根据林森浩的供述，警方迅速展开行动，找到了他丢弃的试剂瓶和注射器等作案工具。同时，警方还对林森浩曾经使用过的电脑进行了检查，发现他在黄洋住院期间多次搜索N-二甲基亚硝胺的毒性信息。
在案件调查过程中，一个关键的线索来自黄洋的室友葛俊琦。4月8日晚上，葛俊琦突然想起林森浩曾做过关于肝损伤的实验，于是登录万方数据库查询，发现了林森浩的相关论文。这一发现为警方提供了重要的调查方向。
4月16日，黄洋经抢救无效死亡。法医鉴定结果显示，黄洋系因二甲基亚硝胺中毒致急性肝坏死引起急性肝功能衰竭，继发多器官功能衰竭死亡。
4月19日下午，上海警方正式以涉嫌故意杀人罪，向检察机关提请逮捕复旦大学"4.1"案犯罪嫌疑人林森浩。
警方的调查结果显示，林森浩的犯罪行为并非临时起意，而是经过精心策划的。他利用自己在实验室做实验的机会，将剧毒化合物N-二甲基亚硝胺存放在实验室隐蔽处，并于3月31日中午拿出实验室带回寝室，注入饮水机水槽。
林森浩对自己的犯罪行为供认不讳，但他在接受采访时表示，自己并没有想过要杀死黄洋，只是想开个愚人节玩笑。然而，他的这一说法遭到了检方的质疑。
西南政法大学刑事司法与刑事执行研究中心主任张光君分析认为，林森浩作为一名医学专业人士，参与过剧毒化学品二甲基亚硝胺的动物实验，撰写过相关论文，明知该毒物可能会致人死亡，仍超大剂量投毒，事实上是明知结果仍追求这个结果的直接故意。
2013年11月27日下午6时15分，该案庭审结束，上海市第二中级人民法院择日对该案作出宣判。在庭审中，"犯罪行为是直接故意还是间接故意"、"杀人动机是因琐事不和还是愚人节玩笑"、"量刑是从重严惩还是酌情从轻"成为控辩双方争论的三大焦点。
最终，法院认定林森浩的行为构成故意杀人罪，判处其死刑，剥夺政治权利终身。这一判决体现了法律对生命的尊重和对严重暴力犯罪的严厉打击。
六、法庭内外：从一审到死刑复核
2014年2月18日，上海市第二中级人民法院对复旦投毒案进行了一审公开宣判。法庭上，审判长庄严宣布：被告人林森浩犯故意杀人罪，判处死刑，剥夺政治权利终身。
这一判决结果让旁听席上的人们感到震惊。特别是林森浩的家人，他们无法接受这个结果，当庭痛哭流涕。而黄洋的父母则显得相对平静，他们认为这是对儿子的一个交代。
一审判决后，林森浩表示不服，提出上诉。他的辩护律师在上诉状中提出了多项理由，包括林森浩的行为属于间接故意而非直接故意、林森浩有自首情节、林森浩已经认罪悔罪等。
2015年1月8日，上海市高级人民法院对该案进行了二审公开宣判。法院经审理认为，一审判决认定的事实清楚，证据确实、充分，定罪准确，量刑适当，审判程序合法。因此，裁定驳回上诉，维持原判。
二审判决后，林森浩的辩护律师表示将继续为林森浩申请再审。同时，复旦大学177名学生联名向法院递交了一封请愿信，希望法院能够从轻处罚林森浩。
这封联名信在社会上引起了广泛争议。一方面，有人认为林森浩作为一名高材生，应该给他一个改过自新的机会；另一方面，更多的人则认为，法律面前人人平等，林森浩的行为已经构成了严重的犯罪，必须受到应有的惩罚。
2015年5月26日，最高人民法院开始对林森浩的死刑判决进行复核。在复核期间，林森浩的辩护律师多次向最高法院提交新的证据和辩护意见，试图说服最高法院改判林森浩死缓。
2015年12月7日，在死刑复核前，林森浩接受了央视记者的采访。在采访中，他表示对自己的行为感到深深的后悔，并希望黄洋的父母能够原谅他。
"对我来说意味着一次偿还，我觉得这样反而挺好。因为这样的话，他们（黄洋父母）也能够放下。"林森浩在接受采访时说。
2015年12月11日，最高人民法院核准了对林森浩的死刑判决。当天下午，上海市第二中级人民法院遵照最高人民法院院长签发的执行死刑命令，将林森浩执行死刑。
在执行死刑前，法院安排林森浩与其父亲林尊耀等亲属进行了会见。据林尊耀回忆，在最后的会面中，林森浩对他说："爸，对不起。"这是林森浩对父亲说的最后一句话。
林森浩被执行死刑后，黄洋的父亲黄国强在接受媒体采访时表示："这是法律判的，是公正的，这个结果我不意外，算是对黄洋亡灵的告慰，对我和他妈妈来说是慰藉。"
这起备受关注的复旦投毒案，最终以林森浩被执行死刑而告终。这一结果既体现了法律的公正，也给两个家庭带来了无法弥补的伤痛。正如一位法律专家所说："这是一个悲剧，对社会、家庭、学校来说都是一个悲剧。"
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