臺灣化學教育

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

*[email protected]

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（如：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。

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。

圖二：飛行時間質量分析器原理示意圖

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，2008年Ifa, 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。

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年美國史丹福大學的研究更透過分析指紋表面脂質的成分，成功地分辨受試者的性別、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.