SPECTROSCOPIC APPROACHES FOR FORENSIC PROBLEMS Identification of pre-blast explosive residues and energetic materials by Raman spectroscopy

Abstract

This thesis reports the application of confocal Raman microscopy to the detection and identification of trace amounts of organic explosives (trinitrotoluene (TNT); hexogen (RDX); penthrite (PETN); and hexamethylene triperoxide diamine (HMTD)), inorganic explosives (ammonal (AlAN); black powder; chloratite; and flash powder), and oxidizing salts (ammonium nitrate, potassium nitrate, sodium nitrate, barium nitrate, potassium chlorate, sodium chlorate, and potassium perchlorate) trapped between the fibres of dyed and undyed synthetic and natural textile clothing fabrics. Raman spectra were obtained from the explosive/oxidizing salt particles by in situ and on-field analysis, using the Thermo Scientific DXR Raman microscope, and a portable BWTEK i-Raman pro system attached to an optic microscope, respectively. Analysis were made within 3 to 40 s given particle dimensions in the range 2 – 358 µm (oxidizing salts), 3 – 241 µm (organic explosives), and 6 -355 µm (inorganic explosives) for the Thermo Scientific DXR Raman microscope, and 7 – 515 µm (oxidizing salts), 7 – 442 µm (organic explosives), and 18 – 311 µm (inorganic explosives) for the portable BWTEK i-Raman pro. The results show that, despite the contribution of the textile fabric in terms of fluorescence and vibrational bands coming from the fibres and dyes, detection and identification of the explosive/oxidizing salt particles trapped on highly interfering surfaces was possible. Furthermore, by doing a statistic and chemometric analysis of the Raman spectra and particle size data, discrimination of the textile fabrics was made. In addition, a second study was made in which identification and detection of the potassium nitrate mixed with ten different interfering substances (that act as fuels in homemade explosives), was possible using both the Raman instruments.

Esta tese descreve a aplicação de microscopia Raman confocal para a deteção e identificação de quantidades vestigiais de explosivos orgânicos (trinitrotolueno (TNT), hexogeno (RDX), pentrita (PETN), e hexametileno-triperóxido-diamina (HMTD)), explosivos inorgânicos (“ammonal” (AlAN), pólvora negra, “chloratite”, e pólvora “flash”), e sais oxidantes (nitrato de amónio, nitrato de potássio, nitrato de sódio, nitrato de bário, clorato de potássio, clorato de sódio, e perclorato de potássio) presos entre as fibras de tecidos naturais e sintéticos, tingidos ou não. Os espectros Raman foram obtidos a partir das partículas dos explosivos/sais oxidantes por análise “in situ” (ou seja, dentro do laboratório) usando o instrumento “Thermo Scientific DXR Raman microscope”, e por análise imitando situações reais (ou seja, fora do laboratório) usando um Raman portátil (“portable BWTEK i-Raman pro”) acoplado a um microscópio ótico. As análises tiveram como duração entre 3 - 40 segundos, na qual permitiu obter dimensões de partículas entre 2 – 358 µm (sais oxidantes), 3 – 241 µm (explosivos orgânicos), e 6 – 355 µm (explosivos inorgânicos) para o “Thermo Scientific DXR Raman microscope”, e entre 7 – 515 µm (sais oxidantes), 7 – 442 µm (explosivos orgânicos), e 18 – 311 µm (explosivos inorgânicos) para o instrumento de Raman portátil. Os resultados demonstram que, apesar da contribuição dos tecidos em termos de fluorescência e bandas Raman provenientes das próprias fibras e corantes, foi possível detetar e identificar as partículas de sais oxidantes/explosivos presos nessas superfícies de alta interferência. Além disso, realizou-se uma análise estatística e de quimiometria dos espectros Raman e dados das dimensões das partículas detetadas, que permitiu uma discriminação dos tecidos. No segundo estudo realizado, a identificação e deteção de nitrato de potássio misturado com dez diferentes substâncias interferentes (que atuam como combustíveis em explosivos caseiros) foi possível usando ambos os instrumentos Raman.