Autorzy

dr hab. Piotr Adamowicz, prof. IESInstytut Ekspertyz Sądowych im. Prof. dra Jana Sehna w Krakowie

mgr Karolina AugustyniakUniwersytet Jagielloński w KrakowieWydział Chemii, Zakład Fizyki Chemicznej, Zespół Obrazowania Ramanowskiego

dr hab. inż. Hanna BarchańskaPolitechnika ŚląskaWydział Chemiczny, Katedra Chemii Nieorganicznej, Analitycznej i Elektrochemii

mgr Iwona BielUniwersytet Jagielloński w KrakowieWydział Chemii, Zakład Chemii Analitycznej, Zespół Analiz Sądowych i Klinicznych

dr hab. Agata Błażewicz, prof. NILNarodowy Instytut Leków, WarszawaZakład Leków Sfałszowanych i Wyrobów Medycznych

dr hab. Zuzanna Brożek-Mucha, prof. IESInstytutu Ekspertyz Sądowych im. Prof. dra Jana Sehna w Krakowie

dr inż. Magdalena Buszewska-ForajtaUniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu

Wydział Nauk Biologicznych i Weterynaryjnych, Instytut Medycyny Weterynaryjnej,

Katedra Nauk Podstawowych i Przedklinicznych

Uniwerystet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie

Wydział Biologii i Biotechnologii

Katedra Fizjologii, Genetyki i Biotechnologii Roślin

dr Ewelina ChajdukInstytut Chemii i Techniki JądrowejLaboratorium Jądrowych Technik Analitycznych

dr n. med. Agnieszka Chłopaś-KonowałekInstytut Ekspertyz Toksykologicznych w Borowej

mgr Kacper ChoromańskiCentrum Nauk Sądowych Uniwersytetu Warszawskiego,Uniwersytet Warszawki, Wydział Prawa i Administracji, Katedra Kryminalistyki

mgr farm. Joanna DawidowskaGdański Uniwersytet MedycznyWydział Lekarski, Katedra i Zakład Medycyny SądowejWydział Farmaceutyczny, Katedra Biofarmacji i Farmakodynamiki

dr Michał Adam DobrowolskiUniwersytet WarszawskiWydział Chemii, Zakład Chemii Teoretycznej i Strukturalnej, Pracownia Krystalochemii

dr n. med. Adam FrankowskiCentrum Nauk Sądowych Uniwersytetu Warszawskiego

mgr Małgorzata GołąbUniwersytet Jagielloński w KrakowieWydział Chemii, Zakład Chemii Analitycznej, Zespół Analiz Sądowych i Klinicznych

dr hab. Beata Jasiewicz, prof. UAMUniwersytet im. Adama Mickiewicza w PoznaniuWydział Chemii, Zakład Produktów Bioaktywnych

mgr Paweł KalbarczykInstytut Chemii i Techniki JądrowejLaboratorium Jądrowych Technik Analitycznych

dr Małgorzata KrólUniwersytet Jagielloński w KrakowieWydział Chemii, Zakład Chemii Analitycznej, Zespół Analiz Sądowych i Klinicznych

dr inż. Elżbieta MaćkiewiczPolitechnika ŁódzkaWydział Chemiczny, Instytut Chemii Ogólnej i Ekologicznej

dr hab. Kamilla Małek, prof. UJUniwersytet Jagielloński w KrakowieWydział Chemii, Zakład Fizyki Chemicznej, Zespół Obrazowania Ramanowskiego

prof. dr hab. Michał J. MarkuszewskiGdański Uniwersytet MedycznyWydział Farmaceutyczny, Katedra Biofarmacji i Farmakodynamiki

dr inż. Agnieszka MartynaUniwersytet Śląski w KatowicachWydział Nauk Ścisłych i Technicznych, Instytut Chemii,Zespół Chemii Sądowej

dr hab. Jan MaurinNarodowy Instytut Leków, WarszawaZakład Leków Sfałszowanych i Wyrobów Medycznych

dr Paweł NowakUniwersytet Jagielloński w KrakowieWydział Chemii, Zakład Chemii Analitycznej, Zespół Analiz Sądowych i Klinicznych

dr n. med. Karolina NowakUniwersytet OpolskiWydział Lekarski, Instytut Nauk Medycznych, Zakład Farmakologii

dr inż. Aleksandra PawlaczykPolitechnika ŁódzkaWydział Chemiczny, Instytut Chemii Ogólnej i Ekologicznej

mgr Łukasz PiętaUniwersytet Jagielloński w KrakowieWydział Chemii, Zakład Fizyki Chemicznej, Zespół Obrazowania Ramanowskiego

mgr farm. Karolina Pioruńska-SędłakNarodowy Instytut Leków, WarszawaZakład Leków Sfałszowanych i Wyrobów Medycznych

dr hab. Anna Poliwoda, prof. UOUniwersytet OpolskiWydział Chemii, Katedra Chemii Analitycznej

dr Magdalena PopławskaNarodowy Instytut Leków, WarszawaZakład Leków Sfałszowanych i Wyrobów Medycznych

mgr Marcelina RusinUniwersytet Jagielloński w KrakowieWydział Chemii, Zakład Chemii Analitycznej, Zespół Analiz Sądowych i Klinicznych

dr Marta SiczekUniwersytet Medyczny im. Piastów Śląskich we WrocławiuWydział Lekarski, Katedra Medycyny Sądowej, Zakład Medycyny SądowejPracownia Toksykologii Sądowej

dr Arleta SierakowskaUniwersytet im. Adama Mickiewicza w PoznaniuWydział Chemii, Zakład Produktów Bioaktywnych

dr inż. Wojciech SkrzeczanowskiWojskowa Akademia Techniczna Instytut Optoelektroniki

dr hab. Marek SmoluchAkademia Górniczo-Hutnicza w KrakowieWydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki

mgr Gracjana StachewiczGdański Uniwersytet MedycznyWydział Lekarski, Katedra i Zakład Medycyny Sądowej

Wydział Farmaceutyczny, Katedra Biofarmacji i Farmakodynamiki

mgr Paweł StelmaszczykUniwersytet Jagielloński w KrakowieWydział Chemii, Zakład Chemii Analitycznej, Zespół Analiz Sądowych i Klinicznych

dr n. farm. Karolina StypułkowskaNarodowy Instytut Leków, WarszawaZakład Leków Sfałszowanych i Wyrobów Medycznych

dr n. med. Paweł SzpotUniwersytet Medyczny im. Piastów Śląskich we WrocławiuWydział Lekarski, Katedra Medycyny Sądowej, Zakład Medycyny SądowejPracownia Toksykologii Sądowej

prof. dr. hab. inż. Małgorzata Iwona Szynkowska-JóźwikPolitechnika ŁódzkaWydział Chemiczny, Instytut Chemii Ogólnej i Ekologicznej

dr Anna TryndaCentrum Nauk Sądowych Uniwersytetu Warszawskiego

mgr Olga WachełkoInstytut Ekspertyz Toksykologicznych w Borowej

dr hab. Jolanta Wąs-Gubała, prof. IESInstytut Ekspertyz Sądowych im. Prof. dra Jana Sehna w Krakowie

dr hab. Marek WiergowskiGdański Uniwersytet Medyczny

Wydział Lekarski, Katedra i Zakład Medycyny Sądowej

dr hab. Renata Wietecha-Posłuszny, prof. UJUniwersytet Jagielloński w KrakowieWydział Chemii, Zakład Chemii Analitycznej, Zespół Analiz Sądowych i Klinicznych

mgr Patryk WłasiukUniwersytet Jagielloński w KrakowieWydział Chemii, Zakład Chemii Analitycznej

mł. bryg. mgr inż. Damian WoszczynaJednostka Ratowniczo Gaśnicza Nr 6 Komendy Miejskiej Państwowej Straży Pożarnej w Krakowie

dr hab. Michał Woźniakiewicz, prof. UJUniwersytet Jagielloński w KrakowieWydział Chemii, Zakład Chemii Analitycznej, Zespół Analiz Sądowych i Klinicznych

mgr Anna WójtowiczUniwersytet Jagielloński w KrakowieWydział Chemii, Zakład Chemii Analitycznej, Zespół Analiz Sądowych i Klinicznych

prof. dr hab. Grzegorz ZadoraInstytut Ekspertyz Sądowych im. Prof. dra Jana Sehna w KrakowieUniwersytet Śląski w KatowicachWydział Nauk Ścisłych i Technicznych, Instytut Chemii, Zespół Chemii Sądowej

dr hab. n. med. Marcin Zawadzki, prof. UMWUniwersytet Medyczny im. Piastów Śląskich we WrocławiuWydział Lekarski, Katedra Medycyny Sądowej, Zakład Medycyny SądowejPracownia Toksykologii Sądowej

prof. dr hab. Janina Zięba-PalusInstytut Ekspertyz Sądowych im. Prof. dra Jana Sehna w Krakowieemerytowany pracownik

dr hab. Dariusz Zuba, prof. IESInstytut Ekspertyz Sądowych im. Prof. dra Jana Sehna w Krakowie

Słowo wstępne

Oddajemy do rąk Czytelników książkę, na którą środowisko akademickie czekało już od wielu lat. Chemia sądowa, a w szczególności analityka sądowa, jest bowiem tą dziedziną nauki i praktyki chemicznej, która cieszy się coraz większym zainteresowaniem zarówno od strony naukowej, jak i dydaktycznej. Na krajowym rynku wydawniczym ciągle jednak jest niewiele pozycji o charakterze monograficznym z tej dziedziny i obecne wydanie ma za zadanie chociaż częściowo uzupełnić tę lukę.

Pierwsza książka pt. "Chemia sądowa" ukazała się w 2002 roku nakładem Wydawnictwa Instytutu Ekspertyz Sądowych im. Prof. dra Jana Sehna w Krakowie jako zbiór wykładów, seminariów i ćwiczeń laboratoryjnych z zakresu toksykologii i fizykochemii sądowej. Podręcznik ten stanowił podstawę zajęć dydaktycznych, jakie były prowadzone na Wydziale Chemii Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie od 1996 roku. Wtedy to powstała pierwsza w polskich ośrodkach akademickich specjalizacja z zakresu chemii sądowej, która od razu zdobyła bardzo dużą popularność wśród studentów. Cztery lata później została otwarta Pracownia Chemii Sądowej jako zaplecze badawcze prowadzonych zajęć dydaktycznych. Taki stan rzeczy trwa na Wydziale Chemii UJ do dziś. W okresie minionych 25 lat specjalizację ukończyło ponad 200 studentów z tytułem magistra chemii, a kilkudziesięciu słuchaczy obroniło w tej dziedzinie swoje prace doktorskie.

Ogromną rolę w tych inicjatywach odegrali Pracownicy Instytutu Ekspertyz Sądowych im. Dra Jana Sehna w Krakowie. Od początku stanowili ważną część kadry dydaktycznej, otwierając jednocześnie pracownie badawcze Instytutu z całym ich wyposażeniem laboratoryjnym i aparaturowym dla studentów. Trudno sobie wyobrazić wprowadzenie chemii sądowej do dość tradycyjnego jeszcze w latach 90. XX wieku programu dydaktycznego Wydziału Chemii UJ, a później rozwinąć ją naukowo bez ich pomocy i wsparcia. Bardzo się cieszę, że tak duże grono Koleżanek i Kolegów z Instytutu wzięło również udział w powstaniu tej monografii.

W ostatnich kilkunastu latach chemia sądowa pojawiła się w różnych formach dydaktycznych i pod rozmaitymi nazwami w innych polskich uczelniach. Jak mi wiadomo, wszędzie stanowi bardzo atrakcyjny przedmiot zdobywania wiedzy chemicznej. Z pewnością jest tak dlatego, że studenci mają możliwość łączenia zagadnień teoretycznych z niezwykle interesującymi problemami praktycznymi, bliskimi naszego codziennego życia. W dobie skądinąd niezrozumiałej, ale zauważalnej w środkach masowego przekazu deprecjacji chemii, daje im to również poczucie większej realnej potrzeby i sensu studiowania tak przecież trudnej dyscypliny naukowej.

Praca dydaktyczna jest zawsze motywacją i inspiracją do powstania i rozwoju nowych kierunków badań naukowych. Tak się oczywiście również dzieje w przypadku chemii sądowej. Najlepszym przykładem jest powstanie w ostatnich latach Centrum Nauk Sądowych Uniwersytetu Warszawskiego, które w ramach studiów stacjonarnych i podyplomowych prowadzi - we współpracy m.in. z Centralnym Laboratorium Kryminalistycznego Policji - szeroko zakrojone badania obejmujące nie tylko chemię sądową, ale także inne nauki sądowe. Tego typu działalność, wsparta pomocą ekspertów stykających się na co dzień z praktyką kryminalistyczną, sprzyja szybkiemu podnoszeniu specjalistycznych kwalifikacji kadry akademickiej, a to w bezpośredni sposób przekłada się na wysoką jakość pracy dydaktycznej.

Należy zatem wyrazić ogromne zadowolenie, że tak wiele Koleżanek i Kolegów reprezentujących zarówno ośrodki akademickie, jak i instytucje branżowe zdecydowało się podzielić swoją bogatą wiedzą w powstaniu tej monografii. Spotkaliśmy się w ramach utworzonego w 2020 roku Zespołu Analityki Sądowej i Toksykologicznej Komitetu Chemii Analitycznej PAN i wraz z innymi specjalistami spoza tego Zespołu postanowiliśmy podjąć się tego zadania. Każdy z nas wniósł do niej swój wkład oparty na własnych doświadczeniach naukowych, badawczych i dydaktycznych. Dzięki temu zakres tematyczny książki jest szeroki i zróżnicowany.

Doszliśmy do wniosku, że czynnikiem łączącym nasze wysiłki, a jednocześnie głównym elementem wiedzy i umiejętności chemicznych, jaki w istocie jest podstawą naszej pracy badawczej i dydaktycznej w zakresie chemii sądowej, jest ilościowa i jakościowa analiza chemiczna. Stąd powstała nazwa obecnego opracowania. Zadania analityka sądowego dotyczą zarówno toksykologii sądowej, jak i fizykochemii kryminalistycznej i te dwa obszary tematyczne zajmują główne miejsce w książce. Bardzo nam zależało, aby studenci mogli zapoznać się również z aktualnymi metodami analitycznymi i nowoczesną aparaturą używaną w analityce sądowej i dlatego część książki jest temu poświęcona. Treść podręcznika uzupełniają rozdziały dotyczące metod chemometrycznych i aspektów prawnych, dotyczące dwóch odrębnych zagadnień, lecz poszerzających ściśle eksperymentalne spojrzenie na chemię i analitykę sądową.

Serdecznie dziękuję wszystkim Autorom za podjęcie wspólnej inicjatywy i za trud opracowania poszczególnych rozdziałów książki. Choć każdy z nas ma z natury rzeczy nieco inny punkt widzenia na zagadnienia i problemy analityki sądowej, książkę można traktować - może właśnie dlatego - jako całościowe i wszechstronne kompendium wiedzy z tej dziedziny. Mam nadzieję, że w takim kształcie będzie ona interesująca i przydatna dla wszystkich osób zainteresowanych profesjonalnie chemią sądową, a w szczególności analityką sądową. Wierzę, że ułatwi ona ujednolicenie do pewnego stopnia przekazu dydaktycznego w tym obszarze, przyczyni się do podjęcia nowych tematów badawczych, a także stanie się impulsem do wprowadzenia tej tak interesującej dziedziny chemii do tych ośrodków akademickich, w których tego jeszcze nie uczyniono.

Na koniec chciałbym również podziękować moim Współpracownikom, dr hab. Renacie Wietesze-Posłuszny, prof. UJ, dr Małgorzacie Król i dr hab. Michałowi Woźniakiewiczowi, prof. UJ, za pracę nad redakcją merytoryczną tej książki. Mam nadzieję, że ta rola będzie dla Was obligująca do tego, aby następna jej edycja pojawiła się wcześniej niż za kilkadziesiąt lat.

Prof. dr hab. Paweł Kościelniak

1Spektrometria mas jonów wtórnych z analizatorem czasu przelotu (ToF-SIMS) w analizie kryminalistycznej

Elżbieta MAĆKIEWICZ Małgorzata Iwona SZYNKOWSKA-JÓŹWIK

1.1Wprowadzenie - krótka charakterystyka techniki ToF-SIMS

Spektometria mas jonów wtórnych z analizatorem czasu przelotu (ang. Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry, ToF-SIMS), mimo iż jest stosunkowo młodą techniką, zyskała duże uznanie i szerokie zastosowanie w chemicznych badaniach powierzchni różnego rodzaju próbek, gdyż dostarcza informacji o składzie cząsteczkowym, pierwiastkowym i izotopowym próbki z niezwykle dużą czułością. Od momentu powstania pierwszych urządzeń (przełom lat siedemdziesiątych i osiemdziesiątych XX w.) dokonano imponującego rozwoju tej techniki. Początkowo technikę tę wykorzystywano do badań składu takich materiałów, jak: półprzewodniki, katalizatory i polimery [1]. Obecnie ma ona szerokie zastosowanie w analizie uszkodzeń materiałów, kontroli jakości, analizie przemysłowej, analizie zanieczyszczeń, analizie materiałów biologicznych, toksykologii i kryminalistyce [2-4]. Technika ToF-SIMS jest quasi-nieniszcząca, gdyż do badań zużywana jest śladowa ilość badanej próbki. Ponadto brak skomplikowanego procesu przygotowania próbki, duża rozdzielczość przestrzenna i czułość oraz krótki czas analizy sprawiają, że technika ta może być niezwykle użyteczna w wielu dziedzinach nauki. W technice ToF-SIMS istnieje możliwość pracy w różnych trybach, mianowicie: generowanie wysoce rozdzielczych widm mas w szerokim zakresie mas (widma masowe jonów dodatnich lub ujemnych) (ang. static SIMS), obrazowanie powierzchni próbki z analizą mikroobszarów (ang. surface imaging) i analiza głębokościowa (ang. depth profiling, dynamic SIMS) [1-4]. Ze względu na swoje zalety technika ta znalazła zastosowanie w analizie śladowej, a następnie zaczęto stosować ją w naukach sądowych w badaniach różnego rodzaju śladów, które ujawniane są na miejscu zdarzenia.

1.2Zasada działania spektrometru ToF-SIMS

Techniki obrazowania ze spektrometrią mas opierają się na desorpcji cząsteczek obecnych na powierzchni stałej, płaskiej próbki. Mechanizm jonizacji występuje w bardzo wysokiej próżni, gdzie powierzchnia próbki jest bombardowana impulsową wiązką jonów pierwotnych o dużej energii (O2+, Cs+, Ga+, Aun+, Bin+, Arn+, Xe+, C+60). Następnie wiązka ta jest odpowiednio ogniskowana i w efekcie następuje skanowanie powierzchni próbki za pomocą jonów pierwotnych. Obecnie najczęściej stosowanym źródłem jonów pierwotnych jest działo Bin+ (klastry). Wskutek bombardowania wiązką jonów pierwotnych następuje wybicie jonów lub atomów z wierzchniej monowarstwy próbki. Powstałe w ten sposób jony wtórne (ang. secondary ions) są wyrzucane i zbierane za pomocą soczewki ekstrakcyjnej wysokiego napięcia i przekazywane do analizatora czasu przelotu, ToF, a następnie do detektora. Dzięki zastosowaniu tego typu analizatora możliwa jest jednoczesna analiza pierwiastkowa, molekularna i izotopowa. W ten sposób z danego obszaru próbki (zazwyczaj 100 ?m × 100 ?m) generowane jest widmo masowe (statyczny SIMS). Następnie, bazując na tym samym obszarze próbki możliwe jest uzyskanie obrazu rozkładu poszczególnych składników próbki, który wyznaczany jest na podstawie otrzymanego wcześniej widma (obrazowanie powierzchni). Dodatkowo, dla próbek, których skład zmienia się wraz z głębokością, możliwe jest profilowanie wgłębne za pomocą impulsowej wiązki jonów pierwotnych lub rozpylających przy rozdzielczości przestrzennej do 4 nm (dynamiczny SIMS - analiza głębokościowa) [1-4]. Uzyskane wyniki pomiarów zawierają dużą ilość informacji, szczególnie w przypadku próbek wieloskładnikowych, których analiza i interpretacja jest trudna ze względu na bardzo dużą liczbę pików w widmie masowym. W ostatnich latach wysokiej jakości widma masowe otrzymywane techniką ToF-SIMS coraz częściej poddawane są obróbce za pomocą metod statystycznych i chemometrycznych. Podstawowe parametry pracy spektrometru ToF-SIMS przedstawiono w tabeli 1.1, natomiast schemat budowy spektrometru ToF-SIMS przedstawiono na rysunku 1.1.

W trybie statycznym, w którym dawka jonów pierwotnych nie przekracza 1013 jonów/cm2, badany jest skład chemiczny próbki na wybranym obszarze. Czułość metody w tym trybie wynosi 10-6 monowarstwy, co odpowiada stężeniu rzędu 1 ppm [2, 4]. Uznaje się, że dla próbek o niewielkim rozmiarze metoda ta jest quasi-nieniszcząca, w przypadku próbki o dużym rozmiarze istnieje konieczność pobrania z niej mniejszej próbki, co może spowodować konieczność ingerencji w próbkę wyjściową (np. pobranie niewielkiego wycinka dokumentu z typowego arkusza A4). Jest to uniwersalny tryb badania próbek z możliwością uzyskania informacji o pełnym składzie pierwiastkowym, izotopowym i cząsteczkowym. Wadami natomiast są: duży stopień fragmentacji cząsteczek, szczególnie w przypadku cząsteczek o dużych masach, wpływ struktury próbki i obecność porów na powierzchni na jakość otrzymywanego sygnału [4]. Na rysunku 1.2 zaprezentowano przykładowe widmo mas uzyskane techniką ToF-SIMS.

W badaniach próbek o charakterze kryminalistycznym bardzo często korzysta się z trybu obrazowania powierzchni, który połączony jest z analizą chemiczną mikroobszarów próbki. Dzięki redukcji średnicy wiązki jonów pierwotnych osiąga się zogniskowanie jej na wybranym, bardzo małym obszarze próbki (mikroobszarze). W ten sposób generowane jest zarówno widmo masowe, jak i skanowanie kolejnych mikroobszarów próbki, w efekcie czego powstaje mapa rozkładu poszczególnych składników na badanym obszarze próbki.

Tryb analizy głębokościowej (dynamiczny SIMS) wykonywany jest przy użyciu wiązki jonów (wiązka jonów pierwotnych lub inne źródło jonów - działo jonów rozpylających, ang. sputtering ion beam) celem odsłonięcia kolejnych warstw próbki. Proces ten wykonywany jest naprzemiennie z analizą składu chemicznego odsłoniętej powierzchni. W ten sposób uzyskiwana jest zależność składu chemicznego badanej próbki od profilu głębokościowego. W przypadku próbek o charakterze kryminalistycznym analizę tego typu wykonuje się znacznie rzadziej w porównaniu do badań z zastosowaniem widm mas lub obrazowania powierzchni, niemniej jednak może stanowić cenne źródło informacji dla próbek, których skład zmienia się wraz z głębokością.

Technika ToF-SIMS wymaga próbek możliwie jak najbardziej płaskich, które przewodzą ładunki elektryczne. W przypadku próbek ładujących się (nieprzewodzących) istnieje możliwość kompensacji ładunku. Stosuje się wówczas działo elektronów (ang. flood gun) o niskiej energii wynoszącej do 20 eV. Techniką ToF-SIMS na ogół nie prowadzi się analiz ilościowych, chyba, że posiadamy wzorzec danego materiału, możliwa jest natomiast analiza półilościowa. Do wad tej techniki można zaliczyć różnice w wydajności generowania jonów w zależności od matrycy [1-4].

1.3Zastosowanie ToF-SIMS w badaniach próbek o charakterze kryminalistycznym

W ostatnich kilkunastu latach zaprezentowano możliwości zastosowania techniki ToF-SIMS w analizie próbek o charakterze kryminalistycznym. W dziedzinie nauk sądowych ToF-SIMS jest szczególnie przydatny do obrazowania składników próbki, co ma swoje zastosowanie m.in. w wizualizacji śladów linii papilarnych. Zainteresowanie techniką ToF-SIMS w badaniach próbek mogących stanowić dowody w sprawach sądowych znacznie wzrosło. Dotychczas technika ta znalazła zastosowanie w badaniach wielu rodzajów próbek, przykładowo: śladów linii papilarnych zanieczyszczonych różnego rodzaju substancjami [4-13], określania wieku śladów linii papilarnych [14], składu różnego rodzaju materiałów kryjących oraz kolejności ich nakładania [3, 4, 9, 10, 15-17], określania wieku dokumentów [18], składu tonerów [17], cząstek powystrzałowych (GSR) [5, 6, 8-10], prochu strzelniczego i materiałów wybuchowych [19, 20], włosów [21, 22], kosmetyków [23], włókien [24] i lakierów samochodowych [25].

1.3.1Ślady linii papilarnych

Ślady linii papilarnych są jednym z najczęściej spotkanych dowodów ujawnianych na miejscu zdarzenia. Linie papilarne ze względu na unikatowy charakter oraz niezmienność w czasie stanowią od dawna niezwykle istotne narzędzie identyfikacji osób. W śledztwach kryminalnych nacisk kładziony jest przede wszystkim na zlokalizowanie śladów, które podejrzany mógł pozostawić na miejscu przestępstwa. Są to trzy główne typy śladów, mianowicie: (a) ślad linii papilarnych, w którym materiał przenoszony jest z opuszka palca na powierzchnię, (b) ślad w miejscu, gdzie zetknięcie palca z powierzchnią powoduje usunięcie materiału z tej powierzchni (np. kurz lub inne zanieczyszczenie), (c) ślad w miejscu, w którym zetknięcie opuszka palca z powierzchnią powoduje pozostawienie trwałego śladu w miękkiej substancji. Ślady linii papilarnych pozostawionych na miejscu zdarzenia (typ pierwszy) można podzielić na utajnione, niewidoczne gołym okiem, wymagające ujawnienia lub widoczne - zanieczyszczone różnego rodzaju substancjami (krew, błoto, olej, farba, tłuszcz, inne). W obu przypadkach dalsza analiza materiału przeniesionego z palca może doprowadzić do powiązania osoby podejrzanej z miejscem zdarzenia. Tego typu ślady linii papilarnych można badać dwojako, mianowicie pod kątem wizualizacji utajnionych śladów za pomocą metod ujawniania śladów daktyloskopijnych celem zabezpieczenia dowodu i porównania ze śladami zgromadzonymi w bazie Automatycznego Systemu Identyfikacji Daktyloskopijnej (ang. Automated Fingerprint Identification System, AFIS) oraz pod kątem składu chemicznego lub zawartości substancji egzogennych w badanym śladzie. Obecnie dzięki zastosowaniu nowoczesnych metod instrumentalnych możliwe jest nie tylko wykrycie substancji obcych w śladzie daktyloskopijnym (zanieczyszczenie śladu), lecz także profilowanie składu sebum, a tym samym uzyskanie dodatkowych informacji o podejrzanym (płeć, przyjmowane leki/narkotyki, nawyki żywieniowe) [26].

W pracach [3-11] przedstawiono możliwości zastosowania techniki ToF-SIMS w wykryciu i wizualizacji substancji egzogennych, które mogą być przenoszone na opuszkach palców np. z miejsca zdarzenia (substancje psychoaktywne takie jak: amfetamina, 3,4-metylenodioksymetamfetamina - MDMA, ecstasy; ślady po wystrzale z broni palnej; inne zanieczyszczenia). Ślady te badano na różnego rodzaju powierzchniach (szkło, folia aluminiowa, mosiądz, miedź, stal nierdzewna, papier). Wszystkie badane substancje obce zostały poprawnie zidentyfikowane przy użyciu techniki ToF-SIMS, ponadto wykonano wizualizację części lub całości śladów linii papilarnych. W widmach mas próbek zanieczyszczonych amfetaminą stwierdzono obecność pików przy m/z = 77,04, 91,05 oraz 136,11 (protonowany jon molekularny C9H15N+). Dla śladów zanieczyszczonych MDMA, stwierdzono obecność jonów charakterystycznych przy m/z = 135,05, 163,08, 194,13 (protonowany jon molekularny C11H16NO2+). Wyniki wykazały, że technika ToF-SIMS może być bardzo skutecznym narzędziem w badaniach zanieczyszczeń śladów linii papilarnych oraz może pomóc w identyfikacji zarówno substancji egzogennej, jak i jej rozkładu na powierzchni (obrazowanie). Dodatkowo, dokonano ważnego z punktu widzenia praktycznego zastosowania tej metody, ujawnienia śladu linii papilarnych zanieczyszczonych amfetaminą przy użyciu proszku daktyloskopijnego oraz transferu tak powstałego śladu za pomocą taśmy daktyloskopijnej. Stwierdzono, że obecność proszku zmniejsza emisję jonów wtórnych z powierzchni próbki, jednakże wykrycie i wizualizacja amfetaminy jest wciąż możliwa, co istotnie poszerza możliwości analizy śladów kryminalistycznych przy użyciu aparatury ToF-SIMS [11].

Innymi zanieczyszczeniami powierzchni palców badanymi za pomocą techniki ToF-SIMS są kosmetyki [12]. Terlier i współpracownicy zbadali różne produkty kosmetyczne dostępne na rynku południowokoreańskim (szminki, kremy, podkłady, lakiery do paznokci) oraz możliwości ich wykrycia na śladzie kryminalistycznym. Początkowo wykonano swego rodzaju bibliotekę widm badanych kosmetyków, a wyniki opracowano za pomocą metod chemometrycznych. Następnie wykonano właściwe pomiary, które miały na celu wykrycie i identyfikację substancji w śladzie. Na opuszki palców nakładano niewielkie ilości badanych kosmetyków i pozostawiano ślady linii papilarnych na płytkach krzemowych (w przypadku szminek pozostawiano ślady ust). Wyniki pomiarów analizowano przy użyciu metod chemometrycznych - zastosowano współczynnik dopasowania oparty na prawdopodobieństwie (MF) w połączeniu z analizą głównych składowych (PCA). Dodatkowo, w celu sprawdzenia poprawności zastosowanego protokołu badawczego wykonano i zbadano próbki śladów linii papilarnych zanieczyszczonych nieznanym kosmetykiem. Dzięki połączeniu metod analizy wielowymiarowej możliwa była szybka i trafna identyfikacja nieznanego produktu kosmetycznego.

Co więcej, wciąż podejmowane są próby badań ilościowych narkotyków za pomocą techniki ToF-SIMS [13]. Badane substancje psychoaktywne (kokaina, heroina, metamfetamina) nanoszono za pomocą drukarki w znanym stężeniu na dwa różne podłoża (papier, cienka płytka krzemowa) oraz na te same podłoża, na których zostały wcześniej złożone ślady linii papilarnych przy użyciu sebum (w celu uzyskania jak najlepszej powtarzalności zastosowano sztuczny palec oraz sztucznie spreparowane sebum). Początkowo w ten sposób wykonano swego rodzaju krzywą kalibracyjną w zakresie stężeń od 8 pg do 50 ng. Stwierdzono, że przebieg tych krzywych w większości przypadków ma charakter liniowy, a minimalne zawartości substancji psychoaktywnych, które zostały wykryte wynosiły 8 pg dla kokainy i heroiny oraz 1 ng dla metamfetaminy na podłożu krzemowym. Badania wykazały również, że obecność sebum w znacznym stopniu tłumi sygnał pochodzący od badanych substancji psychoaktywnych. Dla podłoża papierowego uzyskano dużo gorsze wyniki ze względu na jego chłonność i obecność dużej liczby grup hydroksylowych w celulozie. Wyniki te jednak mogą być wstępem do ilościowych badań techniką ToF-SIMS [13].

Technika ta została również zastosowana do próby określenia wieku śladów linii papilarnych, co jest niezwykle istotnym problem w kryminalistyce [14]. Autorzy zastosowali technikę ToF-SIMS do określenia stopnia dyfuzji w czasie (1-96 godzin) wybranego kwasu tłuszczowego obecnego w łoju (kwas palmitynowy) na płytkę krzemową. Po uzyskaniu obrazów jonowych śladów linii papilarnych stwierdzono, że kwas palmitynowy dyfunduje po 24 godzinach z grzbietów linii papilarnych na podłoże, podczas gdy po 48 godzinach obserwacja grzbietów linii papilarnych jest już bardzo trudna. Autorzy zastosowali w swoich badaniach modelowanie matematyczne, które pozwoliło na wyznaczenie liniowego zakresu dyfuzji cząsteczek kwasu od krawędzi odcisku palca. W pracy udało się uzyskać zadowalające wyniki dla wieku śladów linii papilarnych wynoszącego poniżej 96 godzin, jednak opracowana metoda określania wieku śladów linii papilarnych ma też swoje ograniczenia, np. dyfuzyjność może wymagać indywidualnej oceny dla badanego podłoża [14].

1.3.2Materiały kryjące

Kolejną grupą próbek kryminalistycznych szeroko badaną przy użyciu techniki ToF-SIMS i opisywaną w literaturze są różnego rodzaju materiały kryjące. Kryminalistyczne badania dokumentów odnoszą się do ekspertyz wykonywanych w celu poświadczania autentyczności dokumentów. Na przestrzeni lat organy ścigania miały do czynienia z olbrzymią liczbą przypadków fałszerstw dokumentów, bądź to podrobienia dokumentu (analiza grafologiczna), bądź też przeróbki dokumentów (analiza chemiczna materiałów kryjących). Ze względu na dostęp do nowoczesnych technologii oraz coraz bardziej wyrafinowanym formom popełniania fałszerstw zrodziła się potrzeba analizy składu i możliwości wzajemnego porównywania (dyskryminacji) różnego rodzaju materiałów kryjących, analizy linii przecinających się oraz określania wieku dokumentów. Mimo iż coraz częściej podpis na dokumencie nie jest wymagany (dokumenty elektroniczne), to wciąż na najważniejszych umowach złożenie podpisu jest konieczne. Analiza składu i przecinania się linii jest szczególnie ważna w przypadkach podejrzenia, że dokument został zmieniony bez wiedzy jednej ze stron. Ustalając, która z linii pisma lub druku została wykonana jako ostatnia, możliwe jest rozwiązanie tego typu sporu prawnego. Ze względu na szeroką gamę dostępnych artykułów piśmienniczych (różnego typu długopisy, pióra wieczne, pióra kulkowe, cienkopisy), dużą liczbę producentów, skład zawartości wkładów objęty tajemnicą handlową i zmienność składu, analiza taka nie jest prosta.

Technika ToF-SIMS umożliwia badania materiałów kryjących bezpośrednio z podłoża, bez konieczności żmudnego przygotowywania próbek do analizy. Technika ta ponadto - jak już wcześniej wspomniano - dostarcza informacji o składzie próbki w trybie jonów wtórnych dodatnich i ujemnych, składzie cząsteczkowym i pierwiastkowym, co ma bardzo duże znaczenie w przypadku analizy materiałów kryjących. Często obecność w próbkach śladowych ilości różnych pierwiastków pozwala na rozróżnienie próbek materiałów kryjących.

Szynkowska i wsp. wykonali wstępne próby określenia kolejności nakładania się past długopisowych w różnych kolorach [9, 10]. W pracy [9] zbadano kolejność nakładania się past w kolorach czerwonym i czarnym, natomiast w pracy [10] kolejność nakładania się past w kolorach niebiskim i czerwonym oraz zielonym i czerwonym. W paście nakreślonej kolorem czarnym stwierdzono obecność takiego barwnika jak fiolet metylowy (jon C25N2H+30, m/z = 372,24) oraz jonu C24N2H+28 (m/z = 358,23), w paście koloru czerwonego - obecność jonów C28N2O3H+31 oraz C28N2O3H+26 przy m/z wynoszącym analogicznie 443,23 i 415,20 świadczących o obecności rodaminy B, barwnika charakterystycznego dla past długopisowych koloru czerwonego [9]. Dzięki obrazowaniu powierzchni możliwe było określenie, która z linii została nakreślona jako pierwsza.

Coumbaros i wsp. zbadali skład niebieskich past długopisowych w długopisach dostępnych na rynku australijskim [15]. Skład past zbadano zarówno w trybie jonów dodatnich, jak i ujemnych, stwierdzono jednak, że tryb jonów dodatnich dostarcza cenniejszych informacji. W tabeli 1.2 zaprezentowano uzyskane wyniki pomiarów. Stwierdzono, że pasty długopisowe różnych producentów można łatwo odróżnić od siebie na podstawie składu pierwiastkowego i cząsteczkowego. Jednak w przypadku określonej marki, skład past długopisowych był bardzo zbliżony, a niektórych wręcz nie można było od siebie odróżnić (np. Bic Click 2000 i Bic Cristal). W przypadku długopisów marki Bic wszystkie pasty zawierały barwniki Basic Violet 3 (m/z = 372) oraz Basic Violet 1 (m/z = 358). Bic Velocity jako jedyny w swym składzie zawierał barwnik Ethyl Violet (m/z = 456), ponadto jako jedyny charakteryzował się bogatym składem pierwiastkowym. Analiza widm mas długopisów Papermate Flexigrip Ultra i Papermate Comfort Mate wykazała, że pasty te były bardzo do siebie podobne, gdyż zawierały jon przy m/z = 478 i miały pik podstawowy przy m/z = 240. Co więcej, w tych pastach wykryto również barwniki Basic Violet 1 (m/z = 372) i Basic Violet 3 (m/z = 358). Jedynymi dostrzegalnymi różnicami w widmach tych dwóch past długopisowych są obecność jonu przy m/z = 118 w widmie mas pasty długopisu Papermate Comfort Mate i jon fosforu wykryty w widmie mas tuszu długopisu Papermate Flexigrip Ultra. Pozostałe długopisy innych marek można z łatwością odróżnić zarówno między sobą, jak i od pozostałych badanych próbek.

Denman i wsp. przebadali skład 24 próbek past długopisowych w większości znanych marek światowych [16]. Dla porównania, kilka rodzajów długopisów zakupiono w różnym czasie tak, aby pochodziły z różnych partii produkcyjnych. Stwierdzono, że wszystkie pasty długopisowe zawierały barwniki takie jak Basic Violet 1 i Basic Violet 3, natomiast różniły się zawartością innych barwników jak: Basic Violet 14, Basic Yellow 1, Basic Blue 7, Basic Blue 26 oraz pierwiastków: Al, Ca, Co, Cr, Cu, Fe, K, Mg, Mn, Na, Ni, Pb, Si, Ti, V i Zn. Uzyskane wyniki badań potwierdziły, że nawet wkłady do długopisów jednego rodzaju i jednej marki mogą znacząco różnić się składem chemicznym. Taką różnicę zaobserwowano m.in. w przypadku długopisu Bic Click 2000 Medium - dwie próbki z tej samej partii miały bardzo podobny skład, natomiast jedna, zakupiona siedem miesięcy wcześniej, zawierała inne barwniki [16].

W innej pracy zbadano skład takich materiałów kryjących jak: pasta długopisowa, toner, tusz z pisaka i pieczęci (wszystkie w kolorze czerwonym) oraz kolejność ich nakładania na podłożu [17]. W widmach mas (a) tonera wykryto Al, Si, K oraz następujące jony przy m/z = 73, 147, 207, 221, 281, 325, (b) tuszu z pieczęci: m/z = 105, 109, 208 (Pb), 239, (c) pasty długopisowej m/z = 23 (Na), 105, 117, 415, 429, 443, tuszu z pisaka: m/z = 23 (Na), 125, 127, 331, 375, 493. W paście długopisowej zidentyfikowano dwa piki przy m/z = 415 i 443 odpowiadające barwnikom Rhodamine B i/lub Rhodamine 6G (C28H31ClN2O3, oba są izomerami, czyli mają taki sam wzór sumaryczny oraz masę, ale inne struktury chemiczne). Kolejność nakładania badanych materiałów kryjących określono przy użyciu profilowania głębokościowego. Jako przykłady możliwości wykorzystania w tym celu tego tryby SIMS przedstawiono wyniki dla tonera i tuszu z pieczęci w obu konfiguracjach (toner pod tuszem, toner na tuszu). Jako wtórne jony charakterystyczne monitorowano intensywności Al+, Si+, K+, Pb+ oraz jonów o m/z = 73 i 109. Stwierdzono różnice w intensywnościach badanych jonów pomiędzy wierzchnimi warstwami próbek a warstwami leżącymi niżej, co dało możliwość ustalenia, który z materiałów kryjących został naniesiony na papier jako pierwszy. Dodatkowo, możliwość obrazowania techniką ToF-SIMS wykorzystano również do weryfikacji cyfr lub znaków zmienionych dwoma różnymi czerwonymi pisakami. W tym przypadku możliwe było rozróżnienie badanych próbek ze względu na ich bardzo różny skład pierwiastkowy i cząsteczkowy [17].

Goacher w swojej pracy zajął się niezwykle ważnym problemem z punktu widzenia kryminalistyki, mianowicie zróżnicowaniem i określaniem wieku dokumentu na podstawie stopnia rozkładu wybranego barwnika w pastach długopisowych [18]. Zbadano trzy komercyjnie dostępne długopisy w kolorze czarnym (Bic Pro+, Papermate Profile, Staples Motiva) przy czasie starzenia naniesionych linii wynoszącym od 4 do 671 dni (przygotowane próbki przechowywano w szufladzie w temperaturze pokojowej). Analiza widm obejmowała przede wszystkim ocenę stopnia demetylacji oksydacyjnej barwników triarylometanowych, takich jak Methyl Violet. Barwnik ten jest jednym z najczęściej spotykanych barwników w pastach długopisowych. Jego widmo masowe jest zdominowane przez jon quasi-cząsteczkowy przy m/z = 372,24 (C25N3H+30). Cząsteczka ta daje również charakterystyczne jony fragmentacyjne przy m/z = 340 i 356. Następnie wskutek procesu starzenia następuje rozkład barwnika (demetylacja) i wówczas głównymi pikami wykrywanymi na widmie masowym są kolejno piki od jonów molekularnych przy m/z = 358,23, 344,21, 330,20, 316,18, 302,17, 288,15 i odpowiadających im jonów fragmentacyjnych. Na podstawie wykonanych pomiarów stwierdzono, że skład past długopisowych najbardziej zmieniał się w czasie do 6 miesięcy trwania procesu starzenia, a tylko w niektórych przypadkach - do 22 miesięcy.

1.3.3Cząstki powystrzałowe, proch strzelniczy i materiały wybuchowe

Badania cząstek powystrzałowych GSR (ang. Gunshot Residues) od wielu lat z powodzeniem wykonywane są przy użyciu techniki skaningowej mikroskopii elektronowej z energodyspersyjną spektroskopią rentgenowską (ang. Scanning Electron Microscopy with Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, SEM-EDS). Niemniej jednak wciąż poszukiwane są inne techniki, które mogą uzupełniać wyniki uzyskane za pomocą mikroskopii elektronowej, szczególnie ze względu na fakt, iż obecnie prowadzone są intensywne badania nad ogólnym składem cząstek pozostałości powystrzałowych, nie tylko nad charakterystycznymi kulistymi cząstkami zawierającymi metale ciężkie, ale także nad szeregiem różnego rodzaju związków organicznych powstających w wyniku wystrzału z broni palnej. Typowe cząstki powystrzałowe zawierają w swym składzie Ba, Pb i Sb. Za pomocą techniki ToF-SIMS istnieje możliwość chemicznego obrazowania m.in. śladów linii papilarnych zanieczyszczonych cząstkami powystrzałowymi [5, 6, 8-10]. Badając tego typu ślady, Szynkowska i wsp. stwierdzili obecność takich substancji jak Sb, Ba, BaOH oraz izotopów ołowiu 206Pb, 207Pb i 208Pb. Próbki cząstek powystrzałowych pobierano z różnych powierzchni (ekran telefonu komórkowego, drewniany blat stołu, stal, szkło) za pomocą różnych taśm daktyloskopijnych. Dodatkowo, w celu zobrazowania powierzchni badanych próbek wykonano mapy rozkładu wykrytych jonów wtórnych. Badania te potwierdzono przy użyciu techniki SEM-EDS.

Przy użyciu techniki ToF-SIMS badano również proch bezdymny, czarny proch strzelniczy oraz materiały wybuchowe [19, 20]. W pierwszej pracy zbadano trzy rodzaje prochu bezdymnego oraz sześć rodzajów czarnego prochu [19]. Wyniki analizowano przy użyciu analizy głównych składowych (PCA) w celu zmniejszenia wymiarowości złożonych danych. Dzięki zastosowaniu techniki ToF-SIMS możliwa była analiza składu nieorganicznego i organicznego próbek prochu. Analizując uzyskane widma, potwierdzono obecność wielu organicznych składników, m.in. nitrocelulozy w prochu bezdymnym Winchester, Alliant, MR oraz nitrogliceryny w Winchester, Alliant, a także składników prochu strzelniczego lub jego substytutów: KNO3 w GOEX, Pyrodex, KClO4 lub dicyjanoamidu w Pyrodex. Zastosowanie techniki ToF-SIMS pozwoliło na skuteczne rozróżnienie różnych próbek czarnego i bezdymnego prochu strzelniczego oraz dostarczyło ważnych informacji o przestrzennym rozmieszczeniu różnych dodatków zawartych w badanych próbkach. Obrazowanie powierzchni próbek wykazało, że można je potencjalnie scharakteryzować za pomocą struktury 2D, która różniła się w zależności od rodzaju próbki. Wyniki te wyraźnie pokazują możliwość wykorzystania ToF-SIMS jako narzędzia do charakteryzowania i różnicowania próbek prochu strzelniczego do ogólnych zastosowań kryminalistycznych.

W kolejnej pracy Mahoney i wsp. zbadali skład i możliwość rozróżnienia materiału wybuchowego C-4 w zależności od pochodzenia próbki [20]. Materiał ten jest powszechnie znanym materiałem wybuchowym z rodzaju plastycznych materiałów wybuchowych. Oprócz podstawowych składników badanych materiałów wybuchowych szczególną uwagę zwrócono na obecność w próbkach dodatków organicznych oraz innych unikatowych zanieczyszczeń, które mogą być kluczowe w identyfikacji źródła pochodzenia materiału wybuchowego. Jest to ważne nie tylko w celu identyfikacji materiału wybuchowego, ale także w celu określenia procesu produkcyjnego, a nawet numeru partii. W celu pełnego scharakteryzowania złożonych danych z widma mas, uzyskane wyniki pomiarów porównano za pomocą analizy głównych składowych (PCA) lub analizy dyskryminacyjnej metodą najmniejszych kwadratów (PLS-DA) [20].

1.3.4Włosy

Technika ToF-SIMS została również zastosowana w badaniach włosów. W pracy autorstwa Kojima i in. zbadano rozkład składników kosmetycznych na zniszczonych włosach [21]. Włosy naturalne poddano zabiegom, które miały odzwierciedlać stopień ich zniszczenia m.in. podczas rozjaśniania (traktowanie roztworem amoniaku i perhydrolu). Następnie włosy poddano działaniu takich substancji jak L-teanina (aminokwas z grupy aminokwasów niebiałkowych) i chitozan (kationowy polimer naturalny), które stanowią składniki produktów do pielęgnacji włosów. Dzięki badaniu przekrojów poprzecznych włosów metodą obrazowania powierzchni możliwa była analiza stopnia wnikania badanych substancji w głąb włosa. Analiza ta wykazała, że zastosowana L-teanina wnikała głęboko i była równomiernie rozmieszczona w uszkodzonych włosach. Ponadto analiza powierzchni włosów pokazała, że chitozan był równomiernie adsorbowany na ich powierzchni.

Terlier i wsp. scharakteryzowali strukturę włosów nienaruszonych, włosów przekrojonych wzdłużnie oraz poddanych działaniu kosmetyków różnego rodzaju [22]. Dzięki tak szerokiej analizie określono zarówno skład powierzchni włosa, jak i jego wnętrza. Zidentyfikowano trzy warstwy włosa, naskórek z łuskami, korę o charakterystycznej włóknistej strukturze oraz rdzeń. Granulki melaniny wykryto w strukturze kory, podczas gdy sygnał jonów wtórnych dla rdzenia włosa był słaby ze względu na pustą strukturę tego regionu włosa. W analizie wyników zastosowano metody PCA w celu zmniejszenia wpływu chropowatości powierzchni włosów i topografii na jonizację oraz do oceny możliwości rozróżnienia rodzajów stosowanych kosmetyków. Autorzy podkreślają, że tego typu badania z wykorzystaniem techniki ToF-SIMS w przyszłości mogą znaleźć zastosowanie w przemyśle kosmetycznym oraz w analizach kryminalistycznych, gdzie ważne są kwestie takie jak: wykrywanie charakterystycznych kosmetyków, leków lub narkotyków we włosach oraz ich dyfuzja do wnętrza włosa [22].

1.3.5Kosmetyki

Ostatnio badania różnego rodzaju kosmetyków cieszą się bardzo dużym zainteresowaniem. W jednej z prac przebadano około 30 próbek szminek dostępnych na rynku południowokoreańskim [23]. Pomadki te różniły się kolorem (różowy, czerwony, bordowy, pomarańczowy i balsam do ust) oraz marką. Dodatkowo, badane pomadki nakładano na różne podłoża (bibułę, biały papier, szkło, kolorowe tkaniny bawełniane) oraz sporządzano odciski ust na bibułce i niedopałkach papierosów (jako materiał odniesienia). Ślady czerwieni wargowej, w tym ślady szminki, mogą stanowić ważny dowód podczas dochodzenia. Ze względu na dużą liczbę marek i zróżnicowany skład pomadek, materiał badawczy stanowił wyzwanie w kontekście dyskryminowania tego typu próbek. Do zróżnicowania badanych próbek szminek zastosowano analizę głównych składowych. Do tej analizy autorzy wybrali najbardziej charakterystyczne jony fragmentacyjne z każdej próbki uzyskane na widmach jonów dodatnich w zakresie mas m/z = 10-550. Ogólnie rzecz biorąc, szminki zawierają różnego rodzaju woski, olejki, pigmenty, przeciwutleniacze i emolienty, które nadają teksturę, kolor, a także pełnią funkcję ochronną dla ust. Stwierdzono, że na otrzymanych widmach wszystkich badanych próbek szminek obecne są piki pochodzące od Al, Ba, Ca, K, Mg, Na, Si, Ti, krzemianu sodu i magnezu, wodorotlenku glinu, stearynianu wapnia i miki, które powszechnie występują w produktach kosmetycznych [23].

1.3.6Włókna

Tematyka badań nad tekstyliami jest wieloaspektowa ze względu na różnorodność włókien i barwników stosowanych obecnie w przemyśle odzieżowym. W przeszłości były to wyłącznie włókna pochodzenia naturalnego, obecnie w przemyśle odzieżowym wykorzystuje się przede wszystkim wiele włókien sztucznych i syntetycznych. Włókna znalezione na miejscu zdarzenia mogą być cennym źródłem informacji np. o sprawcy przestępstwa. Porównanie próbek zabezpieczonych na miejscu zdarzenia z próbkami pobranymi od podejrzanego może pomóc w ujęciu sprawcy.

W pracy Zhou i wsp. opisali badania włókien nylonowych barwionych Acid Blue 25 [24]. Ze względu na trudności z bezpośrednim użyciem pierwotnej wiązki jonów Bi3+ zastosowano rozpylanie za pomocą działa C+60, co poprawiło stosunek sygnału do szumu dla jonu molekularnego barwnika Acid Blue 25. Stwierdzono, że wykrycie jonu cząsteczkowego badanego barwnika (m/z = 293 u) jest możliwe już przy stężeniu wynoszącym zaledwie 0,1%. Ponadto zastosowanie cyklicznych etapów oczyszczania i usuwania uszkodzeń włókien nylonowych przy użyciu wiązki działa jonów rozpylających typu C+60 pozwoliło na poprawę granicy wykrywalności badanego barwnika zarówno dla powierzchni nylonowych, jak i w przekrojach badanych próbek [24].

1.3.7Lakiery samochodowe

W śledztwach dotyczących wypadków drogowych ślady takie jak odpryski lakieru samochodowego mogą stanowić kluczowe dowody, a ich właściwe zebranie jest jednym z najważniejszych aspektów dochodzenia. W wielu przypadkach możliwa jest identyfikacja lakieru samochodowego na podstawie próbek referencyjnych. Fragmenty lakieru zebrane na miejscu zbrodni mogą dostarczyć ważnych informacji o pojeździe, takich jak: rok produkcji, marka i model. Powłoka lakiernicza na karoserii pojazdu składa się z kilku kolejno nakładanych warstw lakieru. W nowoczesnych lakierach samochodowych warstwy te mogą być złożone i różnić się rodzajem elementów, z których się składają, tj. wypełniaczy, pigmentów i spoiwa. Liczba warstw w powłoce lakierniczej pojazdu zależy od jego rodzaju. Przy produkcji nowych karoserii samochodowych stosuje się zwykle od trzech do sześciu warstw. Na podstawie informacji zawartych w bazach danych o lakierach samochodowych stosowanych przez różnych producentów samochodów możliwe jest wyselekcjonowanie pojazdu, który brał udział w wypadku drogowym.

Muramoto i wsp. zbadali cztery rodzaje bezbarwnych lakierów samochodowych: lakier poliuretanowy, lakier składający się z mieszaniny polimeru akrylowego, melaminy i silanu, lakiery zawierające karbaminian i kwas epoksydowy, stosując profilowanie głębokościowe [25]. W celu rozróżnienia badanych próbek analizowano na widmach mas ToF-SIMS obecność takich jonów jak; C2H5O+ (m/z = 45,04), C9H9NO2+ (m/z = 163,09) oraz C10H11NO2+ (m/z = 177,10), które są jonami fragmentacyjnymi pochodzącymi od lakieru bezbarwnego na bazie karbaminianu oraz C7H+11 (m/z = 95,09), który był silnie powiązany z bezbarwnym lakierem na bazie poliuretanu. Mimo tak niewielkiej listy pików możliwa była identyfikacja badanych próbek lakierów. Co więcej, stosując więcej zmiennych oraz odpowiednią analizę wielowymiarową i statystyczną, możliwe będzie w przyszłości zróżnicowanie szerokiej gamy lakierów samochodowych. Autorzy podkreślają, że w badaniach lakierów samochodowych kluczowe znaczenie dla właściwej interpretacji wyników ma usunięcie zewnętrznej, zanieczyszczonej warstwy. Ze względu na szeroką gamę dostępnych lakierów samochodowych czas oczyszczania musi być odpowiednio dobrany do rodzaju badanych próbek.

1.4Podsumowanie

Technika ToF-SIMS może być bardzo efektywnym i użytecznym narzędziem w obszarze nauk sądowych. Właściwy dobór próbek, zastosowanie odpowiednich parametrów pracy spektrometru oraz prawidłowa obróbka i interpretacja otrzymanych wyników pozwala na uzyskanie wyników, które nie są dostępne przy użyciu innych metod i mogą znacząco podnosić wartość dowodu na etapie postępowania sądowego. Autorzy prac podkreślają zalety pracy z techniką ToF-SIMS, dużą rozdzielczość przestrzenną i czułość, dzięki którym możliwa jest chemiczna analiza powierzchniowa, głębokościowa oraz obrazowanie, niezwykle przydatne w dziedzinie nauk kryminalistycznych.

Piśmiennictwo

1. Benninghoven A., Chemical analysis of inorganic and organic surfaces and thin films by static time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS). Angew Chem Int Ed, 33: 1023-1043, 1994, doi: 10.1002/anie.199410231

2. Paryjczak T., Szynkowska M.I., Spektrometria mas jonów wtórnych z analizatorem czasu przelotu jonów (ToF-SIMS) w badaniach fizykochemicznych powierzchni ciał stałych. Przem Chem, 82: 199-206, 2003

3. Szynkowska M I., Spektrometria masowa jonów wtórnych z analizatorem czasu przelotu ToF-SIMS [w:] Proteomika, [red.] A. Kraj, J. Silberring. Wydział Chemii Uniwersytetu Jagiellońskiego, Kraków 2004, 119-129

4. Szynkowska M.I., Rogowski J., Spektrometria mas jonów wtórnych z analizatorem czasu przelotu [w:] Spektrometria mas, [red.] P. Suder, A. Bodzoń-Kułakowska, J. Silberring. Wydawnictwa AGH, Kraków 2016, 126-142

5. Szynkowska M.I., Czerski K., Grams J. i wsp., Preliminary studies using imaging mass spectrometry ToF-SIMS in detection and analysis of fingerprints. Imaging Sci J, 55: 180-187, 2007, doi: 10.1179/174313107X177657

6. Szynkowska M.I., Czerski K., Rogowski J. i wsp., Detection of exogenous contaminants of fingerprints using ToF-SIMS. Surf Interface Anal, 42: 393-397, 2010, doi: 10.1002/sia.3193

7. Szynkowska M.I., Czerski K., Rogowski J. i wsp., ToF-SIMS application in the visualization and analysis of fingerprints after contact with amphetamine drugs. Forensic Sci Int, 184: 24-26, 2009, doi: 10.1016/j.forsciint.2008.11.003

8. Szynkowska M.I., Parczewski A., Szajdak K. i wsp., Examination of gunshot residues transfer using ToF-SIMS. Surf Interface Anal, 45: 596-600, 2013, doi: 0.1002/sia.5142

9. Szynkowska M.I., Osingłowska K., Pawlaczyk A. i wsp., Nowe podejście do badania śladów w kryminalistyce. Przem Chem, 92: 1125-1130, 2013

10. Szynkowska M., Pawlaczyk A., Osingłowska K. i wsp., Nowe metody analizy śladów kryminalistycznych z wykorzystaniem nowoczesnych technik analitycznych (ToF-SIMS, LA-ICP-TOF-MS) [w:] Przestępczość w XXI wieku: zapobieganie i zwalczanie: problemy technologiczno-informatyczne, [red.] E. Pływaczewski, W. Filipkowski, Z. Rau. Red. Lex a Wolters Kluwer Business, Warszawa 2015, 408-439

11. Szynkowska-Jóźwik M.I., Maćkiewicz E., Rogowski J. i wsp., Visualisation of amphetamine contamination in fingerprints using ToF-SIMS technique. Materials, 14: 6243, 2021, doi: 10.3390/ma14216243

12. Terlier T., Lee K.-B., Lee Y., Chemical recognition based on high-accuracy matching factors as per time-of-flight-secondary-ion mass spectrometry: Application to trace cosmetic residues in human forensics. Microchem J, 159: 105446, 202, doi: 0.1016/j.microc.2020.105446

13. Muramoto S., Forbes T.P., van Asten A.C. i wsp., Test sample for the spatially resolved quantification of illicit drugs on fingerprints using imaging mass spectrometry. Anal Chem, 87: 5444-5450, 2015, doi: 10.1021/acs.analchem.5b01060

14. Muramoto S., Sisco E., Strategies for potential age dating of fingerprints through the diffusion of sebum molecules on a nonporous surface analyzed using time-of-flight secondary ion mass spectrometry. Anal Chem, 87: 8035-8038, 2015, doi: 10.1021/acs.analchem.5b02018

15. Coumbaros J., Kirkbride K.P., Klass G., Skinner W., Application of time of flight secondary ion mass spectrometry to the in situ analysis of ballpoint pen inks on paper. Forensic Sci Int, 193: 42-46, 2009, doi: 10.1016/j.forsciint.2009.08.020

16. Denman J.A., Skinner W.M., Kirkbride K.P. i wsp., Organic and inorganic discrimination of ballpoint pen inks by ToF-SIMS and multivariate statistics. Appl Surf Sci, 256: 2155-2163, 2010, doi: 10.1016/j.apsusc.2009.09.066

17. Lee J., Nam Y.S., Min J. i wsp., ToF-SIMS analysis of red color inks of writing and printing tools on questioned documents. J Forensic Sci, 61: 815-822, 2016, doi: 10.1016/j.microc.2019.05.002

18. Goacher R.E., ToF-SIMS evaluation of markings made by the same black ballpoint pens at different times. Forensic Chem, 22: 100298, 2021, doi: 10.1016/j.forc.2020.100298

19. Mahoney C.M., Gillen G., Fahey A.J., Characterization of gunpowder samples using time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS). Forensic Sci Int, 158: 39-51, 2006, doi: 10.1016/j.forsciint.2005.02.036

20. Mahoney C.M., Kelly R.T., Alexander L. i wsp., Bayesian integration and classification of composition C-4 plastic explosives based on time-of-flight-secondary ion mass spectrometry and laser ablation-inductively coupled plasma mass spectrometry. Anal Chem, 88: 3598-3607, 2016, doi: 10.1021/acs.analchem.5b04151

21. Kojima T., Kitano H., Niwa M. i wsp., Imaging analysis of cosmetic ingredients interacted with human hair using ToF-SIMS. Surf Interface Anal, 43: 562-565, 2011, doi: 10.1116/1.5015928

22. Terlier T., Lee J., Lee Y., Investigation of human hair using ToF-SIMS: From structural analysis to the identification of cosmetic residues. J Vac Sci Technol B, 36: 03F131, 2018, doi: 10.1116/1.5015928

23. Lee J., Lee Y., Forensic characterization of lipsticks using time-of-flight secondary ion mass spectrometry. J Anal Chem, 76: 854-867, 2021, doi: 10.1134/s1061934821070091

24. Zhou C., Li M., Garcia R. i wsp., Time-of-flight-secondary ion mass spectrometry method development for high-sensitivity analysis of acid dyes in nylon fibers. Anal Chem, 84: 10085-10090, 2012, doi: 10.1021/ac3025569

25. Muramoto S., Gillen G., Windsor E.S., Chemical discrimination of multilayered paint cross sections for potential forensic applications using time-of-flight secondary ion mass spectrometry. Surf Interface Anal, 50: 889-896, 2018, doi: 10.1002/sia.6509

26. Bleay S.M., Bailey M.J., Croxton R.S. i wsp., The forensic exploitation of fingermark chemistry: A review. WIREs Forensic Sci, Wiley Periodicals LLC, 3(4): e1403, 2020, doi: 10.1002/wfs2.1403

2 Technika mikropróbkowania laserowego w połączeniu ze spektrometrią mas z jonizacją w plazmie indukcyjnie sprzężonej (LA-ICP-MS) w analizie kryminalistycznej

Aleksandra PAWLACZYK Małgorzata Iwona SZYNKOWSKA-JÓŹWIK

2.1Wprowadzenie - krótka charakterystyka techniki LA-ICP-MS

Technika spektrometrii mas z jonizacją w plazmie indukcyjnie sprzężonej ICP-MS (ang. Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry) w połączeniu z systemem mikropróbkowania laserowego LA (ang. Laser Ablation) służy do bezpośredniej analizy składu pierwiastkowego i izotopowego szerokiej gamy próbek w stanie stałym o bardzo zróżnicowanych matrycach. Słowo laser jest akronimem oznaczającym wzmocnienie światła przez wymuszoną emisję promieniowania (ang. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), które w skrócie opisuje kontrolowany proces, w którym dochodzi do uwalniania fotonów w warunkach tzw. inwersji obsadzeń, charakteryzującej się większą liczbą cząstek w określonym stanie, o większej energii, w stosunku do liczby cząstek na niższym poziomie energetycznym. Do najważniejszych zalet tej sprzężonej techniki należą: wysoka czułość, dobra precyzja pomiarowa i niskie granice wykrywalności oraz możliwość przeprowadzenia analizy wielopierwiastkowej [1]. Pomiary tą techniką pozwalają na analizę zarówno składników głównych (w ilości > 1% mas. w próbce), dodatków (w ilości od 0,01% do 1% mas. w próbce), jak i pierwiastków na poziomie śladowym. Mikropróbkowanie laserowe nie wymaga dodatkowych procedur przygotowania próbki, a wykonywane badania można traktować jako mikrodestrukcyjne, ponieważ tylko niewielka część materiału jest pobierana podczas badania (nawet rzędu od około 0,4 ?g do 2 ?g). Ponadto mała średnica wiązki laserowej zapewnia stosunkowo dobrą rozdzielczość przestrzenną, co pozwala na przeprowadzenie pomiarów w obrębie cienkich warstw danego obiektu, takich jak warstwy podpowierzchniowe ze zmianami korozyjnymi [2]. Przykładowo, stosując różne gęstości mocy impulsu promieniowania laserowego, można dokonać wyboru najlepszych warunków wstępnej obróbki próbki w kierunku pozbycia się zewnętrznych zanieczyszczeń na jej powierzchni. W zależności od trybu prowadzonych pomiarów (liniowy, punktowy) możliwe jest ustalenie zmian składu pierwiastkowego/izotopowego cienkich warstw próbki nawet na poziomie około 0,1-1 ?m oraz badanie rozmieszczenia składników na wybranych mikroobszarach poprzez tzw. mapowanie. Przy użyciu komercyjnie dostępnych systemów do mikropróbkowania laserowego w sprzężeniu ze spektrometrią mas ICP możliwe jest wykonywanie badań z rozdzielczością przestrzenną na poziomie 2-5 ?m. Ze względu na fakt, że małe ilości próbki są odrywane z powierzchni badanego materiału w efekcie oddziaływania pojedynczych impulsów lasera, wysoka czułość systemu detekcji jest warunkiem koniecznym do prowadzenia analiz na poziomie śladowym i ultraśladowym [1, 2]. Unikatowe połączenie mikropróbkowania laserowego ze spektrometrią mas z jonizacją w plazmie indukcyjnie sprzężonej pozwala na wykonywanie pomiarów w całym zakresie widma mas (od 5 do 260 m/z) przy osiąganych granicach wykrywalności na poziomie ?g/kg. Wyżej wymienione cechy omawianej techniki sprawiają, że spełnia ona podstawowe wymagania stawiane metodom, które z powodzeniem mogą zostać wykorzystane do przeprowadzenia chemicznej analizy mikrośladów kryminalistycznych, zarówno pod kątem szerokiego zakresu uzyskiwanej informacji analitycznej o badanych obiektach, dużej siły dyskryminacji względem wybranych parametrów mogących te obiekty różnicować, jak i stopnia zużycia próbki w trakcie prowadzonych pomiarów [1-5]. Technika ta przedstawia szereg zalet w stosunku do klasycznego sposobu wprowadzania próbki do plazmy, czyli tzw. analizy mokrej, a najważniejsze z nich omówiono w Tabeli 2.1.

TABELA 2.1. Porównanie klasycznej metody wprowadzania próbki do plazmy (tzw. mokra analiza) za pomocą techniki ICP-MS z bezpośrednią analizą próbki stałej poprzez mikropróbkowanie laserowe techniką LA-ICP-MS

Parametr

Technika ICP-MS

Technika LA-ICP-MS

Przygotowanie próbki

zazwyczaj bardzo czasochłonne, często wymagające użycia odczynników, które mogą stać się źródłem zanieczyszczeń i błędów, niejednokrotnie wymagany jest rozkład próbki np. w zamkniętych układach ciśnieniowych z udziałem energii mikrofalowej

zazwyczaj nie jest wymagane wcześniejsze przygotowanie, wielkość próbki ograniczona jest wielkością komory do prowadzenia mikropróbkowania. Brak specjalnego przygotowania próbki ma istotne znaczenie w szczególności w przypadku badania obiektów o matrycach trudnych do rozkładu

Analiza ilościowa

konieczność zastosowania wzorców do kalibracji (głównie na bazie roztworów wielopierwiastkowych klasy ICP)

możliwość przeprowadzenia analizy ilościowej jest znacznie ograniczona dostępnością wzorców do wykonania kalibracji, których właściwości (morfologia, geometria powierzchni), skład chemiczny i zakres stężeń analizowanych składników będzie odpowiadał badanemu obiektowi

Rodzaj informacji analitycznej

skład pierwiastkowy/izotopowy próbki, informacja dotyczy całej objętości próbki wziętej do analizy, brak możliwości prowadzenia bezpośredniej analizy przestrzennej czy profilowania

skład pierwiastkowy/izotopowy próbki, informacja analityczna dotyczy bezpośrednio analizowanej powierzchni w miejscu mikropróbkowania (analiza punktowa, liniowa). Możliwe jest także uzyskanie informacji przestrzennej oraz w głąb próbki (tzw. depth profiling)

Granice wykrywalności

niższe, typowo na poziomie ng/kg

wyższe, typowo na poziomie ?g/kg

Zużycie próbki

większe, typowo masa odważki do przeprowadzenia rozkładu jest na poziomie 0,2 g. Po procesie rozkładu przy prowadzeniu analizy wielopierwiastkowej wymagane jest przynajmniej kilka ml próbki

mniejsze, typowo na poziomie pg-fg próbki

Dokładność i precyzja analiz

lepsza dokładność i precyzja (próbka na etapie przygotowania do analizy ulega homogenizacji, a uzyskiwany wynik odnosi się do średniego stężenia składników w objętości próbki wziętej do badań)

gorsza dokładność i precyzja (konsekwencja prowadzenia analiz w odniesieniu do mikroobszaru próbki, odchylenie wyników zależy m.in. od homogeniczności badanego materiału)

Obrazowanie składu powierzchni

nie ma możliwości

istnieje możliwość tworzenia map rozmieszczenia pierwiastków w wymiarze 2D czy 3D

Typ techniki

destrukcyjna

mikrodestrukcyjna, polecana w przypadku analiz próbek cennych i unikalnych z uwagi na mały stopień uszkodzenia materiału

Czynniki zakłócające sygnał

interferencje

interferencje (brak typowych interferencji spektralnych wynikających z użycia odczynników) oraz efekty związane z frakcjonowaniem cząstek (suma niestechiometrycznych efektów będących konsekwencją trzech etapów analizy: oddziaływania wiązki lasera z powierzchnią próbki, transportu aerozolu z gazem nośnym, atomizacji i jonizacji cząstek w plazmie)

Optymalizacja

ustawienie parametrów pracy spektrometru mas ICP (np. przepływy gazów, pozycja palnika, moc plazmy)

ustawienie parametrów pracy spektrometru mas ICP oraz przystawki do mikropróbkowania laserowego (np. moc lasera, średnica wiązki lasera, częstotliwość impulsów)

Możliwość zastosowania techniki LA-ICP-MS została pierwszy raz opisana w literaturze naukowej w 1985 roku, za sprawą A.L. Graya, który dowiódł, że system mikropróbkowania laserowego można bezpośrednio połączyć ze spektrometrem mas z jonizacją w plazmie sprzężonej indukcyjnie z analizatorem kwadrupolowym, w celu przeprowadzenia analizy chemicznej in situ. W artykule opublikowanym w czasopiśmie Analyst autor opisał zastosowanie lasera rubinowego o energii impulsów rzędu 0,3-1 J do badania próbek skał, uprzednio utartych i uformowanych w tabletki. Zebrane widma mas w zakresie od 7 m/z do 238 m/z dowiodły relatywnie wysokiej czułości przeprowadzonych oznaczeń, ponieważ dla większości pierwiastków osiągane granice wykrywalności wynosiły nawet 10 ng/g. Wykonane pomiary stosunków izotopowych ołowiu na poziomie 29 ?g/g potwierdziły ogromny potencjał analityczny użytego sprzężenia. Praca ta stała się przełomowa nie tylko z uwagi na zupełnie nowatorskie podejście związane z wprowadzaniem próbki do plazmy, lecz także z powodu zasugerowanych przez autora możliwych kierunków rozwoju tej techniki, co z perspektywy czasu okazało się znamienne dla zachodzącego w tej dziedzinie postępu technologicznego. Autor w sposób jednoznaczny wskazał niewątpliwe korzyści mogące płynąć z połączenia w przyszłości lasera impulsowego z urządzeniem o charakterze nieskanującym. Ze względu na zmienny w czasie charakter generowanego sygnału została zasygnalizowana konieczność poprawy jego stabilności oraz jednorodności formowanego aerozolu np. poprzez zastosowanie laserów o większej częstotliwości impulsów i jednocześnie o niższej mocy [6]. Wprowadzone modyfikacje z biegiem lat przyczyniły się do rozwinięcia obszaru zastosowań techniki LA-ICP-MS m.in. do badania wybranych śladów kryminalistycznych [1, 3-5].

2.2Zasada działania techniki LA-ICP-MS

Technika LA-ICP-MS wykorzystuje proces usuwania niewielkich porcji materiału z powierzchni próbki poddanej działaniu energii promieniowania laserowego w atmosferze gazu obojętnego. Każdy laser składa się z trzech zasadniczych części: ośrodka czynnego, rezonatora optycznego oraz układu pompującego. Przy tworzeniu laserów wykorzystano fakt, że atomy niektórych pierwiastków mają poziomy energetyczne umożliwiające pozostawanie na nich elektronom znacznie dłużej. W efekcie działania zewnętrznego pola elektrycznego elektrony przechodzą do stanu metatrwałego, wytwarzając inwersję obsadzeń, która skutkuje lawinową emisją promieniowania o danej długości fali. Główną rolą układu pompującego jest przeniesienie w sposób efektywny jak największej liczby elektronów w ośrodku czynnym do stanu o wyższym poziomie energetycznym. Układ pompujący zatem dostarcza energię do ośrodka czynnego, który decyduje o podstawowych parametrach lasera. W ośrodku czynnym dochodzi do akcji laserowej, czyli powielania fotonów (kwantowego wzmacniania). Rezonator (układ optyczny) z kolei jest odpowiedzialny za wzmocnienie światła jedynie o określonych parametrach względem kierunku czy długości fali (czyli wybranie odpowiednich fotonów) tak, aby doprowadzić do zajścia uporządkowanej akcji laserowej. Fotony generowane przez laser są skupiane w impulsach cechujących się relatywnie wysoką mocą szczytową, a w wyniku ich oddziaływania z powierzchnią próbki cząstki o niewielkich rozmiarach, atomy, jony są usuwane z górnych warstw atomowych, tworząc indukowany laserem aerozol nad powierzchnią próbki. Impuls laserowy może doprowadzić do oderwania porcji materiału z powierzchni próbki tylko wtedy, gdy gęstość energii lasera osiągnie wartość powyżej pewnego progu. Ponieważ próg ablacji jest specyficzny dla danego materiału, warunki pracy przystawki do mikropróbkowania muszą zostać indywidualnie zoptymalizowane. Grubość usuwanej warstwy w pojedynczym impulsie lasera to kilka monowarstw, czemu towarzyszy modyfikacja struktury i składu chemicznego próbki. Emitowane światło lasera jest monochromatyczne, spójne i kierunkowe, co sprawia, że dobrze nadaje się do bezpośredniego oddziaływania z powierzchnią badanych próbek w stanie stałym [1, 4, 7-8]. Utworzony aerozol jest następnie transportowany w strumieniu gazu obojętnego do specjalnie skonstruowanego palnika ICP, stanowiącego źródło wzbudzenia i jonizacji, a powstała plazma (najczęściej argonowa) jest wytwarzana i podtrzymywana przez ogrzewanie indukcyjne. Palnik kwarcowy w swojej górnej części otoczony jest przez cewkę indukcyjną połączoną z generatorem prądu zmiennego o częstotliwości radiowej. W wyniku krótkotrwałych wyładowań wysokonapięciowych powstają tzw. elektrony zaszczepiające i zachodzi wstępne zjonizowanie argonu. Prądy wysokiej częstości przepływające w cewce indukcyjnej generują zmienne w czasie pole magnetyczne, które z kolei indukuje przepływ prądu wirowego elektronów. Wszystkie te procesy wywołują intensywną jonizację gazu i powstanie plazmy. W wyniku wzbudzenia plazma silnie się ogrzewa i znajdujące się w niej cząsteczki ulegają atomizacji i jonizacji z wydajnością zależną m.in. od potencjału jonizacji danego pierwiastka. Jony wytworzone w plazmie są następnie wprowadzane do strefy o stopniowo zmniejszającym się ciśnieniu. Łącznik składający się z układu stożków stanowi pewnego rodzaju pomost pomiędzy układem wysokiego i niskiego ciśnienia. Za stożkami znajdują się soczewki elektrostatyczne. Uniemożliwiają one dotarcie do detektora cząstkom obojętnym, fotonom i elektronom oraz ogniskują i ukierunkowują wiązkę jonów w stosunku do osi analizatora, w którym jony zostają rozdzielone zgodnie ze stosunkiem ich masy do ładunku [1, 4, 5].

Najczęściej stosowane w roli analizatorów są sektorowe analizatory mas (wykorzystujące rozdzielanie jonów przez dwa sektory: magnetyczny analizator mas oraz analizator elektrostatyczny), analizatory kwadrupolowe (gdzie separację mas osiąga się jedynie z użyciem pola elektrycznego poprzez odpowiednie dobranie stałego napięcia i pola o częstości radiowej między elektrodami, warunkując wydzielenie oznaczanych w danym momencie jonów) czy analizatory czasu przelotu (pracujące w trybie impulsowym, gdzie rozdzielenie jonów o tej samej energii kinetycznej, lecz różnej masie, następuje względem czasu ich przelotu do detektora) [3]. Mimo że analizatory kwadrupolowe stanowią dość powszechne rozwiązanie z uwagi na swoją konkurencyjną cenę, należy pamiętać, że są to urządzenia typu skanującego, zatem ich wykorzystanie do oznaczeń wymagających jednoczesnej detekcji wielu jonów jest istotnie ograniczone. Analizatory czasu przelotu stanowią ciekawą alternatywę w stosunku do analizatorów kwadrupolowych, w szczególności w przypadku badania szybkich i zmiennych w czasie sygnałów, np. tych generowanych przy wykorzystaniu mikropróbkowania laserowego czy też przy prowadzeniu pomiarów stosunków izotopowych, wymagających z założenia bardzo wysokiej precyzji. W przeciwieństwie do kwadrupolowych spektrometrów mas, urządzenia wyposażone w analizatory czasu przelotu mogą uzyskać widmo wszystkich jonów w bardzo krótkim czasie, zwykle rzędu kilkudziesięciu ?s [1, 4, 5].

Następnie jony rozdzielane w analizatorze mas są wykrywane przez detektor, który generuje mierzalny sygnał z padających na niego jonów. W zależności od typu detektora dokonywany jest bezpośredni pomiar ładunków nadchodzących jonów lub zwiększana jest intensywność wykrywanego sygnału. Najpopularniejszym detektorem używanym w technice ICP-MS jest powielacz elektronów. Dodatnio naładowane jony uderzają w pierwszą dynodę detektora, utrzymywaną pod wysokim ujemnym napięciem, powodując emisję elektronów z jej powierzchni. Te z kolei uderzają w kolejną dynodę, uwalniając jeszcze więcej elektronów. Proces zwany emisją wtórną gwarantuje wzmocnienie sygnału na tyle, aby stało się możliwe wygenerowanie mierzalnego impulsu z uderzenia pojedynczego jonu na detektor. Większość detektorów może pracować zarówno w trybie impulsowym (cyfrowym), jak i analogowym. Dochodzi wówczas do automatycznego przełączania się z trybu impulsowego na tryb analogowy, gdy natężenie sygnału przekracza określony próg, umożliwiając rozszerzenie liniowego zakresu dynamicznego detektora do około 8-12 rzędów wielkości. Końcowy wynik analizy za pomocą techniki LA-ICP-MS podawany jest dla poszczególnych izotopów pierwiastka, które zostały uprzednio wybrane przez użytkownika. Przy podejmowaniu decyzji o rodzaju izotopu, względem którego sygnał analityczny będzie przeliczany na stężenie określonego pierwiastka, należy kierować się ewentualnym udziałem interferencji dla danego stosunku m/z oraz względną intensywnością sygnału [1, 3-5].

W technice LA-ICP-MS zasadniczym źródłem informacji analitycznej są jony powstające w plazmie. Podstawą analiz o charakterze jakościowym w zakresie widma mas 5-260 m/z jest ocena sygnału generowanego przy określonym stosunku masy do ładunku (m/z), natomiast analiz ilościowych - natężenie wiązki jonów. Wykorzystując spektrometrię mas z jonizacją ICP, można zbadać większość pierwiastków układu okresowego z wyjątkiem gazów szlachetnych, pierwiastków o zbyt krótkim czasie półtrwania oraz atomów tj. H, O, N czy F. Na rysunku 2.1 przedstawiono ogólny schemat budowy układu LA-ICP-MS. Jak można zauważyć, zakres uzyskiwanej informacji analitycznej zależy od charakteru prowadzonych badań. Poza analizą składu pierwiastkowego cienkich warstw powierzchniowych i przypowierzchniowych możliwe jest także ustalenie zmian w składzie pierwiastkowym próbki od powierzchni do jej wnętrza (w głąb materiału, tzw. depth profiling) jak i badanie rozmieszczenia pierwiastków na powierzchni próbki (tzw. mapowanie) [1, 3-5, 7, 8].

2.3Sposób prowadzenia procesu mikropróbkowania laserowego

Proces mikropróbkowania zachodzi w szczelnej, hermetycznej komorze - komorze ablacyjnej. Aerozol próbki, który jest wytwarzany w efekcie działania lasera, jest wypłukiwany z komory w strumieniu gazu nośnego o ściśle zdefiniowanym przepływie i transportowany bezpośrednio do palnika ICP. Możemy wyróżnić dwa rodzaje komór: zamknięte (o ograniczonej pojemności) oraz otwarte (przytwierdzane do badanego obiektu, gdzie niezbędnym warunkiem jest utrzymanie szczelności pomiędzy stykającymi się powierzchniami). Rekomendowane są komory mniejsze, cechujące się z założenia lepszą efektywnością wymywania aerozolu. Najczęściej stosowanym gazem nośnym jest argon, natomiast według doniesień naukowych zastąpienie argonu helem przy prowadzeniu mikropróbkowania laserowego może mieć korzystny wpływ w zakresie m.in. zmniejszenia rozmiarów tworzących się cząstek, w szczególności, gdy stosowane są lasery o nanosekundowym czasie trwania impulsu [1, 3].

Analiza za pomocą techniki LA-ICP-MS może być prowadzona w konkretnym obszarze próbki przy zastosowaniu danego wzoru (tzw. analiza dynamiczna), np. wzdłuż linii (rys. 2.2) lub też w określonym punkcie (tzw. analiza statyczna), z uwzględnieniem możliwości prowadzenia analiz od powierzchni do wnętrza (tzw. profilowanie głębokości). Przy prowadzeniu procesu mikropróbkowania laserowego na tym samym obszarze w głąb próbki, możliwe jest dokonanie identyfikacji składu pierwiastkowego poszczególnych warstw, np. dla lakierów samochodowych. Wówczas wiązka lasera jest skierowana w dany punkt na powierzchni próbki i następuje sukcesywne pobieranie materiału w jednym miejscu w trybie punktowym lub też pomiary są wykonywane w efekcie wielokrotnego przesuwania wiązki lasera stopniowo wzdłuż określonego wzoru w trybie liniowym. Poza analizą składu pierwiastkowego i izotopowego warstw powierzchniowych i przypowierzchniowych coraz więcej uwagi poświęca się możliwości określenia rozmieszczenia wybranych składników na powierzchni badanej próbki (mapowanie).

Niewątpliwie niekorzystnym zjawiskiem towarzyszącym procesowi mikropróbkowania laserowego jest tzw. frakcjonowanie, rozumiane jako suma niestechiometrycznych efektów występujących podczas trzech etapów analizy: oddziaływania wiązki lasera z powierzchnią próbki, transportu aerozolu z gazem nośnym, atomizacji i jonizacji cząstek w plazmie sprzężonej indukcyjnie. Frakcjonowanie ma bezpośrednie przełożenie na wydajność procesu mikropróbkowania, a sama efektywność ablacji może być utożsamiana z zależnością między wielkością sygnału a objętością powstałego po ablacji krateru. Przyjmuje się, że efekty frakcjonowania są mniejsze przy zastosowaniu laserów o femtosekundowym czasie trwania impulsów z uwagi na znacznie mniejsze rozmiary i większą jednorodność uzyskiwanych cząstek. Z kolei, dla laserów nanosekundowych mechanizm ablacji jest silnie zdominowany przez efekty termiczne [1-3, 8].

2.4Optymalizacja procesu mikropróbkowania laserowego

Każdy proces optymalizacji parametrów pracy przystawki do mikropróbkowania laserowego powinien być prowadzony indywidualnie w stosunku do matrycy badanych próbek. Parametry pracy lasera muszą być starannie dobrane i z praktycznego punktu widzenia największy wpływ na ich wybór mają: wielkość, kształt czy niejednorodność badanego materiału. Spośród trybów prowadzenia procesu mikropróbkowania najczęściej wykorzystywane opcje to: analiza pojedynczych punktów, raster, linia czy profilowanie w głąb (przy analizie różnic w składzie poszczególnych warstw). Inne parametry, które wymagają optymalizacji, obejmują: rozmiar wiązki laserowej i głębokość jej wnikania w próbkę, warunki wstępnej ablacji w celu usunięcia wszelkich zanieczyszczeń powierzchni, częstotliwość impulsów lasera i gęstość energii, przepływy gazu nośnego i gazu w komorze ablacyjnej (tj. He lub Ar).

Systemy do mikropróbkowania laserowego mogą zostać skonfigurowane do działania przy różnych długościach fali (np. 1064, 532, 355, 266, 213 lub 193 nm) i przy różnych czasach trwania impulsu (rzędu ns, fs). Zarówno typ przystawki do mikropróbkowania laserowego, jak i spektrometru mas należy dostosować względem rodzaju badanego materiału oraz jego dostępności. W laboratoriach kryminalistycznych najpowszechniej stosowane są przystawki działające w zakresie ultrafioletu i o nanosekundowym czasie trwania impulsu (UV-ns), które sprzężone są ze spektrometrami mas z analizatorami kwadrupolowymi. Jednak należy zdawać sobie sprawę, że w przypadku prowadzenia badań wymagających większej selektywności, precyzji i rozdzielczości zasadne wydaje się użycie laserów o femtosekundowym czasie trwania impulsu, które mogą być sprzężone: (i) z kwadrupolowymi spektrometrami mas wyposażonymi w kolizyjne/dynamiczne komory reakcyjne, (ii) ze spektrometrami mas z analizatorami czasu przelotu lub (iii) z sektorowymi spektrometrami mas z podwójnym ogniskowaniem. Jak wcześniej zauważono, przy prowadzeniu mikropróbkowania z użyciem laserów femtosekundowych mamy do czynienia z mniejszymi rozmiarami cząstek, mniejszym rozpraszaniem energii i znacznym ograniczeniem niepożądanego efektu frakcjonowania. Bardzo powszechnym typem lasera w laboratoriach naukowych jest laser impulsowy na ciele stałym Nd:YAG, gdzie ośrodkiem czynnym jest kryształ granatu itrowo-glinowego (YAG), domieszkowany trójwartościowymi jonami neodymu Nd [1, 3-8]. Podstawowe zakresy parametrów definiujących ten typ lasera przedstawiono w Tabeli 2.2.

TABELA 2.2. Zakres parametrów pracy przystawki do mikropróbkowania laserowego dla układu Nd:YAG 266 nm w sprzężeniu ze spektrometrią mas ICP

Parametr

Typowy zakres

Częstotliwość impulsów

1-20 Hz

Średnica wiązki

10-400 ?m

Moc lasera

0-100 % (najczęściej < 4 mJ)

Szybkość skanowania (dotyczy jedynie trybu liniowego)

na poziomie ?m/s z możliwością regulacji w szerokim zakresie

Długość trwania impulsu

dla laserów o długości fali 266 nm lub 213 nm rzędu 5-10 ns

Zakres mas

5-260 m/z

Rozdzielczość mas M/?M

zależy od rodzaju analizatora, dla analizatora kwadrupolowego standardowo około 300-400, dla analizatora czasu przelotu nawet > 1000 (dla ciężkich mas sięga 2000)

Badany obszar próbki

standardowo ?m-mm

2.5Obrazowanie za pomocą techniki LA-ICP-MS

Obrazowanie za pomocą mikropróbkowania laserowego to stosunkowo nowa opcja przedstawienia wyników analiz techniką LA-ICP-MS, która umożliwia wizualizację rozkładu interesujących nas pierwiastków/izotopów w próbkach stałych w dwóch lub nawet trzech wymiarach. Przy odpowiedniej synchronizacji systemu do mikropróbkowania laserowego i analizatora mas, sygnały interesujących nas pierwiastków/izotopów mogą być rejestrowane w odniesieniu do konkretnego położenia na powierzchni próbki w celu wygenerowania tzw. map rozmieszczenia obserwowanych składników. W praktyce obrazowanie techniką LA-ICP-MS odbywa się poprzez wykorzystanie na powierzchni badanej próbki impulsowej wiązki laserowej w trybie raster. Wiązka laserowa jest nieruchoma, a stolik z próbką jest przesuwany w kierunkach x, y i z za pomocą odpowiednich silników, gwarantujących dokładność pracy na poziomie ?m. Rozmiar plamki lasera można regulować zgodnie z wymaganą rozdzielczością przestrzenną (nowoczesne systemy do mikropróbkowania laserowego oferują rozmiary wiązek lasera sięgające do 1 ?m). W ostatnim czasie dąży się do prowadzenia procesu mikropróbkowania laserowego z uwzględnieniem tzw. szybkiego wymywania aerozolu, gdzie sygnał jest transportowany z komory do spektrometru ICP w ciągu milisekund, w przeciwieństwie do opóźnienia rzędu sekund w przypadku konwencjonalnych systemów. W obrazowaniu z rozdzielczością punktową każdy piksel reprezentuje wówczas "odrębny eksperyment", a każdy strzał lasera jest powiązywany z jednym wieloelementowym pikselem na obrazie o jasno określonych współrzędnych. Dzięki takiemu rozwiązaniu zachowana jest oryginalna geometria powierzchni próbki [1, 7, 8].

2.6Możliwości przeprowadzenia badań o charakterze ilościowym - kalibracja układu pomiarowego

Technika LA-ICP-MS jest najczęściej stosowana w charakterze narzędzia wykorzystywanego do oceny jakościowej lub półilościowej składu pierwiastkowego próbek stałych. Jednak mając na uwadze możliwość przeprowadzenia analiz o charakterze ilościowym, z biegiem lat opracowano różne strategie wykonania kalibracji, tak aby jak najdokładniej i najbardziej precyzyjnie opisać zależność między odpowiedzią sygnału a stężeniem oznaczanych pierwiastków na podstawie liczby zliczeń jonów danego izotopu. Teoretycznie niezbędne wydaje się, aby ilość próbki transportowanej do palnika ICP była znana, skład wytworzonego w komorze do mikropróbkowania laserowego aerozolu był zgodny ze składem stechiometrycznym badanej próbki, natomiast cząstki transportowane do palnika ICP były w pełni atomizowane i jonizowane w plazmie indukcyjnej. Ze względu na fakt, że niejednokrotnie spełnienie wszystkich tych kryteriów jest problematyczne, konieczne okazało się opracowanie różnych technik kalibracji. Pośród licznych rozwiązań opisywanych w literaturze można znaleźć różne propozycje m.in.: (i) wykonania kalibracji zewnętrznej przy użyciu stałych certyfikowanych materiałów odniesienia o matrycy dopasowanej do matrycy badanych próbek zarówno pod kątem składu chemicznego, jak i właściwości fizycznych (charakterystyka morfologiczna i geometria powierzchni), (ii) użycia standaryzacji wewnętrznej, (iii) zastosowania do kalibracji próbek w charakterze wzorców, które uprzednio zostały przebadane ilościowo pod kątem składu pierwiastkowego przy zastosowaniu tak zwanej analizy mokrej, (iv) użycia do kalibracji materiałów, których matryca nie jest do końca zgodna z matrycą badanych próbek (np. kalibracja przy wykorzystaniu certyfikowanych materiałów odniesienia szkła do oceny ilościowej różnych materiałów geologicznych) czy też (v) bezwzględne procedury analizy ilościowej bez użycia wzorców, wymagające zebrania całych widm mas i przeliczenia, na podstawie całkowitego sygnału dla wszystkich jonów, sygnału dla interesującego nas składnika w badanym materiale.

W celu korekcji różnic w wydajności prowadzonego procesu mikropróbkowania laserowego, redukcji zmian sygnałów w czasie (tzw. dryftu) czy minimalizacji wpływu efektów matrycowych, sygnał wyjściowy normalizuje się względem sygnału znanego głównego składnika (użytego jako wzorzec wewnętrzny). Liczne badania wykazały, że jako wzorce wewnętrzne najlepiej nadają się pierwiastki jednorodnie rozmieszczone w próbce. Najbardziej naturalnym wyborem są pierwiastki wchodzące w skład matrycy badanych próbek (np. izotop siarki 34S podczas analizy włosów, izotop 29Si przy badaniu materiałów geologicznych, czy izotop węgla 13C przy badaniu materiałów biologicznych), których stężenie można łatwo oszacować nawet za pomocą innych technik analitycznych. Poprzez porównanie wielkości sygnału dla wzorca i nieznanej próbki (tj. intensywności znormalizowanego sygnału dla określonego izotopu w stosunku do intensywności sygnału dla wzorca wewnętrznego), możliwe jest nawet obliczenie stężeń interesujących nas pierwiastków na poziomie śladowym [1, 8].

2.7Wybrane obszary zastosowań techniki LA-ICP-MS w analizach kryminalistycznych

Analiza pierwiastkowa może znaleźć zastosowanie w badaniach kryminalistycznych w obszarze identyfikacji, porównań czy oceny pochodzenia. W przypadku badań identyfikacyjnych, głównym ich celem jest dokładne scharakteryzowanie pierwiastków obecnych w badanym obiekcie. Przykładowo, oszacowanie poziomu arsenu w próbkach biologicznych może okazać się niezwykle przydatne przy ustaleniu przyczyny zgonu. Dla badań kryminalistycznych, na które składają się analizy porównawcze, bardzo przydatne jest zestawianie ze sobą profili widm mas, jak ma to miejsce przy analizie szkła, lakierów, farb czy kwestionowanych dokumentów. Wreszcie, dokonuje się również ustalenia pochodzenia materiałów naturalnych pod warunkiem, że dostępne są aktualne bazy danych zawierające informacje geochemiczne o tych materiałach. Przykładami tego typu analiz są autentykacja żywności, identyfikacja pochodzenia złota, diamentów czy narkotyków. Opracowanie baz danych i modeli geochemicznych na podstawie pomiarów doświadczalnych umożliwia przeprowadzenie klasyfikacji materiałów do potencjalnych grup geograficznych, tym samym wspomagając dochodzenia kryminalistyczne [7, 8].

2.7.1Analizy statystyczne i wielowymiarowe

W kryminalistyce celem wykonania analizy chemicznej może być zidentyfikowanie podejrzanej próbki, zaklasyfikowanie próbek, wykrycie oszustwa/fałszerstwa itp., które ostatecznie będzie ograniczało się do potwierdzenia lub odrzucenia hipotez dotyczących sposobu popełnienia przestępstwa. Technika LA-ICP-MS pozwala na uzyskanie tzw. chemicznego odcisku palca analizowanych materiałów w zakresie składu pierwiastkowego i izotopowego [5, 7]. Biorąc pod uwagę dużą ilość informacji (zmiennych) uzyskanych tą techniką dla różnych próbek (obiektów), względem konkretnych parametrów (tj. marka, kolor, rodzaj podłoża itp.), konieczne wydaje się poddanie tak dużych zbiorów danych analizom statystycznym i wielowymiarowym. Sygnały analityczne dla każdego badanego składnika w odniesieniu do wybranego uprzednio stabilnego izotopu można wyrazić jako wartość średnią wraz z odchyleniem standardowym. Jednak nawet w tak uproszczonej postaci macierz wartości średnich jest wystarczająco duża, aby uzyskać szczegółowe informacje o próbkach poprzez bezpośrednią wizualizację danych. Z tego powodu wstępna obróbka wyników wydaje się niezbędna do tego, żeby wspomagać podejmowanie decyzji, tym bardziej, że interpretacja dużej liczby wyników dla teoretycznie podobnych obiektów jest czasochłonna i trudna. Poza testami statystycznymi, które umożliwiają zweryfikowanie istotności poszczególnych różnic w danych grupach, czy ilorazem wiarygodności stosowanym do wnioskowania statystycznego, dodatkowo wykorzystywane są analizy wielowymiarowe, tj. analiza głównych składowych (PCA), analiza skupień (CA) czy liniowa analiza dyskryminacyjna (LDA), które stwarzają szansę na przetwarzanie danych surowych lub macierzy korelacji/odległości i dokonywanie grupowania, klasyfikacji przypadków i zmiennych, bądź jednych i drugich. Sugeruje się, że metody chemometryczne gwarantują lepszą moc rozróżniania w porównaniu z badaniem wizualnym, które może przyczynić się do uzyskania wyników fałszywie pozytywnych. Współcześnie możliwe staje się tworzenie indywidualnych modeli klasyfikacji, które następnie można wykorzystać do sformułowania modelu chemometrycznego w celu określania klasy/grupy śladów kryminalistycznych [7, 8].

2.7.2Analiza kosmetyków

W przypadku analiz próbek kosmetyków dominującym elementem prowadzonych badań składu pierwiastkowego jest przede wszystkim aspekt toksykologiczny w obszarze np. kontroli poziomu metali ciężkich. Jednak należy pamiętać, że sam fakt dość dużego zróżnicowania składu oraz stężeń nawet samych zanieczyszczeń kosmetyków może zostać z powodzeniem wykorzystany do rozróżniania próbek między sobą. Kosmetyki takie jak szminki mogą stanowić jeden ze śladów kryminalistycznych zabezpieczonych na miejscu zdarzenia. Szminka pozyskana np. z ubrania czy skóry może wskazywać na kontakt fizyczny pomiędzy osobami i stać się źródłem cennych informacji na temat ostatnich działań ofiary czy podejrzanego lub przyczynić się do ustalenia związku między podejrzanym i ofiarą a miejscem zdarzenia [9, 10]. Przedstawiony w pracy Berry [10] materiał badawczy obejmował 28 próbek szminek przeanalizowanych pod kątem oceny zarówno jednorodności ich składu pierwiastkowego w obrębie trzech rozmazów pochodzących od tych samych próbek, jak i zmienności składu między różnymi próbkami szminek w obrębie całej badanej populacji względem takich parametrów jak kolor czy marka. Do oceny uzyskanych wyników wykorzystano m.in. analizę głównych składowych. Dla każdej próbki przygotowano po trzy rozmazy na płytkach teflonowych uprzednio oczyszczonych kwasem. Rozmazy szminek analizowano przy wykorzystaniu lasera femtosekundowego (fs, 266 nm, Ti:szafir) sprzężonego ze spektrometrem mas z analizatorem kwadrupolowym. Moc lasera sięgała 130 mW/impuls, częstotliwość impulsów była rzędu 1000 Hz, szerokość wiązki wynosiła ok. 70 ?m, szybkość skanowania była na poziomie 450 ?m/s, przy czym mikropróbkowanie prowadzono wzdłuż pojedynczej linii. Wyniki otrzymane dla poszczególnych izotopów z zakresu widma mas od 7 do 238 m/z (7Li, 25Mg, 26Mg, 27Al, 45Sc, 47Ti, 48Ti, 51V, 55Mn, 54Fe, 57Fe, 59Co, 70Ge, 74Ge, 79Br, 80Br, 89Y, 90Zr, 91Zr, 93Nb, 95Mo, 98Mo, 103Rh, 117Sn, 118Sn, 121Sb, 123Sb, 127I, 133Cs, 137Ba, 138Ba, 139La, 141Pr, 177Hf, 178Hf, 182W, 183W, 194Pt, 195Pt, 203Tl, 205Tl, 206Pb, 207Pb, 208Pb, 209Bi, 232Th, 235U, 238U) zostały znormalizowane w stosunku do sygnałów o najwyższym natężeniu tj. 48Ti, 209Bi, 138Ba lub 27Al [10]. Uzyskane rezultaty dowiodły, że próbki tych samych szminek były jednorodne pod kątem składu chemicznego i charakteryzowały się niewielką zmiennością w obrębie trzech wykonanych rozmazów. Z kolei, próbki różnych marek lub kolorów tworzyły osobne klastry na wykresach PCA w stosunku do próbek szminek nawet o zbliżonych kolorach. Większość próbek szminek o podobnych kolorach była rozróżnialna na poziomie przedziału ufności 95%, natomiast szminki w odcieniach ciemnego brązu można było rozróżnić między sobą na poziomie ufności zaledwie rządu 80%. Jedynie próbki tych samych marek i tego samego koloru pozostawały między sobą nierozróżnialne. Ponadto autorka zwróciła uwagę, że zanieczyszczenie powierzchniowej warstwy szminek w przypadku kosmetyków wcześniej używanych, może mieć wpływ na końcowe wyniki [9, 10].

2.7.3Analiza materiałów kryjących i podłoży papierowych

Badania podejrzanych dokumentów stają się coraz bardziej istotnym problemem w badaniach sądowych, obejmując swoim zakresem chociażby weryfikację ich autentyczności. W ramach wykonywanych analiz nieodzownym aspektem jest także identyfikacja pochodzenia użytego atramentu, tuszu czy tonera oraz analizy o charakterze porównawczym mające odpowiedzieć na zasadnicze pytanie: czy ten sam materiał kryjący został zastosowany w podpisie lub do sporządzenia rozpatrywanego dokumentu. Niekiedy wymagane jest także porównanie materiałów kryjących na różnych dokumentach, rozróżnienie pomiędzy poszczególnymi producentami danego materiału kryjącego, czy ustalenie rodzaju narzędzia/urządzenia użytego do sporządzenia dokumentu. Niewątpliwie jednymi z najbardziej złożonych kwestii, z jakimi mierzy się współczesna kryminalistyka w zakresie analizy dokumentów, jest identyfikacja kolejności nakładania się linii czy ocena wieku dokumentów [11-14]. Przykładowo, Chęsy i wsp. [11] przeprowadzili badania wpływu dwóch rodzajów podłoży papierowych (gładkiego oraz w linie) na możliwość rozróżniania między sobą materiałów kryjących, wykorzystując laser z zakresu UV (ns, 266 nm, Nd:YAG) i spektrometr mas z analizatorem czasu przelotu. Wybrane parametry pracy przystawki do mikropróbkowania przyjmowały odpowiednio następujące poziomy wartości: moc lasera - 30%, częstotliwość impulsów - 10 Hz, szybkość skanowania - 300 ?m/s, szerokość wiązki - 200 ?m, wzór skanowania - wzdłuż pojedynczej linii. Zasadniczym celem tych analiz była ocena, czy technika LA-ICP-MS może zapewnić rozróżnienie między sobą różnych marek użytych materiałów kryjących, nawet dla próbek złożonych na różnych podłożach papierowych. Dodatkowym aspektem prowadzonych badań była weryfikacja wpływu stopnia niejednorodności narysowanych linii na możliwość dyskryminacji wykorzystanych materiałów kryjących. Linie o długości kilku centymetrów zostały nakreślone przy użyciu 12 różnych narzędzi pisarskich, obejmujących 6 niebieskich, 3 czerwone i 3 czarne pasty długopisowe. Następnie każdą linię rozcięto na trzy fragmenty i każdy fragment traktowano jako odrębną próbkę (obiekt) przy ocenie ich niejednorodności. Analizy chemometryczne przeprowadzono osobno dla past o różnej barwie na podstawie sygnałów dla następujących izotopów: 52Cr, 55Mn, 60Ni, 65Cu, 66Zn, 88Sr, 90Zr, 98Mo, 138Ba, 208Pb, 209Bi. Wyniki zostały znormalizowane względem sygnału dla 27Al użytego jako standard wewnętrzny. W większości przypadków linie wykonane na papierze okazały się homogeniczne zarówno z punktu widzenia kształtu profili danych, jak i różnic między wartościami odpowiednich zmiennych. Taki wynik analizy może jednoznacznie wskazywać, że do sporządzenia danego zapisu użyto tego samego rodzaju past. Zaledwie w kilku przypadkach zaobserwowano wpływ rodzaju papieru na sporządzone zapisy. Zdaniem autorów zaproponowane podejście, obejmujące analizę podobieństwa uwzględniającą jednocześnie kształty profili danych porównywanych obiektów i różnice między wartościami odpowiednich zmiennych w tych profilach, może mieć duże znaczenie w badaniach sądowych dotyczących autentyczności dokumentów [11-13].

Z kolei, w badaniach Szynkowskiej i wsp. [12-14] analizie poddano 202 próbki czarnych tonerów pochodzących od 12 różnych producentów (tj. Agfa, Brother, Canon, Hawlett Packard, Konica, Nashuatech, Panasonic, Ricoh, Sharp, Toshiba, WO oraz Xerox) pozyskanych dzięki uprzejmości Instytutu Ekspertyz Sądowych w Krakowie. Dodatkowo, w celach porównawczych autorzy dokonali także analizy 23 kolorowych tonerów proszkowych w trzech podstawowych kolorach: cyan, magenta i yellow, wyprodukowanych przez następujących producentów HP, Lexmark, Konica, Minolta, OKI i Samsung. Próbki pochodzące z zasobników drukarek i kserokopiarek laserowych wcześniej przygotowano poprzez ich umieszczenie w szklanej fiolce ze znajdującym się na dnie krążkiem z folii aluminiowej, który zapobiegał wtapianiu się i przyklejaniu tabletki do szkła. Następnie całość ogrzewano w suszarce laboratoryjnej w temp. ok. 190°C przez ok. 15 min. Badaniom poddano również tonery w formie wydruku, wtopione w kartkę i analizowane bezpośrednio na podłożu papierowym w celu ewentualnego powiązania ich składu ze składem tonerów proszkowych. Badania przeprowadzono, wykorzystując laser z zakresu UV (ns, 266 nm, Nd:YAG) i spektrometr mas z analizatorem czasu przelotu, dla następujących parametrów pracy przystawki do mikropróbkowania odpowiednio dla tonera w proszku i wydruku na podłożu papierowym: moc lasera - 100% (toner) oraz 40% (wydruk), częstotliwość impulsów - 20 Hz (toner) oraz 10 Hz (wydruk), szybkość skanowania - po 100 ?m/s (toner i wydruk), szerokość wiązki - 150 ?m (toner) oraz 200 ?m (wydruk), wzór skanowania - raster (toner) oraz wzdłuż pojedynczej linii (wydruk). Przeprowadzone badania miały na celu określenie składu pierwiastkowego i izotopowego tonerów oraz ich rozróżnienie na podstawie analiz porównawczych. Do porównań wykorzystano sygnały zbierane dla całego widma mas w zakresie 6-238 m/z. Dodatkowo zastosowano oprogramowanie umożliwiające zarówno zestawianie ze sobą par widm mas, jak i wyznaczenie współczynnika ich podobieństwa opartego na specjalnym algorytmie matematycznym. Ze względu na dużą liczbę danych i zmiennych konieczne okazało się użycie analiz wielowymiarowych (PCA i CA).

Badania dowiodły, że technika LA-ICP-ToF-MS pozwala na dokonanie efektywnej dyskryminacji tonerów różnych producentów na podstawie ich składu pierwiastkowego. Wykazano bardzo duże zróżnicowanie składu pierwiastkowego tonerów pochodzących od różnych producentów, dzięki czemu autorom udało się zidentyfikować charakterystyczne dla danego producenta domieszki i określić stopień dopasowania widm mas między próbami pochodzącymi od różnych marek oraz w obrębie wspólnego wytwórcy. Potwierdzono możliwość rozróżnienia próbek tonerów tego samego producenta, ale przeznaczonych do różnych modeli urządzeń drukujących. Z kolei, zasugerowana przez autorów metoda porównania "parami" za pomocą analiz wielowymiarowych (CA i PCA) tonerów pochodzących z różnych źródeł okazała się być skutecznym narzędziem dyskryminacji między rozpatrywanymi producentami. Autorzy dla każdej pary zestawianych producentów, na podstawie próbek dedykowanych do różnych modeli urządzeń drukujących, zidentyfikowali pierwiastki, na podstawie których możliwe jest dokonanie rozróżnienia próbek różnych marek. Autorzy wskazali także na wysoki stopień podobieństwa między widmami mas tonerów w proszku i odpowiadającymi im wydrukami. Ponadto badania wykazały, że pigmenty trzech podstawowych barw tonerów nie zawierają charakterystycznych pierwiastków w obrębie składników występujących na poziomie śladowym dla danego koloru tonera. Jedynie w przypadku tonerów proszkowych w kolorze niebieskim, ze względu na obecność w ich składzie związków bogatych w miedź (ftalocyjanina miedzi), na widmach mas zaobserwowano piki o istotnej intensywności pochodzące od dwóch stabilnych izotopów tego metalu. Mimo braku istotnego zróżnicowania widm mas tonerów kolorowych autorom udało się z sukcesem dokonać dyskryminacji próbek kolorowych tonerów proszkowych różnych producentów na podstawie ich składu pierwiastkowego. Autorzy wskazali jednocześnie, że ze względu na obecność na rynku niezwykle popularnych zamienników konieczne wydaje się uzupełnienie badań tonerów w proszku o analizy porównawcze składu oryginalnych wkładów z ich tańszymi odpowiednikami [12-14].

Poza materiałami kryjącymi analizom poddaje się również podłoża papierowe. Trejos i wsp. [15] pośród próbek materiałów kryjących dokonali również analiz papierów biurowych typu ksero. Do badań wytypowano ostatecznie 26 różnych rodzajów papieru od 7 różnych marek, produkowanych w 10 różnych zakładach, zlokalizowanych w USA. Jednorodność i zmienność składu pierwiastkowego ustalano w obrębie jednego arkusza, między stronami pochodzącymi z tej samej ryzy, między ryzami pochodzącymi z tej samej partii produkcyjnej i pomiędzy papierami produkowanymi przez tę samą fabrykę w różnych odstępach czasu. Badania wewnątrzarkuszowe przeprowadzono dla pięciu obszarów w obrębie arkusza. Do badań zastosowano spektrometr mas z analizatorem kwadrupolowym sprzężony z laserem pracującym w zakresie UV (ns, 266 nm, Nd:YAG), a uzyskane wyniki znormalizowano w stosunku do sygnału dla izotopu 13C. Wybrane parametry pracy przystawki do mikropróbkowania przyjmowały odpowiednio następujące poziomy wartości: moc lasera - 35%, częstotliwość impulsów - 10 Hz, szybkość skanowania - 25 ?m/s, szerokość wiązki - 200 ?m, wzór skanowania - wzdłuż pojedynczej linii. W analizach wykorzystano sygnały pochodzące od 39 izotopów: 7Li, 13C, 23Na, 24Mg, 25Mg, 27Al, 29Si, 39K, 42Ca, 45Sc, 47Ti, 49Ti, 52Cr, 53Cr, 55Mn, 57Fe, 59Co, 60Ni, 62Ni, 63Cu, 65Cu, 64Zn, 66Zn, 85Rb, 88Sr, 89Y, 90Zr, 103Rh, 119Sn, 120Sn, 137Ba, 139La, 140Ce, 142Nd, 143Nd, 180Hf, 206Pb, 207Pb, 208Pb. Ponadto wyniki porównano z rezultatami uzyskanymi dla alternatywnej techniki spektroskopii emisyjnej ze wzbudzeniem laserowym, LIBS (ang. Laser Induced Breakdown Spectroscopy). Badania dowiodły, że technika LA-ICP-MS, w stosunku do techniki LIBS, cechuje się nieznacznie wyższym potencjałem w zakresie możliwości dyskryminacji próbek. Ponad 99% porównań za pomocą tej techniki zostało poprawnie rozstrzygniętych. Jedynie w przypadku jednej pary próbek nie udało się uzyskać rozróżnienia, przy czym należy pokreślić, że analizowane podłoża papierowe dotyczyły tej samej marki papieru i próbek wytwarzanych w jednym zakładzie. Ponieważ zmienność wyników w ramach powtórzeń wykonanych w obrębie tego samego arkusza/ryzy była istotnie mniejsza niż zmienność dotycząca wyników analiz różnych próbek autorzy sugerują, że różne marki papierów mogą zostać z powodzeniem zróżnicowane względem ich składu pierwiastkowego zarówno za pomocą techniki LA-ICP-MS, jak i LIBS [15].

2.7.4Analiza włókien, włosów i kości ludzkich

Ciekawym rodzajem śladów kryminalistycznych są włókna, które mogą stać się fizycznymi dowodami, naniesionymi w efekcie pierwotnego transferu (np. z ubrania podejrzanego) lub poprzez transfer wtórny lub trzeciorzędny (np. z domu podejrzanego lub ze środowiska, w którym przebywał). Zwykle mają one długość kilku mm i średnicę rzędu ?m. Mimo że techniki mikroskopowe i spektrofotometryczne są rutynowo wykorzystywane do badania włókien, swoją użyteczność w tym obszarze potwierdziła także technika LA-ICP-MS [7, 8]. Przykładowo, Gallo i wsp. [16] porównali technikę rozkładu na mokro z techniką bezpośredniego badania próbki w stanie stałym pod kątem ich potencjału dyskryminacji w stosunku do włókien bawełny, pochodzących z roślin uprawianych w różnych regionach geograficznych. Autorzy dokonali weryfikacji założenia, czy możliwe jest rozróżnienie włókien bawełny na podstawie różnic w poziomach metali śladowych, których źródłem mogą być składniki mineralne gleby, woda oraz nawozy stosowane na danym obszarze. Przed analizą włókna wysuszono, zmielono i uformowano z nich tabletki. Badania obejmowały 24 próbki surowej bawełny i 5 próbek bawełnianych koszulek. Pomiary przeprowadzono z użyciem spektrometru mas z analizatorem kwadrupolowym sprzężonym z laserem pracującym w zakresie UV (ns, 266 nm, Nd:YAG). Analizy wykonywano punktowo przy następujących parametrach pracy lasera: moc - 100%, częstotliwość - 10 Hz, średnica wiązki lasera - 200 ?m. Do analiz wykorzystano sygnały pochodzące od następujących izotopów: 25Mg, 27Al, 55Mn, 57Fe, 88Sr, 137Ba, 206Pb, 207Pb oraz 208Pb. Autorzy zauważyli, że w odniesieniu do metody mokrego rozkładu, technika LA-ICP-MS cechowała się lepszą dokładnością, wyższą precyzją, krótszym czasem analizy, mniejszym zużyciem i uszkodzeniem próbki. Generalnie wyniki uzyskiwane dla klasycznego sposobu wprowadzania próbki do plazmy (metoda mokra) charakteryzują się zazwyczaj małymi wartościami względnego odchylenia standardowego w porównaniu do bezpośredniej analizy próbki stałej, natomiast na ewentualne rozbieżności uzyskiwanych rezultatów może mieć wpływ powtarzalność analiz względem niezależnych próbek stałych poddawanych procesowi rozkładu. Za pomocą obu technik (LA-ICP-MS oraz ICP-MS) udało się rozróżnić wszystkie próbki surowej bawełny pochodzącej z różnych źródeł oraz wszystkie bawełniane koszulki. Możliwe było również powiązanie ze sobą na wykresie PCA próbek bawełny cechujących się wspólnym pochodzeniem [16].

Technikę LA-ICP-MS wykorzystuje się także z powodzeniem do badania włosów ludzkich. Ten materiał biologiczny pozwala na prowadzenie analiz retrospekcyjnych, nawet w dłuższym przedziale czasowym. Dodatkowo wykorzystanie czułych technik bezpośredniej analizy stwarza szansę na wskazanie obecności konkretnych substancji w naszym organizmie i ustalenie czasu jej zażywania, nawet po ustaniu okresu ekspozycji. Ash i He [17] zastosowali technikę spektrometrii mas z sektorem magnetycznym sprzężoną z przystawką do mikropróbkowania pracującą na długości fali 213 nm (ns, Nd:YAG, 213 nm) do badania pojedynczych włosów ludzkich pozyskanych od rodziny ofiary z okresu przed zdarzeniem, w trakcie i po potencjalnym zdarzeniu. Badania były podjęte w celu weryfikacji możliwości zatrucia talem, które miało miejsce w Chinach ponad dwie dekady temu. Analizy przeprowadzono przy następujących parametrach pracy lasera: moc - w zakresie 2,5-4 J/cm2, częstotliwość - 7 Hz, średnica wiązki lasera - między 30 ?m a 40 ?m, szybkość skanowania wzdłuż pojedynczej linii - w zakresie 20-50 ?m/s. Wyniki zostały znormalizowane w stosunku do sygnałów dla izotopu 12C lub 13C, użytych w charakterze wzorców wewnętrznych. W prowadzonych pomiarach monitorowano sygnały dla następujących izotopów: 7Li, 200Hg, 202Hg, 203Tl, 204Pb, 205Tl, 206Pb, 207Pb i 208Pb. Pacjentka została poprawnie zdiagnozowana w 1995 roku, po około pięciu miesiącach od momentu pojawienia się pierwszych objawów zatrucia. Mimo że w jej włosach potwierdzono techniką atomowej spektroskopii absorpcyjnej obecność podwyższonych poziomów talu, dwukrotne pojawienie się objawów chorobowych wymagało dogłębnego przebadania inną techniką, tak aby możliwe było udzielenie odpowiedzi na pytanie, czy narażenie na tal było efektem jednorazowego przyjęcia dawki toksycznej czy rezultatem serii ciągłego narażenia na niewielkie dawki, które ostatecznie nagromadziły się do poziomu toksycznego. Skany prowadzone wzdłuż pojedynczych włosów ofiary o długości około 7 cm ujawniły, że badane próbki włosów charakteryzowały się zróżnicowanymi w czasie dawkami talu, przy czym ich częstotliwość oraz rozmiar uległy z czasem nasileniu. Ogólne profile rozmieszczenia poziomów talu wzdłuż włosa sugerowały zarówno chroniczne, jak i ostre narażenie na tal, które dobrze korelowało z objawami chorobowymi prezentowanymi przez ofiarę. Dopasowanie rozdzielonych czasowo sygnałów dla talu, obserwowanych wzdłuż pojedynczych włosów, ze zgłaszanymi dolegliwościami dostarczyło wskazówek na temat możliwych dróg narażenia na różnych etapach zatrucia. Wyniki dowiodły, że poza przewlekłym zatruciem talem oraz sporadyczną ekspozycją na ten metal, możliwy był też udział w zatruciu innego metalu ciężkiego (ołowiu). Endogenne pochodzenie talu zostało potwierdzone przez analizę profilu rozmieszczenia tego metalu w wewnętrznej części włosa, jeśli chodzi o ołów, to jego źródła nie można było w sposób jednoznaczny ustalić. Praca ta wykazała możliwość wykorzystania techniki LA-ICP-MS do analizy pojedynczego włosa podczas odtworzenia długotrwałego i skomplikowanego przypadku zatrucia metalami ciężkimi. Ponadto autorzy podkreślili konieczność analizowania wielu pierwiastków jednocześnie w przypadku badań wykonywanych w kierunku podejrzanych zatruć metalami ciężkimi. Mimo że udało się udowodnić, że uczennica była truta metalem ciężkim, nikomu w tej sprawie nie postawiono ostatecznie żadnych zarzutów. Ofiara przeżyła, choć pozostaje częściowo sparaliżowana [17].

Coraz więcej uwagi w ostatnim czasie poświęca się możliwości wykorzystania techniki LA-ICP-MS w badaniach kości. Zdaniem wielu autorów technika ta dostarczyć może bezcennych informacji o życiu danej osoby, w szczególności w połączeniu ze składem geochemicznym zębów. Ze względu na brak konieczności specjalnego przygotowania próbek, dość wysoką oferowaną rozdzielczość przestrzenną oraz możliwość poznania składu pierwiastkowego i izotopowego na poziomie śladowym dla wybranych przekrojów kości, stanowi ona ciekawą alternatywę względem innych technik badania powierzchni. Dodatkowo, w części prac wykorzystywane są stosunki sygnałów np. dla izotopów 87Sr/86Sr, które interpretowane są w kontekście potencjalnego pochodzenia geograficznego analizowanych obiektów.

W pracy Szynkowskiej i wsp. [14] autorzy zastosowali technikę LA-ICP-MS w badaniu składu pierwiastkowego powierzchni ludzkich kości. W tym celu wykorzystali laser Nd:YAG (ns, 266 nm) sprzężony ze spektrometrem mas z analizatorem czasu przelotu przy następujących parametrach pracy lasera: moc - 100%, częstotliwość - 20 Hz, szybkość skanowania - 100 ?m/s, średnica wiązki - 200 ?m, wzór skanowania - pojedyncza linia. Kości były przechowywane w roztworze symulującym skład typowego wyciągu glebowego zawierającego stężenie wybranych metali odpowiednio na poziomie Pb - 5 ?g/l; Cd - 50 ?g/l; Fe - 500 ?g/l; Zn 1000 ?g/l i Cr - 15 000 ?g/l. Kości zostały przeanalizowane przed zanurzeniem w roztworze, a następnie po trzech kolejnych miesiącach przechowywania ich w roztworze. Uzyskane wyniki w postaci liczby zliczeń dla poszczególnych stabilnych izotopów analizowanych metali (52Cr, 58Fe, 66Zn, 114Cd, 208Pb) zostały przeliczone w stosunku do sygnału dla izotopu 48Ti użytego jako standardu wewnętrznego i przedstawione w formie względnych wartości. Badania dowiodły, że zawartości analizowanych pierwiastków w powierzchniowej warstwie kości zwiększyły się od kilkunastu (np. dla Zn) do kilkudziesięciu razy (np. dla Fe), a w przypadku Cd nawet ponad sto razy. Przeprowadzony eksperyment naukowy związany z wnikaniem mikroelementów do kości stanowi propozycję alternatywnej metody szacowania czasu przebywania ludzkiego szkieletu lub jego fragmentów w określonym środowisku glebowym [14].

2.7.5Analiza cząstek powystrzałowych

Cząstki powystrzałowe GSR (ang. Gunshot Residue) stanowią grupę śladów będących pozostałościami po oddaniu strzału z broni palnej, jako produkty wybuchowych reakcji spłonki i ładunku miotającego, które wydostają się we wszystkich kierunkach w postaci chmury i osadzają na napotkanych podłożach. W pracach badawczych prowadzonych na całym świecie wykazano możliwość identyfikacji składników nieorganicznych oraz niektórych związków organicznych zawartych w pozostałościach powystrzałowych. Niewątpliwie najczęściej badaniom poddawane są cząstki metaliczne, które cechują się niepowtarzalnymi właściwościami fizykochemicznymi i w związku z tym stanowią materiał o wysokiej wartości dowodowej. Podstawowym kryterium ich identyfikacji jest skład pierwiastkowy, tj. rzadko spotykany w otoczeniu człowieka zestaw pierwiastków metalicznych (np. dla amunicji tradycyjnej jest to: ołów, antymon i bar), jak również morfologia odzwierciedlająca burzliwość zachodzących podczas wystrzału procesów fizykochemicznych, w szczególności szybkie przejście kropli metalu z fazy ciekłej do stałej, uniemożliwiające uporządkowanie struktury. Techniką pierwszego wyboru w przypadku analizy nieorganicznych pozostałości powystrzałowych jest skaningowa mikroskopia elektronowa z przystawką do mikroanalizy rentgenowskiej (SEM-EDS), umożliwiająca poznanie składu i morfologii powierzchni badanych próbek (kształtu i wielkości), wliczając w to obserwację pojedynczych cząstek GSR. Ciekawą alternatywą w stosunku do wspominanej techniki jest mikropróbkowanie laserowe, które może być traktowane w charakterze dodatkowego narzędzia uzupełniającego i potwierdzającego badania mikroskopowe. Przykładowo Szynkowska i wsp. [14] dokonali analizy cząstek powystrzałowych zatrzymanych na podłożu papierowym po oddaniu strzału z pistoletu hukowego z różnych odległości od celu, przy użyciu spektrometru mas z analizatorem czasu przelotu w połączeniu z przystawką do mikropróbkowania o długości fali 266 nm (ns, 266 nm, Nd:YAG). Zastosowano następujące parametry pracy lasera: moc - 35%, częstotliwość impulsów - 20 Hz, średnica wiązki lasera - 100 ?m oraz tryb skanowania - pojedynczy punkt. Na zarejestrowanych widmach mas zbieranych w zakresie 6-238 m/z wyraźnie były widoczne piki pochodzące m.in. od izotopów Sb, Ba i Pb, których wspólne występowanie stanowi silną przesłankę odnośnie do możliwego źródła ich pochodzenia. Intensywność sygnału dla wymienionych pierwiastków malała wraz ze wzrostem odległości od oddania strzału, osiągając maksimum dla odległości 10 cm. Przeprowadzone badania jednoznacznie dowiodły, że technika ta może zostać z powodzeniem wykorzystana do identyfikacji obecności śladów cząstek powystrzałowych z bardzo wysokim prawdopodobieństwem, na podstawie charakterystycznego dla tego rodzaju próbek składu jakościowego [13, 14].

2.7.6Analiza próbek gleby

W badaniach kryminalistycznych gleby często należy odpowiedzieć na pytanie, czy analizowane próbki znalezione na różnych przedmiotach (np. butach, oponach lub narzędziach) pochodzą z miejsca zbrodni lub innego miejsca stanowiącego obiekt naszego zainteresowania. W efekcie przeprowadzenia analizy pierwiastkowej gleby możemy uzyskać specyficzne profile charakteryzujące każdą próbkę, a w konsekwencji zastosować wielowymiarowe analizy do porównania poszczególnych profili próbek w celu ustalenia, czy dana próbka jest podobna do jednej próbki pochodzącej z interesujących nas lokalizacji. Preferowane są techniki, które wymagają użycia mniejszych próbek, są mniej czasochłonne i mniej destrukcyjne, co pozwala w razie potrzeby na powtórzenie analiz innymi technikami. W ramach badań prowadzonych przez Jantzi i Almiralla [18] wykorzystano spektrometr mas z analizatorem kwadrupolowym sprzężonym z przystawką do mikropróbkowania w zakresie UV (ns, 266 nm, Nd:YAG) do pomiarów różnego typu gleb rolniczych. Użyto następujących parametrów pracy lasera: moc - 30%, częstotliwość impulsów - 5 Hz, średnica wiązki - 200 ?m, szybkość skanowania wzdłuż pojedynczej linii - 150 ?m/s. Wśród monitorowanych izotopów znalazły się: 7Li, 23Na, 25Mg, 27Al, 29Si, 31P, 39K, 42Ca, 47Ti, 49Ti, 51V, 52Cr, 53Cr, 55Mn, 57Fe, 60Ni, 63Cu, 66Zn, 71Ga, 75As, 85Rb, 88Sr, 91Zr, 98Mo, 111Cd, 118Sn, 120Sn, 123Sb, 137Ba, 176Lu, 202Hg, 205Tl, 206Pb, 207Pb, 208Pb, 232Th, 238U, natomiast izotop 45Sc został zastosowany w roli wzorca wewnętrznego. Do badań w celach porównawczych wykorzystano dodatkowo technikę LIBS. Uwzględniono dwie metodyki obejmujące analizę próbek gleby po ich uprzednim czasochłonnym przygotowaniu (zmielenie i sprasowanie próbki w tabletki) oraz procedurę montażu taśmowego, która polegała jedynie na naniesieniu cienkiej warstwy gleby na dwustronną taśmę klejącą. Wykazano, że precyzja, granice wykrywalności oraz dokładność analiz były porównywalne w przypadku metody bardziej i mniej czasochłonnej. Zarówno analiza głównych składowych, jak i liniowa analiza dyskryminacyjna potwierdziły dużą zbieżność wniosków wypływających z zastosowania metody taśmowej i tabletkowej, dając jednoznaczne grupowanie obiektów i zgodne wskaźniki ich klasyfikacji. Dla obu technik analitycznych potwierdzono, że moc dyskryminacji próbek przy ich przytwierdzeniu do taśmy dwustronnej przekracza 90%, przy czym lepsze wyniki osiągnięto dla techniki LA-ICP-MS (moc dyskryminacji tej techniki oceniona została na poziomie > 97%) [18].

2.7.7Analizy mikrookruchów szkła

Wiele różnej wielkości fragmentów szkła stłuczonego podczas przestępstwa (np. wypadku drogowego, włamania, zamachu bombowego) zostaje rozrzuconych we wszystkich kierunkach na miejscu zdarzenia. Małe odłamki szkła są najbardziej podatne na transfer (np. na ubranie lub buty podejrzanego). Próbka mikrookruchu szkła generalnie jest przykładem transferu pierwotnego, wynikającego z kontaktu lub bliskiego sąsiedztwa podejrzanego z rozbitym produktem szklanym. Co więcej, ten fizyczny dowód zwykle utrzymuje się na podejrzanym przez dłuższy czas. Gdy te drobne fragmenty są zabezpieczone, można je porównać z fragmentami szkła odniesienia (znanego pochodzenia). Jeśli są przesłanki świadczące o ich wspólnym pochodzeniu, wówczas informacja ta może zostać wykorzystana jako mocny dowód pozwalający np. na powiązanie podejrzanego z miejscem zbrodni. Mikrookruchy szkła należy zatem traktować jako dowód fizyczny, który w niektórych przypadkach może być uważany za unikatowy wskaźnik. W pracy Wilka i Bulskiej [2] do analizy 40 próbek szkła opakowaniowego (bezbarwnych butelek i słoików oraz butelek brązowych i zielonych) zastosowano spektrometr mas z analizatorem kwadrupolowym z przystawką do mikropróbkowania laserowego pracujący przy długości wynoszącej 213 nm (ns, 213 nm, Nd:YAG). Dodatkowo, w badaniach uwzględniono możliwość zróżnicowania wyników w obrębie danego obiektu, poddając analizie bezbarwny słoik w czterech niezależnych punktach pomiarowych. Ablację punktową prowadzono dla obszarów skupienia wiązki lasera o średnicy 100 ?m i częstotliwości impulsów lasera równej 20 Hz. Ablację liniową przeprowadzono dla wybranych obszarów próbek przy średnicy wiązki lasera 25 ?m lub 100 ?m, częstotliwości impulsów na poziomie 20 Hz i szybkości przesuwania wiązki lasera 1 ?m/s. W badaniach uwzględniono sygnały pochodzące od następujących izotopów: 7Li, 11B, 23Na, 24Mg, 26Mg, 27Al, 29Si, 31P, 39K, 43Ca, 49Ti, 51V, 52Cr, 55Mn, 57Fe, 59Co, 60Ni, 65Cu, 66Zn, 85Rb, 88Sr, 90Zr, 118Sn, 121Sb, 137Ba, 139La, 140Ce, 178Hf, 206Pb, 207Pb, 208Pb, 232Th, 238U. Otrzymane w toku analizy wartości średnie dla liczb zliczeń poszczególnych izotopów przeliczono na zawartości odpowiednich tlenków i znormalizowano do 100%. Analizy jednoznacznie dowiodły, że dzięki technice LA-ICP-MS możliwe jest dokładnie scharakteryzowanie warstw przypowierzchniowych, które uzupełnione o badania składu chemicznego w objętości próbki mogą istotnie zwiększyć wartość dowodową danego obiektu. Zmienność międzyobiektowa warstw przypowierzchniowych okazała się znaczna i dotyczyła zawartości kilku składników śladowych: SnO2, ZrO2, HfO2, Fe2O3 i CuO, przy czym należy pamiętać, że nie stanowiła ona stałej cechy rozpatrywanych próbek. Z kolei, skład pierwiastkowy poszczególnych warstw w różnych miejscach opakowania szklanego okazał się zbliżony [2].

2.7.8Analiza lakierów samochodowych

Wśród śladów kryminalistycznych rutynowo badanych przez laboratoria kryminalistyczne są próbki lakierów samochodowych zabezpieczane przede wszystkim w miejscach wypadków samochodowych, z których sprawca celowo zbiegł (ang. hit and run). Analiza lakierów może pozwolić na powiązanie chociażby ofiary z podejrzanym samochodem i dostarczyć cennych informacji w związku z okolicznościami zajścia danego zdarzenia. Dokładna charakterystyka próbek lakierów, w tym identyfikacja rodzaju polimeru, koloru, struktury warstw, w połączeniu z istniejącymi bazami danych, może znacznie pomóc w prowadzeniu dochodzenia w kierunku identyfikacji pojazdu lub ustalenia roku produkcji czy modelu danego samochodu. Rekomendowane są w pierwszej kolejności techniki stwarzające możliwość analizowania poszczególnych warstw np. poprzez prowadzenie pomiarów w głąb próbki (profilowanie). W badaniach Hobbsa i Almiralla [19] wykorzystano 18 próbek lakierów samochodowych pochodzących od różnych producentów. Każda próbka składała się z trzech warstw naniesionych na podłoże stalowe. Sekwencja poszczególnych warstw materiału powłokotwórczego obejmowała: (i) materiał podkładowy zapewniający przygotowanie powierzchni na przyjęcie kolejnych warstw; (ii) warstwę malarską, nadającą kolor; (iii) warstwę nabłyszczającą - zabezpieczającą poprzednie warstwy i wydobywającą głębię koloru. Do przeprowadzenia analiz użyto spektrometru mas z analizatorem kwadrupolowym sprzężonego z przystawką do mikropróbkowania pracującą w zakresie UV (ns, 266 nm, Nd:YAG). Do wykonania profilowania w głąb za pomocą analizy punktowej zastosowano następujące parametry pracy lasera: moc - 2,6 mJ, częstotliwość impulsów - 5 Hz, średnica wiązki - 100 ?m. W prowadzonych badaniach monitorowano sygnały pochodzące m.in. od następujących izotopów: 24Mg, 47Ti, 49Ti, 52Cr, 55Mn, 56Fe, 63Cu, 66Zn, 85Rb, 88Sr, 118Sn, 133Cs, 137Ba, 139La, 140Ce, 206Pb, 207Pb, 208Pb, 209Bi. W celach porównawczych w badaniach wykorzystano również technikę skaningowej mikroskopii elektronowej z przystawką do mikroanalizy rentgenowskiej, SEM-EDS. Analizy potwierdziły, że możliwe jest zidentyfikowanie poszczególnych składników w obrębie rozpatrywanych warstw powłokotwórczych, a uzyskane profile mogą zostać z powodzeniem wykorzystane przy zestawianiu ze sobą próbek pochodzących od różnych producentów. W przypadkach, gdy dwie teoretycznie różne próbki powłok mają nieodróżnialne profile w obrębie jednej analizowanej warstwy, szczegółowe badanie kolejnej warstwy może dostarczyć znacznie więcej informacji i okazać się niezwykle pomocne przy próbie ich rozróżnienia. Badania dowiodły również, że technika LA-ICP-MS w stosunku do techniki SEM-EDS umożliwiła wykrycie dużo większej grupy pierwiastków występujących na znacznie niższych poziomach stężeń [19].

2.7.9Analiza porcelany

Tematyka zastosowania konwencjonalnego sposobu wprowadzania próbek (tzw. metoda mokra) techniką ICP-MS w celu określania pochodzenia starożytnej chińskiej porcelany była wielokrotnie opisywana w literaturze naukowej. Podejście to wymaga, aby próbka miała postać roztworu wodnego. W ramach licznie prowadzonych badań, w efekcie oznaczenia poziomów nawet aż trzydziestu dziewięciu pierwiastków śladowych, po rozkładzie próbek metoda mokrą, udało się skutecznie dokonać rozróżnienia ceramiki o różnym pochodzeniu geograficznym. Jednak tradycyjna forma prowadzenia badań metodą mokrą ma wiele ograniczeń względem bezpośredniej analizy próbki stałej. Należą do nich m.in. czasochłonność etapu przygotowania próbki, możliwość zanieczyszczenia badanego materiału lub strat podczas prowadzenia procesu rozkładu, czy chociażby sam destrukcyjny charakter analizy, co w przypadku analiz próbek o znaczeniu historycznym ma niebagatelne znaczenie. Z tego względu do prowadzenia badań w kierunku oceny oryginalności cennych materiałów bardziej rekomendowane są techniki nieniszczące. Bartle i Watling [20] dokonali analiz zgromadzonych próbek porcelany japońskiego, chińskiego oraz angielskiego pochodzenia. W badaniach zastosowano spektrometr mas z analizatorem kwadrupolowym sprzężony z przystawką do mikropróbkowania w zakresie UV (ns, 266 nm, Nd:YAG). Analiza wielopierwiastkowa została przeprowadzona przy następujących parametrach pracy przystawki do mikropróbkowania laserowego: moc lasera - 55%, częstotliwość impulsów - 10 Hz, średnia wiązki - 100 ?m, szybkość skanowania wzdłuż linii - 30 ?m/s. Autorzy w swoich badaniach analizowali sygnały pochodzące od następujących izotopów: 9Be, 44Ca, 45Sc, 49Ti, 51V, 59Co, 53Cr, 55Mn, 60Ni, 65Cu, 66Zn, 69Ga, 73Ge, 75As, 85Rb, 88Sr, 89Y, 90Zr, 93Nb, 120Sn, 121Sb, 138Ba, 139La, 141Pr, 146Nd, 152Sm, 153Eu, 159Tb, 162Dy, 165Ho, 166Er, 172Yb, 175Lu, 178Hf, 181Ta, 205Tl, 208Pb, 209Bi, 232Th. Informacja na temat różnic w składzie pierwiastkowym na podstawie sygnałów uzyskanych dla 45 wybranych izotopów badanych pierwiastków została następnie przez autorów wykorzystana do analizy wielowymiarowej PCA. Mając na uwadze chęć powiązania kraju pochodzenia próbek ze składem izotopowym/pierwiastkowym badanej porcelany, do analizy wykorzystano wszystkie izotopy. Całkowity zasób wyjaśnionej zmienności był bliski 100%, a wszystkie badane próbki udało się pogrupować do trzech niezależnych populacji, tożsamych z ich krajem pochodzenia. Autorzy zasugerowali także możliwość wykorzystania analizy PCA do analiz próbek porcelany wywodzących się z poszczególnych krajów w celu dalszego zróżnicowania między danymi regionami produkcji i miejscami jej wypalania. Wysoka powtarzalność wyników uzyskanych zarówno dla porcelany produkowanej współcześnie, jak i starożytnej, w przypadku której warunki wypalania nie były kontrolowane w takim zakresie jak obecnie, wskazuje, że technika LA-ICP-MS może być zastosowana także do identyfikacji miejsca pochodzenia próbek ceramiki [20].

2.8Podsumowanie

Technika mikropróbkowania laserowego w połączeniu ze spektrometrią mas z jonizacją ICP umożliwia przeprowadzenie bezpośredniej analizy materiałów w stanie stałym, a powstałe uszkodzenia powierzchni w skali mikro sprawiają, że badana próbka może być dalej z powodzeniem wykorzystana do prowadzenia analiz innymi technikami. Za pomocą techniki LA-ICP-MS można uzyskać informacje zarówno o składzie pierwiastkowym, jak i o rozkładzie izotopowym próbek na poziomie śladowym, dzięki dużej czułości systemu detekcji. Dodatkowo, niewielkie zużycie próbki ma niezwykle istotne znaczenie w stosunku do obiektów unikatowych czy występujących w niewielkich ilościach. Próbki zazwyczaj nie wymagają specjalnego przygotowania (czasami niezbędne jest wykonanie wstępnego mikropróbkowania w celu usunięcia zewnętrznych zanieczyszczeń np. w efekcie korozji badanego obiektu) ani użycia odczynników chemicznych, co obniża koszty analizy, ogranicza niebezpieczeństwo zanieczyszczenia próbek oraz istotnie skraca czas badań. Niestety, w przypadku materiałów cechujących się dużą niehomogenicznością wykonywanie analizy na niewielkim obszarze może okazać się mało reprezentatywne w stosunku do badanego obiektu. Mając na uwadze ocenę średniego składu próbki konieczne jest poddanie analizie znacznie większą powierzchnię i uśrednienie końcowych wyników, bądź też wcześniejsze zhomogenizowanie próbki przez jej utarcie czy sprasowanie. Jednocześnie, aby zwiększyć możliwości wykonania analiz ilościowych, niezbędne wydaje się opracowanie i pełne scharakteryzowanie nowych certyfikowanych lub laboratoryjnych materiałów odniesienia. Zaprezentowane w niniejszym rozdziale przykłady dowodzą, że technika LA-ICP-MS potwierdziła swoją wszechstronną użyteczność w przypadku prowadzenia badań wybranych śladów kryminalistycznych m.in. materiałów kryjących i podłoży papierowych, cząstek powystrzałowych, lakierów samochodowych, mikookruchów szkła, porcelany, włókien, włosów i kości ludzkich, kosmetyków czy gleby.

Piśmiennictwo

1. Nelms S.M. [red.], Inductively coupled plasma mass spectrometry. Handbook. John Wiley & Sons, Ltd, 2009

2. Wilk D., Bulska W., Analysis of the elemental composition of glass fragments by LA-ICP-MS method. Part II. Subsurface layers in container glass. Probl Forensic Sci, 111:5-30, 2018

3. Żyrnicki W., Borkowska-Burnecka J., Bulska E. i wsp., Metody analitycznej spektrometrii atomowej. Teoria i praktyka, Wydawnictwo Malamut, Warszawa 2010

4. Pawlaczyk A., Szynkowska M. I., Inductively coupled plasma ionisation (ICP) [w:] Mass Spectrometry: An Applied Approach, Second Edition, [red.] M. Smoluch, G. Grasso, P. Suder, J. Silberring. Wiley Series on Mass Spectrometry, 2019, 78-92

5. Pawlaczyk A., Szynkowska M.I., Application of ICP-MS for trace element and speciation analysis [w:] Mass Spectrometry: An Applied Approach, Second Edition, [red.] M. Smoluch, G. Grasso, P. Suder, J. Silberring. Wiley Series on Mass Spectrometry, 2019, 351-361

6. Gray A.L. Solid sample introduction by laser ablation for inductively coupled plasma source mass spectrometry. Analyst, 110(5): 551-556, 1985, doi: 10.1039/AN9851000551

7. Trejos T., Almirall J.R., Laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry in forensic science [w:] Encyclopedia of analytical chemistry, [red.] Meyers R.A., Meyers R.A. John Wiley & Sons, Ltd, Chichester, West Sussex, UK 2010, doi: 10.1002/9780470027318.a9103

8. Orellana F.A., Gálvez C.G., Roldán M.T. i wsp., Applications of laser-ablation inductively-coupled plasma-mass spectrometry in chemical analysis of forensic evidence. TrAC - Trends Anal Chem, 42: 1-34, 2013, doi: 10.1016/j.trac.2012.09.015

9. Gładysz M., Król M., Kościelniak P., Current analytical methodologies used for examination of lipsticks and its traces for forensic purposes. Microchem J, 164: 106002, 2021, doi: 10.1016/j.microc.2021.106002

10. Berry J., Trace metal analysis by laser ablation-inductively coupled plasma-mass spectrometry and x-ray K-edge densitometry of forensic samples, dissertation, Iowa State University, 2015

11. Chęsy P., Pawlaczyk A., Szynkowska M. I. i wsp., Examination of the pen-ball writing using LA-ICP-MS and SEM techniques and a chemometric approach. Probl Forensic Sci, 108: 605-622, 2016

12. Szynkowska M.I., Czerski K., Paryjczak T. i wsp., Ablative analysis of black and colored toners using LA-ICP-TOF-MS for the forensic discrimination of photocopy and printer toners. Surf Interface Anal, 42: 429-437, 2010, doi: 10.1002/sia.3194

13. Szynkowska M.I., Pawlaczyk A., Osingłowska K. i wsp., Nowe metody analizy śladów kryminalistycznych z wykorzystaniem nowoczesnych technik analitycznych (TOF-SIMS, LA-ICP-TOF-MS) [w:] Przestępczość w XXI wieku: zapobieganie i zwalczanie: problemy technologiczno-informatyczne, [red.] Pływaczewski E., Filipkowski W., Rau Z. Lex a Wolters Kluwer Business, Warszawa 2015, 408-439

14. Szynkowska M.I., Osingłowska M., Pawlaczyk A. i wsp., New approach in forensic studies of trace evidences, Przemysł Chem, 92: 1125-1133, 2013

15. Trejos T., Flores A., Almirall J. R., Micro-spectrochemical analysis of document paper and gel inks by laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry and laser induced breakdown spectroscopy. Spectrochim Acta Part B, 65: 884-895, 2010, doi: 10.1016/j.sab.2010.08.004

16. Gallo J.M., Almirall J.R., Elemental analysis of white cotton fiber evidence using solution ICP-MS and laser ablation ICP-MS (LA-ICP-MS), Forensic Sci Int, 190: 52-57, 2009, doi: 10.1016/j.forsciint.2009.05.011

17. Ash R. D., He M., Details of a thallium poisoning case revealed by single hair analysis using laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry. Forensic Sci Int, 292: 224-231, 2018, doi: 10.1016/j.forsciint.2018.10.002

18. Jantzi, S.C., Almirall, J.R., Elemental analysis of soils using laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS) and laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) with multivariate discrimination: tape mounting as an alternative to pellets for small forensic transfer specimens. Appl Spectrosc, 68: 963-974, 2014, doi: 10.1366/13-07351

19. Hobbs A.L., Almirall J.R., Trace elemental analysis of automotive paints by laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS), Anal Bioanal Chem, 376: 1265-1271, 2003, doi: 10.1007/s00216-003-1918-x

20. Bartle E.K, Watling R.J., Provenance determination of oriental porcelain using laser ablation-inductively coupled plasma-mass spectrometry (LA-ICP-MS), J Forensic Sci, 52(2): 341-348, 2007, doi: 10.1111/j.1556-4029.2006.00364.x