Optoelektroniczna metoda wizualizacji œladów daktyloskopijnych za pomoc¹ luminescencji opóÿnionej

Optoelektroniczna metoda wizualizacji œladów daktyloskopijnych za pomoc¹ luminescencji opóÿnionej Luminescencyjne metody ujawniania œladów kryminalistycznych, a zw³aszcza œladów daktyloskopijnych, nale ¹ do najczulszych technik wizualizacyjnych i s¹ czêsto wykorzystywane w praktyce 1. Polegaj¹ one na wzbudzaniu za pomoc¹ specjalnych Ÿróde³ promieniowania (np. laserów argonowych lub oœwietlaczy z zespo³em filtrów krawêdziowych i pasmowych) luminescencji œladów uaktywnionych barwnikami (np. safranina O, ardrox, basic yellow 40, TEC). Œwiec¹ce œlady s¹ rejestrowane fotograficznie lub za pomoc¹ kamer CCD z wykorzystaniem filtrów optycznych odcinaj¹cych promieniowanie wzbudzaj¹ce i jednoczeœnie przepuszczaj¹cych luminescencjê œladów 2. Niestety rutynowo stosowane metody luminescencyjne zawodz¹ w przypadku pod³o y wykazuj¹cych siln¹ fluorescencjê w³asn¹ (np. puszki po napojach, barwne czasopisma, Pojêcie luminescencji opóÿnionej banknoty), zw³aszcza jeœli zakres ich œwiecenia pokrywa siê z zakresem (d³ugoœci¹ fal) luminescencji œladów. Do rozwi¹zania tego problemu mo - na wykorzystaæ ró nice w czasie zaniku fluorescencji pod³o a oraz fosforescencji lub fluorescencji opóÿnionej œladów obserwowanych po wygaszeniu Ÿród³a promieniowania wzbudzaj¹cego. Promieniowanie elektromagnetyczne w oddzia³ywaniu z materi¹ mo e ulec zarówno odbiciu, jak i poch³oniêciu. Zazwyczaj zjawiska te wystêpuj¹ równoczeœnie, tzn. czêœæ fotonów ulega odbiciu, a czêœæ poch³oniêciu przez cz¹steczki substancji, na któr¹ padaj¹. Fotony poch³oniête przez cz¹steczki pod³o a mog¹ przekazywaæ swoj¹ energiê w ró ny sposób. Z punktu widzenia metody wizualizacji œladów poprzez obserwowanie ich luminescencji opóÿnionej wa ny jest nastêpuj¹cy proces: padaj¹cy foton jest poch³aniany przez cz¹steczkê, któr¹ uczulona zosta³a substancja potowo-t³uszczowa tworz¹ca odcisk palca. Energia poch³oniêtego fotonu powoduje zmianê stanu energetycznego cz¹steczki, która przechodzi przewa nie na wy - szy poziom oscylacyjny stanu wzbudzonego. Na skutek zderzeñ z cz¹steczkami oœrodka pozbywa siê bezpromieniœcie nadmiaru energii oscylacyjnej. W stanie wzbudzonym przebywa przez krótki czas, by nastêpnie z najni szego poziomu oscylacyjnego tego stanu powróciæ do stanu podstawowego. Mo e siê to dokonaæ na kilka sposobów: cz¹steczka mo e na przyk³ad powróciæ na ni szy poziom energetyczny, emituj¹c œwiat³o. Œwiecenie to nazywa siê luminescencj¹ 3. Wyró nia siê dwa podstawowe rodzaje przejœæ promienistych: fluorescencjê i fosforescencjê, i dodatkowo S 1 IC ISC IC IC S 1 T 1 T 1 A F Ph A F o S o S o Ryc. 1. Schemat luminescencji: So podstawowy poziom singletowy; S 1 wzbudzony poziom singletowy; T 1 wzbudzony poziom trypletowy; IC (internal conversion) przejœcia bezpromieniste; ISC (internal system crossing) przejœcia miêdzysystemowe; A absorpcja promieniowania wzbudzaj¹cego; F fluorescencja; Ph fosforescencja; Fo fluorescencja opóÿniona Fig. 1. Scheme of luminescence: So basic singlet level; S 1 induced singlet level; T 1 induced triplet level; IC internal conversion (radiantless crossing); ISC internal system crossing; A absorption of inductive radiation; F fluorescence; Ph phosphorescence; Fo delayed fluorescence 50 PROBLEMY KRYMINALISTYKI 258/07

fluorescencjê opóÿnion¹. Fluorescencja zachodzi, gdy elektron przechodzi bezpoœrednio ze stanu wzbudzonego singletowego do stanu singletowego o ni szej energii. Na najni szym wzbudzonym poziomie singletowym cz¹steczka mo e przebywaæ oko³o 10 8 s. Fosforescencja jest procesem bardziej z³o onym. W tym przypadku wzbudzony atom lub cz¹steczka, zanim przejdzie do stanu podstawowego, znajdzie siê w stanie metatrwa³ym o czasie ycia rzêdu 10 6 s, co odpowiada sytuacji przejœcia cz¹steczki ze stanu wzbudzonego trypletowego do stanu podstawowego singletowego. Przejœcia o ró nej multipletowoœci s¹ formalnie zabronione, dlatego s¹ mniej prawdopodobne i wi¹ ¹ siê z d³u szym czasem ycia stanu wzbudzonego cz¹steczek. Fluorescencja opóÿniona zanika znacznie wolniej ni zwyk³a fluorescencja tej samej cz¹steczki i pojawia siê w wyniku kilku ró - nych mechanizmów, z których najlepiej poznanymi s¹: anihilacja tryplet- -tryplet i termicznie aktywowana fluorescencja opóÿniona. Przyk³adem fluorescencji opóÿnionej mo e byæ sytuacja, gdy cz¹steczka, która znalaz³a siê w stanie wzbudzonym singletowym, przechodzi bezpromieniœcie do ni szego stanu trypletowego, a nastêpnie przy odpowiednio wysokiej temperaturze otoczenia powraca do wy szego stanu wzbudzonego singletowego i stamt¹d do stanu podstawowego, emituj¹c œwiat³o. Proces ten charakteryzuje siê wiêc sk³adem spektralnym jak dla fluorescencji i czasem zaniku emisji jak dla fosforescencji 4. Przez pojêcie luminescencji opóÿnionej bêdziemy rozumieli zjawisko fosforescencji oraz fluorescencji opóÿnionej, które charakteryzuj¹ siê podobnym czasem zaniku œwiecenia, znacznie d³u szym ni w przypadku fluorescencji. Na rycinie 1 zosta³y przedstawione schematycznie zmiany poziomów energetycznych cz¹steczki odpowiedzialne za poszczególne rodzaje luminescencji. Urz¹dzenia mechaniczno- -optyczne do rejestracji luminescencji opóÿnionej œladów Pierwsze badania nad rozwi¹zaniem problemu ujawniania œladów daktyloskopijnych na pod³o ach wykazuj¹cych siln¹ fluorescencjê, która przes³ania³a ich œwiecenie pod wp³ywem wzbudzaj¹cego promieniowania laserów lub specjalnych oœwietlaczy, podjêto w latach 90. w USA. Naukowcy skonstruowali kilka prototypów urz¹dzeñ mechanicznych (tzw. czoperów) w postaci wiruj¹cych tarcz lub cylindrów z otworami powoduj¹cymi przerywanie (ze stosunkowo du ¹ czêstotliwoœci¹) ci¹g³ego promieniowania wzbudzaj¹cego i na przemian przes³anianie osi optycznej kamer przed fluorescencj¹ pod³o- a oraz ods³anianie jej w momencie zaniku fluorescencji pod³o a i trwania jeszcze luminescencji opóÿnionej œladów. Pozwoli³o to na rejestracjê luminescencji opóÿnionej œladów aktywowanych odpowiednimi barwnikami 5. W po³owie lat 90., na potrzeby Centralnego Laboratorium Kryminalistycznego KGP, firma LASAR ELEK- TRONIKA zbudowa³a czoper w postaci wiruj¹cej z prêdkoœci¹ ok. 30 000 obrotów na minutê tarczy, na której obwodzie znajdowa³y siê cztery otwory. Mechanizm jej dzia³ania jest nastêpuj¹cy: podczas wirowania otwór, przez który przechodzi promieniowanie wzbudzaj¹ce emitowane z oœwietlacza, jest ods³aniany, a nastêpnie przys³aniany przez powierzchniê wiruj¹cej tarczy. W chwili gdy zostanie on przys³oniêty ca³kowicie, nastêpuje ods³oniêcie otworu po- Ryc. 2. Zestaw mechanicznego czopera z oœwietlaczem, kamer¹ i komputerem Fig. 2. Mechanical chopper with light source, camera and computer Ryc. 3. Czoper z ods³oniêtym otworem, przez który emitowane jest promieniowanie wzbudzaj¹ce Fig. 3. Chopper with uncovered opening through which inductive radiation is emitted PROBLEMY KRYMINALISTYKI 258/07 51

krywaj¹cego siê z osi¹ optyczn¹ obiektywu aparatu fotograficznego (lub kamery CCD) rejestruj¹cego obserwowany obraz œladu (ryc. 2 3). Taki sposób rejestracji luminescencji opóÿnionej okaza³ siê wystarczaj¹cy do rejestracji œladów za pomoc¹ luminescencji opóÿnionej, jednak nie by³o to rozwi¹zanie optymalne. Wynika to z faktu, e mechaniczne urz¹dzenia wiruj¹ce nie pozwalaj¹ na uzyskanie stromych krawêdzi charakterystyki promieniowania wzbudzaj¹cego ani rejestrowanej luminescencji, a zatem nie zapewniaj¹ dostatecznie krótkiego odstêpu czasu pomiêdzy wygaszeniem œwietlnego impulsu pobudzaj¹cego a chwil¹ ods³oniêcia toru optycznego aparatu fotograficznego (kamery). W zwi¹zku z tym obserwowany obraz œladu jest nadal w du ym stopniu zak³ócany fluorescencj¹ pod³o a. Brak te mo liwoœci regulacji czasu trwania impulsu œwietlnego oraz momentu otwarcia migawki kamery po jego wygaœniêciu. Dodatkow¹ wad¹ tego typu urz¹dzeñ jest bardzo d³ugi czas rejestracji œladów (kilkadziesi¹t minut) oraz du y poziom ha³asu wytwarzanego przez wiruj¹ce elementy. Urz¹dzenie optoelektroniczne do rejestracji luminescencji opóÿnionej œladów Obecny stan rozwoju optoelektroniki umo liwia konstrukcjê specjalnego stanowiska bez stosowania jakichkolwiek ruchomych elementów mechaniczno-optycznych. Rozwi¹zanie oparte na za³o eniu, e charakterystyka œwiat³a emitowanego z oœwietlacza musi pokrywaæ siê z charakterystyk¹ absorpcyjn¹ substancji u ytej do fotosensybilizacji œladów kryminalistycznych, pozwala na uzyskiwanie optymalnych warunków rejestracji œladów. Mechanizm dzia³ania takiego stanowiska polega na wykorzystaniu impulsowego oœwietlacza sprzê onego z komputerowo sterowan¹ kamer¹, która jest uruchamiana w chwili wygaœniêcia promieniowania oœwietlacza oraz fluorescencji pod³o a. Cykl pracy optoelektronicznego stanowiska do rejestracji luminescencji opóÿnionej przedstawia rycina 4. W idealnym przypadku rejestracja luminescencji œladu powinna nast¹piæ po ca³kowitym wygaœniêciu pod- ³o a. Czas trwania œwietlnego impulsu wzbudzaj¹cego powinien byæ dobrany tak, aby niewielka iloœæ zawartej w œladzie substancji aktywnej optycznie ca³kowicie nasyci³a siê œwiat³em. Z przeprowadzonych badañ wynika, e czas ten (dla chelatu europu) wynosi od 200 do 800 mikrosekund. Ze wzglêdu na znikom¹ iloœæ substancji aktywnej optycznie znikoma jest równie iloœæ œwiat³a emitowanego po jednokrotnym naœwietleniu. W celu skutecznej wizualizacji œladu niezbêdne jest tak e wielokrotne powtórzenie cyklu: naœwietlanie rejestracja. O skutecznej rejestracji œladu decyduje wiele parametrów, takich jak: 1) natê enie i czas trwania œwietlnego impulsu wzbudzaj¹cego [Ti], 2) czas opóÿnienia mierzony od chwili wygaœniêcia œwietlnego impulsu wzbudzaj¹cego do chwili otwarcia migawki [To], 3) czas otwarcia migawki [Tm], 4) iloœæ powtórzeñ cyklu: naœwietlanie rejestracja [N]. Ryc. 4. Pojedynczy cykl wzbudzenia, emisji oraz rejestracji luminescencji opóÿnionej Fig. 4. Single cycle of induction, emission and recording of delayed luminescence Parametr [Ti] decyduje o tym, jaka iloœæ energii zostanie wpompowana w substancjê œwiec¹c¹ i w pod³o e, na którym znajduje siê wizualizowany œlad. Czas opóÿnienia [To], który zwykle wynosi od kilku do kilkunastu mikrosekund, nale y dobraæ tak, aby moment otwarcia migawki nast¹pi³ w chwili, gdy luminescencja pod³o a bêdzie ju wystarczaj¹co wygaszona, zaœ czas otwarcia migawki [Tm], aby zgromadziæ w sensorze kamery wystarczaj¹c¹ iloœæ energii. W praktyce czas opóÿnienia jest porównywalny ze sta³¹ czasow¹ zaniku luminescencji opóÿnionej. Jak ju wczeœniej wspomniano, w odpowiednio uczulonej substancji potowo-t³uszczowej zdeponowana jest niewielka iloœæ optycznie aktywnego odczynnika. Niezbêdne jest zatem wielokrotne powtórzenie cyklu [N], aby zgromadzona i zsumowana energia œwietlna da³a odpowiedni efekt wizualizacyjny. Zbudowane w ramach projektu badawczego i z wykorzystaniem najnowszej technologii unikalne stanowisko zawiera wy³¹cznie elementy optoelektroniczne 6. W jego sk³ad wchodzi komputerowo sterowany, impulsowy oœwietlacz diodowy, kamera CCD pozwalaj¹ca na rejestracjê i sumowanie s³abych sygna³ów luminescencji opóÿnionej oraz komputerowa stacja steruj¹co-rejestruj¹ca. Kamera wraz z oœwietlaczem za- 52 PROBLEMY KRYMINALISTYKI 258/07

mocowana jest na specjalnym stabilnym statywie. Tor optyczny zestawu jest ca³kowicie os³oniêty, co sprawia, e badania mo na wykonywaæ w niezaciemnionym pomieszczeniu. Rejestracja luminescencji odbywa siê z pominiêciem stacji graficznej jedynie zarejestrowane przez kamerê, sca³kowane obrazy s¹ przesy³ane do komputera w postaci specjalnych pakietów, w³aœciwych dla tego sposobu obserwacji obiektów aktywnych optycznie. Diody oœwietlacza zasilane s¹ prostok¹tnymi impulsami pr¹dowymi o stromym zboczu opadaj¹cym. Tym samym i impulsy œwietlne maj¹ niemal identyczny kszta³t. Opadaj¹ce zbocze impulsu pobudzaj¹cego powoduje otwarcie kamery cyfrowej, która po krótkim czasie opóÿnienia rozpoczyna rejestracjê œladu. Czas otwarcia kamery jest dostosowany do czasu ycia luminescencji substancji uczulaj¹cej œlad. Po zapisaniu informacji ca³y cykl powtarza siê w sensorze kamery, a jego krotnoœæ zale y od intensywnoœci luminescencji opóÿnionej œladu. Rycina 5 przedstawia ogólny widok stanowiska, natomiast jego schemat blokowy widoczny jest na rycinie 6. Najwa niejszym elementem kamery jest wysokoczu³y, monochromatyczny sensor CCD. Zawartoœæ pikseli odczytywana jest za pomoc¹ 10-bitowego przetwornika A/C. Kamera zaopatrzona jest ponadto w specjalny uk³ad ch³odzenia, dziêki czemu poziom szumów zbieranych sygna³ów jest minimalny. Umo liwia to sumowanie sygna³ów luminescencji opóÿnionej emitowanej w ponad 60 tys. cykli: naœwietlanie rejestracja. Mo liwa jest równie d³ugotrwa- ³a ekspozycja z czasem dochodz¹cym do kilkudziesiêciu minut. Impulsowy oœwietlacz emituje promieniowanie elektromagnetyczne w paœmie ultrafioletowym z maksimum dla d³ugoœci fali 365 nm. Czas trwania impulsów mo e byæ regulowany w zakresie od 20 mikrosekund do 25 minut. Oœwietlacz jest sterowany impulsami generowanymi przez kamerê, zaœ sterowanie kamer¹ i akwizycjê obrazu realizuje komputer stacja graficzna ze specjalnym oprogramowaniem. Oprogramowanie urz¹dzenia pozwala na bardzo wygodn¹ zmianê Ryc. 5. Optoelektroniczne stanowisko do rejestracji œladów daktyloskopijnych z wykorzystaniem luminescencji opóÿnionej (stanowisko zosta³o zbudowane w ramach projektu badawczego nr 0 T00A 001 29, finansowanego przez MNiSW, realizowanego w Zak³adzie Kryminalistyki i Medycyny S¹dowej Wydzia³u Prawa i Administracji Uniwersytetu Warmiñsko-Mazurskego w Olsztynie. Podobne stanowisko funkcjonuje tak e w Centralnym Laboratorium Kryminalistycznym KGP). Fig. 5. Optoelectronic station for imaging fingermarks by means of delayed luminescence (workstation as constructed within the research project no. 0 T00A 001 29 financed by Ministry of Science and Higher Education and implemented in the Institute of Forensic Science and Medicine at Warmia and Mazury Law and Administration Department in Olsztyn. A similar workstation is operational also in the Central Forensic Laboratory of the Polish Police). Ryc. 6. Schemat blokowy stanowiska optoelektronicznego do rejestracji œladów daktyloskopijnych z wykorzystaniem zjawiska luminescencji opóÿnionej Fig. 6. Block scheme of optoelectronic workstation for imaging fingermarks by means of delayed luminescence phenomenon PROBLEMY KRYMINALISTYKI 258/07 53

wszystkich parametrów ekspozycji. Odbywa siê to przez wpisanie nowych wartoœci w odpowiednie rubryki wyœwietlane na monitorze urz¹dzenia (ryc. 7). Zarówno zapamiêtywane obrazy, jak i obraz po ca³kowitej ekspozycji mo na poddaæ obróbce cyfrowej. Zbudowane stanowisko, dziêki zakresowi promieniowania oœwietlacza impulsowego (365 nm) u ytego w pierwszej fazie badañ nad rejestracj¹ obrazów za pomoc¹ luminescencji opóÿnionej, doskonale nadaje siê do ujawniania œladów daktyloskopijnych na pod³o ach niech³onnych, takich jak metale, szk³o, tworzywa sztuczne i inne. Podczas badañ stosowano najpierw metodê cyjanoakrylow¹, a nastêpnie roztwór chelatu europu 7, który wykazuje zdolnoœæ do silnej absorpcji promieniowania elektromagnetycznego w obszarze bliskiego nadfioletu. OpóŸniona emisja ma miejsce w obszarze czer- Ryc. 8a. Przyk³ad próby wizualizacji œladu linii papilarnych na dowodzie osobistym przy wykorzystaniu cyjanoakrylanu, chelatu europu oraz oœwietlacza UV Fig. 8a. Example of attempted visualisation of a fingermark on ID card with use of cyanoacrylante, europium chelate and UV light Ryc. 7. Mo liwoœci ustawiania parametrów stanowiska do rejestracji œladów za pomoc¹ luminescencji opóÿnionej Fig. 7. Possibilities of setting parameters of the workstation for imaging fingermarks by means of delayed luminescence Uzyskane rezultaty ujawniania œladów wieni. Uzyskane rezultaty wizualizacji œladów linii papilarnych w pe³ni da³y potwierdzenie za³o eñ. W przypadkach, w których fluorescencja pod³o a przes³ania³a fosforescencjê œladów, stanowisko pozwala³o na rejestracjê ich obrazów o czytelnoœci du o lepszej ni z wykorzystaniem klasycznych metod luminescencyjnych (ryc. 8a i b) Bardzo dobre rezultaty wizualizacji œladów otrzymano tak e na pod³o- ach powoduj¹cych odb³yski œwiat³a (bliki), takich jak zmiêta folia aluminiowa, które mog³y byæ skutecznie Ryc. 8b. Przyk³ad wizualizacji œladu linii papilarnych na dowodzie osobistym (ten sam œlad jak na ryc. 8a) z wykorzystaniem cyjanoakrylanu, chelatu europu oraz stanowiska do rejestracji luminescencji opóÿnionej Fig. 8b. Example of attempted visualisation of fingermark (the same as in Fig. 8a) on ID card with use of cyanoacrylate, europium chelate and delayed luminescence imaging wygaszone, w chwili gdy wykorzystywano zjawisko luminescencji opóÿnionej (9a i b). W zale noœci od wybranych parametrów w panelu steruj¹cym, jeœli nie wystêpuje fluorescencja pod³o a, stanowisko mo e byæ u ywane jako uniwersalne urz¹dzenie do rejestracji œladów w œwietle odbitym i z wykorzystaniem ich zwyk³ej luminescencji. Badania bêd¹ kontynuowane tak- e z u yciem pod³o y ch³onnych, zw³aszcza ró nego rodzaju papie- 54 PROBLEMY KRYMINALISTYKI 258/07

Ryc. 9a. Przyk³ad wizualizacji œladu linii papilarnych na folii aluminiowej z wykorzystaniem cyjanoakrylanu, chelatu europu oraz oœwietlacza UV Fig. 9a. Example of visualisation of fingermark on aluminium foil with use of cyanoacrylate, europium chelate and UV light source Ryc. 9b. Przyk³ad wizualizacji œladu linii papilarnych na folii aluminiowej (ten sam œlad jak na ryc. 9a) z wykorzystaniem cyjanoakrylanu, chelatu europu oraz stanowiska do rejestracji luminescencji opóÿnionej Fig. 9b. Example of visualisation of fingermark (same marks as in Fig. 9a) on aluminium foil with use of cyanoacrylate, europium chelate and delayed luminescence imaging rów. W tym celu niezbêdne jest zbudowanie impulsowego oœwietlacza emituj¹cego promieniowanie odpowiednie dla metod fluorescencyjnych stosowanych na tego rodzaju pod³o- ach. Jaros³aw Moszczyñski Antoni Siejca ukasz Ziemnicki zdj.:. Ziemnicki wykres: J. Moszczyñski PRZYPISY 1 E.R. Menzel: Fingerprint Detection with Lasers, Marcel Dekker, New York 1999; 2 M. Rybczyñska-Królik, M. Pêka³a: Przewodnik po metodach wizualizacji œladów daktyloskopijnych, CLK KGP, Warszawa 2006, s. 25 29; 3 Z. Kêcki: Podstawy spektroskopii molekularnej, PWN, Warszawa 1975, s. 162 164; 4 J.P. Simons: Fotochemia i spektroskopia, PWN, Warszawa 1976, s. 25 30; 5 R.H. Murdoch, E.R. Menzel: A Computer Interfaced Time Resolved Luminescence Imaging System, Journal of Forensic Sciences 1993, nr 38 (3), s. 521 529. 6 Projekt badawczy o nr. 0 T00A 001 29, finansowany przez MNiSW, realizowany jest w Zak³adzie Kryminalistyki i Medycyny S¹dowej Wydzia- ³u Prawa i Administracji Uniwersytetu Warmiñsko-Mazurskego w Olsztynie. Czytelniku, 7 Stosowano recepturê roztworu chelatu europu wg Processing Guide for Developing Latent Prints, US Department of Justice, Federal Bureau of Investigation, Laboratory Division, 2000. jeœli interesujesz siê badaniami dokumentów, informujemy, e ukaza³ siê kolejny Zeszyt Metodyczny nr 25, w którym zamieszczone s¹ trzy prace: Monotonia sensoryczna i jej wp³yw na zakres odchyleñ osobniczych w piœmie rêcznym Stanis³awy Mas³owskiej i Hanny Tydelskiej Ocena stopnia stabilnoœci cech identyfikacyjnych podpisów sk³adanych na kartach p³atniczych Iwony Sanewskiej Wp³yw rodzaju pod³o a na zmiennoœæ cech pisma wykonanego wielkimi literami alfabetu Beaty Urbanik PROBLEMY KRYMINALISTYKI 258/07 55