Application Note: 51517 傅立葉變換紅外（FT-IR）顯微光譜在法醫學及犯罪實驗室分析中 的應用 Claude Robotham, Ph.D., Federico Izzia, Thermo Fisher Scientific, Madison, WI, USA 關鍵詞 y 偽造品 y 傅立葉變換紅外顯微光譜 y 毛發 y 油墨 y 油漆 y 藥片 引 言 法醫學和犯罪實驗室所涉及的樣品從藥物到纖維，而其中一些樣品非常微小，所以通常應用光 學顯微鏡來協助檢測從犯罪現場收集到的這些證據。光學顯微鏡的可視化能為測試者提供證據的清 晰圖片，尤其是在顯微水平。然而，有時為了證實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信息的，而且可靠又靈活的分析技術。 以往的經驗已經證實了傅立葉變換顯微紅外光譜儀對法醫學家是一種非常有價值的工具。 FT-IR 顯微光譜可進行快速、無損地分析 10 微米尺度的樣品，大大拓展了常規 FT-IR 光譜的應用。 新型的 Thermo Scientific NicoletTM iNTM 10 傅立葉變換顯微紅外光譜儀是光學顯微鏡與 FT-IR 組成 的一個完整的紅外光譜檢測系統。Nicolet iN10 為法醫學家提供了一款可進行違禁藥品、毛發、纖 維、油墨和油漆的可視化和化學分析的工具。Nicolet iN10 的整合設計無需外部額外的光譜儀，是 一款功能強大的、結構緊湊的傅立葉變換顯微紅外光譜儀。 證據對于任一訴訟案件都是至關重要的一個因素。通過驗證的傅立葉變換顯微紅外光譜儀性能 的獨特能力，首次為檢測者和陪審團提供了可靠的數據。Nicolet iN10 無需液氮即可運行，允許實 驗室在任何場所快速進行證據檢測。OMNICTM PictaTM 軟件即使對于未經培訓過的顯微鏡工作者操 作起來也非常簡便、快捷。強大的向導功能指導使用者通過反射、透射以及衰減全反射等模式進行 檢測。 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來制 造偽鈔了。技術上的進步（影印復印機或掃描儀的出現）使得那些沒有嫻熟技能的人也能造出高質 量的偽鈔。但是，印刷過程中所使用的紙和墨具有明顯的特征，通過這些特征可以鑒定偽鈔甚至可 以追蹤它們的來源。 元素分析、X 射線和質譜是典型分析油墨的方法。這些方法雖然能對油墨進行全面的表征，但 是需破壞樣品而且比較耗費時間。由于纖維素在 1200-950cm-1 存在強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有得到廣泛的應用。然而，紅外成像和衰減全反射 FT-IR 顯微技術 的快速和無損特性已經成為分析犯罪證據時的一種最有效的技術。Nicolet iN10 顯微鏡在偽造文件 的分析中正發揮著重要的作用。 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 用的油墨通過目檢就可以從膠印技術上區分開來。然而隨著高級印刷技術的出現，這種方法顯的越 來越困難。傅立葉變換顯微紅外光譜儀即可以對油墨也可以對紙進行快速化學成像。這提供了毋庸 置疑的信息，可拿這些信息直接與真文件進行比較。 圖 1 顯示了 20 美金紙鈔的化學圖像。黑色油墨可以從化學成分上與紙及周圍背景的墨區分開 來。可通過比較化學圖像和光學圖像來顯示紅外顯微信息的高分辨率。一旦通過快速化學成像獲得 了想要的信息，就可以使用衰減全反射分析來提供詳細的光譜信息（包含纖維素的一些干擾信息）。 圖 1：（左上） 20 美元現金 上安德魯 ? 杰 克遜眼睛的化 學圖像 （ 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。化 學圖像突出顯 示了分布，而 衰減全反射分 析提供了油墨 的詳細光譜信 息。 纖維及毛發分析 在一些犯罪現場往往能發現許多類型的纖維，這些纖維能提供一些有價值的信息甚至是至關重 要的信息。例如，法醫學家經過訓練不僅鑒別體毛特征和形態，而且還可以將這些特征和形態與特 定種族人群相關聯起來。這些信息也許在確認潛在的犯罪嫌疑人時會有一些用處，但卻不能將不同 的嫌疑犯區別開來。傅立葉變換顯微紅外光譜儀能夠將毛發纖維光學顯微分析和很有價值的、可以 區分的紅外化學信息結合在一起。頭發纖維的化學信息可以揭示殘留的美發劑產物（如噴發劑和調 節劑）以及由于化學處理（如漂白）而發生的蛋白質結構變化。這些額外的信息在確認犯罪嫌疑人 方面可能非常重要。 頭發的氧化可因化學因素引起也可因天然的太陽光所致。化學氧化劑如過氧化氫和過硫酸鹽在 漂白產物中可經常發現。頭發中的胱氨酸可被氧化為磺丙氨酸，導致 S=O 伸縮振動吸收峰增強。 頭發纖維的反射吸收和鍺晶體衰減全反射分析結果顯示，未經處理和經過化學處理過的頭發存在明 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程而位于 1040 cm-1 處的對稱伸縮振動（磺丙氨酸）和位于 1175 cm-1 處的 S=O 反對稱伸縮振動的增強。 圖 2：（a）未經漂白（紅色）的和經過漂白（紫色）的頭發光譜。（b）S=O 伸縮振動區域放大顯示 （c）未經漂白的頭發纖維光學圖像。 通常，也用光學顯微鏡來確認和比較天然的和合成的纖維證據。非常嫻熟的法醫學家能夠鑒別 不同屬纖維類別之間物理特性的差異。然而，要確定化學上的亞分類還需進一步的分析（包括化學 分析）1 。傅立葉變換顯微紅外光譜儀已經成為一種強大的分析工具，只需簡單的制樣，就可以通 過無損的模式快速的確定纖維的亞分類。所有這些在法醫學界都非常重要，因為在法醫學界保留證 據是至關重要的。 最近，聯邦貨幣造幣廠在紙中包埋了一種特殊的纖維，作為一個增加的防御手段來抵制偽鈔制 造。在 Nicolet iN10 上運用衰減全反射模式可以檢測得到流通鈔票中這一細微的安全纖維，如圖 3 所示。通過 Nicolet iN10 獲得的光學圖像清楚的顯示了紅色的纖維，衰減全反射數據鑒定其為尼龍。 衰減全反射顯微光譜提供了很高的光譜質量，同時還有周圍纖維素的一些信息。還可以進行特殊的 譜圖庫鑒定。 圖 3：（上面光譜）貨幣中包埋的尼龍纖維的光譜。（下面光譜）匹配的譜圖庫尼龍光譜。（右）用 OMNIC Picta 軟件拍攝的光學圖像。 藥 片 在法醫學檢測中能提供違禁藥片化學組成及活性成分分布的快速分析方法是非常重要的。判決 標準既可以基于所采用的證物也可以基于數據，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行紅外成像，這種快速、非破壞性的分析方法非常適合同質和異 質藥片分析。傅立葉變換顯微紅外光譜儀不像其他顯微分析技術，它無需進行樣品溶解，溶解會破 壞證據并且會產生不溶性或重結晶產物。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程。配合系統驗證工具，可為調 查人員提供在法庭上使用的強有力的信息。 Nicolet iN10 MX 傅立葉變換顯微紅外光譜儀是專為化學成像分析設計的第一套系統，同時具 備傳統傅立葉變換顯微紅外光譜儀的測試速度、靈敏度和分辨率。圖 4 顯示了在 Nicolet iN10 MX 上運用快速成像技術獲得的處方用藥片劑的化學圖像。選擇了 5×5mm 的一個區域，用時約 5 分鐘 采集了紅外數據。化學圖像用藍色顯示了活性成分，很明顯，這是該物質的主要成分。然而，綠色 和紅色區域顯示了藥片的其他成分。只需點擊、查看任一個綠色或紅色區域就能顯示藥片其他組分 的光譜，即本次測試顯示的是一種無規則的輔料。 圖 4 （左）處方用藥的化學圖像。（右）紅色光譜是活性成分而藍色光譜是輔藥成分。 OMNIC Picta 軟件另外一個特色就 是自動采集數據和分析向導。比如，僅 點擊一下隨機混合物向導就能自動分 析、鑒別多種成分。圖 5 顯示了一種非 處方藥的多組分向導截圖。此向導通過 交叉關聯所采集的圖片光譜自動生成一 個主要成分清單列表。此向導可以計算 每種成分的面積貢獻并給出半定量的分 布信息。每種組分然后可以通過光譜譜 圖庫信息進行鑒別從而進一步給出化學 信息。 圖 5：通過 Picta 多組分向導對非處方 藥片進行的分析 痕量分析 指紋圖譜信息在鑒定或者確認某一犯罪嫌疑人是否與某起犯罪有關等方面非常有用。因為指紋 圖譜對于任一個人來說都是唯一的，相對于指紋模式來說包含很多的信息量。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信息，這些化學信息能夠協助追蹤犯罪嫌疑人實施犯罪之前的 最后一幕。 圖 6 顯示了在反射載玻片上 2×2mm 區域內指紋印跡的化學圖像及相對應的影像圖片。指紋的 主要組成成分是來自皮膚的天然皮脂（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 右下方的化學圖像顯示的指紋一個區域表明有微量的木質纖維物質。化學成像能 夠快速的給出特有的指紋模式，同時還能揭示重要的、不可預料的痕量化學信息。 圖 6：（a）天然甘油三酯光譜 圖 6：（b）指紋的化學圖像；（c）指紋的影像圖像；（d）突出顯示木質纖維污染物的化學圖像。 油漆分析 在一些與汽車有關的犯罪現場能夠發現一些油漆碎片。大多數情況下，油漆或者油漆碎片在意 外事故中會弄到受害者或者其他物體上。汽車噴漆是由多層不同質的化學材料組成，包括粘合劑、 引發劑、顏料和保護樹脂，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，可以通過光學顯微鏡進行光學檢測。一般情況下，確認不同漆層的化學成分需要溶 解以及化學提取。運用快速傅立葉變換顯微紅外光譜成像技術能夠快速的進行每一漆層的化學成分 鑒定。圖 7 中的圖像顯示了多層漆樣品的分析結果。第一層是最外面的保護性聚氨酯被覆，第二層 顯示了基底層和聚丙二醇聚合物（保險杠的主要成分），第三層是油漆粘合層。 圖 7：（上）汽車保險杠油漆碎片層化學圖像。（下）已知的各層光譜圖：第一層：保護性被覆。 第二層：基底層和聚丙二醇聚合物，第三層：粘合層。 殘留物 從犯罪現場獲得的一些化學殘留物能夠提供非常有價值的信息和額外的線索。通常殘留物對于 取證操作非常敏感，最理想的分析應該是盡量減少接觸。傅立葉變換顯微紅外光譜儀無需樣品制備 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用的靈敏性。 運用 Nicolet iN10 MX 傅立葉變換顯微紅外光譜儀成像技術分析了一枚 10 分歐元硬幣的一小部分。 詳細的化學圖像（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為蛋白 質，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上痕量物質之快捷。 結 論 Nicolet iN10 傅立葉變換顯微紅外光譜儀及 Nicolet iN10 MX 紅外成像技術為法醫學家提供了 許多類型樣品的可視化和化學信息。紅外光譜的靈敏性和非破壞特性在保留證據的同時保證了正確 的解釋。紅外成像技術的空間分辨率和靈敏性能夠快速的揭示痕量物質的存在。OMNIC Picta 的性 能驗證和可靠性驗證包保證了結果的可信度，這在法庭上出示結果時是非常重要的。另外，我們還 提供革新的 OMNIC Specta 軟件，它擁有最高級的譜峰及多組分搜索特性。 圖8： （左上）10 分歐元 硬幣的化學圖像 （右上）硬幣樣品 馬賽克圖像截圖 （下）酰氨殘基光 譜