2014年6月26日

鑑識科學的先行者—物理鑑識

非破壞性的物理鑑識方法,通常在系統化方法中最優先採行,堪稱鑑識科學的先行者。

作者/孟憲輝(任職中央警察大學警察科技學院)

自古人們即有應用科學方法破獲犯罪案件的想法和實踐,在科技尚未發達的年代,簡單易行的物理鑑識方法就成了鑑識科學的先行者。中國古籍《三國志》中即記載了兩個信史上最早的鑑識案例。其中在《吳書‧ 孫登傳》,描述了全世界最早的投射武器鑑識案例:吳國太子孫登有次騎馬出行,險遭一顆彈丸擊中。侍衛逮捕一個攜有彈弓彈丸,但堅決否認曾發射彈丸的人,於是欲毆打逼他承認。孫登認為不妥,命屬下找出射過的彈丸,與其所帶的彈丸進行比對,發現外表特徵不同,乃將他釋放。根據當時的科技水準推測,涉案金屬彈丸是以鑄模方式製成,孫登極可能就是根據鑄模痕跡的異同,作為鑑定彈丸來源的依據。直到今日,彈頭和彈殼表面的工具痕跡仍是鑑定涉嫌槍彈的主要依據。

另一個案例出自《魏志本傳》:國淵擔任魏郡太守時,有人投書毀謗曹操;投書中多處引用《二京賦》。國淵找人推薦年輕學子,命他們尋覓能讀《二京賦》的學者為師,前往受業,再請學者寫信並讓學子帶回。國淵比對投書和書信的筆跡,發現兩者「似出一手」,將其逮捕訊問,該學者立即認罪。文字的發明促使文明蓬勃發展,但也成了違法者的犯罪工具,時至今日,筆跡鑑定仍是偵查機關解決重大刑案的利器。102年3月15日發現塑膠袋內裝頭顱的「醃頭案」,即是從袋內字條和「好心人匿名信」的筆跡鑑定結果,確認被害人的二哥是嫌犯。

現代鑑識科學將非生物檢體之物證,於鑑定時使用非破壞性、非化學方法,就物證的顯微形態、巨觀形態和物理特性進行觀察記錄和比對鑑定的鑑識領域,稱為「物理鑑識」。若從物證類型區分,槍彈、文書、指紋、工具痕跡、印痕、聲紋、影像鑑識和微物跡證的物性鑑定等領域都歸屬物理鑑識範疇。從鑑定方法觀之,物理鑑識最常使用的有光學方法、顯微方法、電磁方法和其他物理特性測量等,本文將以鑑定方法為經,物證類型為緯,帶領讀者探索物理鑑識的重點領域。

光學方法
光是波動性的電磁輻射,其波長涵蓋範圍非常廣泛,人類目視可見的波域稱為可見光,波長約在400~700奈米之間。波長大於可見光者概分為紅外線、微波和無線電波,波長小於可見光者則分為紫外線、X射線和γ射線。光照射物體時,可產生穿透、吸收、反射、折射、散射或螢光等不同現象,鑑識人員可以利用這些現象搜尋物證、觀察物證的外表形態或內部結構特
徵,進行比對鑑定,甚至取得光譜資訊以確認物證成分。

可見光和紫外線
可見光是最常見的鑑識光源。在光滑的平面上,光源從上方照射時,強烈的反射光常干擾細微跡證的搜尋和採取,此時採用低角度的線性光源,可使入射光低角度反射,遠離觀察者而去。微物和痕跡灰塵所產生的散射光和漫反射光不具方向性,方便觀察者不受干擾地進行搜尋和記錄。這個方法常用來搜尋灰塵鞋印(圖一)、纖維、毛髮和其他微物,也可用來顯現書寫筆跡在底墊紙張上留下的筆跡壓痕。
圖一:搜尋現場灰塵鞋印時,光源來自上方(左)和低角度線性光源(右)
所得結果截然不同。

使用藍光、紫光和紫外線等短波長光源照射特定類型跡證時,跡證內之化合物可吸收短波長光源的能量,使外層軌域的電子從基態躍遷到激發態。具螢光特性的化合物可發出波長較激發光之波長為長的螢光,釋放能量讓電子回到基態,此時以濾色鏡濾除激發光,便可從暗背景中搜尋到發出螢光的跡證。勘查人員使用多波域光源,能助其找出螢光纖維、精液斑、射
擊後火藥殘留(圖二)和螢光粉末處理過的指紋,即是此一原理的應用。文書鑑定專家常利用筆跡墨水的螢光特性區別真偽筆跡或顯現遭漂白的潛伏筆跡,短波長激發光在鑑定具有螢光防偽措施的鈔票、有價證券和身分證件上也發揮很大的功效。
圖二:近距離對黑布開槍,在藍光下經濾色鏡可觀察到發出螢光的火藥顆粒(右),
白光觀察則否(左)。

物質的化學組成和表面結構直接影響其對不同波長可見光的吸收和反射,因而呈現不同顏色,因此微物跡證的顏色比對是重要的初步試驗,可用來排除不同顏色的跡證,留下顏色相同者進行進一步的鑑定。例如土壤物證可在潮濕、乾燥和高溫灰化後,分別進行顏色比對,以便排除不同來源的土壤。車禍時產生的轉移性塗料,也須先進行顏色比對,以初步判斷可能的肇事車輛。筆跡鑑定人員則常利用不同墨水成分對特定波長可見光的吸收度差異,區別出白光下顏色相同的偽造筆跡。現場鑑識人員也常利用血跡對波長415奈米的藍光之強烈吸收,從背景搜尋到較暗的血斑型態,以便採取血跡樣本進行鑑定及現場重建。

紅外線
人們雖然無法看到紅外線,但跡證對紅外線的吸收反射情形可藉由數位攝影機進行觀察,以便搜尋潛伏跡證或進行物證間的比對鑑定。例如圖二的黑布遮蔽了射擊產生的黑色火藥煙燻痕跡,可用紅外線攝影使其顯現(圖三),便可進行射擊距離研判。又如深色布上的血斑和輪胎印,都可利用紅外線攝影顯現,以利後續採樣、比對和分析。
圖三:黑布上的黑色火藥煙燻痕跡可利用紅外線攝影予以顯現。

以紅外線照射跡證時,大部分有機化合物和少部分無機化合物的多原子離子會吸收特定波長的紅外線,產生紅外吸收光譜。光譜中吸收峰的波數(或波長)是化合物的個別特徵,可用來鑑定化合物的官能基種類與化學結構,進而確認其化學成分。紅外吸收光譜分析是一種非破壞性的鑑定方法,常用在纖維、筆跡墨跡、塗料、火藥殘留和其他有機微物跡證的鑑定。

X 射線
X射線於穿透物體時因被吸收而減弱其強度,其吸收之強弱受物體平均原子序、密度和厚度之影響,故穿透X 射線可在不破壞物證之情況下,觀察分析物體的內部結構,在鑑識上常用於武器和彈藥的鑑定,也是防爆人員處理炸彈時的重要裝備。圖四是裝有高爆彈頭的40毫米口徑槍榴彈外觀和X射線照片,進行彈藥內部構造和完整性分析後,即使未經射擊測試,也可完成此種高破壞性彈藥的殺傷力鑑定。
圖四:裝有高爆彈頭的40 毫米口徑槍榴彈外觀(上)
和穿透X射線照片(下)。

能量較弱的X射線不僅其輻射劑量低,對人體之傷害小,且可在穿透衣物後被皮膚散射。因此以窄束低能量X射線掃描穿著衣物之人體,偵測背向散射的X射線,即可在不需搜身之情況下,檢出藏匿在衣物內的武器、炸藥和毒品等違禁物。唯一的重大缺點是會暴露被測者的隱私,因此美國飛航安全委員會主席哈洛威爾(Susan Hallowell)曾主動接受背向散射X射線安檢掃描實驗,以消除大眾對人體危害和侵犯隱私的疑慮。

能量較高的X射線照射含金屬成分的跡證時,金屬元素可吸收特定能量的X射線,使內層軌域電子游離,外層軌域電子補進內層軌域空缺時,便將兩軌域間的能量差以特定能量的X射線發射出來,稱為X射線螢光,X射線螢光可以用來確認元素組成。對跡證進行X射線掃描,偵測X射線螢光形成之影像,即可確認特定元素在跡證上的分布。圖五是對可疑彈孔進行銅元素的X射線螢光成像(X-ray fluorescence mapping),在疑似彈孔旁測得大量銅元素分布,證實是含銅彈頭穿過所形成之彈孔。......【更詳細的內容,請參閱第535期科學月刊】
圖五:可疑彈孔的銅元素X射線螢光成像,亮點處為銅之分布。

延伸閱讀
1. Cullen, P. et al., Hyperspectral Imaging for Non-Contact Analysis of Forensic Traces, Forensic Science International, Vol. 223: 28-39, 2012. 

2. Kasas, S., Khanmy-Vital, A., and Dietler, G., Examination of Line Crossings by Atomic Force Microscopy, Forensic Science International, Vol. 119: 290-298, 2001.

3. Lee, H. C., and Meng, H. H., The Identification of Two Unusual Types of Homemade Ammunition, Journal of Forensic Sciences, Vol. 57: 1102-1107, 2012.

4. Meng, H. H., and Lee, H. C., Elemental Analysis of Primer Mixtures and Gunshot Residues from Handgun Cartridges Commonly Encountered in Taiwan, Forensic Science Journal, Vol. 6-1: 39-55, 2007.

5. Reimer, L., Scanning Electron Microscopy- Physics of Image Formation and Microanalysis, 2nd ed. Berlin: Springer, 1998.

6. White, P., Crime Scene to Court- The Essentials of Forensic Science, 3rd ed. Cambridge: RSC Publishing, 2010.

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