Isotope ratio mass spectrometry as a tool for source inference in forensic science: A critical review

The increasing number of bomb attacks involving improvised explosive devices,
as well as the nature of the explosives, give rise to concern among safety and law
enforcement agencies. The substances used in explosive charges are often everyday
products diverted from their primary licit applications. Thus, reducing or limiting
their accessibility for prevention purposes is difficult. Ammonium nitrate, employed
in agriculture as a fertiliser, is used worldwide in small and large homemade bombs.
Black powder, dedicated to hunting and shooting sports, is used illegally as a filling
in pipe bombs causing extensive damage.
If the main developments of instrumental techniques in explosive analysis
have been constantly pushing the limits of detection, their actual contribution
to the investigation of explosives in terms of source discrimination is limited.
Forensic science has seen the emergence of a new technology, isotope ratio mass
spectrometry (IRMS), that shows promising results. Its very first application in
forensic science dates back to 1979. Liu et al. analysed cannabis plants coming
from different countries [Liu et al. 1979]. This preliminary study highlighted its
potential to discriminate specimens coming from different sources. Thirty years
later, the keen interest in this new technology has given rise to a flourishing
number of publications in forensic science. The countless applications of IRMS
to a wide range of materials and substances attest to its success and suggest that
the technique is ready to be used in forensic science. However, many studies are
characterised by a lack of methodology and fundamental data. They have been
undertaken in a top-down approach, applying this technique in an exploratory
manner on a restricted sampling. This manner of procedure often does not allow
the researcher to answer a number of questions, such as: do the specimens come
from the same source, what do we mean by source or what is the inherent variability
of a substance? The production of positive results has prevailed at the expense of
forensic fundamentals.
This research focused on the evaluation of the contribution of the information
provided by isotopic analysis to the investigation of explosives. More specifically,
this evaluation was based on a sampling of black powders and ammonium nitrate
fertilisers coming from known sources. Not only has the methodology developed
in this work enabled us to highlight crucial elements inherent to the methods
themselves, but also to evaluate both the longitudinal and transversal variabilities
of the information. First, the study of the variability of the profile over time was
undertaken. Secondly, the variability of black powders and ammonium nitrate
fertilisers within the same source and between different sources was evaluated.
The contribution of this information to the investigation of explosives was then
evaluated and discussed.
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Le nombre croissant d'attentats a la bombe impliquant des engins explosifs artisanaux,
ainsi que la nature des charges explosives, constituent une preoccupation
majeure pour les autorites d'application de la loi et les organismes de securite.
Les substances utilisees dans les charges explosives sont souvent des produits du
quotidien, detournes de leurs applications licites. Par consequent, reduire ou limiter
l'accessibilite de ces produits dans un but de prevention est difficile. Le nitrate
d'ammonium, employe dans l'agriculture comme engrais, est utilise dans des petits
et grands engins explosifs artisanaux. La poudre noire, initialement dediee a la
chasse et au tir sportif, est frequemment utilisee comme charge explosive dans les
pipe bombs, qui causent des dommages importants.
Si les developpements des techniques d'analyse des explosifs n'ont cesse de
repousser les limites de detection, leur contribution reelle a l'investigation des explosifs
est limitee en termes de discrimination de sources. Une nouvelle technologie
qui donne des resultats prometteurs a fait son apparition en science forensique: la
spectrometrie de masse a rapport isotopique (IRMS). Sa premiere application en
science forensique remonte a 1979. Liu et al. ont analyse des plants de cannabis
provenant de differents pays [Liu et al. 1979]. Cette etude preliminaire, basee
sur quelques analyses, a mis en evidence le potentiel de l'IRMS a discriminer
des specimens provenant de sources differentes. Trente ans plus tard, l'interet
marque pour cette nouvelle technologie en science forensique se traduit par un
nombre florissant de publications. Les innombrables applications de l'IRMS a une
large gamme de materiaux et de substances attestent de son succes et suggerent
que la technique est prete a etre utilisee en science forensique. Cependant, de
nombreuses etudes sont caracterisees par un manque de methodologie et de donnees
fondamentales. Elles ont ete menees sans definir les hypotheses de recherche et en
appliquant cette technique de facon exploratoire sur un echantillonnage restreint.
Cette maniere de proceder ne permet souvent pas au chercheur de repondre a
un certain nombre de questions, tels que: est-ce que deux specimens proviennent
de la meme source, qu'entend-on par source ou encore quelle est l'intravariabilite
d'une substance? La production de resultats positifs a prevalu au detriment des
fondamentaux de science forensique.
Cette recherche s'est attachee a evaluer la contribution reelle de l'information
isotopique dans les investigations en matiere d'explosifs. Plus particulierement,
cette evaluation s'est basee sur un echantillonnage constitue de poudres noires
et d'engrais a base de nitrate d'ammonium provenant de sources connues. La
methodologie developpee dans ce travail a permis non seulement de mettre en
evidence des elements cruciaux relatifs a la methode d'analyse elle-meme, mais
egalement d'evaluer la variabilite de l'information isotopique d'un point de vue longitudinal et transversal.
Dans un premier temps, l'evolution du profil en fonction du temps a ete etudiee.
Dans un second temps, la variabilite du profil des poudres noires et
des engrais a base de nitrate d'ammonium au sein d'une meme source et
entre differentes sources a ete evaluee. La contribution de cette information dans le
cadre des investigations d'explosifs a ensuite ete discutee et evaluee.

Exploration of the contribution of isotope ratio mass spectrometry to the investigation of explosives: A study of black powders and ammonium nitrate fertilisers

Chris Andrews

Papers

Network developing forensic applications of stable isotope ratio mass spectrometry conference 2005