拉曼光谱技术在法庭科学中的应用进展

黄钰聪,张思航,张巍

(中国刑事警察学院 法医学系,辽宁 沈阳 110845)

在法庭科学中,由于红外光谱的先入为主和拉曼光谱的一些局限性,拉曼光谱学一直缓慢地被承认。标准拉曼光谱的主要缺点是本身信号强度较弱且会受到激光诱导的荧光干扰。随着拉曼光谱设备与技术的发展,出现了表面增强拉曼光谱(SERS)、激光共振拉曼光谱(RRS)、傅里叶变换拉曼光谱(RT-raman)、共焦显微拉曼光谱、空间偏移拉曼光谱(SORS)、高温拉曼光谱、高压拉曼光谱以及拉曼光谱仪与其他分析仪器的联用,拉曼光谱已然成为了一种成熟的分析技术,其非破坏性、高灵敏度、高分辨率以及非接触性测量的优势,十分契合法庭科学工作者的需求。本文在介绍拉曼光谱的基础上,旨在总结目前拉曼光谱在法庭科学中的应用。

1 拉曼光谱技术概述

1.1 拉曼光谱发展历史

Smekal于1923年理论上预测了拉曼效应。拉曼效应涉及光的非弹性散射,是一个非常微弱的现象,同时发生的瑞利散射的强度通常比拉曼散射高5～7个数量级。Raman和Krishnan[1]在1928年的实验中首次观测到了该现象。早期的拉曼光谱仪依赖于汞弧灯作为激发源,棱镜作为色散元件,相片胶片作为检测器,需要长时间的数据收集。之后商用拉曼光谱仪中采用光电倍增管代替相片胶片,定量测量能力更强,但仍需扫描整个光谱范围来获取数据[2]。20世纪50年代后期,衍射光栅取代了棱镜,因其适用范围广、色散率大、分辨率高且不随波长变化而成为首选,但需要使用多个光栅串联系统来去除强烈的瑞利散射峰中的杂散光。20世纪60年代,可见激光器取代了汞弧灯,可用相干辐射实现高功率、高度单色的激发源,也可使用更宽波长范围来寻求更有利的激发条件。激光提高了灵敏度,也为1973年第一台拉曼显微镜的诞生提供了强力支持。20世纪70年代,表面增强拉曼光谱被发现,当分子在粗糙的金属基板上或附近激发时,表现出的拉曼散射增强高达10个数量级左右,作为一种分析技术具有巨大的发展潜力。20世纪80年代,二极管阵列探测器的出现,多路复用能力允许在宽光谱范围内同时收集散射光,从而缩短了数据收集时间。同时其有效抑制滤波器的出现,去除了瑞利散射光,为RT-raman使用近红外激光打下基础。拉曼光谱在许多情况下可以提供更准确、更可靠的分析结果,在法庭科学中的应用也不断扩展。

1.2 拉曼光谱的理论与特点

光子与分子相互作用时,发生弹性和非弹性碰撞。在弹性碰撞中,光子只改变方向而不改变频率,称为瑞利散射。在非弹性碰撞中,光子和分子之间发生能量交换,导致光子频率改变,称为拉曼散射。当激发激光的波长接近分析物的最大吸收带,拉曼散射强度显著增强,称为共振拉曼光谱。在金属纳米结构表面,由于等离子体共振电磁增强效应,使得分子拉曼信号强度大大增强的现象为表面增强拉曼光谱。因为大多数用于拉曼光谱的激发波长在可见光区,所以主要分析的是颜料和染料等有色化合物。拉曼光谱通常作为一种非破坏性的分析技术,样品制备量很少,数据获取速度快。由于水是弱拉曼散射体,因此水溶液的拉曼光谱分析也相对容易。透明的玻璃或塑料容器中的样品也可以直接测量,无需移动样品。如果无法接近样品表面,则可以使用光纤探针进行分析。手持便携式拉曼光谱仪的出现使得分析场所不再局限于实验室,也可以在犯罪现场等现场应用。由于拉曼光谱的分辨率与所用激光波长相关,因此使用合适波长的激光发生器可以获得更好的分析结果。

2 拉曼光谱法庭科学应用

拉曼光谱作为一种分析手段在法庭科学中主要用于各种物证的结构和成分鉴定。

2.1 纤维

拉曼光谱可用于鉴定纤维聚合物和纤维中所用的染料。Keen团队[3]描述了使用拉曼显微探针光谱学对纤维进行表征的方法和结果。Miller和Bartick[4]使用拉曼光谱学对单根纤维进行科学分析。Bourgeois和Church[5]使用傅里叶拉曼仪研究了红色和蓝色丙烯酸纤维的光谱,Jochem和Lehnert[6]分析了有色丙烯酸纤维和粘胶纤维。这两个小组指出,染料带占光谱的主导地位掩盖了聚合物的光谱。Bouffard团队[7]分析了染色浓度范围为0.1%～10%的有色聚丙烯纤维,Coupry团队[8]研究了用合成染料和天然靛蓝着色的棉纤维的光谱。Thomas团队[9]分析了含有蓝色、黑色、灰色染料的混合物的棉纤维,发现一种染料的峰总是在光谱中占主导地位,掩盖了另一种或多种染料的峰。含有产生共振增强染料的纤维的拉曼光谱可以由染料峰主导,从而模糊聚合物特征和其他染料的特征。此时可联合红外光谱等得到更完善的鉴定结果。

2.2 油漆

拉曼光谱偏向于分析油漆颜料。由于颜料不溶于大多数溶剂,所以难以从基质中提取。对于低浓度使用的某些颜料,拉曼光谱在分析方法中具有明显优势。Buzzini团队[10]与Zieba-Palus、Was-Gubala[11]总结了油漆分析方案。Bell团队[12]、Burgio和Clark[13]以及Ropret团队[14]等组建了无机和有机的拉曼光谱库。汽车漆面通常含有高浓度的颜料,红色、橙色和黄色尤甚[15]。尽管并非所有用于此类涂料中的颜料都给予共振拉曼光谱,但由于其高浓度,它们的峰仍可能主导光谱。对于难以共振增强的那些颜料,可能需要使用近红外激发波长以避免荧光。Maric团队[16]使用RT-raman仪器对从100个汽车透明涂层收集的光谱进行分类,Lyu团队[17]使用共焦拉曼显微镜来确定拉曼光谱是否可以区分红外光谱法不能区分汽车漆面。Ferreira团队[18]评估了显微镜透镜放大率、扫描次数、曝光时间、激光功率和激发波长等参数对汽车贴膜光谱质量的影响。Martyna团队[19]和Michalska团队[20]使用似然比来评估蓝色金属和非金属汽车贴膜拉曼光谱的差异,以及使用拉曼显微镜收集参数对这些比值的影响[21]。与汽车漆不同,建筑涂料通常含有较低的有机颜料浓度,并且一般油漆的光泽度越低,所使用的无机颜料的浓度越高。有机颜料的吸收在建筑涂料的红外光谱中很少被观察到,但拉曼光谱容易观察到经受共振增强的有机颜料的拉曼峰谱。Bell团队[22]使用红外和拉曼光谱来区分建筑涂料中使用的各种涂料黏合剂。Muehlethaler团队[23]使用化学计量学解释34种红房子涂料的红外和拉曼光谱的研究。当使用参考光谱时,需要注意其激发条件。激发条件对光谱具有较大的影响。对于可以共振增强的油漆,拉曼光谱一般更具有分析优势。

2.3 油墨与调色剂

拉曼光谱通常分析有关油墨和调色剂中使用的着色剂的信息。Mazzella和Buzzini[24]使用了514.5和830 nm两种激发波长来区分一些蓝色中性笔油墨,Kunicki[25]使用三种激发波长来表征蓝色圆珠笔油墨和参比着色剂。Braz团队[26]检查了拉曼光谱区分不同品牌和型号的190种蓝色墨水的能力,Mohamad Asri团队[27]分析了30种蓝色和红色圆珠笔油墨,并使用主成分分析(PCA)辅助光谱分类。Flávia团队[28]还使用了应用于拉曼光谱的化学计量学来帮助区分蓝色圆珠笔墨水。Fabianska和Kunicki[29]研究了蓝色和黑色圆珠笔和凝胶油墨长期储存的稳定性以及对拉曼光谱的影响。Seifar团队[30]使用具有三个激发波长的SERS对蓝色和黑色圆珠笔油墨进行区分。Geiman团队[31]应用SERS来识别圆珠笔油墨中通常遇到的10种染料。Andermann[32]使用514.5,632.8,685和785 nm四种激发波长对几种圆珠笔油墨和液体油墨进行了全面研究,并研究了两种SERS方法。使用SERS与共聚焦显微镜,Bersani团队[33]分析了黑色和彩色圆珠笔油墨,而White[34]研究了吸附在银胶体上的圆珠笔油墨的长期稳定性。Braz团队[35]比较了使用普通拉曼光谱与使用银胶体的SERS区分喷墨打印线。由于打印线的强荧光,SERS被证明更有效。已有研究证明拉曼光谱可以帮助辨别朱墨时序,检验纸钞、文件上的油墨,在法庭科学有着广阔应用前景。

2.4 爆炸物

爆炸物及爆炸后残留物都可用拉曼光谱分析。并且拉曼显微镜特别适合于爆炸残留物的分析,可以快速筛选复杂混合物中的非常小的颗粒。Garcia-Ruiz团队[36]研究使用拉曼和红外光谱区分硝酸盐、氯酸盐和高氯酸盐的商业产品的可行性。Lpez-Lpez团队[37]使用拉曼映射分析不同类型的炸药,并根据其硝化甘油,乙二醇二硝酸酯,硝酸铵和各种稀释剂的含量来区分这些炸药。拉曼光谱对各种爆炸物的检测极限也相当高。Tuschel团队[38]使用229nm激光激发测量溶液中三硝基甲苯(TNT)、环三亚甲基三硝胺(PETN)、环三亚甲基三硝胺(RDX)、环四亚甲基四硝胺(HMX)和硝酸铵的拉曼散射截面,并在十亿分之一水平检测这些化合物。Ali团队[39]使用共焦拉曼显微镜检测到沉积在人类指甲上的PETN、TNT和六亚甲基四胺(HMTA)的微观(5～10 μm)颗粒,即使在这些沉积物上涂上一层指甲油,拉曼光谱仍然可以检测爆炸物。Bridoux团队[40]使用拉曼光谱和实时直接分析质谱(DART)的组合来识别15种拆除的军事武器中的TNT,RDX和PETN。Moros和Laserna[41]评估了使用拉曼光谱和激光诱导击穿光谱学(LIBS)组合检测各种爆炸物的有效性。Comanescu团队[42]使用210～280 nm的40个激发波长获得了TNT、RDX、HMX和PETN的2D共振拉曼光谱,并发现该方法特别适用于污染环境中的分析。使用差分激光诱导微扰光谱(DLIPS)与拉曼探针,Oztekin团队[43]在服装表面上鉴定出TNT、RDX、HMX和PETN残留物。Rao团队[44]使用脉冲光声和双共振拉曼光谱来识别TNT。炸药中许多有机化合物是可溶的,适用于SERS分析。Almaviva团队[45]使用SERS表征RDX,实现了在数十皮克的检测水平下对痕量TNT、RDX、PETN和KNO3的SERS检测。Bao团队[46]应用SERS和磁动势富集来识别TNT。 Chen团队[47]使用超快激光脉冲获得硝酸铵和RDX残留物的SERS光谱。Hamad团队[48]完成了对ANTA的SERS检测。Hayward团队[49]使用配备有光纤探针的便携式拉曼仪器来检测指纹中的PETN痕迹。Tripathi团队[50]在塑料和油漆表面的指纹中发现了爆炸残留物的痕迹。Emmons团队[51]使用拉曼成像和荧光成像来识别指纹中的爆炸物颗粒。Cheng团队[52]采用拉曼成像检测铝箔上指纹中的RDX、PETN和Semtex颗粒。Almeida团队[53]应用拉曼成像和独立成分分析来检测钞票上的爆炸物残留物。Bueno和Lednev[54]使用拉曼和红外光谱以及化学计量学的组合来分析枪击残留物颗粒。Abrego团队[55]使用拉曼显微镜和电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)的组合来识别无铅弹药的无机和有机射击残留物颗粒。他们鉴定的有机成分包括中定剂、二苯胺或它们的硝化衍生物。Yadav团队[56]使用拉曼光谱对火灾残留物和促燃剂进行分析研究。拉曼光谱的高灵敏度使得其不仅可以检测爆炸物残余,还能提前在各种环境中发现隐藏爆炸物。

2.5 体液

拉曼光谱的非破坏性与高灵敏度适合在保护证据的前提下对体液残留物进行快速筛选。Doty团队[57]、Virkler和Lednev[58-60]、Sikirzhytski团队[61]的研究已经证明血液、精液、阴道液、汗液和唾液产生不同拉曼光谱。血红蛋白中血红素发色团的卟啉环产生共振拉曼光谱,因此拉曼光谱是检测血液非常灵敏的手段。Muro团队[62]使用拉曼光谱在干血斑中成功检测单个红细胞。基于785 nm激光激发获得的光谱进行化学计量学分析,Virkler和Lednev[63]区分了人、狗和猫的干血。McLaughlin团队[64-65]能够将人类血液与11种非人类物种的血液区分开来。Fujihara团队[66]使用便携式拉曼光谱仪成功区分人类血液和来自鼠、牛等9种常见动物的血液。Lemler团队[67]应用SERS分析人类血液样品发现人全血的拉曼光谱主要由氧合血红蛋白组分组成。Sikirzhytskaya团队[68]使用拉曼光谱映射检测被沙子、灰尘和土壤等污染的血液样本。Virkler和Lednev[58]检查了来自不同供体的干燥精液,他们发现精液是异质的,其光谱包括荧光背景和三种成分的复合物,其相对贡献因供体而异,用相同的方法来确定人类唾液的异质性发现了类似的结果。McLaughlin和Lednev[69]研究了沉积在皮肤,玻璃和各种纺织物基底上的精液污渍的拉曼光谱图,并使用光谱减法和化学计量学来补偿基底贡献。Muro和Lednev[70]使用拉曼光谱法成功区分了来自高加索人和非裔美国人人群的25名精液供体的种族。Sikirzhytski团队[71]使用拉曼光谱和化学计量学来分析精液和血液的干燥混合物。很多情况下体液物证是微量的,拉曼光谱可以在保护物证的情况下快速进行筛选、种属识别,便携式拉曼光谱仪具有普及意义。

2.6 毒品与药品

通常药物的鉴定由色谱技术确认。Farquharson团队[72-73]提出了一种基于固相萃取和表面增强拉曼光谱活性毛细管的便携式拉曼分析仪,该装置可在几分钟内测量唾液中的药物,并可与150多种非法和处方药的光谱数据库快速匹配。Berg团队[74]使用密度泛函理论(DFT)讨论了不同安非他明的SERS和拉曼光谱。Sagmuller团队[75-76]研究了在银膜上SERS测量安非他明,虽然提取步骤对片剂具有破坏性,但成功和快速地鉴定了安非他明。Barmi团队[77]使用微流体装置在唾液中检测甲基苯丙胺,所述微流体装置可以控制分析物、银纳米颗粒和充当聚集剂的盐之间的相互作用。Trachta团队[78]使用DFT和1 064 nm RT-raman仪器,在纳米球上的金膜SERS基底检测苯二氮卓类物质,成功区分八种不同的苯二氮卓类药物的SERS光谱,SERS测量与高效液相色谱仪(HPLC)的组合允许从血液样品中分离这些药物。Yu和White[79]报道了一种通过侧向流浓缩催化剂用于擦拭表面和浓缩表面的纸基基底,纸张用银纳米颗粒喷墨印刷,可卡因和海洛因的检出限分别为15和9 ng。在另一项研究中,适用于特异性结合可卡因并将其固定在SERS活性表面上[80]。两者都被证明是有用的定量,快速和可重复的分析。Day团队[81]使用标准拉曼光谱揭示了指纹中非法药物作为污染物的识别。虽然能够识别可待因、可卡因、安非他明、巴比妥和硝西泮等,但他们强调了光漂白是必要的,以减少背景的荧光。SERS很可能是用于增强信号和减少荧光的有效手段。

2.7 其他物证

原则上,任何化合物或物理对象都可以成为刑事调查中的证据,法庭科学工作者面临的更具挑战性的任务之一是识别完全未知的材料。文献的这一综述已经证实,非常广泛的各种材料可以被分析,区分,并迅速、非破坏性地被识别。因此拉曼光谱是一种特别适合于协助法庭科学工作者阐明物证性质的工具。Lpez-Lpez等[82]使用共聚焦拉曼显微镜来鉴别49种不同品牌和颜色的口红,以及12种不同表面上的口红污迹。Salahioglu团队[83]分析了沉积在纺织品、烟头和纸巾等基底上的唇膏。Gares团队[84]使用拉曼光谱检查了34种唇彩和17种润唇膏,发现59%的唇彩和76%的润唇膏可以区分。Coyle和Anwar[85]使用RT-raman来分析转移到棉签上的避孕套润滑剂,并验证该分析不影响随后从这些样品中提取DNA的能力。Muehlethaler团队[86]还使用SERS分析13种溶剂染料,并基于这些染料的含量将4种不同的鞋油分类。Kerr团队[87]证明了拉曼光谱映射有助于识别火灾后碎片中的成分的能力,包括因火灾热量而熔化的材料。Figueroa团队[88]使用受激拉曼散射显微镜从各种基底上提取潜在的指纹,并使用该技术检测指纹中痕量的外来化学物质。Ezegbogu[89]研究了通过拉曼光谱等技术进行花粉分析从而确定现场。

3 结论

拉曼光谱在法庭科学分析发展中已经做出了重要的贡献,在高灵敏度与非破坏性的基础上,便携式低成本拉曼光谱仪的诞生为拉曼光谱的普及与现场快速分析起了重要推力。拉曼传感器也已经小型化为芯片,可以服务于独特的分子检测。但是拉曼光谱仍有优化空间。首先光谱可变性取决于测量条件:激光的波长,仪器设备的区别,表面增强拉曼光谱的基板类型和样品制备等。以银胶体为例,其合成与稳定性难以标准化,批次的变异性相对较高,批次的变化性直接反映在SERS光谱强度中。所以验证实验比较限于具有类似测量条件的实验室。而差别较大的实验室之间的研究,使用统计方法校正光谱具有必要性。如果测量不是在相关条件下进行的,则不能依赖于定量比较,用DFT预测相关谱带是验证测量光谱的一种方式。这种新型方式还需要更多的验证以便在法庭上提供证据。