作者：孙千 本文转载自公众号：老千和他的朋友们。原文地址：https://mp.weixin.qq.com/s/Xlr2dqhlTlLoO2ms6L2JEQ
你是否想过，一粒肉眼几乎看不见的微小颗粒，竟然能成为破案的关键证据？
在现代法医学中，扫描电子显微镜（SEM）已成为不可或缺的“神兵利器“。它不仅能将物体放大几万倍，更神奇的是，结合X射线能谱分析技术（EDX），还能“看到“物质的化学成分！
🎯 SEM的优势
扫描电子显微镜（SEM）相比传统光学显微镜具有显著的技术优势。
🔍首先，SEM拥有超强的景深优势，传统光学显微镜景深有限，难以观察立体物体的全貌，而SEM具有更大的景深，能够为纤维、毛发、子弹、弹壳等非平面物体提供清晰的立体图像，使得复杂形态的证据能够得到完整细致的观察。
🔍其次，SEM结合EDX技术实现了化学成分分析功能，能够准确确定任何观察区域的化学成分，并可进行表面分析、线性分析和点分析三种基本分析模式，这是传统光学显微镜完全无法实现的功能。
🔍最后，SEM在微量样品处理方面表现卓越，能够分析比其他技术（如LA-ICP-MS、LIBS、μ-XRF）更小的痕量样品，同时其非破坏性特性使珍贵的法医证据得以完整保存，这对于法医学应用具有重要意义。
🧪 样品制备——让证据“开口说话“的关键
在法医学领域，绝大多数采用SEM-EDX技术分析的样品均为固体，且多数属于电绝缘体。当使用SEM检查非导电样品时，样品表面往往会积累过量电子而带负电荷（荷电效应），从而引发图像缺陷。虽然可以通过使用极低的加速电压（<1keV）来减轻这种效应，但这样必然会牺牲图像分辨率，且无法实现EDX元素分析，这显然不是理想的解决方案。
因此，相比于改变电镜的操作条件，更好的策略是改变样品的导电性能。具体而言，可在样品表面镀上一层极薄且均匀的导电层。
理想的涂覆材料应具备以下特性：优异的热传导和电子传导性能；良好的化学惰性（抗氧化和抗变色）；优良的二次电子发射能力（产生强信号）；尽可能小的晶粒尺寸（避免对样品产生“装饰“效应）；易于制备薄膜。
金、金/钯合金、白金和碳膜完全满足这些要求，因此在法医实验室中得到广泛应用。其中镀碳特别适用于GSR分析，产生可忽略的背散射信号。
🔬环境扫描电镜（ESEM）
样品制备面临的另一个重要限制源于电镜需要在高真空环境下产生电子束这一客观条件。任何挥发性材料都会在低压条件下发生蒸发，这构成了对可检测样品类型最严格的限制之一。含水样品通常无法进行分析（除非使用ESEM），因为水分子在高压电子枪附近可能被电离，产生的高活性羟基离子会对电子枪灯丝造成损害。
环境扫描电镜（ESEM）为此提供了解决方案。然而，在法医学应用中，该技术的缺点主要体现在X射线检测方面——围绕样品的气体会产生X射线干扰。这种效应可通过专门的算法来减少，以扣除气体对分析信息提取的影响。
⚠️ 注意事项
对于某些化学样品，在低气压条件下可能发生完全挥发。因此，对于未知样品，最佳做法是在可能污染电镜之前，先将其暴露在类似的真空环境中（如镀膜设备中）进行预处理。挥发性样品不仅可能导致真空度恶化和整体分辨率下降，还可能因电子束电子与释放的蒸汽分子碰撞而导致束流不稳定。
此外，电子束能量转化为热量可能产生显著的温度升高，足以损坏低熔点样品的精细结构。可通过调整SEM操作条件（如束流大小）来减少实际吸收的能量，或通过确保样品与样品之间的良好接触（如使用导电胶粘剂）来带走大部分热量。在样品表面镀薄金属层同样有助于导热。然而，对于极敏感的样品（如某些低熔点蜡类），使用冷却样品台是唯一可行的解决方案。
🥇 磁控溅射和真空蒸发镀膜
磁控溅射是一种基于物理气相沉积（PVD）的薄膜制备技术，其原理是利用磁场约束等离子体，通过高能离子轰击靶材表面，将靶材原子溅射出来并沉积在基片上形成薄膜。
磁控溅射镀金的工作机制包括三个相互关联的过程：
🌌首先是等离子体的产生，在真空室中充入惰性气体（通常是氩气Ar），然后在阴极（金靶）和阳极间施加直流电压，电子与氩原子碰撞发生电离反应（Ar → Ar⁺ + e⁻），从而形成含有氩离子和自由电子的等离子体；
🌌接着是磁场约束效应的发挥，磁铁产生的磁场垂直于电场，电子在洛伦兹力作用下做螺旋运动（F = q(v × B)），这种运动使电子路径延长，与气体分子碰撞概率显著增加，大幅提高电离效率并增强等离子体密度；
🌌最后是溅射过程的实现，氩离子（Ar⁺）在电场作用下加速撞击金靶表面，通过动量传递使金原子脱离靶材表面，这些金原子以一定的动能向各个方向飞行，其中部分金原子沉积在样品表面形成均匀的导电薄膜。
磁控溅射设备主要由六个核心部件构成，包括真空室（提供无氧环境，防止氧化）、磁控溅射枪（产生约束等离子体）、金靶（99.99%纯度的金靶材）、样品台（可旋转，确保均匀镀膜）、气体供应系统（精确控制氩气流量）和电源系统（提供稳定的直流或射频电源），广州竞赢的JY-S100就是采用磁控离子溅射的镀膜仪。
🖤真空蒸发
真空蒸发是制备各种金属涂层最简单的技术之一。与溅射技术不同，它主要用于样品表面的碳沉积。
整个过程在真空室内进行：将少量待蒸发的碳棒或碳纤维以细丝形式悬挂在钨丝上，将经过干燥处理的样品放置在真空室底部（距离加热器数厘米处）。随后密封室体并抽真空。一旦达到所需真空度，采用大电流（低电压）电源加热碳材料。碳被蒸发后会涂覆工作室内的所有物体，包括样品。
随着扫描电镜分辨能力的不断提高，SEM现已能够看清楚传统涂镀膜层的晶粒组成。这些膜层的聚集物或团块通常被称为“装饰“伪影。
⚡样品的特殊处理
不同样品在进行SEM-EDX分析前可能需要特定的处理。例如，定量分析要求样品表面光滑平整。因此，在分析矿物、岩石或玻璃样品时，常见的制备方法是将其嵌入树脂中（如环氧树脂、丙烯酸树脂、酚醛树脂），然后使用平面研磨机抛光表面（采用氧化铈粉末、氧化铝或金刚石膏等研磨材料）。
然而，对于线性尺寸小于0.4mm的微小玻璃碎片（这类样品通常是法医检验的对象），上述方法不实用。建议使用光镜（40×放大倍数）选择表面尽可能光滑平整的微小玻璃碎片，并直接将其沉积在SEM样品台上进行分析。
🕵️GSR分析和玻璃微痕检验——两大破案利器
🔫枪击残留物（GSR）分析
GSR也被称为弹壳放电残留物（CDR）、火器放电残留物（FDR）、底火放电残留物（PDR）以及潜在火器放电残留物（P-FDR）R，是射击事件中需要调查的金属颗粒。这些颗粒的“独特性“源于高度特异的化学成分和非典型形态的结合，两者均受其形成方式的影响。
当枪支发射时，撞针撞击弹壳后部并激活冲击敏感底火。燃烧热量熔化底火并使其成分蒸发。由于过饱和现象，底火蒸汽重新凝结成小液滴，其中一些可能通过聚结而增大。形成的GSR液滴以及其他气体点燃推进剂（火药）并推动子弹沿枪管向前运动（Basu 1982）。
与子弹一起，由燃烧和未燃烧推进剂、GSR液滴以及其他残留物组成的有机和无机蒸汽云从枪支中释放出来（Meng和Caddy 1997）。GSR液滴从枪管以及枪支的任何微小间隙中喷出，并沉积在射手的手部、面部、头发和衣服上，以及附近的其他表面上（Michalska 2007）。
🔍 GSR的特征
尺寸和形态：由于快速冷却，GSR液滴以其现有的通常为球形的形态固化，尺寸通常在0.1μm到10μm之间。其中一些可能呈现不规则形状，偶尔可达几十微米。无论其大小和形状如何，它们都表现出在极高温度和压力下形成的特征，即具有曾经熔化的外观。
在嫌疑人夹克上发现的三组分PbSbBa颗粒
元素组成：要由底火元素组成，最常见为铅、锑、钡。GSR残留物还可能含有其他元素，如来自子弹、弹头外壳、弹壳或润滑剂的锡、铜、铁、铝、钙和硅。
表1 火药残留物的元素组成与弹药类型的关系 (Michalska 2007)。
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弹药类型 |
弹药名称 |
GSR的元素成分 |
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传统型 |
9毫米TZZ |
Pb, Sb, Ba |
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Geco Sintox™ |
Pb, Sb, Ba |
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7.65毫米LV Geco |
Pb, Sb, Ba (Al, Si, Fe, Cu, Zn)ᵃ |
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5.56毫米温彻斯特 |
Pb, Sb, Ba, Al |
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0.22长步枪埃利 |
Pb, Ba |
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布拉格塞利尔·贝洛特 |
Pb, Ba, Ca, Si, Sn |
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Pb, Ba, Ca, Sn |
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6.35希尔滕贝格 |
Pb, Ba, Ca, Si |
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0.38基诺克 |
Pb, Ba, Ca, Si |
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9毫米帕拉贝鲁姆以色列 |
Pb, Sb, Cl, K |
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7.62×25毫米中国 |
Pb, Sb, Sn, Cl, S |
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7.62毫米俄罗斯 |
Sb, Sn, Hg, S, K, Cl, Cu |
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联邦 |
(Al, Si, Zn, Fe)ᵃ |
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东德 |
Sb, S, Cl, K |
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现代型 |
9毫米Sintox |
Ti, Zn |
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‘X无铅‘ |
Mn, K |
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希尔滕贝格无铅™ |
Sr |
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CCI布雷泽® |
Sr (Sr, Ba)ᵇ |
注释：a) 很少检测到的元素。b) 钡的存在是由于锶被钡天然污染造成的
📊 GSR的分类标准
只有符合特定标准的残留物才能被识别为GSR。最关键的是元素组成。在考虑成分时，专家将特定颗粒获得的定性SEM-EDX光谱与专家组创建的分类方案进行比较（例如枪击残留物科学工作组；www.swggsr.org）。该方案基于对GSR颗粒以及来自非GSR来源的其他残留物的长期检查，详细描述了特定弹药产生的典型GSR成分，并显示了可能在这些GSR颗粒中发现的其他元素的类型和水平。
该方案还显示了基于化学成分的颗粒证据价值等级划分。根据该方案，GSR颗粒可以分为三类：特征性、一致性和通常相关。
需要注意的是，提出的分类方案并不涵盖所有类型的GSR成分，特别是那些来自无铅弹药的成分。对于基于雷汞的底火弹药，它只提供一般指导。在这些情况下，以及在特定射击弹药的颗粒成分因与来自该弹药和之前射击弹药的GSR颗粒之间的相互作用而发生变化的情况下，颗粒证据价值的评估取决于专家的知识和经验。
🔥GSR颗粒的识别
枪击残留物颗粒的识别基于所分析残留物的化学成分和形态特征。能够在一台仪器中同时检测这两个特征的能力使得SEM-EDX技术在GSR识别中得到了优先应用。
当怀疑某人开枪时，警方调查人员使用沉积在12毫米铝质SEM样品台上的双面自粘碳胶带，在感兴趣的表面上轻拍（约100次）来收集潜在的GSR），广州竞赢提供射击残留物提取盒，盒内包含了一系列用于SEM检测设计残留物的必要耗材。
当从弹壳中提取颗粒时，例如在犯罪现场发现的弹壳，弹壳内部的GSR颗粒被敲打转移到SEM样品台表面上。SEM样品台通常固定在塑料容器中，以防止污染。
在缺乏SEM样品台的情况下，可以使用小片透明胶带来收集潜在的GSR。此时，应向法医实验室提供额外的透明胶带片，以检查所选材料是否会掩盖GSR典型的重元素信号。此外，使用普通胶带需要在分析前进行额外的镀膜处理。
碳是推荐的镀膜材料，因为它产生可忽略的反向散射信号，并且不会发射干扰性X射线线。镀膜应均匀且厚度适当，以消除分析过程中样品的充电现象。潜在GSR颗粒的搜索可以手动进行，或者按照建议使用自动系统模式。
🤖自动搜索系统
现代GSR分析采用自动搜索模式：
参数设置：定义搜索位置、最小颗粒尺寸、预期化学成分
系统扫描：按规定顺序扫描SEM样品台
BSE识别：通过背散射电子图像识别高原子序数颗粒
EDX分析：对检测到的颗粒进行化学成分分析
专家验证：必须由专家验证自动识别结果形态学特征和干扰因素
除了特定的元素组成外，颗粒还应具有特征性形态，例如球形形状或表现出已熔化的特征。任何具有尖锐边缘、角或晶体结构的颗粒都应被排除，因为其形态与GSR形成机制不符。专家还应注意通常在GSR中不会发现的其他颗粒或元素的存在。
⚠️干扰因素识别
一些研究表明，在少数情况下，如烟花爆炸、刹车片摩擦或安全气囊爆炸，偶尔可能形成在元素组成和形态上都与GSR残留物相似的单个颗粒。然而，来自这些来源的样品每次都含有额外的元素，例如在烟花情况下的镁和/或其他元素如氯或钾的高浓度，或在刹车片情况下铁的升高水平。这些元素通常不在GSR中发现，因此当发现时应排除颗粒来自枪械射击。
此外，SEM-EDX可以轻松处理来自传统弹药的GSR，这些弹药的底火基于含有重金属的成分。一些新型弹药的底火不含重元素，产生的颗粒不含高原子序数元素。使用与检测传统重金属GSR相同的参数，此类颗粒不会被轻易检测到。
🪟玻璃分析
玻璃（这里指硅酸盐玻璃）是人类活动许多领域中广泛使用的材料，最常见的形式包括窗玻璃、汽车车窗和挡风玻璃、汽车前照灯、汽车后视镜、灯泡、瓶子、罐子、餐具和装饰品。在汽车事故、入室盗窃和打斗等事件中可能产生极小的玻璃碎片，这些碎片可能从事件现场以及在场人员的衣服和身体上回收。
🔔 玻璃的化学组成
在玻璃生产过程中（Caddy 2001），许多不同的元素被加入到熔融混合物中。某些元素对玻璃生产至关重要，始终存在。这些主要成分是二氧化硅、钠、钙和镁的氧化物。二氧化硅、氧化钙和氧化钠是玻璃形成的基本成分。氧化钠降低二氧化硅的软化点，而氧化钙和氧化镁使玻璃具有更强的物理或化学抗性（例如避免重结晶过程）。
次要成分包括钾、铝和铁的氧化物，其作用是改善玻璃样品的物理性质（例如添加K₂O以改善光学性质，添加Al₂O₃以避免重结晶）。氧化铁是用于生产有色玻璃（绿色或棕色）的廉价添加剂。与有色玻璃相比，在普通的无色窗玻璃中，氧化铁的存在仅表现为绿色阴影，例如在横截面中。有色玻璃中氧化铁的浓度足以被SEM-EDX技术检测到，而在无色玻璃物体中，其含量低于该方法的检测限（例如铁的检测限为0.1 [wt%]）。
🌍 样品制备
由于在玻璃分析中同时使用定性和定量SEM-EDX结果，玻璃物体的制备需要其表面光滑平整。因此建议采用包埋程序进行玻璃样品制备。如果应用此程序，将分析样品放置在平坦表面上，用适当的树脂固定，进行机械研磨，最后抛光。
玻璃碎片制备类型：(a) 包埋技术；(c) 非包埋技术；以及 (b, d) 玻璃表面视图，即分别对应包埋和非包埋方法
在包埋过程中可以使用环氧树脂、丙烯酸树脂或导电电木。使用碳化硅砂纸或金刚石磨料纸进行研磨，而氧化铈粉末、氧化铝或不同等级的金刚石膏用于抛光。
以这种方式制备的样品能够保证良好的抛光表面，保持样品的平整度并最大限度地减少物体的凸起和边缘圆化=。此外，包埋的研磨和抛光阶段允许去除原始玻璃表面的覆盖层（例如覆盖光学玻璃或计算机屏幕的金属镀膜或浮法玻璃表面制造过程中使用的锡层），这对于确定分析玻璃样品的体相元素含量极其重要。
📚 微小玻璃碎片的处理
然而，包埋过程耗时且对于非常小的样品不实用，例如线性尺寸小于0.4mm的玻璃碎片。这些碎片经常在汽车事故、入室盗窃和街头打斗等事件现场发现，因此是法医领域最常分析的样品。在这种情况下，可以在体视显微镜下选择表面尽可能光滑平整的玻璃物体，然后直接放置在SEM样品台上。已经验证，非包埋程序的玻璃样品制备也能够获得可靠的定量SEM-EDX结果。
🎯 玻璃的识别和分析
通过SEM-EDX技术识别样品为玻璃基于定性SEM-EDX结果。为玻璃记录的光谱通常很容易识别，与其他样品如铝硅酸盐或二氧化硅不同。
然而，确定缉获样品是玻璃物体对于事实认定者（法官、检察官、警察等）来说是不够的。他们通常希望获得关于分析碎片来源玻璃类型的信息，例如窗户、容器（即解决分类问题）或收到已知和可疑玻璃碎片来自同一来源的证据（比较问题）。
为了解决这些问题，必须使用玻璃样品的定量元素组成。考虑到SEM-EDX技术仅提供关于玻璃中发现的主要和次要元素的信息，这些元素通常在数量上仅略有不同，并且记住该技术不允许检测具有最高判别力的微量元素来解决这些问题，定量SEM-EDX结果应始终与适当的统计方法的应用一起考虑。在大多数情况下，定量元素结果与统计工具的结合能够检测主要和次要元素数量的任何显著差异，因此可以解决与玻璃分析相关的分类或比较问题。
🧵其他重要应用
📝文件检验
扫描电镜可用于检查手写文件以检测伪造。它可以帮助确定两条相交线中哪一条是先画的。纸张是非导电的，因此过去需要镀金属层以消除高电压下的充电现象。镀膜后，只有当印痕改变了纸张的形貌时，才能对书写线条进行成像。如今，不再使用高电压成像，而是使用极低电压（如2.0keV），这使得能够对纸张的自然状态进行成像。
🧥纤维分析
由于能够在高倍率下观察纤维表面，扫描电镜被用于基于角质层鳞片边缘高度识别和区分动物纤维，用于纤维横截面的表征，以及纤维损伤分析。后者有时可能有助于确定造成纤维损伤的器械类型，例如剪刀或刀具。SEM-EDX技术也应用于识别纤维中存在的无机颜料和消光剂。
👟鞋类分析
除了标准的鞋类分析外，SEM-EDX还可用于鞋底表面分析。该方法通常用于揭示可能粘附在鞋上的花粉或树木花粉的存在。识别此类证据可能进一步确认鞋子曾在犯罪现场。此类分析的主要困难在于鞋子相对于仪器腔室的尺寸，因此扫描电镜必须能够处理这种情况。
🚗 汽车涂料分析
如今，SEM-EDX也用于识别汽车涂料中存在的无机颜料和填料，以及检查其形态特征，如漆片中各层的厚度以及它们的层序结构分析和界面特征观察。进而比较不同车辆涂料的区别。
🧪未知物质分析
SEM-EDX技术在未知物质分析中具有广泛的应用范围，主要包括粉末分析（毒品、爆炸物、化学试剂等）、药丸检验（成分确认和纯度分析）以及异物识别（食品、药品中的异物检测）等领域。
在实际分析流程中，通常采用分层递进的策略：首先进行FTIR预筛以初步确定物质类型和基本特征，然后当怀疑样品为无机物质时采用SEM-EDX进行深入分析，特别是当样品量极少无法满足其他分析技术要求时，SEM-EDX往往成为首选方法。这种组合分析策略既提高了检测效率，又确保了分析结果的准确性和可靠性，为法医学、食品安全、药物检验等领域的未知物质鉴定提供了强有力的技术支撑。
💡其他应用领域
SEM或SEM-EDX技术应用的其他领域包括法医病理学、埋藏学和人类学。这里就不详细讨论。
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