徐靜陽 方少波 周婧

1) (浙江省毒品防控技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,杭州 310053)

2) (中國(guó)科學(xué)院物理研究所,北京 100190)

3) (麻省理工學(xué)院化學(xué)工程系,劍橋 02139)

4) (浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程系,杭州 310027)

(2019 年1 月30 日收到; 2019 年2 月28 日收到修改稿)

近年來,依賴于先進(jìn)光源的化學(xué)成像技術(shù)迅速發(fā)展,極大提高了痕量檢測(cè)的準(zhǔn)確性,在公共安全、環(huán)境、食品、醫(yī)藥、考古等領(lǐng)域具有重要的實(shí)用價(jià)值. 在痕量檢測(cè)中,通過將成像技術(shù)與光譜測(cè)量技術(shù)、質(zhì)譜技術(shù)等相結(jié)合,能夠同時(shí)獲取檢驗(yàn)對(duì)象的物質(zhì)組成和二維圖像信息,不僅可以揭示材料表面的痕量物質(zhì)成分及其分布,還可以在提高檢驗(yàn)靈敏度的情況下,減少甚至避免傳統(tǒng)檢測(cè)手段所需要的特殊顯現(xiàn)劑,因此與其他檢驗(yàn)方法具有良好的兼容性. 本文以指紋檢驗(yàn)這一典型的痕量檢測(cè)問題為例,闡述基于光譜和質(zhì)譜成像技術(shù)的化學(xué)成像方法在痕量檢測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用,從定向針對(duì)特定組分的化學(xué)成像和非定向的直接化學(xué)成像兩個(gè)方面,綜述了在指紋顯現(xiàn)或顯現(xiàn)增強(qiáng)中獲得應(yīng)用的主要成像手段,包括可見-近紅外成像、紅外成像、拉曼成像、質(zhì)譜成像等.

1 引 言

先進(jìn)光源成像技術(shù)的不斷研發(fā),特別是其在光譜成像、質(zhì)譜成像等化學(xué)成像領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展,使得痕量檢測(cè)更為精準(zhǔn)可靠. 在涉及痕量檢測(cè)的領(lǐng)域,如食品藥品質(zhì)量檢驗(yàn)、文物檢驗(yàn)、物證檢驗(yàn)、公共安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)等,研究者常常同時(shí)關(guān)心檢驗(yàn)對(duì)象的分布規(guī)律與成分組成兩個(gè)層面的信息. 通過將成像技術(shù)和光譜測(cè)量技術(shù)、質(zhì)譜技術(shù)等相結(jié)合,同步獲取目標(biāo)檢驗(yàn)對(duì)象的二維圖像和物質(zhì)組成信息,可實(shí)現(xiàn)不同材料表面的痕量物質(zhì)成分及分布的檢測(cè),提高檢驗(yàn)靈敏度,拓展方法的適用范圍. 并且,相比基于化學(xué)分析的檢驗(yàn)方法,利用光譜、質(zhì)譜成像技術(shù)可減少甚至避免傳統(tǒng)檢測(cè)手段中特殊顯現(xiàn)劑的使用,對(duì)其他檢驗(yàn)方法也具有良好的兼容性.本文以指紋檢驗(yàn)這一典型的痕量檢測(cè)問題為例,闡述相關(guān)成像技術(shù)在痕量檢測(cè)方面的應(yīng)用.

指紋作為一種重要的生物特征,常常以“潛在指印”存在,其顯現(xiàn)與提取既取決于承載客體材料的表面性狀,也取決于指印遺留物質(zhì)的特性,形態(tài)特征和成分特征都具有重要價(jià)值. 并且,由于物證保全等的需要,原位檢測(cè)是一種較為理想的處理方式. 一枚指印,既包含水、氯離子、氨基酸、蛋白質(zhì)等一些共性物質(zhì),也因個(gè)體代謝特點(diǎn)和接觸外源物質(zhì)的歷史而含有其他差異性成分,如手指上沾附的特定物質(zhì)、人體汗腺、皮脂腺分泌物等[1]. 以粉末刷顯和超級(jí)膠熏顯為代表的常規(guī)化學(xué)方法主要基于非選擇性的吸附顯色,或針對(duì)有限的手印遺留物質(zhì)組分的顯色反應(yīng),獲得指紋形態(tài)學(xué)特征. 盡管對(duì)不同來源的指印顯現(xiàn)普遍有效,但指紋圖像的獲取往往以損失其中潛藏的痕量化學(xué)組分信息為代價(jià). 例如指印中沾附物質(zhì)反映的接觸歷史,指印物質(zhì)成分所反映的飲食、服用藥物、生理狀況等,這些信息可能在涉及危險(xiǎn)品、違禁品的檢驗(yàn)項(xiàng)目中提供重要的信息線索[2,3]. 此外,基于指印共性物質(zhì)的顯現(xiàn)反應(yīng)難以解決異源重疊指紋等較為復(fù)雜的檢驗(yàn)問題[4]. 先進(jìn)光源成像技術(shù)的相關(guān)研究為發(fā)展指紋識(shí)別技術(shù)提供了一種新的思路和手段,有望建立基于分子水平的指紋成分分析及其空間分布檢測(cè)方法.依據(jù)技術(shù)基礎(chǔ)和應(yīng)用需求,目前主要有兩種研究思路: 一是根據(jù)手印物質(zhì)的化學(xué)成分構(gòu)建可與之發(fā)生特異性結(jié)合的顯現(xiàn)劑,并摻加標(biāo)記物,獲得基于特異性結(jié)合/反應(yīng)的指紋成分及圖像; 另一種思路是直接利用光譜或質(zhì)譜成像技術(shù)獲取基于分子組成分布的圖像信息[1,3,5,6]. 本文主要從定向針對(duì)特定組分的化學(xué)成像和非定向的直接化學(xué)成像兩個(gè)方面進(jìn)行討論,闡述可見-短波近紅外成像、紅外成像、拉曼成像、質(zhì)譜成像等主要的化學(xué)成像手段在指紋檢驗(yàn)領(lǐng)域的應(yīng)用(圖1).

圖1 基于不同化學(xué)成像技術(shù)的指紋檢驗(yàn)應(yīng)用示例圖Fig. 1. Application of various chemical imaging methods for fingerprint visualization and trace analysis.

2 基于特異性反應(yīng)的化學(xué)成像

免疫反應(yīng)被應(yīng)用于指紋顯現(xiàn)和增強(qiáng),定向檢測(cè)特定的內(nèi)源或外源性手印組分,并獲得基于特定化學(xué)組分的指紋圖像. 構(gòu)建帶有抗體功能基團(tuán)的磁性顆粒、帶有熒光標(biāo)記的核酸適配體、連接適配體的納米金顆粒、帶有抗體功能基團(tuán)的上轉(zhuǎn)換納米顆粒,這些顯現(xiàn)劑含有能與手印遺留物中的特定代謝物或外源性物質(zhì)發(fā)生特異性結(jié)合的功能基團(tuán),并摻加發(fā)色基團(tuán)作為標(biāo)記. 可在一定條件(通常為光源照射激發(fā))下得到光譜響應(yīng),獲得基于特異性結(jié)合/反應(yīng)的指紋圖像[7?9]. 例如,Leggett 等[9]通過構(gòu)造金納米顆粒-抗體復(fù)合物,顯現(xiàn)潛指紋并識(shí)別其中的尼古丁代謝物. van Dam 等[10]以汗液手印中的抗菌肽(dermcidin)作為目標(biāo)抗原,構(gòu)建多種帶熒光標(biāo)記物的抗體,用于多種滲透性、半滲透性和非滲透性材料表面的潛指紋顯現(xiàn).

針對(duì)單一手印組分的免疫反應(yīng)識(shí)別靈敏度高,可用于篩查特定代謝物或外源性物質(zhì),但成像效果往往存在紋線特征不全的缺陷,于是有研究著眼于開發(fā)同時(shí)針對(duì)多種組分的免疫測(cè)定方法. 例如,Lam 等[11]研發(fā)了同時(shí)針對(duì)多種內(nèi)源性手印組分的免疫反應(yīng)試劑. Xu 等[12]建立了一種電化學(xué)發(fā)光免疫測(cè)定方法,可檢出表皮生長(zhǎng)因子、溶菌酶、抗菌肽,并得到基于這些組分的指紋圖像. 該方法利用電化學(xué)反應(yīng)發(fā)光效應(yīng),不需借助光源激發(fā),避免了背景基質(zhì)干擾. Zhang 等[13]通過構(gòu)建3 種帶有特殊報(bào)告基團(tuán)的納米金顆粒,分別與三種目標(biāo)物(lysozyme,human IgG,cotinine)發(fā)生特異性結(jié)合,報(bào)告基團(tuán)在特定波長(zhǎng)激光的激發(fā)下獲得拉曼光譜響應(yīng),獲得指紋圖像,目標(biāo)手印組分濃度低至pg/mL 仍可檢出. 三種免疫探針混合使用相比使用單一探針獲得更多細(xì)節(jié)特征.

研究者也探討了基于特異性反應(yīng)的化學(xué)成像在指紋顯現(xiàn)程序中的作用. van Dam 等[14,15]以抗菌肽為目標(biāo)抗原,以硝化纖維素膜和玻璃片作為指印遺留客體,研究了免疫法與傳統(tǒng)顯現(xiàn)方法的兼容性. 結(jié)果表明經(jīng)磁性粉刷顯,茚三酮染色,茚二酮、茚二酮和茚三酮順序處理,物理顯影液,超級(jí)膠熏顯,超級(jí)膠熏顯和基礎(chǔ)黃染色順序處理的手印可進(jìn)一步用免疫法顯現(xiàn).

總體而言,基于特異性反應(yīng)的化學(xué)成像方法具有檢測(cè)目的明確、精確度好、靈敏度高的優(yōu)勢(shì),但是設(shè)計(jì)構(gòu)建免疫反應(yīng)試劑較為繁瑣,光致發(fā)光的成像手段可能存在背景干擾[12]. 此外,檢測(cè)特異性強(qiáng)的代價(jià)則是適用具有局限性,在獲取指紋圖像細(xì)節(jié)特征方面難以成為一種獨(dú)立的方法. 在挖掘化學(xué)組分信息方面,適用于特定物質(zhì)篩查,而不適用于未知組分的定性.

3 直接化學(xué)成像

另一值得關(guān)注的趨勢(shì)是直接利用光譜成像技術(shù)與質(zhì)譜成像技術(shù)獲取基于分子組成分布的圖像信息. 光譜成像技術(shù)(本文主要指“高光譜成像技術(shù)”,hyperspectral imaging)通過將成像技術(shù)和光譜測(cè)量技術(shù)相結(jié)合,運(yùn)用光譜掃描手段獲取目標(biāo)對(duì)象在不同波長(zhǎng)照射下的光學(xué)特征,也即獲取目標(biāo)對(duì)象對(duì)應(yīng)點(diǎn)不同光學(xué)參量值構(gòu)成的信息分布圖像. 檢測(cè)結(jié)果不僅包括二維圖像信息,還包含檢驗(yàn)對(duì)象隨波長(zhǎng)分布的光譜輻射信息,形成由光譜維度、掃描帶寬、掃描對(duì)象長(zhǎng)度維構(gòu)成的“數(shù)據(jù)立方”,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)對(duì)象的定位、定性和定量分析(圖2). 這種“圖譜合一”的特性恰好可以滿足圖像和化學(xué)組分信息同時(shí)識(shí)別問題的需要[16]. 相比于傳統(tǒng)光譜成像手段,可提供基于上百至上千個(gè)光譜波段數(shù)、納米級(jí)光譜分辨率的圖譜數(shù)據(jù),為確定微量物質(zhì)及其組成提供豐富的數(shù)據(jù)來源. 質(zhì)譜成像技術(shù)則是基于質(zhì)譜技術(shù)的一種成像方法,通過不同質(zhì)荷比(m/z)離子的二維密度圖反映目標(biāo)對(duì)象的分子組成信息及空間分布. 上述化學(xué)成像技術(shù)可在獲得指紋圖像的同時(shí)定性分析指印物質(zhì)中含有的痕量(微量)物質(zhì),并且不單單指向特定的指印成分,適用范圍更為寬泛. 該研究方案避免了特異性顯現(xiàn)劑的構(gòu)建,具有更好的開放性; 可反復(fù)檢驗(yàn),最大化地獲取圖像及成分信息. 目前,主要的應(yīng)用研究集中于可見-短波近紅外區(qū)化學(xué)成像、紅外成像、拉曼成像和質(zhì)譜成像技術(shù),這些技術(shù)被認(rèn)為具有較大的應(yīng)用潛力. 表1 對(duì)各種方法進(jìn)行了對(duì)比,并在下文進(jìn)行詳細(xì)說明.

圖2 利用光譜成像技術(shù)獲得基于光學(xué)參量值的數(shù)據(jù)立方Fig. 2. Hypercube of the trace sample obtained from hyperspectral imaging.

表1 不同化學(xué)成像法的特點(diǎn)與適用性Table 1. Features and applicabilities of various chemical imaging methods.

3.1 可見-短波近紅外區(qū)成像

可見光區(qū)化學(xué)成像已在指紋增強(qiáng)顯現(xiàn)方面得到應(yīng)用. 手印物質(zhì)在可見光區(qū)往往不具有特征吸收,該方法對(duì)多組分遺留物質(zhì)的區(qū)分靈敏度較低,主要作為一種簡(jiǎn)便、無損、操作條件可控的圖像采集方法,對(duì)目標(biāo)物證材料上的關(guān)鍵信息進(jìn)行提取和圖像的后處理. 對(duì)一些已采用傳統(tǒng)方法(如超級(jí)膠法)顯現(xiàn),但仍受到背景干擾的情況,能有效地實(shí)現(xiàn)指紋增強(qiáng)顯現(xiàn)[18].

短波近紅外區(qū)成像光譜主要利用波長(zhǎng)1000 nm以內(nèi)的紅外區(qū)進(jìn)行增強(qiáng)顯現(xiàn). 例如,傳統(tǒng)的物理、化學(xué)顯現(xiàn)劑茚三酮、物理顯影液、刷顯粉末均在近紅外光區(qū)有吸收,可進(jìn)一步增強(qiáng)顯現(xiàn)[19]. 此外,結(jié)合某些熒光劑的使用,利用其受到入射光激發(fā)后在近紅外光區(qū)具有激發(fā)光的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)指紋增強(qiáng)顯現(xiàn). 有研究表明,經(jīng)由粉末刷顯、茚三酮顯現(xiàn)和超級(jí)膠熏顯后的指紋進(jìn)一步采用近紅外熒光法進(jìn)行增強(qiáng)處理,可在紙張等材料上實(shí)現(xiàn)良好的顯現(xiàn)效果[20].

除基于吸收-反射模式的光譜成像之外,基于干涉光譜的頻域相位分辨光學(xué)相干層析技術(shù)可實(shí)現(xiàn)微米級(jí)表面形貌成像,利用微米級(jí)尺度的指印遺留物質(zhì)顆粒與背景客體材料反射面處的干涉相位差異,獲取指紋圖案的等效高度信息,進(jìn)而形成圖像. 這種方法具有非接觸、無損、快速和高靈敏度的優(yōu)勢(shì)[21].

綜上,可見-短波近紅外光區(qū)的成像光譜法可納入現(xiàn)有的指紋顯現(xiàn)程序,在使用傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上,作為一種增強(qiáng)顯現(xiàn)的途徑,但是難以提供分子水平手印遺留物質(zhì)的線索.

3.2 紅外成像

紅外光譜(這里主要指長(zhǎng)波近紅外至中紅外區(qū))作為一種分子振動(dòng)光譜,被廣泛用于化學(xué)分析.帶有陣列檢測(cè)器的紅外光譜儀可同時(shí)采集檢測(cè)范圍內(nèi)不同位點(diǎn)的數(shù)千個(gè)波長(zhǎng)處的紅外光譜數(shù)據(jù),不僅可以獲取檢測(cè)對(duì)象的特征化學(xué)信息,還能獲得化學(xué)信息的空間分布. 不僅汗液、油脂等內(nèi)源性組分在紅外光區(qū)具有特征吸收(圖3(b)),許多外源性組分也具有特征吸收. Ossa 等[22]利用近紅外光譜成像技術(shù)原位識(shí)別多種爆炸物成分,并實(shí)現(xiàn)指紋圖像提取. Banas 等[23]利用傅里葉變換紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy,FT-IR)技術(shù)檢測(cè)潛到微量爆炸物、阿司匹林等外源成分.然而,由于指印遺留物的含量相對(duì)基質(zhì)來說往往很低,指紋顯現(xiàn)的關(guān)鍵難點(diǎn)在于檢測(cè)靈敏度和背景干擾問題. 對(duì)此,現(xiàn)有研究主要體現(xiàn)了三種不同的技術(shù)路線.

其一,當(dāng)指印遺留條件理想時(shí),實(shí)施原位直接檢測(cè). 例如,Grane 等[24]利用FT-IR 的外部反射模式采集鋁、塑料、膠帶、紙張等不同材料表面的油脂手印遺留圖像,結(jié)合特定波長(zhǎng)條件成像、光譜數(shù)據(jù)疊加/扣減、主成分分析、譜帶數(shù)據(jù)二階導(dǎo)數(shù)計(jì)算等手段進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)處理. 基于1016 cm–1處酯類化合物的O—C—C 鍵不對(duì)稱伸縮振動(dòng)信號(hào)可以得到清晰的指紋圖像.

其二,指印遺留物質(zhì)相對(duì)基質(zhì)材料的紅外信號(hào)不夠突出時(shí),采用一定方法放大信號(hào). 一種典型的方法就是結(jié)合超級(jí)膠熏顯. 例如,Sonnex 等[25]使超級(jí)膠在指印物質(zhì)表面發(fā)生聚合反應(yīng),利用聚合物中羰基的伸縮振動(dòng)吸收峰(1700 cm–1)強(qiáng)化指紋信號(hào),結(jié)合主成分分析處理光譜數(shù)據(jù),有效地顯現(xiàn)出聚酯、絲織品、尼龍、醋酸纖維等材料表面的汗?jié)撝讣y. 鑒于超級(jí)膠熏顯是一種廣泛采用的指紋顯現(xiàn)手段,在此基礎(chǔ)上利用紅外成像增強(qiáng)處理可以原位、重復(fù)操作,可行性強(qiáng). 值得注意的是,放大信號(hào)的方法需要依據(jù)基質(zhì)材料決定,避免選擇與基質(zhì)材料共有的光譜吸收特性.

其三,為避免基質(zhì)干擾,采用一定手段提取、轉(zhuǎn)移手印遺留物質(zhì)到無干擾的檢測(cè)基質(zhì). 對(duì)于特殊的手印遺留情形,如基質(zhì)材料非平面,無法放到衰減全反射(attenuated total reflection,ATR)附件上檢測(cè),也可采取這種策略. 要求提取材料不但可以實(shí)現(xiàn)基質(zhì)材料表面的手印遺留物質(zhì)沾附提取,而且光譜吸收特征不對(duì)檢測(cè)目標(biāo)造成干擾. 明膠帶(gelatin tape)等材料可以將指印遺留物質(zhì)從非多孔材料基質(zhì)表面提取轉(zhuǎn)移[26]. 聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane)等膜材料可以實(shí)現(xiàn)多孔材料(如紙張)表面的物質(zhì)提取. 許多研究采用ATR模式進(jìn)行原位檢測(cè),獲取檢驗(yàn)對(duì)象的FT-IR 數(shù)據(jù).ATR-FT-IR 光譜成像技術(shù)可達(dá)到較好的檢出靈敏度,從背景信號(hào)中檢出微量物質(zhì),在分析手印內(nèi)源性或外源性物質(zhì)組分的應(yīng)用上具有較大潛力[27].

紅外光譜成像技術(shù)正朝著高靈敏度、快速成像、可攜帶等目標(biāo)發(fā)展[28]. 有研究利用同步輻射紅外光源進(jìn)行指紋痕量檢測(cè),從微觀尺度上拓展了對(duì)指印物質(zhì)組成和分布規(guī)律的認(rèn)識(shí),并且展示了該技術(shù)在提高紅外光譜空間分辨率、信噪比和檢驗(yàn)速度方面的優(yōu)勢(shì)(圖3)[29]. 另外,光學(xué)頻率梳技術(shù)等先進(jìn)光源技術(shù)在紅外光譜領(lǐng)域的應(yīng)用,可望在分子光譜精密測(cè)量領(lǐng)域發(fā)揮重要作用,從而對(duì)具有原位檢測(cè)要求的刑事技術(shù)、食品藥品質(zhì)檢、文物鑒定等領(lǐng)域的檢測(cè)技術(shù)產(chǎn)生積極影響[30]. 相關(guān)技術(shù)的發(fā)展將進(jìn)一步降低痕量檢測(cè)的檢出限,提高指紋圖像的分辨率,甚至有望通過手印遺留物質(zhì)組分隨時(shí)間的變化規(guī)律,反推遺留時(shí)間,從而提供時(shí)間維度的指紋遺留信息[31,32].

3.3 拉曼成像

拉曼光譜是一種光散射技術(shù),主要采用紫外、可見和近紅外激光器作為激發(fā)光源,基于分子振動(dòng)探測(cè)分子結(jié)構(gòu)信息. 與紅外光譜相比,拉曼光譜具有非接觸式檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn). 許多研究應(yīng)用拉曼光譜檢驗(yàn)藥物、爆炸物等外源性手印遺留物質(zhì). Day 等[33]利用傅里葉變換拉曼光譜檢測(cè)遺留在鋼片表面的油脂和汗?jié)撌钟∩险锤降柠}酸可卡因、硝基安定、滑石粉. 經(jīng)超級(jí)膠熏顯處理后的手印也能檢測(cè)到目標(biāo)組分[34]. 結(jié)合成像技術(shù),可進(jìn)一步獲取基于指印物質(zhì)組分的指紋圖像. 例如,利用膠帶提取轉(zhuǎn)移指印物質(zhì)(含若干外源藥物組分)到載玻片上進(jìn)行掃描檢驗(yàn). 結(jié)合拉曼光譜成像與變量統(tǒng)計(jì)方法,分析出各個(gè)組分及其空間分布[35]. Emmons 等[36]將沾附有多種爆炸物成分的手印遺留于鋁包覆的載玻片上,通過拉曼光譜成像獲得指紋圖像信息、爆炸物組分信息及其分布. 該課題組進(jìn)一步研究了指印遺留于具有拉曼散射信號(hào)的客體上的情形. 結(jié)合背景扣除算法,也檢測(cè)到了附著于聚苯乙烯、聚碳酸酯、漆層表面的微量爆炸物成分[37].

由于拉曼光譜信號(hào)強(qiáng)度相對(duì)較低,需要較長(zhǎng)的時(shí)間完成成像操作,長(zhǎng)時(shí)間聚焦條件下激發(fā)光能量可能對(duì)檢材產(chǎn)生不利影響. 為此,有研究通過改進(jìn)樣品制備,獲得基于金屬電介質(zhì)納米顆?；|(zhì)的表面增強(qiáng)拉曼光譜,得到高靈敏度的光譜信息[38]. 但是,這種方法需要對(duì)手印樣品進(jìn)行處理,使其表面吸附特殊金屬顆粒,對(duì)樣本造成不可逆改變. 基于同步超快激光脈沖的受激拉曼散射顯微成像技術(shù)進(jìn)一步拓寬了拉曼光譜的適用性. Figueroa 等[39]利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了基于內(nèi)源性或外源性手印組分的指紋成像. 發(fā)現(xiàn)該技術(shù)提高了光譜采集速度、檢測(cè)靈敏度、空間分辨率和穿透深度,從而釋放了拉曼光譜作為一種無標(biāo)記檢驗(yàn)方法的應(yīng)用潛力(圖4).

圖3 基于焦平面陣列紅外光譜的指紋成像[29] (a)檢測(cè)區(qū)域的亮場(chǎng)光學(xué)圖像; (b)汗腺、皮脂腺分泌物和皮膚脫落物的FTIR 光譜; (c)指印物質(zhì)組分的空間分布圖像; (d)基于汗腺分泌物的O—H 鍵彎曲振動(dòng)吸收帶(1520—1719 cm–1)、皮脂腺分泌物的C=O 鍵吸收帶(1713—1773 cm–1)和和皮膚脫落物的酰胺II 帶(1507—1548 cm–1)產(chǎn)生的指印物質(zhì)空間分布圖像Fig. 3. Fingerprint image investigated with FT-IR focal plane array imaging[29]: (a) Bright field optical image of the area investigated with FT-IR focal plane array imaging; (b) FT-IR spectra of eccrine,sebaceoussecretions and skin debris obtained using the conventional FT-IR spectroscopy; (c) the composite distribution map; (d) individual false colour images were generated by integrating over the O—H bending band for the eccrine material (1520?1719 cm–1),the C=O band for the sebaceous material (1713?1773 cm–1) and the amide II band (1507?1548 cm–1) for skin debris.

3.4 質(zhì)譜成像

質(zhì)譜技術(shù)可以更為精準(zhǔn)地確定分子水平的化學(xué)組成信息[40,41]. 利用檢測(cè)目標(biāo)物離子化產(chǎn)生的指定質(zhì)荷比化合物的離子密度圖可以顯現(xiàn)基于檢測(cè)目標(biāo)分子組成的指紋圖像. 該技術(shù)有望在定性分析爆炸物、藥品、人體代謝產(chǎn)物等痕量(微量)物質(zhì)方面起到十分關(guān)鍵的作用. 例如,Tang 等[41]通過在指紋上噴鍍一層金納米顆粒,利用表面等離子共振和激光解吸/電離技術(shù)(laser desorption ionization mass spectrometry,LDI MS)獲取基于不同脂肪酸成分的指紋圖像. Cheng 等[42]通過在指紋表面噴濺包覆銀-金合金納米顆粒,利用表面輔助激光解吸/離子化質(zhì)譜(surface-assisted laser desorption/ionization-mass spectrometry,SALDI-MS)獲 取手印組分信息(如脂肪酸)及基于去質(zhì)子化脂肪酸的指紋圖像信息. Hinners 等[43]對(duì)指印進(jìn)行銀納米顆粒噴濺,利用基質(zhì)輔助激光解吸電離質(zhì)譜成像(matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry imaging,MALDI MSI)技術(shù)分析手印中的外源物質(zhì)(如防曬霜、酒、食用油、柑橘類水果). Kaplan-Sandquist 等[44,45]利用基質(zhì)輔助激光解吸電離飛行時(shí)間質(zhì)譜成像(matrix-assisted laser desorption/ionization time of flight mass spectrometry imaging,MALDI/TOF MSI),分析指印中的藥物、爆炸物成分. 遺留在鋁包覆的載玻片的手印,通過粉末刷顯、 α -氰基-4-羥基肉桂酸噴霧處理(MALDI 基質(zhì)噴霧)等方法進(jìn)行預(yù)處理,然后采用MALDI/TOF MSI 進(jìn)行化學(xué)成分分析. 圖5展示了經(jīng)粉末刷顯處理后利用MALDI/TOF MSI檢出潛指紋中的偽麻黃堿以及指紋成像效果[45].

圖4 利用受激拉曼散射顯微成像實(shí)現(xiàn)潛指紋的無標(biāo)記化學(xué)成像[39] (a) 2850 cm–1 和1067 cm–1 波段融合圖像; (b)潛指紋中KNO3 的受激拉曼光譜; (c) 2850 cm–1 和1639 cm–1 波段融合圖像; (d)苯甲酸的受激拉曼光譜Fig. 4. Label-free chemical imaging of latent fingerprints with stimulated Raman scattering microscopy[39]: (a) Image of merged channels from 2850 cm–1 and 1067 cm–1; (b) SRS spectrum of pure KNO3 on the LFP; (c) image of merged channels from 2850 cm–1 and 1639 cm–1; (b) SRS spectrum of benzoic acid.

圖5 利用MALDI/TOF MSI 檢出偽麻黃堿和指紋圖像[45] (a)總離子流圖像; (b)質(zhì)荷比166 的提取離子圖; (c)總離子流和提取離子的疊加圖; (d)標(biāo)記區(qū)域質(zhì)譜數(shù)據(jù); 潛指紋經(jīng)粉末刷顯處理Fig. 5. Pseudoephedrine residue detection and fingerprint imaging using MLDI/TOF MSI[45]: (a) Total ion current image; (b) extracted ion image form/z166; (c) superimposed image of TIC and extracted ion image; (d) the corresponding mass spectra of the highlighted areas. Fingerprints were developed with fingerprint powder.

研究者初步探索了質(zhì)譜成像技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際案件指紋檢驗(yàn)的可行性. 2017 年,Bradshaw 等[46]采用MALDI MSI 技術(shù)處理了來自真實(shí)案件的四枚手印樣本. 這四枚樣本具有不同的遺留條件,采用常規(guī)的粉末刷顯膠帶提取或超級(jí)膠熏顯處理后,利用MALDI MSI 做成分分析,結(jié)果表明有兩枚手印可檢出分子信息及基于碎片化離子的圖像信息.其中一枚提取于窗框的經(jīng)由碳粉刷顯的手印,成功檢出可卡因成分并獲得其分布圖像. 該研究已證實(shí)了MALDI MSI 技術(shù)的操作可行性,以及與傳統(tǒng)顯現(xiàn)技術(shù)的兼容性[17,46]. 值得注意的是,研究結(jié)果也表明對(duì)真實(shí)手印MALDI MSI 尚難以提供相比傳統(tǒng)顯現(xiàn)技術(shù)更好的紋線形態(tài)信息. 這是由指紋遺留條件決定的,指紋遺留物質(zhì)的充分性、遺留環(huán)境與遺留時(shí)間都會(huì)影響指紋紋線與化學(xué)信息的檢出,這些限制性因素對(duì)質(zhì)譜技術(shù)同樣存在[46].

質(zhì)譜成像技術(shù)不需事先對(duì)檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行提取和分離,因此有望提高分析通量,實(shí)現(xiàn)原位分析,減小對(duì)檢材的破壞. 但另一方面,實(shí)現(xiàn)這些優(yōu)點(diǎn)的代價(jià)則是提高了分析難度,特別是由于不經(jīng)前處理的指紋遺留物質(zhì)成分較為復(fù)雜,定量分析受到限制. 目前,許多研究是基于模擬手印條件和理想手印承載基質(zhì)(如載玻片)的,涉及真實(shí)手印條件[46]和真實(shí)基質(zhì)材料[47]的研究較少. 以目前的技術(shù)手段,對(duì)于真實(shí)手印遺留條件,由于目標(biāo)物質(zhì)的含量極低,難以被有效檢出. 此外,引入基質(zhì)輔助實(shí)現(xiàn)激光解吸電離時(shí),基質(zhì)與待檢測(cè)物質(zhì)間的相互作用及其對(duì)檢測(cè)效果的影響也有待研究[48]. 未來的研究方向包括質(zhì)譜技術(shù)的空間分辨率提升,以及手印樣品預(yù)處理方法、基質(zhì)影響因素等.

4 結(jié)論與展望

研究表明光譜和質(zhì)譜成像技術(shù)可用于指紋痕量檢測(cè),從中獲得兩個(gè)層次的信息,一是形態(tài)特征及其分布層面(用于個(gè)體識(shí)別),另一個(gè)則是痕量化學(xué)組分的發(fā)現(xiàn),用于提供與指紋遺留者相關(guān)的其他線索(如接觸外源物質(zhì)的歷史、自身代謝分泌物特征等). 盡管許多研究尚處于概念論證階段,其結(jié)論已初步表明了基于化學(xué)成像技術(shù)進(jìn)行指紋痕量檢驗(yàn)的可行性. 其中,作為具有應(yīng)用潛力的新技術(shù),MALDI 和ATR FT-IR 已被英國(guó)內(nèi)政部應(yīng)用科學(xué)技術(shù)中心選入指紋顯現(xiàn)操作手冊(cè)[49]. 以最大化檢出指紋形態(tài)特征和化學(xué)信息為目標(biāo),在掌握現(xiàn)有技術(shù)的特點(diǎn)、適用范圍和方法兼容性[50]的基礎(chǔ)上,可將相關(guān)技術(shù)納入現(xiàn)有指紋檢測(cè)流程,探索不同方法的串聯(lián)組合策略. 例如,已采用普通光學(xué)檢驗(yàn)、可見-短波近紅外光譜檢驗(yàn)、粉末/超級(jí)熏顯等處理后的手印,可繼續(xù)采用化學(xué)成像技術(shù)來實(shí)現(xiàn)痕量/微量物質(zhì)的分析,從而進(jìn)一步挖掘有價(jià)值的線索. 取得化學(xué)成像信息后,也即取得了檢測(cè)范圍內(nèi)目標(biāo)物的化學(xué)分布,還可以進(jìn)一步選取感興趣的區(qū)域利用質(zhì)譜等手段進(jìn)行高靈敏度的定性分析[51].

未來化學(xué)成像技術(shù)在指紋痕量檢驗(yàn)領(lǐng)域的應(yīng)用取決于系統(tǒng)研究與應(yīng)用策略,以及先進(jìn)光源成像技術(shù)在精密測(cè)量領(lǐng)域的突破. 對(duì)基于特異性反應(yīng)的化學(xué)成像技術(shù),制備得到高靈敏度、低成本的免疫試劑,結(jié)合手印捺印操作簡(jiǎn)便易行、手印遺留普遍存在的特點(diǎn),有望在快速篩查毒品代謝物、特定藥品代謝物等方面發(fā)揮優(yōu)勢(shì). 直接化學(xué)成像技術(shù)在指紋顯現(xiàn)、重疊指印分離顯現(xiàn)[52]、手印化學(xué)成分分析、組分隨時(shí)間演變規(guī)律[53]等方面已有不少概念性研究,有望作為傳統(tǒng)檢驗(yàn)技術(shù)的補(bǔ)充,用于疑難痕跡的顯現(xiàn)和未知化學(xué)組分信息的挖掘. 從概念論證邁向?qū)嶋H應(yīng)用,還需系統(tǒng)研究各種化學(xué)成像技術(shù)的影響因素、適用范圍,解決技術(shù)瓶頸. 目前基于紅外光譜、拉曼光譜、質(zhì)譜等的成像技術(shù)尚存在成像速度與成像分辨率的瓶頸問題. 指紋紋線的尺度小,手印遺留物質(zhì)的分布不均一,為最大限度地獲取指紋細(xì)節(jié)的圖像信息和遺留物質(zhì)的化學(xué)信息,對(duì)成像分辨率提出了很高的要求. 與此同時(shí),“潛指紋”在客體上的具體位置往往是未知的,實(shí)際應(yīng)用情景中需要快速定位指印位置. 目前商用設(shè)備的檢測(cè)器難以滿足大面積、多次重復(fù)掃描的時(shí)間效率需求,提升掃描速率和增大掃描分辨率難以同步實(shí)現(xiàn). 相關(guān)技術(shù)指標(biāo)的提升將增加化學(xué)成像技術(shù)作為一種無損顯現(xiàn)技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值. 此外,隨著未來高光譜成像系統(tǒng)的光譜分辨率和成像分辨率不斷提高,以及質(zhì)譜成像分辨率的不斷提高,隨之帶來大體量的數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)挖掘方法也值得深入研究[54]. 與此同時(shí),先進(jìn)光源及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,有望從源頭突破現(xiàn)有技術(shù)指標(biāo)瓶頸,拓寬痕量檢測(cè)的適用范圍和檢測(cè)靈敏度. 極紫外光源在質(zhì)譜成像技術(shù)中的應(yīng)用,已經(jīng)可以在納米尺度上實(shí)現(xiàn)痕量元素分析(甚至同位素分析)及成像[55]; 中紅外光梳技術(shù)[56]也進(jìn)入紅外光譜學(xué)的前沿,高功率、低噪聲、波長(zhǎng)可調(diào)諧的特點(diǎn)將進(jìn)一步釋放中紅外光譜的應(yīng)用潛力. 基于先進(jìn)光源成像技術(shù)的痕量檢測(cè)方法有望在物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)和工業(yè)界發(fā)揮重要作用.