基于空气动力辅助解吸电喷雾质谱技术的指纹化学成像研究
史俊稳1,2郑令娜2马荣梁3 汪 冰2陈汉清2 王 萌*2王海芳1丰伟悦2
1 (上海大学环境与化学工程学院, 上海 200444) 2(中国科学院高能物理研究所, 中科院纳米生物效应与安全性重点实验室, 北京 100049) 3(公安部物证鉴定中心, 北京 100038)
摘 要 指纹分析在法庭科学科研和实践中具有重要意义。与现有的指纹显影方法相比，基于质谱的成像方法不仅可识别检测指纹中的痕量化学成分，还可获得清晰高分辨的指纹形态。本研究采用空气动力辅助解吸电喷雾质谱成像(AFADESI-MSI)技术，在45 L/min的空气流辅助下，以5 μL/min乙腈为解吸喷雾溶剂，喷雾电压7000 V，正离子模式(100～1000 Da)下，分析了按压在打印纸上的汗液、印泥、防晒霜、粉底液共4种指纹。结果表明，采用AFADESI-MSI技术不仅能得到指纹中多种内源性和外源性物质的化学信息，还能得到指纹的高分辨图像。此外，根据指纹中的化学信息能够区分叠加的指纹。AFADESI-MSI技术作为一种新的指纹分析方法，有望在法庭科学研究和司法鉴定中得到更广泛的应用。
关键词 空气动力辅助解吸电喷雾质谱; 指纹分析; 化学成像
1 引 言
指纹是人手指末端皮肤上凸凹不平的纹线。每个人的指纹具有唯一性，而且终身不变，因此指纹一直被用于身份识别和鉴定[1]。传统的指纹分析方法一般是在获取图像后，通过分析指纹形态学上的特征，并与数据库中已有的样本指纹比对而完成鉴定。随着指纹物证的广泛使用和分析技术的快速发展，指纹化学成分的检测和成像成为指纹分析的重要研究方向。
手指接触到物体表面后，人体的内源性物质(如汗液、油脂、服用药物等)和手指表面残留的外源性物质(如食物、护肤品、毒品等)会遗留在指纹中[2]。分析指纹中这些物质的化学成分，可更好地刻画指纹所有者的生理特征和生活习惯，有助于身份识别和鉴定，特别是当现场指纹不能与数据库中的样品指纹匹配时，这种分析尤其重要[3～9]。过去，分析指纹印中化学成分的方法(如色谱法[10])需要繁琐的前处理过程，很难在得到指纹化学成分的同时得到指纹化学成像图，限制了其在司法实践中的应用。
1.3统计学科学处理本次实验采取统计学软件SPSS 22.0对患者的数据进行统计学科学处理,其中计数资料采取(n,%)进行表示,用卡方进行表示,而计量资料采取(±s)进行表示,用t进行检验,且对科学处理后的结果进行研究与分析。
质谱成像方法能够高灵敏度地原位检测多种分子[11～13]，近年开始应用于指纹中化学成分和成像分析，已报道的相关质谱成像技术有解吸电喷雾离子化质谱(Desorption electrospray ionization mass spectrometry, DESI-MS)[14]、基质辅助激光解吸离子化质谱(Matrix-assisted laser desorption ionization mass spectrometry, MALDI-MS)[15]、二次离子质谱(Secondary ion mass spectrometry, SIMS)[16]、激光诱导隧道电子俘获质谱(Laser activated electron tunneling mass spectrometry, LAET-MS)[17]等。这些方法是用离子束或激光束扫描整个指纹区域，记录每个点产生的质荷比(m /z )信息，通过计算机软件处理，将这些点的信息进行重构，从而获得指纹中化学物质的空间分布图像。
与上述方法相比，空气动力辅助解吸电喷雾离子化(Air flow assisted desorption electrospray ionization，AFADESI)，通过高速空气流实现了离子在大气压下的远距离传输，同时辅助脱溶剂，从而提高了离子化效率和分析灵敏度，还扩展了待测样品空间，提高了操作灵活性[18,19]。空气动力辅助解吸电喷雾质谱成像技术(AFADESI-MSI)已成功应用于动物体内药物及其代谢产物成像分析，为新药研发[20]、肿瘤病理诊断[21]和肿瘤代谢研究[22]等提供了直观的方法与手段。然而，到目前为止，有关其在指纹化学成像方面的应用还未见报道。
四极杆-静电场轨道阱高分辨质谱仪(Q-Exactive, 美国Thermo Fisher公司); 自制的AFADESI离子源; Microtek Digital 3480 扫描仪(上海中晶科技有限公司)。数据分析采用中国医学科学院药物研究所提供的Mass Imager Pro 1.0 质谱成像数据处理系统[23]。
2 实验部分
2.1 仪器与试剂
本研究采用AFADESI-MSI技术，分析了按压在打印纸上的汗液、印泥、防晒霜、粉底液共4种指纹，从重叠的混合指印中提取到特定的指纹图像，并可根据指纹中的化学信息区分叠加的指纹。AFADESI-MSI技术有望在法庭科学研究和司法鉴定中得到更广泛的应用。
水泥采用中材湘潭水泥厂生产的P.O 42.5普通硅酸盐水泥；聚乙烯醇纤维由日本可乐丽公司生产，成品为束状的纤维。PVA纤维的性能见表1。减水剂为江苏苏博特新材料股份有限公司生产的PCA-Ⅰ型聚羧酸高效减水剂。精细石英砂的粒径为120目，密度为2.18×103kg/m3。橡胶粉(Rubber Powder，以下简称RP)由橡胶回收工厂生产，粒径为60目和120目两种，密度为0.98×103kg/m3。粉煤灰为湘潭电厂生产的一级粉煤灰。
选取肉眼可见的印泥指纹，采用不同比例的乙腈-水溶液作为AFADESI的喷雾溶剂，流速范围为1～10 μL/min，观察总离子流和成像效果，选择合适的实验条件。优化后的实验条件见表1。依据此工作条件对打印纸上的汗液指纹以及印泥、防晒霜、粉底液残留指纹和叠加指纹分别做化学成像分析。用Mass Imager Pro 1.0软件处理和分析质谱数据： 首先将质谱数据导入软件进行数据转换和重构，生成初步图形后，进行质谱像素校准和质谱图形分辨率增强，选择背景区域信号进行背景扣除，然后调取光学照片校准图形尺寸，最后选择目标区域的质谱信号，得到质谱成像图。具体数据处理过程参见文献[23]。
2.2 实验方法
按照表1的实验条件，依次分析了印泥指印、汗液指印、粉底液指印和防晒霜指印，不同样品的质谱图见图1。不同指纹所包含的化学组分具有明显差异。比较4种指纹的质谱图，可发现汗液指纹中检测到丰富的分子信息，所有指纹质谱图中都出现m /z 284.3304和m /z 312.3615的两种分子(图1B); 在印泥(图1A)、粉底液(图1C)和防晒霜(图1D)指纹中都检测到了更大分子量的外源性物质，并获得了精确分子量(表2)。
①判断信息题，提醒自己。信息题的题干所占篇幅往往较大，很好识别。信息题往往是区分度很大的试题，无论是选择题还是判断题，提醒自己慢下来好好作答。②理清信息间的逻辑关系与教材的结合点，必要时通过画图帮助理解。③问答中必有用到信息的地方，有些信息还需要进行转换。
乙腈(色谱纯，德国Merck公司); 纯水(杭州娃哈哈集团有限公司); 打印纸(A4，广东亚太森博纸业有限公司); 印泥(深圳市金天华印章有限公司); THE SAEM粉底液(韩国化妆品株式会社); ALLIE防晒霜(日本佳丽宝化妆品株式会社)。
表1 空气动力辅助解吸电喷雾质谱成像实验条件
Table 1 Experimental parameters of air-flow assisted desorption electrospray ionization-mass spectrometry imaging(AFADESI-MSI)
3 结果与讨论
3.1 不同指纹AFADESI-MSI质谱图
本实验室的4人分别用右手食指，在打印纸上按压汗液、印泥、防晒霜和粉底液4种指纹，用相机拍照留存光学照片。在另一张打印纸上重叠按压印泥、防晒霜和粉底液指纹，得到叠加指纹。印泥指纹按压依据实际按手印的方式进行，防晒霜和粉底液指纹按照使用人平时正常涂抹后按压得到。
分析图1A中的印泥的主成分物质，其质荷比从m /z 389.2492到m /z 621.4157依次相差相同的质量数，平均值为58.0416，与聚丙二醇(PPG)的单体精确分子量58.0419吻合，所以推测此种印泥含有PPG组分。在工业领域，低分子量PPG常作为表面活性剂添加在油墨中，用于提高印油的铺展性和颜色均一性。质谱结果验证了印油指纹中存在PPG。图1B中汗液指纹的主要成分的精确分子量为284.3304和312.3615，相差28.0311(对应C2H4)。图1C中的粉底液的主要化学成分，其质荷比从m /z 409.1820到673.3375依次相差相同的质量数，平均值为44.0259，与聚乙二醇(PEG)的单体精确分子量44.0262吻合，所以推测此种粉底液中含有PEG组分，而PEG是一种常用于化妆品的化学试剂。防晒霜指纹(图1D)中主要化学成分的精确分子量为493.3481和509.3221，分别为三异辛酸甘油酯加Na峰和三异辛酸甘油酯加K峰, 其中三异辛酸甘油酯是防晒霜中常见化学组分。
表2 指纹中主要化学成分
Table 2 Qualitative analysis of the main components in fingerprints
3.2 不同指纹的质谱成像显影
图2中显示了从印泥局部放大质谱图中选取不同m /z 的分子，通过成像软件得到的指纹质谱成像图，可以看出，无论是高分子量组分还是低分子量组分都可得到清晰的指纹图像。本研究采用的AFADESI离子源与高分辨的质谱仪联用，可同时得到多种m /z 离子的质谱成像图，应用Mass Imager Pro 1.0质谱成像数据处理系统可方便选取目标物，实现成像输出。
图2 印油指纹质谱图(上)及部分离子成像图(下)
Fig.2 Mass spectrum (top) and imaging (bottom) of inkpad fingerprint
图3中展示了印泥、汗液、粉底液和防晒霜中主成分指纹成像图以及相对应的光学照片(粉底液、汗液和防晒霜指纹肉眼不可见，光学图均采用红墨水指印)。可清晰观察到AFADESI-MSI指纹具有与光学照片中所示相同的特征，如分叉(图3A印泥指纹)、螺旋特征(图3B、3C和3D)。
解析：第一个图中入射光线是平行的，而折射光线远离主光轴，即透镜有发散作用，所以是凹透镜；第二个图中入射光线平行于主光轴，折射光线相对于入射光线靠近了主光轴，即透镜有会聚作用，所以是凸透镜。
图3 指纹的光学照片和质谱成像图(左侧为光学图，右侧为质谱图): (A) 印泥指纹; (B) 汗液指纹; (C) 粉底液指纹; (D) 防晒霜指纹
Fig.3 Optical picture and mass spectrometry imaging of fingerprints (left: optical picture; right: mass spectrometry imaging): (A) inkpad fingerprint; (B) the sweat fingerprint; (C) liquid foundation fingerprint; (D) sunscreen fingerprint
3.3 重叠指纹的质谱成像识别
在同一位置上有两个或两个以上叠加而成的指纹称为重叠指纹。重叠指纹广泛存在于公共场合(包括犯罪现场), 如门把手、水杯、液晶屏幕等。在缺少单个指纹检材的情况下，若能将其成功分离，可为侦查破案提供重要线索，为诉讼审判提供有力证据。 本研究采用的AFADESI-MSI技术在获得指纹清晰图像的同时，还可获知指纹中特定的物质成分，因此，选取不同指纹中特有的物质组分进行指纹显影就可很好地区分不同指纹。打印纸上印泥、粉底液和防晒霜的重叠指纹模型如图4A所示，通过3种指纹中已检测出的特定组分进行质谱成像指纹显影，上述3种指纹得到了完全分离，分别得到了印泥(图4B)、粉底液(图4C)和防晒霜(图4D)的单个指纹图像。在实际应用中，对于未知潜在指纹的分离提取，可通过每次扫描后的多种分子信息中寻找最具有识别特征和清晰的指纹显现结果。在应用于指纹分析时，MALDI-MSI技术在分析小分子时有基质干扰[15]。 AFADESI-MSI使用气流辅助提高了灵敏度[18]，在分析指纹样品时可获得更多的化合物信息，更有利于未知潜在指纹的分离提取工作。还可将AFADESI-MSI与无机元素成像方法结合, 以获得更准确的指纹提取结果[24]。
图4 重叠指纹: 印泥(左)、粉底液(中)、防晒霜(右)。A: 光学照片; B: m /z 563.3742(PPG)成像图; C: m /z 541.2599(PEG)成像图; D: m /z 509.3221(三异辛酸甘油脂)成像图
Fig.4 Overlapped fingerprints (left: inkpad; middle: liquid foundation; right: sunscreen): (A) Optical picture; (B) m /z 563.3742 (PPG) imaging; (C) m /z 541.2599 (PEG) imaging; (D) m /z 509.3221 (glyceryltri(2-ethylhexanoate)) imaging
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Chemical Analysis and Imaging of Fingerprints by Air-flow Assisted Desorption Electrospray Ionization Mass Spectrometry
SHI Jun-Wen1,2, ZHENG Ling-Na2, MA Rong-Liang3, WANG Bing2, CHEN Han-Qing2,WANG Meng*2, WANG Hai-Fang1, FENG Wei-Yue2
1(School of Environmental and Chemical Engineering ,Shanghai University ,Shanghai 200444,China )2(CAS Key Laboratory for Biomedical Effects of Nanomaterials and Nanosafety ,Institute of High Energy Physics ,Chinese Academy of Sciences ,Beijing 100049,China )3(Institute of Forensic Science ,Ministry of Public Security ,Beijing 100038,China )
Abstract Fingerprint analysis is of great significance in forensic sciences. Compared with existing fingerprint analytical methods, mass spectrometry-based methods can not only identify trace chemical components in fingerprints, but also obtain fingerprint imaging. In this study, four kinds of fingerprints, including sweat, inkpad, sunscreen, and liquid foundation, were analyzed by air-flow assisted desorption electrospray ionization mass spectrometry imaging (AFADESI-MSI). AFADESI was employed with the air flow of 45 L/min and 5 μL/min acetonitrile was used as spray solvent at spray voltage 7000 V. Positive ion full scan mode (100-1000 Da) was chosen. The results showed that AFADESI-MSI technology could not only obtain chemical information of various endogenous and exogenous substances in fingerprints, but also obtain high resolution images of fingerprints. In addition, overlapped fingerprints could be distinguished according to the typical chemical information in fingerprints. As a new fingerprint analysis method, AFADESI-MSI will be widely used in forensic scientific research and practical applications.
Keywords Air-flow assisted desorption electrospray ionization mass spectrometry; Fingerprint analysis; Chemical imaging
DOI :10.19756 /j.issn.0253 -3820.191390
2019-07-20收稿； 2019-10-16接受
本文系国家自然科学基金项目(Nos. 11505194, 11875268)、国家重点研发计划项目(No. 2016YFA0201604)和痕迹科学与技术公安部重点实验室开放课题(No. 2017FMKFKT07)资助
* E-mail: wangmeng@ihep.ac.cn
(Received 20 July 2019; accepted 16 October 2019)
This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (Nos. 11505194, 11875268), the National Basic Research Program of China (No. 2016YFA0201604), and the Fund of Key Laboratory of Trace Science and Technology, Ministry of Public Security of China (No. 2017FMKFKT07).
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