법화학

섬네일|미국 세관국경보호청 소속 화학자가 상품의 원산지를 파악하기 위해 DNA 지문을 읽고 있다.
법화학(forensic chemistry)은 화학과 그 하위 분야인 법의독물학을 법적 환경에 적용하는 학문이다. 법화학자는 범죄현장에서 발견된 미확인 물질을 식별하는 데 도움을 줄 수 있다. 이 분야의 전문가들은 미확인 물질을 식별하는 데 도움이 되는 다양한 방법과 도구를 가지고 있다. 여기에는 고성능 액체 크로마토그래피, 기체 크로마토그래피-질량 분석법, 원자 흡수 분광법, 푸리에 변환 적외선 분광법, 박층 크로마토그래피 등이 포함된다. 일부 기기의 파괴적인 특성과 현장에서 발견될 수 있는 수많은 미확인 물질로 인해 다양한 방법의 범위는 중요하다. 법화학자들은 증거를 보존하고 어떤 파괴적인 방법이 최상의 결과를 낼지 결정하기 위해 비파괴적인 방법을 먼저 사용하는 것을 선호한다.

다른 법의학 전문가들과 함께 법화학자들은 자신의 조사 결과에 대해 전문가 증언으로 법정에서 증언하는 경우가 많다. 법화학자들은 압수 약물 분석에 관한 과학 연구 작업 그룹(Scientific Working Group on the Analysis of Seized Drugs)을 포함하여 다양한 기관과 관리 기관에서 제안한 일련의 표준을 따른다. 그룹이 제안한 표준 운영 절차 외에도 특정 기관은 결과 및 기기의 품질 보증 및 품질 관리에 관한 자체 표준을 가지고 있다. 보고하는 내용의 정확성을 보장하기 위해 법화학자들은 기기가 올바르게 작동하고 있으며 다양한 양의 다른 물질을 여전히 감지하고 측정할 수 있는지 일상적으로 확인하고 검증한다.

조사에서의 역할

섬네일|left|upright|alt=오클라호마시티 폭탄 테러의 여파.|화학자들은 오클라호마시티 폭탄 테러 현장에서 폭발물 ANFO를 식별할 수 있었다.
법화학자의 분석은 조사관에게 단서를 제공할 수 있으며, 그들의 의심을 확인하거나 반박할 수 있다. 현장에서 발견된 다양한 물질의 식별은 조사관에게 수사 중에 무엇을 찾아야 하는지 알려줄 수 있다. 화재 조사 중에 법화학자들은 휘발유나 등유와 같은 화재 촉진제가 사용되었는지 여부를 판단할 수 있다. 만약 그렇다면, 이는 화재가 방화임을 시사한다. 법화학자들은 또한 범죄에 사용된 물질에 접근할 수 있는 사람들로 용의자 목록을 좁힐 수 있다. 예를 들어, 폭발물 조사에서 트리메틸렌트리니트로아민 또는 C-4 (폭약)의 식별은 해당 물질이 군용 폭발물이기 때문에 군사적 연관성을 나타낸다. 반면에 트라이나이트로톨루엔의 식별은 군대뿐만 아니라 철거 회사에서도 사용되기 때문에 더 넓은 용의자 목록을 만들 것이다. 독극물 조사에서 특정 독극물의 탐지는 형사에게 잠재적 용의자를 심문할 때 무엇을 찾아야 할지 아이디어를 줄 수 있다. 예를 들어, 리신 (독소)과 관련된 조사는 조사관에게 리신의 전구체인 아주까리 씨앗을 찾도록 지시할 것이다.

법화학자들은 또한 마약 또는 알코올 사건에서 조사관의 의심을 확인하거나 반박하는 데 도움을 준다. 법화학자가 사용하는 기기는 미세한 양을 감지할 수 있으며, 음주 운전과 같은 범죄에서는 처벌이 시작되거나 증가하는 특정 혈중 알코올 농도 기준치가 있기 때문에 정확한 측정이 중요할 수 있다. 과다복용 의심 사례에서는 사람의 체내에서 발견된 약물의 양이 과다복용이 사망 원인인지 여부를 확인하거나 배제할 수 있다.

역사

초기 역사

섬네일|upright|right|alt=설명 참조.|한때 약제사에서 쉽게 구할 수 있었던 스트리크닌 추출물 병이다.
역사적으로 비소, 벨라돈나, 독미나리, 스트리크닌, 쿠라레 등 다양한 독극물이 살인에 사용되었다. 19세기 초까지는 특정 화학 물질이 존재하는지 정확하게 판단할 방법이 없었고, 독살범들은 범죄에 대해 거의 처벌받지 않았다. 1836년, 영국의 화학자 제임스 마시가 법화학에 대한 최초의 주요 공헌 중 하나를 소개했다. 그는 비소 탐지를 위한 마시 테스트를 만들었고, 이는 이후 살인 재판에서 성공적으로 사용되었다. 또한 이 시기에 법의독물학이 별개의 분야로 인식되기 시작했다. "독물학의 아버지"인 마티외 오르필라는 19세기 초에 이 분야에 큰 발전을 이루었다. 법의현미경 개발의 선구자인 오르필라는 혈액과 정액 탐지를 위한 이 방법의 발전에 기여했다. 오르필라는 또한 부식제, 마약, 수렴제와 같은 범주로 다른 화학 물질을 성공적으로 분류한 최초의 화학자였다.

독극물 탐지의 다음 발전은 1850년 화학자 장 스타스가 인간 조직에서 식물성 알칼로이드를 탐지하는 유효한 방법을 만들었을 때 일어났다. 스타스의 방법은 빠르게 채택되어 법정에서 니코틴 중독으로 처남을 살해한 이폴리트 비사르 드 보카르메 백작을 유죄 판결하는 데 성공적으로 사용되었다. 스타스는 피해자의 장기에서 알칼로이드를 성공적으로 분리할 수 있었다. 스타스의 프로토콜은 이후 카페인, 퀴닌, 모르핀, 스트리크닌, 아트로핀, 아편에 대한 테스트를 포함하도록 변경되었다.

법화학 분석을 위한 광범위한 기기들도 이 시기에 개발되기 시작했다. 19세기 초에는 요제프 폰 프라운호퍼에 의해 분광학이 발명되었다. 1859년 화학자 로베르트 분젠과 물리학자 구스타프 키르히호프는 프라운호퍼의 발명을 확장했다. 그들의 분광학 실험은 특정 물질이 특정 파장의 빛에 노출될 때 고유한 스펙트럼을 생성한다는 것을 보여주었다. 분광학을 사용하여 두 과학자는 스펙트럼을 기반으로 물질을 식별할 수 있었고, 미확인 물질에 대한 식별 방법을 제공했다. 1906년 식물학자 미하일 츠베트는 박층 크로마토그래피의 초기 선구자인 종이 크로마토그래피를 발명했으며, 이를 사용하여 엽록소를 구성하는 식물 단백질을 분리하고 조사했다. 혼합물을 개별 구성 요소로 분리하는 능력은 법화학자가 미확인 물질의 각 부분을 알려진 제품 데이터베이스와 비교하여 조사할 수 있도록 한다. 분리된 구성 요소의 보존 계수를 알려진 값과 일치시킴으로써 물질을 식별할 수 있다.

현대화

섬네일|left|alt=미확인 화학 물질을 식별하는 데 사용될 수 있는 기체 크로마토그래피 질량 분석기.|문이 열려 있는 GC-MS 장치. 기체 크로마토그래피는 오른쪽에 있고 질량 분석기는 왼쪽에 있다.
현대의 법화학자들은 범죄 현장에서 발견된 미확인 물질을 식별하기 위해 수많은 기기에 의존한다. 20세기에는 화학자들이 더 적은 양의 물질을 더 정확하게 감지할 수 있도록 하는 많은 기술 발전이 있었다. 이 세기의 첫 번째 주요 발전은 1930년대에 적외선(IR)으로 생성된 신호를 측정할 수 있는 분광계가 발명되면서 이루어졌다. 초기 IR 분광계는 단색기를 사용했으며 매우 좁은 파장 대역에서만 빛 흡수를 측정할 수 있었다. 1949년 피터 펠겟이 간섭계를 IR 분광계와 결합한 후에야 전체 적외선 스펙트럼을 한 번에 측정할 수 있게 되었다. 펠겟은 또한 신호를 개별 주파수로 분해할 수 있는 수학적 방법인 푸리에 변환을 사용하여 물질의 완전한 적외선 분석에서 받은 엄청난 양의 데이터를 해석했다. 그 이후로 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR) 기기는 비파괴적이고 사용하기 매우 빠르기 때문에 미확인 물질의 법의학적 분석에서 중요해졌다. 분광학은 1955년 앨런 월시가 현대 원자 흡수 분광 광도계를 발명하면서 더욱 발전했다. AA 분석은 시료를 구성하는 특정 원소와 그 농도를 감지할 수 있어 비소 및 카드뮴과 같은 중금속의 쉬운 감지가 가능하다.

크로마토그래피 분야의 발전은 1953년 앤서니 T. 제임스와 아처 존 포터 마틴이 기체 크로마토그래피를 발명하면서 이루어졌는데, 이는 끓는점이 유사한 구성 요소를 가진 휘발성 액체 혼합물을 분리할 수 있게 했다. 비휘발성 액체 혼합물은 액체 크로마토그래피로 분리할 수 있었지만, 유사한 보존 시간을 가진 물질은 1970년 차바 호르바트가 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC)를 발명할 때까지 분리할 수 없었다. 현대 HPLC 기기는 농도가 조분의 일(ppt) 정도로 낮은 물질도 감지하고 분리할 수 있다.

법화학에서 가장 중요한 발전 중 하나는 1955년 프레드 맥래퍼티와 롤랜드 골케가 기체 크로마토그래피-질량 분석법(GC-MS)을 발명하면서 이루어졌다. 기체 크로마토그래프와 질량 분석기의 결합으로 광범위한 물질을 식별할 수 있게 되었다. GC-MS 분석은 감도와 다용도성, 그리고 존재하는 물질의 양을 정량화하는 능력 때문에 법의학 분석의 "황금 표준"으로 널리 간주된다. 기기 감도의 증가는 화합물 내의 미세한 불순물까지 감지할 수 있는 수준으로 발전하여 조사관이 화학 물질을 제조업체의 특정 배치 및 로트까지 추적할 수 있게 할 수 있다.

방법

법화학자들은 현장에서 발견된 미확인 물질을 식별하기 위해 다양한 기기에 의존한다. 동일한 물질의 정체를 확인하는 데 다른 방법을 사용할 수 있으며, 어떤 방법이 최상의 결과를 낼지는 검사관이 결정해야 한다. 법화학자들이 검사를 수행할 때 고려할 수 있는 요소는 특정 기기가 물질을 검사하는 데 걸리는 시간과 해당 기기의 파괴적인 특성이다. 그들은 추가 검사를 위해 증거를 보존하기 위해 비파괴적인 방법을 먼저 사용하는 것을 선호한다. 비파괴적인 기술은 또한 가능성을 좁히는 데 사용될 수 있어 파괴적인 방법을 사용할 때 처음부터 올바른 방법을 사용할 가능성을 높인다.

분광학

섬네일|left|alt=설명 참조.|헥세인의 ATR FTIR 스펙트럼으로, 퍼센트 투과율 (%T)과 파수 (cm−1)를 보여준다.
법화학을 위한 두 가지 주요 독립형 분광학 기술은 FTIR과 AA 분광학이다. FTIR은 적외선을 사용하여 물질을 식별하는 비파괴적인 과정이다. 약화 전반사 샘플링 기술은 분석 전에 물질을 준비할 필요성을 없앤다. 비파괴성과 제로 준비의 결합은 ATR FTIR 분석을 미확인 물질 분석의 빠르고 쉬운 첫 단계로 만든다. 물질의 양성 식별을 용이하게 하기 위해 FTIR 기기에는 미확인 물질의 스펙트럼과 일치하는 알려진 스펙트럼을 검색할 수 있는 데이터베이스가 로드되어 있다. 혼합물의 FTIR 분석은 불가능하지는 않지만, 반응의 누적적 특성으로 인해 특정 어려움을 제시한다. 하나 이상의 물질을 포함하는 미확인 물질을 분석할 때, 결과 스펙트럼은 각 구성 요소의 개별 스펙트럼의 조합이 된다. 일반적인 혼합물은 파일에 알려진 스펙트럼을 가지고 있지만, 새로운 혼합물은 해결하기 어려울 수 있으므로 FTIR은 허용되지 않는 식별 수단이 된다. 그러나 이 기기는 존재하는 일반적인 화학 구조를 결정하는 데 사용될 수 있어 법화학자가 다른 기기로 분석하기 위한 최상의 방법을 결정할 수 있도록 한다. 예를 들어, 메톡시기는 3,030에서 2,950 파수 (cm−1) 사이에서 피크를 나타낼 것이다.

원자 흡수 분광법(AAS)은 분석된 시료를 구성하는 원소를 결정할 수 있는 파괴적인 기술이다. AAS는 시료를 극도로 높은 열원에 노출시켜 물질의 원자 결합을 끊고 자유 원자를 남김으로써 이 분석을 수행한다. 그런 다음 빛 형태의 방사선이 시료를 통과하여 원자가 더 높은 에너지 상태로 점프하도록 강제한다. 법화학자는 분석 중에 해당 원소의 원자를 더 높은 에너지 상태로 강제하는 해당 파장의 빛을 사용하여 각 원소를 테스트할 수 있다. 이러한 이유와 이 방법의 파괴적인 특성 때문에 AAS는 일반적으로 예비 테스트에서 시료에 특정 원소의 존재를 나타낸 후 확인 기술로 사용된다. 시료 내 원소의 농도는 빈 시료와 비교했을 때 흡수된 빛의 양에 비례한다. AAS는 비소, 납, 수은, 카드뮴과 같은 중금속 중독이 의심되는 경우에 유용하다. 시료 내 물질의 농도는 중금속이 사망 원인인지 여부를 나타낼 수 있다.

크로마토그래피

섬네일|right|alt=설명 참조.|엑세드린 정제의 HPLC 판독값. 왼쪽에서 오른쪽으로 피크는 아세트아미노펜, 아스피린, 카페인이다.
분광학 기술은 테스트하는 시료가 순수하거나 매우 일반적인 혼합물일 때 유용하다. 미확인 혼합물을 분석할 때는 개별 부분으로 분해해야 한다. 크로마토그래피 기술은 혼합물을 구성 요소로 분해하여 각 부분을 별도로 분석할 수 있도록 한다.

박층 크로마토그래피(TLC)는 더 복잡한 크로마토그래피 방법의 빠른 대안이다. TLC는 잉크와 염료를 개별 구성 요소로 추출하여 분석하는 데 사용될 수 있다. 이는 현장에 남겨진 메모나 섬유를 조사하는 데 사용될 수 있는데, 각 회사의 제품은 약간씩 다르며 이러한 차이는 TLC로 확인할 수 있기 때문이다. TLC 분석의 유일한 제한 요소는 구성 요소가 분석 플레이트를 통해 구성 요소를 운반하는 데 사용되는 어떤 용액에든 용해되어야 한다는 필요성이다. 이 용액을 이동상이라고 한다. 법화학자는 각 구성 요소가 이동한 거리를 보고 미확인 물질을 알려진 표준과 비교할 수 있다. 시작점과 비교한 이 거리는 각 추출된 구성 요소에 대한 보존 계수(Rf)로 알려져 있다. 각 Rf 값이 알려진 시료와 일치하면 이는 미확인 물질의 정체를 나타낸다.

고성능 액체 크로마토그래피(HPLC)는 용액에 용해된 혼합물에서 개별 구성 요소를 추출하는 데 사용될 수 있다. HPLC는 기체 크로마토그래피에 적합하지 않은 비휘발성 혼합물에 사용된다. 이는 구성 요소가 다른 시간에 분리되거나 용출되어 각 구성 요소를 확인할 수 있도록 하기 때문에 약물이 복합 약물인 약물 분석에 유용하다. HPLC 컬럼에서 용출된 물질은 다양한 크로마토그래피 검출기로 공급되어 컬럼에서 용출될 때 농도에 비례하는 그래프의 피크를 생성한다. 가장 일반적인 유형의 검출기는 자외선-가시광선 분광기인데, HPLC로 테스트되는 가장 일반적인 관심 품목인 의약품은 자외선 흡수 능력이 있기 때문이다.

기체 크로마토그래피(GC)는 액체 크로마토그래피와 동일한 기능을 수행하지만 휘발성 혼합물에 사용된다. 법화학에서 가장 일반적인 GC 기기는 질량 분석법을 검출기로 사용한다. GC-MS는 방화, 중독, 폭발 조사에서 무엇이 사용되었는지 정확히 결정하는 데 사용될 수 있다. 이론적으로 GC-MS 기기는 농도가 펨토그램 () 범위인 물질을 감지할 수 있다. 그러나 실제로는 신호 대 잡음비 및 기기 개별 부품의 노후화와 같은 다른 제한 요인으로 인해 GC-MS의 실제 검출 한계는 피코그램 () 범위이다. GC-MS는 또한 감지하는 물질의 양을 정량화할 수 있다. 화학자들은 이 정보를 사용하여 물질이 개인에게 미칠 영향을 결정할 수 있다. GC-MS 기기는 단순히 감지하는 데 필요한 양보다 약 1,000배 더 많은 물질을 정량화하는 데 필요하다. 정량 한계는 일반적으로 나노그램 () 범위이다.

법의독물학

법의독물학은 약물동역학, 즉 물질이 신체에 미치는 영향과 약물동태학, 즉 신체가 물질에 미치는 영향을 연구하는 학문이다. 특정 약물이 인체에 미치는 영향을 정확하게 판단하기 위해 법독물학자들은 개인이 축적할 수 있는 다양한 수준의 약물 내성과 다양한 의약품의 치료유효량을 알고 있어야 한다. 독물학자들은 신체에서 발견된 독소가 사고의 원인이 되거나 사고에 기여했는지, 또는 그 영향이 너무 낮았는지 여부를 판단하는 임무를 맡고 있다. 부상이나 사망을 유발할 수 있는 다양한 물질의 수로 인해 특정 독소를 결정하는 데 시간이 오래 걸릴 수 있지만, 특정 단서는 가능성을 좁힐 수 있다. 예를 들어, 일산화 탄소 중독은 선명한 붉은 피를 유발하는 반면, 황화 수소 중독으로 인한 사망은 뇌가 녹색을 띠게 한다.

독물학자들은 또한 특정 약물이 신체 내에서 분해될 수 있는 다양한 대사물질을 알고 있다. 예를 들어, 독물학자는 헤로인의 분해에서만 생성되는 6-모노아세틸모르핀이 시료에 존재함으로써 개인이 헤로인을 복용했음을 확인할 수 있다. 합법 및 불법을 막론하고 새로운 약물의 지속적인 생성은 독물학자들이 이러한 새로운 물질을 테스트하기 위한 새로운 연구와 방법을 계속 파악하도록 강요한다. 새로운 제제의 흐름은 음성 테스트 결과가 반드시 약물을 배제하는 것은 아님을 의미한다. 탐지를 피하기 위해 불법 마약 제조업체는 화학 물질의 구조를 약간 변경하는 경우가 많다. 이러한 화합물은 일상적인 독성학 검사에서 종종 감지되지 않으며 동일한 시료에 알려진 화합물이 존재하여 가려질 수 있다. 새로운 화합물이 발견되면 알려진 스펙트럼이 결정되고 참조 표준으로 다운로드하여 사용할 수 있는 데이터베이스에 입력된다. 실험실은 또한 지역적으로 발견되는 물질에 대한 자체 데이터베이스를 유지하는 경향이 있다.

표준

다양한 관리 기관에서 법의학 과학자들이 따르는 표준에 대한 지침을 설정했다. 법화학자의 경우, 압수 약물 분석을 위한 국제 과학 연구 작업 그룹(SWGDRUG)은 테스트된 물질의 품질 보증 및 품질 관리에 대한 권장 사항을 제시한다. 미확인 시료의 식별에서 프로토콜은 위양성(false positive) 가능성에 따라 세 가지 범주로 분류되었다. 범주 A의 기기 및 프로토콜은 미확인 물질을 고유하게 식별하는 데 가장 적합하다고 간주되며, 그 다음으로 범주 B, 그리고 C가 따른다. 식별의 정확성을 보장하기 위해 SWGDRUG는 각 시료에 대해 다른 기기를 사용하는 여러 테스트를 수행하고, 하나의 범주 A 기술과 최소한 하나의 다른 기술을 사용할 것을 권장한다. 범주 A 기술을 사용할 수 없거나 법화학자가 사용하지 않기로 결정한 경우, SWGDRUG는 최소 세 가지 기술을 사용해야 하며, 그 중 두 가지는 범주 B에 속해야 한다고 권장한다. GC-MS와 같은 복합 기기는 결과가 개별적으로 알려진 값과 비교되는 한 두 가지 개별 테스트로 간주된다. 예를 들어, GC 용출 시간은 MS 스펙트럼과 함께 알려진 값과 비교될 것이다. 둘 다 알려진 물질과 일치하면 추가 테스트는 필요하지 않다.

표준 및 대조군은 시료 테스트에 사용되는 다양한 기기의 품질 관리에 필수적이다. 법률 시스템에서의 업무 특성상 화학자들은 자신의 기기가 정확하게 작동하는지 확인해야 한다. 이를 위해 알려진 대조군을 미확인 시료와 연속적으로 테스트한다. 대조군의 판독값을 알려진 프로필과 비교함으로써 미확인 시료가 테스트될 때 기기가 제대로 작동했음을 확인할 수 있다. 표준은 또한 다양한 일반 물질에 대한 기기의 검출 한계 및 정량 한계를 결정하는 데 사용된다. 계산된 양은 존재한다고 확인되기 위해 검출 한계 이상이어야 하고, 정량화되기 위해 정량 한계 이상이어야 한다. 값이 한계 미만이면 해당 값은 신뢰할 수 없는 것으로 간주된다.

증언

법화학자의 증언에 대한 표준화된 절차는 과학자들을 고용하는 다양한 기관과 SWGDRUG에서 제공한다. 법화학자는 증언을 중립적인 방식으로 제시하고 새로운 정보가 발견되면 진술을 재고할 의무가 있다. 화학자들은 또한 주신문이나 반대신문 중 질문 내용과 관계없이 자신이 자격을 갖춘 분야로 증언을 제한해야 한다.

증언하도록 소환된 개인은 과학적 정보와 과정을 일반인이 이해할 수 있는 방식으로 전달할 수 있어야 한다. 전문가로 자격을 갖춘 화학자들은 사실만 진술하는 것이 아니라 증거에 대한 자신의 의견을 제시할 수 있다. 이는 반대편에서 고용한 전문가들의 상반된 의견으로 이어질 수 있다. 법화학자의 윤리적 지침은 전문가가 어느 쪽을 위해 증언하든 관계없이 객관적인 방식으로 증언해야 한다고 요구한다. 증언하도록 소환된 법의학 전문가는 소환장을 발부한 변호사와 협력하여 질문할 자료에 대한 이해를 돕도록 기대된다.

교육

법화학 직책은 자연 과학 또는 물리 과학 분야의 학사 학위 또는 이와 유사한 학위와 일반화학, 유기화학, 분석화학 분야의 실험실 경험이 필요하다. 일단 직책을 맡으면 개인은 감독 없이 모든 실험을 수행할 수 있는 능력이 입증될 때까지 해당 특정 실험실에서 수행되는 프로토콜에 대해 교육을 받는다. 이 분야에서 활동하는 화학자들은 숙련도를 유지하기 위해 지속적인 교육을 이수해야 한다.

 각주 

분류:화학
분류:법과학의 분과