手印納米顯現效果的評價研究進展

李 明,倪 龍,王 猛*,朱中旭,袁傳軍， 吳 建

1. 中國刑事警察學院刑事科學技術學院,遼寧 沈陽 110035 2. 中國刑事警察學院新時代犯罪治理研究中心,遼寧 沈陽 110035 3. 中國科學院寧波材料技術與工程研究所,浙江 寧波 315201

引 言

手印顯現是指借助物理、 化學等方法使手印與客體之間形成足夠的對比反差， 從而將潛在手印轉變成可見手印的過程[1-2]。 手印顯現是手印分析和手印鑒定的基本前提， 其分析和鑒定結論能夠在案件偵查和訴訟審判中發揮重要作用。 經過一個多世紀的發展， 傳統手印顯現技術體系已日臻完善[3-4]。 2000年， Menzel等率先將CdS量子點應用于潛在手印的粉末法及懸浮液法顯現中， 至此開創了手印納米顯現技術的先河[5-6]。 此后， 研究人員嘗試將金屬及其氧化物納米材料、 稀土發光納米材料、 熒光碳點、 金屬-有機框架材料、 聚集誘導發光材料等新型材料應用于手印納米顯現技術中[7-11]， 并建立了基于物理吸附、 疏水作用、 化學鍵合、 抗體結合、 適配體識別等原理的手印納米顯現新方法[12-13]。 顯現材料和顯現方法的推陳出新極大促進了手印納米顯現技術的蓬勃發展。

研究人員對手印納米顯現技術的探索集中在顯現材料的更新和顯現方法的創新這兩方面， 而對手印顯現效果的影響因素及綜合評價等研究卻較為分散且缺乏系統性。 手印納米顯現效果的準確評價有利于顯現方法的合理選擇和物證價值的客觀評估， 這與手印顯現效果的提升同等重要。 目前， 國內外報道對手印納米顯現效果的評價存在以下兩方面問題： 一方面， 評價手印顯現效果的指標含糊不清、 缺少概念、 存在歧義； 另一方面， 評價手印顯現效果的方法基本停留在定性層面， 缺乏準確性、 客觀性、 科學性[14-15]。

鑒于此， 本綜述明確了手印納米顯現效果的具體評價指標， 即對比度、 靈敏度、 選擇性、 毒害性， 對手印納米顯現效果的評價方法進行系統總結， 對上述評價指標的影響因素進行詳細討論， 并對手印納米顯現的發展方向提出全新展望， 為手印顯現技術研究特別是手印顯現效果的科學評價提供有益的參考。

1 對比度

手印顯現對比度(contrast)定義為手印顯現信號與客體背景噪聲之間的對比差異程度[9]。 手印顯現對比度的概念借鑒了分析化學中信噪比的思想， 將顯現后的手印歸為信號， 將客體背景干擾歸為噪聲。

1.1 手印顯現對比度的評價方法

一直以來， 研究人員對手印納米顯現對比度的評價大多停留在定性層面， 即描述顯現手印與客體背景之間的對比反差程度。 文獻報道中經常出現概念模糊的描述性詞匯(如good， superior， excellent， great等)及難以定量的描述性詞匯(如observed， visualized， bright， strong等)[15]。 部分文獻借助肉眼觀察并使用“+++”， “++”， “+”， “-”等表示方法對手印納米顯現對比度進行半定量評價[16]。

2008年， Humphreys等提出了相對對比指數(relative contrast index， RCI)的概念， 并使用RCI定量評價手印顯現對比度[17]。 首先， 利用配備光導纖維分光光度計的顯微鏡將手印樣品放大200倍； 然后， 分別測量乳突紋線和客體部位的亮度反射強度， 并得到對應的平均反射光譜； 最后， 將RCI定義為乳突紋線與客體所對應的反射光譜峰值比的常用對數值。 2011年， Vanderwee等在上述研究的基礎上分別使用三種顯微分光光度計對RCI進行測量與計算， 并證實該定量評價方法具備可靠性和重現性[18]。 2013年， Matuszewski等將對比度定義為乳突紋線與小犁溝之間像素平均灰度的差異， 并用于定量評價手印顯現對比度[19]。 首先， 利用掃描儀獲取手印樣本的灰度圖像； 然后， 使用Adobe Photoshop軟件分別對乳突紋線和小犁溝部位的平均灰度進行分析； 最后， 用乳突紋線和小犁溝所對應平均灰度的差值絕對值或比值等形式來表示手印顯現對比度。 遺憾的是， 以上兩種評價方法的適用范圍較窄， 僅適用于部分白色客體表面的油墨捺印手印或深色顯現手印， 以及某些黑色客體表面的淺色顯現手印。

2019年， Shen等將對比度定義為顯現手印與客體背景之間的灰度值之比， 并用于定量評價非熒光類物質顯現手印的對比度[20]。 如圖1(a,b)所示， 首先， 使用Image J軟件分別對手印顯現圖像中乳突紋線和客體部位的灰度進行分析， 并得到對應的平均灰度值， 見圖1(b)； 然后， 用乳突紋線和客體所對應平均灰度值的比值來表示手印顯現對比度。 值得一提的是， 該方法不需要借助儀器對手印樣本進行光譜測量， 且適用于定量評價各種非熒光類物質顯現手印的對比度， 具有操作簡單、 適用性廣的優點。

圖1 (a)使用磁性粉末顯現白瓷磚表面潛在手印的照片； (b)利用Image J軟件表征顯現手印與客體背景的灰度曲線[20]Fig.1 Image of latent fingerprint deposited on white tile and developed by magnetic powders (a); and gray curves corresponding to developed fingerprint and its substrate characterized by Image J software (b)[20]

以上研究僅限于定量評價非熒光類物質顯現手印的對比度， 尚未涉及熒光類物質顯現手印的情況。 2020年， Shen等利用熒光光譜分析的方法計算熒光類物質顯現手印的對比度[14]。 研究發現， 使用熒光類物質顯現的手印， 其對比度由手印顯現信號與客體背景噪聲之間的強度差異和顏色差異共同決定， 兩種差異可分別用強度因子(intensity index， I)和色度因子(chroma index， C)定量衡量。 2021年， Wang等在上述研究的基礎上優化了定量評價方法的操作步驟， 考查了方法的適用范圍， 并從定量角度解釋了提高手印顯現對比度的具體途徑[15]。 如圖2所示， 首先， 使用熒光分光光度計分別測量顯現粉末、 空白客體、 顯現樣本的熒光發射光譜； 然后， 使用Origin和CIE1931軟件分別對顯現樣本熒光發射光譜的強度和色度進行分析， 相應得到強度因子I和色度因子C； 最后， 用C與I的常用對數之積來表示手印顯現對比度。 該方法可以作為定量評價熒光類物質顯現手印對比度的通用方法。

圖2 利用光譜分析手段定量評價納米熒光材料顯現手印的對比度原理圖[15]Fig.2 Scheme for quantifying the contrast of fingerprints developed with fluorescent nanomaterials by means of spectral analysis[15]

1.2 手印顯現對比度的影響因素

非熒光粉末的本身顏色以及熒光粉末的熒光性質對手印納米顯現的對比度影響很大。 提高手印納米顯現的對比度通常有以下三種有效途徑： 提高手印顯現信號的強度、 改變手印顯現信號的顏色、 降低客體背景噪聲的干擾。

圖3為文獻中使用多種粉末顯現不同典型客體表面潛在手印的照片。 對于單一顏色客體， 使用非熒光粉末顯現并調整粉末的本身顏色即可有效提高手印顯現對比度[如圖3(a)—(b)][20]， 也可使用熒光粉末顯現并調整粉末的熒光顏色來提高手印顯現對比度[如圖3(c)—(d)][15]。 對于復雜顏色的弱熒光性客體， 使用非熒光粉末顯現通常不能奏效[如圖3(e)][20]， 而使用熒光粉末顯現并增強粉末的熒光強度則可有效提高手印顯現對比度[如圖3(f—g)][15]。 對于復雜顏色的強熒光性客體， 使用下轉換發光粉末配合紫外激發光源顯現時， 由于紫外光的能量較高， 通常會激發客體產生強烈的背景熒光， 進而對手印顯現信號造成嚴重干擾[如圖3(h)][21]； 使用上轉換發光粉末配合紅外激發光源顯現時， 由于紅外光的能量較低， 通常不會使客體產生熒光效應， 從而能夠降低甚至消除客體背景噪聲干擾[如圖3(i)][21]。

圖3 使用不同粉末顯現客體表面潛在手印的照片(a)： 青銅粉[20]； (b)， (e)： 磁性粉[20]； (c)， (f)， (g)： YVO4∶Eu下轉換發光納米粉[15]； (d)： LaPO4∶Ce,Tb下轉換發光納米粉[15]； (h)： 綠色熒光粉[21]； (i)： NaYF4∶Yb,Er上轉換發光納米粉[21]Fig.3 Images of latent fingerprints deposited on various substrates and developed by different powders

2 靈敏度

手印顯現靈敏度(sensitivity)定義為顯現手印各級特征的清晰程度和精細程度[9]。

2.1 手印顯現靈敏度的評價方法

迄今為止， 研究人員對手印納米顯現靈敏度的評價仍停留在定性層面， 即描述乳突紋線總體特征的完整連貫程度、 細節特征的清晰程度、 汗孔特征的精細程度。 文獻中經常出現概念模糊的描述性詞匯(如good， superior， excellent， great等)及難以定量的描述性詞匯(如clear， smooth， recognized， detected等)[15]。

2021年， 朱中旭等使用稀土納米熒光配合物懸浮液對大理石等客體表面潛在手印進行高質量顯現， 并考查乳突紋線總體特征[如圖4(a)]、 細節特征[如圖4(b—c)]、 汗孔特征[如圖4(d)]的清晰反映程度， 證實了該顯現方法具有很高的靈敏度[22]。 表1匯總了國內外關于定性評價手印納米顯現靈敏度的研究工作。

圖4 (a)使用稀土納米配合物懸浮液顯現大理石表面潛在手印的照片； (b)—(d)為(a)的局部放大圖， 其中： (b1)傷疤、 (b2)皺紋、 (c1)小勾、 (c2)起點、 (c3)結合、 (c4)分歧、 (d)汗孔[22]Fig.4 Images of latent fingerprint deposited on marble and developed by rare earth nanocomplex suspensions (a), and corresponding magnified images (b)—(d): scar (b1), wrinkle (b2), spur (c1), termination (c2), bifurcation (c3, c4), and sweat pore (d)[22]

表1 手印納米顯現靈敏度的研究工作匯總Table 1 Summary of sensitivity research in latent fingerprint development

2.2 手印顯現靈敏度的影響因素

納米粉末的微觀形貌和顆粒尺寸對手印納米顯現的靈敏度影響很大。 一方面， 粉末的微觀形貌決定了其吸附性能。 微觀形貌為球狀、 棒狀、 多面體狀的粉末具有適中的吸附性能， 微觀形貌為片狀、 層狀的粉末具有很強的吸附性能， 而粉末過強的吸附性能容易導致其粘連細節特征甚至覆蓋汗孔特征。 另一方面， 粉末的顆粒尺寸決定了其顯現精度。 三維尺寸為納米級別的粉末通常具有良好的顯現精度， 而粉末過大的顆粒尺寸容易導致其粘連細節特征甚至覆蓋汗孔特征。 提高手印納米顯現的靈敏度通常有以下兩種有效途徑， 即： 改變粉末的微觀形貌、 調整粉末的顆粒尺寸。

圖5為文獻中使用三種粉末顯現玻璃客體表面潛在手印的照片及對應粉末的掃描電子顯微鏡照片。 青銅粉具有片狀形貌和微米級尺寸[如圖5(a’)][4]， 導致手印顯現的靈敏度較低， 乳突紋線的細節特征被部分粘連， 且汗孔特征被完全覆蓋[如圖5(a)][28]。 經煅燒法合成的NaYF4∶Yb,Er粉末具有棒狀形貌和微米級尺寸[如圖5(b’)][28]， 致使手印顯現的靈敏度適中， 乳突紋線的細節特征反映一般， 但汗孔特征被基本覆蓋[如圖5(b)][28]。 經水熱法合成的NaYF4∶Yb,Er粉末具有立方體狀形貌和納米級尺寸[如圖5(c’)][28]， 保證手印顯現的靈敏度較高， 乳突紋線的細節特征反映清晰， 且汗孔特征全部可見[如圖5(c)][28]。

圖5 使用不同粉末顯現玻璃客體表面潛在手印的照片(a)： 青銅粉； (b)： NaYF4∶Yb,Er上轉換發光微米粉； (c)： NaYF4∶Yb,Er上轉換發光納米粉[28]；(a’)—(c’)為(a)—(c)中對應顯現粉末的掃描電子顯微鏡照片[4,28]Fig.5 Images of latent fingerprints deposited on glass and developed by various powders(a)： Bronze powders； (b)： NaYF4∶Yb,Er upconversion luminescent powders with particle size of nanoscale； (c)： Microscale[28];(a’)—(c’) are scanning electron microscope images of the developing powders corresponding to (a)—(c)[4,28]

3 選擇性

手印顯現選擇性(selectivity)定義為顯現試劑與手印遺留物質之間的特異性結合程度[9]。

3.1 手印顯現選擇性的評價方法

一直以來， 研究人員對手印納米顯現選擇性的評價大多停留在定性層面， 即描述乳突紋線與小犁溝之間的差異明顯程度。 文獻中經常出現概念模糊的描述性詞匯(如good， superior， excellent， great等)及難以定量的描述性詞匯(如sharped， defined， resolved， distinguishable等)[15]。

2019年， 于海峰等將選擇性定義為手印顯現圖像中乳突紋線與小犁溝所對應灰度曲線的積分面積之比， 并用于定量評價手印顯現選擇性[75]。 如圖6(a,b)所示， 首先， 使用Image J軟件分析并得到手印顯現圖像的灰度曲線； 然后， 使用Origin軟件分別對灰度曲線中對應于乳突紋線和小犁溝的部位進行逐個積分； 最后， 用兩者總積分面積的比值來表示手印顯現選擇性。 值得一提的是， 該方法適用于定量評價常見非熒光類及熒光類物質顯現手印的選擇性， 具有適用性廣的優點。 2020年， Wang等也借鑒了以上定量方法對手印納米顯現的選擇性進行定量評價[74]。 表2匯總了國內外關于定性及定量評價手印納米顯現選擇性的研究工作。

表2 手印納米顯現選擇性的研究工作匯總Table 2 Summary of selectivity research in latent fingerprint development

圖6 (a)使用502膠熏染顯現黑瓷磚表面潛在手印的照片； (b)利用Image J軟件對乳突紋線與小犁溝的灰度分析[75]Fig.6 (a) Image of latent fingerprint deposited on black tile and developed by super glue fuming method;(b) gray analysis corresponding to papillate ridges and furrows characterized by Image J software[75]

3.2 手印顯現選擇性的影響因素

納米粉末的吸附性能和表面性質對手印納米顯現的選擇性影響很大。 一方面， 粉末的吸附性能決定了粉末與手印遺留物質之間的特異性吸附。 在一定范圍內， 粉末的吸附能力越高， 越容易與手印遺留物質發生特異性吸附， 但粉末過強的吸附性能容易導致其吸附到乳突紋線之外的小犁溝部位。 另一方面， 粉末的表面性質能夠促進粉末與手印遺留物質之間的靶向性結合。 通過對粉末表面進行電性調節、 活性基團修飾、 疏水分子修飾、 靶向分子嫁接， 均可以實現粉末顆粒與手印特定遺留物質之間的靶向性結合。 提高手印納米顯現的選擇性通常有以下兩種有效途徑， 即： 調節粉末的吸附性能、 修飾粉末的表面性質。

在粉末顯現法中， 粉末本身的吸附性能對手印顯現選擇性的影響較大。 圖7為文獻中使用兩種粉末顯現玻璃客體表面潛在手印的照片。 棒狀LaPO4∶Ce,Tb下轉換發光納米粉末的表面為親水性乙二醇修飾， 外觀蓬松， 具有適中的吸附性能， 不易與小犁溝部位發生吸附， 保證其手印顯現的選擇性較高[如圖7(a)][9]。 綠色熒光粉的表面為疏水性物質修飾， 易于結塊， 具有較強的吸附性能， 很容易與小犁溝部位發生吸附， 導致其手印顯現的選擇性較低[如圖7(b)][9]。

圖7 使用不同粉末顯現玻璃客體表面潛在手印的照片(a)： LaPO4: Ce,Tb下轉換發光納米粉； (b)： 綠色熒光粉[9]Fig.7 Images of latent fingerprints deposited on glassand developed by different powders(a)： LaPO4∶Ce,Tb downconversion luminescent nanopowders； (b)： Green fluorescent powders[9]

在懸浮液顯現法中， 顆粒表面的特殊性質對手印顯現選擇性的影響較大。 圖8展示了文獻中為提高手印納米顯現選擇性所采取的常用策略及對應的手印顯現照片。 2007年， Leggett等針對手印遺留物質中的尼古丁代謝物可替寧， 利用抗原抗體結合原理將抗可替寧抗體修飾的納米金應用于吸煙者手印的顯現[如圖8(a)][77]。 2012年， Gao等針對手印遺留物質中的氨基酸， 利用靜電吸附原理將表面氨基修飾的CdTe量子點應用于手印顯現[如圖8(b)][78]。 2013年， Li等針對手印遺留物質中的可卡因， 利用適配體識別原理將可卡因適配體修飾的納米金應用于手印顯現， 并同時檢測手印物質中的可卡因[如圖8(a’)][79]。 2016年， Wang等針對手印遺留物質中的油脂類分泌物， 利用疏水作用原理將十二烷基硫酸鈉修飾的NaYF4∶Yb,Er上轉換發光納米材料應用于手印顯現[如圖8(d)][29]。 2021年， Zhu等針對手印遺留物質中的氨基酸， 利用化學鍵合原理將表面含有羧基的稀土發光納米配合物應用于手印顯現[如圖8(c)][22]。 以上策略都是以手印遺留物質中的特定成分作為靶向物質， 通過納米材料與靶向物質之間的特異識別作用， 最終實現手印的高選擇性顯現。

圖8 提高潛在手印顯現選擇性的策略及對應的手印顯現照片(a)： 抗體結合[77]； (a’)： 適配體識別[79]； (b)： 靜電吸附[78]； (c)： 化學鍵合[22]； (d)： 疏水作用[29]Fig.8 Strategies for enhancing the selectivity of latent fingerprint development and images of corresponding fingerprints(a)： Antibody combination[77]； (a’)： Aptamer recognition[79]； (b)： Electrostatic adsorption[78]；(c)： Chemical bonding[22]； (d)： Hydrophobic effect[29]

4 毒害性

手印顯現毒害性(toxicity)定義為手印顯現過程對操作者身體的宏觀傷害以及對接觸DNA提取檢驗的微觀干擾[9]。 降低手印納米顯現的毒害性通常有以下兩種有效途徑， 即： 降低顯現試劑的毒害性、 降低顯現方法的毒害性。

4.1 手印顯現的宏觀毒害性

手印顯現的宏觀毒害性主要表現為手印顯現操作的毒害性和納米材料本身的毒害性兩方面。

手印顯現操作的毒害性通常涉及紫外光源對人眼和皮膚的輻射以及粉末揚塵對人體呼吸道的刺激。 操作者可將納米發光材料與磁性材料復合， 采用磁性刷顯法顯現[80]； 或者將納米發光材料配制成懸浮液， 采用浸泡法顯現， 以避免粉末揚塵[22,81]。 操作者也可使用專業的口罩、 手套、 護目鏡、 防護服等防護措施， 以隔絕紫外輻射及粉末揚塵。 目前， 手印顯現操作的毒害性已經得到了人們的廣泛重視和妥善解決。

納米材料本身的毒害性通常是指材料的組成元素對人體的潛在危害， 如含Cd元素的量子點。 納米材料的表面修飾技術成熟靈活， 可采用表面包覆的方法降低某些納米材料的毒性。 2012年， Gao等將CdTe量子點表面包覆SiO2殼層以降低其毒性， 得到具有核殼結構的CdTe@SiO2， 并應用于手印顯現[82]。 另外， 納米材料的種類繁多， 可選擇本身毒性較低的納米材料進行顯現， 如熒光碳點、 某些稀土發光納米材料等。

4.2 手印顯現的微觀毒害性

手印顯現的微觀毒害性主要是指手印顯現操作和納米材料性質對接觸DNA檢驗的干擾。 手印中可能含有脫落的上皮細胞， 因此有一定概率能夠獲得接觸DNA分型結果， 為手印提供了重要的生物物證信息。 在公安實踐中， 手印顯現與接觸DNA檢驗通常是彼此孤立且互相干擾的： 如果先進行手印顯現， 某些顯現方法會導致脫落細胞的流失， 某些顯現材料會造成DNA純化的污染， 某些試劑及光源會引起DNA聚合酶鏈式反應擴增的抑制， 進而影響后續的DNA檢測； 如果先進行接觸DNA提取， 勢必會破壞手印， 導致手印顯現無法進行。 迄今為止， 國內外關于對顯現手印中接觸DNA提取與檢驗的相關研究報道較少。 推測， 納米材料的固有成分、 納米材料的表面性質、 輔助試劑、 照射光源、 顯現操作、 提取方式、 純化方法等對接觸DNA的檢驗均有較大影響。

2016年， Wang等將LaPO4∶Ce,Tb下轉換發光納米材料應用于手印的高質量顯現[如圖9(a，b)]， 同時實現了顯現手印中接觸DNA的提取與檢驗[如圖9(c)]。 2019年， Peng等將稀土熒光納米配合物應用于手印顯現， 并通過凝膠電泳表征驗證了該納米配合物對接觸DNA檢驗是兼容且無損的[83]。

圖9 (a)和(b)使用LaPO4∶Ce,Tb下轉換發光納米粉末顯現玻璃客體表面潛在手印的照片， 其中(a)為明場照片、 (b)為在254 nm紫外光照射下的暗場照片； (c)顯現手印中接觸DNA的STR熒光檢測圖譜Fig.9 Images of latent fingerprint deposited on glass and developed by LaPO4∶Ce,Tb downconversion luminescent nanopowders in bright field (a), and dark filed excited with 254 nm ultraviolet light (b); and corresponding STR fluorescent spectrum for touch DNA detection in developed fingerprint residuals (c)

2021年， Yuan等利用電化學沉積原理對不銹鋼表面的潛在手印進行高質量顯現， 同時實現了顯現手印中接觸DNA的提取與檢驗， 其基因座的檢出率為80.9%[84]。 如圖10所示， 首先， 在客體的小犁溝部位電化學沉積納米Co3O4薄膜， 完成潛在手印的顯現； 然后， 利用Co3O4在KOH溶液中的電致變色特性， 實現手印顯現對比度的增強。 最后， 對顯現手印進行DNA提取與檢測。

圖10 利用Co3O4電沉積與電致變色顯現手印以及接觸DNA檢測的原理圖[84]Fig.10 Scheme for fingerprint development and enhancement via electrodeposition of electrochromicCo3O4 films and subsequent touch DNA detection[84]

5 結論與展望

本綜述明確了手印納米顯現的對比度、 靈敏度、 選擇性、 毒害性等概念， 并從以上四個方面系統總結了手印納米顯現效果的評價研究， 詳細討論了手印納米顯現效果的影響因素， 提出了提高手印納米顯現效果的合理建議。 納米材料的發光性質主要決定了手印顯現的對比度， 納米材料的微觀形貌和顆粒尺寸主要決定了手印顯現的靈敏度， 納米材料的吸附性能和表面性質主要決定了手印顯現的選擇性， 納米材料的諸多性質和手印顯現的具體操作都會影響手印顯現的毒害性。 可調整納米材料的性質和改變顯現方法的操作來提高手印納米顯現的效果， 做到有的放矢。

從提升手印納米顯現對比度的角度考慮， 顯現材料必然由單一發光性能向多元發光性能過渡， 顯現方法必然由強背景干擾向弱背景干擾發展； 從提升手印納米顯現靈敏度的角度考慮， 顯現材料必然由現有材料的借鑒使用向形貌尺寸的精細操控過渡； 顯現方法必然由細節特征的清晰顯現向汗孔特征的清晰顯現發展； 從提升手印納米顯現選擇性的角度考慮， 顯現材料必然由表面簡單處理向靶向分子修飾過渡， 顯現方法必然由物理吸附向靶向識別發展； 從降低手印納米顯現毒害性的角度考慮， 顯現材料必然由潛在毒害向綠色環保過渡， 顯現方法必然由痕跡物證的高效顯現向生物物證的微觀無損發展。 建議廣大科研人員在注重提升手印顯現效果的同時， 更加重視對手印顯現效果的定量評價研究， 確保手印納米顯現技術體系的完善， 使其在刑事科學技術領域大放異彩。