基于飞行时间二次离子质谱成像技术的人民币上指纹化学成像研究
李文杰 孙令辉 游伟 王利雪 赵雅彬 李展平
摘?要?长期流通过的人民币上潜在指纹的显现一直是法庭科学领域研究的难点之一。飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）技术具有原位、准无损、高通量、可多组分平行分析和空间分辨率高等优势。本研究利用TOF-SIMS技术对人民币表面的潜在指纹进行化学成像，比较了TOF-SIMS与几种传统方法的显现效果，研究并分析此技术具有的独特优势， 从普适性、灵敏度和指纹三级特征获取的角度进一步探讨了方法的适用性。利用此技术对指纹中的外源性物质进行了分析，检测出保湿乳成分中丙三醇的分子离子峰（m/z 92.06）和碎片离子峰（m/z 43.02），并显示清晰的指纹图像。研究结果表明，TOF-SIMS技术为长期流通过的人民币上潜在指纹的显现提供了一种有效的方法，并有望用于其表面上指纹中物质的检测。
关键词?飞行时间二次离子质谱; 人民币; 指纹分析; 化学成像
1?引 言
指纹在个体识别和司法审判中发挥着重要作用[1]。但是，在实际案例中，传统的潜在指纹显现方法对一些疑难客体上的指纹显现效果较差，这使得指纹形态比对的应用具有很大的局限性。作为常见的疑难客体之一，钱币在诸如抢劫、诈骗、毒品交易等实际案例中是较为常见的物证，嫌疑人在其表面留下指纹的可能性非常大，若能显现出这些指纹，对于锁定嫌疑人会提供很大的帮助。但钱币本身材质复杂，且表面防伪标记较多。另外，相比于新钱币，长期流通过的钱币表面还会出现较为严重的污染和磨损，严重干扰了指纹的显现。作为棉质钱币，人民币常出现在国内的案例现场。相较于塑质钱币，棉质钱币易起毛， 表面更有利于物质浸染与扩散，这些因素加大了此类客体表面潜在指纹的显现难度。
目前，针对钱币上的指纹显现方法主要有真空金属镀膜[2]、基质辅助激光解吸电离质谱成像技术[3，4]等，同时，还有研究组提出了多种方法联用显现钱币表面的指纹的方法[5，6]，结果均显现出较为清晰的指纹。但是，这些研究所采用的样本均为塑质且尚未流通过的钱币。针对棉质人民币表面的指纹显现的研究虽也有所报道[7，8]，但这些研究中使用的样本也均为尚未流通过的人民币，条件较为理想化，且均无法获得清晰的指纹三级特征，以用于残缺指纹的比对。本研究选择常用于显现渗透性客体表面潜在指纹的茚二酮和茚三酮显现法[9，10]，以及常用于显现非渗透性客体表面指纹的磁性粉末刷显法，对长期流通过的人民币上的潜在指纹进行显现，均未显现出清晰的指纹。
飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）技术具有原位、准无损、高通量、多组分平行分析和空间分辨率高等优势。由于TOF-SIMS能鉴定物质结构，特别对有机分子的结构鉴定，因此，通过TOF-SIMS成像的方式分析指纹，不仅能获得比传统方式更精细的形貌信息，还能获得指纹上物质化学成分的分布信息。2008年，Szynkowska研究组利用此技术进行指纹的成像研究[11]，此后获得越来越多的关注[12～16]。
本研究利用TOF-SIMS对长期流通过的人民币表面上的指纹进行化学成像分析，利用TOF-SIMS的技术优势，显现传统方法无法显现的潜在指纹; 利用其空间分辨率高的优势，获取指纹中三级特征; 利用其对物质分子结构，特别是有机分子的鉴定能力，检测指纹中的外源性物质，为此类疑难客体表面的指纹分析提供新的解决思路。
2?实验部分
2.1?仪器、试剂与材料
TOF-SIMS Ⅴ飛行时间二次离子质谱仪（德国Münster公司）; VSC6000文检仪（北京瑞源华德科技有限公司）; 茚三酮加热加湿柜（北京海洋海泰科技有限公司）。
1，2-茚二酮和茚三酮（>99%，上海科丰化学试剂有限公司）;乙酸乙酯（分析纯，北京化工厂）; 乙酸和乙醇（分析纯，北京通广精细化工有限公司）; 甲醇（分析纯）和ZnCl2（>97%）（国药集团化学试剂有限公司）; HFE7100（深圳高弗德科技有限公司）; 磁性粉末（北京布兰特警用装备有限公司）; 保湿乳（杭州悦芙媞化妆品有限公司）。
2.2?显现试剂配制与操作流程
茚二酮溶液配制：将0.25 g 1，2-茚二酮溶于45 mL乙酸乙酯中，再加入10 mL乙酸、45 mL甲醇和1 mL锌溶液（0.1 g ZnCl2加入4 mL乙酸乙酯中，再加入1 mL乙酸），将上述溶液加入到1 L HFE7100中; 茚三酮溶液配制：将5 g茚三酮溶于45 mL乙醇，再加入5 mL乙酸和2 mL乙酸乙酯，将上述溶液加入到1 L的HFE7100中。
茚二酮溶液显现指纹操作流程：将遗留有指纹的人民币放入茚二酮溶液中浸泡至气泡消失，约2 min后取出， 晾干，再将人民币放在热压板上，温度控制在100℃，加热2 min后取出。将人民币放在激光（波长532 nm的绿光）下， 透过橙色镜片观察并拍照固定; 茚三酮溶液显现指纹操作流程：将人民币放入茚三酮溶液中浸泡至气泡消失，取出晾干后二次浸泡，再晾干，再将人民币放入茚三酮加热加湿柜中，在温度80℃、湿度为65%条件下，实时观察至纹线出现。
2.3?样品准备
选用日常使用的面额为1、10、50和100元的人民币作为实验样品，具体的实验样品都是正在流通使用的钱币，出现了不同程度的磨损、污染和起毛的现象。实验样品上的指纹主要为自然遗留指纹。按照指纹实验指导方法[17]，在志愿者捺印指纹前30 min，告知其不要洗手，在捺印前双手互相搓动，保证十指指纹物质含量相近，在捺印时，指头轻放在人民币表面约3 s后移开。在测指纹外源性物质时，让志愿者按正常习惯涂抹保湿乳后，随即在实验样品的人民币表面捺印下指纹。Top靶面约为50 mm×75 mm， 不足以将钱币铺开放置，因此，本研究将样品折叠放置在Top-mount样品台上，有指纹的一面朝上，周边用导电胶固定，保持样品尽可能平整。
2.4?质谱分析参数
将样本放进主真空室进行测样，观察离子信号强度和成像效果，优化后的条件如表1所示。
3?结果与讨论
3.1?不同方法显现长期流通过的人民币上的指纹
按照上述实验条件，分别利用茚二酮溶液显现法、茚三酮溶液显现法、磁性粉末刷显法和TOF-SIMS成像分析对长期流通过的人民币上潜在指纹进行显现。
图1A为茚二酮和茚三酮显现指纹的图像。作为显现渗透性客体上指纹的使用广泛且效果良好的常用方法，茚二酮法和茚三酮法均未在此特殊客体上显现出指纹，且用于显现的样本区域大面积呈现反应产物的颜色。这可能是因为在长期流通的人民币上，人手多次接触，分布大量汗液，且汗液中的氨基酸在人民币上经过多次扩散渗透; 而捺印的实验则是用指纹同样发生扩散，且一次指纹捺印遗留的氨基酸在大量的氨基酸积累的客体上显得微乎其微，因此，即使显现特意捺印上去的指纹，也无法得到纹线。
图1B为利用磁性粉末刷显过的指纹图像，客体表面也未显现出指纹。使用文检仪将人民币此区域放大70倍和100倍后观察， 发现长期流通过的人民币的表面已出现不同程度的起毛现象，粉末很难与分布在此客体上的指纹物质发生吸附作用，因此，此方法未显出长期流通过的人民幣上指纹。
图1C左侧展示了TOF-SIMS显现遗留了2天的指纹的示意图，右侧是根据m/z 368.34、m/z 369.35和m/z 386.35信号得到的离子像，其中，m/z 368.34的来源未知，参照文献[18～20]，m/z 369.35和386.35 归属于人体分泌的胆固醇（C27H+45、C27H46O+），在获得此物质分布的同时，也获得了指纹图像。TOF-SIMS具有高通量、可多组分同时分析的优势，可以同时获取多种m/z信号的离子图像，因此在显现指纹时，可以选择背景干扰少的物质分布图像; 并且TOF-SIMS与客体表面不接触，只要保持一定的平整性，表面结构对其影响较小。
与茚二酮、茚三酮、磁性粉末刷显法相比，TOF-SIMS具有高通量、可多组分同时分析、灵敏度高且与客体无接触的优势，更适用于显现长期流通过的人民币表面的潜在指纹。传统方法虽不能显现出清晰的指纹，但可得到大致的指纹轮廓形态，因此可将其作为预处理方法，用于寻找现场钱币上可能存在潜在指纹的位置。
3.2?显现不同面额人民币上的指纹
同一版本人民币有多种面额，每种面额的人民币在材质与表面涂层用料上均有差异，对指纹的显现也会产生影响。Champod等[21]研究表明，纹线的显现效果受客体表面状态的影响。因此，本实验探究了TOF-SIMS能否适用于不同面额的人民币上指纹的显现。
4种面值纸币上遗留了一周后的指纹的显现效果如图2所示，SIMS对于不同面值的钱币的各疑难部位都能较好地显现出指纹。
图2A红框为指纹成像区域，此位置背景干扰较严重，具有一定代表性。图2B为TOF-SIMS的质谱信号图，黑线表示指纹区域检测到的m/z 284.5的质谱信号，红线为指纹区域附近客体本身检测到的m/z 284.5的质谱信号，可以看出，指纹区域检测到的信号强度高于客体表面，说明指纹中此种物质的含量高于客体。在4个客体上，根据m/z 284.5信号得到的离子图像如图2C所示，虽然背景对其形态观察有干扰，但仍能观察到清晰的纹线，且可以满足鉴定条件。
上述结果表明，TOF-SIMS可适用于不同面额的长期流通过的人民币上指纹的显现。
3.3?TOF-SIMS灵敏度测试
指纹显现方法评价中，灵敏度是重要的参考指标，常用的方法是连续捺印指纹，观察到第几枚指纹无法继续进行鉴定[17]。理论上，捺印次数越多，遗留指纹中的物质含量就越少。如果此显现方法显现出越多的指纹，表明其灵敏度越高。图3A展示了遗留了近一个月的第6次捺印的指纹的TOF-SIMS成像图，选取了成像效果较好的4个信号的离子像（m/z 184.12、509.45、537.47和551.49），这4个离子像都是断断续续的指纹纹线，无法用于鉴定，但将4个离子像重叠（Overlay）后，能得到较清晰的指纹，且可分辨出指纹的特征（如图3B）。图3C展示了第7次捺印的指纹的TOF-SIMS离子像，根据上述4个离子信号得到的离子像均无法观察到指纹纹线。
上述结果表明，在其它方法显现不出指纹的情况下，TOF-SIMS仍能显现出连续捺印到第6次的指纹。当单个离子信号强度比较弱时，可通过若干离子像重叠获得连贯清楚的纹线，用于指纹的形态特征比对。因此，TOF-SIMS表现出了较高的灵敏度。
3.4?指纹三级特征的获取
犯罪现场存留的指纹常为残缺指纹，这类指纹没有足够数量的二级特征点供指纹比对，此时，鉴定人员会利用纹线上三级特征进行鉴定，用于嫌疑对象的排除[22]。TOF-SIMS具有非常高的空间分辨率，Cai等[12]在2017年用TOF-SIMS对硅片上的指纹进行成像时发现，此技术可获得清晰的汗孔形态，对于现场残缺指纹的认定具有指导意义。但是，硅片表面是光滑、干净的，而长期流通过的人民币表面磨损严重，能否获得此客体表面指纹的汗孔形态是值得研究的问题。
对一枚长期流通过的人民币上一枚遗留了一周后的残缺指纹进行成像发现，获取的汗孔具体形态不及在硅片上规则（图4A和4B），这可能是因为流通人民币样品表面磨损，结构被破坏造成的。但是，从图4C和4D可见，TOF-SIMS图像中仍然能清楚地观察到汗孔的相对关系和边缘特征，这些三级特征在不同的指纹中具有差异性，可为形态比对提供重要信息。由于利用其它方法无法获得纹线形态，因此，此技术在获得残缺指纹三级特征时更显优势。
3.5?指纹中外源性物质检测
除了获得指纹形态，TOF-SIMS还能根据谱图信息分析指纹中的物质成分，以此推断嫌疑人可能触摸过的物品，从而分析其生活习惯或案前活动。图5A展示了留有保湿乳的硅片和空白硅片上得到的离子信号及成像，在分析留有保湿乳的硅片时发现，保湿乳成分中丙三醇的分子离子（m/z 92.06）和碎片离子峰（m/z 43.02）均出现在谱图中，且有对应的物质分布图像; 而在空白硅片中未发现这两处信号，且对应的离子像为空白。因此，利用TOF-SIMS可以获得保湿乳中丙三醇的分布。本实验收集了志愿者按照日常习惯涂抹保湿乳后，在长期流通过的人民币上留下的新鲜的指纹样本，并进行了TOF-SIMS成像分析。如图5所示，在谱图中有m/z 43.02和92.06的离子信号，且根据这两个信号，获得了各自的离子像，均出现了清晰的指纹图像。
上述结果表明，TOF-SIMS在显现长期流通过的人民币上指纹的同时，还能对此客体表面指纹中的物质进行检测，通过检测出丙三醇，推断嫌疑人有可能涂抹过保湿乳，为侦查提供了思路。但是，此检验为验证性工作，对于未知样品的判断仍很难完成。在后续研究中，如能进一步利用诸如Passarelli等[23]开发出的3D-OrbiSIMS设备的二级质谱的优势，将进一步提高识别指纹中未知物质的可能性。
4?結 论
采用TOF-SIMS技术对长期流通过的人民币表面的潜在指纹进行化学成像分析。研究结果表明，在利用茚二酮、茚三酮和粉末刷显法均无法显现出此类客体表面潜在指纹的情况下，TOF-SIMS可获取污染和磨损程度较重的人民币上潜在指纹的形态特征。同时，由于TOF-SIMS空间分辨率高，能获得有效的指纹三级特征，包括汗孔的相对位置关系和乳突纹线的边缘形态，以用于残缺指纹的鉴定。研究结果表明，通过若干个离子像重叠（Overlay），TOF-SIMS可显现出连续捺印多次后的指纹图像，具有较好的灵敏度。除获得图像信息，本研究还利用TOF-SIMS获得了保湿乳中丙三醇在指纹上的分布，实现了对指纹中外源性物质的检验。此技术对于指纹中未知物质的准确识别还需进一步深入研究。综上，TOF-SIMS技术凭借其特有的优势，有望为长期流通过的人民币上潜在指纹的显现和物质检测提供新的思路。
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