研究爆炸对电气胶带法证分析和比较的影响

《Forensic Chemistry》：Investigating the detonation effects on the forensic analysis and comparison of electrical tapes

　　

• 爆轰引起的改变影响原始胶带与爆后胶带的比较。
• 与原始胶带相比，爆后胶带显示出多项分析差异。
• 在同一次和不同次爆轰内部及之间观察到不同程度的改变。
• GC–MS是比较原始胶带和爆后胶带最可靠的技术。
• FTIR光谱和EDS对爆后效应较为敏感。

引言

压敏胶带是法医实验室检测的重要一类聚合物。电工胶带作为压敏胶带的一个子类，因其广泛应用于简易爆炸装置（IEDs）的制造中而尤为相关。2024年，美国爆炸数据中心报告了353起爆炸事件，其中74起与IEDs有关。同年，还缴获了716件完整的IEDs [1]。简易爆炸装置与军用级爆炸装置的区别在于其非常规且未经授权的制作和部署方式。与军用爆炸装置不同，IEDs是"自制"的，其中一个或多个部件来源于当地或商业可获得的材料，如肥料、手机和/或各种容器。历史上多起爆炸事件中报告了IEDs的使用；一些臭名昭著的例子包括1995年的俄克拉荷马城爆炸案、1993年的世界贸易中心爆炸案和1996年的百年奥林匹克公园爆炸案 [2]。美国以外地区也报告了类似事件，如1987年的爱尔兰共和军爆炸案和2005年的伦敦爆炸案 [2]。最近，2024年末黎巴嫩报告了一系列与电子设备有关的爆炸事件 [3]。大约同一时期，国际刑警组织在南美缴获了3400件IEDs [4]。这些事件突显了简易爆炸装置使用所构成的持续全球威胁。

电工胶带由于其绝缘特性，常用于固定IEDs的各个部件。在爆炸过后，可以回收该胶带的残余物并进行分析以协助法证调查；在2001年至2006年间，电工胶带在报告给美国爆炸数据中心的近600起案件中作为证据被记录 [5]。法证分析旨在回答关于回收胶带来源的问题。当有可疑来源（即从嫌疑人处扣押的一卷胶带）时，将以评估模式进行比对检查，以评估关联支持的强度，或者在一种命题下发现的支持程度与在替代命题下相同观察结果的支持程度之间的对比，具体取决于所采用的框架。相反，当没有可疑来源时，可以将回收样本观察到的物理和化学性质与数据库（如国家法证胶带文件（NFTF））进行检索，以调查模式从潜在制造商和型号清单中开发调查线索 [6]、[7]。后者在IED爆炸相关的匿名背景下尤其相关，特别是当未检测到指向特定提供者的痕迹（如指纹或DNA）时。

电工胶带包括两个主要组成部分：基材和粘合剂。基材主要由聚合物（如聚氯乙烯（PVC））、增塑剂（用于软化聚合物并提供柔韧性，如邻苯二甲酸盐、己二酸盐、三甲苯二甲酸盐、癸二酸盐和磷酸盐）、填充剂（用于降低制造成本，如二氧化钛、碳酸钙、高岭土或滑石粉）、颜料（用于赋予颜色，如碳黑）、阻燃剂（用于保护增塑剂免受燃烧，如三氧化二锑、氢氧化铝或碳酸镁）和稳定剂（用于防止紫外线降解和分解，如碳酸铅）组成 [8]。胶带的粘合剂部分由弹性体基底组成，该基底在室温下消除变形力后可恢复原始尺寸和形状，增黏树脂赋予粘性，偶尔还含有抗氧化剂、增塑剂和阻燃剂 [5]、[9]。

压敏胶带的法证检验始于对物理特性的宏观检查，包括颜色、光泽度、状况（烧焦、切割、损坏、污染等）和尺寸。此初步检验通常使用体视显微镜进行。当提交一卷被怀疑为未知胶带样本来源的胶带进行分析，或回收了多个胶带碎片时，首先通过比较断裂边缘、表面条纹或其他表面不规则性来尝试物理吻合 [10]。然而，这种物理吻合评估并非总是可行。鉴于电工胶带被广泛用于制造爆炸装置，它们经常在各种风化的或损坏的不良条件下被接收。因此，已开发出一种分析序列来表征和比较电工胶带。化学分析通常包括傅里叶变换红外（FTIR）光谱、扫描电子显微镜-能量色散光谱（SEM-EDS）或X射线荧光（XRF）光谱，以及热裂解气相色谱-质谱（pyGC–MS） [11]。

已开展多项研究来表征和区分电工胶带。Keto [12] 使用体视显微镜检查了六种品牌黑色聚氯电工胶带的基材表面特征，随后对粘合剂进行了FTIR光谱分析。随后使用X射线色散荧光（XRF）光谱对基材进行了元素分析。所有品牌均可区分，而同一品牌的卷筒无法区分。Kee [13] 通过颜色、光泽度和尺寸的物理检查，以及对基材暴露面、粘合剂面和边缘表面纹理的SEM成像来区分PVC胶带。然后使用XRF光谱和多重内反射（MIR）光谱确定化学组成。Goodpaster等人 [5] 使用SEM-EDS分析了34个名义品牌的67卷黑色电工胶带的基材，以检查微观表面特征并确定元素组成。在后续工作中，Goodpaster等人 [14] 使用FTIR光谱表征了72卷黑色电工胶带基材的有机组成。在这两项研究中，均使用多元统计方法来突出胶带品牌之间的区分。Mehltretter等人 [8]、[9] 进行了两部分关于使用各种分析技术区分电工胶带的广泛研究。在第一部分中，他们使用体视显微镜、FTIR、pyGC–MS和SEM-EDS分析了90种电工胶带的粘合剂部分 [9]。体视显微镜主要用于根据粘合剂颜色对样本进行分类，判别力较低，为53%。FTIR分析的判别率为67%，其次是pyGC–MS，在83%的样本中实现了判别。SEM-EDS分析判别力最低，为17%，这突出了收集胶带样本粘合剂面无机成分的低样本间变异。这些技术的联合使用显示出约85%的整体判别力 [9]。在第二部分中，Mehltretter等人 [8] 研究了这些分析技术在所收集电工胶带基材部分的判别能力。他们增加了胶带样本宽度和厚度的物理测量。体视显微镜和物理测量的判别力为64%，FTIR光谱的判别率高达83%。PyGC–MS的判别率为81%，SEM-EDS为87%。同样，当这些技术联合使用时，判别力提高了至94%，当与粘合剂检查数据结合时，整体判别率达到显着的96% [8]。最近，Martinez-Lopez等人 [15] 评估了激光烧蚀-电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）在90种黑色电工胶带基材上的判别潜力。该技术具有若干优势，如样本破坏极小、几乎无需样本制备和快速分析时间。基于25种元素的分析数据，使用LA-ICP-MS实现了94%的判别值。Kuczelinis等人 [16] 进一步评估了该技术的适用性，他们使用半定量LA-ICP-MS方法对同一组90种黑色电工胶带获得了98%的判别率。最后，Prusinowski等人 [17] 使用XRF从40种黑色电工胶带基材中获得元素谱（包含14种元素），并比较了XRF与SEM-EDS和LA-ICP-MS的性能。单独使用XRF报告的判别力为90%，而X射线束与SEM-EDS结合为82%，LA-ICP-MS为85%。虽然XRF被提议作为检查电工胶带的可行方法，但发现了一些可能阻碍其纳入常规法证检验的挑战。在后续研究中，Brooks等人 [18] 提出了一套优化条件，用于实施案件工作中的胶带基材XRF分析，包括去除粘合剂层，然后在真空下使用多种滤光片，对安装在有机玻璃托板上的胶带基材进行数据采集。

虽然上述研究促成了最佳分析方案的开发，但这些研究主要在原始样本上进行。鉴于电工胶带在爆炸装置制造中的使用，样本很少以原始状态被回收，痕迹证据检查员必须经常应对爆后效应，如胶带物理和化学性质的改变。Ihms和Brinkman [19] 指出，从爆炸或纵火现场扣押样本表面存在大量碳质焦炭可能融入"熔化"的聚合物中，从而改变原始聚合物的化学性质。迄今为止，只有少数研究调查了爆炸对电工胶带分析特性的影响。Goodpaster等人 [5]、[14] 进行了爆后研究，通过使用EDS获取的元素信息和FTIR光谱获得的化学组成来评估来源归因的潜力。他们报告说回收的样本是多层的，并从内层收集了原始样本进行分析，从而使获取高质量数据成为可能，类似于原始样本。这些研究主要采用调查方法，关注来源归因（如品牌鉴定）。在另一项研究中，Dietz等人 [20] 报告说胶带的碳同位素特征在爆炸期间得以保存，并可使用同位素比值质谱（IRMS）进行测量。IRMS显示出作为比较原始胶带和爆后胶带的可靠工具的前景；然而，该技术并未在法医实验室中广泛可用。此外，虽然上述研究突显了爆后样本来源归因的潜力，但样本量非常有限（n < 5），这促使对爆炸对压敏胶带法证检验的影响进行系统调查。

本研究采用评估方法，检查爆轰引起的化学变化如何影响爆后胶带与其相应原始样本之间比较的证据价值。例如，当使用ASTM E3462-25指南中提供的关联量表作出结论陈述的决定时，爆轰引入的改变可能会降低关联的显著性。因此，分析人员必须在制定结论时能够识别这些改变。本研究检查了当前分析技术检测到的爆轰引起的化学改变及其对爆后胶带与其原始类似物之间比较的影响；例如，爆轰引起的改变是否会导致错误的排除？对于爆后样本，物理吻合评估通常不可行，而对尺寸、状况和光泽度等物理性质的比较可能不可靠且不充分。因此，本研究的目标是调查爆轰对电工胶带化学分析和比较的影响。

分节摘要

样本

收集了三十（30）种黑色乙烯电工胶带，代表各种大型制造商和小型零售商，以及不同的产品和最终用途（通用与专业应用）（表1）。仅包含由承保商实验室（UL）（北布鲁克，伊利诺伊州）——一家全球安全认证公司——列出的胶带。分析前丢弃每卷胶带的第一个环卷，以最大限度减少先前样本暴露的潜在影响。

野外实验

胶带接受了两次实验的

尽管收集到了若干爆炸后的胶带碎片，但仅那些在……之后仍保留了标识标签的碎片被用于讨论。2,4,6-三硝基甲苯（TNT）在本研究中被选为重点研究的炸药，原因有二：1）TNT 是一种猛炸药，起爆后产生爆轰，冲击波速度超过声速，造成大规模破坏；2）TNT 属于次级炸药，具有较高的活化能，使其在常温条件下相对稳定，因此储存、运输和搬运均较为安全[31]。出于安全考虑……结论：由于本研究在简易爆炸装置（IEDs）的背景下对电工胶带进行研究，因此有必要系统地调查爆轰对胶带分析与比较的影响。当存在疑似来源时，比较分析是既定分析方案或步骤的组成部分。本研究使用常规的胶带分析方法（包括傅里叶变换红外光谱、扫描电子显微镜-能谱分析等）对两次爆轰中获得的原始胶带样品和爆炸后胶带样品进行了表征。CRediT 作者贡献声明：Swathi Murali：撰写–审阅与编辑、撰写–原稿、方法论、调查研究、数据整理。Patrick Buzzini：撰写–审阅与编辑、指导、方法论、获取资金、概念构思。利益冲突声明：作者声明，不存在任何已知可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。致谢：本项目由美国司法部司法规划办公室正义研究所颁发的编号为 15PNIJ-24-GG-03853-RESD 的资助支持。本报告中表达的观点、发现、结论或建议均为作者本人所有，不一定反映美国司法部的立场。作者对蒙哥马利县消防局长办公室（MCFMO）排爆小组（德克萨斯州康罗伊）的指导致以最诚挚的感谢……Swathi Murali | Patrick Buzzini