火場鑑識

火場鑑識 該怎麼進行?教你用氣相層析質譜儀(GC-MS)鑑識火場殘跡

最後更新日期: 2021-10-15

你會不會好奇火災結束後所有東西都燒光或被水沖走了,到底要怎麼做火災原因調查?其實火調除了現場勘查以外, 火場鑑識 也非常重要,也就是將火場的殘跡證物加以收集並拿到實驗室進行分析,確認殘跡證物中有哪些化學成分

火場殘跡證物鑑識包含可燃性液體(促燃劑)殘跡鑑識電氣殘跡鑑識爆竹及煙火火藥殘跡鑑識,今天我將著重在可燃性液體殘跡鑑識的流程介紹。另外,儀器分析是一個非常專業的領域,涉獵的範圍很廣泛,因此我只會整理一些基本觀念、列出跟消防特考有關的內容,更深入的內容之後有機會再來討論

延伸閱讀:火的一生-從起源到熄滅(解密你從沒看過的火災成長曲線)

研究可燃性液體殘跡的原因

火災發生的原因除了電氣因素、爐火烹調、遺留火種外,更值得我們關注的是「人為縱火」。縱火通常會使用可燃性液體(如汽油、煤油、柴油等)引燃或加速火勢燃燒,這些可燃性液體通稱為「促燃劑」(Accelerant)或「縱火劑」

當我們發現火災現場有本來不應該出現的可燃性液體時,就可以合理懷疑是否有縱火劑的存在、是否為縱火案件,因此研究可燃性液體殘跡是非常重要的!

使用促燃劑的火災現場有幾個特徵供我們觀察,詳細的介紹可以參考消防署100年5月消防月刊「促燃劑縱火案件調查與案例探討」(頁碼P62-P71)。這篇文章也簡單介紹了一些採證輔助工具、前處理方法,非常值得參考

火場殘跡鑑識步驟

在火場中火調人員會依照下圖的步驟來進行火場殘跡鑑識,每個步驟必須符合消防署或美國測試及材料協會(American Society for Testing and Materials , ASTM)的規範,下面我會逐一講解

火場鑑識

確認起火處

火災調查鑑定作業要領有提到許多火災現場的勘查重點,包含勘查步驟、觀察燃燒狀況、清理挖掘等部分。這個要領也是消防情境實務中火調考題的重點,請務必要熟讀!

火災調查與鑑識實務(鼎茂,廖茂為)這本書也有詳細介紹火流燃燒方向判斷方法、起火處研判方法、燃燒物的鑑識與實驗、促燃劑鑑定方法等內容,書裡有許多火災現場、實驗室的照片,可以清楚看出燃燒前後的差異性,建議準備火災調查的情境考題時可以參考這本書

延伸閱讀:
消防情境-沒準備好這些內容別想拿高分(解密三個最熱門考題)
消防特考申論題怎麼寫?身為考生一定要知道的 3 個重點

採集證物

採集證物時必須依照火災案件證物採驗規範的規定進行記錄、採集、包裝、緘封處理、保存等。這個規範也是消防情境實務考題的重點,尤其是第七點「火場證物之處理原則」和第八點「火場證物包裝、緘封處理」都出過很多題,一定要特別注意!

上面提到的這 2 個法規都有很多、很長的文字敘述,但請務必要熟背,火調考題幾乎每年都會從這 2 個規定出題,可以說是年年必考!

你身為消防局火調人員,依火災案件證物採驗規範規定進行火場證物採驗,下列敘述何者錯誤?

(A)研判起火處附近及相關位置採證後,再進行火場清理及復原重建工作

(B)2 人以上共同採取並於會封單上簽名

(C)對照物一併送驗以供空白試驗比對分析

(D)促燃劑之採樣應於 3 天內完成

107年三等重考

延伸閱讀:法規該怎麼背才不容易忘?快看最有效的5種記憶法

前處理

從火場採集的證物往往包含各種雜質,如果直接把這些證物送進儀器進行分析,可能會導致分析結果不准、甚至分析錯誤,這時就必須先進行「前處理」作業,將證物中的可燃性液體殘跡萃取、分離出來

依據 ASTM 的規範,可燃性液體殘跡可以透過下面6種方式進行前處理:

  • ASTM E1385-00:蒸氣蒸餾法(Steam Distillation)
  • ASTM E1386-00:溶劑萃取法(Solvent Extraction)
  • ASTM E1388-00:頂空分析法(Headspace)
  • ASTM E1412-00:靜態(被動式)頂空活性碳萃取法(Passive Headspace Concentration With Activated Charcoal)
  • ASTM E1413-00:動態頂空萃取法(Dynamic Headspace Concentration)
  • ASTM E2154-01:固相微萃取法(Solid Phase Microextraction, SPME)

前處理也常在火調情境考題中出現,但每一個前處理都有很多內容,無法在這裡一一說明,我之後會再另外整理成一篇文章

在火場採集疑似縱火的殘跡證物,鑑定其中是否殘留易燃性液體,欲以頂空被動式活性碳濃縮法吸附此疑似證物所殘留之石油系可燃性液體,並利用適當之溶劑洗出此等成分,以利隨後之儀器分析鑑定,下列何者不適合作為吸附可燃性液體成分使用的溶劑?
(A)二硫化碳 (B)正戊烷 (C)甲醇 (D)二乙醚

109年三等情境

儀器分析

經過前處理的火場證物會得到相對單純的混合物,這時再將混合物送入氣相層析儀(Gas Chromatography, GC)就可以將混合物分離、瞭解混合物中有幾種不同的化學成分

如果要進一步瞭解有化學成分的種類有哪些,可以將氣相層析儀外加一個質譜儀(Mass Spectrometry, MS),也就是所謂的「氣相層析質譜儀」(或稱氣質聯用, GC-MS)。將分子離子化、檢測荷質比(m/z)、對比質譜圖,就可以得到化學物質的結構

使用儀器分析遵循的也是ASTM的規範,這兩個規範的內容也很多,之後我會再另外整理成一篇文章:

下面我會先簡單介紹這兩種儀器的構造、原理和操作步驟,如果你想瞭解更多GC或GC-MS更深入的內容,可以到ChromClass CC的Youtube頻道觀看介紹影片,或到他們的官方網站查看更多資訊

這個頻道有一系列的影片在講解GC和GC-MS每一個構件的原理和運作方式,消防特考應該不會考得那麼深入,有時間、有興趣的話再慢慢看就好

氣相層析質譜儀簡介

氣相層析儀(Gas Chromatography)

氣相層析儀

整個氣相層析儀是由載氣GC本體電腦分析軟體這三個部分構成,GC本體包含樣品注射口、烘箱、管柱、偵測器等構造

當我們把液體樣品注入時,液體會在樣品注射口瞬間氣化,並在載氣的帶動下進入管柱。樣品裡的各種成分在管柱中移動速度都不同(就像賽跑比賽中每個選手的跑步速度都不一樣),使得每個成分抵達偵測器(終點)的時間都不一樣,偵測器會記錄抵達時間,最後畫出像下面這樣的層析圖譜

色譜圖
圖片來源:ASTM E1387-01

不同管柱長度與溫度會影響樣品的分離效果,另外要注意的是,氣相層析儀產生的層析圖譜只能記錄每個成分的抵達時間,無法得知到底是什麼物質,如果想知道化學式、化學結構就必須使用質譜儀來輔助

下面的影片是氣相層析儀的基本操作,包含設定溫度、注入樣品、查看色譜圖等,雖然影片中使用的儀器與電腦軟體可能都是舊款的,但儀器的操作流程和分析原理是一樣的,所以也值得我們參考

質譜儀(Mass Spectrometry)

GC-MS

經過氣相層析儀分離的樣品進到質譜儀中,離子化源會發射電子轟擊樣品,將樣品分子破碎成帶電的離子,每個離子都有不同的質荷比(質量/電荷, m/z),質量分析器中的電場會使不同質荷比的離子因為運動軌跡或運動速度不同而分離,分離後的離子經過偵測器就會得到像下面這樣的質譜圖(Mass Spectrum)

質譜圖就像化合物的指紋,每一種化合物都有特定的質譜圖。以上圖的甲苯為例,如果我們將某一個未知的物質注入GC-MS進行分析,結果出現這樣的質譜圖,就可以知道這個物質是甲苯

氣相層析儀產生的層析圖譜,每一個尖峰(peak)其實就代表一個質譜圖所對應的化合物,對比資料庫已建置的質譜圖檔案,就可以更準確地確認有哪些化合物存在,這就是將化合物做「定性」

火場鑑識

每一種化合物的質譜圖在特定的幾個質荷比上都會有較高的相對豐度(Relative Abundance),這幾個離子稱為「特徵離子碎片」,也就是說如果未來我們看到這幾個特徵離子,就可以判斷可能有相對應的化合物存在

106年的三等情境就出了2題這種考題,但我覺得考這個有點太難,背這些數字的意義也不大,再加上很多化學物質根本就連聽都沒聽過

你服務於消防局火災調查科,擔任火場證物的鑑識工作,為研判跡證所含之易燃性液體的成分,常利用氣相層析質譜儀,並設定搜尋易燃性液體經質譜儀離子化後的主要離子,以助成分的鑑別。請判斷下列何者為芳香族(即烷基苯)成分可能具有的離子?

(A)55, 69 (B)91, 105, 119, 92, 106, 120, 134

(C)43, 57, 71, 85, 99 (D)117, 118, 131, 132

106年三等情境

若你為火調人員,常利用氣相層析質譜儀鑑定分析跡證中是否含有易燃性液體,當跡證分析時發現氣相層析質譜圖的尖峰(peak)之主要離子(ions)含 m/z 為 43, 57, 71, 85, 99 等離子,請判斷此跡證中含下列何種易燃性液體?

(A)酮類化合物(ketones)

(B)環烷及烯類化合物(cycloalkanes and alkenes)

(C)烷類化合物(alkanes)

(D)烷基苯類化合物(alkylbenzenes)

106年三等情境

這兩題我找了很久都找不到答案,原文的文獻資料也沒有特別整理各種化合物的特徵離子,最後我是在警大鑑識系張維敦教授寫的「縱火劑殘跡鑑識」這份資料才找到答案(頁次P10),我將裡面提到的代表性化合物和其主要特徵離子列舉如下:

  • 烷類化合物(Alkane):m/z 43, 57, 71, 85
  • 環烷及烯類化合物(Cycloalkanes and Alkenes):m/z 55, 69
  • 正烷基環己烷(n-Alkylcyclohexane):m/z 82, 83
  • 烷基苯類化合物(Alkylbenzenes):m/z 91, 92, 105, 106, 119, 120
  • 芳香族茚滿(Aromatic-Indanes):m/z 117, 118, 131, 132
  • 烷基萘類化合物(Alkylnaphthalenes):m/z 128, 142, 156, 170
  • 烷基苯乙烯(Alkylstyrenes):m/z 104,117, 118, 132, 146
  • 烷基聯苯/苊(音同厄)(Alkylbiphenyls/acenaphthenes):m/z 154, 168, 182, 196
  • 萜(音同貼)烯(Terpenes):m/z 93, 136
  • 酮類化合物(Ketones):m/z 43, 58
  • 醇類化合物(Alcohols):m/z 31, 45

Thermo Fisher SCIENTIFIC 「GC-MS 概論」這份資料中的下面這張圖非常清楚地解釋了一個未知樣品的分析流程,氣相層析儀可以將樣品分離成各種化合物,而質譜儀則可以將各種化合物辨識出來

下面這個影片有GC-MS和質譜圖更詳細的介紹,如果有興趣的話可以參考看看

總結

氣相層析質譜儀對於 火場鑑識 工作來說是非常重要的儀器,能幫助我們判斷有無促燃劑、可燃性液體殘跡,瞭解是否為縱火案件。如果你對氣相層析質譜儀有更深一層的認識,歡迎在下方留言告訴我,儀器分析要學的知識太多了,希望可以跟你一起學習

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