Inhoudsopgave Inleiding Forensisch onderzoek De moord op T. Thijssen Werken in een groep Voorkennis en vaardigheden Opbouw van de module Doelstellingen van de module Dossier Het politiedossier T. Thijssen Beschrijving Plaats Delict Plaats delict detail Plaats delict overzicht Tekening autoCamping ‘de Heideroosjes’ Camping ‘de Heideroosjes’ Vingersporen Voetsporen Sporen op de huls en kogel Het schilderij Ondervraagden DNA profielen Vingerafdrukken Rapport Patholoog-anatoom Verklaring ondervraagden Handboek 1 Vingersporenonderzoek 1.1 Vingerafdrukken zijn uniek 1.2 Vingerafdrukken zichtbaar maken 1.3 Classificatie en identificatie 1.4 Dossier Handboek 2 Technisch ontwerpen 2.1 Ontwerpen 2.2 Ontwerpprobleem analyseren en beschrijven 2.3 Programma van eisen opstellen 2.4 (Deel)uitwerkingen bedenken 2.5 Ontwerpvoorstel formuleren 2.6 Proefontwerp realiseren 2.7 Proefontwerp testen en evalueren 2.8 Een technisch ontwerp zelf maken 2.9 Dossier Handboek 3 Voetsporen 3.1 Grondeigenschappen 3.2 Lengte van de dader 3.3 Dossier Handboek 4 Stofeigenschappen 4.1 Zuivere stoffen en mengsels 4.2 Eigenschappen van moleculen 4.3 Apolair/polair? 4.4 Oplosbaarheid van zouten
6 6 7 8 9 9 10 13 13 17 18 19 20 21 22 23 24 25 30 31 44 48 55 55 56 57 61 63 63 64 64 65 65 66 66 66 68 69 69 74 75 76 76 77 78 80
4.5 Het dossier Handboek 5 Chromatografie 5.1 Gelijk of ongelijk? 5.2 De stift en de cheque 5.3 Chromatografie 5.4 Dossier Handboek 6 Ballistiek 6.1 Sporen van kogels 6.2 Energie van een kogel 6.3 Dossier Handboek 7 Bloedonderzoek 7.1 Inleiding 7.2 Luminol 7.3 Dossier Handboek 8 Forensisch DNA-onderzoek 8.1 Uit het proces-verbaal 8.2 DNA 8.3 DNA als bewijsmateriaal 8.4 De techniek om een DNA-profiel te maken 8.5 De PCR-techniek 8.6 Het bepalen van het aantal herhalingen 8.7 Een volledig DNA-profiel 8.8 De DNA-databank en het vergelijken van profielen 8.9 Berekende frequentie van een DNA-profiel 8.10 Dossier 9. Afsluiting URL-lijst
82 84 84 84 85 89 91 91 92 96 98 98 98 101 102 102 102 106 106 107 110 112 113 115 118 120 122
Handboeken
Handboek 1 Vingersporenonderzoek 1.1 Vingerafdrukken zijn uniek Een op een voorwerp achtergelaten afdruk van een vinger heet een vingerafdruk. Vingerafdrukken blijven achter op alles wat je vastpakt: op de klink van de deur die je opent of op het glas waaruit je drinkt. Tijdens het vastpakken van een voorwerp breng je een laagje huidvet op het voorwerp over. Je kunt dat zien aan vingerafdrukken op een ruit of op een glimmend tafelblad. Hierdoor ontstaat er een soort stempel. Opdracht 5 Je hebt hierboven gelezen dat een vingerafdruk kan ontstaan door middel van een laagje huidvet. Bedenk nog drie manieren waardoor vingerafdruk op voorwerpen achter kunnen blijven. De afdruk wordt veroorzaakt door de zogenaamde papillairlijnen. Dit zijn lijnvormige verhogingen van de huid (denk bijvoorbeeld aan dijken langs een rivier). Je vraagt je nu misschien af hoe een vingerafdruk ontstaat en hoe je die zichtbaar kunt maken. In de papillairlijnen bevinden zich heel veel poriën (kleine openingen), waardoor continu meer of minder transpiratievocht (zweet) naar buiten komt. Dit transpiratievocht verspreidt zich over de papillairlijnen en bestaat uit een mengsel van allerlei stoffen, waaronder vetten, zouten en vooral water. Het water verdampt, maar de vetten, zouten en andere stoffen blijven op (en ook tussen) de papillairlijnen achter. Wanneer je vingers nu in contact komen met een voorwerp, bijvoorbeeld als je het vastpakt, worden het transpiratievocht en vooral de niet verdampte stoffen, zoals vetten en zouten, daarop overgebracht. Zo ontstaat op het voorwerp een (meestal onzichtbare) vettige afdruk van het huidlijnenpatroon, de vingerafdruk. Deze vettige afdruk kun je met diverse poeders zichtbaar maken. De Engelse geleerde Sir Francis Galton bestudeerde aan het einde van de 19de eeuw vingerafdrukken en kwam tot de conclusie dat vingerafdrukken per persoon uniek zijn. Zelfs eeneiige tweelingen hebben verschillende vingerafdrukken. De vorm van een vingerafdruk ontstaat in de 10e week van de zwangerschap en blijft het hele mensenleven hetzelfde.
1.2 Vingerafdrukken zichtbaar maken De afdruk van een voet of schoenzool in aarde of sneeuw is meestal direct te zien. Met gips kun je hiervan direct een afdruk maken. Vingerafdrukken zijn echter meestal niet direct te zien. Je moet ze eerst zichtbaar maken. Dit kan op verschillende manieren. Opdracht 6 Bekijk ►URL4. Beschrijf kort vier manieren waarop je vingerafdrukken zichtbaar kunt maken. Experiment 7: zelf vingerafdrukken zichtbaar maken In dit experiment ga je zelf proberen om vingerafdrukken zichtbaar te maken. Afhankelijk van het voorwerp dat je hebt gekregen, ga je bepalen welk poeder het meest geschikt is om te gebruiken. Benodigdheden Per groepje heb je het volgende nodig: • doekjes • twee stof/mondkapjes • pincet/handschoenen • make-up kwastje • twee voorwerpen (objectglaasje, glazuur, verf, zwart kunststof, wit kunststof of…..) • (zeer fijn) poeder. • Om te gebruiken als poeder heb je de keuze uit: • koolstofpoeder/grafiet • poedersuiker • aluminiumpoeder • talkpoeder • krijtpoeder • make-up poeder (blusher rouge). Uitvoering • Maak de twee voorwerpen goed schoon met een doekje en raak ze daarna niet meer met blote handen aan. Gebruik een pincet of handschoenen. • Zet met je duim een duidelijke afdruk op de voorwerpen. • Bedenk welk(e) poeder(s) je wilt gebruiken voor jouw voorwerp(en) om de vingerafdruk(ken) zichtbaar te maken. Als je een poeder hebt gekozen, bepaal je, eventueel aan de hand van de chemiekaarten, of het nodig is om een stof/mondkapje te gebruiken. • Dompel de kwast in het gekozen poeder en strijk héél voorzichtig met de kwast over de ondergrond
totdat de vingerafdruk goed zichtbaar is geworden. Ruim gemorst poeder direct op. Gebruik de loep om te bepalen of er genoeg detail in de vingerafdruk te zien is. Resultaat Welk poeder is nu het meest geschikt voor welk voorwerp? Verzamel de gegevens van de andere groepjes in je klas. Waar moeten poeder en voorwerp aan voldoen om een bruikbare combinatie op te leveren? Verwerk de gegevens en je analyse in jouw forensische onderzoeksdossier.
1.3 Classificatie en identificatie De stelling dat vingerafdrukken uniek zijn, is empirisch bepaald. Dat wil zeggen dat deze stelling verkregen is uit experimenten of ervaring. In de meer dan 100 jaar dat vingerafdrukken onderzocht worden, zijn er nog nooit twee dezelfde vingerafdrukken van verschillende personen gevonden. In verschillende databanken over de gehele wereld zitten miljarden vingerafdrukken die allemaal verschillend zijn. Omdat vingerafdrukken uniek zijn, zijn ze uitermate geschikt voor identificatie van personen. Dit in tegenstelling tot kenmerken van personen die niet uniek zijn zoals de bloedgroep. Vraag 8 Noem nog drie kenmerken die mensen met anderen gemeen kunnen hebben. Behalve dat vingerafdrukken per persoon uniek zijn, vond Galton nog drie redenen waarom vingerafdrukken goed gebruikt kunnen worden voor identificatie: • het lijnenpatroon van de vingerhuid blijft levenslang hetzelfde • de variatie in het aantal verschillende patronen is erg groot • vingerafdrukken kunnen geclassificeerd worden. Vraag 9 Wat betekent classificeren? Maar wat maakt vingerafdrukken nu zo uniek? De verschillen tussen huidlijnenpatronen kun je beschrijven door ze in te delen bij een aantal hoofdgroepen. Deze hoofdgroepen kenmerken zich door verschillende globale figuren in het huidlijnenpatroon die hoofdpatronen heten.
Opdracht 10 Bekijk het document op het vaklokaal ►scansvingerafdrukken.nl.pdf Teken en benoem drie hoofdpatronen. Naast het onderscheid in hoofdpatronen kun je onderscheid maken door te kijken naar details in het lijnenpatroon. Kenmerkende details heten typica, omdat deze typisch zijn voor het huidlijnenpatroon van de betreffende persoon. Kenmerkende details kunnen bijvoorbeeld punten zijn waar huidlijnen splitsen of stoppen. Opdracht 11 Kijk in het vaklokaal naar het volgende document ►scans-vingerafdrukken.nl.pdf Teken en benoem drie typica. De papillairlijnen van een vingerafdruk vormen dus figuren, waarvan de details uniek zijn. In een forensisch onderzoek kijk je bij het vergelijken van vingerafdrukken in de eerste plaats naar de hoofdgroepen. Vervolgens zoek je overeenkomende typica op overeenkomende onderlinge posities, de zogenaamde dactyloscopische punten. (Dactyloscopie komt uit het Grieks en betekent: kijken naar vingers.) Op basis van deze dactyloscopische punten vindt identificatie plaats. In een strafrechtelijk onderzoek neemt de recherche vingerafdrukken van alle tien de vingers van een verdachte. Vervolgens maakt de recherche hiervan inktafdrukken op papier en bergt deze, gesorteerd naar hand en vinger, op in het archief. Om een verdachte uit te sluiten of te koppelen aan een misdaad, vergelijkt men de afdrukken in het archief met een op de plaats delict gevonden afdruk. Bij dit vergelijken let de rechercheur dus op de aanwezigheid en de onderlinge posities van de verschillende typica. In Nederland eist de rechter dat er minimaal 12 punten van overeenkomst zijn.
Figuur 3: gedeelte van een vingerafdruk
Vraag 12 In figuur 3 is een vingerafdruk met 12 typica weergegeven. Benoem de 12 typica. Op zoek naar een match Als de PD vingerafdrukken heeft opgeleverd, moet er gezocht worden naar de persoon die ze heeft achtergelaten. Dit lijkt makkelijker dan het is. Als er twee vingerafdrukken vergeleken moeten worden, de gevonden vingerafdruk en een vingerafdruk uit een bestand, is dit nog wel mogelijk. Maar als een match (overeenkomst) gezocht moet worden tussen de gevonden afdruk en een databestand van een paar duizend personen, elk met 10 vingerafdrukken dan is dat onmogelijk. Ook een computer de plaatjes laten vergelijken is onmogelijk, omdat de plaatjes van twee vingerafdrukken van dezelfde vinger nooit identiek zullen zijn. In dat geval wordt van belang hoe de vingerafdrukken in de database worden opgeslagen en welke zoekprocedure wordt gehanteerd. Een mogelijkheid is om in de database niet de vingerafdruk zelf op te slaan maar de classificatiecode. Zoeken op code is veel simpeler dan het vergelijken van plaatjes. Maar is er een code te bedenken die net zo uniek is als de vingerafdruk zelf? Een antwoord is te geven met behulp van figuur 4.
Figuur 4: een vingerpatroon
Ingetekend zijn een aantal dactyloscopische punten met de verbindingen tussen die punten. De kleur geeft het type aan. Bijvoorbeeld 3 delta’s, 4 bifurcaties, 6 eindpunten. In totaal zijn er hier dus 13 dactyloscopische punten getekend. De cijfers bij de verbindingen geeft aan hoeveel papillairlijnen er liggen tussen de twee betrokken typica. Het opslaan van deze patronen is natuurlijk op vele verschillende manieren mogelijk maar neemt veel minder ruimte in dan het digitaal opslaan van een plaatje. Opdracht 13 In figuur 4 is te zien dat het aantal verbindingen sneller toeneemt dan het aantal punten. a. Teken 5 punten met hun verbindingen. Hoeveel zijn dit er? b. Hoeveel verbindingen zijn er bij N punten? c. Bereken met de formule bij b hoeveel verbindingen er bestaan bij 13 punten. Experiment 14: dactyloscopische punten In deze proef ga je op zoek naar de hoofdpatronen en typica (dactyloscopische punten) in de gevonden vingerafdrukken op de plaats delict. Je gaat daartoe de vingerafdruk beschrijven. Mocht je de vingerafdruk willen vergroten, gebruik dan een vergrootglas Benodigdheden • vergrootglas • de vingerafdrukkaarten van de verdachten • de vingerafdrukken gevonden op de PD.
Uitvoering In deze opdracht moet je de zeven vingersporen gevonden op de PD vergelijken met de 120 vingerafdrukken van de verdachten. Bepreek met je klas hoe je dit het effectiefst en snelst kunt doen. De onderstaande punten kunnen als leidraad dienen. • Beschrijf de hoofdpatronen van de huidlijnen van de vingersporen VINGER01 tot VINGER07. • Bedenk of het vingerspoor afkomstig zou kunnen zijn van een bepaalde vinger. Waaraan zou je dit kunnen zien? • Probeer 12 typica (dactyloscopische punten) te vinden en markeer ze met een puntje en een nummertje van 1 tot 12. • Maak een patroon op de wijze van figuur 4. • Ga na hoe nu de vingerafdrukken moeten worden vergeleken met de database. 4. Achtergrondinformatie: in het echt Wat je in experiment 14 gedaan hebt, is door forensische onderzoeksinstituten, zoals het NFI, op grote schaal gedaan met de vingerafdrukken van vele personen (meestal misdadigers). In grote digitale databanken zijn foto’s opgenomen van de vingerafdrukken die geclassificeerd zijn naar onder andere soort vinger en hoofdpatronen. Sinds 1990 werkt de Nederlandse Technische Recherche met Het Automatische VingerAfdrukkensysteem Nederlandse Kollectie (HAVANK). In deze zoekmachine staan twaalf miljoen dactysporen (vingersporen) van onopgeloste delicten, ongeïdentificeerde slachtoffers, Nederlanders die met de politie in aanraking zijn geweest, asielzoekers en internationale verdachten. De gevonden sporen worden geanalyseerd op basis van enkele kenmerken, zoals van welke hand en vinger het vingerspoor afkomstig is en wat het typerende patroon is. Vervolgens scant een specialist de vingerafdruk op twaalf dactyloscopische punten en deze punten worden ingevoerd in het HAVANK. Deze punten worden met elkaar verbonden, waardoor een soort sterrenbeeld ontstaat. De vorm van dat sterrenbeeld wordt gebruikt voor het doorzoeken van de database.
1.4 Dossier In deze paragraaf heb je geleerd dat vingerafdrukken uniek zijn voor ieder mens en dat ze bovendien onveranderlijk zijn. Beide eigenschappen zorgen er voor dat vingerafdrukken erg geschikt zijn voor identificatie.
Je hebt vingerafdrukken geclassificeerd en geleerd welke hoofdpatronen en typica er zijn. Je hebt de vingersporen van de PD geclassificeerd en vergeleken met die van de verdachten. Misschien heb je wel een of meerdere ‘matches’ gevonden. Maar wat betekent het verder? • Betekent dit dat deze verdachte de moordenaar is? • Is dit genoeg om deze verdachte te veroordelen voor de gepleegde moord? • Op welke manier draagt deze kennis bij aan het oplossen van de gepleegde moord en het veroordeeld krijgen van de dader? Opdracht 15: dossier Schrijf in je dossier een korte verhandeling, van ongeveer 250 woorden, waarin je ingaat op deze punten en waarbij je de relevantie van dit bewijsmateriaal bespreekt.
Handboek 3 Voetsporen 3.1 Grondeigenschappen De ene grond is de andere niet. Gelukkig maar, want verschillende grondsoorten creëren diversiteit in het planten- en dierenrijk. De ene plant groeit liever op een zure bodem, de andere op een voedselarme zandgrond. Er zijn ook plantjes die op sterk verontreinigde bodems kunnen groeien. Verschillen in grondsoorten kunnen ook gebruikt worden in het forensisch onderzoek. Komt de grond onder de zolen van de verdachte overeen met die van de PD? En is de grond onder de zolen van het slachtoffer gelijk aan die van de PD? Wanneer er een andere grondsoort onder zijn zolen wordt gevonden, is het waarschijnlijk dat het slachtoffer gedumpt is. Hoe kun je onderscheid maken tussen verschillende grondsoorten? In dit handboek zullen we de volgende methodes toelichten en uitvoeren: pH, geleidbaarheid, waterabsorberend vermogen en uiterlijke kenmerken onder een vergrootglas.
Figuur 7: Japans sterrenzand (boven), glauconietzand (midden) en obsidiaanzand (onder)
In de figuren aan de linkerkant zie je vergrotingen van speciale grondsoorten. De bovenste is het Japans sterrenzand, waarvan de grootste skeletjes een doorsnede van ca. 2 mm hebben. De middelste foto is glauconietzand uit een grondboring in Nederland. En de laatste foto is het obsidiaanzand uit Punaluu (Hawaii) met een korrelgrootte van ca. 0,5-1,0 mm. Zand meenemen van dit strand is verboden. Volgens een lokale legende is degene die dit wel doet vervloekt totdat hij al het zand weer terugbrengt - tot op de laatste korrel. Op de uiterlijke kenmerken kan er onderscheid worden gemaakt tussen de zandsoorten. Maar dit is niet altijd even gemakkelijk. Om de verschillen tussen grondsoorten te belichten, moeten we eerst weten wat grond precies is. Grond bestaat uit kleine korreltjes steen, mineralen en organisch materiaal. De verhouding tussen deze componenten en de afkomst maakt dat iedere grondsoort uniek is en dus ook unieke eigenschappen bezit. De componenten bepalen onder andere de pH,
geleidbaarheid, waterabsorberend vermogen en het uiterlijk ( zoals kleur, structuur, korrelgrootte) van de grond. De grond op een bepaalde plek kan ook veranderen. De grond van een rivierbedding verandert van maand tot maand door de fluctuerende waterniveaus.
Soortelijke geleidbaarheid De geleidbaarheid G van een bepaalde grondlaag geeft aan hoe goed die laag elektriciteit kan geleiden. Het is dus in feite het omgekeerde van de elektrische weerstand R (in Ω):
G=
1 R
(1)
G moet dan ook worden uitgedrukt in Ω-1. Deze eenheid heeft de naam Siemens (S) gekregen. De lading stroomt makkelijker door een grondlaag naarmate de doorsnede A ( in m2 ) groter is en moeilijker naarmate de stroomweg l (in m) langer is. Voor de geleidbaarheid G geldt dus G~A en G~1/l Dus:
G =σ
A l
(2)
De evenredigheidsconstante σ is een stofeigenschap en wordt de soortelijke geleidbaarheid genoemd. Deze grootheid geeft dus aan wat de geleidbaarheid is van een hoeveelheid grond met een doorsnede van 1 m2 en een lengte van 1 m. Opdracht 18 Leid af dat de eenheid van σ de S/m is. Bij forensisch onderzoek zijn we niet zozeer geïnteresseerd in de eigenschappen van een grondlaag, maar meer in de eigenschappen van de grond zelf. Dus σ is interessanter dan G. Zoutconcentratie en pH hebben veel invloed op σ. Dus de soortelijke geleidbaarheid van de grond onder de zolen van Thijssen kan een aanwijzing bevatten over de grondsoort waar hij het laatst over heeft gelopen. Zoutconcentratie Ionen maken de grond geleidbaar. De geleidbaarheid is dus een maat voor de hoeveelheid ionen in de grond.
Zouten bepalen grotendeels de geleidbaarheid van een bodem. De geleidelijke toename van het zoutgehalte in bodem wordt verzilting genoemd. Verzilting kan ontstaan door verdamping van water uit de bodem, waardoor het zout achterblijft en toeneemt in concentratie. Dit gaat vaak gepaard met slechte drainage en droog weer. Een voorbeeld hiervan is de grond rondom de Dode Zee. Binnen een aantal decennia zal de Dode Zee zijn verdwenen door toenemende verdamping. Dit gaat gepaard met afnemende wateraanvoer via rivieren naar de Dode Zee vanwege stijgend watergebruik door mensen. De geleidbaarheid wordt niet alleen bepaald voor de concentratie zoutionen. OH- en H+ ionen kunnen de geleidbaarheid ook doen toenemen. Een bodem kan een lage zoutconcentratie hebben, maar een hoge geleidbaarheid door een lage pH. Opdracht 19 Bekijk de proefopstelling in figuur 8. Twee elektroden met afmetingen van 3 bij 4 cm steken in een bakje met rivierzand dat is vervuild. De elektroden staan op 10 cm van elkaar. Men zet 5,0 V over het bakje en de stroom wordt gemeten. Er blijkt een stroom van 3,0 mA lopen.
Figuur 8: proefopstelling
Neem aan dat de stroom alleen loopt tussen de twee elektroden en homogeen verdeeld is over de grond tussen de elektroden. a. Bereken de geleidbaarheid van deze opstelling b. Bereken de soortelijke geleidbaarheid van dit rivierzand.
pH De pH is een maat voor de zuurtegraad. Citroensap is zuurder dan water. Citroensap heeft daardoor een lagere pH dan water. Een oplossing met een pH lager dan 7 wordt een zure oplossing genoemd. Is de pH hoger dan 7, dan is de oplossing basisch. Wanneer de oplossing gelijk is aan 7, wordt deze pH neutraal genoemd. Grond met een grote hoeveelheid organisch materiaal is doorgaans zuurder dan grond zonder organisch materiaal. Veengrond bijvoorbeeld bevat een grote hoeveelheid organisch materiaal en heeft een lage pH. Veen bestaat uit een natte hoeveelheid dood plantenmateriaal. Door de grote hoeveelheid water in
veen, ontstaat er een zuurstofarme omgeving waarin de bacteriën de plantenresten zuurstofarm (anaëroob) verteren. Hierbij komen onder andere zuren vrij. Sommige mineralen kunnen de pH van de grond ook beïnvloeden, wanneer ze in water oplossen. Kalk (CaCO3) bijvoorbeeld reageert met water (H2O) tot HCO3- en OH- ionen, die de bodem meer basisch maken.
Waterabsorberend vermogen
Figuur 9: Het meisje van Yde Door een zuurstofarme en zure omgeving van veen blijven lichamen soms jarenlang goed geconserveerd. Een van de bekende veenlijken is die van ‘het meisje van Yde’, dat op 12 mei 1897 uit het Stijfsteen tussen Yde en Vries werd opgegraven. Uit 14 C-datering blijkt dat zij tussen 54 v. Chr. En 128 n. CHr. is gestorven. Zij was op dat moment 1,40 m groot en ongeveer 16 jaar oud.
Het waterabsorberende vermogen verschilt per grondsoort. Globaal gezien heeft grond, bestaande uit kleine deeltjes zoals kleideeltjes een groot waterabsorberend vermogen. Zand bestaat uit grotere korrels en houdt minder water vast dan klei. De chemische samenstelling van de gronddeeltjes speelt ook een rol. Kleideeltjes bijvoorbeeld zijn geladen en ‘trekken’ hierdoor gemakkelijker water aan. Grotere hoeveelheden organisch materiaal verhogen het waterabsorberende vermogen.
Kleur De kleur van de grond wordt bepaald door zijn compositie. Organisch materiaal maakt de grond donkerder. Mineralen kunnen de grond ook een kleur meegeven. IJzerionen maken de grond roder, zoals de Uluru berg in Australië.
Figuur 10: Uluru berg in Australië
Experiment 20: gedumpt? In het volgende experiment ga je onderzoeken of de verdachte op de PD is geweest. Het lichaam van Theo Thijssen kan ook gedumpt zijn. Komt de grond onder zijn zolen overeen met die van de PD? Benodigdheden • 100 g van de grondmonsters van de voetzolen, afkomstig van de verdachten (BODEM01 tot BODEM10). • 100 g van het grondmonster van de PD (BODEM11) • pH-meter • opstelling om de geleidbaarheid te meten • vergrootglas • 100 mL maatcilinder • filtreerpapier ( met een diameter van 12.5 cm) • gedestilleerd water in bekerglas • 250 mL bekerglazen • 400 mL bekerglas • 50 mL bekerglas voor gedestilleerd water • lepels • trechters • weegschaal en papier voor het afwegen. Uitvoering a. Bespreek met de klas hoe de grondmonsters verdeeld gaan worden, zodat niet iedereen tien monsters moet analyseren. Zet de resultaten in de tabel in figuur 11 b. Label een 250 mL bekerglas met jouw grondmonster (BODEMX). c. Weeg 50 g van het bodemmonster af en breng de grond over in het 250 mL bekerglas. d. Meet 100 mL gedestilleerd water af in de maatcilinder en giet het bij de grond. e. Roer het mengsel goed door met een lepel. Roer elke drie minuten voor totaal 15 minuten.
f. Laat het mengsel 5 minuten bezinken. Was de lepel met gedestilleerd water om contaminatie met andere grondmonsters te voorkomen. g. Meet de pH van het grondmonster, vraag de leraar voor hulp indien nodig. h. Meet de geleidbaarheid van het grondmonster, vraag de leraar voor hulp indien nodig. j. Hoe ziet het droge grondmonster eruit onder het vergrootglas. Maak een schets van de grondstructuur. i. Bepaal het waterabsorberend vermogen van de grond als volgt: vouw het filter in de trechter en breng 50 g van het droge grondmonster over in het filter. Vraag een medeleerling om de trechter boven een 400 mL bekerglas te houden. Meet 100 mL gedestilleerd water af in een maatcilinder en giet het water in de trechter. Laat de trechter voor 60 seconden uitdruppelen. Giet het water in het 400 mL bekerglas terug in de maatcilinder. Bepaal de hoeveelheid water die door de grond is geabsorbeerd. Bron: No dumping Texas Instruments
BODEM X
pH
soortelijke geleidbaarheid (µS/cm)
geabsorbeerd water (ml/50 g)
uiterlijk grond (beschrijving )
BODEM01 BODEM02 BODEM03 BODEM04 BODEM05 BODEM06 BODEM07 BODEM08 BODEM09 BODEM10 BODEM11 (PD) Figuur 11: resultaten grondonderzoek
3.2 Lengte van de dader Op de PD heeft de dader een voetspoor achtergelaten dat leidt naar Thijssens vakantiehuisje. In dit deel van het handboek ga je onderzoeken of er een relatie bestaat tussen de lengte van een persoon en de afstand tussen twee voetstappen. Experiment 21: voetsporen van de dader In dit experiment bepaal je de relatie tussen de lengte van een persoon en zijn voetstap. Hiervan maak je een ijkgrafiek.
Benodigdheden • meetlint • rechte loopafstand van minimaal 10 meter • een krijtje. Uitvoering • Analyseer de voetsporen van de dader. Zijn de voetstappen gemaakt terwijl een persoon aan het lopen of aan het rennen was? • Besluit met de klas op welke manier de proefpersonen moeten lopen (of rennen). • Hoeveel metingen ga je per proefpersoon verrichten? • Kies uit de klas personen met verschillende lengtes. • Wijs vervolgens twee personen aan; een die de krijtstrepen zet achter de hiel of voor de grote teen van de lopende persoon en de tweede persoon die de afstand tussen de krijtstrepen opmeet. • Neem een gemiddelde van de lengte van de voetstappen. • Maak klassikaal een ijkgrafiek aan de hand van de verkregen resultaten in relatie tot de lengte van de proefpersonen. Vragen a. Is er een lineair verband tussen de lichaamslengte en de voetstapafstand? b. Stel een vergelijking op aan de hand van dit verband. Maak de vergelijking in de vorm: voetstap afstand = (a)(lichaamslengte) + b. c. Bepaal de lengte van de dader aan de hand van de voetspoorafstand. Zijn er verdachten die afvallen? d. Denk je dat deze methode betrouwbaar genoeg is voor het bepalen van iemands lichaamslengte? Bron: Case1 Tracks of a Killer, Texas Instruments
3.3 Dossier Opdracht 22: dossier Werk het dossier bij met de resultaten van je werk aan handboek 3. Kon je aan de hand van het grondonderzoek bepalen welke verdachten op de PD zijn geweest? Is Theo Thijssen zelf naar de plaats des onheils gelopen of is hij daar vanuit een auto gedumpt? Kon je aan de hand van de voetstappen bepalen welke verdachten mogelijkerwijs op de PD zijn geweest?
Handboek 4 Stofeigenschappen 4.1 Zuivere stoffen en mengsels Op een plaats delict kunnen allerlei onbekende stoffen worden gevonden. Een technische rechercheur neemt er een monster van en stuurt het op naar het laboratorium. Daar worden de stoffen bekeken met ingewikkelde apparaten, waaruit vervolgens grafieken of getalletjes rollen. Een onderzoeker bekijkt de grafieken of getallen en kan vervolgens vertellen welke stof er op de plaats delict is aangetroffen. Hoe doet hij dat toch? Het is al moeilijk om suiker en zout van elkaar te onderscheiden. Hoe worden stoffen geïdentificeerd? Daarvoor moeten we ons eerst verdiepen in de eigenschappen van stoffen. Ieder zuivere stof heeft unieke eigenschappen, zoals smeltpunt, kookpunt en oplosbaarheid in bijvoorbeeld water. Water kookt bij 100 ºC en alcohol (ethanol) bij 78 ºC. Deze twee stoffen zijn van elkaar te onderscheiden door het kookpunt van beide te meten. De combinatie van stofeigenschappen is voor elke stof uniek. Het is mogelijk dat van twee verschillende stoffen een aantal stofeigenschappen hetzelfde zijn. Zowel water als ethanol zijn vloeibaar bij kamertemperatuur en zijn beide kleurloos. Er zijn echter geen twee stoffen waarvan alle stofeigenschappen dezelfde zijn. Je kunt een zuivere stof dus altijd herkennen aan de stofeigenschappen. In de natuur en in het dagelijkse leven komen zuivere stoffen echter erg weinig voor. Meestal zijn stoffen gemengd met andere stoffen. Als een stof niet zuiver is, maar met minstens één andere stof gemengd is, spreek je van een mengsel. De verschillende stoffen in een mengsel noem je componenten. Een mengsel kun je scheiden in de afzonderlijke zuivere stoffen door gebruik te maken van de verschillen tussen stofeigenschappen van de componenten. Een mengsel van keukenzout en zand is bijvoorbeeld van elkaar te scheiden door het mengsel in water op te lossen. Keukenzout (NaCl) heeft als stofeigenschap dat het in water oplost, zand niet. Wanneer het mengsel van zout, zand en water door een filter wordt gegoten, blijft het zand in het filter achter. Door vervolgens te destilleren of in te dampen wordt het zout uit het water gehaald. Op deze manier wordt het mengsel gescheiden en kunnen beide stoffen individueel van elkaar worden geanalyseerd.
Vraag 23 Hoe kun je snel vaststellen of een vaste stof zuiver is of een mengsel? Om de componenten van een mengsel te scheiden zijn allerlei methoden te gebruiken. Welke scheidingsmethode wordt gebruikt, is afhankelijk van de stofeigenschappen van de componenten in het te scheiden mengsel. 24. Vragen 24.1 Alcohol en water a. Met welke methode kun je een mengsel van alcohol en water scheiden? b. Op welke stofeigenschap berust deze methode? 24.2 Keukenzout, jood en krijt a. Met welke methode kun je een mengsel van keukenzout, jood en krijt van elkaar kunnen scheiden? Kijk naar de verschillen in stofeigenschappen, voor het oplossen van deze vraag. b. Op welke stofeigenschappen berusten deze scheidingsmethoden? 24.3 NaNO3 en CaCO3 a. Hoe kun je een mengsel van de zouten NaNO3 en CaCO3 en water van elkaar scheiden? b. Op welke stofeigenschap berust deze methode? 24.4 Groene kleurstof en water a. Met welke methode kun je een mengsel van een oplosbare groene kleurstof en water scheiden? b. Op welke stofeigenschap berust deze methode? 24.5 Olie en water a. Met welke methode kun je een ‘mengsel’ van olie en water scheiden? b. Waar berust deze methode op?
4.2 Eigenschappen van moleculen Ieder moleculair zuivere stof is verschillend doordat de moleculen waaruit de stof bestaat, van elkaar verschillen. Moleculen kunnen opgebouwd worden uit 118 bouwstenen die we atomen noemen. Deze atomen zijn gerangschikt in het ‘periodiek systeem der elementen’ en gesorteerd op hun massa. Het atoom waterstof (H) staat op de eerste plaats in het periodiek systeem en is daardoor het kleinste en het lichtste. Koolstof (C) staat op de 6e plaats en is daardoor
zwaarder dan waterstof. Zuurstof (O) is weer wat zwaarder dan koolstof en staat op de 8e plaats. Zuurstof, koolstof en waterstof kunnen samen bijvoorbeeld het molecuul ethanol (CH3-CH2-OH) maken, maar ook het molecuul methanol (CH3-OH). Omdat ethanol een extra CH2-groep heeft, is het zwaarder dan methanol. De vanderwaalsbindingen (dit is de aantrekkingskracht tussen moleculen) in stoffen met een lage molecuulmassa zijn minder sterk dan die in stoffen met een hoge molecuulmassa. Het kost daardoor minder energie om een methanolmolecuul te laten verdampen dan dat dat kost bij een ethanolmolecuul. Het kookpunt van (het lichtere) methanol is dus lager dan dat van (het zwaardere) ethanol. Het gewicht van een molecuul kan dus gebruikt worden om stoffen te scheiden. Deze eigenschap wordt voornamelijk gebruikt voor het identificeren van moleculen voor forensisch onderzoek. 25 Opdrachten 25.1 Periodiek systeem der elementen Zoek het periodiek systeem der elementen op in je binas. Bereken de molecuulmassa van ethanol en methanol. 25.2 Ethanol en methanol scheiden Zoek op hoe chemici in het laboratorium een mengsel van ethanol en methanol scheiden. Welk glaswerk gebruiken ze hiervoor?
4.3 Apolair/polair? Zuurstof (O2) is zwaarder dan water (H2O). Hoe komt het dan dat zuurstof bij kamertemperatuur een gas is, terwijl water bij dezelfde temperatuur een vloeistof is? Dit heeft alles met waterstofbruggen te maken. Een waterstofbrug is een soort ‘brug’, een aantrekkende kracht, tussen een zuurstofatoom van het ene watermolecuul en het waterstofatoom van het andere watermolecuul, zie figuur 12. Hoe kunnen deze twee atomen elkaar aantrekken? In een watermolecuul (H-O-H, ook wel H2O) bevinden zich twee waterstofatomen die enigszins positief geladen zijn. Het zuurstofatoom in het midden is een beetje negatief geladen. In vloeibaar water hebben alle watermoleculen contact met elkaar. Het licht positief geladen waterstofatoom in het ene watermolecuul trekt het licht negatief geladen zuurstofatoom van het andere watermolecuul aan (H-0…H-O). In water
hebben alle watermoleculen op die manier interactie met elkaar.
Figuur 12: een waterstofbrug
Sommige stoffen lossen op in water, andere stoffen niet. Waardoor komt dit? Ethanol (CH3-CH2-OH) lost op in water, als je een biertje inschenkt zie je geen scheiding van ethanol en water ontstaan. Ether (CH3CH2-O-CH2CH3) lost slecht in water op, terwijl het moleculair gezien lijkt op ethanol: dezelfde CH3-CH2groep(en) en een O atoom. Hoe kan dit, waardoor is de ene stof slecht oplosbaar in water, terwijl de andere juist goed oplost? De oplosbaarheid in water heeft ook hier te maken met waterstofbruggen. Ethanol (CH3-CH2OH) heeft namelijk een OH-groep, waardoor het een waterstofbrug kan vormen met een watermolecuul. Nu vraag je jezelf misschien af: in het ethermolecuul zitten ook waterstof- en zuurstofatomen, waarom kan dat molecuul dan nauwelijks waterstofbruggen vormen? Ether (CH3CH2-O-CH2CH3) is slecht oplosbaar in water omdat zijn waterstofatomen verbonden zijn aan een koolstofatoom (de CH2 en CH3 groepen). De waterstofatomen in water zijn speciaal, omdat ze verbonden zijn aan een zuurstofatoom. Het zuurstofatoom ‘zuigt’ namelijk erg hard aan het waterstofatoom. Door deze zuigende kracht wordt het elektron van het waterstofatoom een beetje naar het zuurstofatoom gezogen. Elektronen zijn negatief geladen. De zuigende kracht zorgt ervoor dat het zuurstofatoom een beetje meer negatieve lading krijgt en het waterstofatoom een beetje minder. Hierdoor wordt het zuurstofatoom meer negatief geladen en het wateratoom meer positief geladen. Positief en negatief trekken elkaar aan en er ontstaat een waterstofbrug. In het geval van het ethermolecuul zijn de waterstofatomen verbonden aan een koolstofatoom. Het koolstofatoom is geen goede ‘zuiger’, hij trekt de elektronen van het waterstofatoom niet sterk aan. Hierdoor is het waterstofatoom verbonden aan een koolstofatoom (H-C) minder positief geladen dan het waterstofatoom die verbonden is aan een sterk zuigend zuurstofatoom (H-O). Voor het vormen van waterstofbruggen heb je die licht positief geladen waterstofmoleculen wel nodig. Ether kan dus geen waterstofbruggen vormen, vandaar dat het slecht in water oplost.
4.4 Oplosbaarheid van zouten Wanneer je een beetje keukenzout (NaCl) in een glas water strooit en roert, zie je dat het zout na een tijdje is verdwenen. Het keukenzout is opgelost. Sommige zouten kunnen echter niet oplossen, zoals kalk (CaCO3). Hoe kan dit, wat zijn zouten precies? Zouten zijn combinaties van metaalionen en nietmetaalionen. Een eenvoudig voorbeeld is NaCl. Dit zout bestaat uit het metaalion Na+ en het niet-metaalion Cl. Het chloordeeltje heeft daarbij een elektron opgenomen en het natriumdeeltje een elektron afgestaan. Een ingewikkelder zout is bijvoorbeeld Ca10(PO4)6(OH)2. Dit zout is onoplosbaar. Gelukkig maar want onze tanden en kiezen zijn ervan gemaakt. Dit zout bestaat uit metaalionen Ca2+ en niet-metaalionen PO43- en OH-. Zuren kunnen reageren met het OH- en kunnen hierdoor ons gebit aantasten. Deze zuren worden bijvoorbeeld gemaakt door bacteriën in je mond, die suiker omzetten in bepaalde zuren. Het drinken van zure dranken, zoals cola, tast het gebit ook aan. We kunnen ons gebit versterken met fluoriden. Die fluoriden gaan in de plaats van de OH--ionen zitten en zo worden tanden meer zuur bestendig: Ca10(PO4)6(F)2. Zouten kunnen alleen oplossen als de binding van de ionen met watermoleculen sterker is dan de binding tussen de ionen in het zout. Het binden van ionen aan watermoleculen noemen we hydratatie. Ionen zijn negatief of positief geladen en watermoleculen hebben een positieve en een negatieve kant. Opdracht 26 Maak een schematische tekening van hydratatie van keukenzout. Geef Na+ weer als een positief geladen bolletje, Cl- als een negatief geladen bolletje en water als een bolletje zuurstof waaraan twee waterstofmoleculen (onder de juiste hoek) zijn verbonden. Hoe positioneer je de watermoleculen? Oplossen is geen chemische reactie, want de watermoleculen verzamelen zich slechts rondom de ionen, ze reageren er niet mee. Daarom staat in reactievergelijkingen voor oplossen geen water, wel kun je aan de toevoeging (aq) zien dat het om een oplossing gaat. Voorbeeld, keukenzout lost op in water:
NaCl(s) ⎯⎯ → Na + (aq) + Cl− (aq) Complexe ionen blijven intact dus:
NaNO3 (s) ⎯⎯ → Na + (aq) +NO3− (aq) en
NH 4 Cl(s) ⎯⎯ → NH 4 + (aq) + Cl− (aq) Experiment 27: stoffenidentificatie Dit experiment ga je gebruiken om te oefenen in de aanpak van een natuurwetenschappelijk onderzoek. Bij deze aanpak zijn verschillende fases te onderscheiden. Zie kader met: fases van natuurwetenschappelijk onderzoek. Op het lichaam van Theo wordt een witachtig poeder gevonden. Het doel van dit experiment is de identificatie van dit witte poeder. De witte poeders, gemerkt als STOF01 tot STOF05, waren aangetroffen op de kleding van de verdachten. Een analist heeft jullie al een beetje geholpen en de stoffen 1 tot 5 geanalyseerd. De analist concludeerde dat: STOF01 STOF02 STOF03 STOF04 STOF05
is is is is is
NaCl CaCO3 (krijt) Na2CO3 (soda) C6H12O6 (poedersuiker) NH4Cl (salmiak)
De analist kon echter de onbekende stof op het lichaam van Theo niet identificeren. Hij vraagt daarbij jullie hulp. Opdracht Vergelijk de vijf gevonden stoffen (STOF01 tot en met STOF05) met de onbekende stof, aangetroffen op het lichaam van Theo Thijssen. Plan van aanpak Gebruik de fases van natuurwetenschappelijk onderzoek. Bedenk hoe je de vijf stoffen van elkaar zou kunnen onderscheiden. Stel een plan van aanpak op. Welke proeven ga je uitvoeren, welke materialen heb je daarvoor nodig? Maak hiervoor een beslisschema, waarin je stap voor stap tot de juiste stof komt.
Fases van natuurwetenschappelijk onderzoek Deze leer je nu hier. Je hebt het later nog vaker nodig en dan kun je het vinden bij het onderdeel technisch ontwerpen in de NLT toolbox voor leerlingen. Iedere fase bestaat uit een aantal stappen. Hieronder staan alleen de stappen aangegeven die voor het stoffenonderzoek van belang zijn. Fase 1 Oriëntatie Tijdens de oriëntatiefase 1) kom je tot een beschrijving van het probleem of het vraagstuk 2) formuleer je een hoofdvraag en splits je deze zo nodig uit in deelvragen 3) formuleer je een hypothese (hier minder van toepassing) 4) bedenk je globaal met wat voor soort onderzoek je de onderzoeksvraag gaat beantwoorden. De verschillende stappen van de oriëntatiefase houd je bij in het verslag voor je dossier. Fase 2 Planning Tijdens de planningsfase 1) doe je een eerste verkenning van literatuur over je onderwerp, bestudeer je relevante theorie, beantwoord je gestelde voorbereidingsvragen en stel je eventueel op basis hiervan je hoofd- en deelvragen en/of je hypothese bij 2) maak je een werkplan voor de experimenten die je gaat uitvoeren 3) leg je de resultaten van oriëntatie en planning vast in een onderzoeksplan. Fase 3 Uitvoering Tijdens de uitvoeringsfase 1) voer je het onderzoek uit volgens planning 2) verwerk je je resultaten. Houd tijdens de uitvoeringsfase alle resultaten en ontwikkelingen bij in het verslag voor je dossier. Fase 4 Afronding Tijdens de afrondingsfase 1) beantwoord je de gestelde onderzoeksvraag (je trekt dus een conclusie) 2) evalueer je je onderzoek: hoe betrouwbaar zijn je uitkomsten. Verwerk dit alles in het verslag voor je dossier.
4.5 Het dossier 28. Opdrachten 28.1 Verdachten In het experiment heb je bepaald welke stof er op het lichaam van Theo is aangetroffen. Welke personen worden hiermee verdacht? Betekent dit dat deze personen ook de moord hebben gepleegd? Vul het schema (figuur 1) uit het politiedossier aan. Schrijf op welke personen er nu extra verdacht zijn en beargumenteer dit.
28.2 Indicatie van stoffen In het experiment heb je van de onbekende stof slechts enkele eigenschappen onderzocht. Je kunt dit onderzoek echter niet voordragen aan de rechter. Hij zal zeggen dat er meerdere stoffen te vinden zijn met dezelfde eigenschappen. Zoek uit welke methodes forensisch onderzoekers gebruiken voor het aantonen van verschillende stoffen, waarbij ze wel met 100% zekerheid een stof kunnen identificeren. Voeg aan je dossier drie methodes toe die gebruikt kunnen worden om mogelijkerwijs de onbekende stof te identificeren. Geef een korte omschrijving van iedere methode.
Handboek 5 Chromatografie 5.1 Gelijk of ongelijk? De cheque van 200.000 euro is geschreven met een zwarte stift. Er zijn verschillende zwarte stiften bij de kampeerbewoners aangetroffen. Hoe kan worden onderzocht met welke stift de cheque is beschreven? We moeten onderzoeken of de tekst op de plattegrond geschreven is met de gevonden stift. Onderzoek naar de samenstelling van de inkt kan een oplossing geven. Maar hoe doe je dat? Hoe vergelijk je de inkt op een papier met de inkt die nog in een stift zit? In deze paragraaf ga je kijken hoe je dit kunt doen door gebruik te maken van stofeigenschappen.
5.2 De stift en de cheque Inkt is een mengsel van kleurstof(fen) en een ‘oplosmiddel’. Hoewel inkt geen oplossing hoeft te zijn, zal het hier wel zo genoemd worden. (Als inkt geen oplossing is, wat is het dan wel?) Als je met inkt schrijft, breng je de (inkt)oplossing op het papier en daarna zal het oplosmiddel verdampen. De kleurstof of kleurstoffen blijven achter en hechten aan het papier (adsorptie). Om te kunnen achterhalen of de inkt van de geschreven tekst op de cheque overeenkomt met de inkt uit de stift, zul je de beide inkten moeten vergelijken. Je zult moeten bepalen of de samenstelling van de inkten dezelfde is. Anders gezegd: je zult moeten onderzoeken of de beide inktmengsels uit dezelfde componenten bestaan. Je kunt de beide inktmengsels alleen maar goed vergelijken als deze mengsels zich in dezelfde ‘vorm’ bevinden. Bijvoorbeeld allebei opgelost in water of allebei gehecht aan (speciaal) papier. De inkt op de cheque zul je van het papier moeten verwijderen. Dit kun je doen door de inkt van het papier te extraheren met een geschikt oplosmiddel. Door de inkt uit de stift op te lossen in hetzelfde oplosmiddel (eventueel na verdampen van het oplosmiddel in de stift) kun je beide mengsels vergelijken. De inkten hebben dan beide immers dezelfde ‘vorm’. Om de samenstelling van de inkten goed te kunnen vergelijken, zul je de mengsels moeten scheiden. Na de scheiding van de mengsels zul je de verschillende componenten van de beide mengsels moeten vergelijken. Dit kan door gebruik te maken van het verschil in stofeigenschappen van de componenten. Een
in de scheikunde veel gebruikte methode om mengsels te scheiden is chromatografie. Na het scheiden van de stoffen kan de samenstelling van de mengsels bepaald of vergeleken worden.
5.3 Chromatografie Chromatografie is een scheidingsmethode die gebruik maakt van meerdere stofeigenschappen. Er wordt dus bijvoorbeeld niet gescheiden op alleen het verschil in kookpunt. Bij chromatografie vindt scheiding plaats door deze eigenschap te combineren met een andere. Om andere combinaties van eigenschappen te gebruiken, zijn er verschillende uitvoeringsvormen van chromatografie. Twee voorbeelden van verschillende vormen van chromatografie zijn: • gaschromatografie • papierchromatografie. Hoewel het, praktisch gezien, zeer verschillende technieken zijn, hebben ze een aantal aspecten gemeen. Bij chromatografie is er altijd sprake van een zogenaamde mobiele fase en een stationaire fase. De naam zegt het al: de mobiele fase beweegt en de stationaire fase beweegt niet. Bij papierchromatografie is de stationaire fase (speciaal) papier. Het te scheiden mengsel wordt op het papier gebracht zoals weergegeven in figuur 13.
beginsituatie
eindsituatie
beweging vloeistoffront
gescheiden stoffen
Figuur 13: vorming van concentrische cirkels in een chromatogram.
In het midden van cirkelvormig chromatografiepapier zet je bijvoorbeeld een stip met een stift. De stoffen in de inkt zullen hechten aan het papier (adsorptie). Het aanhechtingsvermogen van de verschillende componenten zal echter verschillen. Dat wil zeggen dat de éne component beter aan het papier ‘plakt’ dan de
andere. Vervolgens druppel je langzaam een vloeistof op de stip. De vloeistof zal het papier intrekken en vanuit het midden van de cirkel naar buiten bewegen. Omdat deze vloeistof zich door het papier verplaatst en vanuit het midden naar buiten loopt, wordt deze ook wel de loopvloeistof genoemd. De loopvloeistof is zo gekozen dat (een deel van) de kleurstoffen (componenten) van de inkt hierin oplost en er door meegenomen wordt. De kleurstoffen bewegen dus mee van het midden van de cirkel naar buiten. Niet alle kleurstoffen zullen echter even goed oplossen in de loopvloeistof. Naarmate een kleurstof beter oplost, zal de loopvloeistof deze stof makkelijker meenemen. Deze kleurstof is dan verder naar buiten te zien. Het verschil in oplosbaarheid is echter niet de enige eigenschap waardoor scheiding plaats vindt. Er is ook nog het verschil in de mate van aanhechtingsvermogen van de componenten aan het papier. Hoe beter een component adsorbeert aan het papier, hoe moeilijker deze component meegenomen kan worden door de loopvloeistof. Het eindresultaat is een scheiding van de verschillende componenten in de inkt. Vraag 29 a. Wat zijn bij papierchromatografie de stationaire en de mobiele fase? b. Wat kun je zeggen over de stofeigenschappen van de component in de buitenste ring van het chromatogram in figuur 13? c. Wat kun je zeggen over de stofeigenschappen van de component(en) in de binnenste ring van het chromatogram in figuur 13? Praktisch gezien is het handiger om papierchromatografie iets anders uit te voeren. In plaats van een cirkelvormig stuk papier gebruik je een rechthoekig stuk papier. (zie figuur 14).
Figuur 14: voorbeeld van een chromatogram
Op de zogenaamde basislijn (een zelf getrokken, dunne potloodstreep) zet je een stip met de stift. Vervolgens zet je het papier rechtop in een bekerglas met daarin een laagje loopvloeistof. Hierbij is het van belang dat het papier in de loopvloeistof staat en dat de stip boven de vloeistof zit. Het papier zal nu de loopvloeistof ‘opzuigen’. Net als bij het cirkelvormige chromatogram zal de loopvloeistof de componenten van de inkt van de stip meenemen afhankelijk van hun oplosbaarheid en aanhechtingsvermogen. Zodra de mate van scheiding voldoende is (of in ieder geval voordat de loopvloeistof helemaal boven in het papier is), haal je het papier uit de loopvloeistof. Met een potloodstreepje geef je aan tot hoe ver het vloeistoffront (de vloeistof) is gekomen. Het resultaat is nu niet een chromatogram met concentrische cirkels maar met los van elkaar staande stippen. Door op deze manier van zowel de inkt op de cheque als van de inkt uit de gevonden stiften een chromatogram te maken, kun je beide mengsels vergelijken. Afhankelijk van het resultaat kun je een uitspraak doen over de vraag of de tekst op de cheque geschreven is (of kan zijn) met een van de gevonden stiften. Als namelijk de tekst op de cheque geschreven is met een van de gevonden stiften, dan zouden de beide chromatogrammen hetzelfde moeten zijn. Bij het vergelijken van twee verschillende chromatogrammen kan er een probleem optreden. Om
allerlei redenen kan het gebeuren dat de afstand die de loopvloeistof heeft afgelegd (de afstand tussen basislijn en vloeistoffront in figuur 14) bij twee verschillende chromatogrammen erg veel verschilt. In het ene geval kan deze 10,4 cm zijn terwijl in het andere chromatogram een afstand van 6,7 cm wordt gemeten. Het kan dan erg lastig worden om de beide chromatogrammen zo met het blote oog te vergelijken. Om twee verschillende chromatogrammen toch nog enigszins te kunnen vergelijken, kun je kijken naar de relatieve verplaatsing van elke component ten opzichte van de verplaatsing van het vloeistoffront. Deze relatieve verplaatsing wordt ook wel ‘rate of flow’ genoemd met als symbool Rf. Vraag 30 a. Hoe kun je voor elke component uitrekenen wat de Rf-waarde is? b. Wat kun je zeggen over het bereik van de Rf-waarde? c. Bereken de Rf-waarden van de bovenste drie componenten in het chromatogram van figuur 14. Het kunnen berekenen van een Rf-waarde geeft een gevoel van nauwkeurigheid die er helaas niet is. Hoewel het beter is om chromatogrammen te vergelijken op basis van deze Rf-waarden dan te vergelijken met het blote oog, is deze methode niet zo nauwkeurig als men graag zou willen. Door allerlei praktische omstandigheden (denk aan temperatuur, luchtvochtigheid, tocht, papiersoort, et cetera) kan de Rf-waarde variëren. Je zult dan ook niet snel een tabel met Rf-waarden tegenkomen in het Binas. Er zijn echter wel manieren om een chromatogram zo te maken dat je twee mengsels goed met elkaar kunt vergelijken. Experiment 31: papierchromatografie. In dit experiment ga je uitzoeken of de samenstelling van de inkt van de geschreven tekst op de cheque, overeen komt met een van de stiften die bij de verdachten zijn aangetroffen. Benodigdheden • twee bekerglazen • loopvloeistof • potlood • liniaal • strook chromatografiepapier, 12 cm breed • de cheque waarop het bedrag 200.000 euro staat geschreven • vijf verschillende zwarte stiften, gemerkt van STIFT01 tot STIFT05.
Uitvoering • Doe een laagje (± 0,5 cm) van de loopvloeistof in elk van de bekerglazen. • Knip twee stroken van het chromatografiepapier af, die in het bekerglas passen. • Zet met potlood en liniaal voorzichtig een dun streepje (± 1 cm hoog) op het papier. • Los de inkt waarmee op de cheque is geschreven weer op, door een druppeltje loopvloeistof op de inkt (gehecht aan de cheque) aan te brengen. Prik een beetje zodat de inkt heroplost en van het papier op te zuigen is. • Breng een druppeltje van het inktextract aan op het papier, midden op de basislijn. Probeer de druppel op het papier zo klein mogelijk te houden. • Zet op het andere papier een stip met de verschillende stiften naast elkaar op de potloodstreep, op een afstand van ongeveer 2 cm van elkaar. • Zet het ene papier in het ene bekerglas en het andere papier in het andere bekerglas. Wacht enige tijd totdat de vloeistoffronten hoog genoeg zijn. Of totdat de scheiding voldoende is en haal dan de chromatogrammen uit de bekerglazen. • Laat ze drogen. • Maak een tabel waarin van elke vlek de kleur en de Rf-waarde vermeld staat. Doe dit voor beide chromatogrammen. Resultaat Bepaal aan de hand van de gegevens in je tabel welke inkt(en) van de 5 verschillende stiften dezelfde samenstelling heeft/hebben als de inkt op de cheque.
5.4 Dossier 32. Opdrachten 32.1 Chromatogram a. Verwerk de gegevens en chromatogrammen van experiment 31 in je forensisch onderzoeksdossier. b. Bedenk een manier waarop je een chromatogram kunt maken waarbij je de samenstelling van de beide inkten (nog) beter kunt vergelijken. Leg uit waarom je denkt dat de door jouw bedachte manier beter en/of betrouwbaarder is en maak het chromatogram. 32.2 Dossier Probeer in je dossier ook de volgende vragen te beantwoorden:
• Hebben de inkt op de cheque en de inkt in de stift dezelfde samenstelling? • Is de tekst op de cheque geschreven met de gevonden stift? • Wat heeft de stift te maken met de moord? En wat is de rol van de cheque hierin? 32.3 Dossier 2 Verwerk eventueel nog andere voor jou relevante informatie uit deze paragraaf in je forensisch onderzoeksdossier. 32.4 Gaschromatografie (facultatief en in overleg met de docent). Op ►URL5 vind je uitleg over hoe gaschromatografie werkt. Aan de hand van deze site en een werkblad te verkrijgen bij je docent ga je zelf uitzoeken hoe gaschromatografie werkt.
Handboek 6 Ballistiek 6.1 Sporen van kogels Bij het overhalen van de trekker slaat een slagpin tegen het slagvoetje (1) in de huls (3). Dit slagvoetje ontsteekt een slagas, waarna de slagas het kruit ontsteekt (2). Zie figuur 15. De slagas is een zeer explosief chemisch mengsel met loodazide, een stof die ontploft bij hevige trillingen. De ontploffing veroorzaakt een enorme druk in de huls, die ervoor zorgt dat de kogel (4) wordt afgeschoten. In de binnenkant van de loop van een vuurwapen zijn spiraalvormige groeven aangebracht. Deze groeven geven de kogel een draaiing mee, waardoor de kogel een stabiele kogelbaan aflegt. Een vuurwapen laat op afgeschoten kogels en kogelhulzen twee soorten sporen na; sporen die vertellen met wat voor soort wapen (bv. revolver, pistool of jachtgeweer) de kogel is afgeschoten en sporen die specifiek zijn voor één enkel wapen. Figuur 15: overzicht van een patroon
De spiraal in de binnenkant van de loop, die de kogel zijn draaiing geeft, bestaat uit ‘trekken’ en ‘velden’. De trekken van een loop zijn de verdiepingen, de velden zijn de verhogingen. De binnenkant van een loop vertoont gemiddeld vier tot zes trekken en velden. Het patroon dat ze op een kogel achterlaten kan links- of rechtsdraaiend zijn. Iedere loop van een vuurwapen is verschillend door onder andere slijtageplekken.
Figuur 16: groeven en krassen op een kogel
Hierdoor geeft ieder vuurwapen specifieke kenmerken aan een kogel mee. Dezelfde soort kogels, afkomstig van hetzelfde soort vuurwapen zien er op microscopische schaal toch anders uit. Deze kenmerken kunnen worden gebruikt om te bewijzen dat een kogel uit één specifiek vuurwapen komt. Ook de hulzen kunnen bewijzen dat een de kogel uit één specifiek vuurwapen komt. Revolvers werpen geen hulzen uit, dus als je op een PD hulzen vindt, heb je altijd te maken met een pistool of geweer.
De slagpin geeft een unieke afdruk op de huls. Ook maakt de hulsuitwerper een spoor aan de boven- en zijkant van een huls. De plaats waar dat spoor zich bevindt ten opzichte van de patroontrekkerhaak is hetzelfde voor eenzelfde type vuurwapen. Maar de vorm van deze kras is uniek voor één enkel vuurwapen. Om aan te tonen dat een kogel met het moordwapen is afgeschoten, worden de krassen dus vergeleken met de trekken en velden van het wapen, terwijl de afdrukken op de huls vergeleken worden met de slagpin en de patroontrekkerhaak van het wapen.
6.2 Energie van een kogel Een kogel richt schade aan doordat hij energie heeft. Deze vorm van energie wordt bewegingsenergie of kinetische energie genoemd. Deze energie hangt alleen maar af van de snelheid van de kogel en de massa van de kogel. Het verband luidt:
Ekin =
1 2 mv 2
(3)
waarin • Ekin = de kinetische energie in joule (J) • m = de massa in kilogram (kg) • v = de snelheid in meter per seconde (m/s) Vraag 33 Voor kogels zoals aangetroffen in het lichaam van Thijssen geldt: • het is 40-punts ammunitie, dat wil zeggen de massa is 40 maal de standaardmassa van 64,8 mg, • na het verlaten van de loop hebben dit soort kogels een snelheid van 340 m/s. a. Bereken de kinetische energie van dit soort kogels. b. Als buskruit een verbrandingswaarde heeft van 40 MJ/kg, hoeveel kruit is er dan minstens verbruikt? c. Waarom staat hier minstens? De energie is meegegeven door het pistool en ontstond uit de chemische energie van het kruit dat bij het schieten is gebruikt. Op het moment dat het kruit ontploft, vindt er een exotherme chemische reactie plaats waarbij de reactieproducten in gasvorm ontstaan. Hierbij ontstaat een hoge druk, waardoor er een kracht wordt uitgeoefend op de kogel. Deze kracht is veel groter dan de tegenwerkende kracht van de wrijving die de kogel in de loop ondervindt. De kogel ondervindt dus een resulterende kracht FR die naar
voren is gericht en die werkt zolang de kogel nog in de loop zit. De arbeid W (in J) die op de kogel door de kracht wordt verricht zorgt voor een toename van de kinetische energie. Er geldt:
= −WFlw=ΔFsR Δs ΔEEkin kin =
(1J = 1 N x 1m)
(4)
Hierbij is de arbeid gelijk aan de gemiddelde resulterende kracht (in N) vermenigvuldigd met het stukje weg Δs (in m) waarover de kracht werkt. Vraag 34 Bereken de gemiddelde resulterende kracht op de kogel met behulp van de gegevens uit vraag 33. samen met het gegeven dat de loop een lengte heeft van 12 cm. Tijdens de vlucht ondervindt de kogel een wrijvingskracht door de lucht. Deze luchtwrijving zorgt ervoor dat de snelheid weer afneemt. Hier geldt dus dat de arbeid door de wrijvingskracht Flw (in N) de bewegingsenergie doet afnemen.
ΔEkin = − Flw Δs
(5)
Het minteken geeft aan dat het hier gaat om een verlies van kinetische energie. Deze formule geeft de rechercheur een aanknopingspunt over de afstand waarover een kogel is afgeschoten. Uit de inslagdiepte van de kogel is vaak af te leiden wat de bewegingsenergie van de kogel was bij inslag. Deze kan worden vergeleken met de energie zoals berekend bij vraag 33. Het verschil moet verklaard worden door luchtwrijving. Over luchtwrijving is veel bekend. Dus kan via formule (5) de afstand Δs worden bepaald. Luchtwrijving die een kogel ondervindt hangt af van: • De snelheid van de kogel: als de kogel tweemaal zo snel gaat botst hij tweemaal zo hard én vinden er ook tweemaal zoveel botsingen plaats met de luchtmoleculen, dus Flw~v2. • Frontaal oppervlak (A) van de kogel: hoe groter de kogel hoe meer luchtweerstand, dus Flw~A. • De luchtdichtheid (ρ): Flw~ρ. • De vorm van het voorwerp. Hoe meer gestroomlijnd de kogel is hoe kleiner de luchtweerstand. Bij dit soort evenredigheden wordt de invloed van het materiaal of het voorwerp weerspiegeld in de evenredigheidsconstante. Er geldt:
Flw =
1 cw Aρ v 2 2
(6)
waarin Flw = de luchtwrijwingskracht in Newton (N) cw = de vormcoëfficiënt (zonder eenheid) A = het frontaal oppervlak in vierkante meter (m2) ρ = de dichtheid in kilogram per kubieke meter (kg/m3) • v = de snelheid in meter per seconde (m/s) • • • •
De constante cw is de vormcoëfficiënt of stroomlijnfactor van de kogel. Hoe groter deze factor, hoe meer luchtweerstand. Vraag 35 De volgende gegevens zijn beschikbaar: • diameter kogel = 2,15 mm • de stroomlijnfactor cw=0,295 • de luchtdichtheid (ρ) is 1,3 kg/m3 • de massa van de kogel (m)= 2,592.10-3 kg. a. Bereken de wrijvingskracht van de lucht op de kogel als deze een snelheid heeft van 340 m/s. b. Verandert de wrijvingskracht op de kogel als deze onderweg is naar zijn doel? Leg uit. c. We nemen aan dat over een meter afstand de snelheid niet merkbaar zal veranderen. De wrijvingskracht ontneemt de kogel nu bewegingsenergie. Bereken deze energie. d. Met hoeveel procent neemt de snelheid over de eerste meter af? Klopt de veronderstelling bij c? De inslagdiepte Als de kogel is ingeslagen is de bewegingsenergie gebruikt voor vervorming. Hoe groter de bewegingsenergie van de kogel, hoe groter de inslagdiepte. Maar hoe ligt het verband precies? Om hier enigszins grip op te krijgen, zijn experimenten nodig. Nu is schieten op een school niet toegestaan. Maar het gaat hier om energie en vervorming. Is aan de hand van de vervorming vast te stellen hoeveel energie er voor de vervorming nodig was? Experiment 36: vervorming Hoe hangt een vervorming af van de energie die bij het vervormingsproces is omgezet?
Probeer het antwoord op deze vraag te vinden met een experiment waarbij lege colablikjes worden vervormd met een bekende hoeveelheid energie. Deze energie is namelijk afkomstig van een baksteen die op hoogte h wordt losgelaten boven het colablikje. Om te zorgen dat het experiment reproduceerbaar is, wordt gebruik gemaakt van een geleidingsbuis waarvoor een PVC-pijp dienst kan doen. De opstelling is in figuur 17 getekend. De energie van de baksteen is zwaarte-energie waarvoor geldt: Ez = mgh met g = 9,81 N/kg. De vervorming Δs kan worden gemeten door na te gaan hoeveel het blikje korter is geworden. De hypothese is dat om de eerste kreuk te veroorzaken een minimale hoeveelheid energie E0 nodig is en dat de resterende energie evenredig is met de vervorming Δs. In formule: Ebaksteen – E0 = cv·Δs
Vraag In welke eenheid wordt cv uitgedrukt?
Figuur 17: vervorming
Uitvoering • Laat in de opening van de buis de baksteen los (zonder beginsnelheid). Zorg wel dat er een beschermplaatje op de vloer ligt. Doe dat bij drie blikjes van dezelfde soort. • Herhaal dit experiment nog vijf keer, telkens met een andere valbuis en dus bij een andere hoogte h. Verslag Maak een grafiek, waarin je energie van de baksteen uitzet tegen de gemiddelde vervorming Δs van de blikjes. Bepaal mbv de grafiek de vervormingsconstante cv.
Schotwonden Bij schotwonden is voor allerlei soorten ammunitie experimenteel het verband vastgesteld tussen de energie van de kogel bij inslag en de indringdiepte van de kogel. De situatie is vergelijkbaar met de vervorming van colablikjes. Alleen wordt hier voor het vervormde materiaal ballistische gel of gelatine gebruikt die ongeveer dezelfde remmende werking heeft op kogels als het weefsel van het menselijk lichaam.
Bij elk type kogel horen twee constantes: de initiële vervormingsenergie (E0) en de vervormingscontante (cv).
Figuur 18: luchtbukskogel (boven) en revolverkogel(onder)
Vraag 37 In figuur 18 is een luchtbukskogeltje afgebeeld en een revolverkogel. Beide hebben ongeveer dezelfde diameter. a. Leg uit welke van de twee kogels de grootste initiële vervormingsenergie zal hebben en welke de grootste vervormingsconstante cv. b. Het luchtbukskogeltje heeft een massa van 0,7 g. De initiële vervormingsenergie van deze kogel voor de menselijke huid bedraagt 14,8 J. Bereken welke snelheid de kogel minstens moet hebben om het lichaam binnen te dringen. Vraag 38 De kogels die gebruikt zijn bij de moord op Thijssen kenmerken zich door een initiële vervormingsenergie E0 van 8,1 J, nodig om de huid binnen te dringen en vervolgens de vervormingsconstante van 8,3 J/cm . De kogel is bij Thijssen diep binnengedrongen: 17 cm. Het had niet veel gescheeld of de kogel was er aan de andere kant weer uitgekomen. a. Bereken de kinetische energie van de kogel bij binnendringen. Raadpleeg voor eventuele gegevens ook de vorige opgaven. b. Bereken de snelheid die de kogel moet hebben gehad bij binnendringen. c. Bereken hoever de kogel het lichaam was binnengedrongen als de kogel nog maar een snelheid van 200 m/s had gehad bij inslag op het lichaam.
6.3 Dossier Vraag 39 In het politierapport staat beschreven dat de kogel het lichaam van Theo op borsthoogte getroffen heeft en dat er twee voetsporen het bos inlopen. Een voetspoor is afkomstig van Theo. Het andere voetspoor loopt verder het bos in, richting de camping. De persoon van dit voetspoor lijkt op 2 meter van het lichaam van Theo stil te hebben gestaan, aangezien er twee naast elkaar staande voetafdrukken voor het lichaam zijn gevonden. a Op welke hoogte is de kogel waarschijnlijk afgeschoten? Waarom denk je dat? b Denk je dat de kogel van dichtbij of van veraf is afgeschoten? Betrek in je beschouwing de resultaten van het berekeningsprogramma en de uitkomsten van de vragen 33 t/m 38.
c Denk je dat de persoon van de onbekende voetsporen de dader zou kunnen zijn?
40. Opdrachten 40.1 Verband lengte persoon en schiethoogte Er is een verband tussen lengte van een persoon en de waarschijnlijke schiethoogte. Doe bij jezelf en je medeleerlingen enkele metingen om dit verband te vinden. 40.2 Dossier Bespreek met elkaar welke resultaten van de verschillende opdrachten uit handboek 6 in het dossier moeten komen. Voeg de betrokken gegevens toe aan je dossier.
Handboek 7 Bloedonderzoek 7.1 Inleiding Om vast te stellen of er bloedsporen aanwezig zijn op de plaats delict, test een forensische onderzoeker het materiaal met een aantoningsreactie die specifiek bloed kan aantonen. Het is natuurlijk wel van essentieel belang dat zulke aantoningsreacties alleen bloed aantonen en niet op bloed gelijkende substanties. In de komende lessen leer je hoe je zelf bloed kunt aantonen op bijvoorbeeld een kledingstuk.
7.2 Luminol Er zijn situaties waarin men geen bloedsporen met het blote oog kan waarnemen en waarbij men toch het idee heeft dat er wel degelijk bloedsporen aanwezig moeten zijn (geweest). In een dergelijk situatie zou het heel mooi zijn als onzichtbare bloedsporen zichtbaar gemaakt zouden kunnen worden met een bepaalde stof die reageert op de aanwezigheid van bloed. Er bestaat inderdaad een reactie waarbij bloed functioneert als katalysator. Het gaat hierbij om de reactie tussen de stof luminol en de stof waterstofperoxide (H2O2) in een basisch milieu dus bijvoorbeeld in aanwezigheid van natronloog (NaOH). Bij deze reactie komt een prachtig mooi blauw licht vrij.
Figuur 19: reactie van luminol (systematische naam 5-amino-1,2,3,4-tetrahydroftalazine-1,4-dion) met waterstofperoxide in basisch milieu. Met hν wordt een foton bedoeld. Een foton veroorzaakt een licht reactie.
De reactie van luminol met waterstofperoxide in basisch milieu, zoals deze in figuur 19 is weergegeven, verloopt echter bijzonder traag. Gevolg is dat de blauwe kleur maar moeilijk te zien is. De katalyserende werking van bloed zorgt er voor dat de reactie aanzienlijk wordt versneld. Dat zou merkbare invloed moeten hebben op de effecten van de reactie. Een mengsel van luminol en waterstofperoxide vormt dus een reagens op bloed. Het mengsel reageert op de aanwezigheid van bloed en toont daarmee dat bloed
aan. De vraag is of het mengsel luminolwaterstofperoxide-NaOH ook een selectief reagens is. Het mengsel functioneert het mengsel ook als reagens bij: • micro-organismen (denk hierbij aan schimmels en bacteriën) • joodionen en chloorionen, bijvoorbeeld in schoonmaakmiddelen • formalineoplossing (ook wel 'sterk water' genoemd) • peroxidasen in planten zoals vooral in citrusvruchten, bananen, watermeloenen en talloze groentesoorten • een groot aantal verfsoorten. • roest Blauw licht is niet automatisch een bewijs voor de aanwezigheid van bloed. Maar mogelijk is er sprake van verschillen tussen de effecten van blauw-licht-reactie bij de verschillende oorzaken. Uit onderzoek is bijvoorbeeld gebleken dat valse positieve reacties veroorzaakt door bijvoorbeeld verfsoorten vaak onderscheidbaar zijn. Zij luminisceren meestal minder lang dan bloed en geven soms ook een wat andere kleur. De restanten van bleekmiddelen die hypochloriet bevatten (zoals bleekwater) ontleden binnen enkele dagen. Als het vermoeden bestaat dat een misdadiger heeft geprobeerd de bloedsporen met bleekwater weg te spoelen, dan kan de forensische onderzoeker besluiten de sporen enkele dagen te bewaren. De restanten van bleekmiddelen zijn dan verdwenen en beïnvloeden niet meer het resultaat van de luminolproef. De gevoeligheid van luminol voor bloed is zó hoog, dat het hoeveelheden bloed die voor het oog niet meer waarneembaar zijn, makkelijk kan aantonen, ook als op de plaats delict is schoongemaakt. Het maakt voor de blauwkleuring niet uit of er sprake is van bloed van een dier of van een mens. De blauwkleuring van luminol bij aanwezigheid van oud bloed is intensiever dan de blauwkleuring van luminol bij aanwezigheid van vers bloed. Een goede katalysator voor de genoemde reactie is een ijzerion. IJzerionen komen bijvoorbeeld voor in hemoglobine in rode bloedcellen. Luminol reageert dus eigenlijk alleen met de ijzeratomen in het bloed en geeft vergelijkbare resultaten bij een reactie met bijvoorbeeld roest. Luminol is dus wel een gevoelig reagens, maar mogelijk is het geen selectief reagens. Bij een positief resultaat moet het vermoeden van de aanwezigheid van bloedsporen in dat geval bevestigd
worden met meer specifieke reagentia. Een daarvan is bijvoorbeeld de tetrabasetest. Om na te gaan of we met het luminolmengsel een geschikt reagens in handen hebben, is een experiment noodzakelijk. De blauwachtige kleuring van de luminolreactie is goed waar te nemen in een donkere kamer. Experiment 41: luminolreactie
Figuur 20: structuurformule van tetrabase, een stof met de systematische naam N,N,N',N'tetramethyl-4,4'-diaminodifenylmethaan.
Doel van de proef In deze proef ga je onderzoeken of bloed aangetoond kan worden met een mengsel van luminol, waterstofperoxide en natronloog. Bovendien ga je onderzoeken hoe selectief dit reagens is door de reactie met bloed te vergelijken met die van bleekmiddel. Voorbereiding: Een katalysator heeft invloed op de reactie maar hoe uit zich die invloed? Als bleekmiddel en bloed verschillende invloed hebben op de reactie hoe zou dat dan moeten blijken? Kan worden vastgesteld of het hier gaat om een endotherme of een exotherme reactie? Welke stappen zijn nodig om hier achter te komen? Benodigdheden • twee erlenmeyers (100 ml) • glazen trechters (passend op de erlenmeyers) • een luminoloplossing die bestaat uit: 0,1 g luminol 9 g Soda 15 ml van een 3% waterstofperoxideoplossing. aangevuld met gedestilleerd water tot 100 mL • 15 ml bleekmiddel thermometer • 15 ml bloed (uit een pakje vlees uit de supermarkt) • thermometer • een donkere ruimte. Uitvoering Bewaar de helft van de luminol oplossing voor experiment 42 • Doe in de ene erlenmeijer het bloed en in de andere het bleekmiddel. • Verdeel de overgebleven luminoloplossing in twee delen. Gebruik een deel voor het bloed en het andere deel voor het bleekmiddel. • Voeg de luminoloplossing tegelijk toe aan bloed en bleekmiddel.
• Meet de temperatuur in beide erlenmeijers tijdens het experiment. • Beëindig het experiment als je er van overtuigd bent dat je geen helder, blauwgekleurd licht (meer) kunt waarnemen. Vragen bij de proef a. Welke vervolgexperimenten zijn nodig om de luminolreactie tot een goed instrument te maken voor bloedonderzoek? b. Waarom is het niet erg dat de luminol en het waterstofperoxide al samen in één oplossing zitten voordat het bij bloed en bleekmiddel werd gevoegd? Experiment 42: bloedvlekken aantonen Doel van de proef In dit experiment ga je onderzoeken of er bloedvlekken kunnen worden aangetoond op de kledingstukken A, B en C. Kleding stuk A is afkomstig van Giovanni Guiseppe, kledingstuk B van Jan Coster en C van Mandy Groothuizen. Benodigdheden • een plantenspuit of verstuiver met daarin een oplossing van de volgende samenstelling: De helft van de luminol oplossing die je in experiment 41 hebt gebruikt (50 mL) • een donkere ruimte • drie bevlekte kledingstukken (gemerkt A t/m C). Uitvoering • Voordat je de proef uitvoert, noteer je op welke kledingstukken je denkt een bloedvlek te zien; mogelijk zijn meerdere kledingstukken met bloed bevlekt. • Onderzoek of er op de kledingstukken A, B en C bloedvlekken kunnen worden aangetoond.
7.3 Dossier Opdracht 43 a. Bij welke kledingstukken heb je een helder, blauwgekleurd licht waargenomen na besproeiing met de oplossing uit de plantenspuit? Welke conclusie(s) kun je daar uit trekken? b. Welke factoren beïnvloeden de betrouwbaarheid van deze meting? Wat kun je zeggen over de vlekken A, B en C?
Handboek 8 Forensisch DNAonderzoek 8.1 Uit het proces-verbaal In de volgende paragrafen krijg je informatie over de technieken van een DNA-onderzoek en de methode om tot een match te komen. Dat is de taak van een forensisch expert. Of met deze match uiteindelijk het bewijs geleverd wordt, waarmee een verdachte veroordeeld kan worden, is een taak van justitie. Als informatiebron gebruik je het officiële rapport van het Nederlands Forensisch Instituut getiteld: “De Essenties van forensisch DNA-onderzoek.” [Meulenbroek, 2007]. Dit is ook te vinden op het vaklokaal ►de essenties van DNA onderzoek.pdf Ook de politie, het openbaar ministerie, rechters en advocaten gebruiken dit rapport om de noodzakelijke kennis over forensisch DNA-onderzoek op te doen.
8.2 DNA Een DNA-molecuul bestaat uit twee strengen die tegen elkaar aanliggen. De strengen zijn elk opgebouwd uit een lange keten van achtereenvolgens een suiker en een fosfaat (figuur 21). Aan elke suiker zit een stikstofbevattende base (de gekleurde ringen in figuur 21) die via waterstofbruggen vastzit aan een base uit de andere streng (de stippellijnen in figuur 22). Hierdoor zijn de strengen spiraalsgewijs gedraaid, de zogenaamde dubbele helix (figuur 23).
Figuur 21: een stukje enkelstrengs DNA (Bron BioData)
Figuur 22: tweedimensionaal beeld van een stuk dubbelstrengs DNA (Bron Biodata)
Figuur 23: alfa-helix vorm van DNA (Bron BioData)
Er komen in het DNA vier basen voor: adenine (A), thymine (T), guanine (G) en cytosine (C). Tegenover een A zit altijd een T en tegenover een G altijd een C (zie de figuren 21 t/m 23). Als je een DNA streng van het ene eind doorloopt naar het andere eind kom je een code tegen bestaande uit een opeenvolging van A’s, T’s, G’s en C’s. (Zie figuur 22). Alle erfelijke eigenschappen zoals oogkleur, haarkleur, huidkleur, lengte, enzovoort liggen vast in deze code. Aangezien mensen niet allemaal dezelfde oogkleur, haarkleur, en huidkleur bezitten, verschilt de erfelijke
code per persoon. En dit geldt dus ook voor de andere eigenschappen. Er zijn geen twee mensen met identiek DNA. Zelfs het DNA van een eeneiige tweeling vertoont verschillen. Van het DNA zorgt maar 2% voor de erfelijke eigenschappen (haarkleur, en dergelijke). De andere 98% is niet verantwoordelijk voor de erfelijke eigenschappen. Dat noemt men het ‘niet-coderende DNA’. Op dat niet-coderende DNA bestaan sommige plaatsen uit zich herhalende korte DNA-stukjes, bijvoorbeeld de herhaling CTG-CTG-CTG-CTG. Het aantal herhalingen van zo’n stukje zijn per persoon erg verschillend. Sommige mensen hebben vijf CTG herhalingen, terwijl een ander persoon hiervan negen herhalingen kan hebben. Die opbouw van die plaatsen (die hypervariabele gebieden heten) is dus per persoon uniek en daarom bij uitstek geschikt om iemand te identificeren. Als je van een persoon weet hoeveel herhalingen hij heeft op een bepaald stuk in zijn DNA, kun je die vergelijken met het aantal herhalingen van het DNA gevonden op het plaats delict. Wanneer het aantal herhalingen met elkaar overeen komen, heb je een match! Het DNA van de PD komt dus overeen met die van de verdachte. Om een DNA-profiel te maken, kijk je niet naar één stuk herhalingen, zoals alleen de CTG herhaling. Je vergelijkt een aantal herhalingen op verschillende chromosomen. Chromosomen zijn in de celkern aanwezig als kleine bolletjes opgewikkeld DNA. Bij de mens tref je in de celkern 46 chromosomen aan. Ze zijn twee aan twee gelijk. Er zijn dus 23 paren. Van elk chromosomenpaar is één chromosoom afkomstig uit de spermacel van de vader en het andere chromosoom uit de eicel van de moeder. Chromosomen zijn opgebouwd uit lange draden DNA die op eiwitmoleculen zijn gewikkeld. Een DNA-profiel geeft aan hoeveel herhalingen zich op een bepaald stuk op het chromosoom bevinden. Chromosoompaar 1 heeft bijvoorbeeld de code 8/4. Dit betekent bijvoorbeeld dat een persoon acht GTC herhalingen op het chromosoom 1 van zijn moeder heeft, en vier herhalingen op het chromosoom 1 van zijn vader.
Figuur 24: de chromosomen van de mens: een karyogram. Het betreft hier het karyogram van een man met het syndroom van Klinefelter. Hij heeft een X-chromosoom teveel.
Het 23e chromosomenpaar is bij een vrouw evenals de andere 22 paren aan elkaar gelijk. Bij een man bestaat het 23e paar echter uit één ‘groot’ chromosoom en uit een aanzienlijk kleiner exemplaar. Het grote 23e chromosoom wordt aangeduid met de hoofdletter X en het kleine met de hoofdletter Y. Met andere woorden een vrouw is XX en een man XY. De Xen Y-chromosomen worden de geslachtschromosomen genoemd. De andere 22 chromosomenparen zijn de zogenaamde autosomale chromosomen. Ze zijn genummerd van 1 t/m 22. De twee chromosomen van één paar worden homologe chromosomen genoemd. Als iemand een afwijkend aantal chromosomen heeft, heeft dat vrijwel altijd ernstige gevolgen. Het bekendste voorbeeld is de aanwezigheid van 3 chromosomen 21. Het gevolg daarvan is het syndroom van Down. Opdracht 44 In het karyogram van figuur 24 is een X-chromosoom teveel aanwezig. Deze afwijking wordt het Klinefeltersyndroom genoemd. a Lokaliseer de beide X-chromosomen in het karyogram in figuur 24. b Welke verschijnselen heeft iemand die het Klinefelter syndroom heeft?
8.3 DNA als bewijsmateriaal 45. Opdrachten 45.1 DNA-profiel a. Lees de tekst op de bladzijden 4 /m 6 van “De essenties van forensisch DNA-onderzoek – het DNAprofiel”. (Dit is te vinden via het vaklokaal ►de essenties van DNA onderzoek.pdf). b. Verwerk de belangrijkste punten van die bladzijden in een korte samenvatting. 45.2 Biologische sporen a. Noem drie biologische sporen die geschikt zijn om een DNA-profiel van te maken. b. Leg uit waarom je DNA uit wangslijmcellen van een verdachte kunt gebruiken om te bepalen of het bloed dat gevonden is op de plaats delict van de verdachte is. 45.3 Niet-coderend DNA Op pagina 5 van het rapport staat beschreven dat voor het maken van een DNA-profiel de hypervariabele gebieden in het DNA worden bestudeerd. Deze gebieden liggen op het “niet-coderende DNA”. Wat betekent de term “niet-coderend DNA”? “Wel coderend DNA” bevat je erfelijke eigenschappen. Dit noemen we de genen. De genen beslaan slechts 2% van je gehele DNA. Het gaat misschien tegen je gevoel in, maar de volgorde van de bouwstenen van het “wel coderende DNA” verschilt zo weinig per individu dat het ‘wel coderende DNA’ niet geschikt is om er een uniek DNA-profiel van te maken. De genen van alle mensen lijken dus verschrikkelijk veel op elkaar. Opdracht 46 Wat is de kenmerkende eigenschap van de hypervariabele gebieden in het DNA, die ze uitermate geschikt maakt voor een vergelijkend DNA-onderzoek? Leg dit uit door middel van een tekening van deze gebieden bij twee verschillende personen.
8.4 De techniek om een DNAprofiel te maken 47. Opdrachten 47.1 Forensic biology les
Ga naar ►URL6 en doe daar Case One, de forensic biology les. Vraag je leraar/ouders om hulp als je enkele engelse woorden niet begrijpt 47.2 Samenvatting a. Lees de tekst op de bladzijden 7 /m 9 van “De essenties van forensisch DNA-onderzoek – het DNAprofiel”. b. Verwerk de belangrijkste punten van deze bladzijden in een korte samenvatting. 47.3 Begrippen Geef een beschrijving van de onderstaande termen: a. Short Tandem Repeat b. Locus c. DNA-kenmerk d. DNA-profiel Als je een DNA-profiel wilt maken van het DNA van bijvoorbeeld een verdachte, zul je dus per locus moeten bepalen uit hoeveel herhalingen deze locus bestaat. Het is helaas niet mogelijk om dit te bepalen door het DNA onder een microscoop te bekijken. Op de eerste plaats bevat het spoor vaak zo weinig DNA dat je het zelfs onder een microscoop niet zichtbaar kunt maken en op de tweede plaats zou je dan alle chromosomen zien. Je zou geen idee hebben waar de locus die jij wilt onderzoeken zich bevindt. Zoals je op pagina 7 van de brochure “De Essenties van forensisch DNA-onderzoek” hebt gelezen, moeten uit het geïsoleerde DNA de te onderzoeken loci vermeerderd worden om te bepalen uit hoeveel herhalingen (repeats) ze bestaan. De techniek die men hiervoor gebruikt heet de polymerase kettingreactie, ook wel afgekort als PCR (Polymerase Chain Reaction). Met deze techniek is het mogelijk om van het stuk DNA dat je wilt onderzoeken, meer dan één miljard kopieën te maken. Pas als je door middel van de PCR-techniek meer dan één miljard kopieën van alle loci hebt gemaakt kun je ze analyseren, zodat er een piekenpatroon uitkomt, zoals in illustratie 4 van de brochure te zien is.
8.5 De PCR-techniek Uit het geïsoleerde DNA kunnen alle elf loci tegelijk gekopieerd worden door middel van één PCR-reactie. Om de PCR-techniek uit te leggen, nemen we een voorbeeld waarin je slechts één locus zou willen kopiëren.
Stel dat je het aantal herhalingen van locus TH01 op chromosoom 11 van een verdachte wilt onderzoeken. Om te weten waar het kopiëren moet beginnen en waar het moet eindigen, moet je weten hoe de DNA-volgorde er uit ziet van het DNA dat vlak voor en vlak na de herhalingen in TH01 zit. Het aantal herhalingen in TH01 verschilt per persoon, maar de stukken die daar omheen zitten, blijken bij iedereen identiek (Het is gebleken dat 99,5 tot 99,9 % van het DNA van alle mensen identiek is). Schematisch zien de twee ketens van elk chromosoom bij locus TH01 er uit als in figuur 25. Figuur 25: locus TH01 op chromosoom 11
ATGATACTGACTGAC TCAT TCAT TCAT TCAT TCAT TCAT AGTCTACTAG TACTATGACTGACTG AGTA AGTA AGTA AGTA AGTA AGTA TCAGATGATC 6 herhalingen op het ene chromosoom
ATGATACTGACTGAC TCAT TCAT TCAT TCAT TCAT TCAT TCAT TCAT AGTCTACTAG TACTATGACTGACTG AGTA AGTA AGTA AGTA AGTA AGTA AGTA AGTA TCAGATGATC 8 herhalingen op het andere chromosoom De flankerende stukken zijn op beide chromosomen (en zelfs bij alle mensen) gelijk!
Als je de code van de flankerende stukken weet, moet je het beginstukje en het eindstukje (vlak voor en achter de locus) door de PCR-leverancier laten maken. Deze korte stukjes DNA van 15 bouwstenen, de zogenaamde primers, passen precies op het begin en eind van de locus die je wilt kopiëren. Als je de primers toevoegt aan het DNA dat je geïsoleerd hebt, plakken de primers precies voor en achter de locus aan het DNA. Ze passen namelijk maar op één plek. Dat komt doordat een T alleen tegenover een A past en een G alleen tegenover een C. De primers geven als een soort vlaggetjes aan waar de locus begint en eindigt, zodat alleen de locus die tussen de twee primers ligt, gekopieerd wordt. De primers bepalen dus welke locus je kopieert. Het kopiëren begint als je het enzym DNA-polymerase en de DNA-bouwstenen (de nucleotiden A, C, G en T) toevoegt. Alleen op de plaats waar een primer aan het DNA geplakt zit, kan het enzym beginnen met kopiëren. Het enzym DNA-polymerase plakt de juiste DNAbouwstenen op de juiste plek, dus een A tegenover een T en een C tegenover een G.
95 °C Stap 1: de twee strengen DNA laten los bij 95 °C
55 °C Stap 2: de primers hechten bij 55 °C precies op de plaats waar ze passen 95 °C
In figuur 26Stap zie1:je de PCR-reactie de twee strengen DNA in vier fases laten los bij 95 °C afgebeeld.
55 °C 95 °C 2: twee de primers hechten StapStap 1: de strengen DNA bij 55 °C precies laten los bijop 95de °Cplaats waar ze passen
55 °C 72 °C Stap 2: de primers hechten bij 55 °C precies op3:debijplaats ze passen Stap 72 °Cwaar verlengt het enzym DNApolymerase het DNA vanaf de primers
72 °C 55 °C
Stap 3: bij 72 °C verlengt het enzym DNApolymerase het DNA vanafbij de55 primers Stap 2: de primers hechten °C precies op de plaats waar ze passen
Figuur 26: PCR-reactie in vier stappen
72 °C
Stap 4: aan het einde van de eerste 72 cyclus °Cheb je twee identieke stukken DNA. Stap 3: bij 72 °C verlengt het enzym DNApolymerase het DNA vanaf de primers
Figuur 26: PCR-reactie in vier stappen
• Stap 1. De locus die je wilt kopiëren bestaat uit een dubbele streng nucleotiden (plaatje 1 van figuur 26). • Stap 2. De twee strengen laten los als de 72 °C 72 °C temperatuur boven 90 °C komt. Na afkoelen tot 55 Stap 3:Stap bij 72 °C verlengt DNA4: aan het eindehet vanenzym de eerste cyclus heb je 72 op °Cde plek waar polymerase het DNA vanaf de primers °C kunnen de primers vastplakken twee identieke stukken DNA. ze passen 2). van de eerste cyclus heb je Stap(plaatje 4: aan het einde twee identieke stukken DNA. • Stap 3. Bij 72 °C doet het enzym DNA-polymerase vervolgens zijn werk en zet de juiste nucleotiden op de juiste plek (plaatje 3). • Stap 4. Het eindresultaat is 2 identieke stukken DNA (plaatje 4). Vervolgens begint de cyclus weer opnieuw: de temperatuur wordt verhoogd tot 95°C en alle strengen 72 °C laten los. Nadat de primers gehecht zijn (bij 55°C) en Stap 4: aan het einde van de eerste cyclus heb je vanaf die plek het DNA weer verdubbeld is (bij 72°C) twee identieke stukken DNA. heb je vier identieke stukken DNA, enzovoort… Het PCR-apparaat is nodig om steeds de juiste temperatuur voor het DNA en het enzym in te stellen. Door de temperatuur te variëren kan de hele cyclus (plaatje 1 t/m 4) meerdere keren achter elkaar uitgevoerd worden. Na 25 cycli heb je genoeg kopieën Figuur 27: het PCR-apparaat zorgt voor de juiste temperatuur van de locus om te bepalen uit hoeveel herhalingen de locus bestaat.
48. Opdrachten 48.1 PCR-filmpjes Bekijk nu drie verschillende filmpjes over PCR via de links ►URL7-9, zodat je het principe helemaal door krijgt. 48.2 PCR techniek a. Maak een lijst met benodigdheden (stoffen en apparaten) die moet je hebben om een PCR uit te kunnen voeren. b. Wat zijn de twee redenen dat je de PCR-techniek moet toepassen om een DNA-profiel te kunnen maken?
8.6 Het bepalen van het aantal herhalingen In de tekst op pagina 7 van het NFI-rapport “De Essenties van forensisch DNA-onderzoek-het DNAprofiel” staat dat de DNA-analyse-apparatuur de DNAkenmerken als pieken weergeeft. Maar hoe komt dit piekenpatroon tot stand? Tot nu toe heb je geleerd hoe de PCR-techniek van een locus één miljard kopieën kan maken. Maar hoe bepaal je vervolgens het aantal herhalingen van de loci in het DNA? In handboek 5 heb je geleerd hoe chromatografie werkt. Om te bepalen uit hoeveel herhalingen de locus bestaat die je wilt onderzoeken, gebruik je ook een chromatografietechniek. Zodra de PCR-reactie voltooid is (30 cycli duren ongeveer 3 uur), is het eindresultaat een klein buisje met vloeistof. In die vloeistof zijn de miljarden stukjes DNA, die tijdens de PCR-reactie zijn gemaakt, opgelost: dit noemen we het PCR-product. Daaraan kun je met het blote oog dus niets zien. Om te bepalen uit hoeveel herhalingen de kopieën (en dus ook de originele locus) bestaan, breng je deze vloeistof bovenop een heel dunne chromatografiekolom. Onder deze omstandigheden zijn de DNA-stukjes negatief geladen. Om de DNA-stukjes door de kolom te “trekken”, breng je over de kolom een spanning aan. De negatieve pool sluit je boven aan en de positieve pool beneden. De DNA-stukjes worden door de positieve pool aangetrokken en bewegen dus door de kolom naar beneden. Aan het uiteinde van de chromatografiekolom detecteert een laser of er DNA uit de kolom komt. Het apparaat meet ook hoe lang de DNA stukjes er over deden om door de kolom heen te stromen. Het materiaal waarvan de kolom gemaakt is, zorgt ervoor
dat lange stukken (dus met meer herhalingen) daar langer over doen dan korte stukjes (met minder herhalingen). De tijd dat de DNA-stukjes in de kolom verblijven is dus een maat voor het aantal herhalingen.
Figuur 28: een schematische weergave van de chromatografiekolom om de DNA-fragmenten te scheiden. De pijl geeft de stroomrichting van de DNA fragmenten aan.
Opdracht 49 a. Na de PCR-reactie waarin je locus TH01 hebt gekopieerd, is de vloeistof uit het PCR-apparaat op de kolom gebracht. Dit is in de bovenstaande tekening schematisch weergegeven. In de tweede tekening zie je dat de vloeistof twee verschillende PCR-producten bevat. Geef in de tekening aan welke zwarte stip de kopieën van de locus met zes herhalingen weergeeft en welke de kopieën van de locus met acht herhalingen. b. De laser staat niet in de tekening weergegeven. Stel dat het PCR-product van TH01 met zes herhalingen er 10 seconden over doet om door de kolom heen te lopen en het PCR-product met acht herhalingen 12 seconden. Teken het signaal dat de laser detecteert vanaf het moment dat de vloeistof op de kolom werd gebracht. Op de x-as zet je de tijd en op de y– as de hoeveelheid DNA die de laser detecteert. Je hebt in opdracht 49 het DNA-profiel getekend van een analyse van één locus, namelijk TH01. Je hebt met de PCR-techiek en kolomchromatografie bepaald dat
deze persoon het DNA-kenmerk 6/8 voor deze locus heeft. Opdracht 50 Teken exact onder dit piekenpatroon het patroon van een verdachte met het kenmerk 8/8 op locus TH01. Het bepalen één DNA-kenmerk is uiteraard niet genoeg. Zoals je in het NFI rapport “De Essenties van forensisch DNA-onderzoek-het DNA-profiel” in illustratie 3 kunt zien, bestaat een volledig DNA-profiel uit tien DNAkenmerken plus één geslachtskenmerk. In figuur 31 is het piekenpatroon van een volledig DNA-profiel te zien. Vraag 51 Stel dat je niet het DNA kenmerk van TH01 maar van D2S1338 zou willen bepalen. Je zou daarvoor slechts één verandering hoeven toe te passen in de PCRtechniek. Wat is er anders in een PCR voor D2S1338 ten opzicht van een PCR voor TH01? De vraag is natuurlijk hoe je de PCR-techniek en de kolomchromatografie moet uitvoeren om niet één DNAkenmerk, maar alle elf DNA-kenmerken te bepalen. Als je de essentie van beide technieken hebt begrepen, kun je hiervoor zelf een plan van aanpak opstellen. Opdracht 52 Beschrijf hoe je uit het gesoleerde DNA van een verdachte een DNA-profiel van alle elf DNA-kenmerken maakt. Beschrijf waarin deze stappen verschillen van het analyseren van één DNA-kenmerk.
8.7 Een volledig DNA-profiel 53. Opdrachten 53.1 Samenvatting a. Lees in het NFI-rapport “De essentie van forensisch DNA-onderzoek- het DNA-profiel” de bladzijden 10 t/m 13. b. Verwerk de belangrijkste punten van deze bladzijde in een korte samenvatting. 53.2 Tabel met cijfercode piekenpatroon Zoals je in het rapport bij illustratie 6 hebt kunnen lezen, worden de DNA-kenmerken van een profiel als cijfercode weergegeven, zodat ze in een databank kunnen worden opgeslagen. Maak een tabel met de cijfercode van het piekenpatroon op figuur 31 uit dit handboek.
53.3 Onvolledig profiel In het meest ideale geval kun je van een biologisch spoor een volledig DNA-profiel maken. Vaak levert een spoor echter niet van alle loci het DNA-kenmerk. Je spreekt dan van een onvolledig profiel. Hoe kun je verklaren dat je uit een dergelijk DNA-spoor niet alle DNA-kenmerken kunt kopiëren met de PCRtechniek, terwijl je wel voor alle loci de benodigde primers toevoegt? 53.4 Mengprofiel Het kan ook voorkomen dat uit een DNA-spoor blijkt dat er DNA van meerdere personen in het spoor aanwezig zijn. Er is dan sprake van een mengprofiel. Hoe kun je aan het piekenpatroon zien dat er sprake is van een mengprofiel? 53.5 Spermaspoor Van een spoor sperma op de plaats delict kan een DNAprofiel gemaakt worden. Spermacellen bevatten echter van elk chromosoom maar één in plaats van twee exemplaren. Waarom ontstaat er uit een spermaspoor toch een volledig DNA-profiel (dus twee kenmerken per locus)?
8.8 De DNA-databank en het vergelijken van profielen Om de bewijswaarde van gelijke DNA-profielen te bepalen, is het van belang te weten hoe groot de kans is dat de DNA-profielen bij toeval gelijk zijn. Het antwoord op deze vraag wordt uitgedrukt in de 'frequentie' waarmee een DNA-profiel (van het sporenmateriaal) in de populatie voorkomt. De berekening is gebaseerd op populatiegenetische gegevens. Een belangrijk gegeven is hoe vaak een DNAkenmerk in de populatie voorkomt. Dit is de verwachte frequentie van het DNA-kenmerk. In figuur 29 en 30 zijn de frequenties van de verschillende DNA-kenmerken in de Nederlandse bevolking (NL) weergegeven. In figuur 29 is bijvoorbeeld te zien dat 21 herhalingen op locus D2S1338 in Nederland een frequentie heeft van 0,015. Dat betekent dat 1,5% van de Nederlandse bevolking dat kenmerk heeft.
Figuur 29: frequenties voor Nederland van DNA-kenmerken D2S1338, D3S1358, FGA, D8S1179 en THO1 D2S1338
frequentie D3S1358
frequentie FGA
frequentie
D8S1179
frequentie THO1
frequentie
15
0,000
12
0,000
18
0,013
8
0,019
5
0,006
16
0,048
13
0,002
18.2
0,000
9
0,011
6
0,225
17
0,203
14
0,091
19
0,058
10
0,078
7
0,219
18
0,076
15
0,281
19.2
0,000
11
0,087
8
0,104
19
0,128
16
0,253
20
0,145
12
0,147
9
0,132
20
0,171
17
0,193
21
0,177
13
0,346
9.3
0,307
21
0,015
18
0,167
22
0,173
14
0,180
10
0,006
22
0,030
19
0,011
22.2
0,015
15
0,102
23
0,097
20
0,002
23
0,136
16
0,028
24
0,095
23.2
0,006
17
0,002
25
0,117
24
0,158
18
0,000
26
0,017
25
0,074
27
0,002
25.2
0,000
26
0,028
27
0,013
28
0,002
29
0,000
31.2
0,000
45.2
0,000
Figuur 30: frequenties voor Nederland van de DNA-kenmerken VWA, D16S539, D18S51, D19S433 en D21S11 VWA
frequentie D16S539
frequentie D18S51 frequentie
D19S433
frequentie D21S11 frequentie
11
0,000
8
0,015
9
0,000
9
0,000
27
0,017
13
0,000
9
0,123
10
0,011
10
0,002
28
0,180
14
0,067
10
0,067
11
0,006
11
0,004
29
0,223
15
0,076
11
0,340
12
0,134
12
0,061
29.2
0,000
16
0,203
12
0,279
13
0,108
12.2
0,000
30
0,271
17
0,303
13
0,162
14
0,182
13
0,255
30.2
0,030
18
0,223
13.3
0,000
15
0,117
13.2
0,011
31
0,078
19
0,110
14
0,013
16
0,152
14
0,359
31.2
0,074
20
0,013
15
0,000
17
0,141
14.2
0,032
32
0,011
21
0,004
18
0,071
15
0,165
32.2
0,091
19
0,039
15.2
0,037
33
0,002
20
0,026
16
0,037
33.1
0,000
21
0,006
16.2
0,026
33.2
0,022
22
0,004
17
0,002
34
0,000
23
0,000
17.2
0,006
34.2
0,000
25
0,002
18.2
0,002
35
0,000
35.2
0,002
36
0,000
Bij vergelijkend DNA-onderzoek vergelijkt een forensisch onderzoeker DNA van een biologisch spoor
met dat van een verdachte, een slachtoffer of betrokkenen. Hierbij zijn twee resultaten denkbaar: of de DNA-profielen verschillen of ze zijn aan elkaar gelijk. Verschillen de DNA-profielen van elkaar, dan betekent dit dat de persoon niet de donor is van dit spoor. Als het DNA-profiel van het spoor overeenkomt met dat van een persoon, dan spreekt men van een 'match'. De kans dat (een niet-verwant) persoon per toeval het betreffende volledige DNA-profiel heeft, is minder dan één op een miljard. Dit betekent dat het biologische spoor in hoge mate van waarschijnlijkheid afkomstig is van de verdachte. Opdracht 54 a. Stel, een profiel verschilt op één DNA-kenmerk en al de andere DNA-kenmerken zijn gelijk. Moet dan de verdachte uitgesloten worden als donor van dit spoor? Geef een verklaring voor je antwoord. b. Familieleden vertonen veel overeenkomsten in DNAprofiel. Geef hiervoor een verklaring.
8.9 Berekende frequentie van een DNA-profiel De berekende frequentie is de maat voor de zeldzaamheid van een vastgesteld DNA-profiel in de populatie. De berekende frequentie is feitelijk de kans dat een willekeurig gekozen, niet aan de matchende verdachte verwante, persoon hetzelfde DNA-profiel heeft als dat van het spoor. Bij willekeurige voortplanting is de kans dat een DNAkenmerk wordt doorgegeven aan de volgende generatie, groter naarmate het DNA-kenmerk vaker in de populatie voorkomt. Elk DNA-kenmerk heeft binnen een populatie een eigen frequentie. Als er geen andere beïnvloedende factoren zijn (bijvoorbeeld mutatie, emigratie of immigratie), blijven de frequenties binnen een (grote) populatie, zoals in Nederland, door de generaties heen constant. Deze wetmatigheid wordt de regel van Hardy-Weinberg genoemd en kan wiskundig worden afgeleid. Opdracht 55 a. Bestudeer figuur 29. Wat is de frequentie van DNAkenmerk 18 op locus D2S1338? b. Wat is de som van alle frequenties (in Nederland) van de kenmerken op locus D2S1338? Geef hiervoor een verklaring. Zoals eerder gezegd, bij de mens is het DNA verdeeld over 23 paren DNA-moleculen. Van elk paar is één DNAmolecuul geërfd via de vader en één via de moeder.
Een persoon kan dus in locus D2S1338 maximaal twee verschillende DNA-kenmerken bezitten. Neem bijvoorbeeld de DNA-kenmerken 17 en 18. Genetisch gezien kunnen er bij bevruchting ten aanzien van beide DNA-kenmerken 4 combinaties gevormd worden: • 17/17 • 17/18 • 18/17 • 18/18 De frequentie waarmee elke combinatie voorkomt is een product van de frequenties van de beide DNAkenmerken. Stel nu bij een persoon zijn op locus D2S 1338 DNAkenmerken 17 en 18 waarneembaar. DNA-kenmerk 17 komt in de bevolkingsgroep voor met een frequentie van 0,203 = 20,3% (ofwel 1 op de 5). DNA-kenmerk 18 komt voor met een frequentie van 0,076 = 7,6% (ofwel 1 op 13,2). De berekening van de frequentie van voorkomen van deze combinatie van DNA-kenmerken van dat locus, is dan als volgt: 0,203 (20,3%) x 0,076 (7,6%) = 0,015 = 1,5%. Omdat zoals hierboven beschreven, er voor deze DNAkenmerkencombinatie twee mogelijkheden zijn: 17/18 en 18/17 (kenmerk 17 is van de vader geërfd en kenmerk 18 van de moeder, of andersom: kenmerk 18 is van de moeder geërfd en kenmerk 17 van de vader) is een vermenigvuldiging met een factor twee nodig. De berekende frequentie van de DNAkenmerkencombinatie 17 en 18 van dat locus is 2 x 1,5% = 3% , (2 x 0,015 = 0,03). Vraag 56 a. Bereken op basis van boven beschreven gegevens voor locus D2S1338 de frequentie van de DNAkenmerkcombinatie (17/17). b. Reken ook uit wat de frequentie is van de DNAkenmerkcombinatie (18/18).
Figuur 31: het piekenpatroon van een volledig DNA-profiel
Bij analyse van een DNA-spoor worden de verschillende DNA-kenmerken van de loci weergegeven als pieken (zie figuur 31). De hoogte en breedte van een piek is een maat voor de hoeveelheid DNA. Figuur 31 is een weergave van een DNA-profiel met de tien genoemde loci, met voor elk locus één piek. Voor het locus met de code 'VWA' is er bijvoorbeeld één piek zichtbaar (vijftien). Deze persoon heeft hier op beide DNAmoleculen het DNA-kenmerk vijftien. Vraag 57 Waarom is in het bovenstaande DNA-profiel de piek bij locus D3S1358 ongeveer twee keer zo klein als de piek bij locus VWA? Een DNA-profiel bevat altijd een kenmerk dat aangeeft of de persoon een man of een vrouw is. Bij een man geeft dat kenmerk namelijk twee pieken, weergegeven als X en Y. Bij een vrouw is er op deze plaats één piek, weergegeven als X. Vraag 58 Is het bovenstaande DNA-profiel afkomstig van een man of van een vrouw? Een DNA-profiel wordt berekend door de frequenties van de DNA-kenmerkencombinaties die van de afzonderlijke loci zijn bepaald met elkaar te vermenigvuldigen. Een voorbeeld hiervan zie je in figuur 32. Voor alle loci zijn de frequentie van DNAkenmerken berekend.
Figuur 32: schematische weergave van een DNA-profiel met bijbehorende frequenties
locus
locus bevindt zich op:
mogelijk DNAkenmerk
frequentie %
D2S1338 D3S1358 FGA D8S1 179 TH01 VWA D16S539 D18S51 D19S4 33 D21S11 XY
Chromosoom 2 Chromosoom 3 Chromosoom 4 Chromosoom 8 Chromosoom 11 Chromosoom 12 Chromosoom 16 Chromosoom 18 Chromosoom 19 Chromosoom 21 X op X-chromosoom Y op Y-chromosoom
17/17 17/18 21/24 13/14 7/9 16/18 11/13 14/14 13/15 29/32
4,1 6,4 5,6 12,5 5,8 9,1 11,0 3,3 8,4 1,4
Door alle frequenties met elkaar te vermenigvuldigen kun je de kans dat een persoon toevallig hetzelfde DNA heeft, berekenen. In dit geval is dat: 0,041 x 0,064 x 0,056 x 0,125 x 0,058 x 0,091 x 0,110 x 0,033 x 0,084 x 0,014 = 4,14.10−13. Voor een volledig DNA-profiel, dat bestaat uit tien loci, is de frequentie altijd lager dan 1 op een miljard. Vraag 59 Stel dat een spoor slechts een gedeeltelijk profiel oplevert. Alleen de loci D2S1338, FGA, TH01 en VWA zijn bekend. Het profiel ziet er als volgt uit:
locus
DNA-kenmerk
D2S1338 FGA TH01 VWA
17 / 20 21 / 22 9,3 / 9,3 16 / 17
Figuur 33: een gedeeltelijk profiel
a. Bereken op basis van de gegevens in figuur 29 en 30 de kans dat een persoon per toeval dezelfde DNAkenmerken heeft. b. Wat zegt dit over de bruikbaarheid van dit gedeeltelijke profiel?
8.10 Dossier 60. Opdrachten 60.1 DNA-profiel sigarettenpeuk Uit de sigarettenpeuk die gevonden is, blijkt een gedeeltelijk DNA-profiel gemaakt te kunnen worden. Het ziet er als volgt uit:
locus
DNA-kenmerk in spoor
frequentie DNA-kenmerken combinatie per locus
D2S1338 D3S1358 FGA D8S1 179 TH01 VWA D16S539 D18S51 D19S4 33 D21S11 XY
5 /10 19/ 20
28/30
berekende frequentie DNAprofiel: Figuur 34: DNA-profiel uit sigarettenpeuk
a. Vul zelf de tabel in figuur 34 nog verder in. Bereken daartoe eerst de frequenties van de DNA-kenmerken die bekend zijn. Gebruik hiervoor de frequentiewaarden uit de figuren 29 en 30. Bereken daarna frequentie van het gedeeltelijke profiel als geheel. b. Hoeveel mensen in Nederland zullen matchen met dit gedeeltelijke profiel? 60.2 DNA-profielen van de verdachten a. Van welke verdachte is de sigaret afkomstig? b. Had je, door alleen te kijken naar het gedeeltelijk DNA-profiel ook kunnen zeggen van wie de sigaret afkomstig is? c. Op bladzijde 30 staan alle DNA-profielen van alle betrokkenen. Wat kun je zeggen over de DNAprofielen van de familie Thijssen? d. Zijn er meer familie banden te onderscheiden op basis van de DNA profielen? Gaat het hier om een sterke of een zwakke band? e. Zegt een DNA-profiel ook iets over het uiterlijk van een persoon? f. Welke uitspraken kun je op basis van deze profielen doen? g. Welke uitspraken kun je zeker (nog) niet doen op basis van alleen dit forensische DNA-onderzoek?
9. Afsluiting Je hebt in je dossier alle mogelijke gegevens van de verdachten verzameld: gegevens die je uit het politiedossier hebt gehaald en gegevens uit de onderzoeken die je hebt gedaan. 61. Opdrachten 61.1 Dossier Maak je dossier compleet en overzichtelijk. 61.2 Wie is de moordenaar? a. Stel een lijst op van harde feiten die tegen de verdachten pleiten. b. Ga na wie als verdachte afvalt als je deze lijst hanteert. c. Stel een lijst op van feiten die minder hard zijn, maar wel een rol kunnen spelen. d. Verandert deze lijst het antwoord van b? e. Kun je op grond hiervan tot een uitkomst komen?
Huiszoeking en aanhouding Er zijn nu enkele personen voldoende verdacht om een huiszoekingsbevel bij hen aan te vragen. Beslis bij welke personen je wel eens binnen wilt kijken en ga naar je leraar voor deze aanvraag. Als hij van mening is dat jij voldoende bewijs hebt voor een huiszoekingsbevel, zal hij je die geven. Van je leraar krijg je vervolgens een overzicht van wat er in het huis is aangetroffen. Kun je op basis van deze gegevens zeggen wie T. Thijssen heeft vermoord? Of zou je graag nog een huiszoekingsbevel bij iemand anders willen hebben? Daarvoor mag je weer naar je leraar gaan, indien je natuurlijk genoeg bewijs hebt om aan te kunnen tonen dat die persoon verdacht is. Opdracht 62 Er is nog geen sprake geweest van een motief. a. Wat zou het motief van deze moord kunnen zijn? b. Wie zou dit motief kunnen hebben? c. Zijn er nog andere motieven mogelijk? d. Wie komt het meest in aanmerking als de dader, als je alleen op het motief zou letten? e. Vergelijk je conclusies met je medeleerlingen. Na de huiszoekingen heb je waarschijnlijk bewijsmateriaal aangetroffen dat naar een moordenaar wijst. Misschien heb je ook een idee wat het motief van
de moordenaar was. Maar met een vermoeden kun je niet bij een rechtbank aankomen, daarvoor heb je een bekentenis nodig. Om deze bekentenis te krijgen, zul je de verdachte moeten verhoren. Ga naar je leraar, voor een aanhoudingsbevel. Als hij/zij van mening is dat je voldoende bewijs hebt gevonden om de verdachte te verhoren, zal je leraar je de resultaten van het verhoor geven. Heb je een bekentenis? Opdracht 63 Klopt het motief van de moordenaar met jouw idee? Maak het dossier compleet.
URL-Lijst URL1 URL2 URL3
URL4 URL5
URL6
URL7
URL8
URL9
Nederlands Forensisch Instituut http://www.forensischinstituut.nl Estimating the Time of Death http://www.pathguy.com/TimeDead Wandelzoekpagina, burlende herten http://www.wandelzoekpagina.nl/burlende_ herten/damhert.php?naam=damhert1 Wikipedia over Dactyloscopie http://nl.wikipedia.org/wiki/Dactyloscopie Wikipedia over gaschromatografie http://nl.wikipedia.org/wiki/Gaschromatogr afie CSI, the experience: web adventures http://forensics.rice.edu >doe de Case One, de forensic biology les Animatie PCR http://www.bioplek.org/animaties/molecula ire_genetica/PCR.html Animatie PCR http://www.youtube.com/watch?v=_YgXcJ4n -kQ Animation PCR http://www.sumanasinc.com/webcontent/a nimations/content/pcr.html
