A Espectroscopia Raman na Investigação Forense

Alexandra GuedesDGAOT/Instituto de Ciências da Terra, Pólo da FCUP

Princípio de Locard:

Quando dois objectos contatam existe sempre transferência de material entre eles

Professor Yves Locard, Lyon, 1928

1928 – um ano marcante e definitivo para a Espectroscopia Raman e as Ciências Forenses

O Efeito Raman:

A new light scattering phenomenonSir C.V. Raman, Calcutá, 1928

Prémio Nobel da Física, 1930

A new way of studying molecular interactions

Professor Peter Debye, Leipzig, 1928.

Symmetricalstretching

Asymmetricalstretching

BendingRocking

Wagging Twisting

p.e. modos devibração do grupo

molecular CH2

Grupos moleculares possuem vários modos de vibração

estados de energia específicos da molécula

A espectrocopia Raman (espectroscopia molecular ótica vibracional)

acesso à energia de transição entre dois níveis moleculares de uma molécula.

A interação entre a luz incidente e o modo vibracional de um composto molecular, provoca perdas e ganhos de energia no feixe, dando origem à dispersão ou efeito Raman.

300

350

400

0 500 1000

Wavenumber (cm-1)

Inte

nsit

y (

a.u

.)

Espectro Raman: projecção da intensidade de dispersãoversus a perda de energia relativamente à energia incidente

• Análises qualitativas (identificação de compostos)Os picos correspondem a energias dos modos vibracionais das diferentes espécies na amostra

• Análises quantitativas A intensidade dos picos é proporcional ao número de moléculas de volume excitado, o que permite a quantificação das espécies moleculares presentes

Polivalência da Espectroscopia Raman

Aplicada independentemente do estado de agregaçãoda matéria, seja molecular ou cristalina, orgânica ouinorgânica, a alta ou baixa temperatura (T) e/oupressão (P);

Pode ser utilizada em análise de superfícies ou dematéria inclusa, com volumes e escalas analíticas demilímetros, micrómetros e nanómetros, compossibilidade de cartografar a 3-D com imagens Ramande superfície, substâncias puras ou misturas;

Não precisa de trabalhar em vácuo, não necessita derevestimentos superficiais, nem de preparação daamostra;

Carácter não destrutivo e minimamente invasivo;

Alta especificidade para cada material, relativamente à composição química e à estrutura, dado que os modos de vibração são únicos para cada espécie química numa dada estrutura;

Elevado poder de resolução espacial;

Possibilidade de efectuar análises “in situ”, independentemente do tamanho e forma da amostra;

Permite a análise de controlo de qualidade de substâncias através de recipientes translúcidos que as contenham.

- maximiza o material para diferentes análises;

- preserva-o para ser examinado posteriormente.

• análise não destrutiva

Vantagens

• análise sem preparação da amostra e sem contacto

Vantagens

• análise pontual em amostras de tamanho variável.

Vantagens

Instrumentação Raman

Instrumentação Raman

Instrumentação RamanEspectrómetros Raman miniaturizados portáteis

Análise de substâncias perigosas através de recipientes com um espectrómetro Ramanportátil “First Guard”

Identificação de narcóticos com um espectrómetro Raman portátil “Delta Nu”

Instrumentação RamanEspectrómetros Raman miniaturizados portáteis

Gemas

Identificação gemológica

Identificação de tratamentos

Investigação da sua proveniência

Análise não destrutiva

Vantagens

• Não é necessário preparar a amostra• Análise pontual em amostras de diferentes tamanhos

Vantagens

• Identificação (em peças montadas)

Vantagens

Identificação

Diamante ou Zircão?

• Espectros Raman claramentediferentes.

• O diamante apresenta um picointenso aos 1328 cm-1, correspondente ao stretching mode C-C.

• O zircão apresenta múltiplasbandas Raman aos ~349, 431, 967 e 1002 cm-1, quecorrespondem ao bending mode e stretching mode Si-O.

Espectroscopia Raman de dois Rubis (Corindo, Al2O3): Falso e Rubi.

Autenticação Analise de jóias com gemas e pedras semipreciosas.

Lewis, I. R.; Edwards, H. G. M., Handbook of Raman Spectroscopy: From the Research Laboratory to the Process Line, Marcel Dekker, New York: 2001.0

Identificação de tratamentos com base nascaraterísticas das inclusões fluidas, sua morfologia,distribuição, …

Investigação da proveniência gemológica

- Identificação e quantificação de CO2, CH4, N2, H2S,...entre os diferentes voláteis.

- Identificação de sólidos

- Caraterísticas das inclusões fluidas, sua morfologia, distribuição, …

Investigação da proveniência recorrendo ao estudo dasinclusões fluidas

Tabela - Posição dos picos Raman_________________________________Espécies Δν (cm-1)COS 857SO4

2- 983HSO4

- 1050SO2 115112CO2 1285

138813CO2 1370HCO3

- 1360O2 1555CO 2143N2 2331HS- 2574H2S líquido 2580H2S em água 2590H2S 2611C3H3 2890CH4 2917C2H6 2954H2O líquida 3219NH3 3336H2O vapor 3657_________________________________

20 mm

1200

1000

800

600

400

200

0

Inte

nsid

ad

Ram

an

(u

.a.)

2935293029252920291529102905

Numero de onda (cm-1

)

n1 (CH4)

(cm-1) 2917

I (u.a) 1162 FWHM (cm-1) 2.95 G/L 0.45 IRaman 7729

Determinação quantitativa

20 mm

300

250

200

150

100

50

0

Inte

nsid

ad

Ram

an

(u

.a.)

1400135013001250

Numero de onda (cm-1

)

(cm-1) 1285 1388

I (u.a) 133 253 FWHM (cm-1) 2.50 2.46 G/L 0.57 0.57 IRaman 601 1148

Determinação quantitativa

20 mm

n1 (CO2) 1285 cm-1

2n2 (CO2) 1388 cm-1

(cm-1) 2328

I (u.a) 137 FWHM (cm-1) 2.17 G/L 0.22 IRaman 655

160

140

120

100

80

60

40

20

0

Inte

nsid

ad

Ram

an

(u

.a.)

2345234023352330232523202315

Numero de onda (cm-1

)

nN-N (N2)

Determinação quantitativa

20 mm

MarfimAnálise não-destrutiva de marfim para museus, fins históricos, arqueológicos e forenses.

– O artefato é genuíno ou é falso?

- Rotas de contrabando – CITES (Controlled Importation & Trafficking in Endangered Species)

Espécimens reais ou falsificações?

Dado Romano Figura de marfim

Arqueológico Contrabando recente

Dado Romano

Figura

Arqueológico e Marfim moderno

Gato Jarra de tabaco

Colecção de “marfim” de museu

Espectro Raman obtido no Gato

Falsificação

Vidro acrílico/ Poliestireno resina + calcite

Espectro Raman obtido na Jarra de Tabaco Genuíno

Marfim de elefante africano

Espectros Raman de marfim de museu

Braceletes e colar (Século XIX)

Peças reais ou falsificações numa colecção de museu

Simulação de marfim: nitrato celulósico

Análise de alimentosAzeite virgem

Autenticação e proveniência

3010 cm-1 Ácidos gordos polinsaturados (girassol, sésamo)

2897 cm-1 Ácidos gordos monoinsaturados (azeite virgem)

Grau de insaturação (-CC-) - Conteúdo emisómeros cis (1655cm-1)/ trans (1670 cm-1)

Adulteração fraudulenta de alimentos

Análise de mel adulterado com xaropes de cana e beterraba

Análise de alimentos

Espectros Raman de 3 tipos de mel florados adulterados com xaropesde cana e beterraba e espectros Raman dos adulterantes puros.

Análise de mel adulterado com xaropes de cana e beterraba

Cana pura

Beterraba puraMel

Mel

Mel

Adulteração fraudulenta de alimentosDeteção e determinação de melamina em leites maternizados

Análise de alimentos

Drogas e contrabando

Análise In-Situ – assuntos forenses/segurança, Gatwick Airport, Terminal 2,UK

Morfina e Heroína

Identificação de drogas de síntese e venda ilegal

Espectros de drogas de síntese e “cortes”

Identificação de drogas de síntese clandestina e venda ilegalIdentificação de “Ecstasy” e regioisómeros de MDMA

Raman Imaging

Ação COST: CA16101-Multi-modal Imaging of Forensic ScienceEvidence- tools for Forensic Science

Partícula de metanfetamina aprisionada numa impressão digital por supercola

Droga

Droga&

Cola

Cola

Explosivos

Falsificação de Viagra

Espectros Raman de fluidos

Suor

Sangue

Pigmentos

Identificação de pigmentos;

Identificação de intervenções.

De que fatores depende a sua cor?

Químicos: Tipo de ião cromóforo /catião (Ag2CrO4, PbCrO4) Tipo de anião (PbCO3, PbCrO4) Grau de hidratação (Co3(PO4)2.xH2O; Co3(PO4)2) Valência ou estado de oxidação (Fe3O4; Fe2O3) Tipo e densidade das ligações Grupo funcional orgânico

Físicos: Cristalinidade (HgS, cinábrio; HgS, amorfo) Tamanho da partícula vs f(T) (oxidos de Fe)

Externos: Tipo de luz incidente

Pigmento artístico: Pó fino colorido que serve para pintar objetos de arte.

Autenticação de obras de arte

Os pigmentos evoluíram nos seus processos de fabrico, desde a forma artesanal à industrial, pelo que por vezes temos de recorrer à análise de elementos minoritários, cristalinidade do material e texturas.

Salvador Dali (1904-1989):Modifica as texturas da cor negra variando a concentração de pigmentos: azul da Prússia, negro vegetal, vermelhão e branco de chumbo.

Pinturas Pré-históricas

pigments utilizados

Charcoal, lampblack C

Pirolucite, MnO

Hematite, Fe2O3

Magnetite, Fe3O4

Limonite, Fe2O3 *H2O

~35.000 -10.000 atrás

Homo Sapiens

ARTE DO RENASCIMENTO

A CRUCIFICAÇÃO (azul ultramarino; Il Sodoma, 1510-1513 d.C.).

O azul ultramarino é um sulfureto complexo e tem uma composição semelhante à lazurite. A primeira utilização do lápis-lazuli como pigmento data dos séculos 6-7 d.C.Este pigmento foi muito utilizado no Renascimento, conjuntamente com o vermelhão e ouro.

ARTE DO RENASCIMENTOA ANUNCIAÇÃO (1472-1475, Leonardo da Vinci).

O vermelhão é um pigmento derivado do cinábrio (sulfureto de mercúrio), utilizado pelos chineses já na pré-história. Sendo muito dispendioso foi utilizado pelos Romanos e na Idade Média nas iluminuras. Todavia, só no Séc. XIV um processo alquímico o tornou menos dispendioso.

Espectroscopia Raman in situ

Cortesia de M.J. Ayora Cañada e A. Dominguez

Universidade de Jaén

Lead oxide

(Pb3O4)

Cinnabar (HgS)

Análise de pigmentos no teto de umacatedral espanhola usando um equipamento Raman portátil.

Espectroscopia Raman portátil de pigmentos antigos

Espectros Raman obtidos no perfil estratigráfico (1 a 5) de uma escultura. (1) Hematite+silica, (2) Vermelhão+vermelho de chumbo+gesso+branco de chumbo, (3) Anidrite+gesso, (4) Branco de chumbo+gesso+negro de fumo, (5) Branco de chumbo+azurite.

Ftalocianina azul de CuSíntese: 1934Utilização comercial: 1940

Análise estratigráfica de Pigmentos azuis

Cecilio Pla1860 Valencia-1934 (Madrid)

Azul ultramar

Calcite

Rútilo

Ftalocianina azul de

Cu

Cr+3

Autenticação de Obras de ArteDeterminação da “palete pictórica” do autor

“São Simão e São Tomas”Repinte sobre OriginalHorcajo de la Torre (Ávila)

Pedro Berruguete?

“Los desposorios de la Virgen”Becerril de Campos, Palencia (España)Pedro Berruguete, 1485

Vestígios de Vermelhão(HgS) + Carvão (C) emCerusite (PbCO3)

“Los desposorios de la Virgen” de Pedro Berruguete, Palencia (Espanha).

Datação e autenticação

Barite

Azurite

Gesso

Anidrite

Falsificação de documentos públicosAnálise e identificação de tintas sobrepostas

Tintas

3

a) BIC ballpoint

b) BIC cristal

c) Papermate

d) Stadler Permanent

e) Faber Castell Rollerball

f) BIC 1960

g) Suporte papel

Evolução temporal: 24 meses

Análise de tintas: deteção de notas falsas

Espectros Raman de ftalocianina de cobre na área Z1 da bandeira da União europeia. (a) notas de 10€, (b) notas de 20 €.

Espectros Raman de PY95 na estrela amarela da bandeira da União europeia (área Z4). (a) notas de 10€, (b) notas de 20 €.

(a) (b)

Espectros Raman de carateres pretos (Z5) (carbono, ftalocianina de cobre e magnetite). (a) notas de 10€, (b) notas de 20 €.

(a) (b)

California Institute of Technology: RRUFF; http://rruff.info/

Bases de dados

SFMC: http://wwwobs.univ-bpclermont.fr/sfmc

Bases de dados

Università di Siena; http://www.dst.unisit.it/geofluids/raman/spectrum_frame.htm

Bases de dados

http://goya.fmc.cie.uva.es/Pigmentos/consultas/cons_raman.htm

Bases de dados

Bases de dados

A Espectroscopia Raman microscópica possui elevado potencialanalítico e combina virtudes especiais tais como:

• flexibilidade• especificidade• elevada resolução espacial• tempos de análise rápidos• carácter não destrutivo e não invasivo• não necessita de preparação da amostra• operatividade através de recipientes transparentes selados• elevada resolução espectral• análises “in situ” macro e/ou microscópicas

Os resultados obtidos por esta técnica conjuntamente com asvantagens da sua utilização permite-nos concluir que esta é umadas mais importantes técnicas pontuais analíticas para aplicaçãonos diferentes domínios das Ciências forenses.

Considerações finais

Livro de referência

• Chalmers, J.M., Edwards, H.G.M. , Hargreaves, M.D., eds. 2011. Infrared and Raman Spectroscopy in Forensic Science. John Wiley and Sons, Chichester ,UK .

Muito obrigado.