热点应用丨微观侦探：拉曼光谱技术如何破解油漆法证难题

图 1. 油漆痕迹比较拉曼分析可用于法医犯罪现场调查的示例。

对这些样品进行比较分析时，必须具有极高的化学特异性，以区分色调相似的不同颜料。它还必须能够对微观痕迹进行非破坏性分析，以便日后使用确证技术对其进行分析。由于拉曼光谱仪具有很高的光谱分辨率、亚微米范围的空间分辨率，而且无需进行样品制备，因此可以同时满足这两个标准。重要的是，拉曼光谱仪是非破坏性的，可确保证据的保存。如图 1 所示，由于颜料分子的高分子对称性和共振增强特性，它非常适合分析浓度极低的油漆，这意味着这些样品通常会产生强烈的散射。本应用说明介绍了爱丁堡仪器公司的 RM5 显微共聚焦拉曼光谱仪如何用于分析法医实验室环境中的油漆痕迹。

图 2. 爱丁堡仪器公司的 RM5 显微共聚焦拉曼光谱仪。

油漆一般包含颜料、粘合剂、溶剂和其他添加剂。颜料既可以是色彩鲜艳的天然无机化合物（如我们的艺术品和考古应用说明所示，在历史艺术作品中无处不在），也可以是合成有机化合物（现在更常用）。不过，无机二氧化钛或碳基颜料仍分别常见于白色和黑色涂料中。油漆中使用的有机化合物一般都含有极性很强的共轭碳链或芳香族官能团，会产生明显而强烈的拉曼信号。因此，该技术在检测和区分不同油漆化合物方面非常有效。为了证明这一点，我们使用 RM5 分析了各种油漆样品。

首先，我们分析的两个样品是在宽场显微镜下呈现高度相似性的油漆痕迹，这初步提示它们可能源自同一来源（见图3a）。为了深入探究，我们从这两个痕迹的多个位置采集了拉曼光谱数据（见图3b）。尽管两者共享一些拉曼特征（以橙色标识为标志），但仔细观察发现它们之间存在显著区别。痕迹1展现出独特的拉曼特征（以绿色标识为标志），并且在特定波数范围内的强度分布与痕迹2有所不同。具体而言，痕迹1在1597 cm?1波数处的强度更为显著，而痕迹2则在1316 cm?1波数处表现出更强的信号。这些差异表明，尽管两者外观相似，但所含化合物的种类及含量存在差异，其中痕迹1可能含有更多种类的化合物。本研究有力地证明了拉曼光谱技术在区分视觉上难以分辨的样品方面的有效性。

图 3. 涂料痕迹的拉曼光谱对比分析。

接下来，我们采用了不同波长的激光器对黄色喷漆样本进行了激发分析。通常情况下，尽管使用不同激光器获得的拉曼光谱在质量上表现出相似性，但在相同的采集时间内，各波段的强度会因拉曼强度与波长负四次方的关系而有所差异。然而，对于本次分析的样品，在532 nm和785 nm波长下记录的原始光谱却呈现出显著的质量区别，如图4所示。在532 nm波长下记录的拉曼光谱，主要特征包括位于1262 cm?1、1329 cm?1和1592 cm?1的强波段。相比之下，在785 nm波长下记录的光谱中，这些波段依然显著且强度高，但额外检测到了位于450 cm?1和620 cm?1的两个宽拉曼波段，这两个波段被确认为来自金红石型二氧化钛的特征峰3。这种差异可归因于黄色颜料在532 nm波长下的共振增强效应，导致颜料发色团的主要光谱特征掩盖了金红石型二氧化钛的谱线。

在对颜料进行取证分析时，必须充分考虑共振增强效应，从而避免因不同测量条件下光谱的定性差异而导致的错误匹配。例如，如果未将激发波长这一关键信息纳入拉曼光谱库的元数据记录中，可能会导致误判，如图4所示的光谱可能被错误地归类为不同颜料样品，这主要是由于有机颜料和金红石在不同激发波长下的贡献率存在显著差异。

图 4. 不同激发波长下黄色喷漆的拉曼光谱分析。

在法医拉曼光谱学中，记录的光谱通常会与光谱库进行比较，以找到匹配的光谱，从而提供与案件相关的联系。Ramacle允许将光谱无缝传输到KnowItAll中，KnowItAll提供众多光谱库和用户自建库选项。点击Ramacle中的KnowItAll图标，几秒钟内就能通过数据库对光谱进行分析。

对黑色喷漆样品进行了深入的分析与鉴定，结果如图5所示。借助Ramacle到KnowItAll的直观导出功能，光谱数据被迅速且准确地识别为碳黑，匹配度高达95%。这一关键信息，连同所有相关的元数据，随后被完整地返回并安全地存储在Ramacle系统中。在光谱图中，1338 cm?1和1587 cm?1处的大波段尤为突出，它们分别对应于无定形碳的D波段和G波段，这是碳黑材料的典型特征。已有文献详细阐述，不同品牌和种类的碳基黑色颜料，在D波段和G波段的位置、宽度以及相对强度上，会展现出微妙的差异。因此，通过收集并分析不同品牌黑色颜料的光谱数据，并构建一个全面的光谱库，我们可以为刑事侦查提供有力支持，帮助确定犯罪现场所使用的黑色喷漆的具体来源和销售地点。

图 5. 碳黑喷漆的拉曼光谱分析和 KnowItAll 鉴定。

1. P. Buzzini et al., The micro Raman analysis of paint evidence in criminalistics: case studies, J. Raman. Spectrosc., 2006, 37, 922-931.

2. P. Buzzini and E. Suzuki, Forensic applications of Raman spectroscopy for in situ analyses of pigments and dyes in ink and paint evidence,  J. Raman. Spectrosc., 2016, 47, 16-27.

3. A. E. Maftei et al., Micro-Raman – A Tool for the Heavy Mineral Analysis of Gold Placer-Type Deposits (Pianu Valley, Romania), Minerals, 2020, 10, 988.

4. E. P. Tomasini et al., Micro-Raman spectroscopy and carbon-based black pigments, J. Raman. Spectrosc., 2012, 43, 1671-1675.