ĆWICZENIE Część teoretyczna. Wybrane zastosowania mikroskopii elektronowej w badaniach mikrośladów kryminalistycznych

Transkrypt

1 ĆWICZENIE 1 Wybrane zastosowania mikroskopii elektronowej w badaniach mikrośladów kryminalistycznych 1. Część teoretyczna Mikroskopia jest to metoda badawcza wykorzystywana w wielu dziedzinach nauki, przemysłu i techniki. Zajmuje się badaniem obiektu przez obserwacje z zastosowaniem światła widzialnego, fluorescencji, podczerwieni, elektronów lub też promieni X. Metoda ta opiera się na tworzeniu powiększonego obrazu przedmiotu najczęściej za pomocą transmisyjnej mikroskopii optycznej i elektronowej i oparta jest na zasadach optyki [1]. Ze względu na rodzaj stosowanego promieniowania oraz metody obrazowania, mikroskopię można podzielić zgodnie z przedstawionym na rysunku poniżej schematem. Dziedziny mikroskopii Mikroskopia elektronowa od momentu wynalezienia transmisyjnego mikroskopu elektronowego (pierwszy transmisyjny mikroskop elektronowy został zbudowany w 1931 r. przez Ernsta Ruska z Instytutu Elektrotechniki Wyższej Szkoły Technicznej w Berlinie, w 1986 r. za swoje prace otrzymał on Nagrodę Nobla [1]) stała się kluczową techniką pozwalającą obserwować struktury i materiały na poziomie atomowym. Mikroskopy elektronowe do tworzenia obrazu wykorzystują wiązkę elektronów, która emitowana jest z katody, przyspieszana w polu elektrycznym i formowana przez układ soczewek elektromagnetycznych. Rozdzielczość uzyskanego obrazu zależy od długości fali elektronów, która jest funkcją użytego napięcia przyspieszającego (im większe napięcie, tym długość fali krótsza i lepsza rozdzielczość) oraz średnicy wiązki. Zastosowanie znalazły różne metody mikroskopowe i spektroskopowe, takie jak: transmisyjna mikroskopia elektronowa -TEM (Transmission Electron Microscopy), skaningowa mikroskopia elektronowa - SEM (Scanning Electron Microscopy), skaningowa transmisyjna mikroskopia elektronowa-stem (Scanning Transmission Electron Microscopy), spektroskopia dyspersji energii promieniowania rentgenowskiego - EDS (X-ray Energy Dispersive Spectroscopy), spektroskopia strat energii elektronów - EELS ( Electron Energy-Loss Spectroscopy).

2 Metody te wykorzystują wiązkę elektronów oraz ich oddziaływanie z materią, co pozwala uzyskać wiele ważnych informacji dotyczących analizowanych próbek. Często mikroskop elektronowy jest porównywany do optycznego, ponieważ optyka w mikroskopii elektronowej i świetlnej są do siebie podobne [1,9]. Jednakże, istnieją między nimi pewne różnice. Przyspieszane elektrony posiadają o wiele mniejszą długość fali niż długość fali światła widzialnego, bądź fotonów promieniowania UV, dzięki czemu mikroskopia elektronowa pozwala uzyskać dużo większą rozdzielczość w porównaniu do mikroskopii świetlnej. Kolejną istotną różnicą jest to, że elektrony oddziałują z materią znacznie silniej niż fotony [1], przez co konieczne jest stosowanie próżni [9], na poziomie co najmniej 10-4 Pa. Elektrony posiadają ładunek, dlatego też ich wiązka może zostać zogniskowana przez zastosowanie pola elektrycznego bądź magnetycznego. Wykorzystując pole elektrostatyczne, zogniskowaną wiązkę elektronów można w prosty sposób kontrolować [1]. W tabeli poniżej zestawiono podstawowe parametry klasycznego mikroskopu optycznego oraz mikroskopów elektronowych - transmisyjnego i skaningowego. Porównanie parametrów mikroskopu optycznego oraz elektronowego Cecha urządzenia Klasyczny mikroskop optyczny Transmisyjny mikroskop elektronowy Wiązka elektronów, λ = 0,004 nm Skaningowy mikroskop elektronowy Wiązka elektronów Oświetlenie Światło widzialne, λ = nm Maksymalne x 200-2M x M x powiększenie Zdolność ~200 nm ~0.1 nm ~1 nm rozdzielcza Sposób obserwacji Bezpośredni Pośredni Pośredni Preparaty Przezroczyste Powierzchnia próbki optycznie (powierzchnia próbki) Stosowane soczewki Optyczne (szklane, kwarcowe) Przezroczyste dla wiązki elektronów (niekoniecznie przezroczyste dla światła widzialnego) Elektromagnetyczne, elektrostatyczne Elektromagnetyczne Niezależnie od typu, każdy mikroskop elektronowy składa się z trzech głównych części: (1) źródła elektronowego, zwanego działem elektronowym bądź emiterem; (2) układu soczewek elektromagnetycznych i apertur sterujących zogniskowaniem, kontrolą kształtu i wielkości wiązki elektronowej; (3) układu detektorów do zbierania sygnałów pochodzących z próbki i urządzeń do wizualizacji. Schemat skaningowego mikroskopu elektronowego z przedstawionym procesem tworzenia wiązki skanującej schematyczne pokazano na rysunku poniżej [6].

3 Schemat skaningowego mikroskopu elektronowego z przedstawionym procesem tworzenia wiązki skanującej [6] Aby możliwe było uzyskanie obrazu, konieczne jest formowanie wiązki elektronów emitowanych ze źródła. Występują trzy główne rodzaje źródeł elektronów wykorzystywanych w mikroskopie elektronowym: wolfram, sześcioborek lantanu (LaB6) oraz działo z emisją polową (FEG Field Emission Gun). Każde z nich posiada odmienne zalety [8]. FEG charakteryzuje się o małym rozmiarem źródła (do 5 nm) i daje o wiele większą jasność niż wolfram czy LaB6 (nawet 1000 razy więcej w stosunku do LaB6), jednakże jest ono znacznie droższe od dwóch pozostałych źródeł. Natomiast LaB6 [8,9] (nagrzewany do K) [10] w stosunku do wolframowego źródła emituje węższą wiązkę elektronów (~1µm), ma dłuższy czas życia i daje do 10 razy większą jasność, lecz tym samym potrzebuje dużo wyższej próżni (podobnie jak działo emisji polowej) [10,11]. Zwiększona jasność pozwala na stosowanie większych prądów, co skutkuje poprawą czułości, kontrastu i uzyskaniem mniejszej średnicy wiązki, a w rezultacie uzyskaniem lepszej rozdzielczości [11]. Generowanie wiązki w mikroskopie elektronowym może odbywać się przez termoemisję lub, tak jak już wspomniano, emisję polową. W termoemisji, do pokonania pracy wyjścia (powierzchniowej bariery potencjału) źródła stałego, czyli umożliwienia wyjścia elektronu z pasma przewodnictwa emitera, wykorzystywana jest energia cieplna, zaś w emisji polowej wykorzystuje się duże pole elektryczne, aby zmniejszyć powierzchniową barierę potencjału emitera [9]. Elektrony, zderzając się z atomami, tracą energie kinetyczną i mogą być całkowicie zaabsorbowane, mogą spowodować emisję promieniowania lub ulec odbiciu od materiału, albo przeniknąć przez materiał. Energia zaabsorbowana przez próbkę przemienia się głównie w ciepło. Stosunek liczby elektronów odbitych, zaabsorbowanych i przechodzących zależy od składu chemicznego i grubości preparatu [9]. Wraz ze wzrostem liczby atomowej pierwiastków obecnych w próbce maleje liczba elektronów pochłoniętych, a rośnie odbitych. Na rysnku poniżej przedstawiono sygnały powstające podczas odziaływania elektronów z próbką w SEM, a także przedstawiono obliczone głębokości i objętości, z których pochodzą te sygnały. W przeciwieństwie do materiałów o mniejszej liczbie atomowej, materiały o dużej

4 (średniej) liczbie atomowej będą wykazywały mniejszą głębokość wnikania elektronów oraz większe powierzchniowe rozmycie obszaru wnikania. Na rysunku poniżej przedstawione zostały sygnały wytwarzane w cienkich próbkach przeznaczonych do analizy TEM [1]. Schematyczny rysunek odziaływania elektronów z materią w grubej próbce (próbka objętościowa)[3,9] Ogólny schemat przedstawiający oddziaływanie elektronu z materią w przypadku cienkiej próbki (cienka folia) [3,9,12,13]

5 Elektrony, padające na próbkę, oddziałują z elektronami atomów próbki, w wyniku czego są emitowane różne rodzaje elektronów (m.in.: elektronów wtórnych, elektronów odbitych, elektronów Aguera, promieniowania rentgenowskiego, promieniowania fluorescencyjnego), które wykorzystuje się do analizy składu chemicznego oraz do tworzenia obrazu. Każdy z rodzajów promieniowania jest emitowany z innej głębokości próbki i z różnej jego objętości, przy czym ze wzrostem napięcia przyspieszającego rośnie głębokość i objętość obszaru emisji. Z napięciem rośnie również średnica tego obszaru, która jest co najmniej kilkakrotnie większa od średnicy wiązki. Dodatkowo na głębokość wnikania elektronów wpływa liczba atomowa składników próbki. W konwencjonalnej skaningowej mikroskopii elektronowej próbki przewodzące analizuje się bez specjalnego przygotowania, odtłuszczając jedynie badaną powierzchnię lub usuwając powierzchniowe zanieczyszczenia przez kąpiel w płuczce ultradźwiękowej. Próbki nieprzewodzące pokrywa się cienką warstwą substancji przewodzącej przez ich napylanie. Proces napylania próbek przeprowadza się w napylarkach próżniowych. Jako materiał pokryciowy wykorzystuje się metale szlachetne, głównie złoto i platynę, a także węgiel. Warstwy napylone charakteryzują się grubością od 0,01 nm do 1 nm. Napylone warstwy spełniają rolę nie tylko przewodnika prądu elektrycznego, ale również zabezpieczają badaną próbkę przed termicznym oddziaływaniem wiązki elektronowej. Próbki przygotowywane do analizy mają wymiary związane z wielkością stolika w poszczególnych modelach mikroskopów skaningowych. Zazwyczaj maksymalne wymiary próbki nie przekraczają średnicy 5 cm i wysokości 3 cm, a ich objętość powinna być możliwie mała. Ze względu na budowę, parametry techniczne oraz zastosowanie, wśród skaningowych mikroskopów elektronowych możemy wyróżnić kilka ich rodzajów opisanych poniżej. 1) Wysokopróżniowe skaningowe mikroskopy elektronowe z emisją polową SEM FE (Field Emission) z zimną katodą jako źródłem emisji elektronów oraz SEM FEG z gorącą katodą. Są to mikroskopy o dużej zdolności rozdzielczej, dzięki czemu możliwe jest bardzo dokładne odwzorowanie ultrastruktury badanej próbki. Wadą jest bezwzględny wymóg wysokiej próżni w komorze preparatu, a także podatność na wpływ czynników zewnętrznych, jak drgania mechaniczne czy pola magnetyczne [9]. 2) Wysokopróżniowe skaningowe mikroskopy elektronowe SEM HV (High Vacuum). Są to zautomatyzowane mikroskopy o bogatym wyposażeniu. Charakteryzują się bardzo dobrymi parametrami technicznymi oraz analitycznymi. Umożliwiają analizę składu pierwiastkowego badanej próbki (katoda wolframowa) i wyróżniają się wysoką rozdzielczością obrazu (katoda LaB6) [9]. 3) Skaningowe mikroskopy elektronowe z niską lub zmienną próżnią SEM LV (Low Vacuum) lub SEM VP (Variable Pressure). Mikroskopy te umożliwiają obrazowanie w szerokim zakresie ciśnień w zależności od wymogów danej próbki, również preparatów nieprzewodzących prądu elektrycznego (niewielkie powiększenia). 4) Skaningowe środowiskowe mikroskopy elektronowe ESEM (Environmental Scanning Electron Microscope). Są to mikroskopy umożliwiające badanie próbek w ich stanie niezmienionym (zanieczyszczone, zawierające olej lub wodę, ciekłe, nieprzewodzące prądu) bez konieczności wcześniejszej preparacji i jednocześnie z zachowaniem wysokorozdzielczych obrazów w dużych powiększeniach. Możliwe są również analizy składu pierwiastków oraz badania procesów dynamicznych próbki. Ogromną zaletą jest możliwość kontrolowania atmosfery w komorze preparatu [9]. W nowoczesnych mikroskopach można praktycznie dowolnie zmieniać ich obszar zastosowań przez zamontowywanie różnych przystawek, służących prowadzeniu analiz.

6 Jedną z takich przystawek jest spektrometr EDS (energodyspersyjna spektroskopia promieniowania rentgenowskiego), która jest przystosowana do badań składu chemicznego analizowanej próby w wybranym punkcie, wzdłuż zadanej linii oraz do tworzenia map pierwiastkowych. Określony obszar powierzchni badanej próbki zostaje poddany działaniu skanującej, skupionej i skoncentrowanej wiązki elektronowej o określonej energii. Pierwotna wiązka elektronów wnika w warstwę wierzchnią materiału i wzbudza w niej różne sygnały pochodzące z badanej warstwy. Wzbudzony i zanalizowany sygnał elektronów wtórnych (Secondary Electrons SE) daje możliwość obrazowania obserwowanej powierzchni. Analizy te są przeliczane zwykle na procent wagowy pierwiastków oraz zawartość tlenków (w konfiguracji stopnia utlenienia, zadawanej przez użytkownika). Przystawka EDS umożliwia określenie składu chemicznego oraz pozwala na wykorzystanie tych danych w celu ustalenia jakościowego i ilościowego składu pierwiastków budujących badaną próbkę. Analizy te znacznie poszerzają możliwości badawcze uzyskane za pomocą mikroskopu elektronowego. Ponadto analizy liniowe i mapy zawartości pozwalają na badanie powierzchni próbek w celu uchwycenia subtelnych zmian w składzie pierwiastkowym, Skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM) jest cenną metodą badawczą, która umożliwia badania powierzchni różnorodnych ciał stałych dzięki swej wysokiej rozdzielczości i dużej głębi ostrości. Cechy te umożliwiają bezpośrednią obserwację rozwiniętych powierzchni w dużym zakresie powiększeń od 20 do razy. Sygnały elektronów SE i BSE są wykorzystywane do wytworzenia obrazu morfologii próbki, natomiast za pomocą urządzenia EDS można analizować jakościowy skład pierwiastkowy powierzchni (widmo promieniowania rentgenowskiego) dla wszystkich pierwiastków o liczbie atomowej większej niż liczba atomowa boru, oraz rozkład tych pierwiastków na badanym obszarze próbki (mapy rozkładu EDS). Większość pierwiastków jest wykrywana przy stężeniach rzędu 0,1% Mikroskopia elektronowa w badaniach kryminalistycznych Skaningowa mikroskopia elektronowa w ciągu ostatnich kilkunastu lat stała się niezbędnym narzędziem do badań kryminalistycznych (obok takich dziedzin, jak technika, historia, biologia czy medycyna), pozwalającym analizować słabo widoczne lub niewidoczne mikroskopijne ślady dowodowe przez ich obrazowanie, porównywanie obrazów i mikroanalizę rentgenowską. Duża precyzja w zakresie obiektów oraz możliwość wielokrotnego powiększenia sprawiają, że policja oraz prokuratura korzystają z tej techniki pomiarowej bardzo często. Wyniki badań przeprowadzonych za pomocą mikroskopu są nierzadko podstawą do rozwiązania konkretnego przypadku. Jedną z cech najbardziej atrakcyjnych w mikroskopii elektronowej jest jej szeroka gama zastosowań w różnych dziedzinach kryminalistyki [4]. Mikroskop SEM umożliwia wykrycie fałszerstwa dokumentów lub pozwala określić instrument, który spowodował uszkodzenie materiału. Może także analizować mikroślady substancji stałych na poziomie mikrometrycznym (pyłki roślin, ziarna gleby), znalezione na ubraniach, jak i odpryski farby z miejsca przestępstwa, a nawet stwierdzić, czy samochód w momencie wypadku miał włączone reflektory. Mikroskopy elektronowe do badań kryminalistycznych są również wyposażone w dodatkowe oprogramowanie umożliwiające analizę cząsteczek pozostałości po wystrzale z broni palnej GSR (Gunshut Residue), o charakterystycznej morfologii i swoistym składzie pierwiastkowym. Pozwala ono między innymi analizować pozostałości znalezione na ubraniu lub skórze osoby oddającej strzał z broni palnej oraz cząstki pozostałości po reakcjach pirotechnicznych [14].

7 1.2. Geologia sądowa Jedną z dziedzin, która wykorzystuje skaningową mikroskopię elektronową z dyspersją energii promieniowania rentgenowskiego (SEM/EDX), jest geologia sądowa, której prekursorem był profesor kryminalistyki Hans Gross. Uznał on, że ogromne znaczenie dla określenia miejsc pobytu osoby podejrzanej ma obecność gleby oraz błota na jej obuwiu i odzieży. Najczęściej porównuje się próbki gleby (jak również skał, minerałów, szkła) pobranej w miejscu przestępstwa z zabrudzonymi fragmentami garderoby podejrzanego. Możliwości techniczne mikroskopu SEM pozwalają odróżnić pochodzenie cząstek śladów (geologiczne, biologiczne, pirotechniczne). W przypadku cząsteczek pozostałości pirotechnicznych PRRP (ang. Pyrotechnic Reaction Residue Particle) rozkład wielkości cząstek zależy od natury kompozycji pirotechnicznej i warunków, w jakich została wytworzona. W każdym przypadku reakcje pirotechniczne produkują wystarczającą ilość energii cieplnej do wytworzenia stopionych produktów reakcji. Sam wybuch prowadzi do tworzenia tylko stosunkowo małych cząsteczek zawartych w dymie. Natomiast podczas spalania rozkład wielkości cząsteczek jest znacznie szerszy i obserwuje się powstawanie struktur o znacznie szerszym przedziale wielkości [15]. Pozostałości pirotechniczne często zawierają cząstki, które nie mają kształtu kulistego. Mogą to być nieprzereagowane składniki mieszanin pirotechnicznych lub pozostałości reakcji ciągłego topienia się już po zetknięciu się z powierzchnią, i powolnego schładzania się. Innym problemem w określeniu prawidłowości morfologicznej cząstek PRRP jest to, iż cząstki nieprzereagowane mieszaniny pirotechnicznej mogą mieć kształt kulisty. Powodem tego może być dodanie do mieszaniny pirotechnicznej aluminium lub azotanu potasu. Aluminium może tworzyć wokół cząstki PRRP otoczkę, co wpływa na jej kształt, do złudzenia przypominający kulisty. Innym rodzajem niepirotechnicznych cząstek, mających kształt kulisty, są cząstki gleby (rozproszone i zmieszane z cząstkami pozostałości PRRP na skutek wybuchu) oraz cząstki pochodzenia biologicznego (komórki krwi, pyłki traw). Natężenie sygnałów dostarczających informacji o próbce w mikroskopie SEM zależy od takich cech badanej powierzchni, jak: topografia, skład chemiczny, orientacja krystaliczna. Każdy z sygnałów (w trybie SE i w trybie BSE) jest generowany w innej strefie obszaru rozpraszania wiązki elektronowej. W związku z tym, sygnały te przekazują informacje z różnych głębokości przedmiotu i z różną zdolnością rozdzielczą [16] Ekspertyzy dokumentów Mikroskopia elektronowa znalazła również zastosowanie w kryminalistycznej ekspertyzie dokumentów. Badane dokumenty obejmują: fałszywe banknoty, dokumenty podróży i tożsamości, czeki, przekazy pieniężne, recepty, etykiety, czeki podróżne, dokumentację medyczną, dokumenty finansowe i anonimy oraz inne wytworzone dokumenty. Analiza fizyczna i chemiczna dokumentu, który składa się z podłoża, najczęściej papieru oraz środka kryjącego tworzącego obraz, wymaga zastosowania precyzyjnych, nowoczesnych urządzeń. Skaningowa mikroskopia elektronowa SEM w połączeniu z mikroanalizatorem rentgenowskim EDS pozwala określić skład pierwiastkowy środka kryjącego (tusz, toner, atrament, farby, itd.), a badania SEM ujawniają budowę mikrostrukturalną papieru [17]. W celu zobrazowania i analizy dokumentów za pomocą mikroskopu SEM (tryb próżni) próbkę dokumentu pokrywa się warstwą przewodzącą (napylanie węglem, złotem). Najczęściej jednak dokumenty są badane w niskiej próżni lub mikroskopem środowiskowym (ESEM) bez napylania. Za pomocą SEM/EDS ustala się jednocześnie profil oraz skład włókien w papierze. Papiery są zwykle pokryte pigmentami powlekającymi, co pozwala uzyskać takie właściwości powierzchni, jak: połysk, gładkość, pulchność, polepszające właściwości optyczne [17].

8 Grubość, stopień porowatości i rozłożenie substancji dodatkowych zarówno w całym dokumencie, jak i w jego powłoce można łatwo zaobserwować w obszarze przekroju poprzecznego. Analiza EDS zapewnia możliwość określenia rozkładu składników powłokowych, takich jak: aluminium (Al), krzem (Si), wapń (Ca) i tytan (Ti). Te pierwiastki mogą wskazywać na obecność glinki kaolinowej (Al2O3 2SiO2 2H2O), węglanu wapnia (CaCO3) i dwutlenku tytanu (TiO2) Ślady biologiczne Skaningowa mikroskopia elektronowa SEM wraz z mikroanalizą rentgenowską EDS jest techniką wykorzystywaną również w badaniach śladów biologicznych. Ślady biologiczne, których obecność ujawniono na miejscu zdarzenia, mogą nieść ze sobą niezwykle istotne informacje na temat ofiary, sprawcy, a także samego zdarzenia. Należy się jednak liczyć z tym, że ślady te nie są trwałe i łatwo mogą ulec zniszczeniu. Niszczący wpływ na ślady biologiczne mają czynniki środowiskowe i atmosferyczne, takie jak: wilgotność, mikroorganizmy, związki chemiczne o charakterze kwasowym (kwas humusowy) lub zasadowym, temperatura czy promieniowanie słoneczne i jonizujące. Z punktu widzenia trwałości włosy i kości (szczególnie udowe) oraz inne materiały kostne, tj. zęby i paznokcie, są śladami szczególnymi, gdyż w przeciwieństwie do pozostałych rodzajów materiału biologicznego (tkanki miękkie, materiały płynne, wydzieliny) wymienione czynniki atmosferyczne i środowiskowe nie wywierają większego wpływu na ich strukturę, a zatem również na ich trwałość. Istotną zaletą jest odporność włosów wobec działalności grzybów i bakterii. Cechy te czynią włosy i kości ważnym obiektem badań kryminalistycznych [18,19]. Zakładając, iż wyżej wymienione materiały biologiczne w niewielkim stopniu są podatne na uszkodzenia spowodowane czynnikami naturalnymi, należy się spodziewać, że zmiany strukturalne i różnego rodzaju anomalie ujawnione podczas ich badań będą następstwem nieumyślnego (jak np. zabiegi kosmetyczne) lub celowego działania sprawcy. Stwierdzenie obecności takich zmian może mieć kluczowe znaczenie dla ustalenia istotnych faktów odnośnie okoliczności zdarzenia. Aby móc skorzystać z wszelkich informacji, jakie niosą ze sobą zabezpieczone na miejscu zdarzenia materiały biologiczne (włosy, kości), niezbędna jest gruntowna wiedza na temat ich morfologii i budowy mikroskopowej. W polu widzenia mikroskopu elektronowego SEM można z największą dokładnością obserwować mikrostrukturę tych materiałów, uszkodzenia występujące na ich powierzchni oraz na podstawie badań mikroanalizatorem rentgenowskim ustalić skład pierwiastkowy badanego materiału dowodowego Ślady narzędziowe W przypadkach zabójstw (np. gdy wykryto ślad noża w tkance kostnej) czy po włamaniach oprócz śladów biologicznych najczęściej występują ślady narzędziowe. Podobnie jak broń, narzędzia (topory, noże) posiadają i pozostawiają indywidualne cechy, zarówno na materiale biologicznym, jak i mechanicznym. Badania śladów pozostawionych po różnych narzędziach są badaniami porównawczymi, gdzie pozostawiony ślad po użyciu narzędzia jest porównywany do cech charakteryzujących dane narzędzie [20] Ślady lakierów [21] Częstym obiektem badań kontaktowych śladów kryminalistycznych są ślady lakierowe. Tym mianem określa się odłamki powłoki lakierowej znajdowane na miejscu zdarzenia, najczęściej na miejscu wypadku drogowego lub kradzieży z włamaniem, bądź też ujawniane na odzieży ofiary lub sprawcy albo też na narzędziu czynu. Mogą to być również mikrodrobiny

9 lakieru, które zostały przeniesione, wtarte lub wtopione w daną powierzchnię, z chwilą jej gwałtownego kontaktu z powłoką lakierową jakiegoś obiektu. Budowa prawie każdej powłoki lakierowej jest warstwowa. Tworzy ją kilka nałożonych na siebie warstw materiału malarskiego różniących się barwą grubością, uziarnieniem i składem chemicznym z uwagi na funkcje, jakie pełnią. Każda warstwa jest mieszaniną wielu składników, zawierającą żywice tworzące spoiwo lakiernicze, pigmenty i wypełniacze nadające powłoce walory dekoracyjne, ułatwiające jej nanoszenie na malowaną powierzchnię i zapewniające trwałość. Zarówno budowa powłoki, a zatem liczba, barwa i grubość warstw, które tworzą, jak tez skład chemiczny tych kolejnych warstw są charakterystyczne dla danej powłoki lakierowej. W zależności od rodzaju podłoża, na którym występuje, powłoka lakierowa może zawierać od dwóch do pięciu warstw. Najbardziej złożoną budową charakteryzuje się powłoka lakierowa kładziona na karoserii pojazdów samochodowych. Producenci samochodów zabezpieczają blachę przed korozją, a dla celów dekoracyjnych nanoszą 3-4 warstwy malarskie nadające powłoce trwałość, odporność na czynniki atmosferyczne, a przede wszystkim odpowiednią barwę. Każda z warstw powłoki jest mieszaniną różnych składników. Ich dobór jest starannie dokonywany, ściśle zdefiniowany i zmieniany przez producentów pojazdów średnio co dwa lata. Znając budowę powłoki dla różnych pojazdów, ekspert jest w stanie wytypować samochód, z którego pochodzi dany okruch lakieru. Informacje p powłokach lakierowych na różnych pojazdach gromadzone są w ciągle aktualizowanych bazach danych, dostępnych ekspertom kryminalistyki. Uziarnienie poszczególnych warstw lakierowych można obserwować przy dużych powiększeniach, np. rzędu kilku tysięcy razy, dzięki zastosowaniu elektronowego mikroskopu skaningowego. Doskonała głębia ostrości umożliwia obserwację szczegółów budowy, mimo nierówności (chropowatości) próbki, a także na obserwację kształtu i wielkości ziaren pigmentów i obciążników) oraz pozwala na pomiar grubości warstw. 2. Część doświadczalna 2.1. Cel ćwiczenia 1) Zapoznanie z techniką skaningowej mikroskopii i zastosowaniem jej w badaniach kryminalistycznych. 2) Wykonanie i interpretacja zdjęć SEM próbek włosów, kości, lakierów samochodowych, które mogłyby być materiałem dowodowym w sprawie. 3) Wykonanie jakościowej analizy składu chemicznego z mikroobszarów (analiza punktowa) z wykorzystaniem techniki EDS. 4) Analiza danych pomiarowych Aparatura Skaningowy mikroskop elektronowy Model SU3500, marki Hitachi (rysunek poniżej). Przygotowanie próbek do zdjęcia skaningowym mikroskopem elektronowym polegać będzie na naniesieniu próbki na stolik dwustronnie lepiący (taśma węglowa). Zdjęcia wykonywane będą przy napięciach 15 kv i 20 kv w szerokiej gamie powiększeń.

10 Skaningowy mikroskop elektronowy Model SU Opracowanie wyników (raport) Omówić i zinterpretować obraz otrzymany na zdjęciach SEM dla badanych próbek. We wnioskach proszę się zastanowić, jakie informacje na temat składu i struktury badanych materiałów dostarcza skaningowa mikroskopia elektronowa. Badania (ćwiczenia) wykonane zostaną w laboratorium badawczym Waste-Klastra, koordynowanym przez Poznański Park Naukowo-Technologiczny Fundacji Uniwersytetu im. A. Mickiewicza. Literatura [1] B. Grabowska, K. Berent, Metody mikroskopowe w inżynierii materiałowej. Mikroskopia elektronowa, Akademia Górniczo-Hutnicza Wydział Odlewnictwa Katedra Inżynierii Procesów Odlewniczych [2] D.K. Szponder-Kołakowska, K. Trybalski: Nowoczesne metody i urządzenia pomiarowe w badaniu właściwości i odpadów mineralnych, Wydawnictwa AGH, Kraków 2014 [3] K. Przybyłowicz: Metody badania tworzyw metalicznych, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Kielce 2011 [3] A. Barbacki: Mikroskopia elektronowa, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2005 [4] A. Łasińska: Skaningowa mikroskopia elektronowa w badaniach kryminalistycznych, Materiały szkoleniowe, Prokuratura i Prawo, 2013 [5] Praca zbiorowa pod redakcją J. Ryczkowskego: Adsorbenty i katalizatory: wybrane technologie a środowisko, rozdział 12 G. Słowik: Podstawy mikroskopii elektronowej i jej wybrane zastosowania w charakterystyce katalizatorów nośnikowych, Uniwersytet Rzeszowski, 2012 [6] E. Blicharska, S. Chmiel, M.A. Huber, L. Lata, T. Klepka, B. Murczyńska, K. Oszust, M. Rawski, Wybrane zastosowania mikroskopii optycznej i elektronowej w badaniach biomedycznych i środowiskowych, TMKARPIŃSKI PUBLISHER, Suchy Las 2015, ( [7] Schweitzer J Scanning Electron Microscope, [8] An Introduction to electron microscopy, FEI Company 2010, [9] R.W. Kelsall, I.W. Hamley, M. Geoghegan, Nanotechnologie, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2008 [10] M. de Graef, Introduction to conventional transmission electron microscopy, Cambridge University Press 2003 [11] [7] G. Neri, A. Donato, C. Milone, R. Pietropaolo, J. Schwank, Mater. Chem. Phys., 44 (1996) [12] D. Vaughan, Energy-Dispersive X-ray Microanalysis; An Introduction, NORAN Instruments Middleton, Wisconsin,

11 [13] D.B. Williams, C.B. Carter, The Transmission Electron Microscope: A Textbook for Materials Science, Springer 2009 [14] A. Łasińska, K. Barszcz, Ilościowa I jakościowa analiza mieszanin pirotechnicznych SEM/EDS [15] K. L. & B. J. Kosanke, Pyrotechnic Reaction Residue Particle Identification by SEM/EDS, J. Pyrotechnics 2001, nr 13, s [16] J. Goldstein, D. Newbury, D. Joy, Ch. Lyman, P. Echlin, E. Lifshin, L. Sawyer, J. Michael, Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis, New York, Kluwer 1981 [17] D. K. Shaffer, Forensic document analysis using scanning microscopy, Proc. of SPIE 2009, [18] R. Włodarczyk, Historia, teraźniejszość i perspektywy kryminalistycznych badań włosów ludzkich, Wydawnictwo Wyższej Szkoły Policji, Szczytno 2007 [19] B. S. Chang, at all, Ultramicroscopic observations on morphological changes in hair during 25 years of weathering, Forensic Science International 2005, nr 151, s [20] H. Krüsemann, SEMs and forensic science, Problems of Forensic Sciences 2001, nr XLVII, s [21] Mikroślady i ich znaczenie w postępowaniu przygotowawczym i sądowym, Wyd. Instytutu Ekspertyz Sądowych, Kraków 2015, Pod Redakcją J. Zięby-Palus, s.21-26