Введение

Колебательная спектроскопия — аналитический метод, который оценивает параметры взаимодействия света с разными веществами (поглощение, отражение или рассеяние) и выявляет характерные частоты колебаний молекул. Существуют два основных метода колебательной спектроскопии: инфракрасная (ИК) спектроскопия поглощения и спектроскопия комбинационного рассеяния (рамановская спектроскопия).

ИК-спектроскопия основана на определении показателей поглощения света и малоприменима для оценки объектов биологического происхождения, поскольку ИК-поглощение подвержено интерференции со стороны воды, содержащейся в образцах [1].

По мнению Манна и Викерса, «рамановская спектроскопия идеально подходит для того, чтобы стать эталонным методом спектрометрии следующего поколения» (цит. по [2]). Помимо космических исследований [3] имеется множество других применений этой методики, включая медицинскую диагностику [4] и криминалистические расследования [5, 6].

В наши дни широко используется спектрометр TruNarc — портативный рамановский прибор, который может идентифицировать более 530 веществ за один подтверждающий тест [7, 8]. При спектроскопии комбинационного рассеяния (рамановская спектрометрия) регистрируются разности энергий падающих и рассеянных фотонов, равные энергии молекулярных колебаний.

За прошедшие годы колебательная спектроскопия была внедрена в разные области криминалистики, включая исследование биологических образцов, деталей огнестрельного оружия, следов и других образцов, взятых с мест происшествия [5—9]. На результаты рамановской спектроскопии не влияет присутствие воды, что делает ее идеальной для исследования биологических объектов.

Цель настоящего обзора — изучение возможностей метода колебательной спектроскопии при анализе следов биологической жидкости в судебно-медицинской практике.

Рамановская спектрометрия как универсальный метод идентификации выделений организма

Следы выделений, обнаруженные на месте происшествия на трупе, являются основным источником ДНК, которая может принадлежать как погибшему, так и иным лицам, представляющим интерес для следствия. В настоящее время большинство биохимических тестов, используемых судебными медиками и криминалистами, специфичны для выделений организма, но разрушительны для образцов. Это является существенным недостатком в тех случаях, когда количества следов, полученных с мест происшествия, не так много. По этой причине рамановская спектрометрия обладает большим потенциалом в судебно-медицинской практике для анализа образцов биологического происхождения [10]. Для идентификации спермы, вагинальных выделений и слюны нами был разработан универсальный метод, который объединяет спектроскопию комбинационного рассеяния с моделированием на основе дискриминантного анализа с использованием векторной машины (SVMDA) [11]. В дальнейшем наша методика была опробована на иных выделениях организма, в частности, на моче [12].

Метод показал высокую степень чувствительности. Для идентификации образцов требуется очень небольшое количество высушенных следов. Результаты исследования C. Muro и соавт. [13] выявили, что существует возможность безошибочного определения спектров, полученных от отдельных эритроцитов. Объем крови, который содержится в одном эритроците, составляет порядка 250 мкм³, что, по меньшей мере, в 1000 раз больше, чем количество ДНК, требуемое для судебно-генетического исследования (50 пг).

Ложноположительные и ложноотрицательные результаты при проведении рамановской спектрометрии

Метод, разработанный C. Muro и соавт., был опробован на образцах крови, взятых у здоровых доноров. Тем не менее существуют заболевания, которые могут повлиять на характеристики крови человека и вызвать ложноотрицательный результат в перспективе [14].

Были изучены 3 заболевания (целиакия, серповидно-клеточная анемия и сахарный диабет 2-го типа) для определения возможности получения ложноотрицательных результатов в рамках модели при анализе крови. При анализе спектра комбинационного рассеяния все образцы были идентифицированы как кровь, при этом указанные заболевания не влияли на процесс идентификации образцов.

Имеются ошибки, связанные с оценкой ложноположительных результатов. R. Rosenblatt и соавт. [15] отобрали 24 субстрата, которые дают либо ложноположительный результат при проведении современных полевых криминалистических тестов, либо напоминают кровь во влажном или сухом состоянии. Полученные спектры были сопоставлены с имевшимися моделями биологических жидкостей. Ни один из образцов не был идентифицирован как кровь или иная биологическая жидкость.

По аналогичному алгоритму T. Casey и соавт. [16] изучили 27 субстанций, которые дают ложноположительный результат при полевых тестах на сперму или напоминают сперму во влажном или сухом состоянии. Все изученные образцы не были классифицированы как сперма или иные биологические жидкости организма.

Известны ситуации, когда обвиняемые в преступлениях сексуального характера страдают бесплодием, при котором содержание сперматозоидов в семенной жидкости может быть либо незначительным, либо нулевым. В связи с этим в 2019 г. было проведено исследование, в котором сравнивали нормальную сперму, изолированные сперматозоиды, изолированную семенную жидкость и образцы спермы при азооспермии. Установлено, что большую часть спектров спермы составляют профили семенной жидкости, а следы, содержащие изолированные сперматозоиды и азооспермическую сперму, идентифицируются без ошибок [17].

Подложки, на которые наносятся образцы, также могут повлиять на результаты анализа. Некоторые из них обладают эффектом флюоресценции и способны создавать помехи при получении спектров. Показано, что рамановская спектрометрия может исправно функционировать в условиях субстратных помех, безошибочно идентифицируя образцы спермы [18, 19].

Исследование смесей биологических жидкостей

На местах происшествия редко встречаются чистые образцы, аналогичные тем, которые используют для анализа в исследовательских лабораториях. По этой причине A. Sikirzhytskaya и соавт. [20] разработали метод идентификации смешанных образцов, начав с комбинации спермы и вагинальной жидкости. Для точной идентификации спермы и вагинальной жидкости в этих смешанных образцах была использована модель SVMDA.

Другая распространенная субстанция, часто обнаруживаемая во время следственных мероприятий, проводимых относительно фактов сексуального насилия, — это смесь спермы и крови. Проведено исследование с применением рамановской спектроскопии в ближней инфракрасной области (БИК) с использованием модели классификации SVMDA, которое позволило идентифицировать и сперму, и кровь в крайне низком процентном соотношении [21].

Видовая идентификация крови

С помощью метода анализа главных компонент (PCA) в сочетании с рамановской спектроскопией K. Virkler и I.K. Lednev [22] в 2009 г. смогли эффективно разделить и идентифицировать 3 вида следов крови: человека, кошки и собаки.

В 2018 г. K. Doty и I.K. Lednev [23] для работы использовали образцы крови хорьков, шимпанзе и макак, биохимический состав которых схож с человеческим. Авторы пришли к выводу, что рамановский спектр крови сильно зависит от различий в структуре гемоглобина, что позволяет различать ее видовую принадлежность [23].

Определение региональной принадлежности крови

В 2014 г. A. Sikirzhytskaya и соавт. [24] применили рамановскую спектроскопию с использованием моделей PLSDA и SVMDA для выявления менструальной или периферической крови. Не было отмечено ни одного случая ошибочной идентификации менструальной крови как вагинальной жидкости или наоборот. Отдельное исследование было проведено в 2021 г., где моделирование PLSDA было сопряжено с ИК-Фурье-спектроскопией ATR для эффективной дифференциации менструальных пятен крови [25].

Определение давности образования следов крови

K. Doty и соавт. [26] исследовали тенденции изменений рамановского спектра следов крови в течение 1 нед. Все образцы были правильно идентифицированы как следы крови, а модель частичной регрессии по методу наименьших квадратов (PLSR) позволила определить их давность.

Позже эта регрессионная модель была расширена для оценки времени, прошедшего с момента наложения следов крови, до 2 лет [27—28]. A. Barber и соавт. [29] изучали давность образования следов крови в условиях сильной жары.

Фенотипическое профилирование

Помимо определения происхождения биологического следа и его значимости большое значение имеет профиль подозреваемого, включая пол, расу и возраст.

Если смотреть невооруженным глазом, то рамановские спектры мужских и женских следов крови выглядят одинаково, однако с помощью искусственной нейронной сети можно определить пол испытуемых [30].

Определение пола методом ИК-Фурье-спектроскопии ATR с моделированием возможно при использовании образцов мочи [31] и слюны человека [32].

Еще одной важной характеристикой, необходимой для идентификации личности, является раса. В литературе приведено исследование спектров комбинационного рассеяния спермы, целью которого было определение различий в зависимости от расы донора, а именно белых и чернокожих мужчин [33]. Показано, что различия между спектрами не видны невооруженным глазом, но при применении моделирования SVMDA спектры были точно определены как образцы спермы европеоидов или чернокожих [33].

С помощью рамановской спектроскопии были проведены исследования расовой принадлежности донора по пятну крови [34]. Модель SVMDA смогла правильно классифицировать высушенные следы крови как принадлежащие либо белому, либо чернокожему донору.

Позднее E. Mistek и соавт. [35] использовали ИК-Фурье-ATR-анализ в паре с моделью классификации PLSDA для предсказания пола и расы доноров крови. Это исследование стало еще одним подтверждением большого потенциала колебательной спектроскопии для определения пола и расы донора на основе анализа следов крови.

Установление возраста является важным этапом при проведении судебно-медицинской идентификации личности [36]. Дифференцирование возрастных групп возможно при использовании ИК-Фурье-спектроскопии ATR [37].

Обнаружение посторонних предметов, в частности, окурков, на месте происшествия может указать, например, на присутствие курящих во время правонарушения и позволит провести анализ ДНК, но вопрос о том, имеет ли он отношение к делу, может быть поставлен под сомнение. В связи с этим E. Al-Hetlani и соавт. [38] изучили возможность дифференциации курящих и некурящих людей с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния света на основе следов слюны. В этом исследовании рамановскую спектроскопию использовали в сочетании со статистической моделью искусственной нейронной сети, позволяющей точно предсказать, от кого исходит сухое пятно слюны — от курильщика или некурящего.

Заключение

Рамановский метод спектроскопии обладает большим потенциалом и может использоваться при анализе следов биологической жидкости в судебно-медицинской практике. Он позволяет диагностировать давность образования следов крови и фенотипический профиль донора, включая пол, расу и возраст. Отмечено, что некоторые следы биологического происхождения могут быть установлены даже после воздействия на них экстремальных факторов. Дальнейшая разработка и улучшение указанных методик может значительно повысить качество экспертных исследований вещественных доказательств.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.