射击残留物的自动分析

                      胡孙林1,2沈辉1 张小婷2 李富海2 王松才2 邢若葵2
                      1中山大学物理科学与工程技术学院，广州，510275
                      2 广州市刑事科学技术研究所，广州，510030

摘    要

    枪弹发射过程所形成的射击残留物（Gunshot residue，GSR）是枪击案件中一种重要的法庭物证，射击残留物分析的结果对枪击案件性质的判断、案件现场的重建、案件的侦查和法庭审判都具有重要的价值作用。目前扫描电镜能谱（SEM/EDS）法被认为是最具特异性的方法，利用SEM/EDS自动搜寻GSR颗粒软件的出现，则大大降低了劳动强度，提高了分析的准确性，因而受到了世界各国法庭实验室的青睐。然而在我国，由于一些技术上的原因，GSR颗粒自动分析软件在实际案件应用中应用得并不普遍，使得自动分析软件的优越性未能充分体现出来。
    目前商业化的GSR颗粒自动分析软件工作原理基本一致，均通过扫描电镜背散射图象的反差搜寻嫌疑射击残留物粒，并通过二次电子图象和能谱分析进行确认。本文从工作原理、样品制备、工作参数设定等方面详细介绍了其中一种 GSR颗粒自动分析软件的应用，并根据作者多年的使用经验，对GSR颗粒自动分析的一些技巧进行了总结，供从事枪击案件物证检验的同行借鉴。

关键词 射击残留物 自动分析 SEM/EDS法 技巧

前    言
    枪弹发射过程所形成的射击残留物（Gunshot residue，GSR）是枪击案件中一种重要的法庭物证。通过对射击残留物的检验可解决枪击案件中犯罪嫌疑人是否开过枪、人体和衣物等客体损伤是否为枪伤、射击距离判断、使用火药的组成等问题。射击残留物是枪弹发射后从枪管中产生的大量火药气团快速冷凝而形成的，因此在射击残留物的表面及内部都具有冷凝物的形态特征，如具有特征的球状、瘤球或蜂窝结构。射击残留物通常分为有机射击残留物和无机射击残留物。典型的无机成分的射击残留物来源于枪弹的底火，具有独特的化学元素成分如Sn、Pb、Sb、Ba等，粒径一般在0.1到30µm之间。检验无机射击残留物的方法包括原子吸收光谱法（AAS）、中子活化法（NAA）、X射线荧光光谱法（XRF）、电感耦合等离子体质谱法（ICP－MS）[1]等，然而扫描电镜能谱SEM/EDS法被认为是最具特异性的方法，在世界各国的法庭科学实验室里得到了广泛的应用[2]。该方法不但可以观察射击残留物特定的形貌，还可分析其元素成分。利用SEM/EDS法对射击残留物的人工搜寻，劳动强度高而又容易出现漏检，自动搜寻软件的出现，则大大降低了劳动强度，结果准确而又可进行数据统计分析。

1射击残留物（GSR）的自动分析
1.1工作原理
     无机射击残留物的特征元素中含有Sn、Pb、Sb、Ba等重元素，而灰尘、泥土、人体皮肤碎屑等环境粒子主要由轻元素组成，因此，在背散射图像中，可利用图像亮度反差将射击残留物从大量的杂质颗粒中区分出来。通过GSR软件，控制扫描电镜的自动样品台移动，对样品被设定的每一个微区进行扫描检测，当扫描电镜背散射图像中颗粒的亮度超过设定的初始灰度阈值，系统将对该颗粒进行标示，记录其位置、粒径等信息，并对其元素成分进行分析，当其元素成分满足所选射击残留物库的条件，系统将其识别为射击残留物，并对下一颗粒进行分析，直至所有颗粒被分析完毕，系统分析样品所需的时间与样品所含射击残留物颗粒的多少密切相关。
1.2 仪器设备
     FEI Quanta 600环境扫描电镜
     EDAX Genesis 60S能谱仪
     EDAX GSR射击残留物自动检验软件
     Bal－Tec SCD 005-CEA 035型溅射喷镀仪
1.3 样品制备
1.3.1取样
    用射击残留物提取器的导电胶（图1）反复粘取嫌疑人双手虎口、衣袖等取样部位的附着物，直至胶面失去粘性。

1.3.2 样品处理和制备
    在Bal-Tec SCD 005-CEA 035型溅射镀膜仪中给样品表面镀C膜,厚度约为30nm。
1.4 GSR软件分析主要过程
    射击残留物分析的主要过程如下：
    1.把铜铝标样和分析样品一起放入扫描电镜样品室中，选择合适的电镜分析参数，如选择高真空模式，设定加速电压25KV，束斑5.0，采集铜铝标样的背散射图像；
    2.在铜铝标样的灰度直方图（图2）上选择灰度阈值（Thresholds），一般将最小灰度设置在铝铜峰之间一半或三分之二位置，最大灰度设置到最大亮度，根据不同的放大倍数，设定分析颗粒的大小范围在0.1-30µm之间；
    3.选择需要的射击残留物谱库（图3），可自行编订用户库或直接使用系统自带的库。库中根据射击残留物不同特征元素的含量将其分为不同的组，如三组分组，可设置元素Pb、Sb、Ba含量均在5％以上，Pb、Sb二组分组可设置Pb、Sb含量在5％以上，Ba含量在5％以下。

    4.设置能谱采集的参数如停留时间，时间常数等；
    5.将分析样品中心移动至视野中心，添加其坐标到软件参数中（可一次设定多达32个样品），设定样品分析大小、每个样品的微区个数及放大倍数等（图4）；

    6.自动分析开始，系统对每个微区中被标示的颗粒进行能谱分析，并将其结果与设定库中的射击残留物组分进行比较，归类，保存可疑颗粒的位置、大小、图像及能谱图；
    7.样品分析完毕，生成报告；
    8.按照软件记录下的射击残留物嫌疑颗粒的位置找回颗粒，根据颗粒的形状和元素成分进行逐一复核确认，并进行统计分析，典型的64式手枪弹的射击残留物颗粒及其能谱图如

2. 应用技巧
    通过使用GSR软件对大量实际涉枪案例中的射击残留物进行分析，在应用方面，总结的技巧如下：
    1.GSR软件对射击残留物自动检验，解决了因人工搜寻引起的身体疲劳，降低了劳动强度，提高了检验的准确性，而数据的统计分析变得更加方便，因此在时间充裕下，尽量采用自动方式进行射击残留物分析；
    2.射击残留物的取样过程一定要规范、避免交叉污染；
    3.灰度阈值的设定十分关键，直接影响到射击残留物分析所需时间，灰度阈值下限设定得太低，导致系统标示和分析的颗粒数目太多，增加所需分析时间，反之，灰度阈值下限设定过高，虽然减少分析时间，但容易出现射击残留物的漏检，因此必须对灰度阈值参数进行优化以得到准确的结果。在大量实验和实际办案过程中，笔者选用射击实验后得到的样品作为标样，根据实际射击残留物的灰度来设定灰度阈值，提高了分析的准确性并降低了分析时间，取得了较好的效果；
    4.软件系统提供了一些功能可显著减少分析所用的时间，如预扫描（Pre Scan），通过设定分析颗粒最小的计数率和元素含量范围，排除不符合条件的颗粒，从而减少分析所需时间。又如Field Flood，选择该项功能后，系统会搜寻分析颗粒周围的颗粒，同时将根据设定条件将其合并为一个大颗粒；
    5.设定合适的放大倍数和样品区域大小，使样品被分析的部分（Area Covered）覆盖率最大，提高检测的准确性；
    6.在进行软件自动分析前，应先对分析样品进行检查，如发现样品中射击残留物大量存在，应考虑样品自动分析的时间是否在可接受的范围；
    7.为保证结果的准确性，必须通过人工的方式，从形态和元素成分两方面对每一个被系统识别为射击残留物的颗粒进行复核确认；
    8.随着枪弹技术的发展，枪弹火药成分也在不断改变，某些枪弹已开始使用无铅元素成分的底火[3]并有使用轻元素成分底火的趋势[4],射击残留物如来源于原子序数较高的元素成分的底火，仍然可通过调整灰度阈值设定进行自动搜寻；而在我国的许多非制式枪支中，使用黑火药等作为火药，成分中并不含有重元素成分，对于这些枪支的射击残留物的检验只能通过人工方式进行搜寻；
    9.射击残留物软件还可应用于自动搜寻其它感兴趣的颗粒，实际工作中，笔者就曾将其应用于含铁、锌等金属元素颗粒的自动搜寻。

3. 结论
    相对于人工搜寻分析，射击残留物的自动分析法具有无可比拟的优越性，同时它也为进行射击残留物方面的研究提供了很好的平台，因而受到世界上许多法庭科学实验室的青睐。然而必须认识到，射击残留物自动分析软件并不能解决射击残留物检验的所有问题，自动检验完成后，还需结合形态和成分对射击残留物进行确认。商业化的射击残留物软件工作基本原理一致，但在使用技巧上会有所差异，因此检验人员还必须通过实践进行摸索，提高检验水平，发挥射击残留物自动分析过程的优越性。

参考文献
[1] Z. Brozek-Mucha, A. Jankowicz, Evaluation of the possibility of differentiation between various types of ammunition by means of GSR examination with SEM－EDX method, Forensic Sci. Int. 123 (2001) 39-47
[2] R. L. Singer, D.Davis, M.M. Houck, A survey of gunshot residue analysis methods, J. Forensic Sci. 41(2)(1996) 195-198
[3] F.S. Romolo, P. Margot, Identification of gunshot residue: a critical review, Forensic Sci. Int. 119 (2001) 195–211
[4] E. B. Morales, A. L. R. V´azqueza, Simultaneous determination of inorganic and organic gunshot residues by capillary electrophoresis, J. Chromatography A, 1061 (2004) 225–233

Application and Techniques of automatic gunshot residue analysis

Hu Sunlin1,2, Shen Hui1，Zhang Xiaoting2, Li Fuhai2, Wang Songcai2, Xing Ruokui2
1 College of Physics and Engineering technology, Sun Yat-sen University, Guangzhou, 510275
2 Guangzhou Forensic Science and Technology Institute, Guangzhou, 510030

Abstract：Gunshot residue (GSR) analysis is critical to scene investigation, scene reconstruction and court judgment in crime cases involved with gun. SEM/EDS method is thought as the most specific method to identify gunshot residue. The appearance of automated searching gunshot residue software based on SEM/EDS reduces labor to a great extent as well as keeping .high analysis accuracy, which make them popular in forensic laboratories in the world. But for some reason on techniques, automated SEM/EDS software for searching gunshot residue is not widely used, while their advantages have not been fully developed.
The basic principle of all commercial automated GSR searching software is the same. That is to discriminate gunshot residue particles from other environmental ones by their BSD images, and to further confirm by their SE images and elemental components. The paper described the processes of automatic gunshot residue analysis by EDAX GSR software with its basic principle, sample preparation and setting of parameters etc. at first. Techniques on the application of the software were then presented in detail based on our experience in real casework.

Key words： gunshot residue (GSR), automatic analysis, SEM/EDS, techniques