Использование портативного рамановского спектрометра в судебной экспертизе

ИЮЛ272015

Технология комбинационного рассеяния набирает широкую популярность в качестве исследовательского инструмента для судебно-медицинских применений. В данной статье описывается использование портативного ручного рамановского спектрометра в области судмедэкспертизы и показаны реальные примеры применений. Katherine Bakeev, Robert Thomas.

Преимущества рамановской спектроскопии хорошо известны для молекулярной идентификации неизвестных смесей и, как результат, данная технология постепенно стала использоваться в таких отраслях, как фармацевтическая промышленность, проверка сырьевых продуктов, обнаружение поддельных лекарств, медицинская диагностика, характеризация полимеров и контроль качества продуктов питания.

Однако, совсем недавно, технология рамановского рассеяния стала набирать широкую популярность в качестве исследовательского инструмента в области судебно-медицинской экспертизы и национальной безопасности. Встроенные спектральные библиотеки данных и адаптивное программное обеспечение позволяют сотрудникам правоохранительных органов с легкостью понять источник и природу запрещенных препаратов.

На сегодняшний день рамановские инструменты более быстрые, прочные и дешевые, а наличие миниатюризованной элементной базы составных компонентов позволило создать портативные устройства высокой производительности, которые можно брать с собой и производить измерения вне лабораторий.

Кроме того, данные исследования фокусируются на использовании портативных рамановских спектрометров для определения характеристик и идентификации образцов, встречающихся в различных прикладных областях, связанных с судебно-медицинской экспертизой.

Роль правоохранительных органов

Сотрудники правоохранительных органов несут ответственность за сокращение уровня преступности и сталкиваются с более серьезными проблемами, чем когда-либо прежде. Например, новые виды наркотических веществ появляются на улицах городов мира каждый день. В добавление, средства массовой информации сообщают о террористических атаках, использующих различные взрывчатые устройства, на регулярной основе.

Кроме того, темой международных масштабов является увеличение раковых заболеваний, распространение малярии, неконтролируемый рост числа наркотиков, в частности в странах, которые не имеют навыков и знаний для их обнаружения. Как результат, возникает резкая необходимость расследования данных событий в как можно более короткие сроки. Этот факт подтверждается исследованиями о незаконном использовании запрещенных препаратов, в которых необходимо производить идентификацию типа и источника данных материалов как можно скорее.

Обычно используются тестовые наборы для получения положительного результата исследуемого вещества для сбора доказательств. К сожалению, для некоторых новых и экзотических препаратов данные наборы уже могут быть непригодны. Таким образом, в полевых условиях может быть выполнено только частичное тестирование, а изъятые образцы впоследствии отправляют в федеральные лаборатории для проведения подтверждающих тестов. Перегруженные лаборатории могут проводить подобные тестирования на протяжении нескольких недель или даже месяцев, прежде чем результаты будут готовы и переданы прокурору. Как результат, прокурор начинает давить на лаборантов, чтобы получить результаты быстрее и данное давление может быть весьма значительным.

Судебные лаборатории, которым поручено подтверждение результатов тестов наркотических веществ, также часто используют методы газовой хроматографии / масс-спектрометрии (GC/MS), которые считаются некоторыми исследователями золотым стандартом в аналитическом инструментарии. И хотя методы GC/MS дают конечные результаты, они являются дорогостоящими, разрушающими и их возможно проводить только в лабораториях, на что тратится больше времени, что приводит к накоплению образцов для анализа, тем самым задерживая отправление отчетов обратно в правоохранительные органы, ожидающих судебного расследования. По этим причинам, устоявшиеся аналитические методы, которые используются для быстрого сканирования и идентификации, теперь переводят в область миниатюрных приборов, позволяющих работать в полевых условиях.

Переход от лабораторных приборов к полевым позволяет конечным пользователям производить такие же тестирования непосредственно на местах ареста, что позволяет снизить нагрузку на криминалистические лаборатории и ускорить процесс обвинения. Одной из наиболее распространенных технологий, перешедших из лабораторий в полевые условия, стала рамановская спектроскопия. Прежде, чем мы рассмотрим, как данная технология произвела революцию в сфере судебной медэкспертизы, давайте остановимся на фундаментальных основах данного метода.

Принципы рамановской спектроскопии

Похожая на технологию ИК поглощения, рамановская спектроскопия измеряет колебательные, вращательные и другие низкочастотные движения в молекуле. В отличие от ИК-спектроскопии, которая фокусирует широкий диапазон длин волн света ИК диапазона на образец и измеряет, какая из длин волн поглотилась, рамановская спектроскопия использует одноволновый источник света и собирает рассеянное излучение. Частоты рассеянного света зависят от силы связей в молекулах, массы связанных атомов и других факторов, таких как межмолекулярное взаимодействие. Модель колебательного или вращательного движения молекулы является характеристикой исследуемой молекулы и, как результат, может быть использована для идентификации смеси или вещества.

Из-за изменений рамановских спектров интенсивностей и перекрытия этих спектров, требуются библиотеки спектров с надежными алгоритмами поиска для соответствующей идентификации исследуемых образцов. К несчастью, из-за большого количества типов образцов, изменения базовой линии, вызванные флуоресценцией, различными эффектами рассеяния, изменениями интенсивности сигнала из-за различных настроек мощности источников возбуждения, могут повлиять на результаты. По этой причине очень важно, чтобы любой портативный ручной рамановский спектрометр разрабатывался с пониманием того, что данные влияния необходимо устранять для обеспечения работы с реальными приложениями.

Измерительные приборы

Данная статья описывает использование портативного рамановского спектрометра TacticID компании BWTek при тестировании образцов во время судебно-медицинской экспертизы. Данный спектральный аналитический прибор специально разработан для проведения судебно-медицинской экспертизы неизвестных химических и наркотических веществ. Он представляет собой компактный спектрометр со встроенным микрокомпьютером, весом менее 1 кг, позволяющий проводить анализ исследуемого вещества менее чем за 30 секунд.

В состав прибора входят лазер с длиной волны излучения 785 нм и мощностью 300 мВт, спектрограф, выполненный по скрещенной оптической схеме Черни-Тернера и ПЗС-детектор. Прибор обеспечивает стабильный сигнал с низким уровнем шума, что очень важно при измерении материалов с одинаковой молекулярной структурой таких, как наркотики, медикаменты, опасный или взрывчатые вещества и смеси, так как другие компоненты в составе образцов могут увеличивать шумы, тем самым поднимая уровень базовой линии выше флуоресценции и других эффектов фотонного рассеяния.

Данный прибор может быть подстроен под определенные задачи судебной экспертизы. Стандартная конфигурация включает в себя библиотеку данных с более чем 4500 спектрами различных химических, токсичных или опасных веществ, взрывчатых веществ, производных материалов, наркотиков и лекарственных препаратов. Например, в библиотеку опасных и взрывчатых веществ включены полинитроароматические соединения, такие как тринитротолуол, тринитробензол, сложные эфиры или нитроамины, такие как RDX, сентекс и нитроглицерин, а также большое количество различных неорганических нитратов и хлоратов.

Примеры рамановских спектров трех взрывчатых веществ из базы данных представлены на рис. 1. (нитроамины HMX и RDX, красный и зеленый спектры соответственно, и 2,4,6- тринитрофенилметилнитрамин (тетрил) – синий). Все спектры смещены друг относительно друга для четкости и ясности.

Рис. 1. Рамановские спетры двух нитроаминов HMX и RDX, красный и зеленый спектры соответственно, и 2,4,6- тринитрофенилметилнитрамина (тетрил) – синий.

Cистема TacticID-N BWTek специально разработана для идентификации фармацевтических и наркотических веществ, является доступной и содержит порядка 1000 спектров, включая наркотики класса А, такие как экстази, кокаин, метадон и фенциклидин, класса В, такие как амфетамины и метилфенидат (риталин), класса С, такие как транквилизаторы вместе с обезболивающими, отпускающимися без рецепта.

Примеры рамановских спектров трех наркотических веществ представлены на рис. 2. (барбитурат – синий, психоделический препарат (3С-bromo-dragonfly) – зеленый, кокаин – красный). Опять же, все спектры смещены друг относительно друга для четкости и ясности.

Рис. 2. Рамановские спектры трех наркотических веществ: барбитурат – синий, психоделический препарат (3С-bromo-dragonfly) – зеленый, кокаин – красный.

Реальные процедуры тестирования

Проведение тестирования реальных образцов включает в себя как использование поддерживаемых спектральных библиотек с эталонными спектрами для идентификации, так и калибровку прибора с использованием чистого состава каждого химического или наркотического вещества для разработки пользовательских библиотек для тестирования всех неизвестных материалов в режиме распознавания.

В портативный прибор встроены запатентованные алгоритмы сравнения, по которым рамановские спектры сравниваются с библиотечными, а затем выводится значения показателя качества (HQI), по которому определяются конечные результаты. Проведение анализа образцов таким способом обеспечивает достоверность идентификации и получения рамановских спектров, которые потом могут быть связаны с характеристиками химических материалов, а также предоставляет возможность проведения надежных исследований для однозначной идентификации неизвестных материалов даже неопытными пользователями. В обычном режиме работы общее время сканирования и сравнения с библиотекой данных занимает порядка 30 секунд, чтобы материал и выдать результат о совпадении.

Данная процедура приведена на рис. 3, который отображает рамановские спектры чистого ацетаминофена – красный (эталонный образец) и тайленола (обезболивающее, содержащее ацетаминофен в качестве активного элемента) – синий (исследуемый образец). Спектры были немного смещены друг относительно друга для наглядности, но четко видно, что оба спектра практически полностью идентичны, что говорит о положительном совпадении.

Рис. 3. Рамановские спектры чистого ацетаминофена – красный (эталонный образец) и тайленола (обезболивающее, содержащее ацетаминофен в качестве активного элемента) – синий (исследуемый образец)

На рис. 4. показано положительное совпадение исследуемого образца кокаина (синий) в сравнении с эталонным образцом (красный).

Рис. 4. Рамановские спектры, показывающие положительное совпадение исследуемого образца кокаина (синий) в сравнении с эталонным образцом (красный).

На рис. 5. Представлена идентификация взрывчатого вещества (TNT). Рамановский спектр эталонного образца TNT отображен красным цветом, а неизвестный образец показан синим цветом. Снова видно, что оба спектра практически полностью идентичны, что говорит о положительном совпадении.

Рис. 5. Рамановский спектр чистого образца тринитротолуола (красный) в сравнении со спектром взрывчатого вещества, содержащего тринитротолуол (синий).

Если идентификация не может быть произведена из-за слабого рамановского сигнала или из-за высокого уровня флуоресценции или в данном тесте просто-напросто нет совпадений, то прибор выдаст сообщение «No Match» на экране.

На рис. 6. показан рамановский спектр, для которого не было найдено совпадений с эталонным спектром из библиотеки данных. Когда такое происходит, пользователь может оставить спектр для дальнейшего анализа и после идентификации библиотека может быть обновлена.

Рис. 6. Рамановский спектр неизвестного образца, для которого не был найден эталонный спектр в библиотеке данных.

Заключение

У служб правоохранительных органов и национальной безопасности всегда будет потребность в получении характеристик и идентификации наркотических и химических веществ, которые используются незаконно и в нелегальных целях. Являются ли эти вещества наркотиками, допинговыми средствами, поддельными препаратами и лекарственными средствами или опасными и взрывчатыми веществами, используемыми в террористических актах, источник, природа происхождения и классификация данных материалов очень важна для раскрытия преступлений, совершенных с подобными веществами. Портативные рамановские спектрометры доказывают, что именно они идеально подходят для применения в подобных областях и приложениях.

Подробные характеристики портативный анализатор TacticID