把罪犯和无辜者分开

如果你对化学的兴趣始于童年，你可能还记得一个简单的实验:把一点墨水放入水中，在吸墨纸上垂直放置，然后观察墨水中的色素以不同的速度在吸墨纸上移动。如果幸运的话，暗淡的颜色(也许是棕色)会分离出一道美丽的彩虹。这是一项技术的简单演示，该技术已成为分析化学的支柱之一:色谱。它的名字来源于希腊单词浓度(颜色)和graphein(写)。

在这个简单的例子中，吸墨纸代表一般所说的固定相，而水代表流动相。混合物中的化合物是通过它们随流动相穿过固定相的速度的差异来分离的——这种差异是由它们对一个相的亲和力决定的。色谱仪与检测器相连，在检测器中可以测定组分的性质和数量。

19世纪30年代，科学家首次观察到墨水中颜料的分离。大约80年后，俄罗斯人米哈伊尔·茨韦(Mikhail Tsvet)进行了第一次实验，我们将其称为“色谱法”，以分离包括叶绿素和胡萝卜素在内的植物色素。他因在植物方面的工作而被提名诺贝尔奖，但他的分析工作被忽视了20多年。伦敦国王学院(King ' s College London)的分析化学家莱昂·巴伦(Leon Barron)说:“茨韦的开创性工作没有引起人们的注意，至少部分原因是他只用俄语发表了论文。”第二次世界大战后，这一想法再次被人们所接受，两位英国科学家阿彻·马丁(Archer Martin)和理查德·辛格(Richard Synge)因发明“分区色谱法”(partition chromatography)而在1952年获得诺贝尔化学奖马丁的列）.

正是由于固定相、流动相和检测器类型的广泛应用，使得色谱法成为最通用和应用最广泛的分析技术之一。气相色谱法(GC)使用惰性或不反应的载气作为流动相，固定相一般是一层薄薄的液体。高效液相色谱法(HPLC)涉及泵送液体流动相，其中待分析物质已通过填充固体固定相的柱溶解。大多数情况下，固定相为极性，流动相为非极性;当情况相反时(在这种情况下流动相可能是水)，这种技术被称为反相高效液相色谱法。“即使是具有几乎相同化学和物理性质的同一化合物的对映体，如果在固定相中使用单个对映体，就可以通过高效液相色谱分离出来，”英国伦敦生物科学创新中心的分析咨询服务生物分析中心的经理卡罗琳·海德说。标准的气相色谱和液相色谱技术很难将它们分离出来。”

从犯罪现场到法庭

因此，色谱法擅长于分离和分析复杂的物质混合物。因此，它特别适合应用于广泛的法医学领域。巴伦解释说:“刑事调查通常涉及对复杂混合物的分析，可能涉及土壤、水、碎片、体液甚至骨头。”“半个世纪以来，法医科学家一直在使用这种技术，现在它已经成为法医化学的‘黄金标准’技术。”“它在这一领域的首次应用是在20世纪60年代，当时气相色谱法被用于分析纵火案中使用的石油燃料。1976年，位于伯明翰的英国内政部法医科学实验室(Home Office Forensic Science Laboratory)的化学家们进行了一项广泛的综述，表明当时GC和质谱法已被常规应用于纵火、恶意破坏和药物滥用的调查。

我们现在知道60多种爆炸物，2000多种毒药和非法药物。确定从犯罪现场采集的样品中存在哪些化合物，通常需要使用气相色谱或液相色谱分离，然后使用质谱法，并确定特定化合物的特征峰。如果是血液或其他体液样本，即使没有受到污染，也是一种复杂的混合物。巴伦说，例如，识别某种爆炸物只是分析的第一步，有时也是最简单的一步。“我们还使用色谱法来鉴定杂质，以确定它的制造地点和时间。”

也许令人惊讶的是，大多数样本从犯罪现场取出并运送到实验室进行分析仍然是既定的做法。这样做的主要原因是操作上的，而不是技术上的，因为需要在法庭上使用的样本的绝对完整性。巴伦解释说:“如果你在移动实验室进行分析，就很难确保样品完全不受污染。”“目前，严肃的分析化学只在犯罪现场被应用，如果它对立即保护生命是必要的，例如在释放未知的环境毒素或发现爆炸装置之后。”“同样的严格程度并不一定适用于用于安全检查的分析化学应用程序，这些应用程序不期望也不打算在法庭上使用，比如机场扫描仪。”

严格标准的背后，是法医分析结果在法庭上站得住脚的必要性。毕竟，“法医”这个词来自拉丁语“法证”，意思是“法庭的或在法庭之前”(古罗马法庭是他们法院的所在地)。在化学分析的案例中，所有相关的技术都被分类，除非经过不同类别的几种技术的确认，否则鉴定在法庭上是站不住脚的。在实践中，这意味着使用LC-MS或GC-MS组合获得的结果通常足以用于证据。

死亡毒品还有鸡蛋

在过去50年里，色谱法在解决一些最著名和最臭名昭著的刑事案件中发挥了重要作用，包括在英国，2005年7月7日的伦敦爆炸案和哈罗德·希普曼案。希普曼是英格兰北部的一名家庭医生，也是已知的最多产的连环杀手之一，在20世纪80年代和90年代，他给200多名病人注射了致命剂量的二乙酰吗啡:他的许多受害者在死后很久才被确认身份，通过检测他们挖出的尸体中代谢物6-单乙酰吗啡的致死量。对7/7袭击中使用的爆炸物痕迹的分析导致了一种高度不稳定的爆炸物，三过氧化三丙酮(TATP)。这种化合物后来被描述为恐怖分子的“首选武器”，因为它是非氮的，因此很难追踪，而且它与最近在巴黎和布鲁塞尔发生的自杀式爆炸事件有牵连。然而，挪威极右翼恐怖分子安德斯·布雷维克(Anders Breivik) 2011年在奥斯陆使用混合了燃料油的硝酸盐杀死了8人。几种不同形式的色谱法现在被常规使用，通常与质谱法结合使用，以筛选和识别现有的甚至新型爆炸物。

这种类型的分析现在已经变得非常敏感，以至于法医化学家正在开发一种方法，通过早期检测废水中微小的(纳米级和皮克级)爆炸物痕迹、其前体或转化产物来追踪恐怖分子策划者。这种类型的分析也在整个欧洲用于检测污水系统中非法药物的痕迹并监测其使用情况。获得的大部分数据可在欧洲毒品和毒瘾监测中心．巴伦解释说:“例如，这项分析表明，伦敦人比其他任何欧洲城市的居民使用更多的可卡因，但其他国家是某些毒品的热点，例如，荷兰的大麻和一些东欧国家的甲基苯丙胺。”

法医化学技术也被用于打击包括食品欺诈在内的多种欺诈行为。选择自由放养鸡蛋或有机鸡蛋而不是更便宜的谷仓鸡蛋的消费者不太可能经常考虑他们是否得到了他们所支付的东西。将鸡场鸡蛋冒充高福利品种并将差价私吞的案例已经有记录，但没有人知道这种复杂的食品欺诈有多普遍。英国基尔大学的法医化学家David Thompson正在与英国什罗普郡哈珀亚当斯大学国家家禽养殖研究所的研究人员合作，利用基于色谱的代谢图谱开发区分谷仓鸡蛋、散养鸡蛋和有机鸡蛋的方法。汤普森说:“不同鸡舍系统下的鸡蛋中的代谢物可能不同，这是因为鸡的饮食不同，更微妙的是，这与它们的环境有关。”“但我们需要找到方法，将这些模式与其他模式区分开来，例如，鸟类品种或年龄的差异。”

CSI效应

最近围绕里约热内卢奥运会发生的事件，尤其是俄罗斯运动员的命运，表明了在大型体育赛事中不使用兴奋剂所涉及的高风险。2012年伦敦奥运会的所有药检都是由伦敦国王学院的药物控制中心进行的，该中心位于世界反兴奋剂机构(World Anti-Doping Agency)认可的卫星设施内。使用LC耦合高分辨率质谱法对数千名运动员的尿液样本进行了200多种非法物质的筛查，并使用GC耦合串联质谱法对许多其他违禁物质进行了筛查。

法医科学家必须是一流的化学家，因为他们需要严谨的水平

显然，使用分析技术可以很容易地发现这种欺诈行为，这种分析技术可以将每个尿样与单个运动员联系起来。这些技术现在确实存在。自20世纪80年代以来，“DNA分析”一直被用于识别个人。“这项技术不应该与全基因组测序相混淆，”伦敦国王学院(King ' s College London)的法医遗传学家丹尼斯·辛德科姆-考特(Denise Syndercombe-Court)说。“它只涉及比较DNA的小序列，通常是短的重复序列或单个碱基位置的差异。”1986年，它首次被成功应用于一起法医案件，用来证明科林·皮奇弗克在莱斯特郡强奸并谋杀了两名女孩，并由此为一名无辜的嫌疑人开脱。

在过去的30年里，技术的进步，特别是聚合酶链式反应(PCR)“扩增”DNA样本的使用，已经允许使用越来越小的DNA样本来识别个人。这种技术可以从最微小的DNA样本中进行鉴定，比如从犯罪现场的指纹中提取的DNA样本。对同一指纹的化学分析也将用于确定嫌疑人使用过的物质。正是这项技术——对健康人尿液中极低浓度的可溶性DNA片段进行测序——可以防止类似2014年索契冬奥会的骗局再次发生。

然而，现代DNA分析技术(和，在较小程度上，色谱技术)的极端敏感性可能有缺点。避免样品污染现在更加重要。2007年，英国学生梅雷迪思·克尔彻(Meredith Kercher)在意大利被谋杀，犯罪现场的血液样本被污染，很可能导致了这起至今仍有争议的案件的多次起诉和无罪释放。Syndercombe-Court描述了英国的一个类似案件，DNA证据似乎表明一名男子在曼彻斯特强奸，尽管他发誓自己从未去过那里。她解释说:“这名嫌疑人因向警察吐口水而被捕，但强奸受害者的样本在实验室中被少量他的DNA污染了。”“如果没有被发现，一个小罪犯可能会被判更严重的罪行。”

像这样的真实案例，以及书籍和电视连续剧中对法医学相当现实的描述，推动了公众对科学在侦查中的作用的兴趣日益浓厚。反过来，这将促进人们对法医科学和法医化学作为一种职业的兴趣不断增加。随着纯化学课程的可悲减少，英国和其他地方的一些机构已经将化学学位转换为法医化学学位，或者在该学科中增加了一个选项。有趣的是，这对学术界的挑战比对法医化学家的挑战更大。“法医科学家必须是一流的化学家，因为所要求的严格程度，”英国法医学特许学会的布莱恩·兰金说。“然而，纯化学家需要学习新的技能，才能将他们的科学应用到新的环境中。“我们希望一些喜欢侦探小说的青少年能走上另一条路，成为明天的分析化学家。”

克莱尔·桑瑟姆，英国伦敦科普作家