在全球恐怖主義不斷威脅下的今天，有效的易爆炸物檢測已經成為眾多重要區域需要進行的關鍵程序之一，包括機場，邊境檢查站，以及高安全建筑的入口等。指紋作為人類留下痕跡的一種“照片”——手指的摩擦脊皮膚的圖案，自19世紀以來已經成為犯罪現場鑒定當事人身份的一種常規手段。另外，許多被人接觸過的東西都會殘留在指紋的自然分泌物和污染物的復雜混合物中，如每天服用的藥片，咖啡，或刑偵領域常見的毒品和易爆炸物等。
傳統的可視化指紋檢測手段，如撲粉，茚三酮熏蒸，真空金屬沉積等，盡管可以重建指紋圖案，但其同時可能對一些指紋脊狀突起中含有的化學物質造成破壞。近年來，許多技術被用于指紋中痕量外源物質的分析鑒定，如解吸電噴霧電離質譜(DESI-MS)，液相色譜-質譜(LC-MS)，但通常需要額外的溶劑噴霧處理，且空間分辨率不足（~150 μm），或者分析過程會對指紋造成破壞。傅里葉變換紅外(FTIR)光譜顯微鏡，可以探測樣品中分子間化學鍵的固有分子振動，并提供豐富的化學信息, 已成為一種快速、無需標記、無損的樣品表征方法，被廣泛應用于包括刑偵在內的眾多領域。FTIR透射模式測試通常選用紅外光透明的材料，而反射模式則選用硅片，聚酯薄膜或鋁覆蓋的玻璃基底，但兩者在指紋分析上多局限于收集在選定波數下指紋中組分物質的二維分布信息。另外對于那些沉積在既不透明也不反射紅外的基底上的樣品，衰減全反射法（Attenuated total reflectance，ATR）似乎成為的選擇，但ATR通常不是法醫鑒定的一種理想方法，因為ATR要求被分析的樣品和ATR晶體緊密接觸，往往會導致樣品變形甚至后破壞剩余的證據。
圖1. 光熱紅外光譜顯微技術用于檢測指紋中的易爆炸物
基于以上考慮，新加坡國立大學同步輻射光源線站的科學家們和新加坡刑事調查局刑偵部門共同合作開發出了一種新的紅外檢測手段（圖1），即使用基于新型光熱紅外（Optical- Photothermal InfraRed，O-PTIR）技術的非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測量系統mIRage來分析指紋中含有的痕量易爆炸物微粒，該技術帶來了一系列的優勢，如亞微米的紅外光譜和成像分辨率，易操作的遠場、非接觸顯微鏡工作模式和明顯高于FTIR光譜顯微鏡的靈敏度。
在實驗過程中，四種代表性易爆材料，包括PETN(季戊四醇四硝酸酯)、RDX（黑索今炸藥）、C-4 (塑料炸藥，黑索今炸藥和塑化劑，粘結劑的混合物)和TNT（2,4,6-三硝基甲苯），可直接被分散在指紋內（“直接”指紋）或沉積在基底物質上 (間接”指紋)進行檢測，無需任何復雜的樣品制備過程。而傳統紅外樣品制備時通常會使用KBr，混合后在一定壓力下進行薄片的壓制。從光學顯微照片2a中可以看出，薄片中KBr顆粒與RDX的混合是不均勻的，肉眼無法準確識別出目標物質RDX。為了定位混在KBr顆粒之間的易爆物，作者采集了單一波長1269 cm-1下的O-PTIR圖像, 對應于RDX分子的C-N拉伸振動的顯著紅外吸收線(紅色)，清晰顯示了RDX分子在混合物中的分布情況。另外，類似于FTIR光譜技術，光熱紅外技術可以提供樣品紅外吸收帶相對于波數[cm-1]的譜圖函數信息。如圖2c所示, 作者采集了C-4, RDX，PETN和TNT四種物質的O-PTIR圖像和FTIR光譜，通過對比可知所有分析的光譜都包含易爆物自身的特征紅外吸收峰，可以視為他們的“簽名”。值得注意的是，盡管基于O-PTIR的非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測量系統mIRage使用非接觸(遠場)，反射模式，其光譜質量仍然非常接近于透射測量模式下的FTIR吸收光譜，且紅外吸收帶強度和濃度之間遵照比爾定律成線性關系。
圖2. (a) Cassegrain顯微物鏡記錄的混有RDX的KBr薄片的10倍放大光學圖像，(b) O-PTIR激光反射(綠色)和在1269 cm-1波長下采集的單波數O-PTIR圖像(紅色)疊加后的照片, (c) 含有四種高爆炸物的參照物的FTIR（黑色）和O-PTIR（紅色）譜圖對比，（C-4, RDX, PETN 和 TNT）。
單波數圖像，又稱為離散頻率圖像，已被廣泛用于高倍率下樣品感興趣區域的定位。圖3a展示了作者收集到的被PETN污染的指紋光學圖像，該指紋沉積在桌面上，是通過使用粉末(Hi-Fi Silk Gray)顯影， 膠帶(Spex C-lifts)分離后獲取到的。在該例子中，單波數的圖像為1000×200點組成的矩陣(500×300 μm2),每一個單點都對應于該位置O-PTIR振幅的值(即與特定波數下（1003 cm-1和1473 cm-1，該點處材料的紅外吸收和數量成正比)，換句話說，這些圖像是所選波數下紅外吸收強度的二維分布(吸收)圖。
圖3. (a) 被易爆物PETN污染的指紋的光學照片，（b）指紋中五個不同位置收集的O-PTIR光譜與PETN的標準參考紅外譜圖的對比；(c, d)在同樣的500 * 300平方英寸的面積下采集的單波數下O-PTIR圖像，每像素約1毫秒，(c) 1003 cm-1和(d) 1473 cm –1。
綜上所述，作者認為O-PTIR技術是一種分析具有挑戰性樣品的理想手段，如隱藏的指紋，提供隱藏在大量外源物質中的微小(亞微米)粒子的化學信息（如易爆物）且不需要復雜的樣品制備過程。這些信息可以通過單波數紅外成像和亞微米空間分辨率的紅外光譜獲得，后者使用目前的FTIR光譜顯微鏡是無法做到的（分辨率受限于紅外波長，約10-20 μm）。另外，該分析手段非常簡單快捷，無破壞性，且不需要基于接觸的方法（例如ATR光譜技術），使得樣品的完整性被完全的保持。特別指出的是，該技術的非破壞性非常重要，尤其是在法醫領域，因為它可以允許同時使用其他技術對相同樣本進行互補和比對分析，并作為法律證據。此外，隨著技術的發展，O-PTIR現在可以與拉曼顯微鏡相結合，以提供真正的亞微米同步的紅外拉曼測試，使得在一個儀器上通過一次測量即可進行互補和驗證分析。
技術支持：
Quantum Design中國結合紅外光譜的應用和科技的需求，專注先進紅外光譜技術的引進, 近期QD中國引進了美國PSC公司的非接觸亞微米分辨紅外&拉曼同步測量系統mIRage（圖4）。它是全球科技創新R&D100大獎的獲獎者，基于O-PTIR技術，克服了傳統紅外光譜儀空間分辨率受限于紅外光波長的問題，將分辨率從原來的10-20微米提升到了0.5微米，并且可以實現同時、同樣品區域、相同分辨率的紅外光譜和拉曼光譜測試，測量過程更簡單、便捷。目前該樣機安裝于Quantum Design中國北京實驗室，更多的應用仍在不斷開發和探索中，我們期待與您早日合作，共同進步！
圖4. Quantum Design中國北京mIRage樣機實驗室及儀器工程師合影
參考文獻：
[1] Agnieszka Banas et. al, Detection of High-Explosive Materials within Fingerprints by Means of Optical-Photothermal Infrared Spectromicroscopy. Anal. Chem. 2020, 92, 14, 9649–9657.
相關產品：
非接觸式亞微米分辨紅外拉曼同步測量系統—mIRage：http://www.dongsenyule.com/product/20191022131.shtml
