留物特征峰強度的淺灰色區(qū)域所占的比例也更大,表明遺留有更多指紋殘留物。21號油脂指紋在1634 cm-1的特征峰為反對稱的NO2伸縮振動,1284 cm-1的特征峰為對稱的NO2伸縮振動,說明樣品中含有硝酸烷基酯類[10]。 1421 cm-1的特征峰來源于C-H彎曲振動(δ (CH2)、δ (CH3) asym)。

Fig.6 (a) The image under the white light of microscope,(b) Raman imaging and (c) Raman spectra of 21st oil fingerprint

22號油脂指紋(CARMEX CHERRY)的拉曼成像效果較好,能夠清晰地反映出紋線形態(tài)及指紋殘留物在測量區(qū)域內(nèi)的物質(zhì)分布情況,如圖7(b)所示。根據(jù)圖7(c)可知,22號油脂指紋2848 cm-1、2882 cm-1處的拉曼光譜特征峰來源于飽和C-H伸縮振動(ν(C-H)),1636 cm-1為反對稱的NO2伸縮振動,1441 cm-1的特征峰來源于C-H彎曲振動(δ (CH2)、δ (CH3) asym),位于1172 cm-1的特征峰來自對稱的SO2伸縮振動,來源于磺酸烷基酯類[10]。

23號油脂指紋(雅漾滋潤護手冷霜)的拉曼成像結(jié)果如圖8(b)所示,根據(jù)圖8(c)可知,4號油脂指紋在2881 cm-1、2846 cm-1、1435 cm-1處具有拉曼光譜特征峰,分別對應(yīng)于對稱的CH3伸縮、對稱的CH2伸縮、CH3,CH2變形等分子振動模式[10]。

Fig.7 (a) The image under the white light of microscope,(b) Raman imaging and (c) Raman spectra of 22nd oil fingerprint

Fig.8 (a) The image under the white light of microscope,(b) Raman imaging and (c) Raman spectra of 23rd oil fingerprint

對指紋殘留物進行拉曼成像時,可以進行灰度成像或彩色成像,1號油脂指紋的灰度和彩色成像結(jié)果分別如圖9(a)、9(b)和9(c)所示?？梢钥闯?從區(qū)分指紋紋線的角度,灰度圖像相對于彩色圖像更加清晰,成像效果更好。因此在對指紋進行拉曼光譜成像時,如果遇到彩色圖像不能清晰反映紋線特征時,可以嘗試轉(zhuǎn)換成像結(jié)果為灰度圖像。但是彩色圖像更加有利于觀察指紋殘留物成分在平面上的分布狀況。

Fig.9 (a)Image under the white light of microscope,(b)Raman imaging in gray scale and (c) Raman imaging in color of 1st oil fingerprint

4 結(jié)論

以上結(jié)果表明,利用顯微拉曼光譜技術(shù)對油脂指紋樣品進行分析,可以對不同成分的油脂指紋實現(xiàn)有效區(qū)分；利用拉曼成像技術(shù),可以在獲得指紋紋線形態(tài)圖像的同時,獲得指紋殘留物在特定區(qū)域內(nèi)的物質(zhì)分布情況。在下一步的研究中,可以利用拉曼成像技術(shù),對指紋上的纖維、爆炸殘留物、毒品等微量物證進行成像。拉曼成像技術(shù)在物證鑒定領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

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Analysis of Fingerprint Residues by Micro-Raman Spectroscopy and Spectral Imaging

LI Kai-kai,XU Shao-hui

(People’sPublicSecurityUniversityofChina,Beijing100038,China)

Oil fingerprints residues on glass slides were examined by confocal Raman spectroscopy.The samples were divided into several groups according to the position and number of characteristic peaks.Meanwhile,corresponding molecular vibration groups were identified for each the characteristic peaks.On the basis of that,Raman imaging was also employed to study oil fingerprints residues on glass slides,so as to obtain the distribution of oil fingerprint ridge substance.The experimental results show that the confocal micro-Raman spectroscopy can be used to distinguish oil fingerprint residues with different components,while the Raman imaging technique can be used to obtain the image and the components of fingerprint simultaneously.It has broad application prospect for the extraction and analysis of oil fingerprint.

Raman spectroscopy; Raman imaging; oil fingerprint

2015-06-26; 修改稿日期:2015-10-30

李開開(1985-),女,講師,主要從事分子光譜研究.E-mail：zlkk77@163.com

1004-5929(2016)03-0230-07

O657.37

A

10.13883/j.issn1004-5929.201603008