Química e Sociedade - Aplicação às Ciências Forenses

Química e Sociedade Aplicada às Ciências Forenses

Feito por Viviana Pereira Para a cadeira de Química e Sociedade – Q4015 No ano letivo de 2014/2015

Química e Sociedade – Q4015 2014/2015

Índice Introdução Química Forense para análises ao solo Caso 1: Forense do Solo como ferramenta para testar a proveniência de artefactos

1 2 2

Caso 2: Utilização de ICP-MS e estatística multivariada para usa como “impressão digital” elementar do solo 6 Toxicologia Forense Caso 1: Potencial da tecnologia IRMS para rastrear -butirolactona (GBL)

10 10

Química Forense para análises balísticas Caso 1: Quantificação de resíduos de disparos e predição do número de disparos usando diferentes armas de fogo.

13

Conclusão Bibliografia

15 15

13

Introdução A Química é uma área da Ciência muito versátil onde se pode criar novos materiais ou adaptar materiais já existentes. Esta também é muitas vezes utilizada para a caracterização e deteção de compostos em vários tipos de amostras. Por este último motivo a Química é muitas vezes utilizada por outras Ciências. Hoje em dia a Química já está englobada a vários tipos de indústria, como a alimentar ou a de calçado para controlo de qualidade ou melhoramento de produtos, ou até em áreas em como a das Ciências Forenses, que é a junção de Direito com as Ciências1, em que o objetivo é a descoberta da verdade sobre um determinado acontecimento, geralmente um crime. Dentro da Ciências Forenses já existe uma subdivisão para a Química Forense, esta é referida como uma Química Analítica Aplicada em que a diferença entre as duas está no facto de a Química Forense para além de incluir análises qualitativas e quantitativas também faz uso de análises comparativas.1 Um cientista forense, quando trabalha com provas de um crime, tem que ser capaz de cumprir três tarefas. Em primeiro lugar tem que identificar o composto ou partículas, através de análises qualitativas e quantitativas, de seguida é necessário classificar as provas, por último a identificação do composto ou prova. Se a prova for uma fibra, é preciso determinar qual é o tipo de fibra, a cor, a idade, de onde é que ela provêm. À medida que as questões vão sendo respondidas vai-se reduzindo o grupo de possibilidades a que a prova recolhida pertence, sendo que quanto menor for o grupo mais significativa ela é. No final pretende-se ser capaz de individualizar a fibra, ou composto de modo a se conseguir perceber exatamente de onde vem. A situação ideal seria conseguir com que a classe final só tivesse um componente, ou seja individualizar completamente a fibra, contudo isto nem sempre é possível quando se trata das Ciências Forenses.1 Por fim é necessário comparar as provas obtidas com os suspeitos, no caso das fibras se a fibra encontrada na cena do crime fosse uma lã vermelha, com um determinado padrão e composição e se um dos suspeitos tivesse uma camisola de lã vermelha procediase a uma análise a ambas as fibras para se tentar determinar se poderão ser ou não semelhantes. Se as fibras forem diferentes, o suspeito pode ser excluído, ou pelo menos as fibras da cena do crime não provieram daquela camisola, contudo se as fibras forem 1 Viviana Pedrosa Pereira

Química e Sociedade – Q4015 2014/2015 semelhantes apenas o resultado obtido não é suficiente para individualizar as fibras e afirmar que a fibra encontrada pertence ao casaco, todavia isso não significa que as provas sejam inúteis, mas limita o que se pode dizer com certeza, assim sendo a camisola não é excluída como possível fonte de proveniência da fibra. No caso de compostos químicos como drogas, as análises normalmente conseguem obter uma identificação clara do composto químico, neste caso a classificação, como testes de screening, precede a identificação. Independentemente da identificação, a classificação e a individualização estão presentes na Química Forense, mesmo que a ordem varie. 1 Outra área das Ciências Forenses que envolve a Química Analítica é a Toxicologia Forense, que trabalha com provas biológicas e segue o caminho de venenos, drogas ou medicamentos ingeridos por humanos ou outros organismos. Esta área é normalmente associada às investigações de mortes, ou crimes em que se suspeitam envolvimento de drogas ou álcool. A Toxicologia Forense é também uma Química Forense, a sua divisão é feita apenas por motivos históricos e por tradição.1 Os materiais normalmente analisados por químicos forenses são tintas, detritos de fogos, resíduos de disparos, poeiras, explosivos, polímeros e vidro. Se houver provas físicas que forem propícias e beneficiarem em serem analisadas quimicamente, um químico forense ou alguém com treino na área pode ser envolvido na análise dessas provas. 1 Nesta monografia tenciono falar sobre algumas utilizações da Química nas Ciências Forenses podendo utilizar um ou mais exemplos de ambas a Química e a Toxicologia Forense.

Química Forense para análises ao solo Caso 1: Forense do Solo como ferramenta para testar a proveniência de artefactos Nem sempre a Química Forense é utilizada exclusivamente em casos de crimes relacionados com mortes, também pode ser usada para rastrear se artefactos históricos provêm realmente do local em que o seu descobrimento foi reportado de modo a confirmar a veracidade da informação.2 A análise de artefactos arqueológicos como, por exemplo, hordas de moedas através da deteção de metal ou ainda da análise do solo ou detritos envolventes pode, quando devidamente documentados e registado, oferecer dados adicionais sobre a distribuição de antigos lugares de atividade humana que pode não ter sido previamente identificada. Contudo a veracidade das descobertas de novos locais pode ser questionada, uma vez que não é incomum que os alegados lugares de descoberta sejam incorretamente registados ou fabricados deliberadamente. Uma vez que as visitas de campo aos lugares de descoberta são dispendiosas e podem não fornecer dados adicionais que suportem ou contradigam a veracidade da descoberta é necessário arranjar meios independentes para testar, cientificamente, os locais reportados.2 Neste caso de estudo, o grupo de cientistas tinha como objetivo comprovar se as 6 hordas de moedas Romanas, que foram oferecidas a um museu no Sudoeste da Inglaterra, seriam ou não provenientes dos locais reportados. Foram atribuídas às hordas letras de A a F para a sua identificação. Uma horda de moedas é um conjunto de moedas enterradas, juntas, num local específico. Uma vez que os artefactos estão, normalmente, enterrados no solo, ou à sua superfície é comum haver partículas de solo presente na superfície deste, a não ser que tenha sido 2 Viviana Pedrosa Pereira

Química e Sociedade – Q4015 2014/2015 extensivamente limpo. Havendo solo presente há uma oportunidade para aceder à natureza do lugar em que foi encontrado.2 Quase todos os solos perto da superfície são compostos por uma mistura de partículas orgânicas e inorgânicas. Os componentes orgânicos normalmente são fragmentos macroscópicos de plantas, esporos, pólen, micro-organismos e potencialmente microfóssil reformulado. Os componentes inorgânicos presentes são derivados minerais naturais que refletem grandemente a geologia do leito rochoso subjacente tal como quaisquer unidades geológicas superficiais, e partículas granuladas feitas por ação do homem. Tanto a investigação como casos forenses reais já demonstraram que por causa da complexidade desta mistura de componentes orgânicos e inorgânicos no solo este pode ser altamente variável espacialmente, de tal modo que locais discretos são caracterizados por solos distintos.2 Como até hoje não foi possível estabelecer bases de dados com características do solo com uma resolução apropriada para demonstrar o grau de variabilidade espacial observado criou-se um princípio no qual os dados forenses do solo obtidos não podem ser utilizados para testar a “correspondência” entre um local conhecido e uma amostra desconhecida, uma vez que não é possível afirmar que não haverá num outro local com um solo que apresenta características semelhantes. Por esse motivo, reconheceu-se que os dados forenses do solo são melhor aplicados pelo caminho de exclusão, ou seja, se os dados obtidos para uma amostra desconhecida não corresponderem aos dados obtidos para o suposto local então é possível excluir a possibilidade de uma associação entre os dois solos. Mapas de avaliação geológica ou de solos podem ser usados para sugerir as características mais prováveis do solo numa localização desconhecida. Assim sendo, as características de uma amostra de solo podem ser usadas para identificar potenciais locais dos quais a amostra teve origem.2 Devido à complexidade dos componentes presentes no solo é possível utilizar uma grande variedade de parâmetros para o caracterizar. Estes incluem as características macroscópicas gerais como o tamanho do grão, a textura ou a cor, os componentes orgânicos como o pólen ou os micro-organismos, como também os componentes inorgânicos como a mineralogia.2 Num contexto arqueológico, os compostos orgânicos de solos perto da superfície são preferencialmente perdidos dentro do perfil do solo em que o artefacto esteve enterrado. De momento, não há nenhum protocolo para análises forenses do solo aceite internacionalmente uma vez que raramente é possível aplicar todos os métodos analíticos disponíveis, contudo a maioria sugere uma abordagem sistemática começando com as características mais gerais e indo aprofundado. No caso das investigações forenses criminais, as amostras são pequenas e os métodos analíticos adotados precisam de ser não destrutivos, por esse motivo a técnica de microscopia SEM acoplada a espectrómetros de energia dispersa (EDS) são os mais utilizados para caracterizar a mineralogia do solo, uma vez que já foi demonstrado que este método fornece resultados altamente reprodutíveis a análises mineralógicas e a amostras pequenas de solo.2 No exemplo do artigo, os dados adquiridos depois de tratados por o programa QEMSCAN permitem um mapeamento da composição dos minerais encontrados na amostra através da análise EDS, no final da análise a cada composição diferente é atribuído um nome mineralógico ou um grupo com a composição química. Quando os dados são processados as áreas com a mesma ou com composição semelhantes podem ser combinada para se definir os grupos mineralógico e químicos detetados. As imagens que provêm deste agrupamento são importantes pois fornecem informação textural, como a forma das partículas e também mostra como é que os minerais presentes se relacionam entre eles, e entre outros. O programa também permite a exclusão de grupos, no caso de 3 Viviana Pedrosa Pereira

Química e Sociedade – Q4015 2014/2015 estudo foi encontrado, juntamente com os minerais naturais produtos de corrosão de metais proveniente das moedas, assim sendo, os grupos característicos da corrosão, como as fases de cobre, cobre-estanho correspondentes aos bronze, fases de chumbo e prata, tal como algumas partículas de cloreto de sódio e cloreto de potássio foram excluídas por não estarem presentes no solo do Reino Unido. Na Figura 1 encontram-se uma representação dos resultados obtidos pelo programa QEMSCAN antes e depois de se remover os produtos da descomposição.2

Figura 1 – Resultados dos dados de QEMSCAN: (A) Partículas de uma amostra de solo do grupo A que mostra partículas representativas da amostra original, na qual os detritos de partículas recolhidos da superfície da moeda é dominado por fases de cobre, cor laranja. (B) Partículas de minerais da mesma amostra para a qual todas as fases que foram referidas como produtos de alteração foram removidos deixando apenas os minerais que ocorrem naturalmente no solo. Imagem retirada de 2

No trabalho aqui descrito os investigadores retiraram amostras de solo presentes nas moedas de cada grupo, algumas não continham vestígios de solo devido a uma limpeza exaustiva e as que continham eram em áreas muito pequenas. Os dados obtidos para cada amostra de solo obtida nas moedas foram comparados entre as outras do mesmo grupo. Na Tabela 1 estão descritos, para cada grupo, a quantidade total de moedas e o número de amostras analisadas, é necessário ressaltar que cada uma das amostras é proveniente de uma moeda. As restantes não foram analisadas por ou não terem solo à superfície, ou por estarem demasiado corroídas.

4 Viviana Pedrosa Pereira

Química e Sociedade – Q4015 2014/2015 Tabela 1 - Distribuição das moedas e análises por grupos. Tabela adaptada de 2

Nome do Grupo A B C D E F

Número de moedas total

Número de amostras de solo analisadas

7 15 9 18 15 58

4 8 6 6 7 12

Como conclusões para os resultados obtidos para as várias análises temos que para o grupo A observou-se a formação de dois grupos distintos, ou seja, as amostras eram agrupadas duas a duas, como se pode ver no gráfico da Figura 2. O agrupamento teve como origem a textura das amostras de solo retirado e a abundância relativa dos minerais. No grupo B, obteve-se uma variação considerável na mineralogia entre as diferentes amostras de solo recolhidas neste grupo de moedas, apesar de se ter registado que todas elas vieram do mesmo local. A variação mineralógica observada é maior que a variação típica já detetada para amostras numa área localizada em investigações forenses, consequentemente, mesmo que algumas destas moedas tenham sido extraídas do mesmo sítio com tipos de solos semelhante é invulgar que todas as moedas deste grupo sejam provenientes de uma única localização. No grupo C havia 5 amostras com solo vermelho que têm uma mineralogia consistente, ou seja, podem provir do mesmo local, contudo a sexta moeda, que tinha um solo mais arenoso que as restantes tinha um perfil diferente, não podendo ter origem no mesmo local que as restantes. No grupo D, 4 das 6 amostras eram de solos castanho-acinzentados em que se obteve resultados mineralógicos comparáveis, sugerindo que tiveram a mesma origem, contudo as outras duas amostras do grupo, que demonstravam uma cor avermelhada, apresentaram uma mineralogia díspar das restantes mas uma certa semelhança entre elas. A conclusão retirada é que as moedas provêm de pelo menos duas localizações diferentes. No grupo E, os resultados para as 7 amostras são consideravelmente semelhantes entre elas, podendo concluir-se que o grau de semelhança é consistente com a premissa de que todas elas provieram do mesmo local de descoberta. Finalmente, no grupo F apesar de 7 das 12 amostras serem de solos avermelhados e as restantes de solos castanho-acinzentados, o perfil mineralógico modal não é muito distinto havendo algum semelhança nos minerais presentes e na sua abundância relativa entre as 12 amostras mesmo entre as visualmente distintas e de haver variações significativas entre amostras, contudo é possível definir 3 grupos mineralógicos. Assim sendo é pouco provável que este grupo de moedas tenha sido todo recolhido no mesmo local.

5 Viviana Pedrosa Pereira

Química e Sociedade – Q4015 2014/2015

Figura 2 – Gráfico a demonstrar a mineralogia modal das 4 amostras analisadas no grupo A. Imagem retirada de 2

Figura 3 - Gráfico a demonstrar a mineralogia modal das 12 amostras analisadas no grupo F em que as 7 primeiras são solos avermelhados e as restantes solos castanho-acinzentados claros. Imagem retirada de 2

As diferenças observadas dentro dos grupos pode ser devido à junção de moedas que foram encontradas em vários locais distintos da mesma extensão de terra. No caso de toda esta extensão de terra ser sustentada pela mesma unidade geológica e se tiver um histórico de utilização de terra semelhante em toda ela, como por exemplo, se toda a extensão de solo foi utilizada para o cultivo das mesma plantas, seria de esperar que os vários solos fossem amplamente semelhantes mas com alguma variância na abundância relativa em relação aos minerais presentes. A mineralogia do solo também pode variar com a profundidade do solo, fazendo com que artefactos retirados do mesmo local de escavação possam mostrar alguma variação se retirados a diferentes profundidades. Outro fator importante como prova é as possíveis reações entre o artefacto e o local onde está enterrado, podendo haver a formação de produtos de corrosão secundários. No caso de um artefacto ser reenterrado num local diferente daquele em que foi originalmente encontrado pode resultar no resgate de artefactos no mesmo local mas com tipos de solo diferente. Também é necessário ter em conta que se moedas recuperadas em locais diferentes forem colocadas no mesmo saco, e se elas tiveram partículas de solo à sua superfície há a possibilidade de haver contaminação cruzada entre os diferentes tipos de solo. Para evitar a influência excessiva dos resultados só foi recolhido o solo que estava firmemente aderido às moedas com a ponta de uma agulha de dissecação. Este estudo provou que as análises forenses ao solo podem ser aplicadas nas análises independentes da proveniência dos artefactos e que as análises numéricas são muito úteis na interpretação de resultados. Neste caso foi possível determinar rapidamente que os conjuntos de moedas não representam hordas e as analises ao solo forneceram provas fortes das várias origens para moedas dentro de um mesmo grupo, sendo que é uma grande ajuda para alertar contra o registo da maior parte das moedas como descobertas arqueológicas.

Caso 2: Utilização de ICP-MS e estatística multivariada para usa como “impressão digital” elementar do solo Na ocorrência de um homicídio, nem sempre o corpo da vítima é encontrado no local onde decorreu o crime, contudo é importante saber onde é que o crime aconteceu, de 6 Viviana Pedrosa Pereira

Química e Sociedade – Q4015 2014/2015 modo a poder encontrar todas as provas necessárias e posteriormente condenar o assassino. A Ciência Forense é baseada em duas premissas subjacentes para a utilização de evidências residuais. A primeira é o princípio de troca ou a teoria de Locard que diz que haverá transferência cruzada de materiais como resultado de contacto físico, a segunda é que o exame e a caracterização das evidências físicas para associar o suspeito à vítima, à cena do crime, ou a outras provas materiais. Quando bem recolhidos e analisados, o solo e os sedimentos, têm o potencial de fornecer evidências residuais em investigações forenses devido à sua composição ser grandemente específica ao local. O solo tem milhares de variedades mundialmente e é altamente complexo, uma vez que a sua mineralogia e distribuição elemental varia dependendo do material de que provêm (rochas), da idade, do clima, da topografia, da maneira como a terra é usada, da poluição local, entre outros fatores. Os motivos para o solo ser uma boa evidência física residual incluem um elevado tempo de retenção e transferibilidade para outros materiais, facilidade de recolha, separação e caracterização. As partículas de solo são facilmente transferidas, normalmente como lama, do chão para os sapatos, pneus, tapetes, roupas e outros objetos, assim sendo é plausível que o material possa der usado como fonte de amostras comparativas numa investigação forense. 3 Contudo é importante ressaltar as desvantagens em usar a “impressão digital” elementar do solo em estudos forenses. Estes incluem a mistura de materiais não relacionados com o acontecimento forense, que a transferência de matérias varia com as características físicas tal como o tipo e tamanho da partícula ou o seu teor orgânico. No calçado pode haver mistura de diferentes fontes que ficam agarradas à sola ao longo do tempo criando várias de camadas de solo com várias contribuições. Também é necessário ter em conta que as assinaturas elementais geoquímicas podem variar com o tamanho da partícula, uma vez que numa partícula pequena há uma menor variação e retém a maior parte da informação elementar inerente que uma amostra maior, sendo que é recomendada para o “impressão digital” elementar. Tal como para todas as análises quando se faz uma análise comparativa a evidências físicas residuais é necessário considerar a representatividade da amostra, a técnica analítica a ser usada, e o método filosófico usado na interpretação dos resultados.3 Contudo, e tal como no caso anterior, a semelhança entre amostras pode não significar que as amostras provêm da mesma fonte, assim sendo a abordagem da Ciência Forense neste contexto baseia-se na exclusão em vez da correspondência entre amostras e cenas de crime, por conseguinte os geoquímicos forenses têm que provar que uma determinada amostra não foi originada de uma mesma fonte. Este caso de estudo foi aplicado numa cadeira da Universidade de Mississípi em que a maioria dos estudantes eram da Licenciatura de Química Forense e que tinham como trabalho analisar amostras de solo, para tentar encontrar o criminoso, uma vez que a simulação correspondia ao seguinte: Ocorreu um assassinato e a vítima foi encontrada num campo de algodão lamacento. Foram encontradas grandes porções de lama seca no tapete do carro do suspeito. Consequentemente procedeu-se à recolha de amostras de solo na cena do crime, tal como nas áreas subjacentes, campos mais distantes e amostras de controlo, de locais fora do estado do Mississípi para se comparar às amostras obtidas no tapete do carro. Os alunos terão que identificar se a amostra encontrada no tapete do carro será, ou não, do local de despejo do corpo utilizando a técnica de ICP-MS e análise estatística multivariada.3 O ICP-MS, ou plasma acoplado indutivamente – espetroscopia de massa, é uma técnica de espectrometria atómica multi-elementar poderosa usada para a determinação de elementos residuais e razões de isótopos numa grande variedade de amostras de 7 Viviana Pedrosa Pereira

Química e Sociedade – Q4015 2014/2015 matrizes. Como normalmente as amostras analisadas por esta técnica são líquidos, os estudantes tiveram que proceder à digestão das amostras de solo em ácido para as poderem analisar. No final utilizaram técnicas de análise estatística multivariada, como a Análise de Componentes Principais e a Análise Discriminante para o tratamento dos dados obtidos, uma vez que estes são métodos robustos para averiguar as similaridades ou disparidades entre as amostras e os grupos de amostras recolhidas. 3 A análise de Componentes Principais é uma técnica que usa a combinação linear das variáveis para reduzir o conjunto de dados com várias variáveis para um número mais pequeno de variáveis compostas que representem a maior parte da informação dos dados originais. Isto é feito através da determinação da estrutura de correlação linear mais forte entre as variáveis.3 A análise Discriminante é uma técnica de análise do valor próprio que determina os eixos canónicos que melhor descrimina entre os grupos. Ela maximiza a variação entre grupos relativamente à diferença dentro dos grupos através da determinação a combinação linear de variáveis ótima.3 Para além de ser utilizado em análises forenses relacionadas com solo a estatística multivariada também é aplicada em outros exemplos de classificação de materiais como acelerantes, dinheiro, documentos, drogas, vidro e fibras, como no exemplo apresentado na introdução. Foi usado como material de referência uma amostra de sedimentos de Buffalo River à qual foi atribuído o nome de NIST. Foi feita uma análise preliminar dos dados através de uma representação gráfica da soma das concentrações normalizadas de todos os elementos utilizando a caixa dos bigodes, ou Box-Whisker, que está representado na Figura 4. Os dois outliers mais evidentes, CaS e NIST, são solos recolhidos na Califórnia e perto de Buffalo River, respetivamente. Os restantes solos foram recolhidos em Lafayette County, Mississipi, no qual a amostra F foi recolhida em solo florestal, e apresenta uma soma superior às restantes da mesma região que consistem em solo agrícola. O mesmo pode ser avaliado através da representação gráfica do primeiro e segundo componente obtidos pela Análise dos Componentes Principais, que está representado na Figura 5 onde há uma clara separação entre as amostras obtidas nos diferentes estados. Também é possível observar uma separação de duas das repetições da amostra F em relação às restantes amostras de solo recolhidas no Mississipi.

Figura 4 – Gráfico Box-Whisker da concentração elementar normalizada geral para as amostras de solo. Imagem retirada de 3

Figura 5 – Gráfico com o primeiro e segundo componente usando os dados dos 22 elementos determinados pelo ICPMS para todas as amostras de solo. Imagem retirada de 3

8 Viviana Pedrosa Pereira

Química e Sociedade – Q4015 2014/2015 Na Figura 6 está uma representação gráfica semelhante à da Figura 5 mas apenas com as amostras de solo recolhidas em Mississipi. Nesta figura pode-se observar a formação de 3 grupos, o que se encontra destacado a azul corresponde às amostras do solo florestal, F, que já foi referida anteriormente. A vermelho encontra-se um grupo que engloba as amostras Ag2 e Carro 5, 6, 7 e 8, enquanto a verde engloba as amostras Ag1, A, B, C e os Carros 2, 3 e 4. Como para os grupos 5 a 8 a amostra do “carro do suspeito” foi retirada do mesmo lote que o Ag2 e para os grupos 2 a 4 a amostras foi retirado do lote A é de esperar que elas sejam incluídas nos grupos em que estão presentes. Contudo a amostra Ag1 foi recolhida a aproximadamente 3 km de distância dos locais A, B e C, que estão relativamente próximos uns dos outros, e Ag1 está englobado no mesmo grupo que estes 3 últimos. Estes resultados são uma maneira de ilustrar que é necessário alguma cautela quando se aplica este tipo de análises por dois motivos. Primeiro é possível que áreas de solo relativamente grandes possam ter perfis elementais comparáveis se o tipo de solo e a fonte de material, ou cama rochosa, for semelhante. Neste caso o solo de todas as localizações é semelhante pois todas provêm de campos cultivamos, neste caso com plantações de algodão, que são adjacentes ao rio Yocona. Em segundo lugar a ACP por si só pode não ser a melhor ferramenta para a descriminação de dados. Através da representação gráfica canónica da Análise de Discriminantes, apresentada na Figura 7, obteve-se uma melhor descriminação das amostras apesar das semelhanças anteriormente referidas. Na Figura 7 podemos ver que Ag1 ficou separado das amostras A, B e C, e que C também ficou separada de A e B, pois apesar de ser mais perto dos locais A e B que as restantes, também se encontra separada de A por 50 m, enquanto a distância que separa A de B é apenas 10 m, motivo pelo qual não foram separados. Contudo a amostra F, que anteriormente foi referida como uma amostra florestal foi recolhida a poucos metros do campo de cultivo A tem uma matriz elementar diferente que o permite distinguir das restantes, mostrando que o uso do terreno um fator principal na descriminação e no agrupamento dos dados obtidos.3

Figura 6 – Gráfico com o primeiro e segundo componente usando os dados dos 22 elementos determinados pelo ICP-MS para todas as amostras de Mississípi. Imagem adaptada de 3

Figura 7 – Gráfico canónico da Análise Discriminante usando os dados dos 22 elementos determinados por ICP-MS para todas as amostras de Mississípi. Imagem retirada de 3

Apesar de os resultados mostrarem que o solo em grandes quantidades de Lafayette County, Mississípi, pode ser efetivamente discriminado baseando-se no uso do terreno e localização geográfica, tentar ligar um suspeito a uma localização baseado apenas em “impressões digitais” elementares do solo iria requerer um escrutínio adicional e linhas de evidências para além âmbito deste caso de estudo. 9 Viviana Pedrosa Pereira

Química e Sociedade – Q4015 2014/2015

Toxicologia Forense Por vezes numa investigação criminal é necessário ver se o suspeito ou a vítima poderiam estar sobre a influência de alguma substância que lhe poderia alterar o julgamento, ou incapacitar de alguma forma. As análises Anti-doping também são importantes pois tenta-se perceber se os atletas poderão ou não ter consumido químicos ilegais para aumentar a sua performance desportiva. Tudo isto é estudado pela Toxicologia Forense. O exemplo dado neste trabalho será sobre um projeto de investigação que tem como objetivo perceber se é possível rastrear a proveniência de uma droga através da técnica IRMS.

Caso 1: Potencial da tecnologia IRMS para rastrear -butirolactona (GBL) Na última década tem aumentado a procura de -butirolactona, ou GBL, maioritariamente como produto químico intermediário da síntese de polímeros, contudo também é usado como removedor de tinta ou desengordurante biodegradável. Na Figura 8 encontra-se esquematizado o mecanismo reacional da -butirolactona podendo-se observar os vários intermediários químicos que potencialmente podem ser convertidos em GBL a nível industrial. Um dos intermediários da -butirolactona é a ácido hidroxibutirico, ou GHB, que está a ser cada vez mais usado como droga recreativa ou até para facilitar violações. Contudo também foi detetado que o consumo de GBL e de 1,4-BD, ambos percursores de GHB, como droga tem vindo a aumentar uma vez que ocorre uma conversão rápida desses dois percursores para GHB diretamente após o seu consumo por via oral através da lactonase periférica. Uma vez que tanto o GBL como o 1,4-BD são importantes solventes industriais e grandemente utilizados para a síntese de plásticos ou polímeros não há legislações nacionais, ou internacionais que regulem a compra e venda destes compostos, por sua vez, a falta de controlo e o fácil acesso a preços baixos fazem aumentar a popularidade do consumo de estes três compostos químicos.4

10 Viviana Pedrosa Pereira

Química e Sociedade – Q4015 2014/2015

Figura 8 – Estruturas e mecanismo reacional dos percursores sintéticos de -butirolactane. Imagem retirada de 4

Com tudo isto surgiu uma necessidade de desenvolver meios analíticos para ajudar as autoridades a interromper o uso e tráfico de GHB e dos seus percursores. Em casos forenses, a presença de GHB ou percursores é investigada em objetos apreendidos em forma de amostras de droga ou bebidas alteradas, mas também em amostras biológicas, como urina e sangue, recolhidas de vítimas de violações ou consumidores de droga. Apesar de estas substâncias poderem ser detetadas por métodos analíticos convencionais é difícil de estabelecer ligações entre a pista e a fonte. Contudo, como estas substâncias podem ser sintetizadas por várias maneiras diferentes, usando uma diversidade de reagentes químicos, a variação no seu conteúdo de isótopos estáveis pode ser potencialmente observada. Várias investigações de isótopos estáveis foram feitas de modo a determinar a fonte de produção de drogas ilícitas sintéticas como as anfetaminas.4 Neste caso de estudo desenvolveu-se e testou-se um método de GC/C/IRMS, ou Cromatografia Gasosa/Combustão/Espectroscopia de massa de razão isotópica, para a caracterização das amostras de GBL. A variabilidade na composição isotópica entre amostras de GBL foi estudada analisando amostras de GBL de vários fornecedores e revendedores da internet de vários países diferentes. Também se avaliou o efeito da destilação, uma vez que é um passo importante na produção de GBL e há a possibilidade de afetar o valor da razão de isótopos. No final será discutido a capacidade discriminante do IRMS para inferir a fonte da amostra de GBL.4 Uma das maneiras mais comuns de ligar drogas aos seus lotes e o caminho por onde são traficadas é através do perfil das impurezas orgânicas que são geralmente influenciadas pelos percursores e os restantes químicos usados na síntese. Contudo com o GBL esta abordagem não é muito efetiva, uma vez que este composto químico é sintetizado com um nível de pureza elevado, superior a 99%, que foi confirmado através da análise por GC-MS de várias amostras compradas a diferentes vendedores na internet 11 Viviana Pedrosa Pereira

Química e Sociedade – Q4015 2014/2015 e amostras obtidas por apreensões da polícia pois as impurezas eram vestigiais, em alternativa a determinação da diferença da razão de isótopos de carbono do GBL por IRMS é uma metodologia mais promissora para abordar as ligações entre as diferentes amostras do composto. O uso de perfis de isótopos estáveis de modo a obter informação inteligente através das análises forenses, é uma estratégia importante para a determinação da origem geográfica das drogas.4 Antes da determinação da razão de isótopos de carbono dos vários lotes foi feita uma análise de diferentes quantidades do composto da mesma remessa para definir a resposta linear do IRMS pois a precisão do GC/C/IRMS pode ser significativamente afetada quando a intensidade do sinal está fora da zona de linearidade. Foram obtidos para as amostras valores de 13C entre -23,1 e -45,8 ‰ associado a um desvio padrão inferior a 0,3 ‰. Também se verificou a estabilidade das medições de IRMS durante a separação cromatográfica e a reprodutibilidade dos valores do padrão interno, criando assim um critério interno de aceitação, por corrida, com um grau de confiança de 95% de confiança. As amostras de GBL foram novamente analisadas em triplicado 6 meses após a primeira medição não havendo uma alteração significativa nas médias obtidas como se pode ver na Tabela 2. A repetibilidade das medições de 13C é extremamente importante num contexto forense, pois permite a criar e manter uma base de dados para as razões isotópicas de carbono nas amostras de GBL.4 Tabela 2 – Valores de 13C para as amostras de GBL obtidas por fornecedores químicos, revendedores da internet (GBL#1-14) tanto da primeira série de análises como da segunda, 6 meses depois. Retirado de4

Uma vez que no processo de síntese do GBL há um passo de purificação, que geralmente é uma destilação com solventes orgânicos também se considerou a possibilidade de o solvente usado poder afetar a fração isotópica, por esse motivo analisou-se o GBL recolhido após diferentes frações de destilação consecutivas com os diferentes solventes. No final, através dos resultados obtidos chegou-se à conclusão que a purificação do GBL por destilação não afeta dramaticamente os valores de 13C, assim sendo não explica a larga banda de valores obtidos para as várias amostras presentes na Tabela 2, pensando-se que essa variação poderá ser da origem dos percursores do GBL. 4 Com os resultados obtidos neste caso de estudo, os investigadores chegaram à conclusão que a habilidade discriminante do IRMS será suficientemente elevada para se descobrir a fonte da amostra de GBL, contudo pensam que será necessário fazer mais testes.

12 Viviana Pedrosa Pereira

Química e Sociedade – Q4015 2014/2015

Química Forense para análises balísticas Caso 1: Quantificação de resíduos de disparos e predição do número de disparos usando diferentes armas de fogo. A Balística Forense representa uma subárea criminalística que inclui o estudo de armas de fogo e munições, no qual o maior objetivo é a relacionar o suspeito à arma do crime, na maior parte dos casos, pela munição. As munições de armas de fogo consistem em projeteis, invólucros, propulsor e uma mistura detonante, que contém estifnato de chumbo, C6HN3O8Pb, nitrato de bário, trióxido de antimónio, tetra hidróxido de antimónio e alumínio.5 Durante o disparo uma quantidade considerável do material na sua fase gasosa ou sobre a forma de aerossóis sólida é produzida e expelida com o projétil. Parte do material gasoso solidifica dando origem aos resíduos de disparo, GSR, este é composto por metais pesados, tal como elementos residuais provenientes do invólucro do cartucho, revestimento da bala, do núcleo da bala e do cano da arma, os resíduos também podem ser compostos por elementos orgânicos do propulsor, ou pólvora sem fumo, como nitratos e estabilizadores.5,6 O GSR pode ser encontrado essencialmente nas mãos, cara e roupas do atirador, em pessoas que estejam perto quando a arma é disparada e até na vítima.5 No Brasil, país do qual vem este caso de estudo, o teste para a detenção de GSR usado em rotina é o teste colorimétrico que usa o reagente rodizonato de sódio (reação de FeiglSuter) contudo este teste só deteta chumbo e há um grande problema de contaminação com outros materiais, resultando em falsos positivos. Outro teste colorimétrico é baseado no teste de parafina, este foi um dos primeiros testes a aparecer para determinar a presença de GSR e consistia na interação com nitratos e nitritos, todavia existe um grande número de fontes que podem conter nitritos, podendo também neste caso criar falsos positivos mais facilmente que no método usado em rotina, assim sendo este método não é um indicador de GSR de confiança.5 Recentemente, há um crescente número de estudo que relatam novas técnicas analíticas para a identificação do uso de armas de fogo por presença de GSR tal como a técnica de microscopia de varrimento eletrónico/espectroscopia de raio-X ou SEM/EXS, a espectroscopia Raman, a florescência Raio-X ou XRF, a plasma acoplado indutivamente – espetroscopia de massa ou ICP-MS, e ainda a plasma acoplado indutivamente espectroscopia de emissão ótica ou ICP OES.5 O SEM/EDS tem sido usado por um grande número de especialistas devido a este permitir uma correlação da morfologia e da composição química de partículas individuais compostas por chumbo, bário e antimónio. Porém no final do século XX começou a promoção e venda de munições sem metais pesados, estas contêm um detonante composto com titânio, cobre e zinco que vêm substituir o chumbo, o bário e o antimónio, e uma vez que o projétil está completamente coberto pelo detonante não há contaminações de chumbo. Este tipo de munições fizeram com que a técnica de SEM/EDS se tornasse ineficaz e como a preparação de amostras para esta técnica é muito demorada, a sua implementação como técnica de rotina torna-se pouco viável.5,7 O ICP-MS e ICP OES apresentam uma maior sensibilidade que XRF, estas técnicas parecem ser mais promissoras e versáteis, contudo apesar da técnica de ICP-MS apresentar uma alta sensibilidade, a sua instalação e manutenção têm custos elevados, dificultando a sua implementação. A técnica de ICP OES, devido ao facto de ser mais económico tanto na instalação como na manutenção que o ICP-MS, tem sido promissora e versátil nas análises de GSR. Esta técnica é aplicada para avaliar e quantificar o chumbo, antimónio e bário do GSR 13 Viviana Pedrosa Pereira

Química e Sociedade – Q4015 2014/2015 produzido em ambas as mãos do atirador usando diferentes armas de fogo, no caso de estudo um revolver e uma pistola para no final estimar o número de disparos. Para este estudo foram avaliados duas metodologias de recolha das amostras em que uma delas consiste em esfregar um cotonete seco na superfície do alvo, o cotonete de seguida é guardado num tupo de polipropileno de 15 mL. Para preparar a amostra adiciona-se 2 mL de uma solução de HNO3 a 10% (v/v) que vai ser diluída a um volume final de 10 mL, a amostras depois são submetidas a um banho ultrassónico a 20kHz durante 20 min e aquecidos num banho-maria a 100ºC durante 1 hora, no final o cotonete é removido por centrifugação e os extratos são diluídos a 10 mL com água desionizada e analisados por ICP OES. A outra metodologia corresponde à digestão do alvo que contem o GSR usando o micro-ondas. Nesta metodologia as amostras de algodão são colocadas em tubos de Teflon nos quais são adicionados 10 mL de uma solução concentrada de HNO 3 e 2 mL de uma solução de H2O2 30% (v/v). De seguida a extração é feita por digestão no microondas e no final os extratos são transferidos para tubos de polipropileno em que lhes é adicionado 5 mL de água ultrapura antes de serem analisados por ICP EOS. Na Figura 9 estão representados histogramas com as concentrações obtidas para os metais pesados normalmente analisados quando se procura indícios de GSR para amostras recolhidas a diferentes distâncias do alvo, sendo que o 0 cm corresponde a um tiro à queima-roupa, por duas metodologias diferentes. Como se pode observar na figura, a digestão, Figura 9 (b) apresenta uma maior sensibilidade que a dissolução através do banho supersónico, Figura 9 (a). É importante notar que em ambos os métodos a concentração dos metais pesados apresenta um máximo a 5 cm de distância do alvo, decaindo à medida que se afasta deste. Também foi estudado a capacidade de previsão do método, ou seja, se seria ou não possível descobrir o número de disparos através das concentrações dos metais pesados obtidas, na Figura 10 encontra-se duas curvas de calibração para um revolver de calibre .38, (a), e de uma pistola de calibre .40, (b), ambas feitas com o modelo de Regressão Linear Múltipla, ou MRL, ambas têm uma resposta linear e os resultados previstos são próximos aos reais, assim sendo é possível prever corretamente, através da concentração dos compostos, até 5 disparos para o revolver de calibre .38 e até 10 disparos na pistola de calibre .40. Num âmbito forense é importante determinar o máximo e o mínimo das concentrações de Pb, Ba e Sb, pois numa investigação criminal, com o objetivo de associar o número de projeteis encontrados com o tipo de armas de fogo utilizadas, para além disso, os falsos-positivos seriam eliminados. Neste estudo provou-se que o ICP OES é um ferramenta poderosa nas análises de GSR, e que é uma mais-valia em comparação com os métodos colorimétricos, usados em rotina, pois para além de detetaram os GSR também permitem a sua quantificação, perceber quantos disparos acorreram e, ainda, a eliminação de falsos positivos.

14 Viviana Pedrosa Pereira

Química e Sociedade – Q4015 2014/2015

Figura 9 - Concentrações de Pb, Ba e Sb do GSR extraído do alvo de algodão branco usando as duas metodologias diferentes: (a) cotonetes e banho ultrassónico; (b) digestão por micro-ondas. Imagem retirada de 5

Figura 10 – Número de disparos medidos versus o número de disparos preditos pelo modelo de MLR usando: (a) um revolver .38 e (b) uma pistola .380. Imagem adaptada de 5

Conclusão A Química para além de ser utilizada na síntese de produto, como corantes ou medicamentos, também é utilizada na procura de informações sobre o passado, para investigar o que aconteceu na realidade. Pelos exemplos dados neste trabalho sabemos que as análises químicas podem servir para confinar se um determinado objeto provêm realmente do local reportado, para ligar o criminoso à cena ou à arma do crime e ainda para detetar o que possa ter sido ou não consumido que possa influenciar a performance de um atleta ou até para incapacitar uma vítima. Assim sendo, apesar de as pessoas terem uma noção mais negativa da química, esta também é capaz de auxiliar na descoberta da verdade e no comprimento da lei.

Bibliografia Bell, Suzanne; (2008) “Forensic Chemistry”, pp. 1-3,9-10; Intl. Edition Pearson International Edition, New Jersey 2 Pirrie, D., Rollinson, G.; Andersen, J., et al, (2014) Soil forensics as a tool to test reported artefact find sites. Journal of Archeological Science, 41, 461-473 3 Reidy, L., Bu, K, et al., (2013) Elemental fingerprinting of soils using ICP-MS and multivariate statistics: A study for and by forensic chemistry majors. Forensic Science International, 233, 37-44 4 Marclay, F., Pazos, D., et al., (2010) Potential of IRMS technology for tracing gammabutyrolactone (GBL). Forensic Science International, 198, 44-52. 5 Vanini G., Destefani, C., et al., (2015) Forensic ballistics by inductively coupled plasma-optical emission spectroscopy: Quantification of gunshot residues and prediction of the number of shots using different firearms. Microchemical Journal, 118, 19-25. 6 Melo, L., Martiny, A., Pinto, A., (2014) Nano characterization of gunshot residues from Brazilian ammunition. Forensic Science International, 240, 69-79 1

15 Viviana Pedrosa Pereira

Química e Sociedade – Q4015 2014/2015 7

Destefani, C., Motta, L., et al., (2014) Europium-organic complex as luminescent marker for the visual identification of gunshot residue and characterization by electrospray ionization FT-ICR mass spectrometry. Microchemical Journal, 116, 216224.

16 Viviana Pedrosa Pereira