飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜在法庭科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究

孫令輝，趙雅彬

(中國(guó)人民公安大學(xué)偵查學(xué)院，北京 100038)

0 引言

二次離子質(zhì)譜(Secondary Ion Mass Spectrometry，SIMS)，是一種檢測(cè)帶電粒子的質(zhì)譜檢測(cè)方法[1]。其工作原理為離子源發(fā)射聚焦的一次離子束轟擊樣品表面，受到高能離子撞擊所產(chǎn)生的能量傳遞，樣品表面原子發(fā)生“級(jí)聯(lián)碰撞”，部分原子因碰撞返回到樣品表面，從而濺射出多種表層粒子(包括中性粒子、帶電粒子)，其中的帶電粒子又被稱作二次離子(見圖1)。二次離子進(jìn)入質(zhì)量分析器后按質(zhì)荷比(m/z)的不同被分離檢測(cè)，從而得到樣品表面的質(zhì)譜信息。此外，通過(guò)計(jì)算機(jī)記錄下每個(gè)像素點(diǎn)上不同離子的強(qiáng)度、空間位置坐標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)化學(xué)成像。SIMS的起源可以追溯至1910年Thomson[2]實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)二次離子現(xiàn)象，距今已有100多年歷史。

圖1 二次離子質(zhì)譜原理示意圖[1]

飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜(Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry，TOF-SIMS)采用飛行時(shí)間質(zhì)量分析器(Time of Flight Analyzer)，根據(jù)不同m/z飛行時(shí)間的差異實(shí)現(xiàn)質(zhì)譜分離。自上世紀(jì)70年代第一臺(tái)商用TOF-SIMS面世以來(lái)，TOF-SIMS逐漸被廣泛應(yīng)用于法庭科學(xué)、生物醫(yī)藥、環(huán)境材料等領(lǐng)域。目前TOF-SIMS檢測(cè)靈敏度最高可達(dá)PPB級(jí)，分辨率達(dá)亞微米級(jí)，能夠?qū)Ω黝悷o(wú)機(jī)、有機(jī)樣品近無(wú)損地化學(xué)成像與質(zhì)譜解析，此外還可以通過(guò)濺射實(shí)現(xiàn)3D深度剖析。

基于TOF-SIMS分析成像的優(yōu)勢(shì)，研究者們將其應(yīng)用到了更為靈敏和微觀的物質(zhì)分析發(fā)現(xiàn)工作中，尤其近些年，將TOF-SIMS應(yīng)用于刑事偵查、物證溯源方面的研究越來(lái)越多。在Web of Science核心數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索 “TOF-SIMS”、“Forensic Science”，對(duì)所選文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并通過(guò)VOSviewer軟件繪制聚類圖譜(見圖2)?？梢钥闯?，TOF-SIMS在法庭科學(xué)的應(yīng)用主要集中于指紋、文件檢驗(yàn)、槍彈殘留物檢驗(yàn)、毒物毒品等領(lǐng)域。在對(duì)上述物證分析成像的過(guò)程中，還結(jié)合了紅外光譜、掃描電鏡等其他測(cè)試手段以期達(dá)到精確鑒定的目的。

1 TOF-SIMS對(duì)指紋的化學(xué)成像研究

指紋曾被譽(yù)為“證據(jù)之首”，在形態(tài)學(xué)層面具有“人各不同，終身基本不變”的特性。但除了形態(tài)學(xué)價(jià)值，指紋中還蘊(yùn)含著豐富的物質(zhì)信息[3]，既有無(wú)機(jī)鹽、氨基酸、脂肪酸等內(nèi)源性成分，也有外源性物質(zhì)。傳統(tǒng)指紋檢驗(yàn)技術(shù)難以處理疑難指紋，缺乏對(duì)指紋物質(zhì)信息的深入挖掘，TOF-SIMS作為一種高分辨、近無(wú)損、高通量的分析手段，可以在展現(xiàn)指紋物質(zhì)空間分布的同時(shí)提供化學(xué)質(zhì)譜信息，給指紋以更廣闊的應(yīng)用價(jià)值。

1.1 對(duì)指紋物質(zhì)的成像分析

確定犯罪現(xiàn)場(chǎng)遺留指紋含有的特定物質(zhì)對(duì)于推斷嫌疑人個(gè)體特征、判斷案前活動(dòng)具有重要意義。2007年，Szynkowska課題組[4]首次使用TOF-SIMS對(duì)銅片、載玻片上自然遺留的潛在指紋進(jìn)行化學(xué)成像(見圖3a)，Na+、K+等內(nèi)源離子呈現(xiàn)出指紋形態(tài)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)指紋形態(tài)學(xué)與化學(xué)信息的同步分析。除此之外，他們還在遺留的指紋中檢出了槍彈殘留物(GSR)、砒霜(As2O3)、Ni(NO3)2·6H2O三類物質(zhì)的特征離子?；谙惹暗难芯浚?009年，該團(tuán)隊(duì)[5]又利用TOF-SIMS在玻璃上檢出指紋所沾染的苯丙胺、四甲基苯丙胺、搖頭丸3種毒品的成分。

憑借TOF-SIMS出色的空間分辨能力、較高的靈敏度，2010年Hinder等人[6]將分析對(duì)象從無(wú)機(jī)客體推向有機(jī)客體上的指紋，利用檢出的特征離子對(duì)購(gòu)物袋、報(bào)紙等有機(jī)表面上的沾染有潤(rùn)滑劑、護(hù)膚品、氟化無(wú)機(jī)粉末的指紋進(jìn)行成像，清晰地呈現(xiàn)出指紋的終點(diǎn)、分歧、小點(diǎn)、小棒等二級(jí)特征(見圖3b)，結(jié)果表明有機(jī)客體的類型對(duì)指紋成像質(zhì)量有一定的影響，該實(shí)驗(yàn)還分離了有機(jī)客體上的重疊指紋。除了檢測(cè)常規(guī)的有機(jī)樣本，2020年趙雅彬課題組[7]嘗試挑戰(zhàn)疑難有機(jī)客體——長(zhǎng)期流通過(guò)的人民幣，通過(guò)TOF-SIMS成功獲取到客體上指紋的三級(jí)形態(tài)特征，并且檢出指紋中的保濕乳成分丙三醇(見圖3c)，這為判斷遺留者的行為特征提供了可行的分析方法。綜上，從無(wú)機(jī)客體推廣至有機(jī)客體乃至疑難客體，從呈現(xiàn)指紋大概形貌到顯出三級(jí)特征，TOF-SIMS對(duì)于指紋物質(zhì)的成像檢測(cè)愈發(fā)成熟，但目前的研究大多集中于對(duì)指紋外源性沾染物以及內(nèi)源性無(wú)機(jī)離子(Na+、K+)的分析，鮮有研究報(bào)導(dǎo)SIMS對(duì)指紋大分子有機(jī)物、代謝物的檢測(cè)。

1.2 與傳統(tǒng)指紋顯現(xiàn)方法聯(lián)用

受限于指紋遺留客體、遺留時(shí)間等因素影響，當(dāng)處理遺留條件較差的指紋時(shí)，傳統(tǒng)指紋顯現(xiàn)方法往往難以滿足指紋鑒定的需求。相較于紅外光譜法(FTIR)[8]以及基質(zhì)輔助激光解吸電離質(zhì)譜(MALDI MS)[9]對(duì)于指紋的增強(qiáng)處理，SIMS具有更高的空間分辨率，增強(qiáng)顯現(xiàn)更清晰。2013年，Bailey團(tuán)隊(duì)[10]報(bào)道了應(yīng)用TOF-SIMS對(duì)鋁箔、手榴彈上顯現(xiàn)過(guò)指紋的增強(qiáng)處理方法，通過(guò)對(duì)待測(cè)客體上502處理過(guò)的指紋進(jìn)行成像增強(qiáng)，呈現(xiàn)出指紋的汗孔特征。此外，本實(shí)驗(yàn)還比較了惡劣條件下SIMS與傳統(tǒng)方法的靈敏度，用水浸、掩埋等方式處理捺有指紋的玻璃樣本，經(jīng)分析對(duì)比TOF-SIMS的指紋成像質(zhì)量均高于傳統(tǒng)指紋顯現(xiàn)方法。所以當(dāng)處理顯現(xiàn)效果不佳或遺留條件較差的指紋時(shí)，TOF-SIMS無(wú)疑是一個(gè)很好的選擇。

圖3 TOF-SIMS對(duì)指紋物質(zhì)的成像：(a)TOF-SIMS采集的銅片表面指紋圖像[4]；(b)有機(jī)客體上指紋的TOF-SIMS成像[6]；(c)TOF-SIMS對(duì)流通過(guò)人民幣上指紋的化學(xué)成像[7]

1.3 推斷指紋遺留時(shí)間

判定指紋遺留時(shí)間一直是指紋研究領(lǐng)域的難點(diǎn)，指紋物質(zhì)成分復(fù)雜且隨時(shí)間變化受干擾的因素繁多。TOF-SIMS憑借高空間分辨以及多組分同時(shí)成像的能力，為探究指紋遺留時(shí)間提供了新的可能。區(qū)別于其他研究團(tuán)隊(duì)從光學(xué)特性[11-14]、電效應(yīng)[15]、物質(zhì)含量變化[16-19]等角度入手，Muramoto等人[20]通過(guò)測(cè)定指紋物質(zhì)擴(kuò)散推斷遺留時(shí)間(見圖4)。利用TOF-SIMS對(duì)指紋中的棕櫚酸成像分析，結(jié)果表明，硅片上相對(duì)新鮮指紋可以通過(guò)棕櫚酸的擴(kuò)散建立損失函數(shù)模型預(yù)測(cè)遺留時(shí)間。后續(xù)研究應(yīng)著重于擴(kuò)大樣本量，增加遺留客體種類，拉長(zhǎng)樣本遺留時(shí)間。為保證實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性還應(yīng)設(shè)立空白樣本對(duì)照，結(jié)合多組分的擴(kuò)散作出綜合推斷。

圖4 (a)TOF-SIMS對(duì)不同遺留時(shí)間指紋中棕櫚酸的化學(xué)成像；(b)棕櫚酸擴(kuò)散與指紋遺留時(shí)間的函數(shù)模型[20]

1.4 提升TOF-SIMS檢測(cè)指紋物質(zhì)能力

圖5 氧化石墨烯輔助TOF-SIMS成像檢測(cè)指紋中大分子物質(zhì)[22]

TOF-SIMS定量能力較弱、碎片化嚴(yán)重，固有缺陷限制了TOF-SIMS分析指紋物質(zhì)的能力，尤其是定量分析和大分子有機(jī)物檢測(cè)。Muramoto課題組、張新榮團(tuán)隊(duì)分別從實(shí)驗(yàn)分析創(chuàng)新、基底輔助增強(qiáng)兩方面提出解決方案。2015年，Muramoto等人[21]利用TOF-SIMS對(duì)指紋表面的可卡因、甲基苯丙胺和海洛因進(jìn)行空間成像定量，通過(guò)檢測(cè)三類物質(zhì)既定含量的噴墨打印陣列，構(gòu)建了信號(hào)強(qiáng)度與藥物沉積量的標(biāo)準(zhǔn)曲線，實(shí)現(xiàn)了指紋中毒品空間分布的定量可視化。本次研究驗(yàn)證了TOF-SIMS對(duì)于毒品的定量檢測(cè)能力優(yōu)于解吸電噴霧電離質(zhì)譜(Desorption Electrospray Ionization Mass Spectrometry，DESI-MS)，不同的基底、物質(zhì)對(duì)于SIMS的定量化分析也有較大的影響。張新榮團(tuán)隊(duì)[22]則利用氧化石墨烯基質(zhì)輔助增強(qiáng)TOF-SIMS，提升指紋大分子物質(zhì)的檢測(cè)能力(見圖5)。劇毒物生物堿(m/z>600)和抗生素藥物(m/z>700)的二次離子信號(hào)檢出率顯著提高，對(duì)其空間分布進(jìn)行成像，得到指紋單根紋線上清晰的汗孔特征[23]。

2 TOF-SIMS在文件檢驗(yàn)領(lǐng)域的應(yīng)用

TOF-SIMS具備亞微米級(jí)的空間分辨率、原位近無(wú)損的成像能力，可應(yīng)用于文件檢驗(yàn)的諸多分析中。與文檢常規(guī)方法相比，TOF-SIMS分析檢材客觀性強(qiáng)、不受背景干擾、檢測(cè)靈敏度高，能從物質(zhì)成分層面辨析油墨成分，這一表面分析技術(shù)為解決鑒定朱墨時(shí)序、書寫工具、纂改文件等重難點(diǎn)問(wèn)題開辟了新路徑。

2.1 鑒別油墨成分和書寫工具

TOF-SIMS可以在不破壞樣本油墨的同時(shí)，獲取樣本組分信息，達(dá)到鑒別不同書寫工具的目的。2008年，Denman團(tuán)隊(duì)[24]利用TOF-SIMS、電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)分析了不同品牌的鉛筆字跡，結(jié)合主成分分析法(PCA)在無(wú)機(jī)元素層面成功將不同鉛筆區(qū)分開來(lái)，結(jié)果初步表明同一品牌不同批次的鉛筆字跡也存在成分差異。該研究團(tuán)隊(duì)[25]還于2010年發(fā)表研究成果，通過(guò)TOF-SIMS檢測(cè)結(jié)合多元統(tǒng)計(jì)分析對(duì)不同藍(lán)色圓珠筆進(jìn)行區(qū)分，鑒別率達(dá)91%。2009年，Coumbaros等人[26]將TOF-SIMS應(yīng)用于圓珠筆鑒別的同時(shí)，提出薄層色譜(TLC)聯(lián)用TOF-SIMS分析油墨的方法，通過(guò)TOF-SIMS原位檢測(cè)分離后的TLC板，可以鑒別油墨單一成分。

2.2 判斷指紋捺印與油墨的先后順序

圖6 根據(jù)油墨的特征離子m/z 358.2，利用TOF-SIMS對(duì)重疊指紋和油墨進(jìn)行線掃描得到的離子強(qiáng)度圖[27]

2.3 確定朱墨時(shí)序及篡改文件

TOF-SIMS同樣適用于判斷朱墨時(shí)序問(wèn)題。2014年，Lee團(tuán)隊(duì)[30]通過(guò)SIMS成像確定了圓珠筆書寫、激光打印、紅色油墨三者的順序(見圖7a)，通過(guò)對(duì)比表明TOF-SIMS對(duì)于朱墨時(shí)序的鑒別能力強(qiáng)于紅外光譜法。因TOF-SIMS成像是基于不同特征離子，所以可排除顏色的視覺(jué)干擾，Lee課題組[31]利用TOF-SIMS鑒別了不同打印以及書寫工具所形成的紅色油墨，通過(guò)SIMS深度剖析模式判斷了同為紅色油墨的朱墨時(shí)序。此外，根據(jù)不同筆墨物質(zhì)成分差異，對(duì)特征離子分別成像，確定了不同紅筆篡改的字跡(見圖7b)。然而，TOF-SIMS對(duì)于朱墨時(shí)序的鑒定也存在諸多挑戰(zhàn)，2016年Goacher等人[32]研究發(fā)現(xiàn)有別于鑒別藍(lán)色墨跡,SIMS判別黑色圓珠筆墨跡的疊加順序大大受限，無(wú)論是更換不同的一次離子還是結(jié)合PCA、MCR等分析手段，仍無(wú)法準(zhǔn)確鑒定朱墨時(shí)序。此外，通過(guò)TOF-SIMS還初步觀察到遺留時(shí)間所導(dǎo)致墨跡的離子強(qiáng)度變化，這為判斷書寫時(shí)間做出了初步的探索。

圖7 (a)TOF-SIMS對(duì)中性筆、氈尖筆、圓珠筆三者兩兩交叉的化學(xué)成像[30]；(b)紅色筆篡改字跡的TOF-SIMS成像分析[31]

3 TOF-SIMS對(duì)微量物證的分析鑒別

微量物證量小體微，諸如槍彈殘留物、毛發(fā)、纖維、涂料等，常規(guī)的檢測(cè)手段很難達(dá)到鑒定要求。此類物證往往是分離、不完整的，需要充分檢測(cè)部分以反映整體信息。TOF-SIMS具備這一能力，可以對(duì)微量檢材近無(wú)損檢測(cè)，靈敏度極高，因而十分適用于微量物證分析。

3.1 槍彈殘留物檢驗(yàn)

檢測(cè)槍彈殘留物(gunshot residue，GSR)是TOF-SIMS研究熱點(diǎn)之一。2001年Coumbaros等人[33]首次對(duì)0～22 in口徑左輪手槍擊發(fā)后的GSR進(jìn)行分析，檢出了Pb2+、Cu2+、Na+、K+等特征離子，并對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成像。將分析結(jié)果與掃描電鏡能譜(SEM-EDX)進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)TOF-SIMS的靈敏度更高、檢測(cè)范圍更大，通過(guò)深度剖析，SIMS能提供GSR粒子深層的組分信息。因此在GSR關(guān)鍵元素(Pb、Ba、Sb等)含量較低的情況下，TOF-SIMS可以作為SEM-EDX檢測(cè)GSR的有力補(bǔ)充。Szynkowska課題組[34]于2012年利用TOF-SIMS在膠帶轉(zhuǎn)印后的指紋中檢出了GSR的特征離子，驗(yàn)證了檢驗(yàn)GSR實(shí)際操作的可行性。2016年Coumbaros團(tuán)隊(duì)[35]在GSR中檢出玻璃和火藥的熔融顆粒，經(jīng)TOF-SIMS結(jié)合SEM-EDX分析，在0～22 in口徑彈藥的GSR中普遍檢出不同亞型的玻璃成分，該研究為GSR分析檢驗(yàn)增加了新的維度?；贑oumbaros的工作，針對(duì)澳大利亞小口徑彈藥缺乏GSR常見特征元素、鑒別難度大的問(wèn)題，Seyfang團(tuán)隊(duì)[36]致力于獲取彈藥中的玻璃成分(glass-containing GSR，gGSR)信息，通過(guò)聚焦離子束剝蝕(FIB)結(jié)合TOF-SIMS分析成功檢出gGSR，并區(qū)分了Winchester、PMC Zapper兩種彈藥的組分差異。

3.2 毛發(fā)檢驗(yàn)

3.3 其他微量物證

分析鑒別炸藥成分有助于確定爆炸物的來(lái)源、制造過(guò)程、地理位置以及生產(chǎn)批號(hào)等信息?；赥OF-SIMS高通量、多組分、高靈敏度的分析優(yōu)勢(shì)，2006年Mahoney等人[46]利用TOF-SIMS從3種不同的無(wú)煙火藥和6種不同的黑色火藥樣品中獲取特征質(zhì)譜，在PCA分析的幫助下成功區(qū)分不同的樣品。2010年，Mahoney[47]還使用TOF-SIMS區(qū)分了3種型號(hào)的C4 炸藥樣品，通過(guò)化學(xué)成像表征了樣品中添加劑的空間分布(見圖8b)。

交通事故、肇事逃逸等涉車案件通常會(huì)提取到油漆碎片，油漆可以排查車輛型號(hào)。Muramoto團(tuán)隊(duì)[48]于2018年利用TOF-SIMS對(duì)汽車油漆橫截面分析，各涂層的化學(xué)成分可以通過(guò)PCA予以區(qū)分，此研究體現(xiàn)了SIMS檢測(cè)汽車油漆的優(yōu)勢(shì)，可以直觀展現(xiàn)出油漆各涂層的組分信息(見圖8c)。此外，SIMS技術(shù)也用于檢測(cè)血液等其他微量物證，2015年P(guān)ai-Shan Chen團(tuán)隊(duì)[49]利用TOF-SIMS結(jié)合PCA分析直接檢測(cè)全血中的氯胺酮(見圖8d)，該研究提供了一種高效、準(zhǔn)確、高通量的血液藥物篩查方法。

圖8 (a)TOF-SIMS對(duì)尼龍截面酸性藍(lán)25染料的化學(xué)成像[45]；(b)正離子模式下C4炸藥的TOF-SIMS表征[47]；(c)利用TOF-SIMS獲取的汽車油漆橫截面離子圖[48]；(d)基于SIMS檢測(cè)，利用PCA區(qū)分血液中是否含有氯胺酮[49]

4 結(jié)論與展望

飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜逐漸成為指紋、文檢、微量物證等法庭科學(xué)領(lǐng)域的前沿?zé)狳c(diǎn)分析技術(shù)，TOF-SIMS實(shí)現(xiàn)了對(duì)樣品組分的信息檢測(cè)以及空間分布可視化，具備高靈敏、免標(biāo)記、高通量、無(wú)需前處理、近無(wú)損原位分析的優(yōu)勢(shì)，在物證分析溯源研究中被廣泛應(yīng)用。但是受限于二次離子碎片化嚴(yán)重、大分子物質(zhì)產(chǎn)率低的缺陷，TOF-SIMS譜圖解析存在一定難度。此外SIMS對(duì)真空度要求很高且腔體空間有限，體積較大或蓬松多孔的客體直接進(jìn)樣困難，距實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用還存在一定距離。

從規(guī)避儀器局限性出發(fā)，可以通過(guò)基質(zhì)輔助增強(qiáng)TOF-SIMS檢測(cè)物證的能力，提升大分子物質(zhì)的檢出率。其次，結(jié)合多元統(tǒng)計(jì)方法、深度學(xué)習(xí)算法充分挖掘TOF-SIMS譜圖蘊(yùn)含的豐富信息，嘗試基于碎片離子信號(hào)進(jìn)行個(gè)體同一認(rèn)定判斷。利用膜轉(zhuǎn)移技術(shù)對(duì)客體上的待測(cè)部位進(jìn)行物質(zhì)轉(zhuǎn)移，對(duì)轉(zhuǎn)移膜進(jìn)行化學(xué)成像，這也是TOF-SIMS測(cè)定無(wú)法直接進(jìn)樣或難以抽真空客體的一大趨勢(shì)。此外，TOF-SIMS儀器下一步的發(fā)展方向還應(yīng)著力于改善硬件以提高空間分辨率與大分子二次離子的產(chǎn)率。

從研究角度入手，未來(lái)TOF-SIMS在法庭科學(xué)領(lǐng)域的研究趨勢(shì)：一是與現(xiàn)有的檢驗(yàn)方法聯(lián)用。探討TOF-SIMS對(duì)于傳統(tǒng)檢驗(yàn)方法的影響，以及SIMS對(duì)現(xiàn)有方法的后續(xù)增強(qiáng)效果，完善標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)流程。二是與其他儀器聯(lián)用，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。諸如聯(lián)用掃描電鏡、氣質(zhì)液質(zhì)等，TOF-SIMS是近無(wú)損檢測(cè)，完全可以后續(xù)聯(lián)用其他分析儀器，充分發(fā)揮儀器特性，提升證據(jù)價(jià)值。三是建立標(biāo)準(zhǔn)離子譜庫(kù)。SIMS譜圖碎片化嚴(yán)重，特別是對(duì)于大分子有機(jī)物難以確認(rèn)，建立常見物證標(biāo)品的TOF-SIMS離子庫(kù)對(duì)于譜圖解析尤為重要。總之，TOF-SIMS作為一種分辨率極高的表面分析技術(shù)，十分適用于對(duì)常見物證的化學(xué)成像分析，未來(lái)在法庭科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。