潜在指纹提取的光学检测技术研究进展

陶春先, 钱晓晨, 马守宝, 刘 琼, 韩朝霞, 张大伟

(1.上海理工大学 光电信息与计算机工程学院, 上海 200093;2.上海理工大学 上海市现代光学系统重点实验室, 上海 200093;3.上海理工大学 教育部光学仪器与系统工程研究中心, 上海 200093)

引 言

由于人的指纹是遗传与环境共同作用的,人人皆有,却各不相同。因为指纹重复率极小,大约为150亿分之一,故其称为“人体身份证”,成为犯罪现场中最有用的物理证据之一。但是在犯罪现场中,大多数指纹因手指遗留物质或时间的原因直接在可见光下不明显,故可以靠光致发光的方法来显现,这种检测方法首次是在1976年加拿大的施乐研究中心发现并开始运用的[1]。开始时潜在指纹是用荧光检测法来显现的,即用紫外等较短波光来激发发射出可见光,得到了较为清晰的潜在指纹图像。然而运用传统的荧光检测法显现的指纹容易受客体的颜色和性质所影响,而且紫外线和大部分的荧光材料对人体有一定伤害。随着上转换发光的发现,人们又运用了上转换发光检测法来显现指纹,即用红外等较长波光激发发出可见光,红外光和所用材料的毒性对人体伤害较小,操作简捷,成像清晰,受客体和遗留时间的影响较小,但是成本也较荧光检测法要高。现今这两种检测方法都在使用,只是根据不同需求选择合适的方法[2]。犯罪现场中的潜在指纹大致分为油脂指纹、汗潜指纹和潜血指纹,根据指纹的包含物质和所处客体性质的不同,选择不同的检测方式。在探测前,为了增强显现的效果,有时会在潜在指纹上添加一些使发射光增强的物质来加大指纹和客体间的发光差异,而这些物质的形态不同,对显现效果的影响也不同。光学探测所用的激发光需根据探测的指纹性质和客体的不同采用相应的频率范围来得到最适合的发射光。激发光源因其种类和功能的不同,各有其特点。在根据实际环境和客体选择了光源及合适的波段后,客体发出的杂光也需要用合适的滤光片,才能得出较为清晰的指纹图样。指纹图样的质量,还会受很多其他因素的影响,如打光方向、客体材料特性、光源功率、激发波长、显现材料的用量等。在一些特殊、疑难客体上的潜在指纹,需要加一些特殊的操作方法才能得到清晰的指纹图像。本文将从以上所述方面内容和两种发光方式的原理进行阐述并指出现今指纹光学显现技术中的不足之处。

1 提取指纹的方法

在显现潜在指纹之前,最好用无水乙醇将客体上的潜在指纹加以固定,以防止指纹被检测中所用材料破坏或指纹中的物质跟显现试剂反应,迅速扩散从而影响指纹的显现效果。

常见的潜在指纹一般用荧光方法和上转换发光方法来显现,荧光方法是用波长较短的光来激发出波长较长的光,而上转换发光方法则反之,即用波长较长的光来激发出波长较短的光。由于上转换发光方法所用材料的成本较高,通常情况下荧光方法的使用多一些。另外,潜在指纹中的一些物质成分可以用光谱成像技术来分析,以判断罪犯的其他罪行[2]。

为了尽量得出清晰的指纹图像,最关键的是要使指纹和客体两者所发的光相差较大,这需要选择适合的显现材料和光源波段[3]。在发出相应光后,若客体的表面也发出较大的非信号光干扰时,选择相适应的滤光片可以滤掉这些无用的光[4]。

1.1 荧光检测法

潜在指纹中有氨基酸、蛋白质、脂肪酸、维生素以及脂肪等多种成分,这些成分在蓝光和紫外光等较短波光的激发下可以发出固有可见荧光。

荧光检测方式因发出的荧光强弱不同大致分为两种。一是直接用波长较短光激发潜在指纹,从而显现出痕迹物证,如在高强度长波紫外波照射下,油脂可以直接发出荧光,荧光强度随着指纹的油脂量的增大而增大[5]。台治强等对含有动物油、植物油、矿物油的指纹进行探测,发现这些指纹在紫外光激发下都产生较强的可见光,其中矿物油的荧光光强是最大的[6];潜血指纹中的血清会对紫外线有强烈的吸收并且在可见光区域不发射荧光,可在墙壁等本身对紫外线有荧光的客体上形成暗指纹纹线亮背景显现图[7-8];二是对某些可疑的痕迹物证上添加荧光材料,再进行第一种方式中的荧光检测[9]。荧光材料的形式大致有三种:荧光粉、荧光试剂、气相荧光材料。

在进行荧光检测时,最好在暗室环境中,否则周围的无关杂光会影响成像质量。在看到较清晰的指纹图像后照相固定,实验的原理图和流程如图1所示。

图1 荧光检测法Fig.1 Fluorescence detection

用荧光粉检测时首先用指纹专用的毛刷粘附少许适合的荧光粉在有指纹的客体上轻轻刷显,再用波长较短的光源进行激发。在进行这个过程时,要根据荧光粉和客体的特性来选择适合的激发光的波长。如客体有产生较强的干扰指纹成像的荧光,则需改变荧光粉或滤光镜。通过多组实验对比选出最佳的光源波长、荧光粉和滤光镜的组合,得到最佳的指纹显像。常用的荧光粉和磁性荧光粉主要有绿、黄、橙、粉红、红等几种颜色,能附着在指纹中的水分及油脂上,比较适用于塑料、金属、搪瓷、陶瓷、玻璃等非渗透性客体上。经试验证明,橙色、红色、品红色荧光粉的适应性最为广泛,当然也有指纹专用的荧光粉如WOP荧光粉,这种荧光粉效果要比传统的磁性荧光粉、石墨荧光粉好很多。张鸿雁等[10]用WOP荧光粉作用于新的人民币时得到了95%的显现率,作用于陈旧人民币也达到了85%的显现率。此外WOP荧光粉还可以制成悬浮液,能较好地显现被水浸泡的人民币。

使用荧光试剂显现潜在指纹时可以用喷雾[11]、浸泡、熏染、滴渗等方法处理。某些荧光试剂如罗丹明6G在使用前要先用溶剂稀释,稀释倍率大致在1∶1 000～1∶4 000。染色时逐滴滴显并在光源下观察,若发现背景表面有过多荧光染料,可以用清水洗去再晾干待检。

荧光试剂通常和“502”胶等粘合剂蒸熏配合使用。先用“502”胶对被测客体熏显,再用荧光试剂进行染色,然后用光源激发,并选择合适的滤光镜,从而达到显现痕迹物证的目的。“502”胶能够和指纹中的氨基酸反应生成“a-氰基丙烯酸乙酯”聚合物,这种聚合物具有多孔结构,有很好的吸附性,弥补了光洁客体对一些化学试剂的吸附性较差的缺陷。

常用的荧光试剂有罗丹明6G[12]、罗丹明B[13]、AY7、JX-2染料、DFO[14]、BBD、茚三酮、龙胆紫、二氯荧光黄、碱性品红、氨基黑10B[15]、甲基紫、曙红Y醇溶试剂、四甲基联苯胺、蛋白染色剂[16]、RZD溶液[17]、钴绿小颗粒悬浮液[18]、二氧化钛小颗粒悬浮液等,其中AY7、四甲基联苯胺、氨基黑10B、甲基紫、曙红Y醇溶试剂[19]、四甲基联苯胺[20]、蛋白染色剂、RZD溶液、钴绿小颗粒悬浮液、二氧化钛小颗粒悬浮液等多用在显现血脂纹中。

将粘合剂和荧光试剂混合配制成一种既有易挥发性质,又有荧光特性的新试剂,这种试剂是直接以气相形式沉淀粘附到指纹上,再用合适的光源照射,发出荧光,适用于易被损坏的指纹,如在干燥环境中易脱落的血脂纹[21]。Shimoda等[22]配制氰基丙烯酸盐粘合剂和易分解的荧光试剂(DMAB或DMAC)结合的新试剂后使之汽化并沉淀到指纹表面发出荧光,再把样品放到醋酸气体中,得到了荧光更强、波长更长的清晰的指纹图像,如图2所示。

图2 铝箔上用气相沉淀法得到的指纹图像Fig.2 The fingerprint on an aluminum foil revealed by vapor deposition

荧光粉在显现指纹的过程中,操作方法较简单有效,保存时安定性好,但是所用的粉末质量普遍较轻,与指纹物质的附着力不强,对于粗糙客体会在凹陷部位有纹线间断的现象,影响显现的效果。荧光试剂相较而言附着能力较强,但是保存和操作较为复杂。在显现指纹时,需要控制好量,不宜过多,不然会使显出的指纹模糊不清,再用清水冲刷时可能会破坏指纹。而气相探测法不需用外物对客体涂抹刷显,对客体几乎没有破坏,但是要注意所用材料的配制比例,操作过程较为复杂,且不够便捷。

三种显现方式各有优劣,应根据实际情况选择最适合的方式来显现潜在指纹。

1.2 上转换光检测法

传统荧光材料在探测指纹时会有一些严重的问题,例如显现效果很容易被客体的颜色和性质所影响,而且紫外线和大部分荧光材料对人体也有一定伤害。另外,复杂的操作流程和低显现率也限制了他们的使用。与传统荧光材料法相比,上转换光检测法对人体伤害小,显现清晰,操作简洁,且受指纹遗留时间的影响小[23-24]。

在用上转换发光显现指纹时,通常用上转换材料稀土纳米晶体结合红外线探测。上转换光检测的方法基本和荧光检测的相同。

上转换纳米粒子,尤其是稀土掺杂的稀土纳米晶体,是上转换发光中效果比较好的材料,他们在红外线激发下可以发出强烈的可见光,在探测指纹时能获得高精度和强对比度。上转换中激发光红外光的低能量发射并不会引起客体的自身发光,所以可以减少探测中的背景干扰。与用紫外线激发的荧光材料相比,红外激发的上转换纳米粒子毒性更小,且在生物成像中内在的生物相容性更好。另外,上转换纳米粒子有很多卓越的特性,例如出色的耐光性、微调的发射、高量子产率和更长的寿命,这使纳米粒子相比其他材料更胜一筹。

Li等成功运用了NaYF4∶Yb、Er、Gd上转换纳米棒材料作为检测渗透体(分别是杂志的封面和火车票)和非渗透体(分别是玻璃、瓷砖、铝箔、不锈钢板、硬币和大理石)的显现粉末,在980 nm的近红外线激发下显现出了潜血指纹[24]。图3(a)每张小图的左半边是以AY7溶液作为荧光试剂并用紫外线激发的显现效果,而右半边是用红外线和纳米棒材料在以上8种不同客体上的潜血指纹的显现效果。对比可见,右半边图像中的客体几乎没有发出光,对图像基本没有产生干扰,指纹也十分清晰。图3(b)是两者在不锈钢板上的对比,但是从左至右分别是血液被稀释至10、20、40、60、80倍的血脂纹,可以看出用红外线法的显现图在血液被稀释至80倍时依然清晰,而用紫外线法的显现图在血液被稀释至60倍时就开始模糊。总结而言,上转换材料结合红外线法效果较好,在刑事调查中可以作为一个有力的选择。

2 检测中的发光原理

2.1 荧光发光原理

通常所用的荧光方法是利用波长较短的光激发荧光物质发出波长较长的可见光[25],当激发光停止发光,产生的光也立即熄灭。荧光物质中的外层电子吸收了特定波长的激发光后从低能态跳到了高能态,构成了能级跃迁。分子受激后加剧振动,与彼此的碰撞机会增多,重新释放了一部分能量,由此外层电子释放光能,并返回到基态。在释放荧光之前,因一部分能量以热能形式损耗掉了,所以荧光的波长会比激发波长更长[26]。如图4所示,这种波长上的变化也称为斯托克斯位移或“向红移动”。另外,当激发光的光功率越大时,发射光也越强,越易显现[27]。

图3 使用NaYF4∶Yb、Er、Gd纳米棒材料的上转换发光检测法Fig.3 Up-conversion luminescence with NaYF4∶Yb,Er,Gd nanorods

图4 斯托克斯位移Fig.4 The Stocks shift

2.2 上转换发光原理

斯托克斯定律认为,材料只能接受高能量光而发射出低能量光,而后来人们发现有些材料的性质正好与斯托克斯定律相反,即在波长较长的光激发下发射出波长较短的光。但这并没有违背能量守恒定律[28],因为发射光虽然波长短,能量比激发光高,但是这只是单个光子的能量,总体发射光子个数比激发光子少,综合起来发射光的总能量依然不大于激发光的总能量[29-30]。

上转换发光的机理可以总结为4种情况。(1) 激发态吸收:激发态吸收过程是最为常见的一种上转换发光过程。如图5(a),发光中心处在基态能级上的离子吸收一个光子跃迁到中间的亚稳态能级,若光子的振动能量恰与中间亚稳态能级和更高激发态能级的能量间隔相等,则中间亚稳态能级上该离子便可吸收该光子的能量而跃迁至更高的激发态能级构成三光子或四光子吸收。这样一来,若该高能级上的粒子数足够多,形成粒子数反转,就能实现较高频率的发射,实现上转换发光[29-30]。(2) 直接双光子吸收:两个能量分别为E1和E2的光子从一个虚拟中间量子态被同时吸收,达到终态E3=E1+E2。(3) 能量转移:两个能量大小相近的离子经非辐射耦合后,用交叉弛豫的方式传递能量。一个返回至基态,另一个跃迁到更高能级。(4) 光子雪崩:光子雪崩是激发态吸收和能量转移相结合的过程。如图5(b),E2能级上的离子吸收泵浦能量后会激发到E3能级,E1能级和E3能级发生交叉弛豫,E2能级上积累了越来越多的离子,使得E2能级上的离子束如雪崩般增加,因此称之为光子雪崩过程。

图5 上转换发光的机理Fig.5 The principle of up-conversion luminescence

3 光源系统

显现潜在指纹的常用光源主要包括多波段光源、LED[31]、全波段CCD系统[32-33]、文检仪[34]、微距全向光源[35]和X射线[36]。

其中多波段光源是以司法、刑侦部门为主要对象研制的法庭科学光源,具有波段可调、方向性好、亮度高、发光效率较高等特点,可用于紫外光、可见光及红外光的反射照相或荧光照相等多种形式的拍照;而LED作为一种新型光源,具有较纯的光谱、较高的强度和发光效率等优点,又因其携带方便、价格低廉、使用寿命长,可考虑其为多波段光源的替代品。只是LED虽然基本能达到多波段光源的效果,但光斑较小、亮度不及多波段光源。多波段光源和LED所得潜在指纹对比图如图6所示。

图6 多波段光源和民用LED显现潜在指纹的效果对比Fig.6 The comparison of fingerprints revealed by multi-band light source and civil LED

全波段CCD系统可以实现在低照度情况下对微弱信号和高质量图像进行采集和处理,集痕迹和文件检验、数字照相和图像处理于一体,且可以有效地消除客体的干扰,增强图像的反差。由于可以实时显示图像,因此可根据图像来调整配光和拍摄角度,图像亮度和对比度等,避免了徒劳的拍摄,可大大提高公安机关在现场获取物证方面的工作效率,如图7所示为利用全波段CCD系统成功提取的一枚在哑光材质的纸质购物袋上的潜血指纹。

文检仪具备在复杂背景上检测指纹的良好条件,而微距全向光源的特点则是有多档照射角度,可更容易地改变不同的配光角度和配光方式,能得到最佳的提取指纹的条件;X射线荧光不仅可以提高传统光源难以显现的较特殊的客体(如纤维纸、纺织品、皮革、人皮等)上的潜在指纹的显现概率,还可以显现粘有洗涤剂、防晒霜的指纹和不包含皮脂或含有易挥发脂肪酸的儿童指纹,但X射线对人体的伤害较大。如图8(a)、(b)、(c)分别为文检仪对有复杂背景的塑料瓶上的显现效果[34]、微距全向光源对黑色电话座机底盘表面的汗潜指纹的显现效果[35]和X射线显现的潜在指纹[36]。

图7 用全波段CCD系统在纸质购物袋上的潜血指纹[33]Fig.7 The fingerprint on a paper shopping bag revealed by full-wave band CCD[33]

图8 文检仪、微距全向光源、X射线显现的潜在指纹效果图Fig.8 The fingerprints revealed respectively by document retrieval instrument,macro omnidirectional light source and X-ray

4 一些特殊客体及情况的影响

4.1 光滑弧面客体

在光滑弧面客体(比如钢管、水杯)表面,指纹在一般光照条件下无法清晰地被拍摄。因为利用一般的点光源或线光源(如白炽灯、日光灯等)时,反射出的像将会是缩小的点状或者条状光斑,且尺寸较小,不足以覆盖指纹区域。程艳等[37]用A4纸等制作的面光源装置拍摄光滑弧面客体上的指纹,形成了均匀的散射效果,极大地增加指纹纹线与背景表面之间的亮度反差以及减弱或消除背景图案的干扰,如图9所示[37]。

4.2 人民币

在各种刑事案件中,盗窃案是发案率最高的,占了涉及货币案件的大部分。纸币是一种制作工艺特殊的纸张,表面有花纹背景,且本身会含有无色防伪荧光油墨。在用光致发光的方法时,首先要将人民币本身可发出较强荧光的激发波段滤去以防止产生干扰。黄乘凯等[38]通过实验发现,人民币上的无色防伪荧光油墨等被365～415 nm光波激发出明亮的荧光,对显现指纹有很大干扰,故在探测人民币上的指纹时避开了这一波段的激发光,以440～490 nm为首选激发光波段。人民币上显现的指纹如图10所示。

图9 普通光源和自制面光源在光滑弧面客体上显现潜在指纹的对比图Fig.9 The comparison of fingerprint revealed by common light source and homemade area light

图10 人民币上显现的指纹[10]Fig.10 The fingerprint revealed on RMB[10]

4.3 凹凸不平的表面

对于表面凹凸不平的客体,在观察指纹的显现时,可以采用掠入射加小角度配光的方式来打光,从而避免反射光过强影响拍摄效果。在凹凸交界处,一般会出现明显的光斑,可以通过改变打光方向进行系列曝光并用计算机进行处理,而不是根据配光方法单纯地改变曝光量[39-40],见图11。除此之外,也可以利用微距全向光源中的掠入射照明和均匀照明档来提取略微粗糙的客体中的指纹。

图11 计算机对凹凸不平表面上显现的指纹处理前后对比图Fig.11 The comparison of fingerprints revealed on uneven surfaces before and after optimization by computer

4.4 皮 肤

在杀人强奸案的检查勘查中,受害人的皮肤上往往会留有犯罪嫌疑人的指纹,若能获取犯罪嫌疑人的指纹将会对案件的侦破起关键性作用。而提取皮肤上的指纹并不容易,皮肤本身有很多细纹路,显现剂的量须控制得当。尤亮等[41]利用沾有四甲基联苯胺的脱脂棉球轻轻贴于血指纹上。此处为了防止交叉干扰,在用脱脂棉球时不能在血指纹上来回涂抹,始终保持用干净、清洁的面来碰触血指纹,最终得到一张有用的血指纹图样,见图12。

图12 现场指纹图和犯罪嫌疑人真实指纹图的对比Fig.12 The comparison of the fingerprint revealed in the criminal site and the suspect’s fingerprint

4.5 布 料

布料多纹多孔且易皱易吸附,从布料上提取指纹的成功率较低,研究较少。但Belliveau等[42]对一部分布料做过实验,在腈纶、涤纶和棉布上的模板血指纹上用水蒸气蒸熏并以红外线照射,如图13,发现在腈纶和涤纶客体上有一定显现效果,而棉布上的血指纹则有待进一步探究。

图13 不同客体上的指纹显现图Fig.13 Fingerprints on different objects

5 结 论

目前指纹光学检测中,方法多样,技术日益成熟,显现效果有了很大提升,仪器也趋于便捷化,但未来仍有一些须改进和突破的方面:

1) 依然有疑难客体如布料、皮肤等上的指纹显现技术不够成熟,对清晰指纹图像的获取不具有把握性,未来需要探索出在疑难客体上的更加有效的显现方法。

2) 在实地侦查指纹时仍存在不便利的地方,如须先大面积寻找指纹位置,在处理凹凸表面客体时须手动调整距离和方向,人为优化处理图像,耗时耗力,在过程中无法独自完成鉴定工作。因此将来还须朝着自动化的方向多改进,如设计出可以自动调整激发光方向的多光束光源,得到可疑发射光时自动记录位置并再从细探测等,从而提高办案效率。

3) 指纹遗留时间的判断。该技术具有重大意义但却一直存有难点,影响指纹遗留时间的因素很多,建立起指纹遗留判断时间仍需艰苦的工作。