利用热敏成像法和蒸汽开展法医检测
向沾有血迹的布料喷洒蒸气如何使热成像成为可能
研究人员一直在寻找检测织物上极低浓度血液的替代方法，最近他们在热成像技术中找到了答案。血液在其自身的红外光谱中不可见，他们发现在沾有血迹的样品上喷洒水蒸气能创建一种热信号。尽管对天然纤维而言面临一些挑战，这种热成像方法不失为法医检测中采用鲁米诺的方法的一种更可取的替代解决方案。
当犯罪电视连续剧中的检测者需要找到血迹证据时，他们所做的第一件事往往是向相关区域喷洒鲁米诺并关灯。这为故事增添了一定的喜剧效果，但是对需要在不太理想情形下找到具体血迹证据的现实检测者而言并不是最佳方案。这对检测沾有极低浓度血迹的衣物而言尤为如此，因为血迹极易受喷洒的液体鲁米诺的影响。化学研究员Michael Myrick博士和Stephen Morgan博士及其南卡罗来纳大学的团队正研究在法医应用领域将红外热像仪用作检测和记录生物液体（如犯罪现场的血迹）证据的替代方案。
图1.腈纶织物上的完整血印。
左侧：蒸汽暴露于湿气期间的热图像。
右侧：暴露后蒸发冷却。对比度足以辨别指纹纹脊图案。
图2.涤纶织物上的完整血印。
左侧：蒸汽暴露于湿气期间的热图像。
右侧：暴露后蒸发冷却。
图3.涤纶上的10倍稀释血印显示指纹纹脊图案和由血液凝固物芯吸作用引起的晕圈。Myrick和Morgan的团队注意到纹脊比外晕吸收水分的速度更快，而且冷却速度也不一样，因此可在动力学上区分两种图案。
图4.血的吸水/解吸水特性类似于棉花的吸水/解吸水特性，因此即使全血印迹在棉花上也模糊不清。
鲁米诺的问题
鲁米诺本身是一种粉末，在混合了双氧水后用于织物表面进行测试。如果存在血，血红蛋白中的铁会催化鲁米诺和双氧水之间的反应，将电子释放为对蓝光可见的光子。遗憾的是，鲁米诺能与铁之外的其它物质反应，导致错误判断。
正如Myrick博士解释的那样，鲁米诺“会与芳香胺、铜盐、漂白剂等物质反应，例如，它也可能与织物中或您在场景中留意到的多种物质反应。”
鲁米诺的另一个问题是，它可能会对DNA测试产生潜在影响：虽然它不会直接破坏DNA，但是它可能会影响某些遗传标记。
最终，当向血迹上喷洒鲁米诺时可能会模糊或冲掉血迹。“如果存在一个脊纹图案，如指纹，然后您用一种液体浸泡它，那么您可能会完全失去它，”Myrick博士说道。这样就会失去识别织物上指纹的所有机会。过度稀释血迹还会导致随后的样本DNA测试成为泡影。
红外成像的挑战
Myrick博士和他的团队一直在寻找可视化血迹和用于法医检测的其它生物流体的更好方式。Myrick对能进行不止数秒钟观察、可重复且不会破坏样品的检测方法尤其感兴趣。他和他的团队开始研究利用红外反射可视化血迹。虽然红外反射的确奏效，但是血迹在热图像中总是模糊不清。
“热图像是一种极好的可视化化学对照物的方式，”Myrick博士坦承道。他和他的团队正寻找增加对血的灵敏度的方式，并确定将蒸汽作为在红外光谱窗口中创建强吸收谱带的方法。然而，在试图改进方法的过程中，该团队偶然发现一种更好的方法。
研究生Wayne O’Brien的任务是将一块棉布浸在由旅行喷汽熨斗喷出的氧化氘中并测量反射率。O’Brien只是碰巧记录了蒸汽喷到棉布上的红外视频，并有了惊喜发现。
“在打开蒸汽那一刻，他向我展示的红外视频中的100倍稀释血迹就像一只被点亮的灯泡。这惊人的现象在之前是如此难以得见，刹那之间在图像中点亮，”Myrick说道。
此外，与鲁米诺会立即褪色不同，他们发现水蒸气在沾有血迹的织物上的作用是持续的。Myrick称：“如果您取一块布料，并让其进入温度升高的湿润环境中，您可以无限期地看到血迹，它不会时而出现时而消失，只要您将其置于湿润环境中，就可以永远看到它。”
将方法投入试验
Myrick的团队将他们的发现用于研究三种类型布料上的血指纹。“指纹”来自一块定制的橡皮章，这些“指纹”被弄湿且印到三块三重染色织物。每块织物印上两个指纹老鼠血印，其中一个指纹印稀释10倍，另一个指纹印未稀释。然后，该团队让血印风干24小时。
在到了对血印成像的时候，研究人员让样本接触来自蒸汽挂烫机的去离子水蒸气。他们在长时间每隔3秒对血印喷蒸汽的情况下记录布块上的血印变化，在每次喷蒸汽间隔中暂停记录。
向样本喷水蒸气会直接产生热量。Myrick博士将这一过程比作是走出干燥的空调房来到湿热的户外。您穿的每一件衣服会立即吸收水蒸汽，温度略微上升。这种升温在红外图像中显而易见。
正像增加水分产生热量一样，撤去蒸汽源会导致冷却。但是，像腈纶或涤纶这样的疏水性织物保持极少量水分并很快达到平衡。因此，血斑区域将比布料其它区域冷却得更慢。这会引起极易在红外图像中识别的温差。
“您会在吸水物体上获得正反差和负反差，这取决于该物体的吸水速度和解吸速度，并且您可以反复重复这一过程，”Myrick解释道。
在第一组记录中，他们为FLIR A6751sc SLS热像仪安装了一个50 mm镜头，以便对整个血印进行成像。FLIR A6751sc具有快帧频和480 ns积分速度，使研究人员能够记录快速热暂态。第二组记录使用13 mm镜头，使Myrick的团队能够观测单张放大的“指纹”脊纹图案。在两种情况下，该团队通过FLIR的ReasearchIR软件操作热像仪。
腈纶布和涤纶布上的完整血印图像都清晰地显示了经稀释的全血印。腈纶布上的血迹还提供足够的对比度，以辨别‘指纹’纹脊图案。在涤纶布上，该团队在10倍稀释血印周围观测到一个由血液凝固物芯吸到织物内引起的热‘晕圈’。当研究热数据随时间变化的情况时，该团队注意到涤纶布上的纹脊比外晕吸收水蒸气的速度更快。这使团队能够很容易区分纹脊和晕圈。
Myrick的团队发现对棉布上的血印进行成像有些困难。这是因为水分占总重量的比率高达20%，棉布吸收的水分与血迹本身吸收的水分相当。相比之下，腈纶和涤纶等合成纤维吸水性较弱。
“这与纤维的化学组成和纤维本身的结构有很大关系，”来自Myrick团队的一名研究生Raymond Belliveau如此解释道。
“棉布是一种复杂的织物，充满松散的纤维，”Myrick补充道。“并且线吸水的速度不一样，单根纤维的反应极快。”
因此，该团队非常成功地对棉布上的放大纹脊进行了成像。他们注意到，棉布浮丝上的全血和其它区域的全血之间存在明显对比。该对比仅在浮丝能够吸收蒸汽的30 ms期间可见。
“FLIR A6751sc使我们能够进行高速测量，事实上，纤维仅会在热视频中的其中一帧发亮，”Myrick解释道。之后，大部分布料已吸收足够的水蒸气，因而消除了全血和棉布之间的热力差异。
图5.全血印内的单根线与棉布其余位置形成鲜明对比。
腈纶布上整个血迹的纹脊清楚可见，尽管在纹脊断裂位置，织物组织阻止血印接触整个表面。
图6.纹脊断裂出现在腈纶布组织防止血印与织物完全接触的位置。
全血印仅在喷蒸汽期间模糊可见，像腈纶样本一样，有一个织纹阻止织物与血印完全接触。但是，与纬纱（水平方向）相比，经纱（垂直方向纱线）凸起，所以经纱上的血液凝固物更明显。
图7.血印纹脊仅在织物上凸起的经纱上可见。
下一步
根据Myrick的研究结果，当确定织物上是否沾有血迹时，热成像技术是鲁米诺法的可行替代方案。热成像可能是更可取的——因为辅助成像的水蒸气不会进一步稀释血迹，也不存在毁掉证据的可能性。虽然使用水蒸气会对棉布上血迹成像带来一些挑战，但是高速、高分辨率红外热像仪可提供一种变通方案。FLIR A6751sc等科研热像仪具有记录松散棉纤维快速升温或冷却所需的帧频和积分速度，这可通过放大镜头得到加强。Myrick和他的团队将继续研究棉线上高速成像的应用，以期改善这一过程。
