金属稳定同位素技术与法庭科学应用展望

郭洪玲，梅宏成，王萍，胡灿，郑继利，李亚军，朱军

（公安部鉴定中心，北京 100038）

同位素是指具有相同原子序数（即质子数）和不同质量数（或中子数）的核素。 受质子数和核外电子数的控制，在大多数化学反应中，同位素的化学行为非常相似，但不同的质量数会使元素的不同同位素在质谱行为、放射性转变和物理性质（比如在气态下的扩散本领）等性质上有所差异。 元素周期表中的大多数元素由两种或多种同位素（最多10 种）的混合物组成，只有21 种元素（Be、F、Na、Al、P、Sc、Mn、Co、As、Y、Nb、Rh、I、Cs、Au、Bi、Pr、Tb、Ho、Tm、Pa）仅由一种同位素组成，具有两种或两种以上稳定同位素的元素为通过同位素比值来研究相关信息提供了可能性。

元素及其同位素的最初形成发生在宇宙形成之初和随后的恒星核聚变和衰变过程中[1]，但受到放射、物理、化学、生化、溶解、吸附等分流作用，不同元素的同位素组成变化很大[2]，这就使得通过稳定同位素比值的变化推断其所经历的各种变化提供了可能性。 H、B、C、N、O 和S 等轻元素稳定同位素变化研究已开展了多年，在很多领域都有涉及。 在地球化学领域，稳定同位素地球化学已形成一门独立的学科。此外，稳定同位素技术还被广泛应用于农业、医学、环境科学、考古等研究领域。在法庭科学领域，轻元素稳定同位素已在毒品来源推断中得到良好的应用[3]。 人体组织中发现的碳（δ13C）、氮（δ15N）和硫（δ34S）稳定同位素直接或间接反映了个人饮食特征。 因此，近年来，基于食物和饮用水输入的稳定同位素生物标记物通常用于评估个人的饮食模式，并在利用骨骼、牙齿、肌肉或角蛋白组织中的同位素分析来区分不同地理区域个体的研究中得到应用[4-7]。

轻元素稳定同位素通常采用同位素比值来表示同位素的组成。 以C 元素同位素为例，在报告C元素的稳定同位素比值时，首先计算样品中自然丰度较低的13C同位素与自然丰度较高的12C同位素的比值，再计算样品的该比值与标准样品该比值的比率。 由于该比率通常很小，为了便于报告，将该比率转换为δ 表示法[8]，并以千分之一（‰）的形式表示[δ13C=（Rsample/Rstandard-1）×103]，Rsample、Rstandard分别表示样品、标准样品的同位素比值。 氢（2H/1H）、氧（18O/16O）、氮（15N/14N）和硫（34S/32S）的同位素比符号分别为δ2H、δ18O、δ15N 和δ34S。 对于数值不是很小的金属同位素比值可直接采用比值来表示，如Pb 和Sr 元素的同位素比值；而对于比值很小的同位素，可采用与传统同位素比同样的方法，用δ 值表示，更小的则采用ε 表示[ε112/110Cd=（Rsample/Rstandard-1）×104]。 轻元素同位素比值δ 值的变化范围通常在103级别，而Fe、Cu、Mo、Cd、Sr、Pb、W、Tl 和U 等金属元素同位素ε 值的变化范围在104级别[9]，因此要检测到很小金属元素同位素比值的变化需要非常精密的仪器和方法。 随着无机质谱技术的快速发展，特别是高分辨电感耦合等离子体质谱以及多接收电感耦合等离子体质谱的发展，彻底改变了同位素比值测量的精度，使得金属稳定同位素比值的检验成为可能。 20 世纪60 年代以来，金属稳定同位素补充了传统的轻元素稳定同位素体系，元素周期表上有更多元素（Li、B、Ca、Cu、Zn、Cr、Sr、Pb、Hg、Tl、U等）在地球科学[10]、环境科学[11]、农业及食品[12]、考古[13-14]、生物及医学[15]等领域得到广泛应用。本文通过对相关文献进行调研，综述了不同种类的金属稳定同位素在上述不同行业和领域的应用，以期为金属稳定同位素比值技术在法庭科学的应用提供思路和借鉴。

1 地球科学

同位素分析可为地球化学家了解地球化学和物理演化过程提供重要信息。 金属同位素比值分析在地球化学领域的应用开展较早，2004 年，JOHNSON 等[16]对金属稳定同位素相关的基本概念、分析方法和理论预测等相关内容进行了详细介绍，并对10 种元素（Li、Mg、Cl、Ca、Se、Cr、Fe、Cu、Zn、Mo）的开拓性工作进行了综述。 同位素在地球科学中的应用主要集中在两个方面：一方面是通过金属同位素比值的变化来示踪矿物以及土壤的风化过程，同时研究在不同的物理、化学、生物等过程中，金属稳定同位素的分流作用；另一方面是通过金属同位素比值来推断矿产的年代与地域。 在地球科学领域常用的金属稳定同位素包括Sr、Pb、Nd、Fe、Cu、Ni、Cd、Zn 等元素。 NICHOLAS 等[17]通过分析海水中Fe、Cu、Ni、Cd 和Zn 元素的同位素组成，研究了2018 年基拉韦厄火山喷发对沿海海洋造成的化学成分的改变，在远离熔岩进入位置的海水中，相对于背景值，多种金属成分含量增加，且观察到Fe、Cu、Ni、Cd 和Zn 的独特同位素组成，并对产生这些独特同位素组成的原因进行了推断和解释。BALBONI 等[18]报告了来自美国不同矿床的11 种铀矿样品和1 种铀精矿中主要、次要和微量元素数据以及Sr 同位素比值。该研究中的铀矿代表了通过不同矿化模式（例如高温和低温）以及在包括岩浆伟晶岩、变质岩、砂岩型和辊前沉积物等各种地质背景下形成的矿石。 通过研究数据，特别是Sr 同位素比值数据，表明了这11 种铀矿样品由于矿化模式以及地质背景的不同，其元素组成和Sr 同位素比值均有差异。 该研究结果为鉴定核材料的地理来源提供了方法参考。 在法庭科学领域，涉及高经济价值矿石的偷盗、地质材料的地源推断的案件中，Sr、Pb、Nd、Fe、Cu、Ni、Cd、Zn 等同位素组成将会提供非常有用的信息。

2 环境科学

金属元素在环境中不停地循环， 其作用包括：（1）作为地球表面过程的组成部分，如在风化、成土等地质过程中，金属元素是重要的组成部分；（2）微量金属元素作为生物体的营养物质，通过植物、微生物、动物等食物链环节进行循环；（3）作为影响自然环境的污染物，通过人为的开矿、工业生产的排放等参与到环境循环中。 金属稳定同位素进入环境中，会通过各种过程发生分馏，这些过程包括氧化还原转化、络合、吸附、沉淀、溶解、蒸发、扩散、生物循环等。 以上过程复杂多变，均会改变金属稳定同位素在环境中的分布情况。 WEISS 等[19]介绍了进行环境样品中金属稳定同位素分析的仪器要求、基本理论，并综述了环境中经常关注的6 种主要污染物Cr、Cu、Zn、Se、Cd、Hg 的同位素系统、分馏过程，讨论了非传统稳定同位素系统在确定环境中污染物的来源、变化和行为方面的潜在意义和应用。 此外，WIEDERHOLD[20]从理论上对稳定金属同位素在环境中的变化进行了详细介绍。

金属稳定同位素比值检测技术在环境科学中的应用围绕金属污染物在环境中的来源推断及污染物在环境中随时间的迁移和变化的报道较多。 金属稳定同位素用于污染源推断主要基于不同来源的金属元素的同位素组成不同。 如果所涉及的不同来源的同位素组成已知且差异明显，则最终样品中金属稳定同位素比值可通过不同来源物质的贡献进行量化计算，虽然混合过程存在稀释作用，但稀释过程本身并不会改变同位素比值。 最终环境样品中的金属稳定同位素比值δ 可通过每一个来源中该金属稳定同位素δ 值乘以该来源占所有来源的比值来计算，具体可用以下公式进行表示：

其中：δsample为样品中金属稳定同位素比值测定值；δpoolA、δpoolB分别为来源A、B 中该金属稳定同位素比值，δpoolA+δpoolB=1；fpoolA、fpoolB分别为来源A、B 占总来源的比值。

由公式（1）可知，最终样品中金属同位素比值不仅与来源的该金属同位素比值有关，还与该来源在所有来源中所占的比例有关。 但通过金属稳定同位素比值来进行污染源推断往往是非常复杂的，主要是因为：（1）不同来源的同位素组成不够精确或不够清晰；（2）来源多且复杂；（3）样品的同位素特征还受到其他因素的影响。 因此，利用金属稳定同位素进行污染源推断，在没有受到分馏过程影响、各来源稳定且同位素特征明确的情况下，效果是最佳的。

国外学者在利用同位素技术进行污染源推断工作中已进行了大量研究工作。 SHERMAN 等[21]对2003—2007 年期间在五大湖地区七个地点采集的每日降水样品中的Pb、Sr 和Hg 元素的同位素比率进行测量。 结果发现：Pb 同位素比值（207Pb/206Pb=0.806 2～0.855 4）表明了五大湖地区的Pb 元素的主要来源为煤炭燃烧和密西西比河谷型铅矿床的沉积物；Sr 同位素比值（87Sr/86Sr=0.7085 9～0.7115 5）在不同区域的差异可能与粉煤灰和土壤粉尘有关；Hg同位素比值（δ202Hg=-1.13‰～0.13‰）也因地点而异， 这可能是由于不同区域Hg 同位素组成不同，并且Hg 元素在工业过程和大气中发生了分馏作用。该研究表明，多种金属元素同位素比值分析结合传统的微量元素多元统计建模分析，能够准确地对重金属实现污染源溯源和归属判别。

国内学者利用金属稳定同位素技术也对某些重金属的来源进行了研究。 LI 等[22]详细描述了仪器和分析程序，重点介绍了3 种典型的金属稳定同位素（Ag、Hg 和Zn）的案例，以说明是如何应用于解决环境问题的。 此外，该学者还讨论了金属稳定同位素技术作为推进环境化学的新方法的适用性和局限性。 BI 等[23]对海口市城市土壤中重金属的含量进行测定，结果表明，从海口市提取的大部分土壤中重金属含量均明显低于指标值和其他大城市土壤中重金属的含量。 Pb 同位素分析结果表明，玄武岩母质、交通排放和煤燃烧是控制土壤中重金属分布的主要因素。海口市土壤的Pb 同位素特征与北京市、上海市土壤差异较大，但与广州市土壤相似，这表明南方城市具有相同的Pb 重金属污染来源。 将自然本底源、燃煤源和交通排放源作为Pb 同位素的主要来源，通过三元混合模型计算，以上三个来源对Pb 的贡献率分别为5.3%～82.4%（平均值39.7 %±21.1 %）、0～85.7 %（平均值25.5 %±24.6 %）和1.9%～64%（平均值34.8%±22.9%），排放仍是海口市Pb 的最主要人为来源。

3 食品科学

世界全球化意味着越来越多的食品在世界各地进行贸易，不同来源的同种类食品品质差别很大，甚至有些地区来源的食品会带有某些病菌，引起消费者的恐慌。 因此，对食品进行真实性检验是保证食品安全的重要环节。 食品的不真实是指使用了与标签不相符的食品成分、生产工艺和原料来源等。 传统同位素技术在食品的真实性检验中已开展了多年。 ROSSMANN[24]综述了C、H、O、N、S 元素的同位素分析技术在果汁、葡萄酒、烈性酒、蜂蜜、牛奶、橄榄油等样品是否掺水以及来源推断等方面的应用。 传统同位素技术在食品的生产工艺判定方面的研究较多，例如判断果汁是否为纯压榨还是由浓缩液稀释而来，鸡蛋主要是由喂什么饲料的鸡生产的，橄榄油中是否加入了廉价的其他坚果油等。但在食品的地源推断方面，金属稳定同位素有其独到的优势。 有研究报道，常用于食品地源推断的金属稳定同位素是Sr 元素。 不同地源的产品由于其地质历史不同，通常具有特征Sr 同位素信息，而且该特征信息通过生化、物理等作用后也通常不发生改变。Sr 元素同位素通过食物链进入到植物或动物体内，还保留着原有地源的Sr 同位素特征。 因此，通过对食物样品进行87Sr/86Sr 分析，能够对其进行地源推断。 2005 年，欧盟委员会（European Commission）发布了Trade Reporting and Compliance Engine（TRACE）计划①http://www.trace.eu.org.，其目标是根据任何特定地区的气象和地质数据，为所研究粮食商品的多元素稳定同位素和微量元素组成建立空间预测模型。 RUMMEL等[25]根据该计划，利用Sr 元素同位素对欧洲12 个不同国家（法国、德国、希腊、爱尔兰、意大利、西班牙和英国等）206 头牛的牛肉中Sr 同位素比值（87Sr/86Sr）进行了测定。 该研究团队还对牛肉样品的冻干法、脱脂干燥法等前处理方法进行了比较，同时对不同部位的牛肉Sr 同位素比值进行了分析。 Sr同位素比值在不同牛肉部位的差异较大，超出了仪器分析本身的不确定度，给结果解释和利用带来一定的困难。 该研究证明，利用Sr 同位素进行牛肉地理来源推断是一个有价值的工具。 虽然部分同位素检测数据有重叠，但对部分牛肉样品，仅通过Sr 元素同位素也可以准确进行地源推断。 因此，该研究团队建议，针对肉类样品的来源推断，金属元素同位素分析结合其他化学参数一起分析是必要的。 由于肉类等样品形成组织的成分多样且生化生理过程复杂，导致其基质非常复杂，要想通过同位素信息进行地源推断，需要进一步对单个组织的同位素代谢率进行研究和实验。

SUSANNE 等[26]对650 种不同的欧洲天然矿泉水的Sr 同位素比值进行调查，发现天然矿泉水中87Sr/86Sr 值的变化范围为0.703 5～0.777 7，表明受到了从年轻地幔衍生玄武岩到非常古老的硅质大陆地壳的岩石多样性的影响。 利用大规模调查的结果，通过将测量数据与基于地理信息系统的欧洲地质图谱相结合，对Sr 同位素比值进行一种新的空间预测，所得图谱可用于预测地下水中Sr 同位素组成，进而预测通过植物吸收进入食物链的Sr同位素在生物圈中的组成。

4 生物学及医学

同位素技术作为一种工具，其在医疗和营养领域的应用已经建立起来。 例如，利用元素的衰变进行癌症的放射性治疗[27]。 这些技术都是利用一种特殊的人工富集的同位素，将其添加到人体中进行治疗或监测新陈代谢。 金属元素作为人体必需的微量元素，在人体的代谢中发挥着重要的作用，利用人体内固有元素的同位素组成进行医学诊断和监测是非常具有前景和意义的工作。 自20 世纪60 年代进行第一次实验以来，稳定同位素技术已成为研究生物系统中矿物质和微量元素变化过程不可或缺的工具[28]，随后使用该技术的研究迅速增加。 利用Ca 同位素分析来研究骨代谢是迄今为止研究最多的生物学应用，研究[29]表明，Ca 同位素组成与骨髓癌有显著的关系，为实时评估骨髓癌诱导的骨病提供了一种新的方法。 2007 年，SKULAN 等[30]报道了较轻的42Ca 比44Ca 同位素更容易集中在骨退化患者的尿液中。 在骨骼形成过程中，42Ca 优先融入骨骼，但随着骨骼的恶化，42Ca 会更容易渗入周围的软组织、血液，最终进入尿液，从而改变了尿液中Ca 同位素的比例，为骨病的诊断提供了依据。同时，为了评估航天员在失重状态下对人体骨骼的影响，利用Ca 同位素比值分析航天员的尿液，可快速反映出航天员是否出现骨质疏松等问题，而传统的骨密度扫描方法需要航天员在失重状态下很长时间后才能检测出来[31]。

除Ca 元素外，其他一些重元素同位素也开始应用于各种疾病的诊断中。 例如，Fe 的稳定同位素不仅可以告知体内Fe 的代谢情况， 还可以用于诊断肝脏疾病和贫血。 此外，肝脏疾病和癌症（包括乳腺癌、肝癌和结肠癌）都会导致血液中较轻的Cu 稳定同位素的富集[32]。 尽管导致这种转变的机制尚不清楚，但并不妨碍其在疾病预测和诊断中的作用。LARNER 等[33]发现，在早期乳腺癌中，相对于健康的乳房组织，乳腺肿瘤中Zn 的轻同位素的富集程度更高。 这些研究均表明，当人体组织发生病变时，其组织内的金属稳定同位素就会发生分馏，因此利用金属元素同位素的比值变化，可以对疾病进行预测和诊断。

但是利用金属稳定同位素比值变化进行疾病诊断，还需要克服两个困难：一个是样品前处理和仪器分析问题。目前，生物组织样品的前处理普遍采用的是微波消解和离子交换树脂进行纯化的方法，繁杂耗时；金属同位素分析所用的仪器通常为多接收电感耦合等离子体质谱仪，该仪器价格较为昂贵，仪器普及存在困难。 另一个是需要研究不同金属稳定同位素比值在正常人的不同生物组织内（如尿液、血液、肝脏、乳房组织等）的基础数据分布情况，这个需要大量的样本和研究才能获得。 以上问题都限制了金属稳定同位素技术在该领域的广泛应用。

5 金属稳定同位素技术的法庭科学应用展望

5.1 金属稳定同位素技术的法庭科学应用

稳定同位素技术在国外法庭科学中的应用开展的较早，有研究[34-36]通过对指甲或头发中13C、2H、15N、34S 这4 种稳定同位素比值的分析，以确定人的起源和身份不明遗骸的来源。 目前，国内法庭科学领域对该技术的研究和应用才刚刚开始，除开展类似研究外[37]，还利用同位素比值技术对硝铵炸药[38]、黑火药等物证的来源开展了研究。

金属稳定同位素分析技术在法庭科学中的应用报道主要集中在通过对涉案人员的牙齿和骨骼中Sr 同位素进行分析，以确定尸体来源，该方面的应用与食品中利用Sr 同位素进行地源推断是相类似的，都是基于地质环境中Sr 同位素特征，即通过食物链进入人体后还保留着原有地源的Sr 同位素特征。 Sr 具有与Ca 元素类似的化学特征，容易集中在骨骼、牙齿、动物角等坚硬的生物组织中。BEARD等[39]指出坚硬的生物组织在生物体生命周期的不同阶段进行Sr 元素的积累和交换，可用于推断组织生长周期内地理位置的变化。 由于Sr 和Ca 元素在牙齿长成后不再变化，因此牙齿中Sr 元素的同位素组成反映的是牙齿所有者所处童年时代的地质环境特点。 而骨骼由于在长成后一直在发生变化，但速度较慢，故骨骼中Sr 元素的同位素组成反映的是骨骼所有者在过去十年至二十年的生活环境的特点。因此，根据检验需求，合理选择进行Sr 同位素分析的样品，能够推断涉案人员的地源特点。 当然，在有些案件中可能会处理已经埋葬很多年的尸体，如果腐蚀严重，并不容易对骨骼或牙本质进行Sr 同位素检验，此时，可对牙釉质进行检验。 牙釉质表面密实无孔，大大降低了地下水等的侵蚀作用，对其进行Sr同位素分析则相对骨骼或牙本质更加容易。 牙釉质中Sr 同位素检验在重建个体历史，如地理位置迁移或饮食结构变化方面已有成功应用[40-41]。正如上文所提到的，通过Sr 稳定同位素技术进行地源推断需要有基础数据作为支撑，而基础数据往往很难找到。在实际案件中，可通过对相同来源的未知个体分别进行检验来获得样品的背景数据。另外，研究人员通常假设在骨骼或牙齿中测量到的87Sr/86Sr 比值与个体原始位置发现的87Sr/86Sr 比值之间存在1∶1 的关系[39]。 基于这一假设，骨骼或牙齿中测量到的87Sr/86Sr比值可直接与环境的87Sr/86Sr 比值数据进行直接比较和应用。 即便如此，环境中Sr 同位素比值变化的参考数据也是很少的。 因此，进行Sr 同位素技术数据积累和研究是一个活跃的研究方向和领域。

法庭科学领域还有很多其他物证的来源推断可采用金属稳定同位素技术来进行，AGGARWAL等[42]综述了金属稳定同位素在法庭科学中的应用，并报道了两起应用金属稳定同位素进行来源推断的案例。 国内法庭科学研究者逐渐认识到金属稳定同位素技术在法庭科学领域的应用前景，并开展了一系列初步研究。 宋小娇等[43]建立了电感耦合等离子体质谱法检验子弹弹头中Pb 同位素比值的方法，对样品前处理和仪器分析参数进行了优化。 对国内不同生产厂家，及同一生产厂家不同批次的子弹弹头样品进行了Pb 同位素比值分析，结果表明，利用Pb 同位素比值可以对国内大多数厂家的子弹样品进行区分，同时可对某些厂家的某些批次样品进行有效区分。 子弹弹头中Pb 同位素比值分析不仅为子弹间的比对提供了一个新的比对指标，同时还为子弹的厂家来源推断提供了可能性。

法庭地质学是我国刑事技术领域新近研究的一个方向，主要是针对案件中常见的泥土物证。 采用地球化学、化学、植物学等方法进行综合分析从而达到泥土物证区域环境推断及来源推断的目的[44]，该项研究并未使用金属稳定同位素技术。 泥土是由岩石长期风化而形成的，不同矿物组成的岩石具有不同的同位素组成，其独特的组成可用于泥土的溯源分析。 开展泥土物证中Sr、Pb、Nd 等元素的稳定同位素检验是进行泥土物证来源推断有效且准确的方法。

5.2 金属稳定同位素仪器分析方法

传统上，金属稳定同位素分析主要采用热电离质谱法和快速原子轰击质谱，但自1983 年以来，自从电感耦合等离子体质谱仪作为商品后，大量的论文报告使用电感耦合等离子体质谱仪进行金属稳定同位素分析[45-47]。 根据样品中所测金属元素的浓度以及检验需求，除四极杆电感耦合等离子体质谱外，扇形磁场双聚焦电感耦合等离子体质谱、电感耦合等离子体飞行时间质谱和多接收器高分辨电感耦合等离子体质谱均可用于金属稳定同位素分析。 不同的分析仪器，其测定同位素比值的精密度不同[48]，具体见表1。

表1 不同电感耦合等离子体质谱仪测定同位素比值的精密度

由于多接收器高分辨电感耦合等离子体质谱仪和热电离质谱仪具有高灵敏度、低记忆效应以及优越的同位素检测精密度，因此被广泛应用于金属稳定同位素分析。 热电离质谱仪虽然在金属稳定同位素分析方面应用较多，但是多接收器高分辨电感耦合等离子体质谱仪由于较高的电离效率、前处理方法更加简单、测量时间更短，在分析化学和地球科学领域得到更加广泛的应用。 在国内法庭科学领域，还没有利用多接收器高分辨电感耦合等离子体质谱仪进行物证分析的先例。 由于物证的无损检验且需要同时提供元素的空间分布信息的需要，激光刻蚀-多接收器高分辨电感耦合等离子体质谱仪在法庭科学领域具有更加广泛的应用前景。 实际上，很多人类学研究人员已经将此方法应用于人体残骸的骨骼和牙齿的检验[49-51]。 此外，激光刻蚀-多接收器高分辨电感耦合等离子体质谱仪所需样品量相对于常规多接收器高分辨电感耦合等离子体质谱仪更少，特别适合进行法庭科学领域中物证的检验分析。

虽然目前文献报道金属稳定同位素技术在法庭科学领域的应用是通过生物组织分析来推断供体的地源，但是可以扩展到其他有用的物证材料，如毒品来源推断、假冒食品来源推断、非法野生动物贸易案例中动物来源推断等。 无论在案件中人们感兴趣的物证是什么，基于金属稳定同位素分析的基础，该技术将会成为一种强有力的物证鉴定技术手段。 但想要有效充分利用该技术，还需要加强分析方法的建立以及基础数据积累等方面的研究。