創意化學實驗: 質譜分析法在指紋鑑定的應用 / 翟永誠、陳珮珊

星期二 , 3, 七月 2018 Leave a comment

創意化學實驗:
質譜分析法在指紋鑑定的應用

翟永誠1,陳珮珊2*

1國立臺灣師範大學化學系
2
國立臺灣大學醫學院暨附設醫院毒藥物鑑定暨檢驗中心

*paishanchen@ntu.edu.tw

n  前言

「真相只有一個」是著名偵探漫畫中主角的登場台詞,雖然真相確實只有一個,但是在現實刑案的偵辦過程,往往不如影集、動畫中呈現的如此順遂,鑑識人員得面對的多半是殘破、被蓄意破壞的犯罪現場,唯有仔細的蒐集各項證據,再透過種種的抽絲剝繭,還原事實真相,找到兇手,而指紋即是現場蒐證中重要證據之一。

由於指紋具有「人各不同」、「終身不變」的兩大特點,使得指紋成為鑑識科學中有力的依據[1]指紋是靈長類手指末端指腹上由凹凸的皮膚所形成的紋路,而透過油墨、染料可以將指紋清楚的拓印在媒材上早在中國古代,人們便習慣透過按壓指紋來做為身分的區別,三國時期,諸葛亮便透過指紋建檔以管理戶口、發放軍餉,爾後的唐朝也習慣用按壓指紋、掌紋作為簽約時的標記,很快的指紋這種在外觀上較容易判斷出差異的個人特徵,變被應用到了犯罪追溯上,宋代的民間傳說包青天,就曾利用木工留下的血手印讓犯人伏首認罪,被譽為法醫學之父的宋慈,亦在其著作《洗冤錄》中提及指紋如何成為刑案決定性的證據。

然而,大多數的刑案現場中,指紋並不會像武俠小說裡有鮮明的血手印可以直接比對,而是潛伏於犯人接觸過的物質表面,刑事犯罪就算戴手套,也可能在穿脫的過程或棄置手套時留下指紋。指紋上有汗腺、皮指腺等腺體,其分泌物為98.5%的水、無機鹽類、胺基酸、有機酸、蛋白質、油酯等[2],鑑識人員或利用物理吸附、化學沉澱反應、光源激發等方法,讓潛伏的指紋現行,達到犯罪偵查的目的。

物理吸附的手法中,最成熟也最常用的便是「粉末法」。如前所述,指紋的主成分是水,而水能吸附粉末,實務上鑑識人員會將粉末撒在指紋上後,再用刷子小心翼翼的把多餘的粉末清除即算完成。在粉末法中,根據指紋背景的材質、顏色選擇適當的粉末更是重要的課題,當背景圖案、顏色複雜時,可以使用具螢光效果的粉末,以排除背景的干擾。金屬粉末的適用範圍較廣,不論是光滑或粗糙的表面皆能有不錯的顯現效果。磁性粉則較適合用於光滑的表面。然而,粉末法必須透過水與物質間的吸附作用方能成功採集指紋,對於三天以上陳舊指紋的效果較差,且不適用於潮濕、具吸水性的材質,指紋的紋路也有機會在刷去粉末的過程中被破壞[3]

指紋中除了水以外的成分是無機鹽類和胺基酸、有機酸、蛋白質等有機物,化學顯現法便是利用試劑與前述物質的化學反應沉澱反應、生成有色化合物等使得指紋現形,其中硝酸銀法主要是利用銀離子與汗液中之氯化鈉反應,產生氯化銀,遇光還原成黑色的銀而使指紋顯現,其優勢是操作簡單,但於滲透性的表面(例如:紙張、木頭表現不佳;Oil Red O、蘇丹黑等嗜脂性染劑,則可以和脂質反應,增顯潛伏指紋;寧海德林、1,2-indanedione能與胺基酸反應,生成的產物能放出特定波長的光,搭配濾鏡即可觀察到潛伏指紋[4, 5]

過去人們發現,對於沾染礦物油、動物油的指紋,在低溫下會發出自然發出螢光,且越低溫強度越強,爾後科學家便開始將吸收、發射光譜的原理應用於指紋鑑定,嘗試用不同的光源,例如:雷射、紫外、紅外光等,觀察是否能讓潛伏指紋現形[6]例如:槍彈痕跡及墨色差異常以紅外光來檢測;紫外光則可用來檢視纖維、精斑、綑綁痕跡及油墨、粉末、染料內的螢光成分。

n  未來趨勢影像質譜與指紋鑑定

雖然傳統的指紋鑑識技術,多半聚焦於指紋在樣貌,但是對於指紋上的微量成分探討甚少,是故從指紋上發掘更多資訊,例如以質譜分析指紋上所提供的生物資訊,成為了近年鑑識科學努力的目標。

質譜儀的基本結構有進樣系統、離子源、質量分析器、偵測器、資料處理系統,未知的待測物透過進樣系統進入質譜儀後,如以電子游離法Electron Ionization令待測物受到高能電子束撞擊,碎裂成帶電的碎裂片,這些帶電碎片都有其獨特的質荷比m/z),利用質荷比的不同,質量分析器可以進一步的捕捉目標離子之產物碎片,以提高鑑別度與靈敏度,如圖一所示。

clip_image002

圖一質譜儀基本構造

其中飛行時間質量分析器即是給予待測離子統一的加速能量後,通過一電場為零的飛行管,不同質量的碎片理當會在不同的時間到達偵測器,達到質量分析的效果,如圖二所示。而四極柱分析器、離子阱分析器則是利用不同荷質比的離子碎片,在不同電場的影響下會有不同的運動模式,透過電壓的調控,只讓特定荷質比的離子碎片達到偵測器,最後在偵測器、資料處理系統經過電子訊號的轉換,即可得到質譜圖,如圖三所示。

clip_image004

圖二:飛行時間質量分析器原理示意圖

clip_image006

圖三:四極柱質量分析器示意圖

質譜除了具有高度的精確性、偵測極限低,更重要的是能夠同時檢測多個未知物,能大幅減少分析的時間,對於分秒必爭的刑事鑑定來說是一大優勢,然而傳統的質譜分析方法由於無法保留指紋的形貌,使得質譜在過去較少應用於指紋鑑識上。

隨著科技日新月異的發展,影像質譜技術的出現,化解了前述難題,2008Ifa, D.R等人的研究刊載於重量級的科學期刊Science,該研究成功利用影像質譜技術於不同基材的表面檢測微量的古柯鹼、大麻代謝物、三亞甲基三硝胺(常用於製造高爆炸能力之爆裂物),偵測極限達5 μg開啟了指紋鑑識新的篇章[10]

影像質譜技術可以想像成是顯微鏡和質譜儀的結合,可以提供待測物上任何一個空間位置的質譜資訊,較常見的影像質譜技術如二次離子質譜法,即是透過帶電粒子轟擊待測物表面,使待測物表面的成分帶電、脫離表面進入質量分析器,而該方法僅會影響待測物表面數十至數百個原子深的範圍,對於待測物本身的結構、特性不至產生變化,既可以完整的呈現指紋的形貌,亦能提供指紋表面物質的空間分布資訊[11],如圖四所示

clip_image008

圖四:二次離子質譜法原理示意圖

2012年英國雪菲爾哈倫大學和警局合作的研究就指出,分析特定的代謝物,可以得知嫌犯的飲食狀況、是否服用毒品,分析殘留物質,則可以了解嫌犯使用過哪些清潔劑、化妝品,該研究也發現,許多犯罪者習慣利用安全套來避免指紋殘留於作案現場,而透過影像質譜,甚至能辨別安全套的品牌[12]2017美國史丹福大學的研究更透過分析指紋表面脂質的成分,成功分辨受試者的性別、年齡、種族,該研究也指出,透過特定的代謝物的分析將可以得知受試者是否有心血管疾病、遺傳疾病等生醫資訊[13],而這些更細緻的訊息,都可以幫助檢調單位進一步確認嫌犯的特徵,縮小偵查的範圍、距離真相更近。

n  結語

鑑識科學相關的電影、影集也是許多學生平時就有涉獵的題材,且與許多高中化學課程皆有密切關聯,以指紋鑑定作為教學時引起動機的素材,乃至於探究與實作課程的骨幹都非常適合。而質譜儀雖然於高中課程沒有介紹,但其質量分析原理乃是由陰極射線管發展而來,不致過於艱澀,也能幫助高中生及早了解化學研究的應用與發展,有利於興趣的探索與培養,而影像質譜技術除了被應用於指紋鑑定外,亦廣泛的被應用於生醫、材料表面成分鑑定,是未來科研領域的重要發展,值得學生早日認識。

n  參考文獻

1.    刑事警察局。指紋科學小百科主題4指紋的特性。Available from: https://www.cib.gov.tw/Science/EncyclopediaDetail/231.

2.    王勝盟。讓枝微毫末損而復生化學鑑識。科學月刊,2014

3.    張良帆、程晉塏。赴美研習現場勘察技術報告,2012

4.    羅嘉欣。赴美國研習微物跡證鑑識等技術報告書,2009

5.    刑事鑑識中心主任林故廷等人。1,2-IND 指紋顯現法研究暨推展計畫,2016

6.    牛利等人。潛指紋顯現方法研究進展,應用化學,2011. 28-10: p. 5

7.    Gross, J.H., Mass Spectrometry: A Text Book second ed. 2011. 8.

8.    Gross, J.H., Mass Spectrometry: A Text Book. second ed. 2011. 124.

9.    Gross, J.H., Mass Spectrometry: A Text Book second ed. 2011. 147.

10.  Ifa, D.R., et al., Latent fingerprint chemical imaging by mass spectrometry. Science, 2008. 321(5890): p. 805.

11.  田大昌。奈米表面分析簡介,2004

12.  Bradshaw, R., et al., Spectroscopic imaging based approach for condom identification in condom contaminated fingermarks. Analyst, 2013. 138(9): p. 2546-57.

13.  Zhou, Z., & Zare, R. N., Mass Spectrometry Imaging for Enhanced Fingerprint or Sweat Analysis. Analytical Chemistry, 2017. 89(2): p. p 1369–1372.

 

890 Total Views 2 Views Today
Print Friendly, PDF & Email

Please give us your valuable comment

你的電子郵件位址並不會被公開。 必要欄位標記為 *