化学在法医学的应用_化学对法医学的贡献

　　摘要：扼要介绍了我国法医学的源起及其发展过程中化学的贡献，并对法医诊断的化学方法，如犯罪物证中指纹、砒霜的化学检验方法以及DNA指纹图技术中的化学原理作了比较详细的介绍。
　　关键词：法医学；化学检验方法；指纹；砒霜；DNA分型技术
　　文章编号：1005－6629(2010)11－0047－04 中图分类号：D919.2 文献标识码：B
　　
　　化学原理作为法医学家检测犯罪物证的重要理论之一，一直以来与法医学具有重要的联系。本文将主要介绍法医学中所使用的与化学原理有关的法医诊断方法。
　　1对法医学源起的化学贡献
　　1.1我国法医学的源起
　　法医学（Forensic medicine）主要是应用医学、生物学和其他自然科学理论与科学方法，研究尸体、活体以及人的组织、体液斑等，用来解决法律上有关人身伤亡问题的一门应用科学， 是联结医学与法学的一门交叉科学 [1]。 法医学作为一门应用科学，其诞生和发展，与社会经济的发展、法的出现以及医学和其他自然科学的进步有着密切的联系。我国是世界上最早出现法医学的国家。最早的法医学检验可以追溯到战国时代(公元前475―221年)，那时就有“令史”从事法医检验工作。到了秦代，法医检验已有发展。1975年12月在湖北云梦出土的“睡虎地秦墓竹简”中的《法律答问》、《封诊式》是我国最早的与法医学有关的刑法条文及法医检验案例文字记载。其中《封诊式》对活体检验、尸体检验和现场勘验方面均有明确、详细的记载，已经形成法医学的雏形。汉唐时期（公元前206年~公元907年）法律制得到进一步完善，相应的法医检验日趋进步，提出了诈死诈伤的概念及检验方法。我国最早的一部法典《唐律》对损伤程度、确定致命伤则提出了明确的法医学检验鉴定标准。其中，我国宋代被誉为“世界法医学之父”的宋慈编著的《洗冤集录》，是中国也是世界上第一部系统记录利用科学原理破案的法医学专著。其广泛总结了宋代以前法医学尸体检验的经验，内容涉及现代法医学中心内容的大部分，对于尸体现象、窒息、损伤、现场检查、尸体检查等方面，作了大量的科学的观察和归纳。其范围之广、内容之深入，成为以后各时期以及西方国家法医学迅速发展的一块重要奠基石[2]。
　　1.2化学对法医学的贡献
　　化学对推动法医科学的不断发展做出了重大的贡献。公元8世纪，中国出现的指纹鉴别方法是最早的利用科学原理来确定和鉴别物证的法医学技术。之后在长达七个世纪的时间里，除了其中典型的检测人体内尼古丁的斯塔斯-奥托测试法发明之外，法医学化学科学方法取得相对较少的进展。一直到19世纪中期，由于解剖尸体的开展、显微镜技术的出现和化学分析方法的应用，法医学取得了迅速的发展，特别是在法医病理学和中毒学的进展尤其显著。这一时期，用来鉴别犯罪现场血液的舒贝因发明的过氧化氢测试和范・迪恩的愈创木脂测试是最早用于法医学的化学实验方法；1832年发明的第一种毒药化学测试方法――测试砷的马什检测法是法医科学历史上的第一个转折点；19世纪80年代研究子弹的“指纹分析”也开始出现。随后，研究人员开始利用大量化学技术来分析血液、指纹、DNA技术、文件、军火炸药、药品、土壤、细菌、和其他微生物、燃烧残留物，甚至声波指纹。法医学理论日益科学化，法医学检验也由主要通过体表检查而发展到主要依赖于解剖和实验方法检验。第二次世界大战后，科学技术的发展不断促进法医学的发展。20世纪60年代大量现代化学分析仪器的运用，新的检验技术的开发，使法医学得到突飞猛进的发展。《法医化学》等法医学分支科学纷纷诞生。 化学科学日趋成为现代法医学的重要基础理论[3]。
　　2法医诊断的化学方法
　　法医学中有关诊断的化学方法主要有：应用化学分析方法对毒物、排泄物、呕吐物等进行定性和定量分析；利用化学反应方法鉴别物证是否有血迹以及用生物化学方法识别人体酶型和遗传指纹（DNA技术）等。
　　2.1指纹鉴定
　　指纹是指手上皮肤花纹的形态。当人用手接触某物体表面，手中汗腺形成的少量分泌物会残留在物体表面，即指印。现代化学分析表明：汗腺中分泌物的成分约98.5 %是由水组成，其中溶解有少量（约1.5 %）但是种类繁多的固体物质。这些固体溶解物中大约2/3为氨基酸等有机物质，1/3为氯化钠等无机物质（见表1所示）。对指纹技术人员来说，其中最重要的是氨基酸。这些物质在指纹中含量虽少却非常重要，它们可能是用来探测指纹存在的某些化学反应的基础物质, 因而指纹是揭露和证实犯罪最有力的证据之一。
　　指纹鉴定中，使用最广泛的化学测试方法包括硝酸银显现法、碘熏法和“502”黏合剂显现法。
　　（1）硝酸银显现法
　　硝酸银（AgNO3）法是最古老的潜在指纹探测方法。这种方法的原理是硝酸银能够与汗腺分泌物中的氯离子发生反应，生成氯化银固体。在光线照射下，固体氯化银很容易分解形成氯气和固态灰黑色金属银粒子。银粒子沉积于汗液指纹印上，从而显出纹线。
　　AgNO3(溶液)+Cl-(溶液)→AgCl(固体)+NO3-(溶液)
　　2AgCl(溶液)+hv→2Ag(固体)+Cl2(气体)
　　硝酸银显现法中，探测指纹常用浓度为1 %~3 %的硝酸银无水乙醇溶液。将少量溶液喷洒或用棉球蘸取轻轻涂在待测表面后，放置阴暗处晾干，然后在紫外线下曝光，控制好时间，指纹一旦显现出来要抓住最好时机立即拍照。该方法成本低，操作简便，主要用于显现普通浅色纸张、较新的本色木和单色纸张上的汗液指纹印。但其形成的指纹图案在较短一段时间后很容易变得模糊不清，故不能用来测试留存时间长于几周的指纹。
　　（2）碘熏法
　　碘熏法是通过指印物质中油脂对碘的粘附和吸收作用，利用碘蒸气的熏染来显现潜在指印的方法。一般将带有指纹的物面悬挂在封闭容器中，然后在一个名为碘熏枪的孤立容器中加热碘晶体，并将生成的碘蒸气导入到正面透明的封闭测试容器。碘晶体受热升华，当有汗腺分泌物存在时，碘会与其中的脂肪酸发生反应，生成一种十分明显的褐色配合物，其化学反应是
　　CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2)7-COOH+I2→
　　CH3-(CH2)7-CH-CH-(CH2)7-COOH
　　
　　 二碘硬脂酸
　　由于生成的配合物极易分解，指纹在表面形成的褐色证据会很快消失。因此，进行这种测试时可以在容器中引入第二种试剂，将探测得到的指纹“固定”并长时间保存。常用的物质是淀粉溶液。淀粉溶液与指纹上沉积的碘单质发生反应形成更持久的蓝色图案。也可在碘蒸气生成指纹图案上喷洒浓度为0.3 %的7，8-苯并黄酮（也称为萘黄酮）溶剂或涂抹1 %氯化钯溶液，使指纹印呈深紫色或棕褐色被很好地固定下来并保留更长时间。碘熏法适用于显现光滑纸张、蜡纸、复写纸、竹器、本色木、石灰墙、塑料、细纱纺织品等表面上的新鲜或较陈旧的指纹印，由于碘具有一定的氧化性，所以不适于检验易被其氧化的金属物表面的纹印。
　　（3）“502”黏合剂显现法[6]
　　“502”黏合剂以α―氰基丙烯酸乙酯为主体，由于强吸电子基团―CN和―COOC2H6的存在，α-氰基丙烯酸乙酯单体很容易在水或弱碱的引发下进行阴离子型聚合，形成白色的固状物，基于潜指印本身具有或处理后具有的湿度或弱碱条件，从而显现出潜指印。这种方法试验很容易进行，首先将待测物悬挂在至少一面透明的容器中，向容器中加入几滴“502”黏合剂，密封后将容器加热至100 ℃左右。容器中的α―氰基丙烯酸乙酯受热挥发后，遇物体表面有汗渍的部位，引发α―氰基丙烯酸乙酯单体聚合，形成固状聚合物，从而显出白色或灰白色指纹印。整个过程一般需要两个多小时就可以完成。“502”黏合剂显现法设备简单，费用低廉，操作方便，灵敏度高，已成为检测无孔物体如玻璃、塑料、橡胶和皮革上的潜在指纹的标准方法。
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文 　　2.2砒霜检测
　　单质砷无毒，而砷的氧化物则有剧毒，最常见的是三氧化二砷（As2O3），即砒霜。砒霜又名信石，为白色粉末，无臭、无味、易溶于酸、碱，微溶于水，易升华（193 ℃）。口服中毒量为0.005 g~0.05 g。致死量为0.1 g~0.2 g。其混于食物中不易察觉，可经口服吸收而中毒，故是古今中外投毒杀人或服毒自杀、食物污染和医疗不当等的常用毒物。砒霜的毒性作用，主要是与人体细胞酶蛋白的琉基（―SH)相结合，使细胞酶失去活性，引起糖代谢停止，蛋白分解，促使细胞死亡。尤其对神经细胞危害最大。它还能通过血液循环，作用于毛细管壁，麻痹毛细血管，造成营养组织障碍。砒霜中毒主要表现有胃肠炎症状和神经中毒症状。感觉异常、眩晕、气短、心悸、食欲不振，严重的上吐下泻，酷似霍乱，四肢疼痛性痉挛，呼吸麻痹而死亡。严重中毒者，虽抢救未死，其后遗症也很严重。历史上武大郎在体质极弱的状态下，就是被潘金莲用一包砒霜调在药内灌下，当时“腹痛”、“气闷”，而很快死亡[7]。对于砒霜的检测最具影响的方法是1832年发明的第一种毒药化学测试方法――马什检测法，至今仍被广泛使用。其测定原理如下：
　　向待测样品中加入纯金属锌和硫酸溶液。如果样品中含有砷元素（以砷的氧化物形式存在），它会被金属锌还原。
　　As2O3+6Zn+6H+2As3-+6Zn2++3H2O
　　酸性条件下，得到的As3-离子与硫酸中的H+离子组成一种砷化三氢（AsH3）气体。
　　As3-+3H+AsH3
　　然后将砷化三氢气体通过一个被加热的长管道，气体受热后发生分解，生成的单质砷会形成银状的黑色薄膜，同时产生氢气。
　　2AsH3 2As+3H2
　　这层砷薄膜被称为砷镜。砷镜的面积直接正比于检测品中砷元素的含量，因此，这种方法可以定量测试体内砷的中毒量。
　　2.3DNA分型技术――限制性片段长度多态性分析技术
　　DNA分型技术，是指利用分子生物学技术检测、分析人类遗传标记，进行个体识别和亲子鉴定。1985年英国遗传学家Alec Jeffreys应用该技术成功地进行了第一起移民案涉及的亲子鉴定，开辟了法医物证DNA分析的先河，实现了由否定到认定的法医鉴定的质的飞跃，给法医学领域个体识别和亲子鉴定带来革命性变化，在鉴定生物证据方面显示出巨大生命力[8]。DNA即脱氧核糖核酸(De-oxyribonucleic acid)是细胞内线性生物多聚体，它存在于真核细胞中。在人类进化过程中，DNA不断发生突变，在DNA复制时的序列滑动和染色体的分离与组合，从而形成了人类DNA的个体差异及DNA多态性。DNA分型技术就是利用此现象，通过检测遗传标记的遗传学特征，确定不同个体的一致性和遗传关系，从而达到个人识别和亲子鉴定的目的。
　　限制性片段长度多态性分析技术RFLP (restriction fragment length polymorphism)， 是最先发展起来的DNA分型技术。该技术利用一种特定种类的酶，即限制性内切酶，这种酶可以辨认DNA分子中特定碱基对序列的具体位置，并从这些位置将DNA分子切断。人体基因组DNA以特定的限制性内切酶消化，经电泳分离，萨森印迹(Southern blotting)转移，然后选择特定小卫星DNA探针杂交，而显示高度多态性图谱，该图谱恰似手指的纹理样复杂，也被广泛称为DNA指纹图技术。DNA指纹具有高度的个体差异，图谱的个体特异性取决于所用的限制性内切酶和探针的选择，能很好地反映出群体中个体DNA的特征，使鉴定者能直观地比较其异同及其是否遗传关系。RFLP分析主要有DNA分子的煮解、电泳分离、印迹转移、探针标记、放射自显影等化学操作步骤[9]。
　　（1）DNA分子的煮解
　　将分离彻底且分子完整的DNA待测样品和所选择的限制性内切酶一起放在培养管中（按照限制酶要求的特定反应条件配制反应体系），然后将培养管在高温的环境中放置一段时间，通常需要24小时。限制性核酸内切酶，是从细菌体内提取的一种核酸水解酶，能够识别双链DNA分子特定碱基序列，并以内切方式水解DNA分子中的磷酸二酯键。因此在这个过程中内切酶能识别出DNA分子链中所有目标位置并将之切断，当反应完成后，即DNA分子被煮解。当确定DNA分子被完全煮解，即可以进行确证实验。煮解一旦完成，培养管中将存在大量等位基因。由于这些等位基因只是起始和结尾碱基对之间的重复单元出现的次数不同，故称之为长度多态性。实际上正是由于这些DNA片段具有丰富的多态性，人们才选择它们加以切割。
　　（2）电泳分离[10]
　　首先将煮解后的DNA分子加入电泳槽。选择0.8 %琼脂糖凝胶作为支持介质，1×TAE（Tris-乙酸缓冲溶液）作为电泳缓冲液，潜水式电泳方式分离。由于DNA分子中四种核苷酸带电荷相同，在中性或弱碱性溶液中（pH=8.0）带负电荷，因此在电泳时，将待测样品点加在阴极端。在直流电场的作用下，DNA片段将按分子量的大小以不同速度泳向阳极。电泳后，不同的DNA片段将按其分子量的大小排列在由阴极至阳极的凝胶上。DNA片段的迁移率与分子量的对数或片段长度成反比。琼脂糖凝胶电泳法是分离DNA的标准方法，此方法不仅简单，而且能分离其他不易分离的DNA片段混合物，并可有凝胶中置入的荧光染料溴化乙锭染色，在紫外光下直接观察DNA片段的位置。可检验至少1 ng的DNA量。
　　（3）印迹转移[11]
　　电泳后，限制性DNA片段排列在凝胶上，由于凝胶的机械强度不高，在杂交过程中容易碎裂，并且DNA在凝胶上极易扩散，时间过长甚至可以离开凝胶，因此必须将分离后的DNA片段原位转移到固体支持膜上。萨森印迹转移法是最常用的方法。具体方法是：首先用一定量盐酸溶液浸泡凝胶，再用NaOH与NaCl配制成的碱性液使凝胶上的DNA片段变性，由双链变为单链，并保持单链状态。然后利用吸水滤纸的毛细作用吸取转移缓冲液，使移动的缓冲液依次通过凝胶、尼龙膜，顺势将DNA片段从凝胶转移到尼龙膜上。萨森印迹转移操作简单，效果肯定，但时间较长。目前利用核酸真空转移仪改进了上述转移方法，它主要利用真空吸引作用将DNA片段转移至尼龙膜上，再经烘烤加热或紫外线照射，DNA被固定在膜上，简化了操作步骤，节约了试剂，提高了转移效果。
　　（4）探针标记
　　印迹转移后，尼龙载体上的DNA片段仍是不可见的。为了观察到这些片段，需用DNA探针标记。DNA探针是一些人工合成的小段DNA链，用来与测试片段中已知的特定碱基对序列形成化学键。当这种探针被加到尼龙载体上时，它就会“搜寻”匹配相同的片段并与之形成化学键，从而结合在一起。通过对标记物检测，可以测定出与探针杂交的靶DNA。DNA探针标记物是一类示踪分子。最常用的标记同位素是33P，其灵敏度和特异性较高。
　　（5）分子杂交
　　分子杂交实质上是DNA复性，即将变性后的单链DNA分子与任何来源的单链DNA分子按其碱基配对原则重组，构成新的双链DNA分子。此过程是被检测的DNA分子与标记的DNA探针进行杂交。杂交反应体系的温度和离子强度可人为地控制。例如，在5×SSC [主要成分为氯化钠、柠檬酸钠、三(羟甲基)氨基甲烷] 缓冲液、55 ℃的较低温度和较高离子强度条件下，DNA探针可以与多个片段杂交，形成多基因座“DNA指纹”；在0.1×SSC缓冲液、65 ℃的较高温度和较低离子强度条件下，探针可以与对应的靶片段杂交，形成单基因座“DNA纹印”。
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　　将杂交后尼龙膜与感光胶片叠在一起，置密封的曝光暗盒内，－70 ℃下感光后，取出感光胶片（根据信号强弱决定曝光时间，一般在1～3天），取出暗盒，置室温1～2 h，使其温度上升至室温，然后冲洗感光胶片（洗片时先洗一张，若感光偏弱，则再多加两天曝光时间，再洗第二张片子），显影定影后即可获得DNA指纹图。
　　限制性片段长度多态性分析技术在法医学生物物证鉴定中的应用较早，其可靠性较高、具有很好的共显性、重复性和种属特异性且来源于自然变异。但也有一定局限性：其灵敏度较低，一次检测需要的DNA量至少要500 ng，不适于微量材料的鉴定；操作过程费时繁杂，一般要3~7天才有结果等[12]。当前法医DNA分型采用STR分析技术、线粒体DNA序列分析技术和以PCR技术为基础的其他DNA分析技术等主要技术方法。随着现代科技的迅猛发展，如纳米技术、微电子技术、生物技术、新型材料等，为DNA检验的发展提供了物质和技术基础，不仅使DNA检验准确高效，而且向微型化、智能化和全自动化方向发展，并将会在更多领域内发挥作用，同时也向从事法医学DNA检验工作人员提出了新课题。
　　3展望
　　随着纳米技术、新型复合材料、光谱分析等现代化学新科学技术研究的不断发展和加深，化学在法医学领域的分析能力会越来越强，鉴定范围也会越来越广，将为法庭提供更加精确真实的证据，用自己独特的技术服务于社会, 并在新技术应用、毒（药）物基因组学、生物标记物、DNA分析等法医学方面有更新的发现和突破。
　　
　　参考文献：
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