열측정 및 스팀을 이용한 과학수사

혈흔이 묻은 천에 증기를 가해 열화상을 가능하게 만드는 방법

천에 묻은 혈흔을 감지하기 위한 대안 방법을 찾는 연구자들은 열화상에서 솔루션을 찾았습니다. 혈흔은 적외선 스펙트럼에서는 보이지 않지만 혈흔 샘플에 수증기를 가해 열 흔적을 생성할 수 있다는 점을 발견했습니다. 천연 섬유의 경우 몇 가지 해결해야 할 문제점이 있지만 이 열화상 방법은 법의학 조사에서 루미놀 사용을 대체할 수 있을 것으로 기대됩니다.

TV 범죄 시리즈에서 수사관이 혈흔 증거가 필요한 경우 그들이 하는 첫 번째 조치는 루미놀을 분사한 후 조명을 끄는 것입니다. 드라마이기 때문에 극적인 연출이 필요했겠지만, 현실에서 확실한 혈흔을 찾아야 하는 실제 수사관들에게는 적합한 방법은 아닙니다. 특히 희석된 혈흔이 남아 있는 천을 조사하는 경우에는 루미놀 용액으로 인해 쉽게 영향을 받을 수 있기 때문에 더욱 적합하지 않은 게 사실입니다. 화학 연구자인 마이클 마이릭(Michael Myrick)과 스테판 모건(Stephen Morgan) 그리고 사우스캐롤리나 대학의 팀은 범죄 현장에서 혈흔과 같은 생물학적 유액의 증거를 타지하고 기록하기 위한 대안 방법으로 적외선 카메라의 과학수사용으로 연구하고 있습니다.

그림 1. 아크릴 섬유에 있는 전체 혈흔
왼쪽: 수분에 스팀 열 측정 노출 중
오른쪽: 노출 후 기화 냉각 능선 패턴을 구분하기 위해 충분한 대비가 제공됩니다.

그림 2. 폴리에스터 섬유에 있는 전체 혈흔
왼쪽: 수분에 스팀 열 측정 노출 중
오른쪽: 노출 후 기화 냉각

그림 3. 폴리에스터에서 10배 희석 혈흔은 혈액 응고 침투로 인해 능선 패턴과 무리 현상 모두를 보입니다. 마이릭과 모건의 팀은 능선이 외부 무리보다 더 빨리 물을 흡수하며 다른 속도로 냉각되기 때문에 두 패턴은 속도 차이가 발생한다는 점을 발견했습니다.

그림 4. 물에 대한 피의 흡수/탈착 특성은 면에서도 매우 유사하기 때문에 전체 혈흔 조차도 면에서는 희미합니다.

루미놀의 단점

루미놀은 시험 중인 표면에 적용하기 전에 과산화수소와 혼합된 분말 형태부터 시작됩니다. 혈흔이 있는 경우 헤모글로빈의 철 성분이 루미놀과 과산화수소 혼합물 간 촉매 반응을 일으켜 청색 광의 광자와 같이 전자를 방출하게 됩니다. 안타깝게도 루미놀은 철 이외의 다른 물질과도 반응할 수 있기 때문에 긍정 오류(false positive)을 초래하기도 합니다.

마이릭 박사는 루미놀이 고추냉이와 반응하며 구리염과 반응하며 표백제와도 반응하며.... 섬유나 조사 현장에서 발견될 수 있는 많은 것들과 반응한다고 설명합니다.

루미놀이 지닌 또 다른 문제점은 DNA 검사에 잠재적으로 미치는 영향입니다. 화학성분은 DNA를 완전히 파괴하지 않지만 일부 유전 표지에 영향을 미칠 수도 있습니다.

마지막으로 혈흔에 루미놀을 분사할 경우 혈흔이 오염되거나 지워질 수도 있습니다. 마이릭 박사는 "따라서 지문과 같이 능선 패턴이 있으며 액체로 흡수할 수 있는 경우 혈흔은 완전히 사라질 수도 있습니다."라고 말합니다. 섬유에서 지문을 식별할 수 있는 기회를 잃게 됩니다. 과도하게 희석된 혈흔은 나중에 DNA 시험을 불가능하게 만들 수도 있습니다.

적외선의 해결과제

마이릭 박사와 그의 팀은 과학 조사에서 혈흔과 기타 생물학적 유액을 시각화 할 수 잇는 더 나은 방법을 찾고 있습니다. 마이릭은 다소 오랫 동안 관찰하고 샘플을 파괴하지 않고 반복할 수 있는 탐지 방법에 특히 관심이 있습니다. 마이릭 박사와 그의 팀은 혈흔을 시각화 하기 위해 적외선 반사율의 사용을 연구하기 시작했습니다. 연구를 진행하는 과정에서 혈흔은 열화상에서 항상 매우 희미하게 나타났습니다.

마이릭 박사는 "열화상은 일반적으로 화학적 대비를 시각화하기 위한 좋은 방법은 아닙니다"라고 인정했습니다. 그와 그의 팀은 피에 대한 감도를 늘릴 수 있는 방법을 찾고 있으며 적외선 스펙트럼 창에서 강력한 흡수 대역을 생성하기 위한 방법으로 스팀을 선택했습니다. 그러나 이 방법을 개선하기 위한 시도에서 팀은 훨씬 더 좋은 방법을 찾아냈습니다.

대학원생인 웨인 오브리언(Wayne O’Brien)은 이동식 스티머에서 방출되는 산화중수소로 천을 적셔 반사율을 측정하는 작업을 맡았습니다. 오브리언은 우연히 스팀이 천에 닿을 때 적외선 비디오를 녹화했고 놀라운 사실을 발견했습니다.

마이릭 박사는 "오브리언이 스팀을 켜는 순간 그가 적외선에서 나에게 보여주었던 100배 희석 얼룩이 전구처럼 켜졌습니다. 놀라운 점은 전에는 확인이 어려웠던 것들이 이미지에서 정말로 밝게 보였습니다."라고 말했습니다.

또한 즉각 사라지는 루미놀과는 달리 수증기는 혈흔이 있는 섬유에서 지속적인 효과를 갖는 것으로 확인됐습니다. 마이릭 박사는 "섬유를 들고 높은 온도와 수분이 많은 환경에서 뛰기만 해도 혈흔을 영구적으로 볼 수 있습니다."라고 말했습니다. “나타났다 사라지는 것이 아니기 때문에 수분이 많은 상태에서 보관할 경우 영구적으로 볼 수 있습니다."

이 방법을 시험에 적용하기

마이릭의 팀은 그들이 발견한 결과물을 세 가지 타입의 천에서의 혈흔 지문 연구에 적용했습니다. ‘지문'은 삼중 염색 천에 적용된 일반적인 고무 스탬프에서 나왔습니다. 각각의 섬유 조각에 쥐의 피를 이용해 2개의 지문 스탬프 묻혔습니다. 하나는 1:10 비율로 희석했고 나머지는 희석하지 않았습니다. 이후 얼룩을 24시간 동안 건조시켰습니다.

혈흔을 이미지화할 시점에 연구자들은 샘플을 휴대용 스티머의 탈이온화 수증기에 샘플을 노출시켰습니다. 이들은 장시 간 3초 간격으로 스팀을 일시적으로 가하면서 천에 있는 혈흔의 변화를 기록했습니다.

수증기를 샘플에 가하면 순간적인 열이 발생합니다. 마이릭 박사는 이러한 과정을 공기가 조절되는 실내에서 따뜻하고 습한 외부로 나가는 것으로 비유했습니다. 당신이 입고 있는 모든 천 조각은 수증기를 순식간에 흡수하면서 온도가 약간 증가하게 됩니다. 이러한 증가 현상은 적외선으로 쉽게 확인할 수 있습니다.

수분을 추가해 발생하는 열과 같이 증기 원을 제거하면 냉각 현상이 일어납니다. 그러나 아크릴이나 폴리에스터와 같은 소수성 섬유는 물 흡수력이 매우 낮아 빠르게 원래 상태로 복원됩니다. 이로 인해 혈흔 영역은 나머지 섬유보다 더 느리게 냉각되는 것처럼 보입니다. 이 역시 온도차가 발생하며 적외선으로 쉽게 확인이 가능합니다.

마이릭 박사는 "흡수하는 속도와 건조되는 속도에 따라 수분을 흡수하는 믈체에서 정상 대비와 역상 대비 모두가 존재합니다. 그리고 이를 계속 반복할 수 있습니다."라고 설명합니다.

최초 기록의 경우 전체 지문을 이미지화하기 위해 FLIR A6751sc SLS 카메라에 50 mm 렌즈를 장착했습니다. A6751sc는 빠른 프레임 속도와 480 ns 통합 속도를 제공해 연구자들은 신속하게 열과도 현상을 기록할 수 있습니다. 두 번째 기록은 13mm 렌즈를 사용했으며 마이릭 박사 팀은 단일 확대 "지문" 능선을 관찰할 수 있었습니다. 두 측정 모두에서 팀은 FLIR의 ReasearchIR 소프트웨어를 통해 카메라를 작동시켰습니다.

아크릴과 폴리에스터 천 모두에서 전체 지문 이미지는 전체 혈액과 희석된 혈액이 존재함을 명확하게 보여주었습니다. 또한 아크릴 천의 얼룩은 "지문" 능선을 구분할 수 있을 정도의 충분한 대비를 보여주었습니다. 폴리에스터 천의 경우 팀은 응고된 혈액이 천으로 흡수되어 발생한 10배 희석 흔적 주변에 열 무리 현상을 관찰했습니다. 지속적으로 열 데이터를 관찰하면서 팀은 폴리에스터에서의 능선이 외부 무리보다 더 빨리 수증기를 흡수한다는 점에 주목했습니다. 이를 통해 팀은 능선과 무리를 구분할 수 있었습니다.

마이릭 박사의 팀은 면에서 혈흔을 이미지화하는 데 약간 어려움이 있다는 점을 발견했습니다. 이는 면이 중량의 최대 20%까지 혈흔 자체만큼 많은 수분을 흡수하기 때문입니다. 반면 아크릴이나 폴리에스터와 같은 합성 섬유는 물을 쉽게 흡수하지 못합니다.

마이릭 팀의 대학원생인 레이몬드 벨리보(Raymond Belliveau)는 "섬유의 화학적 조성과 섬유 자체의 구조화 방법과 상당한 관련이 있습니다"라고 설명합니다.

마이릭 박사는 "면은 조직이 성기며 전반적으로 느슨한 섬유입니다."라고 덧붙였습니다. “그리고 가닥이 물을 흡수하는 속도가 다릅니다. 단일 섬유의 반응은 극단적으로 빠릅니다."

이러한 이유로 팀은 면에서 확대된 지문 능성을 이미지화할 때 성공적인 결과를 얻을 수 있었습니다. 팀은 개별적으로 올려진 가닥의 전체 혈흔과 나머지 면 직물에서 혈흔 간 시각적인 대비에 주목했습니다. 이러한 대비는 올라간 가닥이 증기를 흡수하는 데 걸리는 30ms 동안에만 볼 수 있어습니다.

마이릭 박사는 "A6751sc를 통해 우리는 고속 측정이 가능했으며 한 프레임 동안 섬유가 밝아지는 현상을 볼 수 있었습니다."라고 설명했습니다. 이후 대량의 직물이 충분한 수증기를 흡수해 전체 혈흔과 면 사이의 온도차를 제거했습니다.

그림 5. 전체 혈흔 내 개별 가닥은 나머지 면 직물과 대비를 이룹니다.

스탬프가 전체 표면과 닿지 닿지 않도록 천이 조직된 곳에서 손상 흔적이 있긴 하지만 전체 혈흔의 지문 능선은 아크릴 천에서 쉽게 확인됩니다.

그림 6. 능선 패턴에서의 끊어짐은 아크릴 천 조직이 스탬프와 직물이 완전히 닿지 않는 곳에서 확인됩니다.

전체 혈흔은 스팀을 가하는 동안에만 희미하게 보였으며 아크릴 샘플과 같이 직물과 스탬프가 완전히 닿지 않는 부분이 있었습니다. 그러나 낱실(가닥의 수직 방향)가 씨실(수평 방향)와 비교해 들어 올려지기 때문에 낱실에서의 혈액 응고는 더 잘 보입니다.

그림 7. 혈액 지문 능선은 직물에서 들어 올려진 낱실에서만 보입니다.

다음 단계

마이릭 박사의 결과를 기반으로 천에 혈흔이 있는지를 결정할 때 열화상 기술이 루미놀을 대체할 수 있을 것으로 기대됩니다. 오히려 이미지화를 수월하게 하기 위해 필요한 수증기는 혈흔을 추가적으로 희석시키지 않거나 혈흔을 손상시킬 가능성이 없기 때문에 선호될 수도 있습니다. 수증기 사용으로 인해 면에서 몇 가지 해결해야 할 과제가 있지만 고속, 고해상도 적외선 카메라가 해결책을 제공해 줄 수도 있습니다. FLIR A6751sc와 같은 과학 연구용 카메라는 느슨한 면 조직의 신속한 가열이나 냉각을 기록하기 위해 필요한 프레임 속도와 통합 속도를 제공하며 확대 렌즈로 화질을 개선할 수 있습니다. 마이릭과 그의 팀은 실험 과정을 좀더 정교하게 만들어 면 가닥에서 고속 이미지화를 사용하는 방법을 지속적으로 연구할 예정입니다.