摘要:

　　人的指印各不同且具有**性，其吸收峰主要在279 nm左右。针对潜在指印的显现，我们设计了一种基于蓝宝石衬底的便携式深紫外280 nm半导体物证探测光源并应用于痕检。将便携式深紫外280 nm物证探测光源和266 nm激光器用于不同客体背景下指印的显现并进行对比。实验结果表明，便携式深紫外280 nm光源探照潜在指印的显现效果优于266 nm激光器。该光源具有便携、波段优、造价低等优点。此外，通过设计该光源的芯片阵列、控制系统、准直系统、散热系统等，优化了光束质量，为现场物证的发现和提取提供了一种便携式设备，在刑事科学技术领域具有很好的应用前景。

1. 引言

　　现场勘查所获取的物证信息是案件破获的关键，而潜在物证的发现和提取一直是法庭科学领域研究的重点。1977年，在《法庭科学杂志》中，Menzel等人报道了激光在潜在痕迹显现中的研究 [1] ，利用物质本身的固有荧光，通过氩离子激光器照射显现潜在痕迹是早期的研究重点。之后，涌现许多方法，例如刷发光粉末 [2] [3] 、荧光染料染色 [4] 和化学反应 [5] [6] 等方法处理痕迹残留物。这些方法使得在固有荧光检测失败的情况下，仍然可用激光对潜在痕迹进行检测。同时随着DNA技术的发展 [7] ，DNA分型对于明确案件性质以及查明(当事人或受害者)起着关键作用。在对现场潜在物证进行提取时，这就要求利用无损的方法*行显现，方可进一步对检材进行DNA检测。光学显现方法具有非接触无损等特点，在这一方面就体现出了明显优势。在光学显现方法中，主要采用的光源有激光 [8] [9] 和LED光源 [10] [11] [12] 。国内在激光显现潜在指印方面取得了一系列的研究成果 [13] - [18] 。然而，大多数痕迹物证的显现都是在实验室环境下(痕迹物证提取全凭勘查人员经验)，而非案发现场。相比于激光光源，LED光源具有波段涵盖范围广、寿命长、便携等优点，并且LED在光束的准直性及均匀性设计方面也在不断改善 [19] [20] [21] [22] ，越来越多地应用于刑事科学技术领域。

　　在众多潜在痕迹中，人的指痕各不同具有**性，是证据。通过前期研究发现，汗液的吸收光谱范围在250 nm~320 nm区间，且吸收峰位于279 nm左右。深紫外LED既可实现波段(280 nm)的匹配性，又具有便携、单色性好、亮度衰减周期长等特点。

　　目前，市场上尚无针对潜在汗液指印的便携式深紫外LED光源，该LED光源对提高现场物证显现及提取率有着重要意义。本文自主研制了便携式280 nm深紫外LED光源，采用蓝宝石作为衬底，对光束质量进行优化；并且与266 nm激光器在显现潜在指痕方面进行对比。

2. 深紫外280 nm半导体光源的设计和研制

　　便携式深紫外LED光源(280 nm)的整体结构如图1所示，主要包含光源、主体系统、准直系统、散热系统和控制系统。其中，光源位于主体系统内且设于准直射系统和散热系统之间。

图1. 便携式深紫外LED光源(280 nm)整体结构图

　　主体系统包括：触电环及其触电环固定块、电池封盖、筒身和设置于筒身内部的电池。其中：电池由驱动电源驱动且工作端与触电环相连，筒身的一端与电池封盖相连，另一端与触电环固定块相连，触电环固定块与散热系统相连接。

　　为了提高便携式深紫外(280 nm)光源输出功率和光斑均匀等问题，除采用芯片阵列排布和封装技术，还设计了准直系统。准直射系统包括：聚光调节外壳、石英玻璃固定盖、聚光限位环、石英镜片、聚光镜和光线平行加强筒。聚光镜位于聚光调节外壳内且两端分别与光源和光线平行加强筒相连，光线平行加强筒的前端设有石英镜片且由石英玻璃固定盖固定。散热系统中采用的是铝散热鳍片，通过导热管将热量疏导至散热鳍片上，设计合理的灯壳外形，利用空气对流加速散热。光源选择蓝宝石衬底作为LED光源芯片的衬底。

　　控制系统主要包括LED芯片、处理系统、驱动电源和控制按键。如图2所示为便携式深紫外LED光源控制系统的架构图。芯片是LED的核心部件，选取化学稳定好的蓝宝石作为芯片衬底。　 LED采用混联连接排成阵列结构，即单个LED芯片50 mw，4个并联封装，2 × 2排成阵列，达到将近200 mw的输出功率，满足现场物证光源的要求。采用高指向性LED封装技术，尖头环氧封装，且不加散射剂，半值角为5˚~20˚，使光线达到汇聚的作用，从而实现高功率和远距离的探照。在高铝组分氮化物深紫外线发光二极管(LED)表面覆盖一层超薄铝膜，能有效破解“光抽取效率”，减少深紫外光线的衰减。

图2. 深紫外LED便携式光源控制系统架构

　　因LED是一个半导体二极管，伏安特性随温度而变化，正向电压的微小变化会引起正向电流的很大变化。光源的驱动电源须为恒流驱动，1W大功率LED如果正向电压变化10% (从8 V降低到5 V)，会引起正向电流变化。故内设恒流源芯片，电流过高时暂停供电，待降低后重新启动，恒流源芯片输入电压为交流85 V~240 V，输出为预设的恒定电流；电池为可充电锂电池，恒流源芯片镶嵌于电池底部。

　　处理系统包含数字信号处理(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)处理器，与电池底部的恒流源芯片相连接，实现按键控制和输出光功率的选择。

　　控制按键位于筒身侧面。通过控制按键，控制输出电流大小，完成固定照射和阶梯型照射。固定照射是在恒定电流功率下，实现的280 nm深紫外光源输出。阶梯型照射是通过恒流源芯片调整输出电流，实现不同光功率的输出。

　　采用荧光光谱仪(Horiba Aqualog)测量汗液在200~800 nm波段的吸收曲线，深紫外LED光源的辐照度出射曲线由光生物安全监测系统(IDR300)测定。图3为汗液的吸收曲线(蓝色)及便携式深紫外LED (280 nm)光源的辐照度曲线(红色)，光源在280 nm处的辐照度为90 mW/m2/nm。从图中可以看出，汗液有两个吸收峰，吸收峰位于279 nm处，另一个吸收峰位于302 nm，吸收峰代表汗液对该峰值处的光吸收强。汗液的吸收峰位于汗液的吸收峰与光源的输出波长匹配度高，适用于汗液潜在指纹的显现。

图3. 汗液的吸收曲线(蓝色)及便携式深紫外LED (280 nm)光源的辐照度曲线(红色)

3. 实验结果

　　在潜在汗液指印显现实验中，利用266 nm (200 mW)激光器和自主研发的便携式深紫外LED (280 nm)光源进行显现效果对比。对不同客体上的潜在汗液进行显现，装置如图4所示，分别采用不同光源对潜在汗液指印进行照射，通过紫外镜头相机纪录显现结果。

图4. 潜在汗液指印显现装置示意图

　　图5~11分别给出了利用266 nm激光器(a)和自主研制的便携式深紫外LED (280 nm)光源(b)在A4纸、POS单、火车票、快递单、牛皮纸、塑料和照片不同客体上的潜在汗液指印的显现结果。

图5. A4纸张客体上潜在汗液指印的显现。(a) 266 nm激光器；(b) LED (280 nm)光源

图6. POS单客体上潜在汗液指印的显现。(a) 266 nm激光器；(b) LED (280 nm)光源

图7. 火车票客体上潜在汗液指印的显现。(a) 266 nm激光器；(b) LED (280 nm)光源

图8. 快递单客体上潜在汗液指印的显现。(a) 266 nm激光器；(b) LED (280 nm)光源

图9. 牛皮纸客体上潜在汗液指印的显现。(a) 266 nm激光器；(b) LED (280 nm)光源

图10. 塑料客体上潜在汗液指印的显现。(a) 266 nm激光器；(b) LED (280 nm)光源

图11. 照片客体上潜在汗液指印的显现。(a) 266 nm激光器；(b) LED (280 nm)光源

　　便携式深紫外280 nm半导体物证探测光源在各类背景客体上的指纹显现率达78%，充电后单次使用时间长达6个小时。

4. 分析与讨论

　　通过紫外反射照相记录不同客体表面的潜在指印，入射光线在指纹纹线上发生漫反射的光线进入石英镜头相机中，故能有效提取光滑客体表面的潜在指印。总体看来，自主研制的深紫外LED (280 nm)光源显现效果优于266 nm激光器，主要原因是汗液指印吸收峰与280 nm光源更加匹配。另外，从A4纸张、POS单、火车票、快递单和牛皮纸客体上的显现结果对比，图(b)相较于图(a)中的指印纹线颜色更暗，说明上述客体上的潜在指印对280 nm波段的光吸收更强。此外，客体背景较亮，是因为纸张中掺有荧光剂等，在深紫外光线照射下出现荧光。而在照片和塑料上的潜在指印纹线和客体背景形成强烈反差。背景暗，纹线亮是由于客体背景对深紫外区光线的吸收强于潜在汗液指印而产生的。虽然都是非渗透性客体表面，但火车票和照片客体上指印显现不同于塑料，火车票和照片表面具有特殊涂层处理，在266 nm光高功率的照射下，显现效果弱于便携式深紫外LED光源。

    266 nm激光器和便携式深紫外LED (280 nm)光源在使用条件方面，266 nm激光器需有外接电压，而便携式LED深紫外光源可在户外使用，并且电池可续航5~6小时。便携式深紫外LED光源在显现渗透性客体表面的潜在指印效果和266 nm激光器相当；而对于表面有特殊涂层处理的火车票和照片等非渗透性客体表面的潜在指印，便携式LED光源的显现效果远超266 nm激光器。

5. 结论

　　本文从现场物证检验实战需求出发，通过对潜在生物物证的光谱分析发现，279 nm为汗潜生物痕迹的吸收峰，锁定这一特定波段进行便携式光源的研制及应用，研制了深紫外LED (280 nm)光源。通过实验对比发现，便携式深紫外LED (280 nm)光源在不同客体的潜在汗液指印显现上优于266 nm激光器，因为潜在汗液指印的主吸收峰位于279 nm附近，与便携式深紫外LED光源的发射主峰更匹配。

　　该便携式光源设计简单、成本低、显现效果更佳等特点。此外，与传统的266 nm激光器相比，具备能便携至现场的优点，有利于提高现场勘验潜在痕迹的发现和提取率。减少了由于现勘人员经验差异而导致的痕迹物证灭失的概率，提高物证提取能力，为破案提供技术支撑。

基金项目

　　国家自然科学基金()、国家重点研发计划(2017YFC0803806)、上海市局科研项目(2016015)。

参考文献

文章引用:

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