金納米顆粒在潛指紋顯現中的應用研究進展

蘇文淵，宋愛英，謝 恢，岳敬芳，康明星

(甘肅政法大學司法警察學院，甘肅 蘭州 730070)

指紋是具有乳突花紋的手指和手掌皮膚表面留下的印痕。由于指紋具有唯一性，其可被廣泛用于法醫學調查、個人身份認定、安檢和訪問控制等方面[1]，在案件偵破中具有重要價值，曾被司法界公認為“證據之首”。一般情況下指紋主要分為可見指紋、可塑指紋和潛指紋三類。在這三類指紋中，前兩類指紋肉眼可見，其提取和比對過程相對較為簡單，但也容易遭犯罪分子故意破壞；潛指紋裸眼不可見，需要經過物理或化學方法處理才能顯現，因此在犯罪現場保留幾率更高，對偵破案件具有更加重要的意義。迄今為止，潛指紋顯現方法可分為物理顯現法(如粉末法[2]、光學法[3-4]和多金屬沉積法[5]等)、化學顯現法(如茚三酮法[6]、熒光材料顯現法[7]和染料吸附法[8]等)和物理化學法(如多金屬沉淀法[9])三種。本文主要介紹近十年來基于金納米顆粒的潛指紋顯現技術進展情況。

1 紙張表面潛指紋多金屬沉積負顯影技術

銀物理顯影技術雖然靈敏，但具有操作繁瑣、重現性差、溶液不穩定和對比度較差等缺點，因此在實際工作很少被使用。為了解決銀物理顯影技術的不足，Saunders[9]在1989年提出了多金屬沉積法(multi-metal deposition, MMD)。在通常的MMD顯影過程中，帶負電的金納米顆粒(gold nanoparticles, AuNPs)通過靜電引力被指紋殘留物中帶正電組分所吸附，然后利用被吸附的AuNPs催化銀顆粒的沉積過程，使銀顆粒沉積在指紋殘留物表面從而形成與潛指紋具有完全紋理的清晰影像(正顯影技術)，從而達到了良好的潛指紋顯現效果。由于銀顆粒沉積所產生的影像一般從灰色到黑色，所以MMD正顯影技術要求潛指紋背景為淺色。在MMD正顯影原理基礎上，Jaber等[10]發展了紙張表面MMD負顯影技術。與前者不同的是該技術使用了雙功能團試劑首先對AuNPs進行了修飾處理(合成與修飾過程見圖1)，由于該試劑兩端分別對AuNPs和紙張纖維素具有親和性，而指紋殘留物卻富含油脂類物質，因此AuNPs僅被選擇性吸附在無油性指紋殘留物的紙張表面，從而在銀染過程中形成清晰的負指紋圖像(圖2)。該方法在一定程度上彌補了傳統MMD顯影要求背景為淺色的局限性，但其目前僅能應用于紙張材料表面的潛指紋顯，在未來能否開發出對不同基質材料和AuNPs均具有親和性的雙功能團試劑是該法能否廣泛應用的關鍵。

圖1 雙功能團試劑合成與AuNPs的修飾Fig.1 Synthesis of bifunctional reagents and modification of AuNPs

圖2 MMD負顯影指紋圖像Fig.2 MMD negative development fingerprint image

2 免疫多金屬沉積法

圖3 iMMD潛指紋顯現過程示意圖Fig.3 Schematic diagram of iMMD latent fingerprint display process

免疫多金屬沉積法(immunological multimetal deposition, iMMD)將傳統多金屬沉積指紋顯現和免疫特異性分析進行了有機結合。該方法不僅可以用于潛指紋顯現，而且同時可以檢測指紋殘留物中毒品、蛋白質和多肽等組分[11-12]。iMMD潛指紋顯現過程如圖3所示，經抗體修飾的AuNPs首先與指紋殘留物中抗原進行特異性結合，再利用被吸附AuNPs對銀染過程進行催化，最終呈現出清晰指紋圖像。He等[12]以免疫球蛋白G抗體功能化修飾的AuNPs對潛指紋進行了iMMD處理，結果表明，單純的AuNPs/抗體結合物和銀染處理僅在指紋脊線上形成松散的金屬納米顆粒，只有將兩者進行有機結合才能在指紋脊線上得到致密銀顆粒層，從而獲得清晰指紋圖像(顯現結果見圖4)。以上實驗現象證明AuNPs是銀顆粒自動金相沉積的形核位點，其對銀染過程具有很好的催化作用。

圖4 iMMD潛指紋顯現圖像Fig.4 iMMD latent fingerprint display image

3 AuNPs局域表面等離子體共振成像技術

在基于MMD原理的顯影技術中，AuNPs僅起到了“粘合”潛指紋殘與顯色物質的作用，而AuNPs本身的物理成像特性沒有被利用。AuNPs表面等離子體共振光信號成像技術則是直接利用AuNPs局域表面等離子體共振(localized surface plasmon resonance)性能，結合高分辨暗場顯微鏡技術進行潛指紋成像。Li等[13]先將可卡因特異核酸適體切成兩個片段，兩個片段可分別與不同AuNPs通過Au-S鍵進行結合，并且利用可卡因分子能將AuNPs結合核酸適體片段重新組裝成完整的核酸適體三級結構鏈條，從而改變AuNPs顆粒聚集方式。在無可卡因分子存在時，聚集在潛指紋殘留物表面的結合核酸適體片段的AuNPs可通過光散射形成高分辨綠色指紋圖像(圖5)，在圖5中能夠清楚地觀察到汗孔、結合點、終點、分歧點和島嶼等指紋細節；當有可卡因分子存在時，由于AuNPs結合核酸適體片段經過重新組裝改變了其聚集方式，因此形成的高分辨指紋圖像成紅色或橙色。

圖5 潛指紋暗場成像圖片Fig.5 Latent fingerprint dark field imaging picture

4 潛在指紋的光聲成像及比色法可視化技術

PSMA-b-PS嵌段聚合物具有雙功能團結構，一端可通過Au-S鍵與AuNPs結合，另一端可與指紋殘留物中蛋白質/多肽/氨基酸通過靜電和疏水作用連接，從而將AuNPs固定于潛指紋表面。在實驗過程中，將潛指紋浸入pH為2.5～2.8，PSMA-b-PS接枝的AuNPs濃度為0.5 mg/mL的溶液中30～45 min，再將處理后潛指紋晾干即可進行比色法和光聲成像實驗。與MMD法相比，該技術不僅省去了復雜的銀染過程，并且可獲得較為清晰的比色法圖像(圖6a)以及高分辨光聲圖像(圖6b、圖6c)，從后者圖像中能夠清晰觀察到潛指紋的二級(圖6b)和三級(圖6c)指紋細節。該技術可應用于紙張、膠帶、硅片、紙幣、塑料和玻璃等基質表面潛指紋的顯現[14]。

圖6 潛指紋比色和光聲成像圖片Fig.6 Latent fingerprint colorimetric and photoacoustic imaging pictures

潛指紋顯現技術的核心是產生并增強指紋脊線與基質背景間的對比度。AuNPs顯現成像技術充分運用了其自身獨特的物理和/或化學性質，通過讓修飾處理的AuNPs選擇性吸附在基質或潛指紋殘留物表面，再利用其催化或光學性質進行指紋顯現成像。

5 結 語

與前期潛指紋顯現技術相比，近年來所開發的技術具有綠色友好、步驟更簡、穩定性更好、適用范圍更廣、反應信息更多、清晰度和分辨率更高等系列特點。下一步潛指紋顯現技術不僅局限于對嫌疑人員的身份鎖定，其在毒品犯罪、縱火和爆炸等案件的偵查中將會發揮重要作用，并且通過將潛指紋顯現技術與指紋圖像數字化處理和自動識別等技術相結合，可以有效提升公安部門偵查案件效率。