孫令輝，趙雅彬

(中國人民公安大學偵查學院，北京 100038)

0 引言

二次離子質(zhì)譜(Secondary Ion Mass Spectrometry，SIMS)，是一種檢測帶電粒子的質(zhì)譜檢測方法[1]。其工作原理為離子源發(fā)射聚焦的一次離子束轟擊樣品表面，受到高能離子撞擊所產(chǎn)生的能量傳遞，樣品表面原子發(fā)生“級聯(lián)碰撞”，部分原子因碰撞返回到樣品表面，從而濺射出多種表層粒子(包括中性粒子、帶電粒子)，其中的帶電粒子又被稱作二次離子(見圖1)。二次離子進入質(zhì)量分析器后按質(zhì)荷比(m/z)的不同被分離檢測，從而得到樣品表面的質(zhì)譜信息。此外，通過計算機記錄下每個像素點上不同離子的強度、空間位置坐標，可以實現(xiàn)化學成像。SIMS的起源可以追溯至1910年Thomson[2]實驗過程中發(fā)現(xiàn)二次離子現(xiàn)象，距今已有100多年歷史。

圖1 二次離子質(zhì)譜原理示意圖[1]

飛行時間二次離子質(zhì)譜(Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry，TOF-SIMS)采用飛行時間質(zhì)量分析器(Time of Flight Analyzer)，根據(jù)不同m/z飛行時間的差異實現(xiàn)質(zhì)譜分離。自上世紀70年代第一臺商用TOF-SIMS面世以來，TOF-SIMS逐漸被廣泛應(yīng)用于法庭科學、生物醫(yī)藥、環(huán)境材料等領(lǐng)域。目前TOF-SIMS檢測靈敏度最高可達PPB級，分辨率達亞微米級，能夠?qū)Ω黝悷o機、有機樣品近無損地化學成像與質(zhì)譜解析，此外還可以通過濺射實現(xiàn)3D深度剖析。

基于TOF-SIMS分析成像的優(yōu)勢，研究者們將其應(yīng)用到了更為靈敏和微觀的物質(zhì)分析發(fā)現(xiàn)工作中，尤其近些年，將TOF-SIMS應(yīng)用于刑事偵查、物證溯源方面的研究越來越多。在Web of Science核心數(shù)據(jù)庫中檢索 “TOF-SIMS”、“Forensic Science”，對所選文獻的關(guān)鍵詞進行統(tǒng)計分析，并通過VOSviewer軟件繪制聚類圖譜(見圖2)。可以看出，TOF-SIMS在法庭科學的應(yīng)用主要集中于指紋、文件檢驗、槍彈殘留物檢驗、毒物毒品等領(lǐng)域。在對上述物證分析成像的過程中，還結(jié)合了紅外光譜、掃描電鏡等其他測試手段以期達到精確鑒定的目的。

1 TOF-SIMS對指紋的化學成像研究

指紋曾被譽為“證據(jù)之首”，在形態(tài)學層面具有“人各不同，終身基本不變”的特性。但除了形態(tài)學價值，指紋中還蘊含著豐富的物質(zhì)信息[3]，既有無機鹽、氨基酸、脂肪酸等內(nèi)源性成分，也有外源性物質(zhì)。傳統(tǒng)指紋檢驗技術(shù)難以處理疑難指紋，缺乏對指紋物質(zhì)信息的深入挖掘，TOF-SIMS作為一種高分辨、近無損、高通量的分析手段，可以在展現(xiàn)指紋物質(zhì)空間分布的同時提供化學質(zhì)譜信息，給指紋以更廣闊的應(yīng)用價值。

1.1 對指紋物質(zhì)的成像分析

確定犯罪現(xiàn)場遺留指紋含有的特定物質(zhì)對于推斷嫌疑人個體特征、判斷案前活動具有重要意義。2007年，Szynkowska課題組[4]首次使用TOF-SIMS對銅片、載玻片上自然遺留的潛在指紋進行化學成像(見圖3a)，Na+、K+等內(nèi)源離子呈現(xiàn)出指紋形態(tài)，實現(xiàn)了對指紋形態(tài)學與化學信息的同步分析。除此之外，他們還在遺留的指紋中檢出了槍彈殘留物(GSR)、砒霜(As2O3)、Ni(NO3)2·6H2O三類物質(zhì)的特征離子?；谙惹暗难芯?，2009年，該團隊[5]又利用TOF-SIMS在玻璃上檢出指紋所沾染的苯丙胺、四甲基苯丙胺、搖頭丸3種毒品的成分。

憑借TOF-SIMS出色的空間分辨能力、較高的靈敏度，2010年Hinder等人[6]將分析對象從無機客體推向有機客體上的指紋，利用檢出的特征離子對購物袋、報紙等有機表面上的沾染有潤滑劑、護膚品、氟化無機粉末的指紋進行成像，清晰地呈現(xiàn)出指紋的終點、分歧、小點、小棒等二級特征(見圖3b)，結(jié)果表明有機客體的類型對指紋成像質(zhì)量有一定的影響，該實驗還分離了有機客體上的重疊指紋。除了檢測常規(guī)的有機樣本，2020年趙雅彬課題組[7]嘗試挑戰(zhàn)疑難有機客體——長期流通過的人民幣，通過TOF-SIMS成功獲取到客體上指紋的三級形態(tài)特征，并且檢出指紋中的保濕乳成分丙三醇(見圖3c)，這為判斷遺留者的行為特征提供了可行的分析方法。綜上，從無機客體推廣至有機客體乃至疑難客體，從呈現(xiàn)指紋大概形貌到顯出三級特征，TOF-SIMS對于指紋物質(zhì)的成像檢測愈發(fā)成熟，但目前的研究大多集中于對指紋外源性沾染物以及內(nèi)源性無機離子(Na+、K+)的分析，鮮有研究報導SIMS對指紋大分子有機物、代謝物的檢測。

1.2 與傳統(tǒng)指紋顯現(xiàn)方法聯(lián)用

受限于指紋遺留客體、遺留時間等因素影響，當處理遺留條件較差的指紋時，傳統(tǒng)指紋顯現(xiàn)方法往往難以滿足指紋鑒定的需求。相較于紅外光譜法(FTIR)[8]以及基質(zhì)輔助激光解吸電離質(zhì)譜(MALDI MS)[9]對于指紋的增強處理，SIMS具有更高的空間分辨率，增強顯現(xiàn)更清晰。2013年，Bailey團隊[10]報道了應(yīng)用TOF-SIMS對鋁箔、手榴彈上顯現(xiàn)過指紋的增強處理方法，通過對待測客體上502處理過的指紋進行成像增強，呈現(xiàn)出指紋的汗孔特征。此外，本實驗還比較了惡劣條件下SIMS與傳統(tǒng)方法的靈敏度，用水浸、掩埋等方式處理捺有指紋的玻璃樣本，經(jīng)分析對比TOF-SIMS的指紋成像質(zhì)量均高于傳統(tǒng)指紋顯現(xiàn)方法。所以當處理顯現(xiàn)效果不佳或遺留條件較差的指紋時，TOF-SIMS無疑是一個很好的選擇。

圖3 TOF-SIMS對指紋物質(zhì)的成像：(a)TOF-SIMS采集的銅片表面指紋圖像[4]；(b)有機客體上指紋的TOF-SIMS成像[6]；(c)TOF-SIMS對流通過人民幣上指紋的化學成像[7]

1.3 推斷指紋遺留時間

判定指紋遺留時間一直是指紋研究領(lǐng)域的難點，指紋物質(zhì)成分復雜且隨時間變化受干擾的因素繁多。TOF-SIMS憑借高空間分辨以及多組分同時成像的能力，為探究指紋遺留時間提供了新的可能。區(qū)別于其他研究團隊從光學特性[11-14]、電效應(yīng)[15]、物質(zhì)含量變化[16-19]等角度入手，Muramoto等人[20]通過測定指紋物質(zhì)擴散推斷遺留時間(見圖4)。利用TOF-SIMS對指紋中的棕櫚酸成像分析，結(jié)果表明，硅片上相對新鮮指紋可以通過棕櫚酸的擴散建立損失函數(shù)模型預測遺留時間。后續(xù)研究應(yīng)著重于擴大樣本量，增加遺留客體種類，拉長樣本遺留時間。為保證實驗的科學性還應(yīng)設(shè)立空白樣本對照，結(jié)合多組分的擴散作出綜合推斷。

圖4 (a)TOF-SIMS對不同遺留時間指紋中棕櫚酸的化學成像；(b)棕櫚酸擴散與指紋遺留時間的函數(shù)模型[20]

1.4 提升TOF-SIMS檢測指紋物質(zhì)能力

圖5 氧化石墨烯輔助TOF-SIMS成像檢測指紋中大分子物質(zhì)[22]

TOF-SIMS定量能力較弱、碎片化嚴重，固有缺陷限制了TOF-SIMS分析指紋物質(zhì)的能力，尤其是定量分析和大分子有機物檢測。Muramoto課題組、張新榮團隊分別從實驗分析創(chuàng)新、基底輔助增強兩方面提出解決方案。2015年，Muramoto等人[21]利用TOF-SIMS對指紋表面的可卡因、甲基苯丙胺和海洛因進行空間成像定量，通過檢測三類物質(zhì)既定含量的噴墨打印陣列，構(gòu)建了信號強度與藥物沉積量的標準曲線，實現(xiàn)了指紋中毒品空間分布的定量可視化。本次研究驗證了TOF-SIMS對于毒品的定量檢測能力優(yōu)于解吸電噴霧電離質(zhì)譜(Desorption Electrospray Ionization Mass Spectrometry，DESI-MS)，不同的基底、物質(zhì)對于SIMS的定量化分析也有較大的影響。張新榮團隊[22]則利用氧化石墨烯基質(zhì)輔助增強TOF-SIMS，提升指紋大分子物質(zhì)的檢測能力(見圖5)。劇毒物生物堿(m/z>600)和抗生素藥物(m/z>700)的二次離子信號檢出率顯著提高，對其空間分布進行成像，得到指紋單根紋線上清晰的汗孔特征[23]。

2 TOF-SIMS在文件檢驗領(lǐng)域的應(yīng)用

TOF-SIMS具備亞微米級的空間分辨率、原位近無損的成像能力，可應(yīng)用于文件檢驗的諸多分析中。與文檢常規(guī)方法相比，TOF-SIMS分析檢材客觀性強、不受背景干擾、檢測靈敏度高，能從物質(zhì)成分層面辨析油墨成分，這一表面分析技術(shù)為解決鑒定朱墨時序、書寫工具、纂改文件等重難點問題開辟了新路徑。

2.1 鑒別油墨成分和書寫工具

TOF-SIMS可以在不破壞樣本油墨的同時，獲取樣本組分信息，達到鑒別不同書寫工具的目的。2008年，Denman團隊[24]利用TOF-SIMS、電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)分析了不同品牌的鉛筆字跡，結(jié)合主成分分析法(PCA)在無機元素層面成功將不同鉛筆區(qū)分開來，結(jié)果初步表明同一品牌不同批次的鉛筆字跡也存在成分差異。該研究團隊[25]還于2010年發(fā)表研究成果，通過TOF-SIMS檢測結(jié)合多元統(tǒng)計分析對不同藍色圓珠筆進行區(qū)分，鑒別率達91%。2009年，Coumbaros等人[26]將TOF-SIMS應(yīng)用于圓珠筆鑒別的同時，提出薄層色譜(TLC)聯(lián)用TOF-SIMS分析油墨的方法，通過TOF-SIMS原位檢測分離后的TLC板，可以鑒別油墨單一成分。

2.2 判斷指紋捺印與油墨的先后順序

圖6 根據(jù)油墨的特征離子m/z 358.2，利用TOF-SIMS對重疊指紋和油墨進行線掃描得到的離子強度圖[27]

2.3 確定朱墨時序及篡改文件

TOF-SIMS同樣適用于判斷朱墨時序問題。2014年，Lee團隊[30]通過SIMS成像確定了圓珠筆書寫、激光打印、紅色油墨三者的順序(見圖7a)，通過對比表明TOF-SIMS對于朱墨時序的鑒別能力強于紅外光譜法。因TOF-SIMS成像是基于不同特征離子，所以可排除顏色的視覺干擾，Lee課題組[31]利用TOF-SIMS鑒別了不同打印以及書寫工具所形成的紅色油墨，通過SIMS深度剖析模式判斷了同為紅色油墨的朱墨時序。此外，根據(jù)不同筆墨物質(zhì)成分差異，對特征離子分別成像，確定了不同紅筆篡改的字跡(見圖7b)。然而，TOF-SIMS對于朱墨時序的鑒定也存在諸多挑戰(zhàn)，2016年Goacher等人[32]研究發(fā)現(xiàn)有別于鑒別藍色墨跡,SIMS判別黑色圓珠筆墨跡的疊加順序大大受限，無論是更換不同的一次離子還是結(jié)合PCA、MCR等分析手段，仍無法準確鑒定朱墨時序。此外，通過TOF-SIMS還初步觀察到遺留時間所導致墨跡的離子強度變化，這為判斷書寫時間做出了初步的探索。

圖7 (a)TOF-SIMS對中性筆、氈尖筆、圓珠筆三者兩兩交叉的化學成像[30]；(b)紅色筆篡改字跡的TOF-SIMS成像分析[31]

3 TOF-SIMS對微量物證的分析鑒別

微量物證量小體微，諸如槍彈殘留物、毛發(fā)、纖維、涂料等，常規(guī)的檢測手段很難達到鑒定要求。此類物證往往是分離、不完整的，需要充分檢測部分以反映整體信息。TOF-SIMS具備這一能力，可以對微量檢材近無損檢測，靈敏度極高，因而十分適用于微量物證分析。

3.1 槍彈殘留物檢驗

檢測槍彈殘留物(gunshot residue，GSR)是TOF-SIMS研究熱點之一。2001年Coumbaros等人[33]首次對0～22 in口徑左輪手槍擊發(fā)后的GSR進行分析，檢出了Pb2+、Cu2+、Na+、K+等特征離子，并對其進行化學成像。將分析結(jié)果與掃描電鏡能譜(SEM-EDX)進行比對，發(fā)現(xiàn)TOF-SIMS的靈敏度更高、檢測范圍更大，通過深度剖析，SIMS能提供GSR粒子深層的組分信息。因此在GSR關(guān)鍵元素(Pb、Ba、Sb等)含量較低的情況下，TOF-SIMS可以作為SEM-EDX檢測GSR的有力補充。Szynkowska課題組[34]于2012年利用TOF-SIMS在膠帶轉(zhuǎn)印后的指紋中檢出了GSR的特征離子，驗證了檢驗GSR實際操作的可行性。2016年Coumbaros團隊[35]在GSR中檢出玻璃和火藥的熔融顆粒，經(jīng)TOF-SIMS結(jié)合SEM-EDX分析，在0～22 in口徑彈藥的GSR中普遍檢出不同亞型的玻璃成分，該研究為GSR分析檢驗增加了新的維度?；贑oumbaros的工作，針對澳大利亞小口徑彈藥缺乏GSR常見特征元素、鑒別難度大的問題，Seyfang團隊[36]致力于獲取彈藥中的玻璃成分(glass-containing GSR，gGSR)信息，通過聚焦離子束剝蝕(FIB)結(jié)合TOF-SIMS分析成功檢出gGSR，并區(qū)分了Winchester、PMC Zapper兩種彈藥的組分差異。

3.2 毛發(fā)檢驗

3.3 其他微量物證

分析鑒別炸藥成分有助于確定爆炸物的來源、制造過程、地理位置以及生產(chǎn)批號等信息?；赥OF-SIMS高通量、多組分、高靈敏度的分析優(yōu)勢，2006年Mahoney等人[46]利用TOF-SIMS從3種不同的無煙火藥和6種不同的黑色火藥樣品中獲取特征質(zhì)譜，在PCA分析的幫助下成功區(qū)分不同的樣品。2010年，Mahoney[47]還使用TOF-SIMS區(qū)分了3種型號的C4 炸藥樣品，通過化學成像表征了樣品中添加劑的空間分布(見圖8b)。

交通事故、肇事逃逸等涉車案件通常會提取到油漆碎片，油漆可以排查車輛型號。Muramoto團隊[48]于2018年利用TOF-SIMS對汽車油漆橫截面分析，各涂層的化學成分可以通過PCA予以區(qū)分，此研究體現(xiàn)了SIMS檢測汽車油漆的優(yōu)勢，可以直觀展現(xiàn)出油漆各涂層的組分信息(見圖8c)。此外，SIMS技術(shù)也用于檢測血液等其他微量物證，2015年P(guān)ai-Shan Chen團隊[49]利用TOF-SIMS結(jié)合PCA分析直接檢測全血中的氯胺酮(見圖8d)，該研究提供了一種高效、準確、高通量的血液藥物篩查方法。

圖8 (a)TOF-SIMS對尼龍截面酸性藍25染料的化學成像[45]；(b)正離子模式下C4炸藥的TOF-SIMS表征[47]；(c)利用TOF-SIMS獲取的汽車油漆橫截面離子圖[48]；(d)基于SIMS檢測，利用PCA區(qū)分血液中是否含有氯胺酮[49]

4 結(jié)論與展望

飛行時間二次離子質(zhì)譜逐漸成為指紋、文檢、微量物證等法庭科學領(lǐng)域的前沿熱點分析技術(shù)，TOF-SIMS實現(xiàn)了對樣品組分的信息檢測以及空間分布可視化，具備高靈敏、免標記、高通量、無需前處理、近無損原位分析的優(yōu)勢，在物證分析溯源研究中被廣泛應(yīng)用。但是受限于二次離子碎片化嚴重、大分子物質(zhì)產(chǎn)率低的缺陷，TOF-SIMS譜圖解析存在一定難度。此外SIMS對真空度要求很高且腔體空間有限，體積較大或蓬松多孔的客體直接進樣困難，距實戰(zhàn)應(yīng)用還存在一定距離。

從規(guī)避儀器局限性出發(fā)，可以通過基質(zhì)輔助增強TOF-SIMS檢測物證的能力，提升大分子物質(zhì)的檢出率。其次，結(jié)合多元統(tǒng)計方法、深度學習算法充分挖掘TOF-SIMS譜圖蘊含的豐富信息，嘗試基于碎片離子信號進行個體同一認定判斷。利用膜轉(zhuǎn)移技術(shù)對客體上的待測部位進行物質(zhì)轉(zhuǎn)移，對轉(zhuǎn)移膜進行化學成像，這也是TOF-SIMS測定無法直接進樣或難以抽真空客體的一大趨勢。此外，TOF-SIMS儀器下一步的發(fā)展方向還應(yīng)著力于改善硬件以提高空間分辨率與大分子二次離子的產(chǎn)率。

從研究角度入手，未來TOF-SIMS在法庭科學領(lǐng)域的研究趨勢：一是與現(xiàn)有的檢驗方法聯(lián)用。探討TOF-SIMS對于傳統(tǒng)檢驗方法的影響，以及SIMS對現(xiàn)有方法的后續(xù)增強效果，完善標準檢驗流程。二是與其他儀器聯(lián)用，優(yōu)勢互補。諸如聯(lián)用掃描電鏡、氣質(zhì)液質(zhì)等，TOF-SIMS是近無損檢測，完全可以后續(xù)聯(lián)用其他分析儀器，充分發(fā)揮儀器特性，提升證據(jù)價值。三是建立標準離子譜庫。SIMS譜圖碎片化嚴重，特別是對于大分子有機物難以確認，建立常見物證標品的TOF-SIMS離子庫對于譜圖解析尤為重要?？傊?，TOF-SIMS作為一種分辨率極高的表面分析技術(shù)，十分適用于對常見物證的化學成像分析，未來在法庭科學領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。