基于原位观察，探讨出汗对加热过程中沉积在304不锈钢表面的潜在指纹可视化的影响

《Science & Justice》：Impact of sweat on visualization of latent fingermarks deposited on 304 stainless steel during heating based on in-situ observation

本研究通过热台显微镜观察和离子色谱分析，揭示了金属基指纹在高温下的自增强可视化机制。发现指纹可视化随温度分为三个阶段：500°C以下有机残留减少导致减弱；500-800°C Cl?催化腐蚀增强指纹；900°C以上氧化层形成抑制腐蚀，导致可视化下降。汗液Cl?含量差异显著影响结果，富汗样本表现更优。

　　

王宇|臧正哲|刘尧|李浩源|金静|曹一跃|张冠楠

中国人民警察大学研究生院，中国廊坊065000

摘要

为了进一步研究由于汗液分泌量导致金属指纹在加热后的可视化增强机制，使用热台显微镜对15名捐赠者的指纹纹路在加热过程中的变化进行了原位观察，以确认这种可视化增强现象。基于上述结果，通过离子色谱法比较了富含汗液和贫含汗液的自然指纹中的Cl^?含量（选取了2名典型捐赠者）。随后利用SEM/EDAX进行了加热后的微观形态分析，以深入探讨高温下指纹可视化的增强机制。根据加热条件，指纹的发展规律可以分为三个阶段：在500°C以下，随着加热温度的升高，残留有机物减少，指纹的可视化效果减弱，而Cl^?的腐蚀加速作用有限；在500°C至800°C之间，温度升高显著加速了Cl^?催化的腐蚀过程，从而增强了指纹的可视化效果；在900°C以上，尽管Cl^?继续加速基底的腐蚀，但形成了致密的Cr₂O₃和Mn_1/2Cr_1/2O₄层，这些层阻碍了氧气向基底的扩散，掩盖了Cl^?引发的腐蚀特征，导致指纹可视化效果降低。此外，富含汗液的指纹含有更多的Cl^?，因此在所有温度下都能获得更好的可视化效果，这归因于Cl^?增强了氧化反应。这些结果有助于更好地理解高温下指纹的行为，并为火灾现场的法医调查提供了实证数据和理论依据。

引言

指纹是犯罪现场常见的证据，传统的增强方法主要依赖于物理或化学技术，这些技术依赖于手指分泌物。然而，在高温火灾环境中，大多数指纹分泌物会发生热解[1]，这给指纹的采集和识别带来了挑战。根据火灾现场的特点，指纹载体可以分为可燃性和不可燃性两类。可燃性载体在高温环境下会与沉积的指纹一起燃烧殆尽，而沉积在不可燃性载体上的指纹则更有可能因载体的耐热性能而得以保存。因此，火灾现场的指纹采集和识别工作应重点关注不可燃材料。

金属通常属于不可燃性载体，其高熔点使其在高温条件下仍能保持结构完整性，有助于防止指纹纹路的变形。此外，金属在犯罪现场很常见，例如武器、家用电器以及门窗把手等物品上。许多法医研究人员研究了金属表面在火灾条件下的指纹可视化现象。Peel等人[2]将黄铜、铜、铝和锡在50°C至500°C之间以50°C的间隔进行加热，分别确定最佳指纹可视化温度为200°C、350°C、500°C和300°C。Wightman等人[3]在三种不同温度下测试了黄铜、不锈钢、低碳钢和铜，假设通过延长加热时间可以调节氧化程度以增强指纹可视化效果，但他们的结果表明加热时间延长并未改善指纹可视化效果。Williams等人[4]使用扫描开尔文探针成功地在加热至600°C的黄铜和铁基底上可视化了指纹。后来他们比较了不同温度下黄铜、铝和不锈钢上的指纹可视化效果，发现可视化效果很大程度上取决于金属类型：黄铜在600°C时可见指纹，铝在280°C以上可视化效果较差，而不锈钢只有在加热至600°C或更高温度时才能产生可用指纹。然而，当基底加热至900°C时，一些指纹细节会丢失[5]。子弹在发射过程中会短暂暴露在高温下，许多研究探讨了其表面沉积的指纹是否仍可识别。有1540个指纹被沉积在黄铜上，其中223发子弹在不同时间间隔后被发射。经过Lam[6]采用的一系列处理方法后，确认有121个指纹可识别。巴西警方使用氰基丙烯酸酯烟雾从犯罪现场提取了五个具有证据价值的弹壳，并通过自动指纹识别系统锁定了嫌疑人[7]。

研究人员对这种加热现象背后的原理有相似的理解。Wightman[8]认为，金属表面的指纹沉积物可能会腐蚀金属，留下可提取的痕迹，而盐中的单价离子也可能影响氧化膜的生长。Bond[9]在200°C、400°C和600°C下对黄铜基底上的指纹进行了不同时间的加热，观察到指纹在高温下重新显现。他将这一现象归因于指纹中的Cl^?与金属基底之间的腐蚀反应，并得出结论：金属上指纹可视化的效果受Cl^?浓度的强烈影响。为了模拟指纹中的典型Cl^?浓度，将黄铜基底浸入0.01 M、0.05 M和0.2 M的NaCl溶液中[10]，结果显示腐蚀产物的厚度和组成随暴露时间和室温下的NaCl浓度变化而变化，进而影响了指纹可视化的质量，尤其是在增强方法对这些变化敏感的情况下。这些研究为进一步探讨捐赠者分泌物对金属基底的影响提供了有价值的参考。我们之前的研究表明，304不锈钢在200–500°C下加热30分钟后，可以使用氰基丙烯酸酯烟雾有效可视化指纹；而在600–800°C下加热的指纹则无需额外处理即可用肉眼观察到[11]。

尽管该领域已经进行了许多有价值的研究，但仍存在一些局限性。在Bond的研究中，使用的NaCl溶液无法完全模拟实际指纹的复杂成分。此外，所使用的0.2 M NaCl浓度远高于自然汗液中的浓度，因此更适用于医院中受盐分污染的指纹，与典型的法医场景关联度较低。更为关键的是，该研究仅考察了室温下的Cl^?浓度对腐蚀的影响，而火灾现场条件下高温对Cl^?诱导的腐蚀影响尚未得到充分研究。同时，我们之前的研究也没有探讨不同汗液水平对高温下指纹可视化的影响，也没有系统地实时观察加热过程中纹路的变化情况，也没有考虑304不锈钢中Cr和Mn等合金元素的高温保护作用，因此304不锈钢上指纹重新出现的机制仍不完全清楚。

为了进一步研究汗液分泌量对304不锈钢在高温下指纹可视化机制的影响，我们对15名捐赠者的指纹在室温至1000°C范围内的变化进行了原位观察。选择了两种指纹可视化差异最显著的捐赠者进行进一步的离子色谱（IC）分析，以比较这两种典型捐赠者指纹的离子浓度差异。本研究的目的是通过原位观察指纹纹路的形态变化和分析捐赠者的汗液成分（特别是Cl^?含量），来阐明和优化高温下金属指纹形成的机制。

304不锈钢及其预处理

选择304不锈钢作为指纹基底，这是一种常见的结构金属。根据制造商（Yinxin Tools）的数据，304不锈钢的具体成分和功能见表1。选择了直径为6毫米的圆形304不锈钢圆盘和5厘米×3厘米的矩形304不锈钢片作为不同实验目的的指纹基底。圆形基底用于原位观察。

指纹中Cl^?含量的分析

在对富含汗液和贫含汗液的指纹进行热处理之前，需要确定两者之间的Cl^?含量是否存在显著差异。因此，使用离子色谱法分析了这两种类型指纹中的Cl^?含量，结果分别显示在图2a和b中。为了对比，图2c和d分别展示了空白金属片和含5 ppm Cl^?标准的离子色谱图。图2a显示了富含汗液的指纹的色谱图。

结论

304不锈钢基底上指纹的可视化效果受Cl^?含量和温度的影响，而指纹中的Cl^?含量受个体差异的显著影响。富含汗液的指纹含有更多的Cl^?，从而增强了指纹的可视化效果。因此，为了获得更全面和有指导意义的参考数据，本研究选择了比较富含汗液和贫含汗液的指纹的可视化效果。

CRediT作者贡献声明

王宇：撰写 – 审稿与编辑、方法论、调查、数据分析、数据管理。臧正哲：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、验证、项目监督、方法论、调查、数据分析、数据管理。刘尧：撰写 – 审稿与编辑、方法论、调查、数据分析、数据管理。李浩源：撰写 – 审稿与编辑、方法论、调查、数据分析、数据管理。金静：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

资金支持：本研究得到了国家重点研发计划（编号：2023YFC3304103）和中华人民共和国公安部（编号：2023JSYJC21）的资助。

数据：本研究的数据可向通讯作者[金静]索取，如需合理请求即可提供。