利用显微拉曼光谱和光谱成像技术分析指纹残留物的研究

李开开,徐少辉

(中国人民公安大学,北京 100038)



利用显微拉曼光谱和光谱成像技术分析指纹残留物的研究

李开开,徐少辉

(中国人民公安大学,北京 100038)

利用共聚焦显微拉曼光谱技术,对玻璃片上的油脂指纹进行分析研究。根据其特征峰位置和数目将样品进行分类,并对特征峰所对应的分子振动基团进行指认。在此基础上,对玻璃片上的油脂指纹进行拉曼光谱成像,从而获得油脂指纹纹线物质在空间上的分布情况。实验结果表明,共聚焦显微拉曼光谱技术可以区分不同成分的指纹残留物,拉曼成像技术可以同时获得指纹的图像和物质成分,对于油脂指纹的提取和分析有广阔的应用前景。

拉曼光谱；拉曼成像；油脂指纹

1 引言

人类应用指纹的历史可以追溯到几千年前,其人各不同,终身基本不变的特性在刑事案件侦破中发挥着巨大的作用。但是传统的指纹显现方法的效果受较多因素的影响,如指纹遗留条件、化学反应条件、显现操作工艺、方法灵敏度等,这些因素往往导致指纹显现效果受到影响,甚至导致破坏现场遗留的指纹,为物证提取和案件侦破带来一定困难。油脂指纹主要来源于人体自身的皮脂分泌物,此外动物油、矿物油、香精油等外来油脂也是油脂指纹的重要组成部分[1]。

目前,光谱成像基于其快速、无损的特性,已被广泛应用于指纹的显现和检验中[2-4]。光谱成像又称化学成像,是通过光学成像的方法记录和分析被检验物体光谱信息,显示物体化学成分分布影像[5]。它结合了传统的成像技术和光谱技术而同时获得物质图像(空间信息)和光谱(化学信息)[6]。通过将反映物质成分的光谱特征与成像显示相结合,光谱成像可以清晰直观地描述不同成分在物质中的分布情况。

拉曼光谱技术与红外光谱同属于分子振动光谱,可用于探知物质的组分、结构和相对含量,利用拉曼光谱技术对样品进行分析,具有测试样品非接触性、非破坏性、检测灵敏度高、时间短、样品所需量小等特点,被广泛应用于法庭科学、药物、文物考古、宝石鉴定和医学等方面[7-9]。因此,在对现场遗留指纹进行分析的过程中,除了使用常规的紫外成像技术对指纹进行显现和提取,还可以通过拉曼光谱对指纹残留物的进行成分分析,从而为案件的侦破提供线索。

手印残留物主要包括汗液和油脂。由于每个人的汗液分泌情况以及接触的外来油脂不同,导致不同的人在客体表面留下的指纹所包含的指纹残留物的成分也各不相同,本文利用拉曼光谱技术及拉曼成像技术,对不同品牌的润肤产品油脂形成的指纹残留物进行检验和区分。

2 实验方法

2.1 实验仪器

2.1.1 拉曼光谱分析

运用Thermo Fisher(赛默飞世尔)公司的DXR共聚焦显微拉曼光谱技术仪对样品进行拉曼光谱分析,激发波长为532 nm。首先用显微镜的10倍物镜在样品上寻找按捺指纹纹线区域,再将物镜切换到100倍,将激光聚焦在指纹纹线上。仪器功率设置为10 mW,曝光次数100次,每次曝光时间为0.5 s。使用Origin 7.0软件对拉曼光谱图进行分析。

2.1.2 拉曼成像

运用Thermo Fisher高速显微拉曼成像光谱仪DXR xi进行拉曼成像,分别对涂有五种不同润肤品的手指形成的油脂指纹进行检验。仪器参数设定为：拉曼位移400～4000 cm-1；激发波长：532 nm、780 nm,根据样品情况选择恰当的激发波长；激光功率：10 mW；采用50m共焦针孔。根据不同的样本调整累积次数为1次、100次、120次、250次；曝光时间为0.1 s、0.5 s。

2.2 实验样品制备

收集23种不同品牌的润肤产品(包括12种护手霜、11种面霜),如表1所示。以相同的涂抹量在手指上擦拭,分别在玻璃片基底上以相同的力度进行指纹按捺,并标明序号以及润肤产品种类和名称。在按捺指纹时,润肤产品的涂抹量和按捺力度要尽量保持一致；要保持指纹按捺载体的洁净,防止对实验结果的影响。

Table.1 Types and names of different brands of skin moisturizer

3 实验结果与讨论

3.1 油脂指纹的拉曼光谱

利用显微镜在白光下进行观察,将激光聚焦在指纹纹线区域上；然后对玻璃片上20个油脂指纹样品进行拉曼光谱分析。

通过对20个不同品牌的润肤产品形成的油脂指纹在玻璃片上的拉曼光谱进行分析,可以根据特征峰和位置和数目将样品分为以下几类,归类依据是将主要特征峰的位置相同的样品归为一类,由于1200～1600 cm-1范围里的特征峰强度较弱,因此主要参考2800～2900 cm-1特征峰,包括其主峰和肩峰的位置以及峰型。

第一类油脂指纹包括1、3、5号样品,如图1(a)所示。它们在558 cm-1和1081 cm-1处存在两个来自基底的较强特征峰,558 cm-1处的拉曼特征峰来自于玻璃基底(υ(Si-O-Si))。其中3号样品在2869和 2835 cm-1有两个强度较弱的特征峰,来源于饱和C-H伸缩振动(ν(C-H))。第二类油脂指纹包括2、6、7、9、12、18号样品,如图1(b)所示。它们在2885 cm-1和2842 cm-1处存在由一个主峰劈裂成的两个强度接近的特征峰,2885 cm-1的峰较宽,2842 cm-1的峰较为尖锐。2885 cm-1、2842 cm-1处的拉曼光谱特征峰来源于饱和C-H伸缩振动(ν(C-H))。第三类油脂指纹包括4、8、14、15、19号样品,如图1(c)所示。它们在2872 cm-1和2837 cm-1处存在两个尖锐的特征峰。与其他样品相比,除了共有的特征峰外,8号样品在1288 cm-1、1427 cm-1处有两个较为明显的特征峰,14号样品在1293 cm-1、1426 cm-1和1599 cm-1处存在三个特征峰,说明该油脂指纹的成分中包含有芳香族化合物[10]。第四类油脂指纹包括10、11、16、17号样品,如图1(d)所示。它们的共同特点是存在位于2896 cm-1处的主峰,11号样品除了这一主峰外在2957 cm-1还有一个肩峰,16号样品这一肩峰的强度更大,17号样品除主峰外在2870和2839 cm-1还有两个小峰,10号样品与其他样品有相同的峰型,其主峰向高波数位移至2912 cm-1。

Fig.1 Raman spectra of the four groups of oil fingerprint

Fig.2 Raman spectra of the (a) 13th and (b) 20th oil fingerprint

13号和20号样品的拉曼光谱较为特殊：13号样品由于荧光较强,采用了780 nm的激发波长,这是由于13号样品选择了不含油脂的润肤产品作为对照；其在1467 cm-1处有一个较宽的特征峰,对应于CH3变形振动[10]；肩峰位于1951 cm-1处,如图2(a)所示。20号样品在1200～1600 cm-1的区域内有多个尖锐的特征峰,如图2(b)所示。

以2号、14号、16号样品为例,对其拉曼光谱谱图特征峰位置进行分析,三个样品在特征峰的强度以及数目上存在区别,如图3所示：三个样品在558 cm-1、1085 cm-1处的特征峰一致, 2号和14号样品比16号样品多出位于1293 cm-1、1428 cm-1、1646 cm-1的三个特征峰,表明存在不同的分子振动基团；除此之外,在2800～3000 cm-1的区域,三个样品的主峰与肩峰强度上存在差异,表明它们存在不同的分子振动模式。这些特征峰的强度和数目上的差异可以作为区分这三个样品的依据。

Fig.3 Raman spectra of the 2nd、14th and 16th samples

3.2 油脂指纹的拉曼光谱成像

在3.1实验的基础上,对5个油脂指纹样品进行拉曼光谱成像。利用赛默飞高速显微拉曼成像光谱仪DXR xi在800m×800m的区域内对指纹进行面扫描,得到了较为理想的拉曼成像结果。图4(a)为在显微镜白光下观察到指纹的图像,其中深色部分为指纹纹线；将激光聚焦在指纹纹线区域上的其中一点上,获得指纹残留物的拉曼光谱图,如图4(c)所示,选择实验参数时,以在扫描时间和信噪比之间获得平衡为原则,在尽可能短的扫描时间里获得能够清晰辨认的拉曼特征峰。以图4(c)中的特征峰为基准进行拉曼成像,可以获得指纹残留物在平面上的分布情况,并以不同颜色显示该物质成分的强度,如图4(b)所示。可以对拉曼成像结果的颜色进行调整,以增加指纹残留物与基底之间的反差,图中黑色的区域显示的是载玻片区域,即指纹残留物特征峰非常微弱；而在指纹纹线上也可以直观显示指纹残留物特征峰的强度,其中浅灰色是指纹残留物最为集中的区域。不同的指纹残留物在基底中的扩散速度不同,使指纹遗留过程中形成的油脂指纹具有不同的形态和成分分布。

根据图4(c)可知, 1号油脂指纹(Walnut rose mary lemon)在2845 cm-1、2881 cm-1处具有由一个主峰劈裂成的两个特征峰,该特征峰来源于饱和C-H伸缩振动(ν(C-H))。1441 cm-1的特征峰来源于C-H弯曲振动(δ (CH2)、δ (CH3) asym),546 cm-1处的拉曼特征峰来自于玻璃基底(υ(Si-O-Si)),同时在1082 cm-1处存在一个来自基底的强度较弱的拉曼特征峰。

Fig.4 (a) The image under the white light of microscope,(b) Raman imaging and (c) Raman spectra of 1st oil fingerprint

16号油脂指纹(大宝SOD蜜)的拉曼成像结果如图5(b)所示,相对其他样品来说纹线较宽,残留物成分分布较为均匀。测量纹线区域内的一点获得该样品的拉曼光谱,并以其特征峰为基准进行成像,16号油脂指纹在1097 cm-1、1435 cm-1、2851 cm-1、2881 cm-1、2900 cm-1处具有拉曼光谱特征峰,如图5(c)所示。

Fig.5 (a) The image under the white light of microscope,(b) Raman imaging and (c) Raman spectra of 16th oil fingerprint

将激光聚焦在指纹纹线区域内的一点,获得21号油脂指纹(LANCASTER)的拉曼光谱(图6(c)),并以此为基准进行成像。21号油脂指纹的拉曼成像结果如图6(b)所示,与1号指纹相比,指纹残留物所形成的纹线更加清晰,代表指纹残留物特征峰强度的浅灰色区域所占的比例也更大,表明遗留有更多指纹残留物。21号油脂指纹在1634 cm-1的特征峰为反对称的NO2伸缩振动,1284 cm-1的特征峰为对称的NO2伸缩振动,说明样品中含有硝酸烷基酯类[10]。 1421 cm-1的特征峰来源于C-H弯曲振动(δ (CH2)、δ (CH3) asym)。

Fig.6 (a) The image under the white light of microscope,(b) Raman imaging and (c) Raman spectra of 21st oil fingerprint

22号油脂指纹(CARMEX CHERRY)的拉曼成像效果较好,能够清晰地反映出纹线形态及指纹残留物在测量区域内的物质分布情况,如图7(b)所示。根据图7(c)可知,22号油脂指纹2848 cm-1、2882 cm-1处的拉曼光谱特征峰来源于饱和C-H伸缩振动(ν(C-H)),1636 cm-1为反对称的NO2伸缩振动,1441 cm-1的特征峰来源于C-H弯曲振动(δ (CH2)、δ (CH3) asym),位于1172 cm-1的特征峰来自对称的SO2伸缩振动,来源于磺酸烷基酯类[10]。

23号油脂指纹(雅漾滋润护手冷霜)的拉曼成像结果如图8(b)所示,根据图8(c)可知,4号油脂指纹在2881 cm-1、2846 cm-1、1435 cm-1处具有拉曼光谱特征峰,分别对应于对称的CH3伸缩、对称的CH2伸缩、CH3,CH2变形等分子振动模式[10]。

Fig.7 (a) The image under the white light of microscope,(b) Raman imaging and (c) Raman spectra of 22nd oil fingerprint

Fig.8 (a) The image under the white light of microscope,(b) Raman imaging and (c) Raman spectra of 23rd oil fingerprint

对指纹残留物进行拉曼成像时,可以进行灰度成像或彩色成像,1号油脂指纹的灰度和彩色成像结果分别如图9(a)、9(b)和9(c)所示。可以看出,从区分指纹纹线的角度,灰度图像相对于彩色图像更加清晰,成像效果更好。因此在对指纹进行拉曼光谱成像时,如果遇到彩色图像不能清晰反映纹线特征时,可以尝试转换成像结果为灰度图像。但是彩色图像更加有利于观察指纹残留物成分在平面上的分布状况。

Fig.9 (a)Image under the white light of microscope,(b)Raman imaging in gray scale and (c) Raman imaging in color of 1st oil fingerprint

4 结论

以上结果表明,利用显微拉曼光谱技术对油脂指纹样品进行分析,可以对不同成分的油脂指纹实现有效区分；利用拉曼成像技术,可以在获得指纹纹线形态图像的同时,获得指纹残留物在特定区域内的物质分布情况。在下一步的研究中,可以利用拉曼成像技术,对指纹上的纤维、爆炸残留物、毒品等微量物证进行成像。拉曼成像技术在物证鉴定领域具有广阔的应用前景。

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Analysis of Fingerprint Residues by Micro-Raman Spectroscopy and Spectral Imaging

LI Kai-kai,XU Shao-hui

(People’sPublicSecurityUniversityofChina,Beijing100038,China)

Oil fingerprints residues on glass slides were examined by confocal Raman spectroscopy.The samples were divided into several groups according to the position and number of characteristic peaks.Meanwhile,corresponding molecular vibration groups were identified for each the characteristic peaks.On the basis of that,Raman imaging was also employed to study oil fingerprints residues on glass slides,so as to obtain the distribution of oil fingerprint ridge substance.The experimental results show that the confocal micro-Raman spectroscopy can be used to distinguish oil fingerprint residues with different components,while the Raman imaging technique can be used to obtain the image and the components of fingerprint simultaneously.It has broad application prospect for the extraction and analysis of oil fingerprint.

Raman spectroscopy; Raman imaging; oil fingerprint

2015-06-26; 修改稿日期:2015-10-30

李开开(1985-),女,讲师,主要从事分子光谱研究.E-mail：zlkk77@163.com

1004-5929(2016)03-0230-07

O657.37

A

10.13883/j.issn1004-5929.201603008