Исследований
 Скачать 2.52 Mb.
|
|
ЛЕКЦИЯ 4 Методы исследования поверхности и внутренней структуры объектов 4.1. Принципы световой микроскопии Внешнее и внутреннее строение объектов экспертизы исследу- ется в судебной экспертизе, как правило, методами микроскопии. Микроскопия — это изучение объектов с помощью микроскопа. Методы микроскопии могут быть качественными, то есть давать информацию об особенностях строения поверхности, цвете и со- стоянии наблюдаемого объекта, или количественными, то есть ме- тодами измерения размера микрочастиц, дефектов поверхности и др. По принципу увеличения изображения, возможностям и це- лям использования выделяют методы световой (оптической) ми- кроскопии и электронной микроскопии. Наиболее распространенными методами анализа внешнего стро- ения объектов судебной экспертизы являются методы световой (оптической) микроскопии. Эти методы основаны на получении увеличенного изображения исследуемого объекта за счет взаимо- действия света с веществом, которое наблюдают с помощью опти- ческого микроскопа. Микроскоп позволяет исследователю видеть тонкие детали строе- ния объектов и фиксировать результаты. Можно, кроме того, ис- пользовать микроскоп для измерения образцов. Сравнительно недавно были разработаны методы, позволяющие на основании взаимодействия света с веществом определять такие параметры, как коэффициент преломления, масса и химический состав мел- ких объектов. Микроскоп (от греч. micros — малый, skopeo — смотрю) — оптический прибор для наблюдения изображения предметов, невидимых невоору- женным глазом (рис. 4 1 ). 1 URL: kurs.znate.ru / docs / index-151704.html 53 4.1. Принципы световой микроскопии Рис. 4. Микроскоп Биомед 2 При микроскопическом исследовании объект помещают на пред- метный столик микроскопа, над которым располагается устройство с вмонтированными линзами объектива и тубус — трубка с окуляра- ми. Наблюдаемый объект освещается с помощью системы, состоя- щей из лампы (источника света), наклонного зеркала и линзы. Объ- ектив собирает лучи, рассеянные объектов и образует увеличенное изображение объекта, которое можно увидеть с помощью окуляра. Основная цель микроскопии — это получение хорошего изобра- жения, то есть достижение оптимального увеличения, разреше- ния и контраста. Увеличение светового микроскопа есть двухстадийный процесс. Во-первых, увеличенное действительное изображение препа- рата создается объективом. Математически увеличение есть отно- шение размеров изображения к размерам препарата. Это первич- ное увеличение, которое часто бывает выгравировано на объективе. Создаваемое объективом изображение оказывается в микроскопе внутри окуляра и является перевернутым. 54 Лекция 4 Во-вторых, проходя через окуляр, свет меняет свое направле- ние таким образом, что в глаз попадает конус света со значитель- но большим углом. Это вторичное увеличение, которое обычно выгравировано на окуляре. Общее увеличение микроскопа есть результат умножения первич- ного увеличения объектива на вторичное увеличение окуляра. Следует подчеркнуть, что видимое в микроскопе изображение — это только репродукция образца, то есть мы в действительности видим увеличенное изображение образца, но не сам образец. Это увеличенное изображение образуется за счет взаимодействия с объектом видимых, ультрафиолетовых и инфракрасных лучей. 4.2. Виды взаимодействия света с веществом и использование их в световой микроскопии Все виды взаимодействия света с веществом могут быть разде- лены на семь категорий: преломление, отражение, поглощение, пропускание, флуоресценция, поляризация и дифракция. Преломление — изменение скорости света при прохождении границы двух сред, когда он входит в среду. Отношение скорости света в вакууме к его скорости в стекле на- зывается коэффициентом преломления (n) стекла. Во всех системах линз микроскопов свойство преломления используется для фо- кусировки света и корректировки аберраций (отклонение лучей) в линзах, а также для того, чтобы передать увеличенное изображе- ние препарата в глаз. Коэффициент преломления зависит от дли- ны волны света ( λ ): он возрастает с уменьшением длины волны (синий свет) и уменьшается с увеличением длины волны (красный свет). Это различие в зависимости от длины волны света имеет большое значение. Белый свет, проходя через линзу, сфокусируется в серии фоку- сов, в соответствии с длинами волн составляющих цветов, причем синие окажутся ближе к линзе (для них фокусное расстояние ко- ! 55 4.2. Виды взаимодействия света с веществом и использование их в световой микроскопии роче), чем красные (их фокусное расстояние длиннее). Расстояние между этими фокусами есть величина хроматической аберрации (рис. 5 1 ). Рис. 5. Хроматическая аберрация линз Зависимость абсолютного показателя преломления света в ве- ществе от длины волны называется дисперсией и является характе- ристикой материала линзы (рис. 6). Рис. 6. Дисперсия света Стекла с различной дисперсией используются для коррекции аберраций в системах линз. Явление дисперсии можно использо- вать для исследования некоторых образцов, например, для выяв- ления в препаратах волокон асбеста. Чтобы избежать влияния гра- ницы стекло — воздух используют иммерсионное масло, имеющее тот же показатель преломления, что и стекло. 1 URL: photof.ru/wiki/aberraciya/ 56 Лекция 4 Отражение, поглощение и пропускание. При падении излуче- ния на тело часть света отражается, а другая проходит внутрь среды. В среде часть излучения может поглотиться или рассеяться (при на- личии в ней неоднородностей), а остальная часть пройти через неё. Отражение от поверхности материалов широко используется в микроскопии. Оно также связано с длиной волны. Если свет всех длин волн поглощается равномерно и, следовательно, не отражает- ся деталями образца, то детали будут выделяться по тональности освещения, то есть по оттенкам серого цвета. Если поглощение раз- личается в зависимости от длины волны, то детали изображения будут окрашены. Получающийся цвет есть результат того, что из бе- лого цвета удалены поглощаемые длины волн. То же можно ска- зать и об изображении в отраженном свете. Если свет всех длин волн отражается от поверхности в равной мере, то изображение ее не бу- дет различимо в ярком свете. Если же одна длина волны отражает- ся, а другие составляющие белого света поглощаются, то повер- хность будет окрашена в соответствии с длиной отраженного света. Флуоресценция (фосфоресценция). Некоторые вещества, по- глощая свет одной длины волны, испускают свет большей длины волны. Если имеется задержка между поглощением и испускани- ем, то говорят о фосфоресценции, а если испускание прекращается сразу же после удаления возбуждающего света, то говорят о флу- оресценции. Длина волны испускаемого света, как правило, больше, чем дли- на возбуждающего света. Это явление лежит в основе флуоресцен- тной микроскопии, где используется возбуждение ультрафиолето- вым, синим или зеленым светом. Поляризация. Световые лучи представляют собой электромаг- нитные волны, колебания которых происходят в направлении, пер- пендикулярном направлению луча. Статистически, нормальный свет имеет колебания во всех направлениях, перпендикулярных оси луча. Некоторые вещества пропускают (поглощают) свет по-разному, в за- висимости от направления колебаний световой волны по отношению к определенной плоскости. Такие вещества могут пропускать лучи с колебаниями только в одной плоскости, и тогда, пройдя через это вещество, свет становится плоскополяризованным (рис. 7 1 ). 1 URL: www.3d-move.ru/article/read/o-polarizacii-i-2d-ochkah 57 4.2. Виды взаимодействия света с веществом и использование их в световой микроскопии Рис. 7. Поляризация света Вводя такое вещество в микроскоп между источником света и пре- паратом, исследователь получает возможность наблюдать, как влияет его препарат на плоскополяризованный свет. Вращая поляризатор или препарат, чтобы выяснить, зависит ли эффект от их расположе- ния, можно установить, обладает ли препарат дихроизмом. Показа- тель преломления некоторых материалов зависит от направления поляризации света, проходящего через образец. Такие материалы на самом деле имеют два показателя преломления и называются двулучепреломляющими. Помещая образец на столик микроскопа между двумя поляроидами, расположенными под прямым углом друг к другу (скрещенные поляроиды), и вращая препарат, мож- но обнаружить двойное лучепреломление и получить информацию об очень тонких особенностях исследуемого образца. Дифракция (от лат.diffractus — разломанный) — огибание вол- нами встречных препятствий, то есть отклонение от законов гео- метрической оптики. Это отклонение от прямолинейного распространения света при про- хождении вблизи препятствий, на резких неоднородностях сре- ды (границы прозрачных и непрозрачных тел, малые отверстия). Дифракция происходит всегда, когда волны распространяются в не- однородной среде. (рис. 8 1 ). 1 URL: www.google.ru/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad =rja&uact=8&ved=0CAcQjRw&url=http%3A%2F%2Fkk.convdocs.org%2F docs%2Findex-272647.html&ei=02CUVPSvLIfMyAOZxYGoDA&bvm=bv.8200 1339,d.bGQ&psig=AFQjCNH29Yu9Txqpyt00-s0_jRZotKNyag&ust= 1419096444096949 58 Лекция 4 Рис. 8. Дифракция света Дифракция явление не столь очевидное, как описанное выше взаимодействие света с веществом. Однако она имеет фундамен- тальное значение для микроскопии. Размытые детали на границах изображения структур препарата — это рассеянный свет. Рассеи- вание происходит в основном вследствие дифракции, вызывае- мой препаратом. Интерференция (от лат. inter взаимно, между собой и ferio ударяю, пора- жаю) — сложение двух (или нескольких) волн, при котором в получается усиление или ослабление амплитуды результирующей волны и обычно на- блюдается характерное пространственное распределение интенсивности света (интерференционная картина) в виде чередующихся светлых и тём- ных полос (рис. 9 1 ). Интерференция наблюдается, если волны имеют одинаковую частоту и постоянную во времени разность фаз, т. е. волны когерен- тны (рис. 9). Интерференцией света в тонких плёнках объясняются радуж- ная окраска пятен масла или нефти на воде, цвета побежалости на закалённых металлах и др. 1 URL: seoproff.ucoz.es/blog/interferencija_sveta1/2013-05-31-18 59 4.3. Методы световой микроскопии в экспертных исследованиях Рис. 9. Интерференция света в тонкой пленке. 4.3. Методы световой микроскопии в экспертных исследованиях Первый этап экспертного исследования внешних особенностей объектов осуществляется с помощью световой микроскопии. В экспертной практике световые микроскопы используются, во- первых, для предварительного исследования объектов, к которо- му, в частности, относится подготовка объекта к последующему исследованию (разделение многокомпонентных веществ и много- слойных материалов, извлечение микрочастиц с предмета-носителя и др.), а также определение различных физических и химических свойств объектов. Во-вторых, широко распространены световые микроскопы специального назначения (т. н. криминалистические микроскопы), которые приспособлены для решения конкретных экспертных задач. Например, с помощью сравнительного микро- скопа для исследования пуль и гильз решается вопрос идентифи- кации оружия, из которого производилась стрельба. По характеру взаимодействия света с веществом световую ми- кроскопию разделяют на микроскопию в проходящем, отраженном и поляризованном свете, а по источнику света — люминесцентную микроскопию и микроскопию в ультрафиолетовом и инфракра- сном свете. Оптическая (световая) микроскопия в отраженном, проходя- щем и поляризованном свете широко используется при исследова- нии объектов судебной экспертизы в следующих целях. Метод светлого поля в проходящем свете используется для ис- следования достаточно прозрачных (не поглощающих свет) объек- 60 Лекция 4 тов с включениями, которые выглядят темным пятном на светлом поле. Для исследования прозрачных объектов используют также метод темного поля в проходящем свете. В этом случае наблюда- ют светлые детали объектов на темном поле. Методы исследова- ния объектов в проходящем свете используются в судебной эк- спертизе при исследовании осколков стекол, ювелирных камней, объектов биологической природы. Метод микроскопии в отраженном свете используют при ис- следовании непрозрачных объектов. Это широкий круг объектов судебной экспертизы: частицы изделия из металлов и сплавов, ла- кокрасочных покрытий, волокон, документов и любые другие не- прозрачные частицы твердых веществ и материалов. При исследовании лакокрасочных материалов и покрытий ми- кроскопия в отраженном свете используется для установления количества слоев в покрытии, их последовательности и толщины, наличия включений, загрязнений, взаимного проникновения сло- ев, образования различного рода воздушных пор, пузырей, рако- вин и других дефектов технологического характера. Выявленные признаки позволяют в некоторых случаях по результатам микро- скопического исследования решать вопрос о тождестве объектов. Исследование волокнистых материалов микроскопическими ме- тодами проводится для определения природы, цвета, характера по- верхности волокон, для выявления посторонних микроналожений волокон. Эти исследования позволяют решать задачи определе- ния родовой принадлежности окрашенных текстильных волокон, а при исследовании тонких срезов химических и природных воло- кон — установление их родовой (групповой) принадлежности. Ультрафиолетовая и инфракрасная микроскопия позволяет проводить исследование объектов за пределами видимой области свете и получать дополнительную информацию об объектах. Так, микроскопия в ультрафиолетовой области спектра (200–400 нм) применяется часто для исследования биологических объектов, ин- фракрасная микроскопия (750–1200 нм) дает возможность изучать внутреннюю структуру объектов, непрозрачных в видимом свете (кристаллы, минералы, некоторые стекла, залитые тексты и др.) 1 1 Криминалистическая техника: Учебник / Отв. ред. Н. М. Балашов. М.: Юр- литинформ, 2002. С. 24. 61 4.3. Методы световой микроскопии в экспертных исследованиях Люминесцентная микроскопия используется для наблюдения люминесценции некоторых веществ в видимой области спектра при ее возбуждении ультрафиолетовым излучением. Используется для обнаружения следов ГСМ и НП на предметах — носителях, до- казательства наличия следов крови и выделений человека, при ис- следовании стекол, химических ловушек, идентификационных ме- ток и любых люминесцирующих микрочастиц объектов судебной экспертизы с целью их обнаружения и дифференциации. Микроскопия в проходящем и отраженном поляризованном свете используется для исследования анизотропных объектов (объек- ты, у которых оптические свойства не одинаковы по различным на- правлениям), например, минералов, биологических объектов и др. Для проведения исследований методами световой микроскопии используют микроскопы различных систем и назначения. Боль- шинство микроскопов, используемых в экспертных исследованиях, являются стереоскопическими, в которых можно наблюдать объем- ное изображение объектов за счет рассматривания его через два окуляра двумя глазами. Микроскопы биологические стереоско- пические (типа МБС) используют для исследования объектов как в проходящем, так и отраженном свете. Это наиболее распро- страненные в экспертных учреждениях микроскопы, применяются для исследования практически любых объектов судебной экспер- тизы как биологической природы (волосы, следы тканей и выделе- ний и др.), так и для исследования документов, металлов, лакокра- сочных покрытий, волокон, стекла и др. Широкое распространение в экспертных исследованиях находят сравнительные микроскопы (типа МСК — микроскоп сравнительный криминалистический, МИС, МС), имеющие спаренную оптическую систему, позволяю- щую одновременно проводить сравнительное исследование двух объектов. Кроме того, для ряда специальных исследований исполь- зуют люминесцентные микроскопы и микроскопы для работы в инфракрасном свете, металлографические микроскопы. Современные микроскопы снабжены насадками для вывода уве- личенного изображения объекта на экран и для его фотографи- рования, телекамерами и персональными компьютерами, позво- ляющими выявлять признаки исследуемых объектов и проводить сравнительное исследование объектов по этим признакам с помо- щью специальных программ. 62 Лекция 4 Световые микроскопы позволяют исследовать объекты при уве- личениях до 2000 крат. Изображение в данных микроскопах фор- мируется с помощью световых лучей и характеризуется достаточ- но низким разрешением (0,2 мкм) и малой глубиной резкости, что не всегда позволяет выявить особенности тонкого строения объекта. Более информативными являются электронные микроско- пы, в которых изображение формируется с помощью электронных пучков, благодаря чему достигается высокое разрешение и боль- шие увеличения 1 4.4. Методы электронной микроскопии Электронная микроскопия — метод изучения структуры поверхности ми- крообъектов с помощью потока электронов, позволяющий исследовать объекты при увеличении порядка 2x10 5 и обладающий высокой разреша- ющей способностью. Движущийся электрон ведет себя как волна, причем его длина в 50 000 раз меньше длины волны света, следовательно, и объекты, которые можно наблюдать в потоке («лучах») электронов, могут быть значительно меньше. Первый электронный микроскоп был построен в начале 1930-х гг. В нем вместо лучей света использовались быстрые электроны, а вместо стеклянных линз — электромагнитные катушки или элек- тронные линзы. Исследуемый объект рассеивает, отражает и по- глощает электроны. Метод используется для исследования деталей микрострук- туры объектов, невидимых (лежащей за пределами разрешаю- щей способности) в световом микроскопе (мельче 0,1 мкм). Он позволяет выявлять внутреннюю структуру и морфологию поверх- ности различных объектов и проводить их сравнение при иден- тификационных исследованиях по таким морфологическим при- знакам, как размер и форма микрочастиц (на поверхности или в следе). 1 Вещественные доказательства: Информационные технологии процессу- ального доказывания / Под ред. В. Я. Колдина. М.: Норма, 2002. С. 570. 63 4.5. Просвечивающая (трансмиссионная) электронная микроскопия В настоящее время с помощью электронных микроскопов мож- но добиться увеличения в 90 млн раз и добиться пространственно- го разрешения в 0,06 нм, что меньше размера большинства атомов. В экспертной практике используется метод просвечивающей (трансмиссионной) электронной микроскопии и метод растровой электронной микроскопии, которые различаются по методике из- мерения. Они дают различную информацию об объекте и часто ис- пользуются совместно. |