新型納米材料顯現潛指紋的研究進展

趙瑩瑩

（河南警察學院，河南 鄭州 450046）

自19世紀以來，指紋因其形態的獨特性被認為是法醫學中最好的個人識別方式之一[1]。潛指紋識別在刑事科學、事故鑒定、信息識別和安全檢查等領域具有非常重要的作用。有效的提取和顯現指紋有助于對案情進行分析，排查犯罪嫌疑人，懲治犯罪。潛指紋的顯現方法與分析技術發展迅速，已經從一種普通的溶液處理手段逐漸發展成一門集生物學、化學、法學、計算機學等多學科交叉的專業型分析技術[2-4]。

犯罪現場如何在種類繁多的客體上發現、顯現和收集指紋是一個關鍵問題。現有顯現方法有粉末顯影 法[5]、蒸汽處理法[6，7]、金屬鍍膜顯影法[8，9]、化學顯現法[10]、熒光顯現法等。但是存在一些問題：1）現有粉末顯影法方便、廉價，至今仍被泛應用，但易被二次破壞，影響指紋識別的準確度。由于案件追蹤和法庭論證時間較長，后期對原始物證保持時間也有要求。現有顯現潛指紋的方法難以滿足現代司法的全部要求。因此，研究工作者們期望開發既能快速獲得客觀真實的指紋信息，又能長時間無損保存原始指紋物證的新型指紋顯現技術。2）一些特殊客體上潛指紋顯現率不高。如：木質／皮革等粗糙、滲透性表面、深色表面、花色表面的潛指紋和遺留時間大于72h的陳舊性指紋顯現困難；難以保持指紋痕跡的生物活性，限制了進一步獲取生物信息；暴力案件中被害人身體上的潛指紋，由于人體皮膚表面的細毛和汗孔易干擾手印紋線，特別是分泌的汗液和皮脂液易混染皮膚上的指紋殘留物質，再加上皮膚本身的伸縮性較大，皮膚上潛指紋的顯現是國際上刑偵工作者面對的一大難題。因此設法改進指紋顯現方法，提高指紋顯現效果是指紋研究人員的一項重要任務。3）現有潛指紋顯法使用中的健康隱患日益受到關注，如粉末刷顯法產生的細顆粒粉塵、熏顯法產生的有毒氣體、某些具有致癌性的熒光染料等均會對技術人員造成危害。

鑒于上述情況，近年來納米技術結合光致發光法被應用于顯現潛指紋，以期突破顯現潛指紋技術發展的瓶頸。納米材料易與潛指紋中的無機、有機類物質結合，有的自身也具有光致發光性，可以通過光照激發結合在潛指紋上的納米材料顯現清晰有效的指紋圖譜。該技術不僅可以有效地顯現犯罪分子采用高科技作案手段后遺留在各種載體上的疑難、復雜指紋，而且能克服現有顯現試劑、設備昂貴而無法普及和顯現方法存在安全隱患等難題。本文總結了稀土納米熒光材料、量子點、金屬氧化物納米材料、磁性納米材料、聚芴其衍生物材料、碳基納米熒光材料和基于鉑原子的納米材料在顯現潛指紋方面的應用，并對該發展提出了展望。

1 稀土納米熒光材料顯現潛指紋

稀土納米熒光材料是指尺寸在1～100 nm含有稀土離子作為基質粒子的一類發光材料。它做生物標記物具有毒性低、發光強度高且穩定、斯托克斯位移大、熒光壽命長等優點，可較好的克服現有熒光分析法易被光漂白與分解、靈敏度低等缺點。目前，稀土納米熒光材料的合成方法有高溫固相法、水熱法、溶膠凝膠法、沉淀法等，但這些方法合成的是納米粉體，顆粒粒度分布范圍較寬，形狀不規則，不能滿足生物標記物對納米粒子粒度、均勻性、生物相容性以及水溶性的要求。辛娟等[11]采用檸檬酸鈉為絡合劑，以稀土硝酸鹽和偏釩酸鈉與三聚磷酸鈉為原料通過直接水相法分別合成了懸浮穩定性較好的 YVO4／EU和 LAPO4／CE，TB溶膠。紫外光照射下，均可清晰地顯現光滑客體上的指紋，顏色分別為紅色和綠色。配制了模擬氨基酸和模擬油脂溶液的指紋物質成分，考查了其對不同熒光材料及修飾劑熒光的影響。結果表明，當納米熒光材料帶有羧基或巰基等官能團時，與模擬指紋物質發生相互作用，清晰地顯現光滑客體上的指紋。

上轉換熒光納米材料是一種將低能量的照射光子轉化為高能量發射光子，且可實現從近紅外光到可見光轉化的反斯托克斯材料，且發光強度更高。此外，低能量的近紅外光不會激發客體中的熒光素，避免了自體發光現象，降低了背景熒光干擾。李白玉等[12]將合成的 NaYF4／Yb，Er，Gd上轉換熒光納米棒（UCNRs），在980 nm近紅外光的激發下，通過粉末法顯現滲透性客體（雜志封面和火車票）和非滲透性客體（大理石、瓷磚、玻璃、硬幣、鋁箔和不銹鋼板）表面上的血潛指紋，均可獲得指紋各級特征的清晰熒光圖像，靈敏性和選擇性優于酸性黃7染料。她進一步合成了小鼠抗人血紅蛋白抗體修飾的上轉換熒光納米棒（UCNRs／antihHb），可與血潛指紋中的血紅蛋白發生特異性結合，提高指紋顯現的靈敏度與選擇性，對于非滲透性客體（不銹鋼板、光盤、玻璃和鋁箔）及滲透性客體（雜志封面、皮革和木板）表面的血潛指紋具有一定的使用價值。

2 量子點顯現潛指紋

半導體納米微晶，即半導體量子點，一般指由Ⅱ-Ⅵ族和Ⅲ-Ⅴ族等元素組成，粒徑為2～10nm的零維納米材料。因其獨特的零維結構顯示出特殊的理化性質及良好的光學性能，是納米材料研究的一個重要方向。

2.1 熒光量子點顯現潛指紋

相比一般的有機熒光染料，量子點具有量子產率高、發射光譜窄、穩定性好、激發光譜寬、抗光漂白能力強及生物兼容性較好等優點。熊海[13]以甲苯為溶劑，十二烷胺（DDA）為包覆劑，通過改變溶劑熱合成溫度（150℃、165℃、180℃）得到顆粒尺寸為3～4nm的INP量子點，經巰基乙酸修飾后得到水溶性INP／ZNS量子點。紫外光下，弱堿環境中INP／ZNS熒光量子點溶液可清晰顯現光滑客體表面的指紋細節。又以硒粉、亞硫酸鈉、硝酸鋅和硝酸鎘為原料，巰基乙酸修飾劑后合成了粒徑較小且分散均勻的ZNxCD1-xSE量子點水溶液，考察了不同摻雜CD含量、反應時間、初始pH值對此量子點粒徑及熒光強度的影響。結果表明，摻雜比例為ZN0.77CD0.23SE量子點的指紋顯現效果最好，可清晰地顯現不同顏色光滑客體表面指紋的細節和血潛指紋。但由于重金屬CD的毒性，限制了其作為生物標記材料的研究和應用。他以NA2SESO3為硒源，通過對不同修飾劑（巰基乙酸、巰基乙醇、巰基丙酸）的對比，表明以巰基丙酸（MPA）為修飾劑的 MN2+／ZNSE量子點最穩定，熒光強度最強，可以較清晰顯現不同客體指紋，且紫外光照下顯現熒光強度明顯增強的紫色或淺藍色指紋。李洪雨等[14]采用濕化學法分別以巰基乙酸、巰基丁二酸、L-半胱氨酸為修飾劑，碲粉、硒粉、亞硫酸鈉和氯化鎘為原料，合成了CdTe／CdSe核殼量子點。最佳條件下，它短時間內能夠與油潛指紋物質結合，得到清晰的紅色指紋圖譜。繼而他們以硒粉、亞硫酸鈉、ZNCL2為原料，巰基乙酸和巰基丁二酸為修飾劑，在紫外光照下合成了分散均勻的ZnSe／ZnS量子點水溶液。最佳條件下，制備的ZnSe／ZnS量子點可以使潛指紋呈較清晰的藍色指紋圖像。

2.2 表面修飾量子點顯現潛指紋

霍宇飛等[15]采用濕化學法合成了巰基乙酸和谷胱甘肽包覆的CDTE＠CDS量子點和L-半胱氨酸修飾的CDTE量子點，分別采用量子點溶液法和粉末刷顯法對非滲透性客體表面潛指紋進行了顯現。王春艷[16]以谷胱甘肽（GSH）制備了近似球形、粒徑分布均勻且在溶液中單分散性良好的GSH-CAPPED CDSQDS量子點溶液，用粉末法顯現紙片、玻璃、紙幣、鋁片上用 “502”熏過及未熏過的潛指紋，指紋清晰，反差明顯，效果良好。同時研究了反應時間對量子點粒徑及發光顏色的影響。結果表明，隨回流時間的延長量子點顏色歷經了綠色-黃色-橙色-紅色-深紅色的變化過程。她又將水解的低分子量殼聚糖巰基化后作為穩定劑合成了CTS-TGA-CAPPED CDTE QDS量子點，粉末刷顯法顯現玻璃、鋁片、銅片上用 “502”熏過及未熏過的潛指紋，效果明顯。

3 金屬氧化物納米材料顯現潛指紋

3.1 二氧化鈦納米材料顯現潛指紋

周婧[17]用溶劑熱法制備了粒徑在10～30 nm的銳鈦礦型二氧化鈦納米晶。在350 nm紫外光照射下，獲得清晰、流暢、完整，背景為亮色調的暗色指紋紋線，反差明顯，滿足司法檢驗對指紋鑒定和細節特征標注的要求。Hui Yang[18]采用電噴霧沉積法將物理增強劑二氧化鈦納米顆粒均勻沉積在無孔表面（載玻片、刀、塑料板）和多孔表面（膠帶、清漆木板）潛指紋上，可顯現包含各層次特征的指紋信息且不損傷指紋形態。

K.R.Venkatesha Babu[19]以沒食子酸為表面活性劑的濕化學法合成了TiO2／Eu3+（摩爾分數：1%～11%）納米粒子，顯現多種多孔和非多孔表面潛指紋，具有高靈敏度、高選擇性、低背景干擾等優點。

3.2 氧化鉬納米材料顯現潛指紋

張麗梅等[20]以十二烷基硫酸鈉為表面活性穩定劑制備二硫化鉬納米顆粒懸浮液，顯現油性滲透性和非滲透性客體表面及膠帶黏面的汗潛指紋。又進一步研究了表面活性劑的濃度、反應制備溫度和時間等實驗因素對二硫化鉬納米顆粒懸浮液顯現效果的影響。

H.S.Yogananda等[21]以 A.V.凝膠為生物表面活性劑利用超聲技術制備了新型MoO3／Eu3+（摩爾分數1%～9%）納米顆粒，在紫外光254nm下，可顯現非多孔表面（陶瓷杯、金屬罩和不銹鋼刀）和多孔表面（塑料紙、鋁箔）上潛指紋的一、二、三級特征。

3.3 氧化鋁納米材料顯現潛指紋

張麗梅等[22]利用偶聯劑對氧化鋁納米顆粒進行表面改性，使其選擇性吸附潛指紋表面微量物質，再利用有機熒光染色劑對顯現后指紋進行染色增強。研究表明，經兩步顯現處理后的靈敏度優于粉末顯現法和＂502＂膠熏顯法，且基本不受背景顏色的干擾，便于推廣使用。

3.4 氧化硅納米材料顯現潛指紋

Li Liu[23]用干凝膠—溶膠法制備了新型Eu3+／OP／TEOS＠SiO2納米復合材料，紫外光照射下用于顯現金屬箔、玻璃、塑料、彩紙和綠樹葉上的潛指紋。C.Suresh[24]采用簡單的溶劑熱法制備了核殼納米SiO2＠LaOF／Eu3+強紅色復合材料，具有較好的非團聚性，粒徑分布窄。它在多孔和非多孔表面，可獲得潛指紋的一級至三級脊特征且沒有背景障礙。

稀土摻雜的上轉換納米材料具有獨特的光學特性，即尖銳的發射光譜、大的反斯托克斯位移、長激發態壽命、高信噪比和良好的光穩定性。這使上轉換納米材料成為顯現潛指紋一個有前途的候選材料。Lijia Wang[25]在中等濃度的正硅酸乙酯中，控制NaYF4納米棒與二氧化硅的比例，合成了啞鈴狀上轉換納米材料NaYF4＠SiO2。見圖1所示，它的高信噪比有效地規避了發光猝滅和優良的光穩定性，成功地應用于多種基質（塑料袋、包裝紙、光滑的玻璃顯微鏡載玻片、塑料和硬幣）上快速顯現潛指紋，且均未出現背景熒光干擾。

圖1 指紋圖像示意圖

3.5 復合金屬氧化物納米材料顯現潛指紋

L.Renuka[26]采用草酸二肼（ODH）為燃料，燃燒法合成了ZrO2／CuO納米復合氧化物（NCO）。由于具有可快速轉移電子的電子-空穴對，可以顯現普通粉末不能清晰顯現的滲透和非滲透性客體上潛指紋的二級特征。

M.Saif[27]用溶膠-凝膠法制備了高光致發光、穩定性好的無毒Eu3+∶Y2Ti2O7／SiO2納米粉末，嵌入二氧化硅基質中。紫外線照射下，顯現玻璃、鋁箔、彩色塑料袋、高刮傷的CD、藍色紙張和新切割的綠葉中生成的新鮮潛指紋。如圖2所示，結果表明，可以獲得光滑、清晰、細節豐富的指紋紅色圖像。A.Sandhyarani[28]采用燃燒法制備了 SiO2＠SrTiO3∶Eu3+（摩爾分數：1%），Li（質量分數：1%）核殼納米粉末。結果表明，在254nm紫外光下可以顯現多孔和光滑表面潛指紋的二級特征，靈敏度高，選擇性好，無背景干擾。Dhanalakshmi Muniswamy[29]以CTAB為表面活性劑，輔助超聲法制備核殼超結構BaTiO3：Eu3+＠SiO2（摩爾分數：5%）納米粒子，并研究了隨時間變化潛指紋顯現情況。結果表明，正常光和紫外光254nm照射下，可以在不同的多孔和無孔表面（鋁箔、移動屏幕、玻璃瓶、金屬秤、木塊和不銹鋼）上顯現潛指紋清晰的一級、二級和三級細節，具有高對比度、高選擇性、低背景干擾和無毒的優點。

圖2 優化的SiO2＠SrTiO3：Eu3+核殼納米材料顯現不同表面（非多孔和多孔材料）潛指紋示意圖

4 磁性納米材料顯現潛指紋

磁粉顯現法仍然是目前使案發現場使用最普遍的顯現潛指紋的方法，但傳統的磁粉刷顯存在許多弊端，改良后的納米材料突顯出了更加優良的特性。

4.1 磁性熒光雙功能納米材料顯現潛指紋

黃銳[30]采取共沉淀法制備了Fe3O4納米顆粒，并以抗壞血酸為還原劑，利用枝化的聚乙烯亞胺作修飾劑進行組裝，10 min內快速制得了Fe3O4＠Pt NCs核殼微球。此核殼微球具有分散性好、紅色熒光和超順磁性。實驗表明，Fe3O4＠Pt NCs核殼微球對不同承痕客體上潛指印的顯現效果優良。于遨洋等[31]將 La2（MoO4）3／Eu納米熒光材料和具有超順磁性立方球形的Fe3O4納米磁性材料按一定比例混合，制備了具有超順磁性的La2（MoO4）3：Eu／Fe3O4納米熒光粉末，可顯現粗糙客體表面的潛指紋的細節特征，是一種理想的指紋顯現材料，具有背景干擾低、適用范圍廣、顯現效果好、無粉末揚塵等優點。牛鵬懷[32]設計合成了 Fe3O-4CdTe＠SiO2磁性發光納米復合材料。相比于現有試劑，它具有較強的黏附能力和更好的潛指紋顯現結果，同時可實現磁粉分離回收，因而具有較好的應用前景。

一些暴力案件常常需要從被害人身體上提取指紋，由于人體皮膚表面存有細毛和汗孔，再加上皮膚本身的伸縮性較大，因此皮膚上指紋的顯現是國際上刑偵工作者面對的一大難題。劉娜[33]以共沉淀法制備的FE3O4／SIO2復合納米粒子為磁性核，采用沉積法制備核殼結構的 FE3O4／SIO2＠GD2O3∶EU，BI納米粒子。該粒子同時具有熒光性、磁性及易與生物樣品牢固結合的特性，可以顯現輪廓清晰的皮膚上指紋。

4.2 結合金納米粒子的磁性納米材料

表面豐富的金納米粒子易與指紋中的蛋白質和氨基酸結合，毒性低，且其超順磁性可有效降低刑偵人員吸入粉塵的危害。黎雪蓮[34]采用共沉淀法制備Fe3O4磁性納米顆粒，表面氨基化后連接金納米粒子，再用甲醛還原納米金顆粒，得到單分散性能良好的Fe3O4＠SiO2-Au納米復合材料。結果表明，其粒徑小于現有粉顯法顆粒半徑，氨基硅烷（APTES）的網狀結構既能防止Fe3O4沉聚，使其具有良好的分散性和穩定性，又能在其表面修飾易于與氨基酸、蛋白質結合的納米金粒子，可以顯現遺留在不同客體表面（如玻璃、紙張、塑料等）的潛指紋，具有廣泛的應用價值。

4.3 基于生物分子識別的磁性納米材料顯現潛指紋

黃銳[30]采用逐層自組裝（layer-by-layer，LBL）方法制備了一種以Fe3O4為 “蛋黃”、Pt NPs為 “蛋白”、PE為 “蛋殼”的新型三層結構納米蛋。利用藻紅蛋白（p-phycoerythrin，PE）中的-SH、-NH2與Pt的配位作用，將PE結合到Fe3O4＠Pt核殼微球的殼層上，使其具有可見熒光性，Pt原子又可通過與生物分子的非共價作用對潛指印進行識別顯現。研究發現，Fe3O4＠Pt＠PE納米蛋的熒光性質穩定，熒光指印紋線清晰可辨。又以谷胱甘肽（glutathione，GSH）替代BSA為模板制備了帶負電荷的鉑納米簇（GSH-Pt NCs）。同時，利用聚乙烯亞胺（polyethyleneimine，PEI）制得表面帶正電荷的磁性Fe3O4納米顆粒。通過靜電吸附作用，將GSH-Pt NCs與Fe3O4結合，制得分散性良好的Fe3O4＠GSH-Pt NCs核殼微球。小分子GSH作為模板，有利于充分暴露Pt原子，增加Pt原子與生物分子的接觸幾率；而GSH-Pt NCs自身具備優良熒光性能，無需外加熒光蛋白作為外殼，增加Pt原子與生物分子或基團接觸機會和結合能力的同時，也更好地保持了Fe3O4磁性。將粉末狀Fe3O4＠GSH-Pt NCs核殼微球刷顯木質表面的指印，可呈現清晰的細節特征。此材料相比傳統磁粉材料具有更良好的磁性，更低得微粒懸浮率，顯現過程更易操控，更有利于技術人員身體健康的優點。

5 聚芴其衍生物顯現潛指紋

聚芴其衍生物是一類具有較高熒光量子效率的熒光聚合物，易于結構修飾。陳昊彬[35]基于聚芴的骨架結構合成了一系列含有光交聯氧雜環丁烷基團的共軛聚合物：藍色熒光的doPO、綠色熒光的doPF10BT和紅色熒光的do-PF5DTBT，并引入苯并噻二唑與二噻吩苯并噻二唑受體調節材料的發射光譜。利用聚合物納米材料與潛指紋殘留物中有機疏水成分氨基酸、脂肪酸、維生素的物化作用，通過光交聯技術使得聚合物納米粒子沿指紋溝壑形狀紫外固化，形成穩定的三維空間網格結構，實現潛指紋的高精度共價熒光顯現。該方法快速、穩定、有效、分辨率高且無毒環保。

6 碳基納米熒光材料顯現潛指紋

g-C3N4作為一種新型的納米熒光材料既能在固體狀態下發光又能在溶液中發光。鞠偉[36]采用融鹽輔助和高溫煅燒法制得納米帶狀g-C3N4。紫外燈下，采用固體粉末刷顯技術顯現不同客體表面的潛指紋，可發出裸眼可見的藍光。

7 基于鉑原子的納米材料顯現潛指紋

依配位原理，鉑原子價層中存在空軌道，作為配合物的中心原子，鉑原子及以鉑原子為單元形成的鉑納米顆粒、鉑納米簇等可與含孤對電子基團的氨基（-NH2）、巰基（-SH）、羧基（-COOH）等結合。

黃銳[30]以金屬鉑為原料，將還原劑乙二醇直接加入氯鉑酸溶液制備了一系列多功能Pt NPs納米材料，基于其與潛指印中生物分子的多重非共價識別原理，顯現潛指印。又進一步對氯鉑酸濃度、鉑納米溶液的pH值以及指印遺留時間等條件進行了考察。結果顯示：在氯鉑酸濃度為40 mmol／L、鉑納米溶液pH值為5時，Pt NPs可以顯現玻璃客體上形成于6天之內的潛指印，驗證了鉑對潛指印的識別能力，為后期功能化鉑納米材料的設計、制備和應用奠定了基礎。又利用牛血清白蛋白（bovine serum albumin，BSA）作為保護劑和還原劑，通過超聲-水熱循環法高效制備了性能優良的BSA-Pt NCs。與現有磁粉及DFO熒光顯示劑相比，它具有識別力強、表達細膩、污染小、熒光性能優良且綠色無毒等許多優勢。

8 展望

潛指印汗液中含相對豐富的生物分子有蛋白、多肽、氨基酸、乳酸、尿素等，眾多顯現指紋的方法中，粉末光檢法由于其操作的簡便性而被廣泛使用。稀土發光材料和半導體量子點是目前已經報道的兩種使用最多的指紋粉，然而稀土發光材料和半導體量子點的合成往往比較復雜，且都含有大量的重金屬離子，對生物體有著潛在的危害。二氧化鈦作為常見的氧化物半導體，具有物理化學性質穩定、無毒廉價等優點[37]。二氧化鈦納米晶粉末主要基于指紋中汗液、油脂等物質與客體表面不同的吸附特性，指紋樣本的遺留時間、保存環境、粉末與客體的接觸方式、客表面性質等因素均會對二氧化鈦納米晶的吸附情況會影響指紋顯現效果。現有顯現法實際應用中還存在許多瓶頸問題，因此，尋求一種無損、高效、價廉、無毒、低干擾和多重信號顯現潛指紋的方法，仍是研究人員的一項重要任務。