李志豪，王蔚昕，石高軍，梁魯寧，光曉俐，齊鳳亮，廉 哲，張 健，鄒積鑫

（公安部物證鑒定中心，北京 100038）

質(zhì)譜成像（mass spectrometry imaging, MSI）技術(shù)是利用成像軟件識(shí)別離子掃描信息的質(zhì)譜領(lǐng)域的一種前沿技術(shù)。該技術(shù)由于不需要待測(cè)物有熒光反應(yīng)、無需衍生化等樣品前處理步驟、可提供精細(xì)的被測(cè)物成分分布信息等諸多優(yōu)勢(shì)，相比于傳統(tǒng)的成像方法更加受人青睞。自范德堡大學(xué)（Vanderbilt University）的Caprioli等[1]在1997年提出基質(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)后，該技術(shù)在蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)、新藥研發(fā)以及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域獲得了長足的發(fā)展[2-3]。目前，有較強(qiáng)穩(wěn)定性的商業(yè)化質(zhì)譜成像技術(shù)包括MALDI-MSI、解吸電噴霧成像技術(shù)（desorption electrospray ionization-MSI, DESI-MSI）、 二 次 離 子質(zhì)譜成像技術(shù)（secondary ion mass spectrometry-MSI,SIMS-MSI）等。然而，在法庭科學(xué)的文件檢驗(yàn)領(lǐng)域，由于待測(cè)樣品面積不算很小但墨跡層極薄，造成實(shí)際樣品量很小，有效成分含量較低，特別是對(duì)于一些高價(jià)值檢材（如票證、合同、書畫等），必須做到在無損或微損的情況下對(duì)成分進(jìn)行準(zhǔn)確分析，而MALDI-MSI成像技術(shù)需要在樣品表面沉淀一層基質(zhì)，再進(jìn)行表面成像。SIMS-MSI則是在高度真空的環(huán)境中，利用高能初級(jí)離子束轟擊樣品表面[2]，解吸出樣品表面的待測(cè)物質(zhì)，將其離子化，產(chǎn)生的次級(jí)離子再進(jìn)入質(zhì)量分析器，進(jìn)而被檢測(cè)分析。因需要在真空環(huán)境下進(jìn)行，不適用于樣品面積較大的檢材。同時(shí)三維金屬基質(zhì)增強(qiáng)二次質(zhì)譜技術(shù)（threedimensional metal-assisted-SIMS, 3D MetA-SIMS）、冷凍飛行時(shí)間二次質(zhì)譜技術(shù)（Cryo time-of-flight-SIMS, Cyro-ToF-SIMS）等新興技術(shù)也需要在表面沉淀基質(zhì)，可能對(duì)樣品造成破壞。2004年解吸電噴霧電離等常壓敞開式離子化質(zhì)譜技術(shù)[4-5]提出后，該技術(shù)由于可在常壓的條件下對(duì)樣品進(jìn)行采樣，原位解吸樣品，不需在真空條件下進(jìn)行，不需在樣品表面沉淀基質(zhì)，對(duì)樣品的損傷較低，因此促進(jìn)了質(zhì)譜技術(shù)的應(yīng)用范圍向快勘快檢、實(shí)時(shí)分析、微損檢測(cè)等領(lǐng)域進(jìn)行拓展。DESI-MSI自提出以來已被廣泛應(yīng)用于環(huán)境檢測(cè)、食品檢測(cè)、刑事技術(shù)等領(lǐng)域，本文對(duì)這種敞開式離子化質(zhì)譜技術(shù)在文件檢驗(yàn)中的應(yīng)用進(jìn)行梳理，并對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行展望。

1 DESI-MSI技術(shù)原理及處理方法

DESI-MSI技術(shù)研發(fā)基礎(chǔ)是ESI技術(shù)，由普渡大學(xué)（Purdue University）的Cooks等提出，相關(guān)技術(shù)發(fā)表在2004年的Science上[4]，并于2006年進(jìn)行成像應(yīng)用[6]。DESI的工作原理如圖1所示：在常壓敞開的環(huán)境下，溶劑（一般為甲醇等常用溶劑）通過霧化毛細(xì)管，噴射到樣品表面，同時(shí)進(jìn)行解吸和電離，解吸后攜帶樣品離子的液滴通過離子傳輸管進(jìn)入質(zhì)譜進(jìn)樣口進(jìn)行檢測(cè)[7]。

DESI-MSI相比于其他的質(zhì)譜成像技術(shù)具有如下優(yōu)勢(shì)：

1）無需真空，在敞開環(huán)境下即可進(jìn)行操作，樣品前處理較為簡(jiǎn)單[8]。

2）屬于軟電離的電離方式，其解吸離子為分子離子，分析干擾程度低，后續(xù)還可使用二級(jí)質(zhì)譜[9]。

3）無需使用基質(zhì)覆蓋，可在對(duì)樣品表面破壞性較小的情況下實(shí)現(xiàn)成分定性定量分析[10]。

4）電離源適用于極性化合物的電離，包括文件物證中常用的油墨、印油等，應(yīng)用范圍較廣[11]。

5）后續(xù)質(zhì)譜儀的可拓展性強(qiáng)，可使用包括離子阱質(zhì)譜儀和高分辨飛行時(shí)間質(zhì)譜儀在內(nèi)的各種儀器對(duì)離子展開分析[12]。

對(duì)于文件材料樣品，使用DESI-MSI分析主要分為3個(gè)步驟：

1）樣品前處理。保持文件載體（通常為紙張）表面平整，不存在卷曲、翹起和褶皺現(xiàn)象，以保證噴頭正常工作，不會(huì)被阻擋。對(duì)于沒有條件的文件，可以仿照生物檢材采用壓印的方式間接成像。如果文件表面塑封或覆膜，則需要去除文件表面覆蓋的物質(zhì)，使紙張及墨跡直接暴露在空氣中才可分析。

2）檢測(cè)。檢測(cè)所用的溶劑攜帶高電壓隨噴射氣體從噴霧口噴出，吹掃到待測(cè)樣品表面，解吸后的表面分子形成液滴被吸進(jìn)離子傳輸管[13]。

3）數(shù)據(jù)處理。樣品中每個(gè)特征離子均可形成在樣品中的豐度分布圖，可使用成像軟件進(jìn)行分析比對(duì)[8-9]?？赏瑫r(shí)取多點(diǎn)用于化學(xué)計(jì)量學(xué)分析，包括主成分分析（principal component analysis, PCA）和偏最小二乘判別分析（partial least squares-discriminant analysis, PLS-DA）等。

由于每次進(jìn)樣都需要在表面使用液滴進(jìn)行解吸與電離，其檢測(cè)結(jié)果受到噴霧口與樣品距離、離子傳輸管與樣品距離、噴霧流速及液滴大小等因素的影響，確認(rèn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度是該技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的前提。Gurdak等[14]對(duì)不同實(shí)驗(yàn)室間DESI-MSI儀器實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度展開研究，使用完全相同的分析方法和樣品，對(duì)20個(gè)實(shí)驗(yàn)室中購買或自制的DESIMSI儀器的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析。如圖2所示，對(duì)雙面膠帶及上面的羅丹明B染料進(jìn)行重復(fù)測(cè)定并進(jìn)行分析。使用相同的測(cè)定方法，共55個(gè)測(cè)樣點(diǎn)，其中1a，22a，44a為空白點(diǎn)，按箭頭指示順序測(cè)樣，使用不同取樣點(diǎn)羅丹明B特征離子的信號(hào)強(qiáng)度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差表示準(zhǔn)確度。分析溶劑組成、污染程度等影響DESI過程的因素，并針對(duì)不同溶劑組成對(duì)特征離子信號(hào)強(qiáng)度的影響進(jìn)行研究。發(fā)現(xiàn)其相對(duì)強(qiáng)度的RSD值低于9%，通過對(duì)電噴霧溶劑的控制，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差值可以控制在5%以下。

2 文件/墨跡檢驗(yàn)

DESI-MSI因常壓處理、對(duì)樣品微損、可形成比對(duì)圖像等優(yōu)勢(shì)已在文件/墨跡檢驗(yàn)領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用。該技術(shù)可對(duì)字跡墨跡進(jìn)行微損檢驗(yàn)，從文件表面獲取大量成分信息和空間分布信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高效區(qū)分。

Ifa等[15]報(bào)道了利用DESI-MSI檢驗(yàn)藍(lán)色圓珠筆書寫文件字跡添改的可行性研究，對(duì)文件的圓珠筆字跡的成分進(jìn)行了無需預(yù)處理的質(zhì)譜成像分析，其X軸分辨率可達(dá)200 nm以下。將不同顏色的墨水書寫的2D圖案使用DESI-MSI成像后，發(fā)現(xiàn)在不同的質(zhì)荷比下，不同墨水存在差異性，表明使用DESI-MSI進(jìn)行表面成像研究的可行性。

Eberlin等[16]進(jìn)一步將DESI源聯(lián)接到一個(gè)可移動(dòng)平臺(tái)上，對(duì)于DESI-MSI檢驗(yàn)藍(lán)色圓珠筆字跡的重復(fù)性展開研究，使用甲醇水溶液作為噴霧溶劑，對(duì)同一字跡進(jìn)行多次掃描分析，得到的結(jié)果差異性小，表明該技術(shù)可以很好地適用于法庭科學(xué)中文件物證的分析。同時(shí)，通過分析質(zhì)譜成像中不同特征離子下的成像圖片，可區(qū)分不同油墨成分的圓珠筆，基于添改筆畫與原筆畫之間成分的差異，可以很好地將添改后的字跡識(shí)別出來。

吳比躍等[17]對(duì)10支黑色簽字筆書寫的“11”被添改成“47”的90個(gè)樣品使用DESI-MSI進(jìn)行分析，使用甲醇作為噴霧溶劑，XY分辨率均為100 μm。發(fā)現(xiàn)該技術(shù)能將約93.3%的樣品中的添改前后字跡分辨出來，特別是對(duì)于無熒光反應(yīng)、含碳量相似，使用文檢儀無法鑒別的黑色中性筆筆跡樣品，DESIMSI仍然能很好地區(qū)分。作者還對(duì)同一區(qū)域進(jìn)行二次檢驗(yàn)以驗(yàn)證特征離子信號(hào)強(qiáng)度的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)并無明顯衰減。

在對(duì)書寫/印刷墨跡成分進(jìn)行分析的過程中，可對(duì)筆跡油墨成分進(jìn)行微損檢驗(yàn)。從文件表面直接獲取墨跡成分的分子信息及其豐度分布，進(jìn)而檢驗(yàn)可疑文件真?zhèn)?。然而需要注意的是，由于DESI-MSI在樣品表面進(jìn)行的是一種微溶解的過程，受噴霧量及噴霧速度的影響，樣品表面的墨跡可能會(huì)存在暈染的現(xiàn)象，從而破壞樣品的完整性。

3 文物檢驗(yàn)

Heaton等[18]將DESI-MSI應(yīng)用到文物鑒定領(lǐng)域，可在不破壞文物的情況下直接分析與文物表面結(jié)合的蛋白質(zhì)。將DESI源連接到離子肼質(zhì)譜儀上后，對(duì)自制的文物樣品進(jìn)行分析。使用體積比為1∶1的異丙醇水溶液作為噴霧溶劑，對(duì)自制的文物上的酪蛋白、肌紅蛋白及乳球蛋白進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在玻璃、陶瓷、紙板等各類常見的文物材質(zhì)表面，DESI-MSI都可以在無損的情況下很好地識(shí)別出蛋白質(zhì)及其分解產(chǎn)物，并將其進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

Watts等[19]使用DESI-MSI對(duì)油畫橫截面進(jìn)行分析。其主要目的是根據(jù)對(duì)橫截面中顏料及連接料的分析，識(shí)別區(qū)分各個(gè)年代常用的顏料及連接料。使用DESI源的三重四級(jí)桿質(zhì)譜儀在正模式下對(duì)一幅17世紀(jì)巴洛克時(shí)代油畫的橫截面進(jìn)行掃描分析，發(fā)現(xiàn)可根據(jù)某一特定特征離子下的質(zhì)譜成像結(jié)果分析不同類型的顏料及連接料成分，如硬脂酸，壬二酸等。表明DESI-MSI可同時(shí)對(duì)繪畫橫截面中的多種顏料及連接料成分進(jìn)行定性分析。

Zhou等[20]使用DESI-MSI對(duì)新疆克孜爾石窟中的壁畫成分進(jìn)行分析。使用DESI源對(duì)脫落樣品的橫截面進(jìn)行分析，可以有效分辨出二元羧酸、氧化鉛、紫膠樹脂等顏料中的常用成分及其在壁畫中的分布區(qū)域。表明使用DESI源對(duì)于非水溶性油墨進(jìn)行分析，可以清晰分辨出各種涂層的前后順序、顏料成分及其降解產(chǎn)物的分布。通過分析隨時(shí)間變化的油墨降解產(chǎn)物，還可對(duì)壁畫的形成時(shí)間進(jìn)行初步判斷。

油畫、壁畫等文物所使用的顏料及油墨在文件印刷中也有使用，因此針對(duì)文物所使用的檢驗(yàn)技術(shù)方法也可以應(yīng)用至文件檢驗(yàn)領(lǐng)域。在文物鑒定技術(shù)普遍要求無破壞、準(zhǔn)確率高的情況下，DESI-MSI的應(yīng)用已越來越廣泛。同時(shí)，對(duì)油墨降解產(chǎn)物的時(shí)間性分析及時(shí)代特征判斷方法也可為文件物質(zhì)材料的斷代提供參考。

4 總結(jié)與展望

在文件/文物檢驗(yàn)領(lǐng)域，質(zhì)譜成像技術(shù)是一種新興的方法，目前相關(guān)文獻(xiàn)并不是很多，然而已有的各類文獻(xiàn)已表明，DESI源等各類常壓敞開式質(zhì)譜離子源的出現(xiàn)使得文件樣品的微損質(zhì)譜成分分析成為了可能[21-24]，由于DESI-MSI具有原位、微損等優(yōu)勢(shì)，是文件檢驗(yàn)領(lǐng)域中一種值得重視的分析技術(shù)。未來仍需要進(jìn)一步研究的有以下幾個(gè)方向：

1）更好地融合化學(xué)計(jì)量學(xué)手段對(duì)樣品進(jìn)行分析。質(zhì)譜成像技術(shù)源于對(duì)樣品上每一個(gè)微區(qū)的質(zhì)譜成分分析，每個(gè)微區(qū)可同時(shí)提取1 000種以上的質(zhì)荷比圖像，本身就蘊(yùn)藏著海量數(shù)據(jù)，可采用PCA、PLSDA等化學(xué)計(jì)量學(xué)手段對(duì)樣品的質(zhì)譜大數(shù)據(jù)進(jìn)行模塊化分組并分析，找出差異并進(jìn)行結(jié)果顯示。相關(guān)研究成果應(yīng)可以很好地應(yīng)用至種類區(qū)分、來源追蹤等領(lǐng)域。

2）優(yōu)化出樣品損傷更小、采樣口溫度更低的離子源及進(jìn)樣方式。DESI源解吸和電離一體，對(duì)于可溶性強(qiáng)的油墨，如果噴霧液滴流量設(shè)置過大，容易在油墨上產(chǎn)生暈染現(xiàn)象，對(duì)文件樣品產(chǎn)生破壞，同時(shí)質(zhì)譜采樣口溫度為150℃以上，如果采樣口離樣品過近也會(huì)對(duì)檢驗(yàn)方法的微損性造成破壞。每一類檢材的檢測(cè)方法都需單獨(dú)優(yōu)化，才能發(fā)揮出DESI-MSI方法的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

3）拓展應(yīng)用范圍。目前國內(nèi)及國外文獻(xiàn)對(duì)于文件材料的檢驗(yàn)仍停留在添改字跡檢測(cè)、油墨成分分析等較為初級(jí)的階段。在朱墨時(shí)序、文件斷代及書寫時(shí)間檢測(cè)等疑難問題上，如何應(yīng)用此種新興技術(shù)取得突破仍需進(jìn)一步研究。

質(zhì)譜成像技術(shù)本身就屬于質(zhì)譜檢測(cè)領(lǐng)域的新技術(shù)，而常壓敞開式離子源聯(lián)接質(zhì)譜成像技術(shù)也是質(zhì)譜成像領(lǐng)域的新興技術(shù)。DESI-MSI因微損、可重復(fù)、取樣量小、成像分辨率高等優(yōu)點(diǎn)已表現(xiàn)出在文件檢驗(yàn)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，期待這種技術(shù)未來可以在法庭科學(xué)文件物質(zhì)材料檢驗(yàn)領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。