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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Messvorrichtung zur chemisch-analytischen, insbesondere massenspektrometrischen oder optisch-spektroskopischen, Untersuchung eines Abdrucks einer Hautoberfläche, z. B. eines Fingerabdrucks. Anwendungen der Erfindung sind z. B. in der Diagnostik von Krankheiten und Metaboliten im Körper, bei der Doping-Kontrolle oder in der Kriminalistik/Forensik gegeben.
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In der vorliegenden Beschreibung wird auf die folgenden Publikationen Bezug genommen, die zur Illustration des Standes der Technik und herkömmlicher Anwendungen von massenspektrometrischen Methoden zitiert werden:
- [1] Brettell, T. A. et al. in „Anal. Chem." 2011, 83, S. 4539-4556;
- [2] Ifa, D. R. et al. in „Anal. Bioanal. Chem" 2009, 394, S. 1995-2008;
- [3] Tang, H.-W. et al. in „Anal. Chem." 2010, 82, S. 1589-1593;
- [4] Bailey, M. J. et al. in „Anal. Chem." 2012, 84, S. 8514-8523;
- [5] Ifa, D. R. et al. in „Science" 2008, 321, S. 805
- [6] Bradshaw, R. et al. in „Forensic Science International", 2013, 232, S. 111-124;
- [7] WO 2012/120 279 A1 ;
- [8] US 6 720 564 B1 ; und
- [9] A. Beinsen „Bildgebung und chemische Analytik mit Laserdesorptions-Massenspektrometrie im Bereich Forensik und Astrophysik“ (Dissertation an der Georg-August-Universität Göttingen, 2011).
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Bei der manuellen Berührung von Oberflächen werden Kontaktspuren (Abdrücke) in Gestalt von Fingerspuren (Fingerabdrücke) erzeugt, die eine transparente, für das bloße Auge meistens unsichtbare Hydrolipidschicht umfassen („latente Fingerabdrücke“). Latente Fingerabdrücke unterscheiden sich von offensichtlichen Fingerabdrücken, die aus opaken Materialien, wie z. B. Farbe oder Schmutz, bestehen.
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Latente Fingerabdrücke sind wichtige Untersuchungsgegenstände in der Forensik. Es besteht ein Interesse, personenspezifisch quantitative körperfremde und/oder körpereigene chemische und/oder morphologische Informationen zu erhalten. Auch andere Bereiche einer Hautoberfläche bilden Kontaktspuren, die oft jedoch weniger deutlich als Fingerabdrücke sind, da die Endglieder der Finger Papillarleisten aufweisen, die ausgeprägte Spuren bilden. Dennoch besteht in der Forensik nicht nur ein Interesse an Fingerabdrücken, sondern allgemein an Kontaktspuren der äußeren Hautoberfläche. Ein wirtschaftliches und gesellschaftliches Interesse an nicht- oder minimalinvasiven Untersuchungen von Kontaktspuren besteht ferner neben der Forensik auch bei der Diagnostik von Krankheiten und Metaboliten im Körper oder bei der Kontrolle von Sportlern auf unerlaubte Substanzen (Doping-Kontrolle).
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Die genannte Hydrolipidschicht ist ein Gemisch insbesondere aus Schweiß und anderen Drüsensekreten, wie Sebum (Talg), und besteht zum Großteil aus Wasser, Salzen und Fettsäuren. Zusätzlich sondern die Handflächen weitere Substanzen ab, die sich von den Absonderungen an anderen Hautoberflächen unterscheiden. Da die Hände oft das Gesicht, andere Körperteile und andere Gegenstände berühren, enthalten Fingerabdrücke auch Substanzen aus diesen Quellen, wie insbesondere Lipide, Fettsäuren, Aminosäuren, Drüsensekrete und Vitamine oder andere Fremdsubstanzen.
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Die äußere Hautoberfläche des Menschen weist nicht nur an den Fingern, sondern auch an nahezu allen anderen Körperteilen Hautporen auf. Die Hautporen sind Öffnungen in der Haut, durch die der Körper Schweiß, Talg und andere Substanzen absondern kann und die z. B. mit Schweißdrüsen verbunden sind. Die Absonderungen aus den Hautporen tragen ebenfalls zu den Kontaktspuren bei.
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Bekannte Verfahren zur Untersuchung von latenten Fingerabdrücke sind das Sichtbarmachen durch Partikelbestäubung oder durch Farbreaktionen oder die Massenspektrometrie ([1], [2]). Abbildende Massenspektrometrie (mass spectrometry imaging, MSI) ist eine etablierte analytische und diagnostische Technik, die als MALDI-Verfahren (matrix assisted laser desorption and ionization) oder als SIMS-Verfahren (secondary ion mass spectrometry) mit unterschiedlicher Ortsauflösung verwendet wird. Die Auflösung der MALDI-Technik in kommerziellen Geräten beträgt aktuell etwa 30 um, während die eines SIMS-Gerätes deutlich besser als 1 pm ist.
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Werden Fingerabdrücke mit der MSI-Technik untersucht, erhält man an jedem analysierten Ort des Fingerabdrucks ein komplettes Massenspektrum. Zusätzlich zur Identifikation einer Person aufgrund des Abdruckbildes ist damit auch eine Identifikation chemischer und biologischer Substanzen auf molekularer Ebene möglich, die sich am Finger der Person befinden. Die massenspektrometrische Untersuchung latenter Fingerabdrücke zeichnet sich zwar durch eine besondere Empfindlichkeit und die Möglichkeit der Bildgebung ([3] - [5]) aus, hat aber Nachteile hinsichtlich der Untersuchungsdauer ([3]) und der quantitativen Bewertung der Messergebnisse ([4]). Beispielsweise kann die Vermessung eines kompletten Fingerabdrucks in Abhängigkeit von der Auflösung aktuell 18 Stunden dauern ([3]), was Anwendungen in der forensischen Praxis oder bei der Dopingkontrolle behindert.
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Ein weiterer Nachteil der herkömmlichen massenspektrometrischen Untersuchung von Fingerabdrücken besteht darin, dass oft unsicher ist, ob ein Messergebnis eine körpereigene (endogene) Substanz, insbesondere eine Absonderung der untersuchten Hautoberfläche oder von einer anderen Hautoberfläche, oder eine körperfremde (exogene) Substanz repräsentiert, mit der die Finger der Person in Kontakt waren. Eine Unterscheidung von körpereigenen und körperfremden Substanzen erfordert bei herkömmlichen Techniken zeitaufwendige Zusatzuntersuchungen.
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Kontaktspuren können auch mit anderen Techniken ortsauflösend chemisch analysiert werden, wie z. B. mit optisch-spektroskopischen Verfahren. Diese zeichnen sich jedoch ebenfalls durch den Nachteil einer unpraktikabel langen Untersuchungsdauer aus.
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Weitere ortsauflösende, analytische Verfahren zur Untersuchung von Fingerabdrücken sind aus [6] bis [9] bekannt.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur chemisch-analytischen Untersuchung von Kontaktspuren von Hautoberflächen bereitzustellen, mit dem Nachteile herkömmlicher Techniken vermieden werden. Das Untersuchungsverfahren soll insbesondere eine verringerte Untersuchungsdauer und eine verbesserte Bewertung der Ergebnisse, z. B. bei der Erkennung körpereigener Substanzen und deren Unterscheidung von körperfremden Substanzen ermöglichen. Die Aufgabe der Erfindung ist des Weiteren, eine verbesserte Messvorrichtung zur chemisch-analytischen Untersuchung von Kontaktspuren von Hautoberflächen bereitzustellen, mit der Nachteile herkömmlicher Techniken vermieden werden.
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Diese Aufgaben werden jeweils durch ein Verfahren und durch eine Messvorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Gemäß einem ersten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung wird die genannte Aufgabe durch ein Verfahren zur Untersuchung, insbesondere zur massenspektrometrischen und/oder zur optisch-spektroskopischen Untersuchung, eines Abdrucks einer äußeren menschlichen Hautoberfläche, die Hautporen enthält, insbesondere eines Fingerabdrucks, gelöst, bei dem insbesondere die folgenden Schritte ausgeführt werden.
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Zuerst erfolgt eine Präparation des Abdrucks auf einem Substrat. Die Präparation umfasst eine Übertragung von Substanzen von der Hautoberfläche auf das Substrat, wobei auf der vorzugsweise ebenen Oberfläche des Substrats der Abdruck (die Kontaktspur) abgeschieden wird. Die Hautoberfläche, wie z. B. die Oberfläche einer Fingerkuppe, eines Gesichts, eines Ohrs oder eines anderen Körperteils, enthält Hautporen. Körpereigene Substanzen an der Hautoberfläche, insbesondere aus den Hautporen, und/oder körperfremde Substanzen an der Hautoberfläche haften auf dem Substrat an.
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Das Substrat ist z. B. eine Platte mit einer festen Oberfläche, die für die massenspektrometrische oder spektroskopische Untersuchung geeignet ist. Ein Substrat für eine massenspektrometrische Untersuchung ist z. B. für eine Laserdesorption bei einer MALDI-Untersuchung oder eine Ionenstrahldesorption bei einer SIMS-Untersuchung ausgelegt, und es umfasst eine Platte, die z. B. aus Glas, Keramik, Metall, oder Kunststoff hergestellt ist. Zur Förderung der Desorption von Analyten kann das Substrat z. B. eine nanostrukturierte Oberfläche aufweisen. Die nanostrukturierte Oberfläche kann vorzugsweise durch eine Beschichtung des Substrats mit einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere aus einem Metall, wie z. B. Gold oder Silber, einer Legierung, einem leitfähigen Polymer oder einem leitfähigen Kompositmaterial, gebildet werden. Alternativ ist das Substrat für eine spektroskopische Untersuchung, z. B. für eine Fluoreszenzmessung, eine IR-Absorptionsmessung oder eine Ramanmessung ausgelegt, und es umfasst eine transparente Platte, z. B. aus Glas oder Kunststoff. Das Substrat kann eine Komponente der jeweils verwendeten Untersuchungseinrichtung oder ein Teil eines Gegenstands, wie z. B. einer Tischplatte oder eines anderen Gebrauchsgegenstands sein, auf dem die Kontaktspur abgeschieden wurde. Alternativ ist das Substrat ein Transfermedium, das für eine Aufnahme einer Kontaktspur von einem Gegenstand geeignet ist.
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Anschließend erfolgt eine Erfassung (Detektion) einer Porenspur von mindestens einer der Hautporen und von deren Porenposition. Die Erfinder haben festgestellt, dass die Hautporen im Abdruck detektierbar sind und charakteristische, punktförmige Porenspuren (Abdruckspuren) bilden. Die Porenspuren werden optisch detektiert, was durch eine physikalische Modifizierung des Abdrucks begünstigt wird. Die Porenspuren bestehen aus Substanzen, welche von den Hautporen auf die Oberfläche des Substrats übertragen werden. Die Porenspuren werden auf dem Substrat ortsaufgelöst detektiert, so dass im Ergebnis die Porenposition (Positionsdaten der Porenspur) der Porenspur von mindestens einer der Hautporen auf dem Substrat vorliegt. Die Porenposition(en) repräsentieren die Position(en) der Porenspur der mindestens einen Hautpore z. B. relativ zum Substratrand oder einem anderen topologischen Abdruck- oder Substratmerkmal und dienen der Steuerung der anschließenden ortsaufgelösten chemisch-analytischen Untersuchung des Abdrucks auf dem Substrat.
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Gemäß der Erfindung wird die chemisch-analytische Untersuchung des Abdrucks auf dem Substrat an der Porenspur der mindestens einen detektierten Hautpore durchgeführt. Die Erfassung der Porenposition(en) ermöglicht eine örtliche selektive chemische Analyse des Abdrucks. Abweichend von den herkömmlichen Techniken wird nicht der gesamte Abdruck analysiert. Vielmehr erfolgt die chemisch-analytische Untersuchung an einer einzigen Porenspur oder an mehreren voneinander abgegrenzten Porenspuren. Jede Porenspur ist die Abdruckspur von genau einer Hautpore. Substratbereiche zwischen den Porenspuren sind von der Untersuchung ausgenommen. Mit anderen Worten, die chemisch-analytische Untersuchung des Abdrucks auf dem Substrat erfolgt gemäß der Erfindung ausschließlich am Ort der Porenspur der mindestens einen Hautpore. In Abhängigkeit von der konkreten Anwendung der Erfindung kann die chemisch-analytische Untersuchung jedoch vereinzelt auch in voneinander beabstandeten Abschnitten zwischen den Porenspuren ausgeführt werden, z. B. für Referenzzwecke.
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Gemäß einem zweiten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung wird die genannte Aufgabe durch eine Messvorrichtung zur chemisch-analytischen Untersuchung eines Abdrucks einer Hautoberfläche, die Hautporen enthält, insbesondere eines Fingerabdrucks, gelöst, die insbesondere eine Sensoreinrichtung und eine chemisch-analytische Untersuchungseinrichtung umfasst. Die Sensoreinrichtung ist zur Erfassung der Porenspur von mindestens einer der Hautporen und von deren Porenposition auf einem Substrat eingerichtet. Die Sensoreinrichtung ist konfiguriert, Positionsdaten der Porenspur von mindestens einer der Hautporen auf dem Substrat bereitzustellen, mit denen die Untersuchungseinrichtung so steuerbar ist, dass die Untersuchung des Abdrucks an mindestens einer Porenspur erfolgt. Vorzugsweise enthält die Messvorrichtung eine Steuereinrichtung, mit der die Untersuchungseinrichtung in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal der Sensoreinrichtung steuerbar ist.
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Mit der Erfindung wird ausgenutzt, dass bei der Untersuchung von latenten Kontaktspuren mit hoher örtlicher Auflösung (Auflösung z. B. 10 um) die Analyse auf die Hautporen, z. B. auf Profilen der Fingerabdrücke, und ihre Sekrete, d. h. auf die Porenspuren, beschränkt wird. Dies erlaubt erstens eine deutliche Verringerung der Untersuchungsdauer, da nicht die komplette Kontaktspur ortsaufgelöst analysiert wird. Gleichzeitig wird die Bewertung der Ergebnisse erleichtert. Die Porenspuren bestehen aufgrund ihrer Entstehung an den Hautporen vorrangig aus körpereigenen Substanzen. Der Beitrag körperfremder Substanzen in den Porenspuren zum Ergebnis der chemischen Analyse ist unter den meisten Anwendungsbedingungen vernachlässigbar oder alternativ durch eine einfache Zusatzuntersuchung erfassbar.
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Vorteilhafterweise ermöglicht die Erfindung ohne eine Beeinträchtigung der Ortsauflösung und des Informationsgehalts des Messergebnisses eine erhebliche Verkürzung der Untersuchungsdauer. Die erfindungsgemäße Messvorrichtung bildet vorteilhafterweise einen schnellen, hochauflösenden und kompakten Scanner, z. B. MSI-Scanner (mass spectrometry imaging), z. B. für Fingerabdrücke, der mit herkömmlichen Techniken, insbesondere in Bezug auf die Probenpräparation (mit Matrix/ohne Matrix) und die Analyse kompatibel ist. Die Erfindung liefert somit ein erheblich verbessertes nicht-invasives Werkzeug, z. B. für die Diagnostik, Therapie und Forensik.
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Die chemisch-analytische Untersuchung wird in Abhängigkeit von der konkreten Anwendung der Erfindung vorzugsweise auf eine einzige oder mehrere Porenspuren beschränkt, so dass das Messergebnis in kurzer Zeit, z. B. 5 min, vorliegt. Die Verkürzung der Untersuchungsdauer durch die Beschränkung der Messung auf ausgewählte Positionen erlaubt bei Bedarf die Anwendung zusätzlicher Messungen, wodurch weitere Informationen zu den Analytmolekülen erhalten werden können, die zur Erhöhung der Genauigkeit und Selektivität des Analysevorganges beitragen, z. B. induzierte Fragmentierungen (so genannte LIFT-Messungen) Die Erfassung einer Vielzahl von Porenspuren in der Kontaktspur ermöglicht bei Bedarf eine Identifikation der Person, wie es von der herkömmlichen Untersuchung von Fingerabdrücken bekannt ist.
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Erfindungsgemäß können alle chemischen und biologischen Substanzen sowie Metaboliten erfasst werden, die aus dem Körperinneren durch die Hautporen, insbesondere Schweißdrüsen, ausgeschieden werden, und optional von den Substanzen unterschieden werden, mit denen die untersuchte Person, z. B. ein Patient, ein Sportler oder ein vermuteter Täter, in Berührung gekommen ist. Die Erfindung ermöglicht z. B. die Differenzierung von Drogenkonsum und Drogenbesitz bzw. -berührung. Durch Detektion der Körperflüssigkeiten aus den mikroskopischen Hautporen ist eine leichte Rückverfolgung von Drogenkonsum oder Medikamenteneinnahme möglich. Einzelheiten zu Ernährungsgewohnheiten und Metabolismus können detaillierte Angaben über den Lebensstil einer untersuchten Person offen legen. Für strafrechtliche Ermittlungen und Therapien werden so äußerst wertvolle Informationen geliefert. In der Forensik und Kriminalistik ist dies insbesondere dann besonders wertvoll, wenn der Fingerabdruck der untersuchten Person in keiner Straftäter-Datenbank zu finden ist. Das erfindungsgemäße Verfahren liefert in kurzer Zeit neue Informationen, mit deren Hilfe ein Profil aufgebaut werden kann und die außerdem wichtige Hintergrundinformationen für eine strafrechtliche Ermittlung, bei der es keine sicheren Vergleichsmöglichkeiten gibt, bilden.
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Vorteilhafterweise sind verschiedene Varianten der Erfindung verfügbar, bei der Präparation des Abdrucks Substanzen von der Hautoberfläche auf das Substrat zu übertragen. Gemäß einer ersten Variante umfasst die Übertragung eine unmittelbare Berührung der Oberfläche des Substrats (Platte oder Transfermedium) mit der untersuchten Hautoberfläche. Die Berührung umfasst ein Aufdrücken, insbesondere ein senkrechtes Aufsetzen oder Abrollen der Hautoberfläche auf dem Substrat, so dass der Abdruck eine spiegelbildliche Abbildung der Verteilung von Substanzen auf der Hautoberfläche bildet. Vorteilhafterweise umfasst die Präparation in diesem Fall ein Aufdrücken der Hautoberfläche direkt auf das Substrat. Da die Hautoberfläche typischerweise eine Krümmung aufweist, erfolgt die Berührung des Substrats vorzugsweise unter Anwendung einer Anpresskraft. Diese ist so gewählt, dass die Hautoberfläche und das Gewebe unter der Hautoberfläche an die Form der Oberfläche des Substrats angepasst, z. B. abgeplattet werden.
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Gemäß einer zweiten Variante ist eine indirekte Übertragung vorgesehen, die zunächst eine Aufnahme eines Abdrucks von einem Gegenstand, z. B. an einem untersuchten Tatort, mit einem Transfermedium umfasst. Vorzugsweise wird ein Transfermedium mit einer biegsamen Transferoberfläche, z. B. eine Transferfolie, ein Transferpapier oder eine Transfermembran, verwendet, die auf dem untersuchten Gegenstand aufgesetzt oder abgerollt wird. Vorteilhafterweise umfasst die Präparation in diesem Fall ein Aufdrücken des Transfermediums auf das Substrat, so dass der Abdruck eine ungespiegelte Abbildung der Verteilung von Substanzen auf der Hautoberfläche bildet. Alternativ kann das Transfermedium an sich ein Substrat sein, das für eine Desorption bei einer massenspektrometrischen Untersuchung geeignet ist und auf einem Substratträger eines Massenspektrometers fixierbar ist.
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Besonders bevorzugt ist das Transfermedium aus hydrophiliertem Polyethersulfon hergestellt, mit einer nanostrukturierten Oberfläche versehen und/oder mit einer reaktiven Oberfläche versehen. Vorteilhafterweise wird damit eine vollständige Übertragung von Substanzen von der Hautoberfläche auf das Substrat begünstigt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Präparation eine Vorbehandlung der Hautoberfläche, umfassend eine Reinigung und eine unmittelbar anschließende Erwärmung der Hautoberfläche. Die Reinigung umfasst eine Entfernung von Substanzen von der Hautoberfläche durch eine Anwendung von einem Reinigungsmittel, z. B. Wasser und/oder einem organischen Lösungsmittel. Die Erwärmung der Hautoberfläche umfasst eine Temperaturerhöhung derart, dass die Absonderung von Substanzen aus den Hautporen gefördert wird. Es kann eine Erwärmung mit einer externen Heizeinrichtung oder mittels der körpereigenen Wärme, optional unterstützt durch eine Abdeckung der Hautoberfläche mit einer Folie, vorgesehen sein. Durch die Erwärmung der Hautoberfläche werden an den Hautporen Substanzen abgesondert, welche in der Kontaktspur als Porenspuren erfasst und analysiert werden. Die Vorbehandlung der Hautoberfläche hat daher den Vorteil, dass ausschließlich körpereigene Substanzen gemessen werden und die Erfassung von körperfremden Substanzen vollständig oder nahezu vollständig unterdrückt werden kann.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Präparation eine Applikation von geometrischen und/oder chemischen Referenzmerkmalen auf dem Substrat. Geometrische Referenzmerkmale umfassen z. B. charakteristische Punktmuster einer Referenzsubstanz, die eine Justierung des Substrats in der Untersuchungseinrichtung vereinfacht. Chemische Referenzmerkmale können zur Schaffung von Referenzlinien in einem Massenspektrum oder von Referenzmerkmalen für die optische Spektroskopie verwendet werden. Vorteilhafterweise wird damit die Analyse des Abdrucks am Ort der mindestens einen Hautpore verbessert. Substanzen zur Bildung der geometrischen oder chemischen Referenzmerkmale können gewählt werden, wie es an sich von herkömmlichen massenspektrometrischen oder optisch-spektroskopischen Messungen bekannt ist.
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Die chemischen Referenzmerkmale werden mit der Absicht auf dem Substrat präpariert, um Massensignale in der Probe oder optisch-spektroskopische Messergebnisse eindeutig dem Referenzsignal zuordnen zu können. Wird z. B. eine chemisch reine Verbindung mit MALDI untersucht, wird nur ein Signal, welches der molaren Masse der Verbindung entspricht, sondern auch ein Signal erfasst, dass Fragmenten oder Fragmentaddukten entspricht, welche nicht eindeutig einer Verbindung zugeordnet werden können. Werden entsprechende Signale auch in der Probe erfasst, können die Probensignale den Fragmentsignalen der Referenz zugeordnet werden, von der bekannt ist, um welche Verbindung es sich handelt. Darüber hinaus kann es durch Abweichung bei der Massenkalibrierung auch zu Abweichungen in den absoluten Massesignalen kommen. Bei der Vielzahl an Signalen, die in der Probe vorhanden sind, kann beispielsweise eine Unsicherheit auftreten, ob die Masse 100,0 oder 100,5 oder 99,8 oder 99,3 ist, woraus sich jeweils unterschiedliche Verbindungen ergeben könnten. Durch Vergleich mit dem Referenzsignal wird dieser Fehler ausgeschlossen.
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Gemäß der Erfindung umfasst die Erfassung der mindestens einen Hautpore und der zugehörigen Porenposition ein bildgebendes Verfahren, bei dem die mindestens eine Hautpore und die zugehörige Porenposition optisch detektiert werden. Das bildgebende Verfahren umfasst vorzugsweise eine Aufnahme eines digitalen Bildes mit einem Bildsensor, wie z. B. einer Kamera, einem Scanner oder einem optischen Mikroskop. Die Porenpositionen können vorteilhafterweise unmittelbar aus den Bilddaten gewonnen werden. Das bildgebende Verfahren hat neben seiner Einfachheit ferner den Vorteil, dass unmittelbar auch ein Bild der Kontaktspur auf dem Substrat, z. B. für Identifikationszwecke, bereitgestellt wird.
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Die Anwendung des bildgebenden Verfahrens kann eine Beleuchtung der Kontaktspur in einem Wellenlängenbereich einschlie-ßen, in dem die Kontaktspur mit dem Bildsensor erfassbar ist. Vorteile für die Bildgebung ergeben sich, wenn sichtbares Licht verwendet werden kann. Hierzu schließt der Präparationsschritt gemäß der Erfindung eine physikalische Modifizierung des Abdrucks derart ein, dass der Abdruck mit dem bildgebenden Verfahren mit sichtbarem Licht analysierbar ist. Der Abdruck wird für die Bildgebung umgewandelt, ohne dass die chemische Zusammensetzung des Abdrucks verändert wird.
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Bevorzugt umfasst die physikalische Modifizierung ein Aufdampfen einer leitfähigen Beschichtung, insbesondere aus einem Metall, wie z. B. Gold oder Silber, einer Legierung, einem leitfähigen Polymer oder einem leitfähigen Kompositmaterial. Die leitfähige Beschichtung kann vorteilhafterweise bei einer massenspektrometrischen Untersuchung gleichzeitig mehrere Funktionen erfüllen, welche die Bereitstellung einer elektrisch leitfähigen Schicht für die massenspektrometrische Untersuchung, eine Sichtbarmachung der Kontaktspur, eine Erleichterung der Desorption, und die Bereitstellung eines internen Kalibrierungssignals für die Massensignale, z. B. durch Au-Clustermoleküle, umfassen.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst das bildgebende Verfahren zunächst eine Aufnahme eines Bildes des Abdrucks auf dem Substrat. Anschließend erfolgen eine Bildverarbeitung des Bildes zur Erfassung der Porenposition(en) der Porenspur(en) der Hautpore(n), und eine Ermittlung von Hautporenkoordinaten, welche für die Porenposition(en) der Hautpore(n) charakteristisch sind. Vorzugsweise sind die Hautporenkoordinaten für die Position der mindestens einen Porenspur relativ zum Substrat charakteristisch. Die Hautporenkoordinaten können vorteilhafterweise unmittelbar in Verbindung mit Informationen über die Position des Substrats in der Untersuchungseinrichtung zur Steuerung der ortsaufgelösten Untersuchung verwendet werden. Die Bildverarbeitung kann mit einer Sensoreinrichtung innerhalb der erfindungsgemäßen Messvorrichtung oder extern mit einer zusätzlichen, ggf. von einem Nutzer bedienten Sensoreinrichtung erfolgen.
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Vorteilhafterweise bestehen verschiedene Varianten, die chemische Analyse der mindestens einen Porenspur ortsauflösend auszuführen. Gemäß einer ersten, bevorzugten Variante ist eine massenspektrometrische Untersuchung, besonders bevorzugt eine MALDI- oder eine SIMS-Untersuchung der Porenspur vorgesehen. Die massenspektrometrische Untersuchung hat die Vorteile einer Isotopen-spezifischen Auflösung und der Verfügbarkeit geeigneter Spektrometer. Aus einem Isotopenmuster können weiterführende forensisch relevante Daten abgeleitet werden. Alternativ kann gemäß einer zweiten Variante eine optisch-spektroskopische Untersuchung vorgesehen sein, wie z. B. eine ortsaufgelöste Fluoreszenz-, IR-Absorptions- oder Ramanmessung an der Porenspur der mindestens einen Hautpore. Die optisch-spektroskopische Untersuchung hat Vorteile, da sie einfacher, insbesondere ohne die Bereitstellung der Kontaktspur in einer evakuierten Kammer, und kostengünstiger angewendet werden kann.
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Vorzugsweise umfasst die massenspektrometrische Untersuchung des Abdrucks die folgenden Schritte. Zuerst wird das Substrat mit dem zu untersuchenden Abdruck auf einem Substratträger eines ortsauflösend arbeitenden Massenspektrometers, insbesondere eines MALDI- oder SIMS-Gerätes, angeordnet. Anschließend werden der Substratträger und eine Anregungsquelle des MALDI-Gerätes relativ zueinander ausgerichtet. Die Ausrichtung erfolgt insbesondere unter Verwendung der Hautporenkoordinaten, der Position des Substrats auf dem Substratträger und der Position des Substratträgers relativ zur Anregungsquelle derart, dass die zu untersuchende Porenspur im Fokus der Anregungsquelle angeordnet ist. Die Ausrichtung für mindestens eine ausgewählte Porenposition kann vorzugsweise automatisch oder alternativ durch einen Nutzer manuell erfolgen. Es folgen die Bestrahlung der mindestens einen Porenspur und die Analyse von bei der Bestrahlung erzeugten Analytmolekülen.
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MALDI-MSI-Bilder von Kontaktspuren, insbesondere von Fingerabdrücken, halten nicht nur ausgezeichnet dem Vergleich mit herkömmlichen forensischen Konzepten stand, sondern enthüllen außerdem noch mehr Detailinformationen über eine zu untersuchende Person, so dass sich besondere Vorteile bei den folgenden Anwendungen der Erfindung ergeben:
- - Forensik (latente Fingerabdrücke mit extrem großer informationsdichte),
- - Therapie („Metabolomics“, Kontrolle der Medikamenteneinnahme),
- - Doping (minimal-invasiver Test mit gleichzeitiger Identifikation),
- - medizinische Früh-Diagnostik (minimal-invasives Screening)
- - biometrische Abbildung, und
- - chemisches und biochemisches „Profiling“ von Personen.
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Von besonderem Vorteil ist ferner, dass MALDI eine derart sanfte Ionisation einschließt, dass selbst große (Bio)moleküle, und (bio)polymere Systeme unfragmentiert nachgewiesen und zuverlässig abgebildet werden können.
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Vorzugsweise wird das Massenspektrometer so betrieben, dass der Fokus des Anregungslichts einen Durchmesser kleiner als 10 µm, insbesondere kleiner als 5 µm, aufweist. Vorteilhafterweise kann somit die bestrahlte Porenspur durch mehrere Messungen massenspektrometrisch mit einer hinreichenden Ortsauflösung analysiert werden, da der Durchmesser einer Pore um ein Vielfaches größer ist (ca. 100 pm). Hierzu können die Schritte der gegenseitigen Ausrichtung, der Bestrahlung und der Analyse innerhalb der Porenspur mit einer Schrittweite mehrfach wiederholt werden, die geringer als 50 µm, insbesondere geringer als 30 µm ist. Mehrere Messungen innerhalb einer Porenspur sind auch bei der optisch-spektroskopischen Analyse möglich, wenn der Fokus des Anregungslichts wie im Falle des Massenspektrometers einen genügend geringen Durchmesser aufweist.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass mehrere chemische Analysen an verschiedenen Orten innerhalb einer Porenspur durchgeführt werden können, ohne die Porenspur in ihrer Gesamtheit zu zerstören. Die Probe, insbesondere das Substrat mit der mindestens einen Porenspur, kann nach einer ersten Messung gelagert und nach einem Zeitintervall mindestens einer weiteren Messung unterzogen werden. Die Lagerung kann eine Konservierung der Probe, insbesondere eine Kryokonservierung umfassen.
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Vorzugsweise wird bei der massenspektrometrischen Untersuchung ausschließlich die Porenspur bestrahlt. Vorteilhafterweise werden damit die Untersuchung beschleunigt, Verfälschungen der Messergebnisse durch Substanzen außerhalb der Porenspur vermieden und die Isotopen-spezifische Auflösung der Analyse verbessert.
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Ferner kann gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die massenspektrometrische Untersuchung des Abdrucks mindestens eine Referenzmessung umfassen, die außerhalb der mindestens einen Porenspur und/oder an einem chemischen Referenzmerkmal auf dem Substrat ausgeführt wird. Chemische Referenzmerkmale können z. B. auf dem Substrat angeordnete Zusatzsubstanzen, z. B. die in der Kontaktspur nachzuweisenden Verbindungen, umfassen. Weiterhin können auch intrinsisch nachweisbare Cluster oder Ionen z. B. von Au, Ag, Na oder K als Referenz bzw. interner Standard dienen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann die Erzeugung eines kompletten Bildes der Kontaktspur auf dem Substrat, z. B. für Identifikationszwecke, vorgesehen sein. Alternativ kann es von Vorteil sein, nicht ein komplettes Bild zu erzeugen, sondern eine Vielzahl von Porenspuren und deren Porenpositionen zu erfassen und aus den Porenpositionen ein personenspezifisches Identifizierungsmerkmal abzuleiten.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Abbildungen erläutert. Es zeigen:
- 1: Merkmale von bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 2: eine schematische Illustration einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messvorrichtung, und
- 3: Illustrationen der Erfassung von Hautporen.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden unter beispielhaftem Bezug auf die massenspektrometrische Untersuchung von Porenspur mehrerer Hautporen beschrieben. Einzelheiten des Verfahrens werden nicht erläutert, soweit diese von herkömmlichen massenspektrometrischen Verfahren bekannt sind. Insbesondere die Präparations- und Messbedingungen können bereitgestellt werden, wie es an sich von herkömmlichen Massenspektrometern bekannt ist. Die Anwendung der Erfindung ist nicht auf die Analyse der beispielhaft gezeigten Fingerabdrücke beschränkt, sondern entsprechend mit Abdrücken von Hautoberflächen anderer Körperteile möglich. Des Weiteren ist die Anwendung der Erfindung nicht auf massenspektrometrische Untersuchungsverfahren beschränkt, sondern entsprechend mit optisch-spektroskopischen Verfahren möglich. Die Untersuchung kann an einer Vielzahl von Porenspuren erfolgen oder auf eine einzelne Porenspur beschränkt sein.
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In den 1 und 2 sind Merkmale bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 100 gezeigt. Die in 2 schematisch gezeigte Messvorrichtung 100 umfasst eine Sensoreinrichtung 10, die einen Bildsensor 13 und eine Steuereinrichtung 14 aufweist, und eine massenspektrometrische Untersuchungseinrichtung (MALDI-Gerät) 20, die eine Substrathalterung 21, eine Anregungsquelle 22 und eine Flugzeiteinheit 23 aufweist.
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3 illustriert beispielhaft Einzelheiten des Verfahrens gemäß 1.
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Die massenspektrometrische Untersuchung eines Abdrucks einer Hautoberfläche umfasst gemäß 1 zunächst einen Schritt S1 der Präparation des Abdrucks der Hautoberfläche auf einem Substrat. 3A zeigt beispielhaft eine vergrößerte photographische Darstellung der Hautoberfläche 2 der Fingerkuppe an der Hand einer untersuchten Person. Auf der Hautoberfläche 2 verlaufen Papillarleisten, auf denen Hautporen 3 angeordnet sind. Die Hautporen 3 haben einen Durchmesser von rd. 100 µm.
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Bei der Präparation S1 kann die Hautoberfläche 2 optional zunächst einer Vorbehandlung (S11 in 1) unterzogen werden. Bei der Vorbehandlung wird die Hautoberfläche 2 durch eine Ethanol-Benetzung gereinigt und anschließend durch eine Erwärmung zu einer Sekretion aus den Hautporen 3 angeregt. Die Erwärmung kann z. B. eine kurzzeitige Umhüllung der Hautoberfläche 2, insbesondere der gesamten Hand, mit einer Kunststofffolie und eine Bestrahlung der umhüllten Hautoberfläche mit einer Heizeinrichtung, z. B. einem Wärmestrahler, umfassen.
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Anschließend erfolgt die Übertragung von Substanzen von der Hautoberfläche 2 auf das Substrat 11 (S12 in 1), so dass der Abdruck 1 auf dem Substrat 11 gebildet wird. Hierzu wird die Hautoberfläche 2 z. B. für 2 Sekunden auf die Oberfläche des Substrats 11 gedrückt (siehe 3B). Das Substrat 11 umfasst z. B. eine Glasplatte, die durch Sputtern mit Gold beschichtet ist. Die Gold-Schicht hat eine Dicke von z. B. 30 nm.
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Alternativ kann die Hautoberfläche 2 auf einen anderen Gegenstand mit einer glatten, festen Oberfläche gedrückt werden, von dem eine Kontaktspur in an sich bekannter Weise mittels eines Transfermediums 12 auf das Substrat 11 übertragen wird (schematisch im oberen Teil von 2 gezeigt). Das Transfermedium 12 umfasst z. B. eine hydrophile Polyether-sulfon-Membran (Hersteller Millipore) mit einer Dicke von 100 µm, eine poröse Folie oder eine selektive Reaktivmembran, die z. B. ausschließlich Peptide bindet. Optional kann das Transfermedium 12 wie das Substrat 11 mit einer leitfähigen Beschichtung versehen sein.
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Anschließend erfolgt bei Schritt S2 eine Erfassung von Porenspuren 4 von mindestens Hautporen 3 auf dem Substrat 11. Durch eine physikalische Modifizierung, umfassend eine Beschichtung des Substrats 11 mit dem Abdruck 1 mit einer weiteren Gold-Schicht mit einer Dicke von z. B. 5 nm (S21 in 1), wird der Abdruck 1 sichtbar gemacht. Die Beschichtung mit der weiteren Gold-Schicht kann erfolgen, wie in [3] beschrieben ist, insbesondere durch eine Bedampfung oder einen Sputter-Vorgang in einer Beschichtungseinrichtung (schematisch im oberen Teil von 2 gezeigt).
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Das Substrat 11 mit dem beschichteten Abdruck 1 wird in die Sensoreinrichtung 10 eingesetzt (siehe 2). Mit dem Bildsensor 13 wird ein Bild des Substrats 11 mit dem beschichteten Abdruck 1 aufgenommen (S22 in 1). Der Bildsensor 13 umfasst z. B. eine Kamera mit Makro-Objektiv oder einen Bildscanner-Sensor. Ein Bild des Abdrucks 1 ist beispielhaft in 3C gezeigt. Porenspuren 4 der Hautporen sind im Bild des Abdrucks 1 als dunkle Punkte erkennbar. Mit einer Software-basierten Bildverarbeitung oder durch eine manuelle Bildbearbeitung werden in der Steuereinrichtung 14 die Porenspuren 4 der Hautporen identifiziert und Hautporenkoordinaten ermittelt, die für die Porenposition der Porenspuren charakteristisch sind (S23). Die Hautporenkoordinaten beziehen sich z. B. auf die äußere Form des Substrats 11, die Position von physikalischen Referenzmerkmalen auf dem Substrat 11 (nicht gezeigt) oder die Position von charakteristischen Abdruckstrukturen, wie z. B. Verzweigungen oder Kreuzungen von Papillarleisten.
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Mit Schritt S3 folgt die ortsaufgelöste chemische Analyse von Porenspuren 3. Das Substrat 11 mit dem beschichteten Abdruck 1 wird in der Untersuchungseinrichtung 20 positioniert (S31 in 1). Die Untersuchungseinrichtung 20 umfasst z. B. ein Massenspektrometer des Typs „Autoflex III“, das als Anregungsquelle 22 einen Nd:YAG-Laser (Anregungswellenlänge 355 nm) enthält und mit der Software „FlexControl 3.0“ und „FlexImaging“ gesteuert wird (Hersteller Bruker Daltonic). Das Substrat 11 mit dem Abdruck 1 wird auf dem Substratträger 21, z. B. vom Typ „MTP Slide Adapter II“ (Hersteller Bruker Daltonic), positioniert.
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Für die massenspektrometrische Messung (S32 in 1) werden bei einem automatischen Betrieb die Hautporenkoordinaten einer ausgewählten Porenspur 3 von der Steuereinrichtung 14 an die massenspektrometrische Untersuchungseinrichtung 20 ausgegeben. Bei einem von einem Nutzer geführten Betrieb werden die Hautporenkoordinaten einer ausgewählten Porenspur 3 manuell an die massenspektrometrische Untersuchungseinrichtung 20 eingegeben. Der Substratträger 21 und die Anregungsquelle 22 werden so ausgerichtet, dass die Bestrahlung des Substrats 11 an der Porenspur 3 erfolgt. Es wird ausschließlich die Porenspur 3 vermessen. Die massenspektrometrische Messung erfolgt z. B. im Reflektionsmodus. Massenspektren werden im m/z-Bereich bis z. B. 1000 erfasst.
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Die Porenspur 3 (Ausdehnung z. B. 100 µm) wird nach einem einmaligen Bestrahlungsvorgang mit z. B. 1 bis 10000 Laserpulsen, vorzugsweise 10 bis 100 Laserpulsen, durch die Anregungsquelle 22 gemessen. Alternativ können bei gleich bleibendem Fokus der Anregungsquelle 22 (Durchmesser z. B. 1 µm bis 8 µm) mehrere Messungen mit mehreren Bestrahlungsvorgängen an unterschiedlichen Orten vorgesehen sein. Hierzu wird der Substratträger 21 schrittweise verstellt (Schrittweite z. B. 25 µm), wobei jeweils ein Bestrahlungsvorgang des Substrats 11 mit dem Anregungslicht erfolgt. Die vom Substrat 11 ionisierten Verbindungen werden in der Flugzeiteinheit 23 erfasst und analysiert.
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Anschließend werden z. B. 10 bis 20 weitere Porenspuren 3 gemessen. Es werden wiederholt Porenspuren 3 ausgewählt und massenspektrometrisch analysiert, bis ausreichend Informationen gesammelt wurden. 3E verdeutlicht beispielhaft ein MALDI-Bild mit den visualisierten massenspektrometrischen Messsignalen der einzelnen Porenspuren (helle Flecke).
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Die massenspektrometrische Messung kann einfach oder mehrfach mit der Analyse von Referenzmerkmalen 5 kombiniert werden, die z. B. als Substanzfolge am Rand des Substrats 11 angeordnet sind (siehe 3D).
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Schließlich erfolgt bei Schritt S4 eine Verarbeitung der Messergebnisse und deren Ausgabe. Die Verarbeitung der Messergebnisse umfasst die an sich bekannte Auswertung der ortsaufgelöst aufgenommenen Massenspektren. Des Weiteren kann die Verarbeitung der Messergebnisse, z. B. für Identifikationszwecke, auch eine Verarbeitung des Bildes des gesamten Abdrucks 1 auf dem Substrat 11 einschließen. Aus dem Bild des Abdrucks 1, das bei Schritt S22 ermittelt wurde, kann ein Identifizierungsmerkmal ermittelt werden, wie es von herkömmlichen forensischen Techniken bekannt ist.
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Die erfindungsgemäße Untersuchung eines Abdrucks einer äußeren Hautoberfläche kann beispielsweise bei den folgenden praktischen Anwendungen vorgesehen sein.
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Eine forensische Anwendung kann sich ergeben, nachdem eine Person einen Fingerabdruck auf einem Gebrauchsgegenstand, z. B. einem Glas oder Tisch, hinterlassen hat. Mittels einer Transferfolie, die mit einem Goldfilm bedampft sein kann, wird der Fingerabdruck vom Gebrauchsgegenstand direkt abgenommen. Die Transferfolie wird mit einer Schicht Gold bedampft (optische Sichtbarmachung des Fingerabdrucks) und optisch und massenspektrometrisch analysiert, d. h. die Transferfolie wird als Substrat verwendet. Aus dem Bild des Fingerabdrucks und den in den Porenspuren identifizierten Substanzen wird ein Profil der Person generiert, das für Aufklärungszwecke verwendet wird.
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Alternativ kann der Fingerabdruck mit der Transferfolie vom Gebrauchsgegenstand abgenommen und auf ein Substrat übertragen werden, welches mit einer Goldschicht bedampft sein kann. Das Substrat mit dem übertragenen Fingerabdruck wird mit einer Gold-Schicht bedampft (optische Sichtbarmachung des Fingerabdrucks) und optisch und massenspektrometrisch analysiert.
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Gemäß einer weiteren Alternative hinterlässt die Person einen Fingerabdruck auf einem Gebrauchsgegenstand, z. B. einer ebenen Tischplatte, Papier, Folie oder einer Textilfläche. Durch Aussägen, Ausschneiden oder dergleichen wird der Gebrauchsgegenstand zerkleinert, um ein den Fingerabdruck tragenden Teil von diesem in eine für die massenspektrometrische Messung angepasste Form zu bringen. Der Gebrauchsgegenstand an sich bildet das Substrat und wird mit einer Goldschicht bedampft (optische Sichtbarmachung des Fingerabdrucks) und optisch und massenspektrometrisch analysiert.
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Bei einer Anwendung bei einer Doping-Kontrolle wird von einem Sportler ein erster Fingerabdruck auf einem Substrat erzeugt. Dieses Substrat enthält bereits Referenzmerkmale 5 gemäß 3 an bekannten Messorten, wie beispielsweise eine Probe, die ein Dopingmittel enthält. Nachfolgend wird der Finger der genannten Vorbehandlung (S11 in 1) unterzogen, d. h. gesäubert und zum Schwitzen angeregt. Neben dem ersten Fingerabdruck wird auf dem selben Substrat nach der Vorbehandlung S11 ein zweiter Fingerabdruck erzeugt. Anschließend wird das Substrat mit den zwei erzeugten Fingerabdrücken mit einem Goldfilm bedampft. Hierdurch wird im Fall des ersten Fingerabdrucks der gesamte Fingerabdruck optisch sichtbar gemacht. Dieser dient vorzugsweise als optisches Identifikationsmerkmal. Im Fall des zweiten Fingerabdrucks wird vorzugsweise die Porenspur sichtbar gemacht und mit dem erfindungsgemäßen Verfahren massenspektrometrisch analysiert, um ausschließlich endogene Substanzen aus den Poren nachzuweisen. Der Vergleich der Messungen mit den Messungen der Referenzmerkmale liefert eine zuverlässige Aussage, ob das Dopingmittel in den endogenen Substanzen aus den Poren enthalten ist.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.
