ATR FTIR 光譜技術應用於血跡年代的法醫鑑識追蹤

目錄 介紹 材料與方法 結果與討論 結論 文章來源 介紹 體液通常是犯罪現場中最關鍵的證據之一，因此必須正確辨識與分析，以取得盡可能多的資訊。尤其是，正確鑑定體液的種類非常重要，因為這關係到後續能否從樣品中適當地萃取DNA。這些體液通常以污漬的形式存在於各種不同基材上，並可能處於不同的環境條件下。建立污漬自形成以來的時間，即沉積後時間，有助於判斷樣品是否與犯罪事件相關，並可用於驗證相關人員的不在場證明。 目前，體液的鑑定主要採用推定性與確認性技術，但這些方法通常具有非特異性且具破壞性的特點。此外，目前尚無一項被廣泛接受的標準技術，可用於估算體液污漬的沉積後時間。基於上述原因，具有選擇性、非破壞性且快速等特性的分析技術，例如衰減全反射傅立葉轉換紅外光譜，有必要進一步研究並驗證其於法醫鑑識中的應用價值。 ATR FTIR能夠分析非常微量的污漬，而不會破壞樣品，因此後續仍可利用其他互補性分析技術進行進一步檢測。體液污漬的ATR FTIR分析會產生大量數據，因此精確的資料處理相當重要。這可以透過化學計量學（chemometrics）來實現，也就是將數學與統計方法應用於化學數據分析。 在本應用文章中說明，研究人員利用自製血跡參考材料，結合ATR FTIR技術與化學計量學方法進行監測。研究中採用正交偏最小平方法－判別分析（Orthogonal Partial Least Squares Discriminant Analysis, OPLS-DA）建立模型，用於根據血跡的沉積後時間進行區分，且此模型不受血跡所沉積之基材影響。 材料與方法 本研究使用單一女性捐贈者的血液製備血跡樣品。（亦即，以採血針刺破一根手指後取得血液樣品。）將血液滴於五種不同的基材上：夾板、金屬、白色紗布、藍色丹寧布以及玻璃，見圖1所示。 選擇這些基材是因為它們在許多犯罪現場中都相當常見。樣品在室內環境條件下自然乾燥，且避免直接曝曬於陽光下；實驗過程中未對溫度與濕度進行控制。所有血跡樣品分別於形成後 5、30、60 分鐘，以及 1、4、7、14 和 28 天進行量測。分析使用 Thermo Scientific™ Nicolet™ Apex  FTIR光譜儀進行。儀器配備 Thermo Scientific™ Smart iTX™ ATR 取樣附件（搭載鑽石晶體），並使用 Thermo Scientific™ OMNIC™ Software v9.6（圖 1）。 量測條件如下：解析度：8 cm⁻¹、掃描次數：32 scans、光譜範圍：500–4,000 cm⁻¹。 分析完成後，將取得的數據匯入The Unscrambler X v10.4）進行前處理。首先使用標準常態變量（Standard Normal Variate, SNV）方法對數據進行正規化。接著進行基線偏移校正（baseline offset correction），之後再使用 Savitzky-Golay 平滑法進行光譜平滑處理，設定為：二階多項式（2nd order polynomial）、7個平滑點（7 smoothing points），處理後的矩陣資料匯入 Microsoft Excel 2008，以便進行資料整理。使用SIMCA Software v17.02（建立 OPLS-DA模型；圖形則使用 OriginPro 2021製作。 OPLS-DA 模型 OPLS-DA（Orthogonal Partial Least Squares Discriminant Analysis，正交偏最小平方法－判別分析）結合了偏最小平方法迴歸（Partial Least Squares, PLS）與正交訊號校正（Orthogonal Signal Correction, OSC）。在 OPLS-DA 中包含兩個矩陣： Y 矩陣（response matrix，響應矩陣）、X 矩陣（descriptor matrix，描述矩陣）。X 矩陣會進一步分解為兩個部分：相關資料（correlated data）、正交資料（orthogonal data）。因此，OPLS-DA 模型可以將資料中的預測性變異與非預測性變異加以區分。 OPLS-DA 模型中有兩個重要參數： R²X：表示模型對原始資料的解釋能力，範圍為 0–1 1：代表完美擬合 0：代表模型無法良好擬合資料 Q²：表示模型的預測能力（predictive capacity），範圍同樣為 0–1 1：代表完美預測 0：代表模型沒有預測能力 圖1：使用配備 Smart iTX ATR 附件的 Nicolet Apex FTIR 光譜儀，分析分別製備於五種不同基材上的血跡樣品，包括：夾板、金屬、紗布、丹寧布及玻璃。 結果與討論 血液紅外光譜吸收帶的強度，會受到其所沉積基材性質的影響。在非多孔性基材上，血液不會滲透至材料內部，因此基材本身的特徵吸收帶不會出現在光譜中。相較之下，在多孔性基材上，血液可以一路滲透至材料內層。在這些情況下，由於血液的特徵吸收帶會與基材本身的吸收帶重疊，因此僅透過光譜可能無法直接辨識血液訊號。 以圖2例，將血液在非多孔性玻璃上的純光譜，與血液在多孔性丹寧布上的光譜進行比較。所有血液的特徵紅外吸收帶皆以灰色標示。在兩種基材上，血液在5 分鐘時的光譜（以紅色標示）最容易辨識。其中最明顯的吸收帶為 3,200–3,500 cm⁻¹的水吸收帶。由於此吸收帶非常強，會遮蔽其他許多吸收帶，只有 1,600–1,700 cm⁻¹ 的 Amide I（醯胺 I）吸收帶仍較為明顯。 幸運的是，樣品會隨時間逐漸脫水（dehydrate），因此隨著水吸收帶逐漸降低，其餘的特徵吸收帶也會逐漸顯現。在圖2A中，可以觀察到以下醯胺吸收帶： 698 cm⁻¹：Amide IV（醯胺 IV）。 1,239 cm⁻¹：Amide III（醯胺 III）。 1,500–1,560 cm⁻¹：Amide II（醯胺 II）。 1,600–1,700 cm⁻¹：Amide I（醯胺 I）。 3,284 cm⁻¹：Amide A（醯胺 A）。 此外，1,082 cm⁻¹為葡萄糖（glucose）的吸收帶；脂質（lipids）的吸收帶則位於 1,390、2,872與2,958 cm⁻¹。而3,200–3,500 cm⁻¹的吸收帶則主要來自水與羥基（hydroxyl groups）。在圖2B中，血液位於698 cm⁻¹（Amide IV）、1,082 cm⁻¹（葡萄糖）、1,239 cm⁻¹（Amide III）以及 1,390 cm⁻¹（脂質）的特徵吸收帶，被基材中的纖維素（cellulose）吸收帶所遮蔽。這些纖維素吸收帶在光譜中占有主導地位。 紗布與金屬是本研究中最複雜的兩種基材。對於紗布而言，血跡可以直接從基材表面以肉眼觀察到，但在光譜中卻無法立即辨識。儘管如此，OPLS-DA 模型仍能正確區分純基材與含有體液的基材（結果未顯示）。至於金屬基材，由於金屬具有反射性，因此取得的光譜具有大量雜訊。然而，即使受到雜訊影響，仍然可以觀察到血液的特徵吸收帶。 圖2. A）血跡沉積於玻璃基材上的光譜，持續量測 28 天。B）血跡沉積於丹寧布（denim）基材上的光譜，持續量測 28 天。血液的特徵吸收帶以灰色標示。 不同光譜中的吸收帶強度會隨時間發生變化，但這些差異通常無法透過肉眼清楚辨識。相較之下，OPLS-DA 模型可以根據血跡的沉積後時間，清楚區分不同時間點的血液樣品。圖3所示，該模型見的 R²X 為 96.6%，Q²為 59.4%。研究結果顯示，每個不同的時間點皆可以被區分；不過，其中第4天與第7天之間的區別最不明顯。 圖3. OPLS-DA 模型依據血跡的沉積後時間（TSD）進行區分，且不受血跡所沉積基材的影響。此模型是透過量測分別沉積於五種不同基材上的血跡樣品所建立。 結論 紅外光譜技術結合化學計量學模型，在法醫鑑識中用於估算血跡沉積後時間（TSD）具有相當大的應用潛力。ATR FTIR 光譜技術可作為血跡監測工具，因為其能夠偵測血液的特徵吸收帶，且不受血跡所沉積基材種類的影響。此外，無論血跡沉積後經過多長時間，皆能夠偵測到這些血液的特徵吸收帶。 文章來源 https://thermofisher.info.thermofisher.com/ls/7b16dad9-0141-4746-94c2-2871afd207bd/hcFqnufINI4VFQvd#/content/44b9b0ab-dbed-4782-a841-ee3b2bf6abe9

淺談顯微紅外光譜儀(Micro-FTIR)及分析技術

傅立葉轉換紅外顯微光譜儀(Micro-FTIR)分析已廣泛應用於司法鑑定中各類物證材料樣品的定性和定量分析。

目錄 分析理論 分析用途 優點 靈敏度高 能進行局部分析 樣品製備簡單 光路調節簡單 保持樣品形態 分析理論 分子中存在多種類型的振動模式，其中一些振動模式可以引起分子偶極距發生變化，當這類振動的頻率和紅外光頻率相同時，分子能夠吸收紅外光的能量，形成紅外吸收光譜(IR)。不同的化合物因其分子結構不同，紅外吸收光譜的特徵峰不同，如同人類的指紋，沒有兩個是完全吻合的。因此，在鑑定高分子材料時，紅外光譜FTIR技術被認爲是非常有效的方法。 圖1.分子振動模組類別 以一束紅外光照射樣品，樣品所含的分子將會吸收一部分光能，並轉變爲分子的振動能和轉動能。藉助於儀器將吸收值與相應的波數作圖，即可獲得該試樣的紅外吸收光譜，紅外光譜中的每一個特徵吸收譜帶都包含了樣品分子中官能基和化學鍵結的訊息。不同物質有著不同的紅外光譜，將樣品的紅外光譜和已知的紅外光譜進行比較從而鑑別材料。 圖2.Thermo光譜儀家族 顯微紅外分析就是將紅外光譜與顯微鏡結合在一起的分析方法，它利用不同材料(主要是有機物)對紅外光譜不同吸收的原理，分析材料的化合物成分，再結合顯微鏡可使可見光與紅外光同光路，只要在可見的視野範圍下，就可以尋找要分析微量的有機汙染物區域。如果沒有顯微鏡的技術搭配，通常紅外光譜只能分析樣品量較多的樣品，也較難進行樣品的局部區域偵測。在很多情況下，只要微量的汙染就可能導致PCB焊盤或引線腳的可焊性不良，若沒有搭載顯微鏡技術的紅外光譜是很難解決這類問題的。顯微紅外分析的主要用途就是分析被焊面或焊點表面的有機汙染物，分析腐蝕或可焊性不良的原因。 圖3.PCB焊盤汙染檢測案例 分析用途 結構鑑定、定量分析和化學動力學研究等，它的解析能夠提供許多關於官能團的訊息，利用紅外吸收峰的位置與強度，可以用來鑑別未知物的結構組成或確定其化學成分；而吸收譜帶的吸收強度與官能基的含量的多寡有關，可用於進行定量分析和純度鑑定。 傅立葉轉換顯微紅外光譜儀(Micro-FTIR)分析是一種重要的現代分析手段和方法，已廣泛應用於司法鑑定中各類物證材料(包括有機、無機物證材料)樣品的定性和定量分析，不僅能準確的確定物證材料的各種化學成分，還可以採用對比分析的方法，快速有效地得到直接的取證結果。在分析測試工作中，應用紅外光譜分析技術，並結合顯微鏡或層析、熱重分析等技術，運用於毒品走私、炸藥爆炸、僞造假幣、書畫防僞、保全鑑定等刑事領域樣品進行分析鑑定，並提供準確數據和分析結論等科學依據。 圖4.模式選擇 分析優點 儀靈敏度高 (1)靈敏度高，樣品量至10微克以下，如此量少就足以獲得很好的紅外光譜圖。 能進行局部分析 (2)能進行局部分析，其顯微鏡測量孔徑可到8微米或更小，在顯微鏡觀察下，可方便地根據需要選擇樣品不同區域進行分析。對非勻相樣品可在顯微鏡下直接測量樣品上各區域的紅外光譜圖。 樣品製備簡單 (3)樣品製備簡單，對不透光樣品可直接測定反射式量測方法。 光路調節簡單 (4)顯微鏡光路調節簡單，顯微觀察與紅外光譜分析是同一光路，容易實現顯微鏡對樣品待分析部位定位。 保持樣品形態 (5)分析過程中可保持樣品原有形態和晶型，樣品不被破壞。 全部商品一覽