飞行时间二次离子质谱在法庭科学领域的应用研究

孙令辉，赵雅彬

(中国人民公安大学侦查学院，北京 100038)

0 引言

二次离子质谱(Secondary Ion Mass Spectrometry，SIMS)，是一种检测带电粒子的质谱检测方法[1]。其工作原理为离子源发射聚焦的一次离子束轰击样品表面，受到高能离子撞击所产生的能量传递，样品表面原子发生“级联碰撞”，部分原子因碰撞返回到样品表面，从而溅射出多种表层粒子(包括中性粒子、带电粒子)，其中的带电粒子又被称作二次离子(见图1)。二次离子进入质量分析器后按质荷比(m/z)的不同被分离检测，从而得到样品表面的质谱信息。此外，通过计算机记录下每个像素点上不同离子的强度、空间位置坐标，可以实现化学成像。SIMS的起源可以追溯至1910年Thomson[2]实验过程中发现二次离子现象，距今已有100多年历史。

图1 二次离子质谱原理示意图[1]

飞行时间二次离子质谱(Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry，TOF-SIMS)采用飞行时间质量分析器(Time of Flight Analyzer)，根据不同m/z飞行时间的差异实现质谱分离。自上世纪70年代第一台商用TOF-SIMS面世以来，TOF-SIMS逐渐被广泛应用于法庭科学、生物医药、环境材料等领域。目前TOF-SIMS检测灵敏度最高可达PPB级，分辨率达亚微米级，能够对各类无机、有机样品近无损地化学成像与质谱解析，此外还可以通过溅射实现3D深度剖析。

基于TOF-SIMS分析成像的优势，研究者们将其应用到了更为灵敏和微观的物质分析发现工作中，尤其近些年，将TOF-SIMS应用于刑事侦查、物证溯源方面的研究越来越多。在Web of Science核心数据库中检索 “TOF-SIMS”、“Forensic Science”，对所选文献的关键词进行统计分析，并通过VOSviewer软件绘制聚类图谱(见图2)。可以看出，TOF-SIMS在法庭科学的应用主要集中于指纹、文件检验、枪弹残留物检验、毒物毒品等领域。在对上述物证分析成像的过程中，还结合了红外光谱、扫描电镜等其他测试手段以期达到精确鉴定的目的。

1 TOF-SIMS对指纹的化学成像研究

指纹曾被誉为“证据之首”，在形态学层面具有“人各不同，终身基本不变”的特性。但除了形态学价值，指纹中还蕴含着丰富的物质信息[3]，既有无机盐、氨基酸、脂肪酸等内源性成分，也有外源性物质。传统指纹检验技术难以处理疑难指纹，缺乏对指纹物质信息的深入挖掘，TOF-SIMS作为一种高分辨、近无损、高通量的分析手段，可以在展现指纹物质空间分布的同时提供化学质谱信息，给指纹以更广阔的应用价值。

1.1 对指纹物质的成像分析

确定犯罪现场遗留指纹含有的特定物质对于推断嫌疑人个体特征、判断案前活动具有重要意义。2007年，Szynkowska课题组[4]首次使用TOF-SIMS对铜片、载玻片上自然遗留的潜在指纹进行化学成像(见图3a)，Na+、K+等内源离子呈现出指纹形态，实现了对指纹形态学与化学信息的同步分析。除此之外，他们还在遗留的指纹中检出了枪弹残留物(GSR)、砒霜(As2O3)、Ni(NO3)2·6H2O三类物质的特征离子。基于先前的研究，2009年，该团队[5]又利用TOF-SIMS在玻璃上检出指纹所沾染的苯丙胺、四甲基苯丙胺、摇头丸3种毒品的成分。

凭借TOF-SIMS出色的空间分辨能力、较高的灵敏度，2010年Hinder等人[6]将分析对象从无机客体推向有机客体上的指纹，利用检出的特征离子对购物袋、报纸等有机表面上的沾染有润滑剂、护肤品、氟化无机粉末的指纹进行成像，清晰地呈现出指纹的终点、分歧、小点、小棒等二级特征(见图3b)，结果表明有机客体的类型对指纹成像质量有一定的影响，该实验还分离了有机客体上的重叠指纹。除了检测常规的有机样本，2020年赵雅彬课题组[7]尝试挑战疑难有机客体——长期流通过的人民币，通过TOF-SIMS成功获取到客体上指纹的三级形态特征，并且检出指纹中的保湿乳成分丙三醇(见图3c)，这为判断遗留者的行为特征提供了可行的分析方法。综上，从无机客体推广至有机客体乃至疑难客体，从呈现指纹大概形貌到显出三级特征，TOF-SIMS对于指纹物质的成像检测愈发成熟，但目前的研究大多集中于对指纹外源性沾染物以及内源性无机离子(Na+、K+)的分析，鲜有研究报导SIMS对指纹大分子有机物、代谢物的检测。

1.2 与传统指纹显现方法联用

受限于指纹遗留客体、遗留时间等因素影响，当处理遗留条件较差的指纹时，传统指纹显现方法往往难以满足指纹鉴定的需求。相较于红外光谱法(FTIR)[8]以及基质辅助激光解吸电离质谱(MALDI MS)[9]对于指纹的增强处理，SIMS具有更高的空间分辨率，增强显现更清晰。2013年，Bailey团队[10]报道了应用TOF-SIMS对铝箔、手榴弹上显现过指纹的增强处理方法，通过对待测客体上502处理过的指纹进行成像增强，呈现出指纹的汗孔特征。此外，本实验还比较了恶劣条件下SIMS与传统方法的灵敏度，用水浸、掩埋等方式处理捺有指纹的玻璃样本，经分析对比TOF-SIMS的指纹成像质量均高于传统指纹显现方法。所以当处理显现效果不佳或遗留条件较差的指纹时，TOF-SIMS无疑是一个很好的选择。

图3 TOF-SIMS对指纹物质的成像：(a)TOF-SIMS采集的铜片表面指纹图像[4]；(b)有机客体上指纹的TOF-SIMS成像[6]；(c)TOF-SIMS对流通过人民币上指纹的化学成像[7]

1.3 推断指纹遗留时间

判定指纹遗留时间一直是指纹研究领域的难点，指纹物质成分复杂且随时间变化受干扰的因素繁多。TOF-SIMS凭借高空间分辨以及多组分同时成像的能力，为探究指纹遗留时间提供了新的可能。区别于其他研究团队从光学特性[11-14]、电效应[15]、物质含量变化[16-19]等角度入手，Muramoto等人[20]通过测定指纹物质扩散推断遗留时间(见图4)。利用TOF-SIMS对指纹中的棕榈酸成像分析，结果表明，硅片上相对新鲜指纹可以通过棕榈酸的扩散建立损失函数模型预测遗留时间。后续研究应着重于扩大样本量，增加遗留客体种类，拉长样本遗留时间。为保证实验的科学性还应设立空白样本对照，结合多组分的扩散作出综合推断。

图4 (a)TOF-SIMS对不同遗留时间指纹中棕榈酸的化学成像；(b)棕榈酸扩散与指纹遗留时间的函数模型[20]

1.4 提升TOF-SIMS检测指纹物质能力

图5 氧化石墨烯辅助TOF-SIMS成像检测指纹中大分子物质[22]

TOF-SIMS定量能力较弱、碎片化严重，固有缺陷限制了TOF-SIMS分析指纹物质的能力，尤其是定量分析和大分子有机物检测。Muramoto课题组、张新荣团队分别从实验分析创新、基底辅助增强两方面提出解决方案。2015年，Muramoto等人[21]利用TOF-SIMS对指纹表面的可卡因、甲基苯丙胺和海洛因进行空间成像定量，通过检测三类物质既定含量的喷墨打印阵列，构建了信号强度与药物沉积量的标准曲线，实现了指纹中毒品空间分布的定量可视化。本次研究验证了TOF-SIMS对于毒品的定量检测能力优于解吸电喷雾电离质谱(Desorption Electrospray Ionization Mass Spectrometry，DESI-MS)，不同的基底、物质对于SIMS的定量化分析也有较大的影响。张新荣团队[22]则利用氧化石墨烯基质辅助增强TOF-SIMS，提升指纹大分子物质的检测能力(见图5)。剧毒物生物碱(m/z>600)和抗生素药物(m/z>700)的二次离子信号检出率显著提高，对其空间分布进行成像，得到指纹单根纹线上清晰的汗孔特征[23]。

2 TOF-SIMS在文件检验领域的应用

TOF-SIMS具备亚微米级的空间分辨率、原位近无损的成像能力，可应用于文件检验的诸多分析中。与文检常规方法相比，TOF-SIMS分析检材客观性强、不受背景干扰、检测灵敏度高，能从物质成分层面辨析油墨成分，这一表面分析技术为解决鉴定朱墨时序、书写工具、纂改文件等重难点问题开辟了新路径。

2.1 鉴别油墨成分和书写工具

TOF-SIMS可以在不破坏样本油墨的同时，获取样本组分信息，达到鉴别不同书写工具的目的。2008年，Denman团队[24]利用TOF-SIMS、电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)分析了不同品牌的铅笔字迹，结合主成分分析法(PCA)在无机元素层面成功将不同铅笔区分开来，结果初步表明同一品牌不同批次的铅笔字迹也存在成分差异。该研究团队[25]还于2010年发表研究成果，通过TOF-SIMS检测结合多元统计分析对不同蓝色圆珠笔进行区分，鉴别率达91%。2009年，Coumbaros等人[26]将TOF-SIMS应用于圆珠笔鉴别的同时，提出薄层色谱(TLC)联用TOF-SIMS分析油墨的方法，通过TOF-SIMS原位检测分离后的TLC板，可以鉴别油墨单一成分。

2.2 判断指纹捺印与油墨的先后顺序

图6 根据油墨的特征离子m/z 358.2，利用TOF-SIMS对重叠指纹和油墨进行线扫描得到的离子强度图[27]

2.3 确定朱墨时序及篡改文件

TOF-SIMS同样适用于判断朱墨时序问题。2014年，Lee团队[30]通过SIMS成像确定了圆珠笔书写、激光打印、红色油墨三者的顺序(见图7a)，通过对比表明TOF-SIMS对于朱墨时序的鉴别能力强于红外光谱法。因TOF-SIMS成像是基于不同特征离子，所以可排除颜色的视觉干扰，Lee课题组[31]利用TOF-SIMS鉴别了不同打印以及书写工具所形成的红色油墨，通过SIMS深度剖析模式判断了同为红色油墨的朱墨时序。此外，根据不同笔墨物质成分差异，对特征离子分别成像，确定了不同红笔篡改的字迹(见图7b)。然而，TOF-SIMS对于朱墨时序的鉴定也存在诸多挑战，2016年Goacher等人[32]研究发现有别于鉴别蓝色墨迹,SIMS判别黑色圆珠笔墨迹的叠加顺序大大受限，无论是更换不同的一次离子还是结合PCA、MCR等分析手段，仍无法准确鉴定朱墨时序。此外，通过TOF-SIMS还初步观察到遗留时间所导致墨迹的离子强度变化，这为判断书写时间做出了初步的探索。

图7 (a)TOF-SIMS对中性笔、毡尖笔、圆珠笔三者两两交叉的化学成像[30]；(b)红色笔篡改字迹的TOF-SIMS成像分析[31]

3 TOF-SIMS对微量物证的分析鉴别

微量物证量小体微，诸如枪弹残留物、毛发、纤维、涂料等，常规的检测手段很难达到鉴定要求。此类物证往往是分离、不完整的，需要充分检测部分以反映整体信息。TOF-SIMS具备这一能力，可以对微量检材近无损检测，灵敏度极高，因而十分适用于微量物证分析。

3.1 枪弹残留物检验

检测枪弹残留物(gunshot residue，GSR)是TOF-SIMS研究热点之一。2001年Coumbaros等人[33]首次对0～22 in口径左轮手枪击发后的GSR进行分析，检出了Pb2+、Cu2+、Na+、K+等特征离子，并对其进行化学成像。将分析结果与扫描电镜能谱(SEM-EDX)进行比对，发现TOF-SIMS的灵敏度更高、检测范围更大，通过深度剖析，SIMS能提供GSR粒子深层的组分信息。因此在GSR关键元素(Pb、Ba、Sb等)含量较低的情况下，TOF-SIMS可以作为SEM-EDX检测GSR的有力补充。Szynkowska课题组[34]于2012年利用TOF-SIMS在胶带转印后的指纹中检出了GSR的特征离子，验证了检验GSR实际操作的可行性。2016年Coumbaros团队[35]在GSR中检出玻璃和火药的熔融颗粒，经TOF-SIMS结合SEM-EDX分析，在0～22 in口径弹药的GSR中普遍检出不同亚型的玻璃成分，该研究为GSR分析检验增加了新的维度。基于Coumbaros的工作，针对澳大利亚小口径弹药缺乏GSR常见特征元素、鉴别难度大的问题，Seyfang团队[36]致力于获取弹药中的玻璃成分(glass-containing GSR，gGSR)信息，通过聚焦离子束剥蚀(FIB)结合TOF-SIMS分析成功检出gGSR，并区分了Winchester、PMC Zapper两种弹药的组分差异。

3.2 毛发检验

3.3 其他微量物证

分析鉴别炸药成分有助于确定爆炸物的来源、制造过程、地理位置以及生产批号等信息。基于TOF-SIMS高通量、多组分、高灵敏度的分析优势，2006年Mahoney等人[46]利用TOF-SIMS从3种不同的无烟火药和6种不同的黑色火药样品中获取特征质谱，在PCA分析的帮助下成功区分不同的样品。2010年，Mahoney[47]还使用TOF-SIMS区分了3种型号的C4 炸药样品，通过化学成像表征了样品中添加剂的空间分布(见图8b)。

交通事故、肇事逃逸等涉车案件通常会提取到油漆碎片，油漆可以排查车辆型号。Muramoto团队[48]于2018年利用TOF-SIMS对汽车油漆横截面分析，各涂层的化学成分可以通过PCA予以区分，此研究体现了SIMS检测汽车油漆的优势，可以直观展现出油漆各涂层的组分信息(见图8c)。此外，SIMS技术也用于检测血液等其他微量物证，2015年Pai-Shan Chen团队[49]利用TOF-SIMS结合PCA分析直接检测全血中的氯胺酮(见图8d)，该研究提供了一种高效、准确、高通量的血液药物筛查方法。

图8 (a)TOF-SIMS对尼龙截面酸性蓝25染料的化学成像[45]；(b)正离子模式下C4炸药的TOF-SIMS表征[47]；(c)利用TOF-SIMS获取的汽车油漆横截面离子图[48]；(d)基于SIMS检测，利用PCA区分血液中是否含有氯胺酮[49]

4 结论与展望

飞行时间二次离子质谱逐渐成为指纹、文检、微量物证等法庭科学领域的前沿热点分析技术，TOF-SIMS实现了对样品组分的信息检测以及空间分布可视化，具备高灵敏、免标记、高通量、无需前处理、近无损原位分析的优势，在物证分析溯源研究中被广泛应用。但是受限于二次离子碎片化严重、大分子物质产率低的缺陷，TOF-SIMS谱图解析存在一定难度。此外SIMS对真空度要求很高且腔体空间有限，体积较大或蓬松多孔的客体直接进样困难，距实战应用还存在一定距离。

从规避仪器局限性出发，可以通过基质辅助增强TOF-SIMS检测物证的能力，提升大分子物质的检出率。其次，结合多元统计方法、深度学习算法充分挖掘TOF-SIMS谱图蕴含的丰富信息，尝试基于碎片离子信号进行个体同一认定判断。利用膜转移技术对客体上的待测部位进行物质转移，对转移膜进行化学成像，这也是TOF-SIMS测定无法直接进样或难以抽真空客体的一大趋势。此外，TOF-SIMS仪器下一步的发展方向还应着力于改善硬件以提高空间分辨率与大分子二次离子的产率。

从研究角度入手，未来TOF-SIMS在法庭科学领域的研究趋势：一是与现有的检验方法联用。探讨TOF-SIMS对于传统检验方法的影响，以及SIMS对现有方法的后续增强效果，完善标准检验流程。二是与其他仪器联用，优势互补。诸如联用扫描电镜、气质液质等，TOF-SIMS是近无损检测，完全可以后续联用其他分析仪器，充分发挥仪器特性，提升证据价值。三是建立标准离子谱库。SIMS谱图碎片化严重，特别是对于大分子有机物难以确认，建立常见物证标品的TOF-SIMS离子库对于谱图解析尤为重要。总之，TOF-SIMS作为一种分辨率极高的表面分析技术，十分适用于对常见物证的化学成像分析，未来在法庭科学领域的应用前景广阔。