徐靜陽 方少波 周婧

1) (浙江省毒品防控技術研究重點實驗室,杭州 310053)

2) (中國科學院物理研究所,北京 100190)

3) (麻省理工學院化學工程系,劍橋 02139)

4) (浙江大學材料科學與工程系,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,依賴于先進光源的化學成像技術迅速發(fā)展,極大提高了痕量檢測的準確性,在公共安全、環(huán)境、食品、醫(yī)藥、考古等領域具有重要的實用價值. 在痕量檢測中,通過將成像技術與光譜測量技術、質(zhì)譜技術等相結合,能夠同時獲取檢驗對象的物質(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,還可以在提高檢驗靈敏度的情況下,減少甚至避免傳統(tǒng)檢測手段所需要的特殊顯現(xiàn)劑,因此與其他檢驗方法具有良好的兼容性. 本文以指紋檢驗這一典型的痕量檢測問題為例,闡述基于光譜和質(zhì)譜成像技術的化學成像方法在痕量檢測領域中的應用,從定向針對特定組分的化學成像和非定向的直接化學成像兩個方面,綜述了在指紋顯現(xiàn)或顯現(xiàn)增強中獲得應用的主要成像手段,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

先進光源成像技術的不斷研發(fā),特別是其在光譜成像、質(zhì)譜成像等化學成像領域的應用與發(fā)展,使得痕量檢測更為精準可靠. 在涉及痕量檢測的領域,如食品藥品質(zhì)量檢驗、文物檢驗、物證檢驗、公共安全、環(huán)境監(jiān)測等,研究者常常同時關心檢驗對象的分布規(guī)律與成分組成兩個層面的信息. 通過將成像技術和光譜測量技術、質(zhì)譜技術等相結合,同步獲取目標檢驗對象的二維圖像和物質(zhì)組成信息,可實現(xiàn)不同材料表面的痕量物質(zhì)成分及分布的檢測,提高檢驗靈敏度,拓展方法的適用范圍. 并且,相比基于化學分析的檢驗方法,利用光譜、質(zhì)譜成像技術可減少甚至避免傳統(tǒng)檢測手段中特殊顯現(xiàn)劑的使用,對其他檢驗方法也具有良好的兼容性.本文以指紋檢驗這一典型的痕量檢測問題為例,闡述相關成像技術在痕量檢測方面的應用.

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值. 并且,由于物證保全等的需要,原位檢測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),也因個體代謝特點和接觸外源物質(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]. 以粉末刷顯和超級膠熏顯為代表的常規(guī)化學方法主要基于非選擇性的吸附顯色,或針對有限的手印遺留物質(zhì)組分的顯色反應,獲得指紋形態(tài)學特征. 盡管對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組分信息為代價. 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品、違禁品的檢驗項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)反應難以解決異源重疊指紋等較為復雜的檢驗問題[4]. 先進光源成像技術的相關研究為發(fā)展指紋識別技術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方法.依據(jù)技術基礎和應用需求,目前主要有兩種研究思路: 一是根據(jù)手印物質(zhì)的化學成分構建可與之發(fā)生特異性結合的顯現(xiàn)劑,并摻加標記物,獲得基于特異性結合/反應的指紋成分及圖像; 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特定組分的化學成像和非定向的直接化學成像兩個方面進行討論,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成像手段在指紋檢驗領域的應用(圖1).

圖1 基于不同化學成像技術的指紋檢驗應用示例圖Fig. 1. Application of various chemical imaging methods for fingerprint visualization and trace analysis.

2 基于特異性反應的化學成像

免疫反應被應用于指紋顯現(xiàn)和增強,定向檢測特定的內(nèi)源或外源性手印組分,并獲得基于特定化學組分的指紋圖像. 構建帶有抗體功能基團的磁性顆粒、帶有熒光標記的核酸適配體、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)生特異性結合的功能基團,并摻加發(fā)色基團作為標記. 可在一定條件(通常為光源照射激發(fā))下得到光譜響應,獲得基于特異性結合/反應的指紋圖像[7?9]. 例如,Leggett 等[9]通過構造金納米顆粒-抗體復合物,顯現(xiàn)潛指紋并識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)作為目標抗原,構建多種帶熒光標記物的抗體,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).

針對單一手印組分的免疫反應識別靈敏度高,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)同時針對多種組分的免疫測定方法. 例如,Lam 等[11]研發(fā)了同時針對多種內(nèi)源性手印組分的免疫反應試劑. Xu 等[12]建立了一種電化學發(fā)光免疫測定方法,可檢出表皮生長因子、溶菌酶、抗菌肽,并得到基于這些組分的指紋圖像. 該方法利用電化學反應發(fā)光效應,不需借助光源激發(fā),避免了背景基質(zhì)干擾. Zhang 等[13]通過構建3 種帶有特殊報告基團的納米金顆粒,分別與三種目標物(lysozyme,human IgG,cotinine)發(fā)生特異性結合,報告基團在特定波長激光的激發(fā)下獲得拉曼光譜響應,獲得指紋圖像,目標手印組分濃度低至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節(jié)特征.

研究者也探討了基于特異性反應的化學成像在指紋顯現(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,超級膠熏顯,超級膠熏顯和基礎黃染色順序處理的手印可進一步用免疫法顯現(xiàn).

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

3 直接化學成像

另一值得關注的趨勢是直接利用光譜成像技術與質(zhì)譜成像技術獲取基于分子組成分布的圖像信息. 光譜成像技術(本文主要指“高光譜成像技術”,hyperspectral imaging)通過將成像技術和光譜測量技術相結合,運用光譜掃描手段獲取目標對象在不同波長照射下的光學特征,也即獲取目標對象對應點不同光學參量值構成的信息分布圖像. 檢測結果不僅包括二維圖像信息,還包含檢驗對象隨波長分布的光譜輻射信息,形成由光譜維度、掃描帶寬、掃描對象長度維構成的“數(shù)據(jù)立方”,從而實現(xiàn)對檢測對象的定位、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組分信息同時識別問題的需要[16]. 相比于傳統(tǒng)光譜成像手段,可提供基于上百至上千個光譜波段數(shù)、納米級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)譜成像技術則是基于質(zhì)譜技術的一種成像方法,通過不同質(zhì)荷比(m/z)離子的二維密度圖反映目標對象的分子組成信息及空間分布. 上述化學成像技術可在獲得指紋圖像的同時定性分析指印物質(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)劑的構建,具有更好的開放性; 可反復檢驗,最大化地獲取圖像及成分信息. 目前,主要的應用研究集中于可見-短波近紅外區(qū)化學成像、紅外成像、拉曼成像和質(zhì)譜成像技術,這些技術被認為具有較大的應用潛力. 表1 對各種方法進行了對比,并在下文進行詳細說明.

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

表1 不同化學成像法的特點與適用性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)化學成像已在指紋增強顯現(xiàn)方面得到應用. 手印物質(zhì)在可見光區(qū)往往不具有特征吸收,該方法對多組分遺留物質(zhì)的區(qū)分靈敏度較低,主要作為一種簡便、無損、操作條件可控的圖像采集方法,對目標物證材料上的關鍵信息進行提取和圖像的后處理. 對一些已采用傳統(tǒng)方法(如超級膠法)顯現(xiàn),但仍受到背景干擾的情況,能有效地實現(xiàn)指紋增強顯現(xiàn)[18].

短波近紅外區(qū)成像光譜主要利用波長1000 nm以內(nèi)的紅外區(qū)進行增強顯現(xiàn). 例如,傳統(tǒng)的物理、化學顯現(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,可進一步增強顯現(xiàn)[19]. 此外,結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,實現(xiàn)指紋增強顯現(xiàn). 有研究表明,經(jīng)由粉末刷顯、茚三酮顯現(xiàn)和超級膠熏顯后的指紋進一步采用近紅外熒光法進行增強處理,可在紙張等材料上實現(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相干層析技術可實現(xiàn)微米級表面形貌成像,利用微米級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[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)方法的基礎上,作為一種增強顯現(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(這里主要指長波近紅外至中紅外區(qū))作為一種分子振動光譜,被廣泛用于化學分析.帶有陣列檢測器的紅外光譜儀可同時采集檢測范圍內(nèi)不同位點的數(shù)千個波長處的紅外光譜數(shù)據(jù),不僅可以獲取檢測對象的特征化學信息,還能獲得化學信息的空間分布. 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原位識別多種爆炸物成分,并實現(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)技術檢測潛到微量爆炸物、阿司匹林等外源成分.然而,由于指印遺留物的含量相對基質(zhì)來說往往很低,指紋顯現(xiàn)的關鍵難點在于檢測靈敏度和背景干擾問題. 對此,現(xiàn)有研究主要體現(xiàn)了三種不同的技術路線.

其一,當指印遺留條件理想時,實施原位直接檢測. 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,結合特定波長條件成像、光譜數(shù)據(jù)疊加/扣減、主成分分析、譜帶數(shù)據(jù)二階導數(shù)計算等手段進行數(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 鍵不對稱伸縮振動信號可以得到清晰的指紋圖像.

其二,指印遺留物質(zhì)相對基質(zhì)材料的紅外信號不夠突出時,采用一定方法放大信號. 一種典型的方法就是結合超級膠熏顯. 例如,Sonnex 等[25]使超級膠在指印物質(zhì)表面發(fā)生聚合反應,利用聚合物中羰基的伸縮振動吸收峰(1700 cm–1)強化指紋信號,結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. 鑒于超級膠熏顯是一種廣泛采用的指紋顯現(xiàn)手段,在此基礎上利用紅外成像增強處理可以原位、重復操作,可行性強. 值得注意的是,放大信號的方法需要依據(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)到無干擾的檢測基質(zhì). 對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,也可采取這種策略. 要求提取材料不但可以實現(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檢測目標造成干擾. 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模式進行原位檢測,獲取檢驗對象的FT-IR 數(shù)據(jù).ATR-FT-IR 光譜成像技術可達到較好的檢出靈敏度,從背景信號中檢出微量物質(zhì),在分析手印內(nèi)源性或外源性物質(zhì)組分的應用上具有較大潛力[27].

紅外光譜成像技術正朝著高靈敏度、快速成像、可攜帶等目標發(fā)展[28]. 有研究利用同步輻射紅外光源進行指紋痕量檢測,從微觀尺度上拓展了對指印物質(zhì)組成和分布規(guī)律的認識,并且展示了該技術在提高紅外光譜空間分辨率、信噪比和檢驗速度方面的優(yōu)勢(圖3)[29]. 另外,光學頻率梳技術等先進光源技術在紅外光譜領域的應用,可望在分子光譜精密測量領域發(fā)揮重要作用,從而對具有原位檢測要求的刑事技術、食品藥品質(zhì)檢、文物鑒定等領域的檢測技術產(chǎn)生積極影響[30]. 相關技術的發(fā)展將進一步降低痕量檢測的檢出限,提高指紋圖像的分辨率,甚至有望通過手印遺留物質(zhì)組分隨時間的變化規(guī)律,反推遺留時間,從而提供時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,主要采用紫外、可見和近紅外激光器作為激發(fā)光源,基于分子振動探測分子結構信息. 與紅外光譜相比,拉曼光譜具有非接觸式檢測的優(yōu)點. 許多研究應用拉曼光譜檢驗藥物、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)超級膠熏顯處理后的手印也能檢測到目標組分[34]. 結合成像技術,可進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)到載玻片上進行掃描檢驗. 結合拉曼光譜成像與變量統(tǒng)計方法,分析出各個組分及其空間分布[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. 該課題組進一步研究了指印遺留于具有拉曼散射信號的客體上的情形. 結合背景扣除算法,也檢測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].

由于拉曼光譜信號強度相對較低,需要較長的時間完成成像操作,長時間聚焦條件下激發(fā)光能量可能對檢材產(chǎn)生不利影響. 為此,有研究通過改進樣品制備,獲得基于金屬電介質(zhì)納米顆?；|(zhì)的表面增強拉曼光譜,得到高靈敏度的光譜信息[38]. 但是,這種方法需要對手印樣品進行處理,使其表面吸附特殊金屬顆粒,對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進一步拓寬了拉曼光譜的適用性. Figueroa 等[39]利用該技術實現(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)該技術提高了光譜采集速度、檢測靈敏度、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記檢驗方法的應用潛力(圖4).

圖3 基于焦平面陣列紅外光譜的指紋成像[29] (a)檢測區(qū)域的亮場光學圖像; (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)譜技術可以更為精準地確定分子水平的化學組成信息[40,41]. 利用檢測目標物離子化產(chǎn)生的指定質(zhì)荷比化合物的離子密度圖可以顯現(xiàn)基于檢測目標分子組成的指紋圖像. 該技術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(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]對指印進行銀納米顆粒噴濺,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)等方法進行預處理,然后采用MALDI/TOF MSI 進行化學成分分析. 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現(xiàn)潛指紋的無標記化學成像[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)譜成像技術應用于實際案件指紋檢驗的可行性. 2017 年,Bradshaw 等[46]采用MALDI MSI 技術處理了來自真實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膠熏顯處理后,利用MALDI MSI 做成分分析,結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. 該研究已證實了MALDI MSI 技術的操作可行性,以及與傳統(tǒng)顯現(xiàn)技術的兼容性[17,46]. 值得注意的是,研究結果也表明對真實手印MALDI MSI 尚難以提供相比傳統(tǒng)顯現(xiàn)技術更好的紋線形態(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)境與遺留時間都會影響指紋紋線與化學信息的檢出,這些限制性因素對質(zhì)譜技術同樣存在[46].

質(zhì)譜成像技術不需事先對檢測對象進行提取和分離,因此有望提高分析通量,實現(xiàn)原位分析,減小對檢材的破壞. 但另一方面,實現(xiàn)這些優(yōu)點的代價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,涉及真實手印條件[46]和真實基質(zhì)材料[47]的研究較少. 以目前的技術手段,對于真實手印遺留條件,由于目標物質(zhì)的含量極低,難以被有效檢出. 此外,引入基質(zhì)輔助實現(xiàn)激光解吸電離時,基質(zhì)與待檢測物質(zhì)間的相互作用及其對檢測效果的影響也有待研究[48]. 未來的研究方向包括質(zhì)譜技術的空間分辨率提升,以及手印樣品預處理方法、基質(zhì)影響因素等.

4 結論與展望

研究表明光譜和質(zhì)譜成像技術可用于指紋痕量檢測,從中獲得兩個層次的信息,一是形態(tài)特征及其分布層面(用于個體識別),另一個則是痕量化學組分的發(fā)現(xiàn),用于提供與指紋遺留者相關的其他線索(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,其結論已初步表明了基于化學成像技術進行指紋痕量檢驗的可行性. 其中,作為具有應用潛力的新技術,MALDI 和ATR FT-IR 已被英國內(nèi)政部應用科學技術中心選入指紋顯現(xiàn)操作手冊[49]. 以最大化檢出指紋形態(tài)特征和化學信息為目標,在掌握現(xiàn)有技術的特點、適用范圍和方法兼容性[50]的基礎上,可將相關技術納入現(xiàn)有指紋檢測流程,探索不同方法的串聯(lián)組合策略. 例如,已采用普通光學檢驗、可見-短波近紅外光譜檢驗、粉末/超級熏顯等處理后的手印,可繼續(xù)采用化學成像技術來實現(xiàn)痕量/微量物質(zhì)的分析,從而進一步挖掘有價值的線索. 取得化學成像信息后,也即取得了檢測范圍內(nèi)目標物的化學分布,還可以進一步選取感興趣的區(qū)域利用質(zhì)譜等手段進行高靈敏度的定性分析[51].

未來化學成像技術在指紋痕量檢驗領域的應用取決于系統(tǒng)研究與應用策略,以及先進光源成像技術在精密測量領域的突破. 對基于特異性反應的化學成像技術,制備得到高靈敏度、低成本的免疫試劑,結合手印捺印操作簡便易行、手印遺留普遍存在的特點,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. 直接化學成像技術在指紋顯現(xiàn)、重疊指印分離顯現(xiàn)[52]、手印化學成分分析、組分隨時間演變規(guī)律[53]等方面已有不少概念性研究,有望作為傳統(tǒng)檢驗技術的補充,用于疑難痕跡的顯現(xiàn)和未知化學組分信息的挖掘. 從概念論證邁向?qū)嶋H應用,還需系統(tǒng)研究各種化學成像技術的影響因素、適用范圍,解決技術瓶頸. 目前基于紅外光譜、拉曼光譜、質(zhì)譜等的成像技術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節(jié)的圖像信息和遺留物質(zhì)的化學信息,對成像分辨率提出了很高的要求. 與此同時,“潛指紋”在客體上的具體位置往往是未知的,實際應用情景中需要快速定位指印位置. 目前商用設備的檢測器難以滿足大面積、多次重復掃描的時間效率需求,提升掃描速率和增大掃描分辨率難以同步實現(xiàn). 相關技術指標的提升將增加化學成像技術作為一種無損顯現(xiàn)技術的應用價值. 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,先進光源及相關技術的發(fā)展,有望從源頭突破現(xiàn)有技術指標瓶頸,拓寬痕量檢測的適用范圍和檢測靈敏度. 極紫外光源在質(zhì)譜成像技術中的應用,已經(jīng)可以在納米尺度上實現(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[56]也進入紅外光譜學的前沿,高功率、低噪聲、波長可調(diào)諧的特點將進一步釋放中紅外光譜的應用潛力. 基于先進光源成像技術的痕量檢測方法有望在物理、化學、生物、醫(yī)學和工業(yè)界發(fā)揮重要作用.