红外和拉曼光谱快速检验技术在气体爆炸现场的应用
张冀峰, 潘炎辉, 孙玉友
公安部物证鉴定中心,北京 100038

第一作者简介:张冀峰(1974—),男,河北保定人,博士,副研究员,研究方向为涉爆案件侦查技术。E-mail:49916189@qq.com

摘要

红外光谱法(IR)和拉曼光谱法(Raman)等快速检验技术可对气体爆炸现场中的爆炸遗留物和残留物进行快速检验和初步定性。本文结合一起可燃气体爆炸实际案例,利用手持式红外/拉曼光谱仪对爆炸遗留物、爆炸作用喷溅物进行快速分析,对快速定性检验和来源推断的应用效果和应用范围进行探讨。结果表明,该方法简单快速,检验对象多样,在气体爆炸现场关键物证的来源快速推断和现场快速重建工作中具有重要的应用价值。

关键词: 红外光谱; 拉曼光谱; 气体爆炸现场; 现场快速重建
中图分类号:DF794.3 文献标志码:B 文章编号:1008-3650(2017)02-0161-04 doi: 10.16467/j.1008-3650.2017.02.018
Application of Rapid Infrared and Raman Spectroscopic Techniques at the Site of Gas Explosion
ZHANG Jifeng, PAN Yanhui, SUN Yuyou
Institute of Forensic Science, Ministry of Public Security, Beijing 100038, China
Abstract

Infrared and Raman (IR/Raman) spectroscopy, as represented of one quick detection technique, has been being applied for rapid determination of remnants and residues at gas explosion sites. In this paper, a hand-held integrated IR/Raman spectrometer was used to analyze the remnants and those splashed materials produced during a real combustible gas explosion. The efficiency and range were also probed on this fast detection technique to determine the specificity and source of evidential material. The results demonstrated that the rapid IR/Raman spectroscopic technique is applicable to a variety of analytes at a gas explosion site. With its simplicity and swiftness, this detection choice can play an important role in both the rapid provenancing of evidence and fast scene reconstruction for the related cases.

Key words: infrared spectrum; Raman spectrum; gas explosion site; fast scene reconstruction

可燃气体爆炸可分为可燃气体泄露引发的爆炸事故和利用可燃气体实施爆炸犯罪两种类型。气体爆炸现场具有爆炸和燃烧双重作用特征[1], 现场关键物证往往在爆炸和燃烧双重作用下, 外观、形态及组分结构发生较大变化, 难以通过常规的勘验手段在现场进行快速识别、判定和分析, 致使现场勘验和现场重建效率不高。

随着快速检验设备的不断发展和完善, 现场快速检验技术已经在分析测试和安检防范等领域发挥了重要作用[2]。手持式拉曼光谱仪和手持红外光谱仪是近年来发展比较成熟的临场快速检验设备, 它具有体积小、重量轻、操作简单、检测速度快、自动检索等特点, 可在现场对塑料、橡胶、涂料、化纤等常见有机物和部分共价键联无机物进行快速检验[3, 4], 进而实现对现场中外观、形态发生较大变化的关键物证进行性质和来源推断, 为快速进行现场分析重建提供依据。本文结合一起实际案例, 对拉曼和红外快速检验技术在可燃气体爆炸现场勘验工作中的应用情况和应用价值进行了探讨。

1 案件基本情况

某市一楼房正在装修的一房间发生爆炸, 造成三名装修工人受到严重的爆炸高温灼伤, 其中一人由于受伤严重, 经抢救无效死亡, 另两人处于重症监护状态, 无法进一步询问取证。

经过现场勘查, 该爆炸现场存在爆炸和燃烧双重作用痕迹, 发生爆炸的房间门窗向外抛出, 无明显炸点, 符合可燃气体爆炸整体破坏严重、无明显炸点、过火面积大等主要特征。因此, 可确定这是一起可燃气体爆炸。

经调取电梯间监控视频, 视频信息可反映:1号人员身穿灰白相间上衣, 2号人员身穿灰红混色上衣, 3号人员为纯深红色上衣。爆炸发生后, 1、2号人员重伤, 3号人员死亡。1号人员在昏迷前有一简短描述, 称自己在爆炸瞬间处于大厅西南角, 爆炸发生后从过道跑出至大门外, 另外二人爆炸瞬间所处具体位置不明, 爆炸原因不明。除此以外, 调查访问没有获取任何与爆炸相关的有效信息。因此, 通过现场物证的检验分析, 对爆炸瞬间现场人员位置进行分析重建是确定爆炸原因的关键。

2 现场快速检验工作

发生爆炸的房间是一个三室一厅两卫套房(图1), 在厨房、过道、客厅墙上、屋顶等部位附着大量具有明显喷射方向的高温熔融喷溅物(图2), 其外观、形态发生较大变化, 无法直接辨识。厨房喷溅物由北向南喷溅分布, 主要分布于厨房西墙和顶部; 过道喷溅物由东向西喷溅分布, 主要分布于过道南墙; 客厅喷溅物由东南向西北喷溅分布, 主要分布于客厅北墙和西墙。由于这些喷溅物和遗留物是爆炸所致, 因此分析其成分、确定其材质、判断其来源, 对于现场分析重建具有重要意义。

图1 房间布局和物证分布图Fig.1 Map of the explosion-occurring room and evidence distribution

图2 厨房顶部(a)、过道墙面(b)、客厅墙面上(c)喷溅物Fig.2 Splashed materials on the kitchen’ s ceiling (a), the aisle’ s wall (b) and the parlor’ s wall (c)

在厨房、过道、客厅等处的地面、墙上、屋顶共提取了15处喷溅物和遗留物, 房间布局和提取的物证具体分布见图1。其中:1、2、3、10为地面提取物, 4、5、7、8、9、12、13为墙上提取物, 6、11、14、15为房顶提取物。材质相同的物证编号连续, 顺序由西向东, 由北向南。

2.1 现场快速检验所用仪器和检测条件

2.1.1 检测仪器

Gemini手持式拉曼/红外一体机(Thermo Scientific)。

2.1.2 检测条件

红外光谱的扫描范围为4000~650 cm-1, 分辨率为4 cm-1; 拉曼光谱的扫描范围为250~2875 cm-1, 分辨率为7 cm-1, 激光功率为250 mW。

2.2 现场物证快速检验结果

各部位提取物检验结果见表1, 检测图见图3~6。

表1 爆炸喷溅物和遗留物检验结果 Table 1 Results to test both the explosive remnants and those splashed

图3 聚酯材质喷溅物红外光谱图Fig.3 Infrared spectra of the splashed polyester materials

图4 聚酯材质喷溅物拉曼光谱图Fig.4 Raman spectra of the splashed polyester materials

图5 纤维素材质遗留物红外光谱图Fig.5 Infrared spectra of the cellulose material

图6 纤维素材质遗留物拉曼光谱图Fig.6 Raman spectra of the cellulose material

2.3 检验结果分析

结合调查访问和爆炸前电梯间监控信息, 对上述物证的检验结果进行比对分析和来源推断:

1)大门外提取的碎布片(1号提取物)、客厅东南角提取的碎布片(2号提取物)、过道西端提取的碎布片(3号提取物)的检验结果均为纤维素, 属于棉纤维材质, 其颜色均为灰白相间。以上物证的材质、颜色均与1号伤者上衣相符。

2)位于过道和客厅的几处提取物, 即大卫生间门口墙上红色喷溅物(4号提取物)、大卫生间门口墙上灰红混色喷溅物(5号提取物)、客厅西部顶上红色喷溅物(6号提取物)、客厅北墙红色喷溅物(7号提取物)、客厅西墙灰红混色喷溅物(8号提取物)、北卧室西南墙角喷溅物(9号提取物)、客厅中部顶上灰红混色喷溅物(15号提取物), 检验结果均为聚对苯二甲酸乙二醇酯, 简称聚酯, 俗称涤纶。这几处喷溅物的颜色和材质均与2号伤者所穿的灰红混色上衣相符。

3)厨房地上深红色碎布片(10号提取物)、厨顶上深红色喷溅物(11号提取物)、厨房南墙深红色喷溅物(12号提取物)、厨房南墙混合喷溅物(13号提取物)、厨房顶上深红色喷溅物(14号提取物)检验结果均为聚对苯二甲酸乙二醇酯, 即涤纶, 这与3号死者的衣物材质和颜色吻合。

3 现场分析与重建

根据现场地面、房顶、墙上喷溅物与死伤者所穿衣物的比对结果, 以及喷溅物所处位置、喷溅方向和分布情况等痕迹特征可分析如下:

1)根据1号提取物(大门外)、2号提取物(客厅东南角)、3号提取物(过道西端)的分布特征, 并结合1号伤者昏迷前的描述, 爆炸瞬间其位于客厅西南角, 受伤后从过道跑出, 随后在门口等待救援。以上提取物的分布特征与伤者所描述的移动轨迹一致。

2)6号提取物(客厅西部屋顶)、7号提取物(客厅北墙)、8号提取物(客厅西墙)、9号提取物(北卧室西南墙角)、15号提取物(客厅中部顶上)均为由东南向西北方向喷溅。4、5号提取物具体位置为大卫生间门口墙面棱角上及侧面, 高度约为1.1~1.5 m, 与其他喷溅物相比体积较大, 疑似人体组织和衣物剐蹭到墙沿所致。将9号提取物与4号提取物以直线连接, 刚好经过客厅西南角墙沿, 而北卧室的9号提取物以北的墙面则非常洁净, 表明9号提取物是从4号提取物附近喷射而来, 以北的墙面则被客厅西墙挡住, 显得比较洁净。由此可以推断, 爆炸瞬间2号伤者位于客厅东南角过道处, 受爆炸作用, 2号人员衣物及皮肉剐蹭到大卫生间门口, 其身上所穿的涤纶材质衣物极易着火, 向客厅方向喷溅, 其喷溅方向和分布情况与6、7、8、9、15号物证分布特征相符。

3)10号提取物(厨房地上)、11号提取物(厨房顶上)、14号提取物(厨房顶上)其喷溅方向为由北向南, 即由厨房向过道方向。厨房南墙上的12号提取物、13号提取物为涤纶材质, 由于2、3号人员均穿有涤纶材质的衣物, 因此仅依据光谱检验难以确定该提取物来源, 但通过喷溅方向和该处喷溅物颜色进行分析, 这两处喷溅物颜色主要为深红色, 呈现垂直喷射的散点分布状态, 不存在贴墙平移的痕迹, 因此推断其来自于3号死者。由此可推断, 爆炸瞬间3号人员位于厨房中部。

因此, 据物证检验结果和喷溅痕迹分布特征, 可分析爆炸瞬间1号伤者应位于客厅西南角过道附近, 2号伤者应位于客厅东南角过道处附近, 3号死者位于厨房内。并据现场喷溅物分布特征和喷射方向, 结合气体爆炸产物反应区传播规律, 可分析最初爆炸的发火点为3号死者位置附近, 现场分析复原图见图7。

图7 现场分析复原图Fig.7 The restored sketch of the explosion scene

4 讨论

手持式红外光谱仪和手持式拉曼光谱仪可以对可燃气体爆炸现场的塑料、化纤等材质的爆炸遗留物进行快速种属检验和来源推断。其中拉曼光谱法适用于量较大及灼烧程度较低的遗留物, 但不适用于因高温灼烧而硬化、碳化、灰化及表面污染严重的少量样品。红外光谱法需要上样检测, 对于燃烧程度较重的检测对象, 可用手术刀等从爆炸燃烧遗留物中材质颜色质地变化较轻处剥离切取少量样本进行检验。手持式红外和拉曼光谱仪的检测灵敏度和分辨率等性能指标低于实验室设备, 对于部分材质比较复杂的样品, 其检验的准确度和重现性较差。在现场操作时, 一方面应有效的选取、处理样品, 以获取更佳的检验效果, 一方面应及时查看、分析仪器的自动检索结果, 并与其他检验结果进行综合匹配分析。对于检测结果相同的不同物证, 如2、3号人员的衣物及其喷溅物, 其光谱精细特征是否存在细微区别, 须要进一步研究。对于主要材质相同的物质, 如能确定其光谱中独有特征的标记点, 并建立相应材质的光谱数据库, 那么, 对主要材质相同的物质进行精细区分, 则会容易得多[5, 6]。因此, 现场快速检验技术可对可燃气体爆炸现场中外观、形态发生较大变化的关键物证进行快速检验、初步定性和来源推断。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] 赵衡阳. 气体和粉尘爆炸原理[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 1996. [本文引用:1]
[2] 蔡建刚, 郭俊虎. 手持式红外和拉曼光谱仪实时检测炸药的应用分析[J]. 中国公共安全, 2013(4): 122-125. [本文引用:1]
[3] 许中石, 陈东杰, 吕弘儒, . 拉曼光谱在微量物证鉴定中的应用[J]. 山东化工, 2016, 45(9): 70-72. [本文引用:1]
[4] 余静, 张云, 庞松颖, . 红外光谱技术在物证鉴定中的应用[J]. 光谱学与光谱分析, 2016, 9(9): 2807-2811. [本文引用:1]
[5] 全勇, 韦亚兵. 傅里叶变换显微红外光谱技术在涤纶中的应用[J]. 合成纤维工业, 2007, 30(2): 63-65. [本文引用:1]
[6] 李德宏, 顾美华, 任夕娟, . 红外光谱法研究涤纶短纤维结构与性能[J]. 合成技术及应用, 2002, 17(3): 34-35. [本文引用:1]