初步检验
用核分析方法测定光绪帝头发中的砷含量
头发是人体的重要组成部分，参与人体代谢并能“记录”特定时期人体积蓄的某些元素信息。因此，依据头发不同截段的微量元素含量，可推测不同时期人体微量元素的摄取水平，进而探求微量元素在人体内的变化情况，研究人体与外界环境之间的关系。
2003年，课题组首先采用中国原子能科学研究院微型反应堆仪器中子活化法(核分析方法)，测定了提取于光绪帝的两小缕头发，其方法是：将光绪帝的头发按照国际原子能机构推荐的方法清洗，自然晾干，剪切成1厘米长的截段，第一缕头发长度为26厘米，剪切成26小段；第二缕头发长度约为65厘米，剪切成59小段，逐一编号、称重和封装，入堆辐照后，逐段分析头发中的元素含量。
检测结果显示，光绪帝的两缕头发中的砷含量明显高于正常值，且各截段含量差异很大。

全面查证
对与光绪帝同一时期、同一类别的人和物进行砷元素对比
为探究光绪帝头发中砷含量高的成因，研究人员以光绪帝为中心，以关联性和可比性为原则，对同一时期、同一类别的人和物进行了一系列的对比实验，并结合当时的具体情况进行了综合分析。
研究人员测出了光绪帝墓内外环境中物品的最高砷含量，结果表明，光绪帝头发中的最高砷含量是其棺椁内物品最高砷含量的83倍，是墓内外环境样品最高砷含量的97倍。这表明，光绪帝头发中的高含量砷元素，并非来自环境的沾染。
另外，光绪帝头发中的异常高砷含量截段既不在发根处，也不在发梢处。依据头发的生长规律和砷中毒机理，这些头发上的高含量砷不应是正常摄入自然代谢形成的。研究人员将光绪帝的头发与当代慢性砷中毒患者的发砷进行对比研究，结果发现，前者头发中的最高砷含量是后者的66倍，而且砷含量分布曲线与后者也截然不同。这表明，光绪帝头发中高含量的砷元素并非慢性砷中毒形成。
研究还证实，光绪帝头发中的最高砷含量是同年代生活环境相似的成年人隆裕皇后头发砷含量的261倍，是同年代成年人清代草料官头发砷含量的132倍。这表明，光绪帝头发中的最高砷含量确实属于异常现象。
综上所述，研究人员得出结论，造成光绪帝头发上高含量砷元素异常的成因，只能是来自其尸体的沾染。

毒物确定
光绪帝遗骨、头发、衣物中高含量的砷化合物就是砒霜
2006年后，课题组听取并研究了刑事技术、法医学等多个领域的专家意见，决定按照案件侦查思路和专业技术规范，扩大取样分析范围，以进一步确证光绪帝砷化合物的来源。
由于光绪帝的棺椁在1980年清理后严密封存，不能重新开棺。为达到扩大取样分析范围，课题组再次提取光绪帝头发残渣物及散落的头发，并首次提取光绪帝遗骨及衣物样品，进行砷的分布研究。
据介绍，研究人员依照物质吸附和信息转换还原的原理，对光绪帝的遗骨及靠近其尸体特殊部位的衣物进行取样检验。采样部位、采样方式均按照规范的法医开棺检验方式、方法和要求进行。光绪帝头发上局部有结痂物状的残渣，研究人员用镊子刮取残渣物，然后再取刮掉残渣物的头发，分别分析砷的含量。取样完毕后，把从整体头发上掉落的碎发和残渣物也分别取样。
结果表明，这些残渣物的砷含量明显高于头发，说明它们是光绪帝头发高含量砷的来源。在前期研究的基础上，研究人员由此进一步推断：这些残渣物的唯一来源只能是光绪帝中毒死亡后的尸体。
据介绍，砷中毒死者尸体腐烂后，器官组织中的砷可能会沾染到骨骼上。光绪帝棺椁进行清理后，共有肩胛骨、环椎骨、脊椎骨、肋骨等7块遗骨保存于清西陵文物库房内。研究人员刮取这些遗骨表面的附着物进行了砷含量检测，结果表明，一些遗骨表面沾染了大量的砷。
种种研究结果表明，光绪帝遗骨、头发、衣物中高含量的砷化合物为剧毒的三氧化二砷，即民间常说的砒霜。经过科学测算，光绪帝摄入体内的砒霜总量明显大于致死量。由此，课题组得出最后的结论：光绪帝系急性胃肠性砒霜中毒死亡。