The analysis of hair samples using laser ablation ICP-MS for forensic application

Abstract

In this thesis, we established the Hair analysis by using the LA-ICP-MS and applied this method to the method of analysis of forensic field. The hair found at a crime scene is one of the main evidences to solve the case. However, the hair left in the crime scene is hard to be obtained because criminals knew that hair is very important as evidence through the media. Even a few strands of hair are collected as evidence, the possibility that a hair has its root is much lower. DNA can not be extracted from the hair without hair-root. Also the range that we can take advantage is narrower, if there is no object to compare the DAN information such as DNA database. Hair contains the high concentration of trace elements compared to the urine and blood. Also, it is not easily altered and its sampling and storage are convenient. Currently, the study through hair elements analysis to get information is in progress in various fields such as environment and medicine. Hair analysis by using ICP-MS is being underway world-widely. In this tool, the sample should be taken over 50~60 mg with the length about 3~5㎝ from its root part. In general hair tests, we can cut the hair near to the root directly. However collecting more than 50 strands of hair from criminal scene is very difficult or close to impossible. In this paper, laser-ablation is used to inject the sample in ICP-MS. This method makes possible that even small amount of sample can be analyzed. When the sample is tested by LA-ICP-MS, it should be corrected with the certified reference material (CRM) analysis. In order to analyse the powder form of hair as CRM, pressed pellet is produced and checked whether the result is correct or not. Also, we confirmed that the CRM can be substituted with quantified in-house references. And the suitability of rat hair as an in-house standard material is tested using hair’s original form (not powder form). We measured a quantitative value of certified reference material (CRM) using LA-ICP-MS. Hair was measured along the length of each part of the hair when injected using the Laser ablation. Depending on occupation (fishermen, painters, welders), there were differences in the content of the element. The analysis result was higher levels of 66Zn, 75As in painter’s and levels of 27Al, 55Mn in welder’s. These elements seem to be the metallic elements exposed at work. The controlled rat hair strands showed the constant content of the element. The rat hair element concentration did not differ according to the date of collection. In conclusion, the LA-ICP-MS analysis is good method to handle small amount of hair with simple treatment process, i.e., only washing is enough for sample treatment. Establishment of database for human hair depending on gender, area, and occupation, etc. can provide various applications in forensic science. Based on the analysis of this study, the element analysis of hair in the field of forensic science looks promising way to solve the criminal case.;본 연구에서는 LA-ICP-MS 를 이용한 모발 분석법을 확립하여 법과학 분야에서 이용할 수 있도록 하였다. 언론을 통한 모발의 중요성이 알려지면서 범죄현장에서 발견되는 발견되는 머리카락의 수는 그리 많지 않다. 단지 몇 가닥의 머리카락이 증거물로 수집되었을 때, 모근이 있을 확률은 더욱 낮아지게 된다. 모근이 없는 경우 DNA를 추출 할 수 없는 상황이며, DNA를 정보를 얻었다 하더라도 비교할 대상이 없으면 그 또한 활용할 수 있는 범위가 좁아지게 된다. 머리카락은 소변과 혈액에 비해 미세원소의 농도가 높고 쉽게 변질 되지 않으며 채취 및 보관이 편리하다. 현재 환경, 의료 등 다양한 분야의 국내외 기관에서 ICP-MS를 이용한 머리카락의 원소를 분석을 통해 정보를 얻기 위한 연구가 진행되고 있다. 이때 시료는 모근부로부터 3~5cm 정도의 길이로 50~60mg 이상 채취해야한다. 일반적 모발검사에서는 직접 모근 쪽에서 가까운 부분을 자르면 되지만 범죄현장에서의 50가닥 이상의 머리카락을 수집하기란 어려운 상황이다. 적은양의 시료로도 분석 할 수 있는 방법을 찾다가 Laser을 이용한 시료 주입으로 ICP-MS 분석방법을 이용하고자 하였다. Laser로 시료를 분석할 때에는 인증표준물질(CRM)과 함께 분석을 진행하여 그 값을 보정해 주어야 한다. 가루 형태인 모발의 인증표준물질(CRM)을 사용하여 Laser로 분석하기 위해서 pressed pellet을 제조하고 그 결과가 정확한지 확인하고자 하였다. 또한 실험실 내부표준물질(In-house reference)을 정량하여 인증표준물질(CRM)을 대체할 수 있는지 확인하였다. 추가 실험으로 가루형태가 아닌 모발의 원형을 유지할 수 있는 방안으로 쥐털을 이용하여 실험실 내부표준물질로써 적합한지 확인하였다. LA-ICP-MS 분석결과 인증표준물질(CRM)의 정량값이 측정되었다. 머리카락을 Laser로 ablation 시켜 주입할 경우 머리카락 길이에 따라 부위별로 측정이 되는 것을 확인하였다. 직업별(어부, 페인트공, 용접공)로 원소의 함량에 차이가 있었다. 페인트공의 경우 66Zn, 75As의 함량이 높았고 용접공의 경우 27Al, 55Mn의 함량이 높았다. 쥐털의 경우 식이와 환경제어를 통해서 개체별로 원소의 함량이 유사한 시료를 얻을 수 있다. 쥐털의 수집 날짜에 따른 원소의 함량에 차이가 없었다. 결론적으로 LA-ICP-MS를 이용한 머리카락분석은 세척만 해준 뒤에는 별다른 처리 없이 그대로 분석이 가능함을 알게 되었다. 추후 머리카락 제공자의 정보를 더 수집하여 성별, 지역별, 직업군 등의 데이터베이스를 구축해 법과학 분야에서 다양한 응용이 가능하도록 해야하겠다.