Identifikace barviv pomocí Ramanovy spektrometrie V kriminalistických laboratořích se provádí technická expertíza písemností, která se mimo jiné zabývá zkoumáním použitých psacích prostředků: tiskových inkoustů, propisek, centropenů, razítek, atd. Analýza tohoto typu pomáhá zodpovědět následující otázky: • Zda byly dokumenty napsané stejným psacím prostředkem? • Zda jsou dokumenty pravé? • Zda byly dokumenty vytvořené ve stejnou dobu, nebo • Jak starý je zkoumaný text? Každý zpochybněný dokument je nejdříve zkoumán vizuálními metodami. Objekt se posuzuje pouhým zrakem nebo s pomocí lupy za denního nebo umělého osvětlení, případně v různém barevném osvětlení. Při expertíze je potřeba pracovat v gumových rukavicích, aby nedošlo ke kontaminaci nebo poškození dalších případných stop. Když výše uvedené metody nedávají jednoznačné odpovědi, je nutné použit další techniku. Tabulka 1: Analytické metody využívané v analýze inkoustů. Metoda Optická mikroskopie v polarizovaném světle – Polarized Light Microscopy (PLM) Chromatografie na tenké vrstvěThin Layer Chromatography (TLC) Infračervená spektroskopie a mikrospektrofotometrie Ramanova spektroskopie
Destruktivní? ne ano ne ne
Rentgenová analýza ne Hmotnostní spektrometrie – Mass Spectrometry (MS) Hmotnostní spektrometrie indukčně vázaného plazmatu ICP-MS Hmotnostní spektrometrie indukčně vázaného plazmatu s laserovou ablací (LA-ICP-MS) Pyrolyza GC/GC-MS
Závisí na zkoumaném vzorku a způsobu ionizaci ano
Využiti Charakteristika barviv, určení pořadí nanesených barviv, makroskopická analýza. Srovnávací analýza pigmentů a barviv. Charakteristika barviv a polymerů, srovnávací analýza zkoumaných objektů. Charakteristika anorganických barviv, komplexní expertiza při určování fází pigmentů uměleckých předmětů (obrazů, soch, plastik apod.), automobilových laků. Charakteristika organických složek badaného objektu. Charakteristika barviv. Charakteristika barviv.
Ne/minimálně ano
Charakteristika pryskyřic.
Kriminalistické laboratoře upřednostňují spektroskopické metody, a to z důvodu, že tyto metody nepotřebují speciální předúpravy vzorku a navíc jsou nedestruktivní. Při analýze inkoustů musíme pamatovat, že se jedná o směs látek (filmotvorné látky, aditiva, rozpouštědla, konzervační prostředky, barviva). Mezi hlavní složky inkoustů patří pojivo, konzervační a barvonosné látky. Typické složení inkoustu v kuličkovém peru je: 50 % rozpouštědla, 25 % barviva, 25 % jiné látky, ale konkrétní chemické a množstevní složení inkoustů je u všech výrobců výrobním tajemstvím.
Chemické a fyzikální vlastnosti psacích prostředků závisí na jejich podobě a to zejména na původní podobě, kdy se jedná o nádobky s inkousty, tušemi, různými druhy tužek a popisovačů, nebo v podobě po jejich aplikaci na zkoumaný objekt (otisky razítek, vytvořený tisk, psací tahy různých psacích prostředků). Původní podoba vzorků přináší méně informací a z hlediska interpretace výsledků je jednodušší. V případě aplikování inkoustů na objekt (nejčastěji papír) se mění jejich vlastnosti z úvahy na probíhající změny (odpařování rozpouštědel, polymerace, oxidace nebo jiné chemické reakce).
Ramanova spektrometrie Ramanova spektrometrie je perspektivní, nedestruktivní metodou umožňující analýzu in-situ. Nejčastěji je využívána pro identifikaci zakázaných drog, analýzu vláken, inkoustů, výbušnin, padělaných výrobků a peněz. Ramanova spektroskopie podobně jak infračervená spektrometrie (IČ) měří vibrační pohyby molekuly, observovaný fyzikální jev je však rozdílný. Ramanova spektrometrie měří rozptyl světla, zatímco IČ je založena na absorbci fotonů. Ramanovo spektrum je závislostí intenzity rozptýleného záření na Ramanově posunu ∆ν (cm-1), což je rozdíl energie mezi laserovým paprskem a rozptýleným zářením. Intenzita Ramanových čar je dána změnami polarizovatelnosti molekuly během vibračního pohybu. Absorpční pásy mající vrcholy v intervalu 4000–1500 cm-1, jsou vhodné pro identifikaci funkčních skupin (např. –OH, C=O, N–H, CH3 aj.). Pásy v oblasti 1500–400 cm-1 se nazývají oblastmi „otisku palce“ (fingerprint region). Změřená Ramanova spektra neznámých vzorků jsou srovnávána s referenční knihovnou spekter, čímž se metodou otisku prstu identifikují neznámé molekuly.
Pozorované typy čar v Ramanově spektru: →Rayleighův čáry - když se molekula po interakci se zářením vrátí do stejného energetického stavu. Při přechodu z vyššího do nižšího energetického stavu dojde k vyzáření fotonu se stejnou vlnovou délkou, jako měl budící laser. → anti-Stokesovy čáry - v oblasti vyšších frekvencí. Pokud se elektron při přechodu dostane do nižší energetické hladiny, než ze které byl vybuzen, dojde k vyzáření fotonu s kratší vlnovou délkou. → Stokesovy čáry - u nižších frekvencí Ramanova spektra. Molekula po interakci se zářením se přenáší do vyššího energetického stavu. Elektron se po excitaci vrátí na vyšší energetickou hladinu, než ze které byl vybuzen, tak dojde k vyzáření fotonu s delší vlnovou délkou než má budící laser. Všechny typy čar jsou schematicky znázorněny na Obr. 1.
Obr.1. Ramanův rozptyl a Stokesovy a anti-Stokesovy linie.
Experimentalní uspořadaní Zdroj monochromatického záření z UV/VIS oblasti: rtuťová výbojka (dříve), lasery (plynové nebo pevnolátkové; oblast VIS nebo blízká IČ) Vzorek: plynný, kapalný, pevný Kyvety skleněné nebo nefluoreskující křemenné; vyhřívané, chlazené, rotující Rozpouštědla: vodná, organická se slabými Ramanovými pásy Detektory: dříve fotografická deska, dnes fotonásobič, event. diodové pole
Obr. 2 – Schéma Ramanova spektrometru [5].
Častým problémem, který se vyskytuje při analýze inkoustů Ramanovou spektroskopií, je fluorescence. K eliminaci tohoto problému se využívá buď concave baseline correction nebo metoda povrchem zesíleného Ramanova rozptylu (SERS). SERS využívá skutečnost, že Ramanův signál z molekuly adsorbované na povrchu některých kovů (např. Ag, Au) může být výrazně silnější než Ramanův signál z té samé molekuly (může být řádově až 105-106). Úkol: Porovnejte inkousty ze dvou částí dokumentů. Zjištěte zda byl dokument padělán. Pomůcky a chemikálie: Roztok Ag nanočástic o koncentraci 5M, pipety, kádinky, viálky na vzorky, propisky, nůžky Postup: 1. Proveďte odběr vzorků z dokumentu a z dostupného srovnávacího materiálu (různé propisky) 2. Proveďte extrakci do methanolu – rozpusťte odebraný vzorek v 500 µl methanolu, umístěte do ultrazvukové lázně na 5 minut 3. Proveďte SERS experiment, z důvodu zesílení signálu a redukce možné fluorescence – k 1 ml Ag nanočástic přidejte 10 µl roztoku NaCl a 10µl vzroku Podle pokynů vedoucího cvičení proveďte měření pomocí Ramanovy spektroskopie 4. Proveďte vyhodnocení spekter a srovnejte naměřená data Tabulka 2: Parametry měření pro Ramanovu spetrometrii Ramanův spektrometr (Nicolet) Laser Nd:YAG (1064 nm) Rozsah vlnočtů 4000-500 cm-1 Rozlišení 4 cm-1 Počet skenů 64
iRaman Plus spektrometr Laser 532 nm Rozsah vlnočtů 4000-200 cm-1 Rozlišení 4 cm-1 Integrační čas 2000 ms
Dělič paprsků Detektor
Opakování Výkon laseru
CaF2 InGaAs
10 100 %
Doplňující otázky: 1. Které další analytické metody, by bylo možné použít pro analýzu inkoustů a barviv? 2. Navrhněte metodu pro odhalení padělání úředních razítek.
Použitá literatura: 1. J. Straus, J. Suchánek, V. Porada „Kriminalistické stopy obsahující informaci o vlastnostech vnitřní stavby (struktury) nebo vnitřního složení objektu”, Soudní inženýrství ročník 15, 2004. 2. I. Doležal: Svět tisku-Padělání tiskovin. http://www.svettisku.cz/buxus/generate_page.php?page_id=7003&buxus_svettisku= (20.10.2014). 3. S. Bell: Forensic Chemistry, Parentice Hall, 2005.
4. P. Matějka: „Ramanova spektroskopie“ v Návody pro laboratorní cvičení z analytické chemie III, (Matějka P. a kol.), VŠCHT Praha 2002, vydání první. 5. V. Milata a kol. Aplikovaná molekulová spektroskopia 1. vyd. Bratislava: Slovenská technická univerzita v Bratislavě. 2008. 602 s. 6. J.M. Chalmers, H.G.M. Edwards, M.D. Hargreaves, by John Wiley & Sons, Ltd., 2012. Infrared and Raman Spectroscopy in Forensic Science, chapter: A. Guedes, A.C. Prieto, Raman Spectroscopy for the Characterizations of Inks on Written documents.
Příloha 1: Charakteristické vlnočty absorpce pro Ramanovu spektrometrii
