Đo quang phổ khối lượng trong khoa học pháp y

Quang phổ - một kỹ thuật phân tích đo tỷ lệ khối lượng-điện tích của ion và, trong khoa học pháp y, là một trong những cách tốt nhất để các nhà độc học xác định và phân tích các chất.

Trong cộng đồng pháp y, nó được công nhận là "tiêu chuẩn vàng" và "thử nghiệm gần như phổ quát" để phân biệt và đánh giá các tác nhân chưa biết. Do đó, ứng dụng rộng rãi nhất của nó là trong phân tích thuốc (bao gồm các chất chuyển hóa thuốc và phụ kiện thuốc).

Mặc dù máy đo quang phổ khối lượng đã có mặt trong hơn năm thập kỷ, nhưng chúng vẫn là lựa chọn hàng đầu để phân tích pháp y các loại thuốc. Theo Văn phòng Tư pháp, nhận dạng thuốc vẫn là yêu cầu bằng chứng thường xuyên nhất được gửi đến các phòng thí nghiệm pháp y, và máy đo quang phổ khối đóng một vai trò xác định trong quá trình này.

Tuy nhiên, trong khi máy đo quang phổ khối lượng được sử dụng rộng rãi hiện nay, chúng đã phát triển đáng kể kể từ khi được thiết kế. Trên thực tế, chỉ những năm 1950 trở đi mới thực sự trở thành của riêng họ.

• Vào giữa những năm 1940, máy đo quang phổ khối lượng quá lớn, tốn kém và khó vận hành. Một số máy được tùy chỉnh đến mức người vận hành không biết cách sử dụng chúng và để làm cho vấn đề tồi tệ hơn, một số máy không có hướng dẫn (sổ tay hoặc hướng dẫn) nào cả, khiến việc giải thích kết quả trở nên khó khăn!
• Chỉ đến giữa những năm 1950, một số vấn đề này mới được giải quyết. Vào những năm 1950, John H. Beynon và Fred W. McLafferty đóng góp vào việc ra mắt "phổ quang học khối lượng hữu cơ", cung cấp thêm hướng dẫn cho người dùng các thiếtbị. Sau đó vào năm 1959 và sau đó, các nhóm của Klaus Biemann và Carl Djerassi đã giúp mở rộng khả năng của máy đo quang phổ, cho phép họ phân tích các sản phẩm tự nhiên và chiết xuất thực vật (bao gồm alkaloids, cần sa và cocaine).
• Năm 1968, R. J. Martin và T. G. Alexander sử dụng phép đo quang phổ khối lượng độ phân giải cao (HRMS) và "mẫu nứt" để giúp xác định chất gây ảo giác dimethyltryptamine (DMT) trong một mẫu. Phân tích vấn đề này sẽ yêu cầu một dự án nghiên cứu lớn vài năm trước - thay vào đó, nó đã trở thành một vấn đề tập luyện đơn giản.
• Năm 1971, các nhà độc học và nhà khoa học đã giải quyết hàng trăm trường hợp quá liều bằng phép đo quang phổ khối sắc ký khí (GC-MS) và tìm kiếm cơ sở dữ liệu hỗ trợ máy tính. Một nhóm tại Viện Y tế Quốc gia đã sử dụng phương pháp này - bao gồm phân tích huyết thanh và dạ dày - để nhanh chóng mở rộng quy mô quy trình.
• Một vài năm sau ( 1973 ), một nhóm người Thụy Điển đã phát triển một xét nghiệm GC-MS cho tetrahydrocannabinol trong máu người đủ nhạy cảm để phát hiện xem có ai đó đã hút "một nửa tỷ gram" hay không. Quang phổ khối lượng đang phát triển với tốc độ đáng kinh ngạc.
• Ngay sau đó, vào năm 1977, dữ liệu đo quang phổ khối lượng từ Cơ quan Bảo vệ Môi trường (EPA) được chấp nhận làm bằng chứng trong một trường hợp liên quan đến việc phát hiện thuốc trừ sâu trong mô động vật. Năm sau, một thẩm phán đã quyết định cho phép kết quả kiểm tra quang phổ khối lượng làm bằng chứng trong một vụ án giết người. 

Nhanh chóng đến ngày nay và đo quang phổ khối lượng được coi là công nghệ tốt nhất hiện có để phân tích các tác nhân chưa biết - và hàng chục (từ những năm 1940 đến cuối những năm 1970) đã đóng góp vào sự phát triển của công nghệ - một số trong số đó không được đưa vào blog này.

Năm 1959, Joseph Nicol - kỹ thuật viên súng trường tại phòng thí nghiệm hình sự của cảnh sát Chicago - đề xuất rằng các phòng thí nghiệm hình sự tại các trường đại học lớn hoặc các công ty dầu mỏ có thể sử dụng các xét nghiệm GC-MS cho các trường hợp nổ súng ưu tiên cao.

Kiểm tra đầu tiên được sử dụng để xác định xem có ai đó đã bắn súng bởi GSR hay không là "kiểm tra paraffin". Thử nghiệm này liên quan đến việc đổ sáp paraffin nóng lên bàn tay của nghi ngờ và tiến hành thử nghiệm màu sắc trên sáp đã nguội.

Không cần phải nói, xét nghiệm cả đau đớn và không đáng tin cậy, vì vậy các phương pháp thay thế - nhập quang phổ khối lượng - đã được phát triển, bao gồm phân tích hoạt hóa neutron (NAA), quang phổ hấp thụ nguyên tử lò graphit (GFA AS), GC-MS, plasma ghép nối cảm ứng-MS (ICP-MS), sắc ký lỏng-quang phổ song song (LC-MS/MS, và DESI MS/MS.

Vào những năm 1980, GC-MS được chấp nhận để sử dụng trong các trường hợp GSR, nhưng Hiệp hội Thử nghiệm và Vật liệu Hoa Kỳ (ASTM) đã phát triển một tiêu chuẩn vào năm 1994 khuyến nghị sử dụng kính hiển vi điện tử quét/phổ tia X phân tán năng lượng (SEM-EDS) để xác định sự hiện diện của chì, antimon và bari trong các hạt hình thái thích hợp. SEM-EDS vẫn là lựa chọn chính cho GSR.

Các ứng dụng đầu tiên của phép đo quang phổ khối lượng trong phân tích vết, sợi và tóc bị giới hạn vì nó chỉ có thể phát hiện các tạp chất ở mức vết. Do nồng độ thấp của các nguyên tố vô cơ trong tóc người, chỉ có thể nghiên cứu các nguyên tố dồi dào nhất.

Tuy nhiên, từ những năm 1950 đến đầu những năm 60, các phương pháp quang phổ như hấp thụ nguyên tử ngọn lửa (FAA) cho phép phát hiện nhiều kim loại như sắt, đồng và thậm chí là thủy ngân và chì trong trường hợp nhiễm độc.

Quang phổ vi đầu dò ion (IMSS), được xác định là phương pháp đáng tin cậy tiếp theo, nhưng ứng dụng của nó trên tóc người cuối cùng không đáp ứng được các tiêu chí của thời đại vì 1) nó chưa được cộng đồng khoa học chấp nhận và 2) kết quả không đủ đáng tin cậy hoặc chính xác.

Tiếp theo là giới thiệu quang phổ nhiệt phân (Py-MS). Pyrolysis-GC-MS (Pyr-GC-MS) được giới thiệu đến cộng đồng pháp y bởi Saferstein và cộng sự và Hughes và cộng sự trong các nghiên cứu năm 1977 về sợi nhân tạo và polyme. Trên thực tế, Pyr-GC-MS vẫn thường được sử dụng trong các phòng thí nghiệm vi lượng ngày nay để nghiên cứu sợi và polyme - chứng minh độ chính xác và hiệu quả của nó. 

Quang phổ khối có một lịch sử phong phú và thú vị - đặc biệt là trong cộng đồng pháp lý/forensics, nơi nó đã có thể cung cấp một số bằng chứng đáng tin cậy nhất trong các trường hợp. Quang phổ học đã phát triển đáng kể trong những năm qua và chắc chắn sẽ tiếp tục phát triển.

Xu hướng ngày nay là cung cấp các quy trình và giải pháp tiêu chuẩn hóa trong các thiết bị cung cấp kết quả mạnh mẽ. Người vận hành máy đo quang phổ khối lượng sau đó không yêu cầu đào tạo khoa học nhưng cung cấp dữ liệu không thể được giải thích khác nhau trong các khóa học pháp lý.