Beatriz Pagliarini Gonçalves da Silva

Michelle Mota Sena

Nathalia Zerbinatti Ferreira

Aplicações Potenciais do Microscópio de Varredura por Sonda na Ciência Forense

Londrina – PR

2013

Beatriz Pagliarini Gonçalves da Silva

Michelle Mota Sena

Nathalia Zerbinatti Ferreira

Aplicações Potenciais do Microscópio de Varredura por Sonda na Ciência Forense

Trabalho apresentado à disciplina de Física Biológica do curso de Biomedicina.

Prof. Dr. Pedro Henrique Arruda Aragão

Londrina – PR

2013

Resumo A comunidade forense utiliza um grande número de técnicas para

investigar uma ampla variedade de materiais, desde pinturas descascadas até DNA. As várias técnicas microscópicas têm fornecido algumas das melhores contribuições na área, por exemplo, a FT-IR (Espectroscopia Infravermelho Transformada de Fourier) utilizada em discriminação forense de fotocópia e toners de impressora, análises de fragmentos de pintura de carros em várias camadas) etc, SEM-EDA (Microscopia Eletrônica de Varredura com Análise de Energia Dispersiva) usada para investigar fragmentos de vidro, fibras e explosivos, e Microscópio Eletrônico de Varredura em microamostragem para análise elementar, entre outros. Este estudo mostra a habilidade da Microscopia de Varredura por Sonda (SPM) em analisar impressões digitais humanas em superfícies utilizando um recurso de medida e digitalização possibilitando análises de um grande campo de visão. Nós também ampliamos um estudo de cruzamentos de linha por incorporação de análises de altura e medidas de aspereza de superfície. O estudo demonstra o potencial das técnicas de Microscópio de Varredura por Sonda (SPM) para serem utilizadas em análises forenses, a qual poderiam complementar as metodologias mais tradicionais usadas nessas investigações.

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO.......................................................................................................01

2 DESENVOLVIMENTO............................................................................................01

2.1 DETALHES EXPERIMENTAIS....................................................................................01

2.1.1 Preparação Dos Materiais................................................................................01

2.2 INSTRUMENTAÇÃO SPM E SONDAS.........................................................................01

3 RESULTADO E DISCUSSÃO................................................................................02

3.1 ANÁLISE IMPRESSA................................................................................................02

3.1.1 Análise no ar.....................................................................................................02

3.1.2 Análise em líquido ...........................................................................................02

3.1.3 Análise de Força x Distância............................................................................03

3.2 ANÁLISE DE SOBREPOSIÇÃO DE IMPRESSÕES..........................................................03

3.3 ANÁLISE DE MEDIDA E VARREDURA........................................................................04

3.4 ANÁLISE DE LINHA DE CRUZAMENTO.......................................................................04

4 CONCLUSÃO.........................................................................................................05

5 CONCLUSÃO DO GRUPO.................................................................................... 05

1. INTRODUÇÃOVárias técnicas utilizadas por cientistas forenses permitem estudos detalhados sobre uma variedade de materiais. Enquanto a ciência avança, ocorre também o progresso das ferramentas de trabalho. Quaisquer acréscimos a essas técnicas podem melhorar os resultados existentes baseando-se em evidências, de modo a condenar ou absolver um suspeito em um crime. Este estudo expande um relativo recém-chegado à área forense, o Microscópio de Varredura por Sonda (SPM), demonstrando seus vários modos de operação. A vantagem do SPM consiste na sua habilidade de caracterizar superfícies baseando-se em características topográficas, assim como suas propriedades químicas e físicas.

2. DETALHES EXPERIMENTAIS2.1. Preparação dos materiaisAs impressões digitais foram depositadas em lâminas de microscópio novas e limpas (sem nenhuma alteração adicional ou manipulação). As linhas de superfície foram criadas em impressão fotográfica no papel polido utilizando caneta de tinta azul esferográfica padronizada.

2.2. Instrumentação SPM e sondasAs sondas utilizadas para este estudo consistem de uma alavanca em forma de feixe(viga) com uma ponta cônica integrada fixada em sua extremidade livre. Alavancas de Si (Silício) em forma de feixe foram fornecidas pela Ultrasharp NT-MDT (Soluções integradas para nanotecnologia).O comprimento (L), a largura (w), a espessura (t), ponta de altura (h), constante de mola normal (kN) e do raio de curvatura da ponta (RTIP) foram 350 µm, 35 µm, 1 µm, 15-20 µm, 0.01-0.08 nm -¹ e 20-30 nm, respectivamente, tal como fornecido pelo fabricante.

As forças que atuam entre a ponta e a amostra vão resultar em deflexões(desvios) do cantilever. A alavanca curva-se verticalmente, isto é, na direção +- z (normal ao plano da amostra), em resposta às forças atrativas e/ou repulsivas que atuam na ponta. Quando a ponta está em contato com uma amostra, o desvio da alavanca a partir da sua posição de equilíbrio é proporcional ao peso aplicado na ponta pela alavanca. Assim como a medição de forças normais, a medição simultânea de forças de atrito também é possível, como resultado de um movimento de rotação da alavanca a partir da sua posição de equilíbrio [2]. Dependendo da rigidez da alavanca (isto é, o valor da kN) pode-se detectar as forças de ponta/amostra no intervalo de 10-6 a 10−12N. À medida que o instrumento é capaz de medir essas pequenas forças com elevada resolução espacial, o estudo da química da superfície local é possível [3].

Durante o estudo, as análises de superfície foram realizadas em modos de contato usando o ThermoMicroscope Explorer (Microscópio de Força

Atômica) e instrumentos Discoverer, com scanners tripé 130x130 e 70x70 µm², respectivamente, cada um com um alcance Z de ca. 9.7 µm.Os experimentos foram realizados sob condições ambientes do ar com uma humidade relativa de 55% e uma temperatura ambiente de 25 º C e sob a água (Milli-Q).3. RESULTADOS E DISCUSSÃO3.1. Análise impressa3.1.1. Análise no ar. Uma impressão digital recém-depositada foi visualizada no modo de contato com uma sonda de Si (Silício) (constante nominal da mola, kN, ca. 0,03 Nm-¹) em um ar ambiente. As imagens resultantes (força de carregamento, FLoad, = 14 nN) são mostradas na figura. A força de calibração utilizada para determinar estes valores podem ser encontrados na literatura [4, 5]. A transferência de material das saliências papilares para o vidro é aparente. Os depósitos consistem de uma mistura complexa de compostos orgânicos e inorgânicos, por exemplo, componentes, sódio, cloreto, aminoácidos e de ácidos graxos, respectivamente, entre outros [6, 7]. Estes contaminantes aderem a maior parte das superfícies e de análise é geralmente realizada por meio da técnica de pó/pulverização.

A media quadrática (RMS) da aspereza da superfície ao longo de uma área de 40x40 µm sobre a superfície de impressão e de vidro foram consideradas em 280 nm e 45 nm, respectivamente.Através da aplicação de uma fonte artificial de luz para a imagem topográfica, os detalhes granulares são otimizados (figura 1 (b)). Figura 1 (c) mostra uma imagem de força lateral revelando a extensão de diferenciação de atrito entre as duas interfaces. Regiões mais claras revelam maiores interações atrito. Isto foi verificado utilizando a análise no circuito de atrito (dados não mostrados).

Figura 1. (a) Imagem topográfica revelando deposição de resíduo de impressão digital sobre uma superfície de vidro. Parte (b) mostra melhor as características da superfície pela aplicação de uma sombra artificial(contraste), e (c) revela um maior contraste lateral sobre a impressão digital. A superfície foi fotografada no ar.

3.1.2. Análise em líquido. Submergindo a amostra em líquido, nesse caso H2O (Milli-Q), quaisquer meniscos das forças de superfície que podem dominar

(particularmente onde tanto a superfície quanto a amostra são altamente hidrofílicas) são eliminadas. Não houve diferença perceptível em qualquer um dos dados, topográficos ou de atrito, entre a análises no ar e no líquido. Os resultados demonstram a capacidade da AFM em criar a imagem destas amostras em um meio aquoso.3.1.3. Análise de Força x Distância A força da interação de aderência/adesiva dependerá do grau de hidrofobicidade / hidrofilicidade, tanto da ponta quanto da superfície. Por exemplo, superfícies hidrofílicas em contato podem formas uma ponte de menisco com forças adesivas maiores do que quando as duas superfícies são hidrófobas [8]. As forças de adesão em meio líquido são dependentes de vários fatores como o pH do meio, interações eletrostáticas, interações de van der Waals e sobre os efeitos estereoquímicos / topográficos [9].

Curvas representativas f-d ilustrando e contrastando os resultados das análises das regiões impressas e de vidro, no ar e em embaixo d’água são mostradas na figura 2 (a) e (b), respectivamente. A diferença de escala é o resultado da camada de menisco dominante durante experimentos realizados no ar (a). O ponta de vidro e de Si (Silício) apresentam maior hidrofilicidade. A força maior do menisco domina (por exemplo, características de batidas e interações adesivas). As contribuições do menisco são eliminadas debaixo d'água, assim, uma força adesiva pequena é vista em (b) sobre a superfície de vidro. As forças adesivas semelhantes medidas na impressão em água e em ar resultam do contato com o grande número de contaminantes na impressão digital (por exemplo, vários dos resíduos, os óleos e ceras). A histerese -fenômeno apresentado por alguns sistemas ou materiais que conservam as suas propriedades mesmo na ausência do estímulo que as gerou - observada na curva f-d não afeta significativamente os resultados de aderência.

Figura 2. Curvas representativas f-d obtidas no ar (a) e debaixo d’água (Milli-Q) (b) em uma impressão digital numa lâmina de vidro.

3.2. Análise de sobreposição de impressõesÉ possível investigar duas impressões digitais que se sobrepõem. Uma margem definitiva pode ser encontrada revelando tanto superfície impressa quanto subjacente/inferior (vidro). A Figura 3 mostra imagens topográficas (a) e artificialmente sombreadas das duas impressões intersectadas a superfície do vidro. As imagens topográficas revelam as características; a imagem sombreada e força lateral em (c) e imagem tridimensional (d) distingue

claramente as interfaces. Novamente, o sinal de atrito é mais elevado na impressão (ciclo de atrito verificado).

Figura 3. Imagem topográfica de duas impressões cruzadas (a) e a mesma imagem artificialmente sombreada em (b). A força lateral (c) e imagem tridimensional (d).

3.3. Análise de medida e digitalizaçãoÁreas maiores digitalizadas dos depósitos de impressão podem ser obtidas utilizando uma função de medida e digitalização. A Figura 4 ilustra abaixo esse processo com 40 imagens de 70 µm x 70 µm de áreas digitalizadas. Cada sub-imagem é composta por conjuntos de dados de 100 x 100. As imagens foram obtidas em velocidades de digitalização de 1500 µms-1.

Figura 4. 40 imagens de impressões digitais medidas e digitalizadas. Cada sub-imagem tem 70 µm em área. Algumas sobreposições são aparentes.

3.4. Análise de linha de cruzamentoUma caneta depositará uma fina camada de tinta. A Figura 5 mostra os perfis de altura, imagens topográficas e laterais de uma intersecção entre duas linhas traçadas, com o papel subjacente também visível. A análise foi realizada sob condições ambientais do ar. O perfil da linha em (a) revela a altura média de tinta ser ca. 200 nm, com um resultado semelhante em toda a tinta no perfil de tinta mostrado em (b). Assim, a informações sobre a altura pode ser usada para determinar a história escrita da amostra. A Figura 5 (c) mostra uma imagem sombreada artificialmente onde os depósitos de tinta parecem "mais suaves".

Figura 5. (a) o perfil da altura através do papel e tinta Linha 1 mostrada em (c), e (b) o perfil de altura em toda a Linha 1 e Linha 2. Parte (c) é uma imagem sombreada artificialmente revelando a superfície com mais detalhes.

As curvas f-d mostradas na figura 6 demonstram uma menor interação de adesão entre a amostra e o papel. Os resultados indicam que as forças do menisco com ponta de tinta são mais elevadas que as interações ponta-papel. A amostra também pode ter uma área de contato maior com a tinta na mesma força de carga/carregamento. O recurso da batida(estalo) (figura 6 (b)) também indica uma camada maior do menisco e/ou deformação da tinta em contato com a ponta.

Figura 6. As curvas representativas f-d obtidas no papel e tinta e suas respectivas características de batida (b). Curvas obtidas sob condições ambientes do ar.

4. CONCLUSÃOO Microscópio de Varredura por Sonda é agora uma ferramenta crucial em muitos laboratórios, porém esse método/tecnologia tem sido utilizado em poucas aplicações forenses, incluindo um exame das passagens de linha em documentos [10] e a caracterização de resíduos do ponto de acesso a sítios de reação[11, 12].

Potencialmente, o SPM poderia ser empregado como uma tecnologia complementar para estudos forenses, oferecendo análise de amostras não-destrutivas com resolução micro até nanométrica. Contraste de adesão e atrito, informações topográficas tridimensionais e análise em ambientes líquidos, gasosos ou ar facilitam esta técnica para uma ampla gama de análises.

Nosso estudo mostra que as informações produzidas pela técnica do SPM, discriminação adesiva, contrastes topográfico e de atrito podem ser usados para análise qualitativa e quantitativa de amostras comumente usadas em investigações da ciência forense. Dentre as restrições de limitação do método SPM estão o tamanho relativamente pequeno da digitalização e o tempo de aquisição de dados. A Incorporação de leitores(digitalizadores) grandes, sistemas de alavanca dispostas de várias maneiras e implementação medida e varredura reduziriam significativamente essas restrições.

5. CONCLUSÃO DO GRUPOA partir desse artigo, concluímos que o Microscópio de Varredura por

Sonda (SPM), apesar possuir, por ora, apenas algumas aplicações forenses, já que é recém-chegado no mercado e, de certa forma, desconhecido por muitos profissionais e laboratórios da área, atualmente, já vem se tornando um aparelho de suma importância em diversos processos laboratoriais, tais como exames de passagens de linha em documentos, caracterização de resíduos, entre outros.

O SPM oferece várias possibilidades no âmbito das análises de amostras não destrutivas, como exemplos temos o contraste de adesão e atrito e a análise em ambientes líquidos, gasosos e ar. Assim, o equipamento demonstra-se útil para ínúmeras situações nas quais o diagnóstico correto e preciso é necessário, já que seus resultados podem contribuir na investigação

de crimes e, por consequência, apontar culpados e inocentes, agindo conjuntamente com o órgão legal em questão.

A técnica é bastante viável tratando-se do aspecto científico devido, sobretudo, a existência de conhecimentos adquiridos na área e infraestrutura suficiente para colocá-la em prática. Apesar disso, a tecnologia, por ser uma descoberta relativamente nova está sujeita a aperfeiçoamentos e melhoras técnicas que poderá torna-la ainda mais eficaz.

REFERÊNCIAS DO ARTIGO[1] Binnig G, Rohrer H, Gerber C and Weibel E 1982 Physica B, 109-110 2075; Binnig G, RohrerH, Gerber C and Weibel E 1982 Appl. Phys. Lett. 40 178; Binnig G and Rohrer H 1982 Helv.Phys. Acta. 55 726; Binnig G, Rohrer H, Gerber C and Weibel E 1982 Phys. Rev. Lett. 49 57[2] Carpick RW and Salmeron M 1997 Chem. Rev. 97 1163[3] Hoh JH, Cleveland JP and Prater CB 1992 J. Am. Chem. Soc. 114 4917[4] Heinz WF and Hoh JH 1999 Nanotechnology 17 143[5] Gibson CT, Watson GS and Myhra S 1997 Scanning 19 564[6] Scruton B, Rob ins BW and Blott BH 1975 J. Phys. D: Appl. Phys. 8 714[7] Thomas GL and Reynoldson TE 1975 J. Phys. D: Appl. Phys. 8 724[8] Sinniah SK, Steel AB, Miller CJ and Reutt-Robey JE 1996 J. Am. Chem. Soc. 118 8925[9] Watson GS, Blach JA, Cahill C, Nicolau DV, Pham DK, Wright J and Myhra S 2003 Colloidand Polymer Science 282 56[10] Kasas S, Khanmy-Vital A and Dietler G 2001 Forensic Sci. Intl. 119 290[11] Sharma J and Coffey CS 1996 AIP Conf. Proc. 370(Pt. 2) 811[12] Sharma J, Coffey CS, Ramaswamy AL and Armstrong R 1996 Mater. Res. Soc. Symp. Proc.418 257

REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA WATSON G S e WATSON J A. Aplicações Potenciais do Microscópio de Varredura por sonda na Ciência Forense. Disponível em: <http://iopscience.iop.org/1742-6596/61/1/247>. Acesso em: 26 fev. 2013