Master's Thesis

Study of occurrence of heavy elements in shotgun residues of nontox cartridges

Final Thesis 7.07 MB

Author of thesis: Bc. Pavla Křemečková

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Mgr. Michaela Vašinová Galiová, Ph.D.

Reviewer: Mgr. Marie Novotná, Ph.D.

Abstract:

Gunshot residues (GSR) formed when a firearm is discharged play a key role in forensic investigations. With growing pressure to protect the health of shooters and the environment, non-toxic ammunition with lead-free primers and unspecified composition is becoming increasingly widespread, presenting new challenges for its forensic analysis. As part of this thesis, the elemental characterization of GSR from conventional and non-toxic cartridges fired at indoor and outdoor shooting ranges was studied using the LA-ICP-MS method, supplemented by an evaluation of the possibility of determining the firing distance. Statistical analysis of the data revealed that, for samples from the outdoor shooting range, compositional analysis can reliably distinguish between toxic and non-toxic samples. For samples from the indoor shooting range, no clear separation of the groups was observed. For conventional cartridges, a strong correlation between the intensities of the ²⁰⁸Pb⁺ and ¹²¹Sb⁺ isotopes and the firing distance was demonstrated. For non-toxic cartridges, ¹¹⁸Sn⁺ has been identified as a potential marker; however, it is usable only at shorter firing distances

Keywords:

Gunshot residues, GSR, nontox ammunition, lead-free ammunition, conventional ammunition, LA-ICP-MS, chemical composition of GSR, shooting distance

Date of defence

27.05.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Studentka v prezentaci představila cíle, náplň a nejdůležitější výsledky své diplomové práce. Dále byly přečteny posudky vedoucí a oponentky a byly zodpovězeny otázky od oponentky. V rámci obhajoby práce byly položeny tyto otázky: prof. Ing. J. Krajčovič, Ph.D. – Mohla by být Vaše metoda reálně využitelná ve forenzní praxi? doc. Mgr. R. Komendová, Ph.D. – Mohou tzv. nontox náboje obsahovat Pb, jaká je legislativa v této oblasti? doc. MVDr. H. Zlámalová Gargošová, Ph.D. – Lze rozlišit původ Pb ve výstřelových zplodinách a ze staré zátěže? Ing. J. Másilko, Ph.D. – Proč byly sledovány Pb, Sn a Sb? Diplomantka velmi pohotově reagovala na veškeré doplňující otázky členů komise, které byly vzneseny k dané problematice řešené diplomové práce. V následující diskusi tak prokázala výbornou schopnost orientace, jak v teoretických, tak praktických aspektech práce. Po diskusi následovalo hodnocení závěrečné práce. Diplomantka prokázala nejen výbornou orientaci v dané problematice, ale i schopnost samostatné prezentace dosažených výsledků.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Environmental Chemistry and Technology (NPCP_ECHT)

Composition of Committee

doc. Mgr. Renata Komendová, Ph.D. (člen)
doc. Mgr. Michaela Vašinová Galiová, Ph.D. (předseda)
doc. MVDr. Helena Zlámalová Gargošová, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Jozef Krajčovič, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Jiří Másilko, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Pavel Krystyník, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Tomáš Rozsypal, Ph.D. (člen)

Diplomová práce Pavly Křemečkové vypracována na téma „Studium přítomnosti těžkých kovů v povýstřelových zplodinách nontox nábojů“ je věnována zhodnocení možnosti aplikace LA-ICP-MS metody v analýze povýstřelových zplodin a zavedení vhodné metodiky. Po předběžné analýze pomocí SEM a na základě rozsáhlé rešerše navrhla sady prvků, které by mohly soužit jako indikátory přítomnosti povýstřelových zplodin po střelbě běžnými olovnatými náboji a také nontox náboji. V rámci experimentální činnosti s metodou LA-ICP-MS studentka testovala přístupy bodové analýzy vs. liniový sken s ohledem na množství materiálu zachyceného na sběrném terčíku. Pomocí zavedené metodiky provedla analýzu zplodin zachycených po různých počtech výstřelů, ze dvou typů zbraní, a to vždy v otevřeném i uzavřeném prostředí. Ve spolupráci s Mgr. Ing. Lubomírem Prokešem, Ph.D. provedla statistické zpracování a zhodnocení dat s cílem definovat vhodné indikátory. Na základě této činnosti vymezila úskalí analýzy povýstřelových zplodin související s kontaminací při střelbě v uzavřeném prostoru. Ve druhé části práce se pokusila z analýzy povýstřelových zplodin ulpělých na tkanině v rozdílných vzdálenostech od průstřelu extrahovat informaci o vzdálenosti výstřelu. Výsledky diplomové práce přinášejí nové poznatky s potenciálním využitím ve forenzní chemii.

Studentka Pavla Křemečková při realizaci experimentů byla velmi samostatná a inovativní. K práci přistupovala s nadšením a také zodpovědností dosáhnout maximálního výsledku.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků zadání A
Studium literatury a její zpracování A
Využití poznatků z literatury A
Kvalita zpracování výsledků A
Interpretace výsledků, jejich diskuse A
Závěry práce a jejich formulace A
Využívání konzultací při řešení práce A
Celkový přístup k řešení úkolů A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Mgr. Marie Novotná, Ph.D.

Studentka Bc. Pavla Křemečková vypracovala diplomovou práci na téma: STUDIUM PŘÍTOMNOSTI TĚŽKÝCH KOVŮ V POVÝSTŘELOVÝCH ZPLODINÁCH NONTOX NÁBOJŮ.
Vybrané téma je aktuální jak z pohledu forenzní analýzy, kdy nontox náboje přináší nové výzvy pro forenzní analytiky, tak s ohledem na dopady na životní prostředí.
Autorka zpracovala literární rešerši, která obsahuje ucelený vhled do řešené problematiky včetně zdravotních a environmentálních rizik a podrobného výčtu metod analýz jak klasických, tak instrumentálních. Některé části v Teoretické části nabízí i další konsekvence řešené problematiky, jako např. v kapitole 2.2.4, kde autorka nastíní i environmentální a zdravotní rizika v souvislosti s olověnými střelami (broky) využívaných při lovu zvěře.
V Experimentální části jsou detailně popsány jak „příprava“, tak odběr vzorků, stejně jako použitá instrumentace, či instrumentální parametry. Samotná analýza metodou LA-ICP-MS vyžadovala u popisovaných experimentů vždy pečlivé nastavení parametrů laserové ablace s ohledem na limity detekce ICP-MS a také na velikost částic, kdy muselo být zamezeno úplnému odprašování analyzovaných částic GSR z povrchu terčíku. Pro čtenáře neznalého metody LA-ICP-MS by bylo vhodné v Experimentální části doplnit do Obr. 18-20 měřítko.
V části Výsledky a diskuze autorka evaluuje výsledky analýzy dvou typů experimentů: indoor a outdoor střelby pro dva typy zbraní, kde je dále rozlišen počet výstřelů 3 a 5. Dále studuje souvislosti se vzdáleností výstřelu pro oba typy nábojů tox i nontox z jedné zbraně. K předběžnému screeningu byla použita metoda SEM-EDS. Metoda LA-ICP-MS byla prováděna ve dvou módech, a sice pomocí bodové analýzy k rychlému screeningu prvkového složení a pomocí liniového skenu pro podrobnější prvkovou charakterizaci částic GSR. Získané výsledky byly podrobeny statistické analýze. Pro lepší interpretaci vztahů mezi proměnnými byly kromě původních dat aplikovány transformace dat (ILR a PLR) s cílem identifikovat klíčové prvky a klasifikovat vzorky na základě jejich původu. Přestože statistických metod byla použita celá řada se spoustou (více než 100!) výstupů v podobě grafů, jsou výsledky jednotlivých statistických přístupů formulovány jasně a zřetelně.  Závěry práce jsou významné z hlediska definování prvků, které mohou posloužit k rozlišení tox a nontox nábojů, jak pro indoor tak pro outdoor vzorky. A to i vzhledem k faktu, že autorce komplikuje analýzu dat kontaminace uzavřených střelnic GSR z předchozích střeleb a v některých případech není oddělení jednotlivých skupin zcela patrné. Druhý experiment fokusovaný na určení vzdálenosti výstřelu umožnil definovat markery, které umožní tuto vzdálenost určit, a to pro tox i nontox náboje, byť pro nontox náboje pouze potenciální.
Předkládaná diplomová práce je psána bez gramatických chyb, studentka splnila zadání a práce splňuje nároky na ni kladené. Práci doporučuji k obhajobě a hodnotím klasifikačním stupněm A.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků zadání A
Logické členění práce A
Kvalita zpracování výsledků A
Interpretace výsledků, jejich diskuse A
Využití literatury a její citace A
Úroveň jazykového zpracování A
Formální úroveň práce – celkový dojem A
Závěry práce a jejich formulace A
Topics for thesis defence:
  1. V kapitole 2.3.2.6 popisujete jako jednu z možností analýzy GRS techniku LIBS. Jaké jsou hlavní nevýhody techniky LIBS oproti LA-ICP-MS?
  2. Přestože je složení nontox nábojů patentově chráněno, lze v literatuře dohledat informace o významném zastoupení hliníku a titanu. V případě použití hliníkového terčíku je tento prvek bezpředmětný, ale bylo by zajímavé se podívat na zastoupení titanu. Projevil se někde tento prvek jako významný z pohledu analýzy GSR?
  3. U bodové analýzy i liniového skenu uvádíte jako jeden z dominantních prvků vedle sodíku a draslíku síru, jaký je původ síry ve vašich vzorcích?
  4. Jakým způsobem by mohla být metodou LA-ICP-MS provedena kvantifikace prvků? Jsou dostupné nějaké vhodné certifikované referenční materiály?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová