稳定性同位素质谱技术在微量物证检验中的应用研究进展

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(1.贵州警察学院实验中心,贵阳 550005; 2.贵州警察学院法律系,贵阳 550005;3.贵州警察学院刑技系,贵阳 550005)

目前,常见的微量物证的分析技术仅对样品种类进行分析,无法确定具有相同成分的样品是否具有相同的来源,而能否实现样品的同一认定或者对案发现场的样品进行溯源追踪对案件侦查、审讯至关重要。

稳定性同位素是指原子序数相同,但质量数不同且不具有放射性的核素。在法庭科学中,微量物证一般具有特定的地理来源或者制造过程中的特定细节(例如生产厂商、批次、原料或者生产方式等),而稳定性同位素比值通常具有特定的范围,可以用来确认一个物证样品是否与另一个物证样品具有相同来源。

根据分析范围不同,可将稳定性同位素分析方法分为全样品稳定性同位素分析(BSIA)、特定化合物稳定性同位素分析(CSIA)和特定位置同位素分析(PSIA)等3种方法。PSIA是指对一个分子内特定位置原子的天然同位素比值进行测定,尚未有在法庭科学领域方面的应用;BSIA是对样品中所有化合物的同位素比值进行分析,通常先通过元素分析仪(EA)将样品中的碳、氮、氢和氧转化为二氧化碳、氮气、氢气和一氧化碳,然后经气相色谱仪(GC)分离导入同位素比值质谱仪(IRMS)进行分析;CSIA是对单个化合物的同位素比值进行分析,样品先经GC分离,得到的单一化合物经在线燃烧和还原后,将其导入IRMS,可获取单个化合物同位素比值信息。

为使不同学科不同实验室在不同时间得到的稳定性同位素数据能够进行相互比较,需使用国际普遍认可的基准物质、标准物质或标准,目前,国际上公认各元素采用的稳定同位素比值(δ)标准为:维也纳拟箭石(VPDB)可作为δ13C和δ18O的标准,维也纳标准平均海水(VSMOW)可作为δ2H标准(现已被VSMOW2标准水替代),大气中氮气可作为δ15N标准。实际δ可用公式(1)计算:

式中:δ为稳定同位素比,‰;Rsample和Rstandard分别为样品和标准物质中重同位素与轻同位素的丰度比。

稳定同位素质谱技术最初主要用于地质和考古研究,后来慢慢拓展到农作物溯源、食品安全等领域,如稻米[1-4]、小麦[5-6]、蜂蜜[7-8]、茶叶[9-10]、肉类[11-14]等的掺假鉴别及产地追溯。由于稳定同位素质谱技术在国内法庭科学中应用极少,仅在毒品领域有相关研究[15-17],为了拓展其在法庭科学方面的应用,本工作对稳定性同位素质谱技术在法庭科学微量物证(如助燃剂、爆炸物、涂料、土壤、棉纤维、胶带、塑料和纸张等)分析中的应用进行了综述。

1 助燃剂

SMALLWOOD等[18]收集了美国不同地区的19个汽油样品,使用GC-IRMS对汽油中普遍存在的16种化合物的δ13C进行分析,结果表明:利用各化合物δ13C的不同能够实现不同样品的区分;对10个样品中的甲基叔丁基醚(MTBE)的δ13C进行分析,发现3个样品的δ13C一致,说明δ13C不能作为区分不同样品的唯一依据;该研究还考察了风化和与水接触对各化合物的δ13C的影响,结果表明:风化168 h后仅检出萘、1-甲基萘和2-甲基萘等3种化合物,其δ13C与风化前的一致,而与水接触168 h后各化合物的δ13C均发生了明显的改变。O′SULLIVAN等[19]收集了28个不同国家的汽油样品,分别使用EA-IRMS和GC-IRMS对样品的δ13C和δ2H进行分析,结果发现:使用EA-IRMS时,结合δ13C和δ2H可实现21个样品的区分;GC-IRMS分析结果表明:汽油中的19种化合物的δ13C均表现出显著的变化,对样品和实验室中MTBE的δ13C和δ2H进行分析和比对,δ13C和样品的地理位置之间没有相关性,根据δ2H可区分含有不同MTBE的汽油样品,与EA-IRMS相比,大大地提高了不同汽油样品的区分能力。

MUHAMMAD等[20]收集了新西兰的45个柴油样品,使用GC-IRMS对样品中14种烷烃的δ13C和δ2H进行分析,结合δ13C和δ2H可以实现对不同地域来源的柴油样品的区分,与之前的研究结果相似[21]。MUHAMMAD等[22]将柴油样品在24.2 ℃条件下放置21 d,对其中14种烷烃的δ13C和δ2H进行分析,以考察柴油因风化引起的同位素分馏效应,结果表明:碳链较短烷烃的含量因挥发而明显减少,δ2H发生了明显变化,而δ13C没有明显变化。

SCHWARTZ等[23]分别使用EA-IRMS和GCIRMS对2个批次的家用清洁剂、五金润滑剂、松节油和打火机燃油等4种助燃剂样品燃烧前后的δ13C进行分析,结果发现:GC-IRMS对样品的分析效果比EA-IRMS的更好,能够实现两个不同批次样品的区分;燃烧前后样品中不同化合物均发生了碳的同位素分馏,仅根据δ13C难以确定燃烧前后不同样品的关系。

对以上部分文献涉及的样品、方法、样品数、分析化合物范围、稳定同位素比值的范围进行总结,结果见表1。

表1 助燃剂样品的稳定同位素比值Tab.1 Stable isotopic values of combustion improver samples

汽油和柴油中相对分子质量较大的化合物中的δ13C不会受水洗、风化等因素的影响,但与水接触较长时间将会对其产生影响,这在一定程度上能够实现汽油、柴油等污染物的来源追溯,但燃烧会导致助燃剂发生不可预测的同位素分馏效应,使该技术在火灾案件中助燃剂的来源追溯的应用受到限制。

2 爆炸物

2.1 有机炸药的分析

BENSON等[24]使用EA-IRMS对三过氧化三丙酮(TATP)和季戊四醇四硝酸酯(PETN)的δ13C、δ18O和δ2H进行分析,结果表明:反应物来源、比例和反应温度会对实验室合成的TATP的稳定同位素比值产生影响;结合δ13C和δ15N对15个真实爆炸物样品中提取得到PETN进行分析,可以确定15个样品具有不同来源。

BEZEMER等[25]分别使用GC-IRMS和EAIRMS对实验室合成的31个TATP样品的δ13C、δ18O和δ2H进行分析,结果表明:TATP的δ13C和δ2H与丙酮的呈良好的相关性,证实TATP中碳和氢来自于丙酮;TATP的δ18O与过氧化氢的不具有明显的相关性,说明受到水和其他添加剂的影响较大,由于样品的δ18O值的范围较小,仅根据δ18O值很难对TATP样品进行区分。

HOWA等[26]用制备型高效液相色谱(HPLC)将PETN从来自22个制造商的175个炸药样品分离出来,使用EA-IRMS对PETN的δ13C和δ15N进行测定,并与PETN的反应物季戊四醇(PE)的δ13C和硝酸的δ15N进行比对,结果发现:根据δ13C和δ15N可以实现不同批次样品的区分;PETN与PE的δ13C一致,证实PETN的碳来源于PE,但PETN与硝酸的δ15N有明显的区别,结合反应前后硝酸的δ15N数据,证明氮在反应过程中发生了同位素分馏,δ14N优先参与反应;此外,试验还证实了PETN的δ15N会受到硝酸的δ15N和反应条件如反应温度、反应速率及反应物硝酸用量等因素的影响。

CHESSON等[27]按照文献[28]中的方法对C-4塑料炸药的模拟样品和真实样品中的炸药、黏合剂、油类和不溶物进行分离提取后对各组分的δ13C、δ15N和δ2H进行分析,模拟样品结果表明:方法提取效率良好且提取过程没有发生同位素分馏;真实样品结果表明:炸药组分的δ13C和δ15N以及组分含量无法区分两个样品的来源,但黏合剂和增塑剂的δ13C和δ2H可以对其进行明显区分。

LOCK等[29]以6个不同制造商生产的六次甲基四胺样品和同一批次的硝酸为反应物,用Woolwich方法合成反应产物黑索金(RDX),并比对了反应物和产物的δ13C、δ15N和δ18O。结果表明:产物RDX与反应物六次甲基四胺δ13C和δ15N的差值为8.69‰和14.01‰,据此推断了可能的合成反应机理。HOWA等[30]收集了3个RDX制造商的反应物六次甲基四胺和硝酸、反应产物RDX及副产物奥克托今(HMX),其中,3个制造商是使用两种不同方法(直接硝化法和Bachmann法)进行硝化反应的,试验使用HPLC将收集的样品分离纯化后对其中的δ13C和δ15N进行分析,结果表明:两种方法的反应产物与反应物的同位素比值变化不同,直接硝化法比Bachmann法合成的产物的δ13C更正,δ15N更负,副产物HMX中的δ13C和δ15N与RDX十分接近;试验还收集了12个制造商的100个RDX样品并对其δ13C和δ15N进行分析,发现不同制造商和同一制造商生产的不同批次的样品的δ13C和δ15N均有所区别,证实若已知制造商的合成工艺,可根据产物δ13C和δ15N的变化推断供应商或供应商原材料的变化,从而达到溯源的目的。

2.2 无机炸药

无机炸药稳定同位素分析的难点在于批次内变异性、原料、合成方法、合成工艺和合成条件的影响等。目前针对爆炸物的稳定性同位素分析,其重点应用为样品的区分,但将爆炸物的同位素信息与原料来源、生产商等信息进行关联,进而实现样品来源的追溯,会有更广阔的应用前景。

GENTILE等[31]使用EA-IRMS对一个制造商生产的4个批次的13个黑火药样品中的δ13C和δ15N进行分析,结果发现:不同批次样品的δ13C和δ15N有明显区别;考察了4个批次样品的批次内变异性和储存条件对δ13C和δ15N的影响,结果发现:批次内的样品的δ13C的最大偏差为0.31‰,δ15N的最大偏差为1.57‰;在12个月内不同温度和湿度条件下,δ13C较为稳定,而δ15N则受温度和湿度影响较大,其中,较高湿度会导致δ15N的重复性变差,高温则会导致δ15N发生明显的偏移。

BENSON等[32]对来自澳大利亚、菲律宾、立陶宛、印度尼西亚和中国的共计95个硝酸铵样品的δ15N、δ18O和δ2H进行分析,结果发现:δ15N可在一定程度上实现不同来源样品的区分,但不同来源样品的δ15N范围存在较大的重合;根据δ18O和δ2H能够区分大多数样品,仅菲律宾与中国的样品有重叠;结合δ15N、δ18O和δ2H能在一定程度上实现95个样品的相互区分,但不同来源样品的3种元素同位素比值的范围均有较大重合,说明仅根据同位素比值信息无法实现样品的溯源分析。

HOWA等[33]建立了使用四苯硼钠沉淀硝酸铵中的NH4＋后分别对样品中NH4＋和NO3-中的δ15N进行分析的方法,结果表明:硝酸铵样品中铵态δ15N为-4.5‰～＋0.7‰,而硝酸根态δ15N为-5‰～＋3.5‰;对42个样品的硝酸铵的δ15N以及其中铵态δ15N与硝酸根态δ15N进行比对发现,硝酸铵的δ15N仅能实现对一半样品的区分,而铵态δ15N与硝酸根态δ15N结合可实现对40个样品的区分,大大提升了对硝酸铵样品的区分能力。

BRUST等[34]分别使用激光剥蚀-电感耦合等离子体质谱法对硝酸铵肥料颗粒的元素组成和含量进行分析,使用EA-IRMS对样品的δ15N和δ18O进行分析,其中,以添加相同质量蔗糖的方法分析δ15N,以添加50%样品质量的镍化碳并使用1.5 m色谱柱(0.18～0.28 mm)分析δ18O,结果表明:根据δ15N和δ18O可对不同产地、不同生产商、不同类型的硝酸铵样品进行区分,但对不同批次的样品的区分尚存在一定的难度。

对以上部分文献涉及的样品、方法、样品数、稳定同位素比值的范围进行总结,结果见表2。

表2 炸药样品的稳定同位素比值Tab.2 Stable isotopic values of explosive samples

爆炸残留物与初始爆炸物的比较也是爆炸物的一项重要研究,但目前的文献极少。汪聪慧等[17]发现,爆炸残留物的δ15N比初始爆炸物的高,但他没有结合爆炸过程的分馏规律进行深入研究,研究的样品数(6个)较少,且没有对δ18O和δ2H等进行研究。此外,爆炸尘土中爆炸残留物的同位素分析也是巨大的挑战。

3 涂料

在涂料的合成过程中,树脂及其他添加剂的细微变化均会影响样品的同位素比值,如:①树脂原料之间的同位素差异;②涂料干燥过程产生的同位素分馏;③涂料制造过程添加剂的同位素差异;④涂料的长期风化、阳光和紫外线等因素的影响。

REIDY等[37]使用EA-IRMS对28个白色建筑涂料样品中的δ13C进行分析,考察了异质性、老化对样品δ13C的影响,结果发现:28个样品的δ13C有一定区别;对同一样品进行6周的老化试验后,分别取5个点进行分析,5个点的δ13C呈现极大的不规律性,样品的异质性会掩盖老化造成的同位素分馏效应,说明仅通过δ13C对样品进行区分存在难度。FARMER等[38]对51个白色建筑涂料的δ13C、δ18O和δ2H进行分析,结果发现,根据δ13C、δ18O和δ2H能够实现49个样品的区分。

由于涂料成分的复杂性和异质性,仅依靠同位素区分样品还存在一定误差,要实现样品的绝对区分,还需结合其他分析方法,如裂解-气相色谱质谱、傅立叶变换红外光谱或表面增强拉曼光谱等。

对以上部分文献涉及的样品、方法、样品数、稳定同位素比值范围进行总结,结果见表3。

4 土壤

土壤是犯罪现场最常见的物证之一,例如受害人或嫌疑人的衣服、鞋上粘有的土壤。国外法庭科学领域的学者有利用稳定同位素技术进行土壤转移试验,并将其应用于实际案件的研判;国内学者[39-40]对土壤的稳定同位素分析的研究则集中在地质领域,如试图建立土壤中稳定性同位素特征与植被或降水的联系,这对于法庭科学的应用也有一定的参考意义。此外,对土壤的稳定同位素分析需考虑时间的差异,这对案发现场的判定有一定帮助。

PYE等[41]采用EA-IRMS对英国伯克郡的两个地点(取样点相距8 cm)的土壤的元素组成、土壤的δ13C和δ15N、土壤颜色以及土壤粒度进行分析,以研究土壤的空间变异性,结果发现:这4种方法均可区分两个样品;取样点内δ13C的精密度较好,相对标准偏差(RSD)为0.2%～0.3%,δ15N精密度较差,RSD为5.0%～16.4%;取样点间δ13C分别为-27.39‰和-24.72‰,δ15N分别为-0.64‰和3.55‰。

CROFT等[42-43]对8个季度内同一地点15个土壤样品的δ13C和δ15N的变化进行分析,并进行转移试验,即对源土壤和转移到鞋子上的2个样品的δ13C和δ15N进行了比对。结果发现:土壤样品的δ13C和δ15N在8个季度内仅发生较小变化,均在自然变化范围内,且结合δ13C和δ15N能够很好地对15个土壤样品进行区分;两个土壤样品转移前后δ13C和δ15N均未发生明显变化,说明可根据δ13C和δ15N建立转移土壤和源土壤的联系。

除了上述因素之外,还应考虑土壤中微生物群落的消长状况带来的同位素组成差异,结合案发时间进行案发地的推断。

对以上部分文献涉及的样品、方法、样品数、稳定同位素比值的范围进行总结,结果见表3。

5 棉纤维

DAÉID等[44]使用EA-IRMS分别对来自土耳其、埃及、阿根廷和乌兹别克斯坦的7个未染色的棉纤维样品的δ13C、δ18O和δ2H进行分析,结果表明:7个样品的δ13C未表现出明显的地域性差异,根据δ2H和δ18O也不能将7个样品完全区分开;研究分析了样品的δ2H与全球降水同位素网络(GNIP)整理的不同地方降水的δ2H的关系,乌兹别克斯坦纤维样品与降水的δ2H差值为14.5‰,阿根廷为10‰,土耳其为17‰,埃及3个样品的差值分别为37.8‰,17.8‰,41.2‰,推断埃及两个差值较大的样品生长于较高的环境温度下,灌溉水的蒸发导致δ2H的富集。MEIER-AUGENSTEIN等[45]对美国6个不同地点(17个)和其他国家(15个)共计32个棉花样品的δ13C、δ18O和δ2H进行分析,与DAÉID等得到的结果类似;将样品与降水计算器在线同位素(OIPC)给出的δ2H和δ18O进行比较分析,发现降水与棉花的稳定性同位素特征密切相关;32个样品的δ13C、δ18O和δ2H的分析结果表明,环境条件(纬度、降水、温度、光照和养分)是决定样品同位素比值的的关键因素,而个别样品同位素比值的异常则是由耕作方式(灌溉水的取用、养分水平的差异)的特异性引起的。

DAÉID和MEIER-AUGENSTEIN对植物纤维稳定性同位素特征的研究均以降水为参比,其结果证实棉纤维的稳定性同位素特征与降水的同位素特征有很大的相关性,这对植物纤维生长地的确认有积极作用,但需考虑其他因素对植物纤维稳定性同位素特征的影响,如灌溉水的取用、土壤的养分水平等。此外,对植物纤维来源方面的区分还可与其他独立变量结合,如痕量元素含量等。

6 胶带

胶带是案件现场的常见物证,可见于毒品包装、捆尸袋、爆炸物包装等。当胶带样品被污染时,可通过采用去除黏合剂后的背衬材料对不同样品进行区分。胶带背衬多为聚氯乙烯(PVC)材料,其主要合成材料为乙烯,乙烯可由天然气或液化石油气作原料合成,这两种原料的δ13C差别较大,导致背衬材料的δ13C也有所区别。

CARTER等[46]使用EA-IRMS对10个不同批次的胶带样品和用丙酮去除黏合剂和其他添加剂后的背衬材料的δ13C、δ18O和δ2H进行分析,结果发现:通过胶带的δ13C可将10个样品分为9组,2个样品未能区分开,结合δ2H能够实现10个样品的区分,δ18O的分辨力较差,可将7个含氧样品分为3组;背衬材料的δ13C可将样品分为6组;试验还对储存条件对胶带的稳定同位素比值的影响进行考察,结果表明:密封储存和在水中浸泡储存对胶带的δ13C和δ2H没有影响。HORACEK等[47]对18个胶带样品的黏合剂和背衬材料的δ13C和δ2H进行分析,结果发现,结合黏合剂和背衬材料的δ13C和δ2H可实现全部样品的区分;对每卷胶带的前中后三个部分的黏合剂和背衬材料的δ13C和δ2H进行分析,δ13C的差值最大为0.17‰,δ2H的差值最大为3.7‰,表明胶带内同位素是同质的;对相同品牌不同批次的胶带的δ13C和δ2H进行分析,结合δ13C和δ2H可以实现不同批次样品的区分。

DIETZ等[48]收集了87个胶带样品,对使用环己烷除去黏合剂及氯仿去除增塑剂的胶带背衬材料的δ13C进行分析,并考察了用于爆炸物包装材料的胶带背衬材料的同位素比值在爆炸前后的变化。结果表明:根据背衬材料的δ13C可实现82个样品的区分;去除增塑剂胶带背衬材料的δ13C发生明显变化,16个样品的δ13C平均变化1.72‰,且去除前δ13C越负的样品δ13C变化越大;用于爆炸物包装的胶带背衬材料的δ13C在爆炸前后变化小于0.3‰,可认为爆炸过程对胶带背衬材料的δ13C无影响。

以上结果表明,胶带的稳定性同位素比值可区分同一厂家不同批次的样品,同一卷胶带样品是均质的,这对于检材与可疑样品的同一认定具有积极意义。

对以上部分文献涉及的样品、方法、样品数、稳定同位素比值的范围进行总结,结果见表3。

7 塑料

对塑料的稳定同位素分析的相关研究较少,因为塑料碎片是否属于同一整体可通过痕迹分析判定,但若发生诸如燃烧、爆炸等剧烈反应时,使用痕迹分析方法则无法进行判断。QUIRK等[49]使用EA-IRMS对4组炸药引爆器的塑料部分的5个点在爆炸前后的δ13C和δ2H进行分析,并与同批引爆器塑料部分的同位素比值进行比较,结果表明,塑料的δ13C在爆炸前后变化很小(最大为0.23‰),小于同批样品塑料部分的δ13C的差值(最大为1.21‰);δ2H在爆炸前后变化较δ13C大(最大为10.8‰),同样小于同批样品塑料部分的δ2H的差值(最大为57.5‰),说明爆炸前后的同位素比值的样本相关性比同一批次的样品的相关性更好,这与爆炸物包装的胶带的分析结果一致[48],因此可根据δ13C和δ2H推断爆炸现场塑料是否属于同一整体。以上结果也说明引爆器的塑料部分在爆炸反应过程中没有发生同位素分馏,这对爆炸现场塑料物证的同一认定有很重要的作用。

8 纸张

法庭科学中对纸张分析研究较少,因为文件检验通常以笔迹、印章或其中的化学成分为依据进行认定,但对犯罪现场遗留纸张的来源分析对侦查过程也能提供一定的线索。

JONES等使用EA-IRMS对办公用纸做了一系列研究[50-54],他对125个纸张样品的δ13C和123个纸张样品的δ18O进行分析,并考察了纸张的均匀性、加工过程、填料、打印方式对δ13C和δ18O的影响。结果表明:根据δ13C可以对125个纸张样品中的85个实现区分,根据δ18O可以对123个样品中的92个实现区分;纸张的δ13C与产地相关,而δ18O与产地不相关;考察了张纸内部和纸张之间δ13C的均匀性,结果表明:纸张内部和纸张之间存在较大差异,这是由纸张的不均匀性导致,可以预见不同批次样品的δ13C也存在差异,这对纸张的区分和分类造成一定困难。在对纸张加工和使用过程中的δ13C和δ18O变化进行分析时发现,碳酸钙填料混合过程对δ13C和δ18O影响很大,这与不同厂商使用的碳酸钙填料的用量不同有关,建议对纸张进行同位素分析前,使用盐酸去除碳酸钙填料;喷墨打印对纸张空白位置的δ13C和δ18O没有影响,但碳粉打印或影印对样品的δ13C和δ18O有明显影响,而且使用同一个打印机对不同纸张进行碳粉打印后,δ13C的变化有很大区别。

由于纸张的不均匀性对其同位素分析造成较大困难,纸张的同位素分析效果不太理想,因此应采用尽可能多的取样点来稀释这种不均匀性;打印造成的纸张的同位素分馏和重复性较差也不可避免,如何克服这些困难将是下一步工作的重点。

对以上部分文献涉及的样品、方法、样品数、稳定同位素比值的范围进行总结,结果见表3。

9 结语

本工作对稳定同位素技术在法庭科学中常见的微量物证中的应用进行综述。采用的方法主要为EA-IRMS和GC-IRMS,其中EA-IRMS重在对全样品同位素进行分析,分析较为简便,但对单一化合物目标的解析力不足,可以满足不同样品的区分要求,但要实现对样品的溯源分析则需大量的数据支撑;GC-IRMS则是对特定化合物进行分析,更能反映特定化合物的同位素特征,但该方法操作较繁琐、对样品要求较高。受制于昂贵的仪器成本和较高难度的数据分析,利用同位素信息对样品进行区分或同一认定在国内法庭科学中应用较少,但国内法庭科学可借鉴国外较为成熟的方法和数据,而且对稳定同位素技术的应用不应局限于样品的区分,更应注重数据的收集分析,建立我国法庭科学微量物证的数据库,依托数据库内的同位素和其他信息对微量物证进行来源推断。

表3 其他样品的稳定同位素比值Tab.3 Stable isotopic values of other samples