多色熒光銅納米簇/淀粉復合物的制備及在手印顯現中的應用

關鍵詞 銅納米簇；熒光；潛在手??；手印顯現；法庭科學

手印是人類手掌面皮膚觸摸物體時留下的印痕，能夠反映與物體接觸的皮膚表面的乳突花紋形態[1]。因為乳突花紋具有終身基本不變的穩定性，并且在一定區域內的乳突花紋所包含的細節特征的組合具有唯一性，所以手印可以用于人身同一認定。犯罪現場遺留的手印多是由皮膚與物體之間發生無色物質（如汗液、皮脂等）轉移形成的，僅憑肉眼幾乎觀察不到，故被稱為潛在手印，采用適當的方法將其轉變為可見手印是現場勘查的一項重要任務。在諸多手印顯現技術中，粉末法是顯現非滲透性客體表面新鮮手印最常用的方法[2]，可以利用吸附于手印紋線的指紋粉末與客體背景之間的光學差異顯現潛在手印。因此，具有光致發光性質的指紋粉末具有明顯優勢。目前，基于半導體量子點[3-4]、熒光碳點[5-7]、鈣鈦礦納米晶[8-9]等納米發光材料的熒光指紋粉末的研究已成為化學、材料和法庭科學領域的熱點。

金屬納米簇通常由包含數個到數百個原子的金屬核和外圍有機包覆配體組成[10]，因其尺寸接近電子的費米波長而表現出類分子性質，如分立的電子能級帶來的光致發光特性[11]，是頗具應用前景的新型納米發光材料。在手印顯現應用中，金納米簇（AuNCs）、銀納米簇（AgNCs）和鉑納米簇（PtNCs）等貴金屬納米簇引起了研究者的關注[12-13]?；贏uNCs 的熒光指紋粉末研究相對較多，可將配體保護的AuNCs干燥成粉末[14-15]，也可將AuNCs 與硅酸鹽[16-17]、氧化物[18-20]等結合形成復合粉末，顯現的手印大多在365 nm 紫外光激發下發出橙色至紅色熒光。類似地， AgNCs 也能作為熒光指紋顯現劑，如Ran 等[21]通過DNA-AgNCs 和核酸適配體識別目標分子實現了手印熒光成像。也有研究將AgNCs 與氧化物[22]、金屬有機框架[23]等結合得到熒光指紋粉末。在基于PtNCs 的熒光指紋粉末方面， Huang 等[24-25]通過原位生長和靜電吸附制備了Fe₃O₄@PtNCs 磁性熒光粉末，顯現的手印在415和465nm 激發光下分別發出橙紅色和紅色熒光。

銅納米簇（CuNCs）具有與貴金屬納米簇類似的光學性質[26]，而且原料廉價無毒、熒光連續可調，在許多應用中被認為是貴金屬納米簇的有力替代物。利用CuNCs 顯現手印的研究目前主要涉及調節熒光發射[27-29]和增強穩定性[30]，但是存在粉末制備流程復雜、使用范圍受限等問題。此外，近年來關于手印顯現質量的研究表明，熒光指紋粉末的發光顏色對顯出手印圖像對比度有重要影響[31]。本研究基于CuNCs 熒光可以覆蓋整個可見光區的特性，采用簡單高效的方法制備多色熒光CuNCs 溶液，再分別與淀粉基質復合，得到藍色（B）、綠色（G）和橙色（O）熒光CuNCs/淀粉復合物，分析了不同客體表面顯現手印的熒光圖像，考察了這些熒光指紋粉末在手印顯現應用中的適用性（圖1）。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

JEM-F200 透射電子顯微鏡（日本JEOL 公司）；Sigma 300 掃描電子顯微鏡（德國ZEISS 公司）；ESCALAB 250Xi X 射線光電子能譜儀和Nicolet iS20 傅里葉變換紅外光譜儀（美國Thermo Scientific 公司）；UV-2600 紫外-可見分光光度計（日本Shimadzu 公司）；Cary Eclipse熒光光譜儀（美國Agilent 公司）。

CuSO₄（分析純）、Cu（NO₃）₂·3H₂O（分析純）、還原型L-谷胱甘肽（GSH， 98%）、3-巰基丙酸（3-MPA，98%）、抗壞血酸（AA，分析純）、NaOH（分析純）、無水乙醇（EtOH，優級純）和玉米淀粉（試劑級）購于上海阿拉丁生化科技股份有限公司。實驗用水為去離子水。

1.2 多色熒光CuNCs 和CuNCs/淀粉復合物的制備

1.2.1 B-CuNCs 溶液和B-CuNCs/淀粉復合物的制備

參考文獻[32]的方法，以GSH為還原劑和配體制備B-CuNCs溶液。將0.2 mL 0.1 mol/L的CuSO4 溶液加入2.0 mL 0.1 mol/L的GSH溶液中，再加入8.0 mL 1.0 mol/L的NaOH溶液，以水定容至20 mL；將上述溶液在90 ℃恒溫下劇烈攪拌9 h，得到的淡藍色透明液體即為B-CuNCs溶液。移取0.078、0.312、1.25、5.0和20.0 mL B-CuNCs溶液，分別與1.0 mL 1.0 g/mL淀粉溶液混勻，在40 ℃電熱鼓風干燥箱中烘干，得到不同配比的B-CuNCs/淀粉復合物，分別記為B-CuNCs/S₁、B-CuNCs/S₂、B-CuNCs/S₃、B-CuNCs/S₄ 和B-CuNCs/S₅。

1.2.2 G-CuNCs 溶液和G-CuNCs/淀粉復合物的制備

參考文獻[33]的方法，以AA 為還原劑、3-MPA 為配體制備G-CuNCs 溶液。劇烈攪拌下，將1.0 mL0.1 mol/L 的Cu（NO₃）₂ 溶液逐滴滴入10.0 mL 0.1 mol/L 的AA 溶液中，室溫下攪拌1 h；移取4.0 mL 上述溶液，加入0.2 mL 0.11 mol/L 的3-MPA 溶液，在室溫下攪拌2 h；所得液體以12000 r/min 離心10 min，獲得的黃綠色上清液即為G-CuNCs 溶液。移取0.312、1.25、2.5、5.0 和10.0 mL G-CuNCs 溶液，分別與1.0 mL 1.0 g/mL 淀粉溶液混勻，在40 ℃真空干燥箱中烘干，得到不同配比的G-CuNCs/淀粉復合物，分別記為G-CuNCs/S₁、G-CuNCs/S₂、G-CuNCs/S₃、G-CuNCs/S₄ 和G-CuNCs/S₅。

1.2.3 O-CuNCs 溶液和O-CuNCs/淀粉復合物的制備

參考文獻[34]的方法，以GSH 為還原劑和配體制備O-CuNCs 溶液。將0.5 mL 0.05 mol/L的Cu（NO₃）₂溶液與2.5 mL 0.05 mol/L 的GSH 溶液混合于2.0 mL 水中，以1.0 mol/L NaOH 調至pH 5.0，所得透明液體即為O-CuNCs 水溶液；取5.0 mL 上述溶液，注入95.0 mL 乙醇，形成穩定的白色懸濁液，即為O-CuNCs的乙醇（95%， V/V）溶液。移取20.0、30.0、40.0、50.0 和60.0 mL O-CuNCs 乙醇-水溶液，分別與1.0 mL1.0 g/mL 淀粉水溶液混勻，在40 ℃真空干燥箱中烘干，得到不同配比的O-CuNCs/淀粉復合物，分別記為O-CuNCs/S₁、O-CuNCs/S₂、O-CuNCs/S₃、O-CuNCs/S₄ 和O-CuNCs/S₅。

1.3 潛在手印的顯現與拍照

實驗所用手印樣本由3個自然人捺印，采集方法為標準的平面捺印法，承載手印的客體包括金屬、合金、玻璃、瓷磚、木地板以及塑料制品等。將制得的CuNCs/淀粉復合物用作熒光指紋粉末，使用刷顯法顯現手印，顯現手印先在自然光下用智能手機拍照；然后在暗室環境中，以YZ-SPL-13F 型多波段光源的365 nm 檔位作為激發光源輻照顯現手印，固定手機的相機參數并拍攝熒光手?。辉谙鄼C鏡頭前依次加裝450 nm 帶通濾光片（450BP）、530 nm 帶通濾光片（530BP）和580 nm 長波通濾光片（580LP），分別再次拍攝B-CuNCs/淀粉、G-CuNCs/淀粉和O-CuNCs/淀粉顯現的手印。

2 結果與討論

2.1 熒光CuNCs的形貌、組成與光學性質

2.1.1 熒光CuNCs的形貌

B-CuNCs、G-CuNCs 和O-CuNCs 的TEM 和高分辨透射電鏡（HRTEM）圖見圖2。如圖2A、2C 和2E所示，水溶液中分散的3種CuNCs微粒均呈球形且分散狀態良好，粒徑分別集中在（2.2±0.2）、（1.8± 0.2）和（6.0±1.5）nm。B-CuNCs 和G-CuNCs 微粒的HRTEM 圖像分別如圖2B 和2D 所示，微粒內部可以看到間距為0.21 nm 的晶格條紋，對應面心立方（fcc）Cu（111）晶面[35]，表明這些CuNCs 微粒核心結構的化學成分為金屬銅。分散在95%（V/V）乙醇溶液中的O-CuNCs 微粒的TEM 圖像如圖2F 所示，雖然其形貌仍為球形，但粒徑增大至約90 nm，說明乙醇是O-CuNCs 的不良溶劑，能夠使O-CuNCs 在該溶液體系中發生明顯聚集。

2.1.2 熒光CuNCs的組成

利用傅里葉變換紅外（FTIR）光譜分析CuNCs 表面官能團的種類。真空干燥后， B-CuNCs 和O-CuNCs 均為近白色半透明固體，而G-CuNCs 為棕褐色粘稠液體，這可能與CuNCs 配體的物理性質有關。鑒于此，僅選取干燥后的B-CuNCs、O-CuNCs 以及其配體（GSH）進行測試，其FTIR 光譜見圖3A～3C， B-CuNCs 和O-CuNCs 表現出與GSH 類似的紅外吸收特性。值得注意的是， GSH 的FTIR 光譜中位于2524 cm^?1 處的吸收峰對應S—H 鍵的伸縮振動[36]，而在B-CuNCs 和O-CuNCs的FTIR 光譜中并未出現此吸收峰，表明GSH 分子通過Cu—S 鍵與CuNCs 金屬核的表面發生鍵合。

采用X 射線光電子能譜（XPS）分析CuNCs 的化學組成和元素價態。如圖3D1～3F1 所示，在XPS 全掃描譜中， G-CuNCs 出現了C、O、S 和Cu 元素的特征峰， O-CuNCs 出現了C、O、N、S、Na 和Cu 元素的特征峰，這些元素來自CuNCs 的前驅體；雖然B-CuNCs 與O-CuNCs 的前驅體類似，但前者XPS 全掃描譜中未出現N、S 和Cu 元素的特征峰，是由于其前驅體中Na 元素相對含量高，導致上述3 種元素在B-CuNCs 中的含量低于檢出限?；诖嗽?， B-CuNCs 的Cu 2p 高分辨譜（圖3D2）中未出現Cu 2p峰。G-CuNCs 和O-CuNCs 的Cu 2p 高分辨譜（圖3E2 和3F2）中，前者在932.7 和952.6 eV 有兩個特征峰，后者在931.8 和951.7 eV 處有兩個特征峰，結合能差值均為19.9 eV，對應Cu（0）的自旋軌道分裂峰Cu 2p_3/2 和Cu 2p_1/2；此外，在943.0 eV 附近未出現特征衛星峰，表明樣品中不含Cu（Ⅱ）[37]。需要指出， CuNCs 金屬核表面的銅與GSH、3-MPA 等含硫配體通過Cu—S 鍵結合，存在電荷轉移使這些銅以Cu（Ⅰ）存在[38]，不過Cu（Ⅰ）結合能與Cu（0） 2p_3/2 非常接近[39]，無法在Cu 2p 高分辨譜中區分。綜上， CuNCs 中銅元素整體價態很可能在0和+1 之間，由于富含Cu（Ⅰ）的結構會影響配體到金屬-金屬電荷轉移過程，促進激子的輻射躍遷，能增強CuNCs 發光強度[40]。

2.1.3 熒光CuNCs 的光學性質

利用紫外-可見（UV-Vis）吸收光譜和熒光光譜表征CuNCs 溶液的光學性質。B-CuNCs 溶液、G-CuNCs 溶液和O-CuNCs 乙醇溶液的UV-Vis 吸收光譜、熒光激發及發射光譜分別如圖4A～4C 所示，最大吸收波長（λ_Abs）、最大激發波長（λ_Ex）和最大發射波長（λ_Em）見表1。3種CuNCs 溶液在紫外區均表現出強的吸收特性；此外，最大激發與發射波長相距較遠（分別為79、151 和297 nm），能有效避免CuNCs 自身對其發射光的再吸收。在自然光下呈現藍色透明的B-CuNCs 溶液、黃綠色透明的G-CuNCs 溶液和白色渾濁的O-CuNCs乙醇溶液，在365 nm 紫外光下分別發出明亮的藍色、綠色和橙色熒光。值得注意的是， O-CuNCs 水溶液在365 nm 紫外光下僅能發出微弱的淡紅色熒光，結合TEM 測試結果，說明O-CuNCs乙醇溶液優異的發光性能源自不良溶劑引發的聚集誘導熒光增強效應（AIE）。

2.2 熒光CuNCs/淀粉復合物的光學性質與形貌

2.2.1 熒光CuNCs/淀粉復合物的光學性質

利用熒光發射光譜研究CuNCs/淀粉復合物的發光性能。在365 nm 紫外光激發下，不同組成的3 類CuNCs/淀粉復合物的熒光發射光譜如圖5A～5C 所示，這些復合粉末的發射波長范圍與相應的CuNCs 溶液相近，但是具體發光特性受CuNCs 種類以及CuNCs 與淀粉配比的顯著影響。隨著CuNCs 與淀粉配比增大， B-CuNCs/淀粉復合物的發射強度逐漸升高并趨近于一個極限，發射波長逐漸藍移；G-CuNCs/淀粉復合物的發射強度先升后降，發射波長逐漸紅移，并且發射光譜形狀也發生了明顯改變；O-CuNCs/淀粉復合物的發射強度同樣先升后降，而發射波長沒有明顯變化。根據這些發射光譜計算得到的色度坐標見電子版文后支持信息圖S1，綜合考慮CuNCs/淀粉復合物粉末的發光強度和熒光顏色，分別選取B-CuNCs/S₅、G-CuNCs/S₄ 和O-CuNCs/S₄ 用作藍色、綠色和橙色熒光指紋粉末， 365nm 紫外光下的熒光照片見電子版文后支持信息圖S2。

2.2.2 熒光CuNCs/淀粉復合物的形貌淀粉、B-CuNCs/S5、G-CuNCs/S4 和O-CuNCs/S4 的掃描電子顯微（SEM）形貌圖像見圖6。由圖6A1～6D1 可見， CuNCs/淀粉復合物的形貌與淀粉類似，粉末微粒均呈不規則的多面體球形，未觀察到明顯團聚，說明復合物粉末微粒仍能保持良好的分散狀態。如電子版文后支持信息圖S3 所示，這些微粒的粒徑分布在5～20 μm 范圍內，并且主要集中在10～15 μm。更高放大倍率的SEM 圖像如圖6A2～6D2 所示，CuNCs/淀粉復合物微粒的表面形貌與淀粉略有不同：B-CuNCs/S₅ 微粒表面由薄膜狀物質覆蓋，G-CuNCs/S₄ 微粒表面相對光滑緊實， O-CuNCs/S₄ 微粒呈現磨砂狀的粗糙表面。由此可知， CuNCs/淀粉復合物微粒的整體形貌源于淀粉微粒，而表面形貌則取決于CuNCs 的種類和聚集狀態。

2.3 熒光CuNCs/淀粉復合物在手印顯現中的應用

選取2個自然人在不銹鋼表面捺印的6枚潛在手印，分別使用B-CuNCs/S₅、G-CuNCs/S₄ 和O-CuNCs/S₄進行顯現，在365 nm 紫外光下直接拍攝，得到如圖7A1～圖7F1 所示的手印熒光照片，再配合相應的濾光片拍攝，得到如圖7A2～7F2 所示的手印熒光照片。為探究光學濾光片對手印圖像質量的影響，分別計算圖7A1、7C1、7E1 以及圖7A2、7C2、7E2 的RGB 直方圖，結果見電子版文后支持信息圖S4。透過相應的濾光片拍照，在較好地保留了來自粉末熒光的信號條件下，大幅削弱了其它顏色通道中的噪聲；在手印熒光圖像上表現為背景部分顏色變深、紋線部分色度更純，既有效濾除了背景干擾，也增強了手印圖像對比度。此外，為確定上述熒光CuNCs/淀粉復合物顯現手印特征的實際效果，對其中1 個自然人手印的顯現細節如圖7A3、7C3 和7E3 所示，紅框選區中的“分歧”和“錯位”、藍框選區中的“起點”和“小眼”、綠框選區中的“小眼”和“分歧”等細節特征（二級特征）清晰穩定；此外，對另1 個自然人手印的顯現細節如圖7B3、7D3 和7F3 所示，紅框選區中用白線標示的“皺紋”（二級特征）、藍框選區中用白圈標示的“汗孔”（三級特征，其形態和分布在手印中反映穩定性較差，因此3個選區中顯出的汗孔數量存在差異）、綠框選區中用白圈標示的“小橋”（二級特征）同樣清晰可見。綜上， 3種熒光CuNCs/淀粉復合物粉末有較強的還原手印形態特征的能力。

為了驗證B-CuNCs/S₅、G-CuNCs/S₄和O-CuNCs/S₄ 作為熒光指紋粉末的適用性，以其顯現了由2 個自然人捺印在玻璃、瓷磚、木地板、PP 塑料、PET 塑料和鋁合金等客體上的潛在手印，代表性的顯現結果見圖8。在自然光下拍攝的手印照片中，近白色的CuNCs/淀粉復合物附著在手印紋線上，使手印顯現。但是，在觀察部分手印的細節特征時，會受到客體背景顏色、圖案或反光的干擾（圖8B1、8D1、8H1 和8K1）。在365nm 紫外光下，配合相應濾光片拍攝的大多數手印照片能有效規避上述背景干擾，在較暗的背景上呈現出清晰的手印熒光圖像。需要指出的是，相較于B-CuNCs/S₅， G-CuNCs/S₄ 對木地板具有更強的背景抑制能力（圖8D2 和8H2）；PET 塑料在365 nm 紫外光下有很強的藍色背景熒光，而透過相應濾光片拍攝G-CuNCs/S₄ 和O-CuNCs/S₄ 顯現的熒光手印，可以在很大程度上削弱該背景的干擾（圖8E2 和8I2）。因此，針對不同客體上的潛在手印，可以選用不同的熒光CuNCs/淀粉復合物，以獲得最優的手印顯現效果。

3結論

基于CuNCs 熒光性質易于調控的特性，在不同的水溶液體系中采用化學還原法合成了巰基配體保護的B-CuNCs、G-CuNCs 和O-CuNCs 溶液，分別將其與淀粉基質按一定配比復合，得到在365 nm 紫外光激發下發出藍色、綠色和橙色熒光的CuNCs/淀粉復合物。這些粉末的微粒形貌與淀粉基質類似，呈不規則多面體球形，粒徑集中在10～15 μm；發光性質與相應的CuNCs 溶液相近，同時會受到CuNCs 與淀粉配比的影響。此外，由于淀粉基質對CuNCs 的分散作用和巰基配體對銅金屬核的保護作用，環境條件下CuNCs/淀粉復合物具有良好的粉體狀態和穩定的光學性質，有利于其在手印顯現中的應用。根據發光強度和熒光顏色，選取3 種熒光CuNCs/淀粉復合物顯現潛在手印，考察其還原手印細節特征的能力以及顯現不同客體表面潛在手印的效果。結果表明，這些合成簡單、成本低、熒光多色的CuNCs/淀粉復合物可作為新型熒光指紋粉末用于刑事技術領域。鑒于現場遺留手印的客體種類繁多，后續將進一步探究藍色、綠色和橙色熒光CuNCs/淀粉復合物應對不同背景干擾的性能差異，明確其作為熒光指紋粉末的適用范圍。

致謝 感謝科學指南針實驗室（www.shiyanjia.com）提供的物理表征技術支持。

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