于子洋,梅宏成,朱 軍,楊瑞琴,權(quán)養(yǎng)科,王桂強(qiáng)

(1.中國(guó)人民公安大學(xué) 偵查學(xué)院,北京 100038;2.公安部物證鑒定中心,北京 100038)

C、N、H、O 等元素的穩(wěn)定同位素廣泛存在于自然環(huán)境以及生物體中,作為一種良好的示蹤物,已經(jīng)被應(yīng)用于生態(tài)學(xué)、地質(zhì)學(xué)、食品科學(xué)等領(lǐng)域。食物和水是人生長(zhǎng)發(fā)育的重要物質(zhì)來(lái)源,經(jīng)消化吸收后,會(huì)留存其部分穩(wěn)定同位素特征[1-4]。分析人體組織中穩(wěn)定同位素組成可以反推飲食和飲水的穩(wěn)定同位素組成,進(jìn)而推斷居民的飲食習(xí)慣、營(yíng)養(yǎng)健康狀態(tài)、居住區(qū)域乃至生活時(shí)空信息[5]。但是,目前國(guó)內(nèi)對(duì)人體組織穩(wěn)定同位素的研究相對(duì)較少,且尚未見(jiàn)文獻(xiàn)對(duì)此領(lǐng)域進(jìn)行系統(tǒng)性總結(jié)。

本工作重點(diǎn)關(guān)注人頭發(fā)中穩(wěn)定同位素組成,對(duì)其中C、N、H、O 等元素的穩(wěn)定同位素組成及其與飲食和飲水的關(guān)系展開(kāi)綜述,介紹其研究現(xiàn)狀及在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用,并對(duì)其未來(lái)研究方向進(jìn)行了展望。

1 人頭發(fā)穩(wěn)定同位素分析的基本概念和原理

1.1 穩(wěn)定同位素的概念

質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同的元素稱(chēng)為同位素,穩(wěn)定同位素是天然存在的技術(shù)手段檢測(cè)不到放射性的一類(lèi)同位素。由于核質(zhì)量差別,同位素之間存在物理、化學(xué)、生物性質(zhì)上的差別,這會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)前后物質(zhì)中同位素組成出現(xiàn)差異,將此現(xiàn)象稱(chēng)為同位素效應(yīng),其程度可用分餾系數(shù)表示[6]。非金屬元素的穩(wěn)定同位素組成通常表示為稀有穩(wěn)定同位素原子數(shù)與常見(jiàn)穩(wěn)定同位素豐度的比值,即同位素比率(R)。對(duì)于大多數(shù)穩(wěn)定同位素而言,R值很小,且自然環(huán)境中不同物質(zhì)的R值差異較小,因此常使用同位素比值(δ)這一指標(biāo),即樣本R與國(guó)際公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)R之間的相對(duì)誤差,計(jì)算公式見(jiàn)式(1):

式中:R樣本、R標(biāo)準(zhǔn)物分別為樣本和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的同位素比率。

1.2 穩(wěn)定同位素的檢測(cè)原理

可利用穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜法(IRMS)檢測(cè)C、N、H、O 等元素的穩(wěn)定同位素比值。IRMS由進(jìn)樣系統(tǒng)、氣體導(dǎo)入系統(tǒng)、離子源、質(zhì)量分析儀、信號(hào)接收系統(tǒng)和真空系統(tǒng)等組成。穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜還可與元素分析儀、氣相色譜、液相色譜等聯(lián)用,以適應(yīng)不同類(lèi)型樣本的進(jìn)樣需求。頭發(fā)中穩(wěn)定同位素多采用元素分析-穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜法(EA-IRMS)檢測(cè),其檢測(cè)原理(示意圖見(jiàn)圖1):①樣本經(jīng)前處理后,經(jīng)進(jìn)樣器進(jìn)入元素分析儀,通過(guò)高溫裂解或燃燒變?yōu)榛旌蠚怏w;②混合氣體經(jīng)色譜柱分離,以單一氣體形式依次進(jìn)入離子源;③氣體分子電離形成帶電離子,受電場(chǎng)和磁場(chǎng)影響被不同接收器接收;④原始信號(hào)的處理和數(shù)據(jù)的生成[7-8]。

圖1 EA-IRMS檢測(cè)原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of detection principle of EA-IRMS

1.3 人頭發(fā)穩(wěn)定同位素分析的理論基礎(chǔ)

食物鏈中不同生物的穩(wěn)定同位素分析是基于植物組織的穩(wěn)定同位素組成與其所處環(huán)境直接相關(guān),動(dòng)物組織的穩(wěn)定同位素組成與其所食動(dòng)植物直接相關(guān)這一原理建立的[9]。不同區(qū)域、不同種類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)中的穩(wěn)定同位素組成不同,其在食物鏈中分餾作用也會(huì)存在差異[10],受此影響,動(dòng)物組織中穩(wěn)定同位素組成特征存在一定規(guī)律。另外,當(dāng)動(dòng)物棲息環(huán)境發(fā)生變化或者遷移到新環(huán)境中時(shí),其組織中的穩(wěn)定同位素組成會(huì)向著新環(huán)境的穩(wěn)定同位素組成轉(zhuǎn)變[11-13]。

人頭發(fā)的主要成分是α-角蛋白,由C、N、H、O等多種元素構(gòu)成,化學(xué)狀態(tài)較為穩(wěn)定,且受外界環(huán)境影響較小。毛發(fā)一旦長(zhǎng)出毛囊,其代謝停止,不再與其他部分和環(huán)境發(fā)生交換[14],可以較長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地保留穩(wěn)定同位素信息,這與骨骼、肌肉、血液等長(zhǎng)期處于代謝狀態(tài)的組織有明顯區(qū)別。普通人頭發(fā)生長(zhǎng)速率相對(duì)穩(wěn)定,每段毛發(fā)的穩(wěn)定同位素信息可反映當(dāng)時(shí)的飲食和飲水信息。不同長(zhǎng)度的頭發(fā),理論上可以提供幾個(gè)月甚至幾年的穩(wěn)定同位素信息,這為研究人體組織穩(wěn)定同位素隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化提供可能。

2 飲食和飲水中穩(wěn)定同位素組成特征

人類(lèi)是雜食性動(dòng)物,飲食和飲水特征隨著地域、群體、時(shí)代的不同發(fā)生變化。不同種類(lèi)食物本身的穩(wěn)定同位素組成存在的巨大差別導(dǎo)致了人體組織中穩(wěn)定同位素組成存在的巨大差異。因此,研究人體組織的穩(wěn)定同位素組成需要先了解不同種類(lèi)食物的穩(wěn)定同位素組成。

2.1 飲食中穩(wěn)定同位素組成特征

2.1.1 飲食中C、N 穩(wěn)定同位素特征

植物組織中C穩(wěn)定同位素比值(δ13C)主要受光合作用途徑的影響,光合作用途徑主要為C3循環(huán)、C4循環(huán)、景天酸代謝(CAM)循環(huán)3種。自然界已知的絕大多數(shù)植物為C3 植物,如常見(jiàn)的小麥、大米、大部分的水果和蔬菜,δ13C 一般為－35‰～－20‰。玉米、高粱、小米、甘蔗受C4循環(huán)影響,δ13C一般為－15‰～－7‰。CAM 植物δ13C介于C3植物、C4 植物的δ13C 之間,較少出現(xiàn)于人類(lèi)飲食中[15]。植物組織中N 穩(wěn)定同位素比值(δ15N)的影響因素較為復(fù)雜。不同種類(lèi)植物δ15N 存在差異,陸地植物δ15N 一般為0～6‰,海洋植物δ15N 一般為4‰～9‰。其中生物固氮的豆科植物因其獨(dú)特的固氮方式,其組織中δ15N 相對(duì)較低(0左右)。另外,氮源的不同來(lái)源也是影響植物組織中δ15N 的一個(gè)重要因素[16-18]。

動(dòng)物組織中穩(wěn)定同位素組成同樣受動(dòng)物種類(lèi)、地域、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來(lái)源等因素的影響。不同種類(lèi)動(dòng)物組織中δ13C和δ15N 有所不同,特別是陸生動(dòng)物和水生動(dòng)物之間的δ15N 存在顯著差異[19]。同種動(dòng)物組織中C、N 穩(wěn)定同位素比值主要取決于其食物,動(dòng)物肉、奶、蛋的穩(wěn)定同位素組成往往與其所食食物存在明顯關(guān)聯(lián)[20]。另外,動(dòng)物的新陳代謝也會(huì)引起穩(wěn)定同位素分餾[21],一般認(rèn)為,動(dòng)物在食物鏈中所處的位置每增加1個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí),其組織中δ13C 升高0～1‰,δ15N 升高3‰～4‰[19,22]。

2.1.2 飲食中H、O 穩(wěn)定同位素特征

受大氣降水中H、O 穩(wěn)定同位素空間分布規(guī)律影響,飲食中H、O 穩(wěn)定同位素組成表現(xiàn)出明顯地域差異,同時(shí)會(huì)受到物種差別的影響。植物的蒸騰和光合作用會(huì)使H、O 穩(wěn)定同位素發(fā)生分餾,導(dǎo)致植物組織中2H、18O 含量較其吸收水中明顯升高,且不同種類(lèi)植物間分餾作用效果不同[23-24]。就動(dòng)物而言,不同種類(lèi)動(dòng)物之間存在差異:飲食和飲水?dāng)z入量占比不同,產(chǎn)生的基底效應(yīng)也不同[25-26];動(dòng)物間存在物種差異,例如反芻動(dòng)物和非反芻動(dòng)物組織中δ18O 的差異較大[27],且隨營(yíng)養(yǎng)級(jí)升高,2H、18O 會(huì)被不同程度富集[26,28]。

2.2 飲水中穩(wěn)定同位素組成特征

居民日常飲用水主要來(lái)自居住地附近由大氣降水形成的地表水、淺層地下水和水庫(kù)水等。大氣降水中H、O 穩(wěn)定同位素組成主要受到不同地理區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定同位素分餾作用差異影響。不同區(qū)域地表水中H、O 穩(wěn)定同位素組成存在一定規(guī)律性,緯度和海拔的增加都會(huì)使降水中2H、18O 含量下降,表現(xiàn)為緯度效應(yīng)、大陸效應(yīng)和海拔效應(yīng)等[6]。國(guó)內(nèi)地表水中δ18O 一般為－25‰～5‰,δ2H 為－180‰～10‰[29]。我國(guó)不同城市自來(lái)水的H、O 穩(wěn)定同位素組成與大氣降水的基本一致[30]。

3 飲食和飲水對(duì)人頭發(fā)中穩(wěn)定同位素組成的影響

人頭發(fā)因其獨(dú)特生長(zhǎng)特點(diǎn)、穩(wěn)定的化學(xué)狀態(tài)、可相對(duì)容易地進(jìn)行多種元素的穩(wěn)定同位素的檢測(cè),已成為研究人體穩(wěn)定同位素組成的良好對(duì)象。人頭發(fā)采集不傷害身體、采樣步驟簡(jiǎn)單,為人頭發(fā)的大樣本研究提供了便利。

3.1 飲食

食物中C、N 元素是構(gòu)成人體器官C、N 的主要來(lái)源,其穩(wěn)定同位素組成直接影響著人體組織的穩(wěn)定同位素組成[20]。在飲食控制試驗(yàn)中,不同種類(lèi)飲食對(duì)人頭發(fā)中C、N 穩(wěn)定同位素組成產(chǎn)生明顯影響。HUELSEMANN 等[31]和VOTRUBA 等[32]在改 變受試者日常飲食中C3、C4食物和陸生、水生食物比例后,發(fā)現(xiàn)其頭發(fā)中C、N 穩(wěn)定同位素組成隨之出現(xiàn)相似的變化趨勢(shì)。飲食中加入肉類(lèi)和蔗糖類(lèi)食物,頭發(fā)中δ13C顯著提升,而加入肉類(lèi)和魚(yú)類(lèi)食物后,頭發(fā)中δ15N 顯著提升,研究人員認(rèn)為頭發(fā)中C、N穩(wěn)定同位素可以作為研究人類(lèi)飲食的生物指標(biāo)。

研究人員對(duì)美國(guó)[33]、西歐[34]、北 非[35]、東亞[36-38]和東南亞[39]等地域居民頭發(fā)中穩(wěn)定同位素進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)不同地域居民頭發(fā)中C、N 穩(wěn)定同位素組成存在較大差異。THOMPSON 等[37]研究中國(guó)、印度、孟加拉、巴基斯坦等亞洲國(guó)家居民頭發(fā)C、N 穩(wěn)定同位素時(shí)發(fā)現(xiàn),與美國(guó)居民相比,亞洲部分國(guó)家居民頭發(fā)中δ13C 和δ15N 相對(duì)較低,這與美國(guó)居民的高動(dòng)物蛋白攝入量有關(guān)。對(duì)比美國(guó)和歐洲居民頭發(fā)中C、N 穩(wěn)定同位素組成[34]:美國(guó)居民δ13C 相對(duì)較高,δ15N 差別不大,這是因?yàn)槊绹?guó)居民飲食中包含更多的C4植物。美國(guó)和歐洲居民頭發(fā)中N 穩(wěn)定同位素比值差異不大,這可能是因現(xiàn)代發(fā)達(dá)國(guó)家居民蛋白質(zhì)攝入量相近。HüLSEMANN 等[33]整合和對(duì)比已有頭發(fā)中C、N 穩(wěn)定同位素?cái)?shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn),在全球尺度下,居民頭發(fā)δ13C與緯度存在負(fù)相關(guān)關(guān)系,產(chǎn)生這種現(xiàn)象的可能原因是不同地區(qū)居民飲食中C4植物比重不同。δ15N 沒(méi)有明顯區(qū)域分布規(guī)律,說(shuō)明人體N 穩(wěn)定同位素比值的影響因素較為復(fù)雜,除飲食外的各類(lèi)環(huán)境因素可能同樣會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。本研究小組還對(duì)我國(guó)不同城市居民頭發(fā)穩(wěn)定同位素進(jìn)行了分析,結(jié)果表明城市間居民頭發(fā)δ13C和δ15N 存在顯著差異,見(jiàn)表1。其中,a,b,c,d,e等字母表示檢測(cè)結(jié)果之間具有顯著性差異(P值小于0.05)。

表1 不同城市常住居民頭發(fā)樣本的δ13 C和δ15 NTab.1 δ13 C andδ15 N of hair samples of residents in different cities

表1(續(xù))

除地域差異外,研究人員還將目光投向居民群體屬性及其頭發(fā)中C、N 穩(wěn)定同位素組成關(guān)系的研究中。HUELSEMANN 等[31]在進(jìn)行飲食控制試驗(yàn)時(shí)便注意到頭發(fā)中C、N 穩(wěn)定同位素組成可能存在性別差異,其他研究人員也發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似現(xiàn)象[40]。KUSAKA 等[38]發(fā)現(xiàn)日本男性居民頭發(fā)中的δ13C和δ15N 高于女性,且男性居民頭發(fā)δ15N 隨年齡增長(zhǎng)而逐漸上升。COOPER 等[35]利用頭發(fā)中C、N穩(wěn)定同位素組成差異成功地對(duì)埃塞俄比亞同一村落不同職業(yè)的居民進(jìn)行區(qū)分,說(shuō)明生活方式會(huì)對(duì)頭發(fā)中C、N 穩(wěn)定同位素組成產(chǎn)生影響。SOMERVILLE等[39]發(fā)現(xiàn)新幾內(nèi)亞部分村莊居民頭發(fā)中C、N 穩(wěn)定同位素組成與村莊開(kāi)放程度和居民年齡存在明顯關(guān)系,開(kāi)放程度較高村落的居民頭發(fā)13C 和15N含量要高于開(kāi)放程度較低村落的居民,且隨著年齡增長(zhǎng),頭發(fā)δ13C 和δ15N 逐漸下降,而職業(yè)、性別等因素對(duì)其影響不大。目前針對(duì)性別、年齡、種族、職業(yè)等群體屬性的穩(wěn)定同位素研究存在爭(zhēng)議,這可能與相關(guān)研究較少有關(guān),亟待研究人員進(jìn)行深入細(xì)致地研究。

除上述因素外,人頭發(fā)N 穩(wěn)定同位素容易受到個(gè)體營(yíng)養(yǎng)和健康狀態(tài)等因素的影響[41]。在營(yíng)養(yǎng)相對(duì)缺乏時(shí),組織中δ15N 高于正常狀態(tài);當(dāng)營(yíng)養(yǎng)相對(duì)過(guò)剩時(shí),體內(nèi)δ15N 會(huì)因蛋白質(zhì)的不斷合成而下降[42-44]。

3.2 飲水

構(gòu)成人體的H、O 元素主要來(lái)源于飲水、飲食和吸入空氣中的氧氣[45-46]。如2.1.2 節(jié)所述,穩(wěn)定同位素的基底效應(yīng)、分餾作用和飲食中各類(lèi)食物所占比例共同作用導(dǎo)致飲食中H、O 穩(wěn)定同位素組成較為復(fù)雜。受此影響,目前尚無(wú)飲食中H、O 穩(wěn)定同位素組成與人體組織關(guān)聯(lián)的直接研究。人類(lèi)飲食種類(lèi)多樣、數(shù)量各異,但追溯到源頭,飲食中H、O穩(wěn)定同位素大部分來(lái)自于飲食生產(chǎn)地區(qū)的水[20,47]。研究人員認(rèn)為,即便現(xiàn)代食品工業(yè)發(fā)展使飲食呈現(xiàn)高度“均質(zhì)化”的特點(diǎn)[38],飲食中穩(wěn)定同位素在較大地理尺度下仍受水源影響,表現(xiàn)出較強(qiáng)的地域分布規(guī)律。因此,飲水中H、O 穩(wěn)定同位素組成與人體組織中H、O 穩(wěn)定同位素組成存在密切聯(lián)系。動(dòng)植物生存所需的水和居民飲水一般來(lái)自于生活區(qū)域內(nèi)由大氣降水形成的地下水、河流水等。大氣降水中H、O 穩(wěn)定同位素組成具有較為明顯的空間分布特征[4],居民頭發(fā)H、O 穩(wěn)定同位素組成也因此呈現(xiàn)出明顯空間分布規(guī)律。FRASER 等[48-49]發(fā)現(xiàn)相較指甲,人頭發(fā)中H 穩(wěn)定同位素比值(δ2H)與飲用水的相關(guān)性更強(qiáng)。SHARP等[50]較為系統(tǒng)地研究了人頭發(fā)中δ2H 及性質(zhì),認(rèn)為人頭發(fā)中H 有約30%直接來(lái)源于飲水,但當(dāng)人體攝入大量含有不同δ2H 的食物時(shí),頭發(fā)中δ2H 與當(dāng)?shù)仫嬎南嚓P(guān)關(guān)系會(huì)被弱化。人頭發(fā)中δ18O 為8‰～18‰[47],O′BRIEN等[51]認(rèn)為相比H 穩(wěn)定同位素,頭發(fā)中δ18O 與飲水中δ18O 的相關(guān)系數(shù)更高,更有利于反映居民飲水和遷移信息。

研究人員還針對(duì)居民頭發(fā)中H、O 穩(wěn)定同位素組成差異、區(qū)域變化和群體特征進(jìn)行了研究。O′BRIEN等[51]對(duì)往返兩地志愿者頭發(fā)中H、O 穩(wěn)定同位素進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)志愿者在抵達(dá)目的地后,其頭發(fā)H、O 穩(wěn)定同位素組成會(huì)逐步接近目的地的居民。THOMPSON 等[37]發(fā)現(xiàn)亞洲部分國(guó)家居民頭發(fā)中42%的H 和39%的O 直接來(lái)自于生活飲水的攝入,其H、O 穩(wěn)定同位素組成與美國(guó)居民存在差異,亞洲居民更多的食用當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的食物和水,這是其頭發(fā)中H、O 穩(wěn)定同位素與飲水之間相關(guān)性較強(qiáng)的主要原因。BOL等[52]對(duì)比了英格蘭當(dāng)?shù)鼐用窈屯鈦?lái)游客頭發(fā)中δ18O,發(fā)現(xiàn)二者存在明顯差異(差值為2‰～5‰),結(jié)合居民頭發(fā)中C、N 穩(wěn)定同位素可以區(qū)分當(dāng)?shù)鼐用窈屯鈦?lái)游客。EHLERINGER等[47]和BOWEN 等[20]利用飲水和頭發(fā)中H、O 穩(wěn)定同位素的關(guān)系建立和優(yōu)化了多參數(shù)數(shù)學(xué)模型,用以描述美國(guó)居民頭發(fā)中H、O 穩(wěn)定同位素的空間分布特征,模型驗(yàn)證成功率高于85%。何亞等[53]對(duì)我國(guó)不同城市居民頭發(fā)H、O 穩(wěn)定同位素的分布特征及影響因素進(jìn)行了初步研究,結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 3個(gè)城市居民頭發(fā)中δ2 H、δ18 O 分布[53]Fig.2 Diagram ofδ2 H andδ18 O values of residents′hair in three cities[53]

基于飲水與人頭發(fā)等人體組織中H、O 穩(wěn)定同位素組成的密切聯(lián)系,可建立覆蓋整個(gè)國(guó)家居民飲水H、O 穩(wěn)定同位素?cái)?shù)據(jù)庫(kù),用于追溯人類(lèi)的遷移活動(dòng)和人體組織的來(lái)源推斷[54]。

4 人頭發(fā)中穩(wěn)定同位素組成在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用

4.1 營(yíng)養(yǎng)學(xué)領(lǐng)域

人頭發(fā)中穩(wěn)定同位素信息在營(yíng)養(yǎng)學(xué)領(lǐng)域可用于推斷個(gè)體飲食偏好和生理健康狀態(tài)。利用頭發(fā)中C、N 穩(wěn)定同位素組成與飲食的關(guān)系,可以反推人的飲食習(xí)慣,監(jiān)測(cè)人體營(yíng)養(yǎng)攝取情況[55]。VALENZUELA 等[56]發(fā)現(xiàn)美國(guó)不同種族兒童頭發(fā)中C、N穩(wěn)定同位素組成存在差異,結(jié)合飲食調(diào)查問(wèn)卷,推斷非西班牙裔兒童攝入相對(duì)較多的蛋白類(lèi)食物和谷物。頭發(fā)中穩(wěn)定同位素組成還可用于推測(cè)人的代謝情況和健康狀態(tài)。PARK 等[57]發(fā)現(xiàn)受試者頭發(fā)δ13C與軟飲料、咖啡、糖、茶的攝入量呈正相關(guān)關(guān)系,δ15N 與代謝綜合征的癥狀程度呈現(xiàn)明顯正相關(guān)關(guān)系,頭發(fā)中穩(wěn)定同位素可以作為輔助分析指標(biāo),對(duì)人體營(yíng)養(yǎng)代謝情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。BAKOVIC 等[58]認(rèn)為頭發(fā)等組織中的穩(wěn)定同位素組成和人體健康狀態(tài)之間關(guān)系復(fù)雜,亟待進(jìn)一步研究。

4.2 考古學(xué)領(lǐng)域

研究人員進(jìn)行氨基酸分析時(shí)發(fā)現(xiàn),古代遺骸中人頭發(fā)基本保持原始狀態(tài),其中氨基酸組成未出現(xiàn)明顯變化,表明頭發(fā)在考古領(lǐng)域中可以作為穩(wěn)定同位素分析的可靠對(duì)象[59]?；陲嬍沉?xí)慣與頭發(fā)中穩(wěn)定同位素組成的關(guān)系,研究人員可以推測(cè)死者在生前某些時(shí)間段內(nèi)的飲食信息,以此為依據(jù)還可進(jìn)行群體遷移軌跡推斷、等級(jí)地位推斷、性別差異分析等[60]。受限于出土數(shù)量,考古領(lǐng)域?qū)︻^發(fā)穩(wěn)定同位素研究相對(duì)較少[61-64]。屈亞婷等[65]分析了新疆羅布淖爾古墓中人頭發(fā)C、N 穩(wěn)定同位素,結(jié)合古環(huán)境中食物信息,推測(cè)了古人類(lèi)食物來(lái)源及所屬文明形態(tài)。COOPER 等[35]發(fā)現(xiàn)頭發(fā)中穩(wěn)定同位素組成與居民職業(yè)及生活方式存在一定關(guān)聯(lián),可在考古學(xué)中對(duì)死者生前職業(yè)進(jìn)行推斷。BASHA 等[66]利用古人頭發(fā)中穩(wěn)定同位素組成的季節(jié)變化推測(cè)了死者的死亡時(shí)間。VEROSTICK 等[67]通過(guò)分析古代人類(lèi)遺骸頭發(fā)C、N 穩(wěn)定同位素組成推測(cè)死者生前飲食,綜合現(xiàn)場(chǎng)遺留等多種信息,并以此刻畫(huà)了死者生前的生活狀態(tài)和所在群落的社會(huì)活動(dòng)。

4.3 法庭科學(xué)領(lǐng)域

在法庭科學(xué)領(lǐng)域,針對(duì)人頭發(fā)的檢測(cè)目前主要集中在表觀(guān)形態(tài)學(xué)特征和DNA 分析,對(duì)其中穩(wěn)定同位素組成的分析和應(yīng)用較少。研究人員希望利用人頭發(fā)“穩(wěn)定同位素指紋”推斷飲食習(xí)慣,分析人的生活習(xí)慣和活動(dòng)軌跡信息,輔助人員身份鑒定,為司法活動(dòng)提供幫助。通過(guò)對(duì)不同來(lái)源頭發(fā)中多種穩(wěn)定同位素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,BOL 等[52]成功地對(duì)不同地域來(lái)源的人頭發(fā)進(jìn)行了區(qū)分,證明了利用穩(wěn)定同位素進(jìn)行地域分析的可行性。EHLERINGER等[47]和GAUTAM 等[68]利用飲水和人頭發(fā)中H、O 穩(wěn)定同位素關(guān)系分別制作美國(guó)和韓國(guó)的穩(wěn)定同位素地圖,幫助實(shí)現(xiàn)個(gè)體活動(dòng)軌跡的還原和來(lái)源地域的判定。KENNEDY 等[69]對(duì)一具無(wú)名女尸頭發(fā)中δ18O 進(jìn)行了分析,結(jié)合美國(guó)不同地域飲水中δ18O特征,對(duì)其生前活動(dòng)軌跡進(jìn)行了初步推斷。頭發(fā)中穩(wěn)定同位素特征和饑餓狀態(tài)之間的研究也為法庭科學(xué)中判定未知尸體的死亡原因提供了新思路[58]。目前國(guó)內(nèi)研究人員已就穩(wěn)定同位素在法庭科學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用開(kāi)展了部分研究[70-71]。劉昌景等[72]優(yōu)化了人頭發(fā)H、O 穩(wěn)定同位素的實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)流程。何亞等[53]利用頭發(fā)中H、O 穩(wěn)定同位素組成對(duì)國(guó)內(nèi)3個(gè)不同城市居民進(jìn)行了地域區(qū)分,獲得了良好效果。公安部物證鑒定中心的相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)正在該領(lǐng)域持續(xù)投入,研究我國(guó)居民頭發(fā)等組織中的穩(wěn)定同位素組成規(guī)律及影響因素,分析穩(wěn)定同位素技術(shù)在物證溯源中的可行性,以期更快將該技術(shù)應(yīng)用到我國(guó)法庭科學(xué)實(shí)踐當(dāng)中。

5 總結(jié)與展望

研究人員開(kāi)展的頭發(fā)中穩(wěn)定同位素組成特征的研究結(jié)果表明,飲食、飲水與人頭發(fā)中多種元素穩(wěn)定同位素組成存在不同程度相關(guān)關(guān)系。但目前針對(duì)人體組織中穩(wěn)定同位素特征的分析主要集中在美國(guó)和西歐等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū),這些研究大多存在樣品量小、樣本提供人信息不明確、樣品采集環(huán)境受限等問(wèn)題,且頭發(fā)中穩(wěn)定同位素特征和變化規(guī)律的研究仍存在“盲區(qū)”,這些亟待進(jìn)一步分析和解決[73]。我國(guó)地域遼闊、人口眾多,氣候類(lèi)型差異較大,且不同地區(qū)居民因地形地貌不同以及文化和時(shí)代變化產(chǎn)生了不同飲食和生活習(xí)慣,使我國(guó)居民頭發(fā)穩(wěn)定同位素組成可能存在特有的分布規(guī)律、變化特點(diǎn)和影響因素。國(guó)內(nèi)研究人員[53,70-72]針對(duì)該領(lǐng)域已經(jīng)開(kāi)展了研究,但仍處于起步階段,相關(guān)研究成果較為缺乏,且對(duì)其中差異和規(guī)律介紹的較少?；谀壳暗难芯楷F(xiàn)狀,還需要從3方面進(jìn)行深入研究:①聚焦我國(guó)居民開(kāi)展特征研究,針對(duì)我國(guó)不同地區(qū)居民頭發(fā)穩(wěn)定同位素組成與其飲食、飲水特點(diǎn)進(jìn)行分析,明確其中對(duì)應(yīng)關(guān)系,研究地域、年齡、性別、種族等因素對(duì)居民頭發(fā)等組織中不同元素穩(wěn)定同位素特征的影響,探討不同因素的影響機(jī)理;②多種研究手段聯(lián)合應(yīng)用,現(xiàn)有的研究主要集中于頭發(fā)中單一種類(lèi)穩(wěn)定同位素與飲食、地域的相關(guān)性,而不同種類(lèi)穩(wěn)定同位素具有獨(dú)特分布特征,反映不同信息,因此應(yīng)結(jié)合多種元素和多種數(shù)據(jù)處理手段(聚類(lèi)分析、判別分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等)進(jìn)行綜合研究,以充分挖掘穩(wěn)定同位素分析的應(yīng)用潛力;③建立人體組織穩(wěn)定同位素組成數(shù)據(jù)庫(kù),建立健全包括頭發(fā)、指甲、骨骼等多種人體組織在內(nèi)的穩(wěn)定同位素?cái)?shù)據(jù)庫(kù),特別是地域溯源數(shù)據(jù)庫(kù),可在不同時(shí)間尺度上為居民營(yíng)養(yǎng)健康、未知人員身份鑒定、重點(diǎn)人員活動(dòng)軌跡推斷等領(lǐng)域研究提供寶貴數(shù)據(jù)支持。