基于空氣動(dòng)力輔助解吸電噴霧質(zhì)譜技術(shù)的指紋化學(xué)成像研究

史俊穩(wěn) 鄭令娜 馬榮梁 汪冰 陳漢清 王萌 王海芳 豐偉悅

摘?要?指紋分析在法庭科學(xué)科研和實(shí)踐中具有重要意義。與現(xiàn)有的指紋顯影方法相比，基于質(zhì)譜的成像方法不僅可識(shí)別檢測(cè)指紋中的痕量化學(xué)成分，還可獲得清晰高分辨的指紋形態(tài)。本研究采用空氣動(dòng)力輔助解吸電噴霧質(zhì)譜成像（AFADESI-MSI）技術(shù)，在45 L/min的空氣流輔助下，以5 μL/min乙腈為解吸噴霧溶劑，噴霧電壓7000 V，正離子模式（100～1000 Da）下，分析了按壓在打印紙上的汗液、印泥、防曬霜、粉底液共4種指紋。結(jié)果表明，采用AFADESI-MSI技術(shù)不僅能得到指紋中多種內(nèi)源性和外源性物質(zhì)的化學(xué)信息，還能得到指紋的高分辨圖像。此外，根據(jù)指紋中的化學(xué)信息能夠區(qū)分疊加的指紋。AFADESI-MSI技術(shù)作為一種新的指紋分析方法，有望在法庭科學(xué)研究和司法鑒定中得到更廣泛的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞?空氣動(dòng)力輔助解吸電噴霧質(zhì)譜; 指紋分析; 化學(xué)成像

1?引 言

指紋是人手指末端皮膚上凸凹不平的紋線。每個(gè)人的指紋具有唯一性，而且終身不變，因此指紋一直被用于身份識(shí)別和鑒定[1]。傳統(tǒng)的指紋分析方法一般是在獲取圖像后，通過(guò)分析指紋形態(tài)學(xué)上的特征，并與數(shù)據(jù)庫(kù)中已有的樣本指紋比對(duì)而完成鑒定。隨著指紋物證的廣泛使用和分析技術(shù)的快速發(fā)展，指紋化學(xué)成分的檢測(cè)和成像成為指紋分析的重要研究方向。

手指接觸到物體表面后，人體的內(nèi)源性物質(zhì)（如汗液、油脂、服用藥物等）和手指表面殘留的外源性物質(zhì)（如食物、護(hù)膚品、毒品等）會(huì)遺留在指紋中[2]。分析指紋中這些物質(zhì)的化學(xué)成分，可更好地刻畫指紋所有者的生理特征和生活習(xí)慣，有助于身份識(shí)別和鑒定，特別是當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)指紋不能與數(shù)據(jù)庫(kù)中的樣品指紋匹配時(shí)，這種分析尤其重要[3～9]。過(guò)去，分析指紋印中化學(xué)成分的方法（如色譜法[10]）需要繁瑣的前處理過(guò)程，很難在得到指紋化學(xué)成分的同時(shí)得到指紋化學(xué)成像圖，限制了其在司法實(shí)踐中的應(yīng)用。

質(zhì)譜成像方法能夠高靈敏度地原位檢測(cè)多種分子[11～13]，近年開始應(yīng)用于指紋中化學(xué)成分和成像分析，已報(bào)道的相關(guān)質(zhì)譜成像技術(shù)有解吸電噴霧離子化質(zhì)譜（Desorption electrospray ionization mass spectrometry，DESI-MS）[14]、基質(zhì)輔助激光解吸離子化質(zhì)譜（Matrix-assisted laser desorption ionization mass spectrometry，MALDI-MS）[15]、二次離子質(zhì)譜（Secondary ion mass spectrometry，SIMS）[16]、激光誘導(dǎo)隧道電子俘獲質(zhì)譜（Laser activated electron tunneling mass spectrometry，LAET-MS）[17]等。這些方法是用離子束或激光束掃描整個(gè)指紋區(qū)域，記錄每個(gè)點(diǎn)產(chǎn)生的質(zhì)荷比（m/z）信息，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件處理，將這些點(diǎn)的信息進(jìn)行重構(gòu)，從而獲得指紋中化學(xué)物質(zhì)的空間分布圖像。

與上述方法相比，空氣動(dòng)力輔助解吸電噴霧離子化（Air flow assisted desorption electrospray ionization，AFADESI），通過(guò)高速空氣流實(shí)現(xiàn)了離子在大氣壓下的遠(yuǎn)距離傳輸，同時(shí)輔助脫溶劑，從而提高了離子化效率和分析靈敏度，還擴(kuò)展了待測(cè)樣品空間，提高了操作靈活性[18，19]?？諝鈩?dòng)力輔助解吸電噴霧質(zhì)譜成像技術(shù)（AFADESI-MSI）已成功應(yīng)用于動(dòng)物體內(nèi)藥物及其代謝產(chǎn)物成像分析，為新藥研發(fā)[20]、腫瘤病理診斷[21]和腫瘤代謝研究[22]等提供了直觀的方法與手段。然而，到目前為止，有關(guān)其在指紋化學(xué)成像方面的應(yīng)用還未見(jiàn)報(bào)道。

本研究采用AFADESI-MSI技術(shù)，分析了按壓在打印紙上的汗液、印泥、防曬霜、粉底液共4種指紋，從重疊的混合指印中提取到特定的指紋圖像，并可根據(jù)指紋中的化學(xué)信息區(qū)分疊加的指紋。AFADESI-MSI技術(shù)有望在法庭科學(xué)研究和司法鑒定中得到更廣泛的應(yīng)用。

2?實(shí)驗(yàn)部分

2.1?儀器與試劑

四極桿-靜電場(chǎng)軌道阱高分辨質(zhì)譜儀（Q-Exactive，美國(guó)Thermo Fisher公司）; 自制的AFADESI離子源; Microtek Digital 3480 掃描儀（上海中晶科技有限公司）。數(shù)據(jù)分析采用中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院藥物研究所提供的Mass Imager Pro 1.0 質(zhì)譜成像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)[23]。

乙腈（色譜純，德國(guó)Merck公司）; 純水（杭州娃哈哈集團(tuán)有限公司）; 打印紙（A4，廣東亞太森博紙業(yè)有限公司）; 印泥（深圳市金天華印章有限公司）; THE SAEM粉底液（韓國(guó)化妝品株式會(huì)社）; ALLIE防曬霜（日本佳麗寶化妝品株式會(huì)社）。

2.2?實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)室的4人分別用右手食指，在打印紙上按壓汗液、印泥、防曬霜和粉底液4種指紋，用相機(jī)拍照留存光學(xué)照片。在另一張打印紙上重疊按壓印泥、防曬霜和粉底液指紋，得到疊加指紋。印泥指紋按壓依據(jù)實(shí)際按手印的方式進(jìn)行，防曬霜和粉底液指紋按照使用人平時(shí)正常涂抹后按壓得到。

選取肉眼可見(jiàn)的印泥指紋，采用不同比例的乙腈-水溶液作為AFADESI的噴霧溶劑，流速范圍為1～10 μL/min，觀察總離子流和成像效果，選擇合適的實(shí)驗(yàn)條件。優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)條件見(jiàn)表1。依據(jù)此工作條件對(duì)打印紙上的汗液指紋以及印泥、防曬霜、粉底液殘留指紋和疊加指紋分別做化學(xué)成像分析。用Mass Imager Pro 1.0軟件處理和分析質(zhì)譜數(shù)據(jù)： 首先將質(zhì)譜數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和重構(gòu)，生成初步圖形后，進(jìn)行質(zhì)譜像素校準(zhǔn)和質(zhì)譜圖形分辨率增強(qiáng)，選擇背景區(qū)域信號(hào)進(jìn)行背景扣除，然后調(diào)取光學(xué)照片校準(zhǔn)圖形尺寸，最后選擇目標(biāo)區(qū)域的質(zhì)譜信號(hào)，得到質(zhì)譜成像圖。具體數(shù)據(jù)處理過(guò)程參見(jiàn)文獻(xiàn)[23]。

3?結(jié)果與討論

3.1?不同指紋AFADESI-MSI質(zhì)譜圖

按照表1的實(shí)驗(yàn)條件，依次分析了印泥指印、汗液指印、粉底液指印和防曬霜指印，不同樣品的質(zhì)譜圖見(jiàn)圖1。不同指紋所包含的化學(xué)組分具有明顯差異。比較4種指紋的質(zhì)譜圖，可發(fā)現(xiàn)汗液指紋中檢測(cè)到豐富的分子信息，所有指紋質(zhì)譜圖中都出現(xiàn)m/z 284.3304和m/z 312.3615的兩種分子（圖1B）; 在印泥（圖1A）、粉底液（圖1C）和防曬霜（圖1D）指紋中都檢測(cè)到了更大分子量的外源性物質(zhì)，并獲得了精確分子量（表2）。

分析圖1A中的印泥的主成分物質(zhì)，其質(zhì)荷比從m/z 389.2492到m/z 621.4157依次相差相同的質(zhì)量數(shù)，平均值為58.0416，與聚丙二醇（PPG）的單體精確分子量58.0419吻合，所以推測(cè)此種印泥含有PPG組分。在工業(yè)領(lǐng)域，低分子量PPG常作為表面活性劑添加在油墨中，用于提高印油的鋪展性和顏色均一性。質(zhì)譜結(jié)果驗(yàn)證了印油指紋中存在PPG。圖1B中汗液指紋的主要成分的精確分子量為284.3304和312.3615，相差28.0311（對(duì)應(yīng)C2H4）。圖1C中的粉底液的主要化學(xué)成分，其質(zhì)荷比從m/z 409.1820到673.3375依次相差相同的質(zhì)量數(shù)，平均值為44.0259，與聚乙二醇（PEG）的單體精確分子量44.0262吻合，所以推測(cè)此種粉底液中含有PEG組分，而PEG是一種常用于化妝品的化學(xué)試劑。防曬霜指紋（圖1D）中主要化學(xué)成分的精確分子量為493.3481和509.3221，分別為三異辛酸甘油酯加Na峰和三異辛酸甘油酯加K峰，其中三異辛酸甘油酯是防曬霜中常見(jiàn)化學(xué)組分。

3.2?不同指紋的質(zhì)譜成像顯影

圖2中顯示了從印泥局部放大質(zhì)譜圖中選取不同m/z的分子，通過(guò)成像軟件得到的指紋質(zhì)譜成像圖，可以看出，無(wú)論是高分子量組分還是低分子量組分都可得到清晰的指紋圖像。本研究采用的AFADESI離子源與高分辨的質(zhì)譜儀聯(lián)用，可同時(shí)得到多種m/z離子的質(zhì)譜成像圖，應(yīng)用Mass Imager Pro 1.0質(zhì)譜成像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可方便選取目標(biāo)物，實(shí)現(xiàn)成像輸出。

圖3中展示了印泥、汗液、粉底液和防曬霜中主成分指紋成像圖以及相對(duì)應(yīng)的光學(xué)照片（粉底液、汗液和防曬霜指紋肉眼不可見(jiàn)，光學(xué)圖均采用紅墨水指?。??？汕逦^察到AFADESI-MSI指紋具有與光學(xué)照片中所示相同的特征，如分叉（圖3A印泥指紋）、螺旋特征（圖3B、3C和3D）。

3.3?重疊指紋的質(zhì)譜成像識(shí)別

在同一位置上有兩個(gè)或兩個(gè)以上疊加而成的指紋稱為重疊指紋。重疊指紋廣泛存在于公共場(chǎng)合（包括犯罪現(xiàn)場(chǎng)），如門把手、水杯、液晶屏幕等。在缺少單個(gè)指紋檢材的情況下，若能將其成功分離，可為偵查破案提供重要線索，為訴訟審判提供有力證據(jù)。 本研究采用的AFADESI-MSI技術(shù)在獲得指紋清晰圖像的同時(shí)，還可獲知指紋中特定的物質(zhì)成分，因此，選取不同指紋中特有的物質(zhì)組分進(jìn)行指紋顯影就可很好地區(qū)分不同指紋。打印紙上印泥、粉底液和防曬霜的重疊指紋模型如圖4A所示，通過(guò)3種指紋中已檢測(cè)出的特定組分進(jìn)行質(zhì)譜成像指紋顯影，上述3種指紋得到了完全分離，分別得到了印泥（圖4B）、粉底液（圖4C）和防曬霜（圖4D）的單個(gè)指紋圖像。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于未知潛在指紋的分離提取，可通過(guò)每次掃描后的多種分子信息中尋找最具有識(shí)別特征和清晰的指紋顯現(xiàn)結(jié)果。在應(yīng)用于指紋分析時(shí)，MALDI-MSI技術(shù)在分析小分子時(shí)有基質(zhì)干擾[15]。 AFADESI-MSI使用氣流輔助提高了靈敏度[18]，在分析指紋樣品時(shí)可獲得更多的化合物信息，更有利于未知潛在指紋的分離提取工作。還可將AFADESI-MSI與無(wú)機(jī)元素成像方法結(jié)合，以獲得更準(zhǔn)確的指紋提取結(jié)果[24]。

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