金屬穩定同位素技術與法庭科學應用展望

郭洪玲，梅宏成，王萍，胡燦，鄭繼利，李亞軍，朱軍

（公安部鑒定中心，北京 100038）

同位素是指具有相同原子序數（即質子數）和不同質量數（或中子數）的核素。 受質子數和核外電子數的控制，在大多數化學反應中，同位素的化學行為非常相似，但不同的質量數會使元素的不同同位素在質譜行為、放射性轉變和物理性質（比如在氣態下的擴散本領）等性質上有所差異。 元素周期表中的大多數元素由兩種或多種同位素（最多10 種）的混合物組成，只有21 種元素（Be、F、Na、Al、P、Sc、Mn、Co、As、Y、Nb、Rh、I、Cs、Au、Bi、Pr、Tb、Ho、Tm、Pa）僅由一種同位素組成，具有兩種或兩種以上穩定同位素的元素為通過同位素比值來研究相關信息提供了可能性。

元素及其同位素的最初形成發生在宇宙形成之初和隨后的恒星核聚變和衰變過程中[1]，但受到放射、物理、化學、生化、溶解、吸附等分流作用，不同元素的同位素組成變化很大[2]，這就使得通過穩定同位素比值的變化推斷其所經歷的各種變化提供了可能性。 H、B、C、N、O 和S 等輕元素穩定同位素變化研究已開展了多年，在很多領域都有涉及。 在地球化學領域，穩定同位素地球化學已形成一門獨立的學科。此外，穩定同位素技術還被廣泛應用于農業、醫學、環境科學、考古等研究領域。在法庭科學領域，輕元素穩定同位素已在毒品來源推斷中得到良好的應用[3]。 人體組織中發現的碳（δ13C）、氮（δ15N）和硫（δ34S）穩定同位素直接或間接反映了個人飲食特征。 因此，近年來，基于食物和飲用水輸入的穩定同位素生物標記物通常用于評估個人的飲食模式，并在利用骨骼、牙齒、肌肉或角蛋白組織中的同位素分析來區分不同地理區域個體的研究中得到應用[4-7]。

輕元素穩定同位素通常采用同位素比值來表示同位素的組成。 以C 元素同位素為例，在報告C元素的穩定同位素比值時，首先計算樣品中自然豐度較低的13C同位素與自然豐度較高的12C同位素的比值，再計算樣品的該比值與標準樣品該比值的比率。 由于該比率通常很小，為了便于報告，將該比率轉換為δ 表示法[8]，并以千分之一（‰）的形式表示[δ13C=（Rsample/Rstandard-1）×103]，Rsample、Rstandard分別表示樣品、標準樣品的同位素比值。 氫（2H/1H）、氧（18O/16O）、氮（15N/14N）和硫（34S/32S）的同位素比符號分別為δ2H、δ18O、δ15N 和δ34S。 對于數值不是很小的金屬同位素比值可直接采用比值來表示，如Pb 和Sr 元素的同位素比值；而對于比值很小的同位素，可采用與傳統同位素比同樣的方法，用δ 值表示，更小的則采用ε 表示[ε112/110Cd=（Rsample/Rstandard-1）×104]。 輕元素同位素比值δ 值的變化范圍通常在103級別，而Fe、Cu、Mo、Cd、Sr、Pb、W、Tl 和U 等金屬元素同位素ε 值的變化范圍在104級別[9]，因此要檢測到很小金屬元素同位素比值的變化需要非常精密的儀器和方法。 隨著無機質譜技術的快速發展，特別是高分辨電感耦合等離子體質譜以及多接收電感耦合等離子體質譜的發展，徹底改變了同位素比值測量的精度，使得金屬穩定同位素比值的檢驗成為可能。 20 世紀60 年代以來，金屬穩定同位素補充了傳統的輕元素穩定同位素體系，元素周期表上有更多元素（Li、B、Ca、Cu、Zn、Cr、Sr、Pb、Hg、Tl、U等）在地球科學[10]、環境科學[11]、農業及食品[12]、考古[13-14]、生物及醫學[15]等領域得到廣泛應用。本文通過對相關文獻進行調研，綜述了不同種類的金屬穩定同位素在上述不同行業和領域的應用，以期為金屬穩定同位素比值技術在法庭科學的應用提供思路和借鑒。

1 地球科學

同位素分析可為地球化學家了解地球化學和物理演化過程提供重要信息。 金屬同位素比值分析在地球化學領域的應用開展較早，2004 年，JOHNSON 等[16]對金屬穩定同位素相關的基本概念、分析方法和理論預測等相關內容進行了詳細介紹，并對10 種元素（Li、Mg、Cl、Ca、Se、Cr、Fe、Cu、Zn、Mo）的開拓性工作進行了綜述。 同位素在地球科學中的應用主要集中在兩個方面：一方面是通過金屬同位素比值的變化來示蹤礦物以及土壤的風化過程，同時研究在不同的物理、化學、生物等過程中，金屬穩定同位素的分流作用；另一方面是通過金屬同位素比值來推斷礦產的年代與地域。 在地球科學領域常用的金屬穩定同位素包括Sr、Pb、Nd、Fe、Cu、Ni、Cd、Zn 等元素。 NICHOLAS 等[17]通過分析海水中Fe、Cu、Ni、Cd 和Zn 元素的同位素組成，研究了2018 年基拉韋厄火山噴發對沿海海洋造成的化學成分的改變，在遠離熔巖進入位置的海水中，相對于背景值，多種金屬成分含量增加，且觀察到Fe、Cu、Ni、Cd 和Zn 的獨特同位素組成，并對產生這些獨特同位素組成的原因進行了推斷和解釋。BALBONI 等[18]報告了來自美國不同礦床的11 種鈾礦樣品和1 種鈾精礦中主要、次要和微量元素數據以及Sr 同位素比值。該研究中的鈾礦代表了通過不同礦化模式（例如高溫和低溫）以及在包括巖漿偉晶巖、變質巖、砂巖型和輥前沉積物等各種地質背景下形成的礦石。 通過研究數據，特別是Sr 同位素比值數據，表明了這11 種鈾礦樣品由于礦化模式以及地質背景的不同，其元素組成和Sr 同位素比值均有差異。 該研究結果為鑒定核材料的地理來源提供了方法參考。 在法庭科學領域，涉及高經濟價值礦石的偷盜、地質材料的地源推斷的案件中，Sr、Pb、Nd、Fe、Cu、Ni、Cd、Zn 等同位素組成將會提供非常有用的信息。

2 環境科學

金屬元素在環境中不停地循環， 其作用包括：（1）作為地球表面過程的組成部分，如在風化、成土等地質過程中，金屬元素是重要的組成部分；（2）微量金屬元素作為生物體的營養物質，通過植物、微生物、動物等食物鏈環節進行循環；（3）作為影響自然環境的污染物，通過人為的開礦、工業生產的排放等參與到環境循環中。 金屬穩定同位素進入環境中，會通過各種過程發生分餾，這些過程包括氧化還原轉化、絡合、吸附、沉淀、溶解、蒸發、擴散、生物循環等。 以上過程復雜多變，均會改變金屬穩定同位素在環境中的分布情況。 WEISS 等[19]介紹了進行環境樣品中金屬穩定同位素分析的儀器要求、基本理論，并綜述了環境中經常關注的6 種主要污染物Cr、Cu、Zn、Se、Cd、Hg 的同位素系統、分餾過程，討論了非傳統穩定同位素系統在確定環境中污染物的來源、變化和行為方面的潛在意義和應用。 此外，WIEDERHOLD[20]從理論上對穩定金屬同位素在環境中的變化進行了詳細介紹。

金屬穩定同位素比值檢測技術在環境科學中的應用圍繞金屬污染物在環境中的來源推斷及污染物在環境中隨時間的遷移和變化的報道較多。 金屬穩定同位素用于污染源推斷主要基于不同來源的金屬元素的同位素組成不同。 如果所涉及的不同來源的同位素組成已知且差異明顯，則最終樣品中金屬穩定同位素比值可通過不同來源物質的貢獻進行量化計算，雖然混合過程存在稀釋作用，但稀釋過程本身并不會改變同位素比值。 最終環境樣品中的金屬穩定同位素比值δ 可通過每一個來源中該金屬穩定同位素δ 值乘以該來源占所有來源的比值來計算，具體可用以下公式進行表示：

其中：δsample為樣品中金屬穩定同位素比值測定值；δpoolA、δpoolB分別為來源A、B 中該金屬穩定同位素比值，δpoolA+δpoolB=1；fpoolA、fpoolB分別為來源A、B 占總來源的比值。

由公式（1）可知，最終樣品中金屬同位素比值不僅與來源的該金屬同位素比值有關，還與該來源在所有來源中所占的比例有關。 但通過金屬穩定同位素比值來進行污染源推斷往往是非常復雜的，主要是因為：（1）不同來源的同位素組成不夠精確或不夠清晰；（2）來源多且復雜；（3）樣品的同位素特征還受到其他因素的影響。 因此，利用金屬穩定同位素進行污染源推斷，在沒有受到分餾過程影響、各來源穩定且同位素特征明確的情況下，效果是最佳的。

國外學者在利用同位素技術進行污染源推斷工作中已進行了大量研究工作。 SHERMAN 等[21]對2003—2007 年期間在五大湖地區七個地點采集的每日降水樣品中的Pb、Sr 和Hg 元素的同位素比率進行測量。 結果發現：Pb 同位素比值（207Pb/206Pb=0.806 2～0.855 4）表明了五大湖地區的Pb 元素的主要來源為煤炭燃燒和密西西比河谷型鉛礦床的沉積物；Sr 同位素比值（87Sr/86Sr=0.7085 9～0.7115 5）在不同區域的差異可能與粉煤灰和土壤粉塵有關；Hg同位素比值（δ202Hg=-1.13‰～0.13‰）也因地點而異， 這可能是由于不同區域Hg 同位素組成不同，并且Hg 元素在工業過程和大氣中發生了分餾作用。該研究表明，多種金屬元素同位素比值分析結合傳統的微量元素多元統計建模分析，能夠準確地對重金屬實現污染源溯源和歸屬判別。

國內學者利用金屬穩定同位素技術也對某些重金屬的來源進行了研究。 LI 等[22]詳細描述了儀器和分析程序，重點介紹了3 種典型的金屬穩定同位素（Ag、Hg 和Zn）的案例，以說明是如何應用于解決環境問題的。 此外，該學者還討論了金屬穩定同位素技術作為推進環境化學的新方法的適用性和局限性。 BI 等[23]對?？谑谐鞘型寥乐兄亟饘俚暮窟M行測定，結果表明，從?？谑刑崛〉拇蟛糠滞寥乐兄亟饘俸烤黠@低于指標值和其他大城市土壤中重金屬的含量。 Pb 同位素分析結果表明，玄武巖母質、交通排放和煤燃燒是控制土壤中重金屬分布的主要因素。?？谑型寥赖腜b 同位素特征與北京市、上海市土壤差異較大，但與廣州市土壤相似，這表明南方城市具有相同的Pb 重金屬污染來源。 將自然本底源、燃煤源和交通排放源作為Pb 同位素的主要來源，通過三元混合模型計算，以上三個來源對Pb 的貢獻率分別為5.3%～82.4%（平均值39.7 %±21.1 %）、0～85.7 %（平均值25.5 %±24.6 %）和1.9%～64%（平均值34.8%±22.9%），排放仍是?？谑蠵b 的最主要人為來源。

3 食品科學

世界全球化意味著越來越多的食品在世界各地進行貿易，不同來源的同種類食品品質差別很大，甚至有些地區來源的食品會帶有某些病菌，引起消費者的恐慌。 因此，對食品進行真實性檢驗是保證食品安全的重要環節。 食品的不真實是指使用了與標簽不相符的食品成分、生產工藝和原料來源等。 傳統同位素技術在食品的真實性檢驗中已開展了多年。 ROSSMANN[24]綜述了C、H、O、N、S 元素的同位素分析技術在果汁、葡萄酒、烈性酒、蜂蜜、牛奶、橄欖油等樣品是否摻水以及來源推斷等方面的應用。 傳統同位素技術在食品的生產工藝判定方面的研究較多，例如判斷果汁是否為純壓榨還是由濃縮液稀釋而來，雞蛋主要是由喂什么飼料的雞生產的，橄欖油中是否加入了廉價的其他堅果油等。但在食品的地源推斷方面，金屬穩定同位素有其獨到的優勢。 有研究報道，常用于食品地源推斷的金屬穩定同位素是Sr 元素。 不同地源的產品由于其地質歷史不同，通常具有特征Sr 同位素信息，而且該特征信息通過生化、物理等作用后也通常不發生改變。Sr 元素同位素通過食物鏈進入到植物或動物體內，還保留著原有地源的Sr 同位素特征。 因此，通過對食物樣品進行87Sr/86Sr 分析，能夠對其進行地源推斷。 2005 年，歐盟委員會（European Commission）發布了Trade Reporting and Compliance Engine（TRACE）計劃①http://www.trace.eu.org.，其目標是根據任何特定地區的氣象和地質數據，為所研究糧食商品的多元素穩定同位素和微量元素組成建立空間預測模型。 RUMMEL等[25]根據該計劃，利用Sr 元素同位素對歐洲12 個不同國家（法國、德國、希臘、愛爾蘭、意大利、西班牙和英國等）206 頭牛的牛肉中Sr 同位素比值（87Sr/86Sr）進行了測定。 該研究團隊還對牛肉樣品的凍干法、脫脂干燥法等前處理方法進行了比較，同時對不同部位的牛肉Sr 同位素比值進行了分析。 Sr同位素比值在不同牛肉部位的差異較大，超出了儀器分析本身的不確定度，給結果解釋和利用帶來一定的困難。 該研究證明，利用Sr 同位素進行牛肉地理來源推斷是一個有價值的工具。 雖然部分同位素檢測數據有重疊，但對部分牛肉樣品，僅通過Sr 元素同位素也可以準確進行地源推斷。 因此，該研究團隊建議，針對肉類樣品的來源推斷，金屬元素同位素分析結合其他化學參數一起分析是必要的。 由于肉類等樣品形成組織的成分多樣且生化生理過程復雜，導致其基質非常復雜，要想通過同位素信息進行地源推斷，需要進一步對單個組織的同位素代謝率進行研究和實驗。

SUSANNE 等[26]對650 種不同的歐洲天然礦泉水的Sr 同位素比值進行調查，發現天然礦泉水中87Sr/86Sr 值的變化范圍為0.703 5～0.777 7，表明受到了從年輕地幔衍生玄武巖到非常古老的硅質大陸地殼的巖石多樣性的影響。 利用大規模調查的結果，通過將測量數據與基于地理信息系統的歐洲地質圖譜相結合，對Sr 同位素比值進行一種新的空間預測，所得圖譜可用于預測地下水中Sr 同位素組成，進而預測通過植物吸收進入食物鏈的Sr同位素在生物圈中的組成。

4 生物學及醫學

同位素技術作為一種工具，其在醫療和營養領域的應用已經建立起來。 例如，利用元素的衰變進行癌癥的放射性治療[27]。 這些技術都是利用一種特殊的人工富集的同位素，將其添加到人體中進行治療或監測新陳代謝。 金屬元素作為人體必需的微量元素，在人體的代謝中發揮著重要的作用，利用人體內固有元素的同位素組成進行醫學診斷和監測是非常具有前景和意義的工作。 自20 世紀60 年代進行第一次實驗以來，穩定同位素技術已成為研究生物系統中礦物質和微量元素變化過程不可或缺的工具[28]，隨后使用該技術的研究迅速增加。 利用Ca 同位素分析來研究骨代謝是迄今為止研究最多的生物學應用，研究[29]表明，Ca 同位素組成與骨髓癌有顯著的關系，為實時評估骨髓癌誘導的骨病提供了一種新的方法。 2007 年，SKULAN 等[30]報道了較輕的42Ca 比44Ca 同位素更容易集中在骨退化患者的尿液中。 在骨骼形成過程中，42Ca 優先融入骨骼，但隨著骨骼的惡化，42Ca 會更容易滲入周圍的軟組織、血液，最終進入尿液，從而改變了尿液中Ca 同位素的比例，為骨病的診斷提供了依據。同時，為了評估航天員在失重狀態下對人體骨骼的影響，利用Ca 同位素比值分析航天員的尿液，可快速反映出航天員是否出現骨質疏松等問題，而傳統的骨密度掃描方法需要航天員在失重狀態下很長時間后才能檢測出來[31]。

除Ca 元素外，其他一些重元素同位素也開始應用于各種疾病的診斷中。 例如，Fe 的穩定同位素不僅可以告知體內Fe 的代謝情況， 還可以用于診斷肝臟疾病和貧血。 此外，肝臟疾病和癌癥（包括乳腺癌、肝癌和結腸癌）都會導致血液中較輕的Cu 穩定同位素的富集[32]。 盡管導致這種轉變的機制尚不清楚，但并不妨礙其在疾病預測和診斷中的作用。LARNER 等[33]發現，在早期乳腺癌中，相對于健康的乳房組織，乳腺腫瘤中Zn 的輕同位素的富集程度更高。 這些研究均表明，當人體組織發生病變時，其組織內的金屬穩定同位素就會發生分餾，因此利用金屬元素同位素的比值變化，可以對疾病進行預測和診斷。

但是利用金屬穩定同位素比值變化進行疾病診斷，還需要克服兩個困難：一個是樣品前處理和儀器分析問題。目前，生物組織樣品的前處理普遍采用的是微波消解和離子交換樹脂進行純化的方法，繁雜耗時；金屬同位素分析所用的儀器通常為多接收電感耦合等離子體質譜儀，該儀器價格較為昂貴，儀器普及存在困難。 另一個是需要研究不同金屬穩定同位素比值在正常人的不同生物組織內（如尿液、血液、肝臟、乳房組織等）的基礎數據分布情況，這個需要大量的樣本和研究才能獲得。 以上問題都限制了金屬穩定同位素技術在該領域的廣泛應用。

5 金屬穩定同位素技術的法庭科學應用展望

5.1 金屬穩定同位素技術的法庭科學應用

穩定同位素技術在國外法庭科學中的應用開展的較早，有研究[34-36]通過對指甲或頭發中13C、2H、15N、34S 這4 種穩定同位素比值的分析，以確定人的起源和身份不明遺骸的來源。 目前，國內法庭科學領域對該技術的研究和應用才剛剛開始，除開展類似研究外[37]，還利用同位素比值技術對硝銨炸藥[38]、黑火藥等物證的來源開展了研究。

金屬穩定同位素分析技術在法庭科學中的應用報道主要集中在通過對涉案人員的牙齒和骨骼中Sr 同位素進行分析，以確定尸體來源，該方面的應用與食品中利用Sr 同位素進行地源推斷是相類似的，都是基于地質環境中Sr 同位素特征，即通過食物鏈進入人體后還保留著原有地源的Sr 同位素特征。 Sr 具有與Ca 元素類似的化學特征，容易集中在骨骼、牙齒、動物角等堅硬的生物組織中。BEARD等[39]指出堅硬的生物組織在生物體生命周期的不同階段進行Sr 元素的積累和交換，可用于推斷組織生長周期內地理位置的變化。 由于Sr 和Ca 元素在牙齒長成后不再變化，因此牙齒中Sr 元素的同位素組成反映的是牙齒所有者所處童年時代的地質環境特點。 而骨骼由于在長成后一直在發生變化，但速度較慢，故骨骼中Sr 元素的同位素組成反映的是骨骼所有者在過去十年至二十年的生活環境的特點。因此，根據檢驗需求，合理選擇進行Sr 同位素分析的樣品，能夠推斷涉案人員的地源特點。 當然，在有些案件中可能會處理已經埋葬很多年的尸體，如果腐蝕嚴重，并不容易對骨骼或牙本質進行Sr 同位素檢驗，此時，可對牙釉質進行檢驗。 牙釉質表面密實無孔，大大降低了地下水等的侵蝕作用，對其進行Sr同位素分析則相對骨骼或牙本質更加容易。 牙釉質中Sr 同位素檢驗在重建個體歷史，如地理位置遷移或飲食結構變化方面已有成功應用[40-41]。正如上文所提到的，通過Sr 穩定同位素技術進行地源推斷需要有基礎數據作為支撐，而基礎數據往往很難找到。在實際案件中，可通過對相同來源的未知個體分別進行檢驗來獲得樣品的背景數據。另外，研究人員通常假設在骨骼或牙齒中測量到的87Sr/86Sr 比值與個體原始位置發現的87Sr/86Sr 比值之間存在1∶1 的關系[39]。 基于這一假設，骨骼或牙齒中測量到的87Sr/86Sr比值可直接與環境的87Sr/86Sr 比值數據進行直接比較和應用。 即便如此，環境中Sr 同位素比值變化的參考數據也是很少的。 因此，進行Sr 同位素技術數據積累和研究是一個活躍的研究方向和領域。

法庭科學領域還有很多其他物證的來源推斷可采用金屬穩定同位素技術來進行，AGGARWAL等[42]綜述了金屬穩定同位素在法庭科學中的應用，并報道了兩起應用金屬穩定同位素進行來源推斷的案例。 國內法庭科學研究者逐漸認識到金屬穩定同位素技術在法庭科學領域的應用前景，并開展了一系列初步研究。 宋小嬌等[43]建立了電感耦合等離子體質譜法檢驗子彈彈頭中Pb 同位素比值的方法，對樣品前處理和儀器分析參數進行了優化。 對國內不同生產廠家，及同一生產廠家不同批次的子彈彈頭樣品進行了Pb 同位素比值分析，結果表明，利用Pb 同位素比值可以對國內大多數廠家的子彈樣品進行區分，同時可對某些廠家的某些批次樣品進行有效區分。 子彈彈頭中Pb 同位素比值分析不僅為子彈間的比對提供了一個新的比對指標，同時還為子彈的廠家來源推斷提供了可能性。

法庭地質學是我國刑事技術領域新近研究的一個方向，主要是針對案件中常見的泥土物證。 采用地球化學、化學、植物學等方法進行綜合分析從而達到泥土物證區域環境推斷及來源推斷的目的[44]，該項研究并未使用金屬穩定同位素技術。 泥土是由巖石長期風化而形成的，不同礦物組成的巖石具有不同的同位素組成，其獨特的組成可用于泥土的溯源分析。 開展泥土物證中Sr、Pb、Nd 等元素的穩定同位素檢驗是進行泥土物證來源推斷有效且準確的方法。

5.2 金屬穩定同位素儀器分析方法

傳統上，金屬穩定同位素分析主要采用熱電離質譜法和快速原子轟擊質譜，但自1983 年以來，自從電感耦合等離子體質譜儀作為商品后，大量的論文報告使用電感耦合等離子體質譜儀進行金屬穩定同位素分析[45-47]。 根據樣品中所測金屬元素的濃度以及檢驗需求，除四極桿電感耦合等離子體質譜外，扇形磁場雙聚焦電感耦合等離子體質譜、電感耦合等離子體飛行時間質譜和多接收器高分辨電感耦合等離子體質譜均可用于金屬穩定同位素分析。 不同的分析儀器，其測定同位素比值的精密度不同[48]，具體見表1。

表1 不同電感耦合等離子體質譜儀測定同位素比值的精密度

由于多接收器高分辨電感耦合等離子體質譜儀和熱電離質譜儀具有高靈敏度、低記憶效應以及優越的同位素檢測精密度，因此被廣泛應用于金屬穩定同位素分析。 熱電離質譜儀雖然在金屬穩定同位素分析方面應用較多，但是多接收器高分辨電感耦合等離子體質譜儀由于較高的電離效率、前處理方法更加簡單、測量時間更短，在分析化學和地球科學領域得到更加廣泛的應用。 在國內法庭科學領域，還沒有利用多接收器高分辨電感耦合等離子體質譜儀進行物證分析的先例。 由于物證的無損檢驗且需要同時提供元素的空間分布信息的需要，激光刻蝕-多接收器高分辨電感耦合等離子體質譜儀在法庭科學領域具有更加廣泛的應用前景。 實際上，很多人類學研究人員已經將此方法應用于人體殘骸的骨骼和牙齒的檢驗[49-51]。 此外，激光刻蝕-多接收器高分辨電感耦合等離子體質譜儀所需樣品量相對于常規多接收器高分辨電感耦合等離子體質譜儀更少，特別適合進行法庭科學領域中物證的檢驗分析。

雖然目前文獻報道金屬穩定同位素技術在法庭科學領域的應用是通過生物組織分析來推斷供體的地源，但是可以擴展到其他有用的物證材料，如毒品來源推斷、假冒食品來源推斷、非法野生動物貿易案例中動物來源推斷等。 無論在案件中人們感興趣的物證是什么，基于金屬穩定同位素分析的基礎，該技術將會成為一種強有力的物證鑒定技術手段。 但想要有效充分利用該技術，還需要加強分析方法的建立以及基礎數據積累等方面的研究。