陳凱、劉林等為弄明真相，當即取樣找人化驗水裏的成分。化驗結果很快出來，證實水裏被張輝投放了亞硝酸鈉。獲悉這一實情後，大家驚出一身冷汗！陳凱、劉林當即向院領導報告情況並提供了偷拍的錄像。午間，院紀委書記找張輝談話，但張輝先是拒不承認投毒事實，但後來又說投放到水裏的是對人體無害的氯化鈉。院主要領導在聽了情況彙報後，覺得事關重大，於是當場決定報警。
公安人員趕到現場後，當即將張輝控製，並在其更衣室衣櫃裏搜查出標有亞硝酸鈉字樣的白色粉末狀晶體1袋、標有內服藥字樣的白色粉末狀晶體14小袋、內有白色粉末的注射器1支，並提取到張輝辦公室水壺內的剩水含有亞硝酸鹽成分。在事實麵前，張輝再也無法抵賴，經過與辦案人員十幾個回合的鬥智鬥勇後，他終於開始實話實說。
“我臨時負責科室工作兩年多，沒有功勞有苦勞。但陳凱一心想和我競爭科室主任，處處和我作對，平時不服從管理。我覺得這個人若繼續留在科室，不光科室搞不好，而且我提主任也沒戲，所以我就頭腦一熱，想慢慢毒死他……”聽了張輝的供述，就連見多識廣的辦案人也感到十分詫異。2月9日，徐州警方以張輝涉嫌犯投放危險物質罪，將其刑事拘留。
牽出案中案，失蹤同事亦係他暗殺
張輝出事的消息很快傳到此前莫名失蹤的高凱的妻子李娟的耳朵裏，她找到辦案人員，強烈要求調查其丈夫高凱失蹤是否與張輝有關聯。“他能投毒暗害同事，他怎麼就不可能害與他有矛盾的高凱呢？”李娟表達了自己的強烈懷疑態度。
為徹查高凱失蹤的信息，辦案人員決定展開攻關，但盡管發現張輝有重大嫌疑，但他就是不承認，後通過運用測謊手段，也未能發現張輝有異常反應。於是，辦案人員決定重新梳理高凱失蹤案，另找突破口。
他們結合本次案發並在排查了許多新的線索後，感覺張輝的作案可能性加大。2月27日，辦案人員決定對張輝的地下車庫展開徹查。功夫不負有心人，這一次，偵查人員發現張輝地下車庫內的牆麵上有隱隱約約的剮蹭痕跡，牆麵、電表盒內有被處理過的少量暗紅色印記，車庫內飲水機包裝箱上有噴濺狀暗紅色印記。提取這些印記的樣本送檢後，證實那正是高凱的血跡留下的痕跡。
3月4日，張輝的妻子曹莉被警方傳訊，在強大的心理攻勢下，曹莉開始交代問題：“2010年12月31日下午5時許，張輝打電話說開車撞到人並讓我回家，我回到小區後在樓下見到張輝，他說把撞死的人放在車庫裏了，我聽了好緊張，就勸張輝自首，但他不同意。2011年元旦小長假後的一天，我看到張輝用鋼絲球擦車庫的牆，於是也拿起鋼絲球幫忙擦西牆上的黑色斑點，並指導張輝擦。我曾聽說高凱失蹤了，但我沒把撞人和殺人聯係起來判斷，不確認死者到底是誰？”
根據曹莉的交代，辦案人員基本確定，高凱的失蹤與張輝具有重大關聯性，是張輝殺死了高凱。在接下來的審訊中，張輝麵對無法推翻的事實和證據，心理防線終於垮塌，徹底交代了暗殺高凱的動因和過程。
張輝臨時主持病理科工作後，起初和高凱因爭工作量產生矛盾，後高凱發現張輝以權謀私、有貪汙和受賄行為，故一次次和他較真並向分管院長反映問題，對此張輝十分惱火。久而久之，頗有心計且好記仇的張輝認為，高凱這樣做是在拆自己的台，是想和自己競爭科室主任一職。明裏鬥不過身高馬大且又好直言的高凱，但暗地裏張輝卻沒少想歪招收拾他。2010年12月上旬，張輝獲悉高凱又在領導麵前說自己的壞話，所以有過冒險成功經曆且辦事不計後果的他，決定采用暗殺手段，徹底讓高凱從這個世界上消失。