江苏省公安厅还于案发当天连夜向全省公安机关和相邻省市公安机关发出紧急协查通报,要求各地警方加强查访,协查各类相关线索。
在调查走访中,办案民警获悉了这样一条重要线索:在案发现场附近的另一早点店店主陈正平,于案发当天上午突然告知房东,说要回老家看望生病的父亲,并从银行提取部分现金后离去。据进一步了解,警方发现陈正平与陈宗武有矛盾。至此,陈正平的嫌疑逐步上升。
而据陈正平的亲属向警方反映,陈正平在13日晚8时半到9时、11时两次出门。14日上午9时多,陈正平停业,声称要回浦口老家。但公安干警在他的老家未发现其行踪,于是,疑点集中到陈正平身上。警方采取技术手段侦查,从陈正平的一个手机信息,判断其已北逃。
在铁路公安部门的协助下,警方确定陈正平此时正在上海开往洛阳的1659次列车上。
后据郑州铁路局客运公司洛阳分公司有关负责人介绍,9月15日凌晨2时40分,由洛阳客运分公司担当的上海开往洛阳的1659次列车在徐州车站即将开车,列车乘警长崔万鸿接到车站值班民警传达的紧急通知:南京汤山特大投毒案犯罪嫌疑人陈正平可能乘坐1659次列车逃逸,请列车工作人员协助抓获,并提供了犯罪嫌疑人的相貌特征、身份证号等重要信息。
接到通知后,列车长郭喜梅立即意识到事情的严重性,她只有一个念头,绝不能让犯罪赚疑人在自己担当的车上溜走。列车乘务人员立即组织拉网式排查小组。他们根据警方提供的相貌特征,以查票的名义,首先将南京预留的9号硬座车厢列为重点开始查找,对每位旅客认真比对,对厕所和座席下仔细查看,不放过任何蛛丝马迹和可以藏人的角落。
列车在夜色中飞驰,到4时50分,列车从商丘站开车后仍一无所获。尽管一阵阵困意袭来,排查小组不敢有丝毫松懈。当他们查到12号硬卧车厢1号时,看到一名男旅客侧着身子朝里酣然入睡,乘警长崔万鸿轻轻推醒那人,那人转过身,拿出1张南京到郑州的车票,惺忪的睡眼透露出不安。
借着卧铺车厢微弱的灯光,崔万鸿发现眼前的这人正是要查找的涉案人。不等那人反应过来,崔万鸿一个虎扑将那人扑在铺位上,在其他人员的协助下,将犯罪嫌疑人制服。
崔万鸿迅速报告洛阳铁路公安处,并对犯罪赚疑人进行简单询问。为防止意外,崔万鸿等人对陈正平寸步不离,严加看管。7时29分,1659次列车正点抵达郑州车站,崔万鸿等人将陈正平移交给守候在站台上的郑州铁路公安处车站公安段。车站公安段进行初步审讯后,随即与南京方面联系,16日陈正平被带回南京审查。
公安机关从其手指甲缝、暂住地遗留的衣服口袋、内裤等处均检出"毒鼠强"成份。在警方掌握确凿证据的情况下,陈正平依然一天一夜不开口,直到17日下午1时才开始招供。
据陈正平交待,他与陈宗武在江苏省南京市江宁区汤山镇各自开店经营面食早点生意,两店相邻。陈正平眼见陈宗武经营的面食店生意兴隆,而自己经营的小店却生意清淡,于是心生妒忌,加之此前双方曾因打牌、发短信息等琐事发生过矛盾,遂产生在陈宗武店内投毒的恶念。2002年8月23日,陈正平购买了“毒鼠强”鼠药剂12支,粉剂50克,并在其小店内做试验。9月13日晚11时许,陈正平潜入陈宗武的面食店外操作间,将“毒鼠强”投放在白糖、油酥等食品原料内,并加以搅拌。
至此轰动全国的投毒案告破了。最终此次投毒事件一共造成42人死亡,300多人中毒。
2002年9月30日,南京市中级人民法院依法公开审理了南京汤山特大投毒案,一审判处被告陈正平死刑,剥夺政治权利终身。陈正平提出上诉,江苏省高级人民法院驳回上诉,维持原判。10月14日,经江苏省高级人民法院核准,南京汤山特大投毒案犯陈正平于当天上午在南京市被执行死刑。