基于疏水性TiO2納米顆粒的懸浮液手印顯現(xiàn)研究

陳世韜，張麗梅，2，張冬冬，張忠良，2，唐瑋

(1.中國刑事警察學(xué)院 刑事科學(xué)技術(shù)學(xué)院(法庭科學(xué)學(xué)院)，遼寧 沈陽 110035；2.痕跡檢驗(yàn)鑒定技術(shù)公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 沈陽 110035；3.中國刑事警察學(xué)院 公安信息技術(shù)與情報學(xué)院，遼寧 沈陽 110035)

案件現(xiàn)場的潛在手印需經(jīng)顯現(xiàn)后才可用于偵查及鑒定[1-7]。隨著納米材料的迅速發(fā)展[8-14]，手印納米顯現(xiàn)技術(shù)因高對比度、高靈敏度、高選擇性和低DNA毒性等優(yōu)勢，已成為法庭科學(xué)的研究熱點(diǎn)。但納米粉末顯現(xiàn)法[15-17]因粉末揚(yáng)塵、非特異性吸附和易團(tuán)聚及絮凝而在應(yīng)用中受限[18-19]，納米顆粒懸浮液可克服上述缺點(diǎn)。

本文利用N-辛基三甲氧基硅烷對TiO2納米顆粒表面進(jìn)行改性，制備了TiO2納米顆粒懸浮液并應(yīng)用于手印顯現(xiàn)。研究了反應(yīng)溫度及時間對納米顆粒接枝效率和親油化度的影響，并通過光學(xué)顯微鏡、傅里葉變換紅外吸收譜和掃描電子顯微鏡分析經(jīng)顯現(xiàn)的手印，考察顯現(xiàn)效果并優(yōu)化配制方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

二氧化鈦納米粉末(粒徑≤20 nm)、硅烷偶聯(lián)劑N-辛基三甲氧基硅烷(簡稱KH-318，CAS號為3069-40-7)、甲醇、無水乙醇、冰醋酸均為分析純；蒸餾水。

SH-4型雙顯加熱磁力攪拌器；Spectrum One傅里葉變換紅外光譜儀；FS-C徠卡比較顯微鏡；PL203電子天平；Nova200 NanoLab掃描電子顯微鏡；TD5A-WS離心機(jī)；DS-8510DT超聲振蕩器；數(shù)碼單反相機(jī)。

1.2 表面改性的二氧化鈦納米顆粒懸浮液的配制

稱取0.250 g TiO2納米顆粒，加入50.0 mL甲醇，溶解15 min。隨后將混合物放入磁力攪拌器中，在700 r/min的轉(zhuǎn)速下攪拌30 min。加入0.5 mL冰醋酸和0.1 mLN-辛基三甲氧基硅烷(KH-318)，在45 ℃的反應(yīng)條件下使混合物保持回流，隨后用離心機(jī)在10 000 r/min的轉(zhuǎn)速下常溫離心10 min。用無水乙醇和水洗滌至少2次，以去除過量的KH318，100 ℃下真空干燥24 h，并在室溫下冷卻1 h。對改性的TiO2納米顆粒進(jìn)行傅里葉變換紅外光譜(FTIR)分析。

為將改性后的TiO2納米顆粒重新分散在水溶劑中，將其放入超聲振蕩器中1 min，以確保懸浮液良好的分散性。此時懸浮液在室溫條件下儲存時穩(wěn)定良好，可保存半年甚至更長時間。

1.3 沉降實(shí)驗(yàn)測定

為確定TiO2納米顆粒改性前后的表面性質(zhì)，考察反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間對TiO2納米顆粒疏水性的影響，測量不同反應(yīng)溫度和時間下改性的TiO2納米顆粒樣品的親油化度(LD)，LD的大小是評價改性效果的標(biāo)準(zhǔn)之一。沉降實(shí)驗(yàn)測量可在一定程度上評價改性的TiO2納米顆粒的親水性和疏水性。

將0.500 g TiO2納米顆粒分散在50.0 mL蒸餾水中，未經(jīng)改性的TiO2納米顆粒在水中沉淀，而與 KH318接枝的改性的TiO2納米顆粒懸浮在水面上。當(dāng)甲醇緩慢地滴入水中時，改性后的TiO2納米顆粒被逐漸濕潤，從而逐漸沉淀。記錄消耗的甲醇體積，并根據(jù)以下公式計算親油化度[20]。

其中，LD(%)為改性后TiO2納米顆粒的親油化度，V(mL)為實(shí)驗(yàn)中加入甲醇的體積。

1.4 潛在手印樣本的制作與顯現(xiàn)

隨機(jī)選取一名志愿者，用洗手液清洗干凈雙手，自然晾干，并靜候20 min。隨后使志愿者的手指輕輕按壓在鋁箔上，以制作形成多個潛在手印。

將潛在手印樣本直接浸入改性的TiO2納米顆粒懸浮液中，停留1 min或更長時間后，取出樣本，用清水輕輕沖洗2～3次，以清除客體表面多余的懸浮液殘留物，隨后在室溫下自然干燥或使用吹風(fēng)筒適當(dāng)烘干，并用數(shù)碼單反相機(jī)對經(jīng)顯現(xiàn)的手印樣本進(jìn)行拍照固定。使用掃描電子顯微鏡(SEM)對手印的樣本進(jìn)行表征，考察懸浮液對手印相關(guān)物質(zhì)的靶向性黏附能力。

2 結(jié)果與討論

2.1 硅烷偶聯(lián)劑的作用原理

TiO2是一種新型高性能無機(jī)材料，具有獨(dú)特的物理化學(xué)特性，是化學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的材料之一[21-24]。但由于其較高的表面能[25-26]，易發(fā)生納米顆粒的團(tuán)聚，并與表面能較低的有機(jī)物親和性較差，二者混合接觸時無法相容，并使界面出現(xiàn)空隙，影響了其性能及應(yīng)用。但TiO2納米顆粒的表面積大，表面鍵態(tài)和電子態(tài)不同于粒子內(nèi)部，且配位不全，使得懸鍵大量存在，同時為使用化學(xué)反應(yīng)等方法對其粒子表面進(jìn)行改性提供了基礎(chǔ)。

對TiO2納米顆粒進(jìn)行疏水改性可優(yōu)化其性能，常見方法包括偶聯(lián)劑法、酯化法和表面活性劑法等[27]。其中偶聯(lián)劑法是通過偶聯(lián)劑的水解與TiO2納米顆粒表面羥基發(fā)生反應(yīng)，使表面由親水性變成疏水性。N-辛基三甲氧基硅烷偶聯(lián)劑是分子中同時具有兩種不同的反應(yīng)性基團(tuán)的有機(jī)硅化合物，可以形成無機(jī)相-硅烷偶聯(lián)劑-有機(jī)相的結(jié)合層，從而使有機(jī)物與無機(jī)材料界面間獲得較好的吸附強(qiáng)度[28]。

以上結(jié)合層就像是偶聯(lián)劑在無機(jī)和有機(jī)物質(zhì)界面之間架起了一座“分子橋”而將兩種性質(zhì)懸殊的材料連接在一起，也即在手印顯現(xiàn)時將顯現(xiàn)材料與手印物質(zhì)連接在一起。故改性的TiO2納米顆粒在顯現(xiàn)過程中可選擇性地吸附手印中的脂類等有機(jī)物，使經(jīng)顯現(xiàn)的手印乳突紋線清晰且連貫，而背景和小犁溝均不著色，反差效果明顯。

2.2 懸浮液手印顯現(xiàn)的原理

潛在手印中的中介物質(zhì)是手印顯現(xiàn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，包括汗液、皮脂、血液、油、灰塵、精液、陰道分泌物、唾液和飲料等[29]，現(xiàn)場的潛在手印多為由皮脂和汗液形成的混合介質(zhì)手印。

經(jīng)改性后的TiO2納米顆粒懸浮液，其TiO2納米顆粒因疏水作用而與手印中的物質(zhì)，尤其是與其中的脂類等物質(zhì)發(fā)生特異性結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了納米顆粒與手印乳突紋線之間的靶向性黏附能力。而無中介物質(zhì)或中介物質(zhì)較少的小犁溝基本無TiO2納米顆粒的選擇性附著，實(shí)現(xiàn)了乳突紋線與小犁溝之間的明顯視覺反差，即將潛在手印清晰顯出，見圖1。

圖1 基于疏水性TiO2納米顆粒的懸浮液手印顯現(xiàn)原理Fig.1 The mechanism of latent fingerprint development based on hydrophobic TiO2 nanoparticle suspension

2.3 配制條件與親油化度

2.3.1 反應(yīng)溫度的影響 反應(yīng)時間1 h，反應(yīng)溫度對TiO2納米顆粒親油化度的影響見圖2。

圖2 反應(yīng)溫度對改性的二氧化鈦納米顆粒 親油化度的影響Fig.2 The influence of reaction temperature on lipophilic degree of the modified TiO2 nanoparticles

由圖2可知，隨著溫度的逐漸提升，KH318與TiO2納米顆粒的接觸幾率增強(qiáng)，親油化度隨著溫度的升高而增加，并在45 ℃時達(dá)到其最大值。但隨著溫度的進(jìn)一步提升，親油化度反而逐漸降低，即單分子層吸附在45 ℃的反應(yīng)溫度下達(dá)到平衡。親油化度在高于45 ℃時逐漸下降的原因考慮為溫度過高會使TiO2納米顆粒之間的熱運(yùn)動加劇，顆粒發(fā)生碰撞而團(tuán)聚。此外，過高的溫度也會使偶聯(lián)劑自聚，故改性的相對接枝率和親油化度有所下降。綜上，當(dāng)反應(yīng)溫度為45 ℃時，改性的TiO2納米顆粒懸浮液的效果最好。

2.3.2 反應(yīng)時間的影響 反應(yīng)溫度為45 ℃，反應(yīng)時間對TiO2納米顆粒懸浮液親油化度的影響，見圖3。

圖3 反應(yīng)時間對改性的二氧化鈦納米顆粒 親油化度的影響Fig.3 The influence of reaction time on lipophilic degree of the modified TiO2 nanoparticles

由圖3可知，反應(yīng)開始時，由于TiO2納米顆粒的表面物理吸附作用以及KH318與TiO2納米顆粒表面羥基之間的化學(xué)作用，使得KH318接枝到TiO2納米顆粒的量增加。隨著反應(yīng)時間的增加，親水性隨TiO2納米顆粒表面羥基量的下降而逐漸下降，但改性的TiO2納米顆粒的親油化度逐漸增加。當(dāng)反應(yīng)時間達(dá)到2 h時，單分子層吸附達(dá)到平衡，親油化度達(dá)到最大值。但隨著反應(yīng)時間的進(jìn)一步延長，改性的TiO2納米顆粒的親油化度值反而逐漸降低。其原因考慮為KH318以物理吸附作用吸附在TiO2納米顆粒表面時，可能會形成表面膠團(tuán)，故影響了TiO2納米顆粒的改性效果。綜上，當(dāng)反應(yīng)時間為 2 h 時，改性的TiO2納米顆粒懸浮液的效果最好。

將未改性的TiO2納米顆粒通過攪拌與水混合時，TiO2納米顆粒分散在水中，表明納米顆粒表面是親水性的。而改性后的TiO2納米顆粒漂浮在水面上，表明TiO2納米顆粒表面是疏水性的。將甲醇滴到水中后攪拌，漂浮在水面上的TiO2納米顆粒被甲醇浸濕并沉淀下來，同時計算親油化度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明TiO2納米顆粒經(jīng)改性后，其表面性能從親水性改為疏水性，且反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間均影響了TiO2納米顆粒的親油化度。綜上，當(dāng)反應(yīng)溫度為 45 ℃ 時，且反應(yīng)時間為2 h時，改性后的TiO2納米顆粒表面的KH318接枝效率最高，親油化度的值也最高。

2.3.3 傅里葉變換紅外光譜分析 使用傅里葉變換紅外光譜儀對25，35，45 ℃三種反應(yīng)溫度改性TiO2納米顆粒進(jìn)行FTIR分析，考察TiO2納米顆粒表面官能團(tuán)的變化，結(jié)果見圖4。

圖4 改性的二氧化鈦納米顆粒在不同反應(yīng) 溫度下的FTIR光譜Fig.4 FTIR spectra of the modified TiO2 nanoparticles under different reaction temperatures

由圖4可知，用KH-318改性的TiO2納米顆粒光譜在1 638，2 853，2 921，3 302 cm-1處存在特征吸收峰；TiO2納米顆粒的Ti—O和Ti—O—Ti的結(jié)合[29]，由于其過飽和吸收而被忽略，所以其峰值僅在700 cm-1以下；在3 000～2 800 cm-1處有不對稱和對稱的C—H伸縮振動。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)反應(yīng)溫度達(dá)45 ℃且反應(yīng)時間為2 h時，KH318對TiO2納米顆粒的功能作用良好，有機(jī)官能團(tuán)通過Ti—O—Si化學(xué)鍵成功地接枝到TiO2納米顆粒的表面，此時KH318接枝到TiO2納米顆粒表面的效果最好。在納米功能單體制備的過程中，偶聯(lián)劑先水解，然后脫水縮合形成低聚物，由此可將偶聯(lián)劑覆蓋在納米顆粒表面以達(dá)到改性的目的。

2.4 顯現(xiàn)手印的圖像分析

經(jīng)表面改性的TiO2納米顆粒因新增的較強(qiáng)表面吸附效應(yīng)，以及表面改性基團(tuán)較強(qiáng)的特定物質(zhì)靶向吸附能力，使手印顯現(xiàn)靈敏度更高。但不同溫度下反應(yīng)的懸浮液顯現(xiàn)效果有所差異，圖5為在25，45，55 ℃三種溫度下改性的TiO2納米顆粒顯現(xiàn)的手印圖像。

圖5 改性的二氧化鈦納米顆粒懸浮液在不同溫度 且反應(yīng)時間為2 h時顯現(xiàn)的指紋圖像Fig.5 The fingerprints developed by the modified TiO2 nanoparticles suspension under different fabrication temperatures at the fabrication time up to 2 h

由圖5可知，當(dāng)溫度在25 ℃時，顯現(xiàn)效果一般，小犁溝與乳突紋線之間的界線模糊或不完整，汗孔等三級特征不清晰，部分手印區(qū)域的物質(zhì)未能與顯現(xiàn)劑有效結(jié)合；當(dāng)溫度在55 ℃時，整體指紋種類及細(xì)節(jié)特征可被識別，但部分乳突紋線未能被顯出而不完整，汗孔等三級特征出現(xiàn)缺失；當(dāng)溫度在45 ℃時，指紋顯現(xiàn)完整，紋線連貫清晰，種類特征和細(xì)節(jié)特征清晰可辨，指紋對比度和反差較強(qiáng)，達(dá)到同一認(rèn)定的標(biāo)準(zhǔn)，潛在手印的特征較其他溫度下反映最好。圖5e不僅顯示了指紋檢驗(yàn)鑒定中重要的種類特征，而且清晰反映了起點(diǎn)、終點(diǎn)、分歧和結(jié)合等細(xì)節(jié)特征。細(xì)節(jié)特征(二級特征)不僅是同一認(rèn)定的關(guān)鍵依據(jù)，而且可在指紋自動識別系統(tǒng)(AFIS)通過數(shù)據(jù)庫識別匹配及特征比對。在較高的放大率下，如圖5f所示，從清晰的圖像度中反映出了汗孔的形態(tài)和乳突紋線的軌跡以及邊緣形態(tài)等三級特征，這類特征在后續(xù)AFIS中可被有效識別，并輔助應(yīng)用于指紋檢驗(yàn)鑒定中。

2.5 掃描電子顯微鏡表征顯現(xiàn)手印的微觀結(jié)構(gòu)

使用掃描電子顯微鏡對改性的TiO2納米顆粒懸浮液顯現(xiàn)的手印樣本的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，圖6為其SEM圖像，顯示了改性的TiO2納米顆粒在手印乳突紋線和硅基質(zhì)上的不同附著情況。

由圖6可知，改性的TiO2納米顆粒對手印表面的油質(zhì)等具有良好的選擇性黏附，優(yōu)化后的TiO2納米顆粒顯示了對乳突紋線區(qū)域更大的吸附能力和對承痕客體背景的無吸附效果。圖6中曲線顯示了經(jīng)顯現(xiàn)手印中乳突紋線與小犁溝之間的明顯對比，曲線以上部分為附著有改性的TiO2納米顆粒的乳突紋線，而曲線以下部分為干凈無顆粒附著的小犁溝部分。

圖6 二氧化鈦納米顆粒懸浮液在優(yōu)化條件下顯現(xiàn)的 潛在手印的掃描電子顯微鏡圖Fig.6 SEM images of latent fingerprint developed by the TiO2 nanoparticle suspension under optimized conditions

3 結(jié)論

采用硅烷偶聯(lián)劑(KH-318)對TiO2納米顆粒進(jìn)行改性，制備了TiO2納米顆粒懸浮液。根據(jù)親油化度的計算、光學(xué)顯微鏡觀察、FTIR分析和SEM表征的結(jié)果表明，反應(yīng)溫度為45 ℃且反應(yīng)時間達(dá)2 h時，改性的TiO2納米顆粒的疏水性最好，實(shí)現(xiàn)了納米顆粒的有效懸浮，對手印表面的油質(zhì)或脂類等物質(zhì)具有良好的選擇性黏附，基于疏水性TiO2納米顆粒的懸浮液可有效應(yīng)用于法庭科學(xué)中潛在手印的顯現(xiàn)。

此外，TiO2納米顆粒懸浮液除具有高靈敏度的靶向吸附能力且與手印物質(zhì)可結(jié)合牢固的優(yōu)點(diǎn)外，該法采用了溶液顯現(xiàn)的方式，不僅操作簡便、時效性強(qiáng)和適用性廣，而且避免了納米顆粒揚(yáng)塵的產(chǎn)生，無論是實(shí)驗(yàn)還是顯現(xiàn)的過程中均無污染且無毒害，有效保護(hù)了實(shí)驗(yàn)室及一線實(shí)戰(zhàn)人員的生命健康。